淺談地下工程結構的設計過程

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摘　要　地下工程的設計過程實際上是一個決策過程，是最能綜合反映設計人員的知識、經驗、創(chuàng)造力甚至審美觀念的一項工作。闡述了地下工程的設計步驟及方法。

    地下工程設計是采礦、建井及其它巖土工程領域最能綜合反映設計人員的知識、經驗、創(chuàng)造力甚至審美觀念的一項工作。

    目前，我國有關的各個行業(yè)部門幾乎都頒布了與其相關的地下工程設計規(guī)程，設計人員所要做的工作似乎僅僅是根據地質勘探資料和業(yè)主提出的任務照本（規(guī)程）操作，其工作成果通常也僅體現設計者的專業(yè)技術水平和對規(guī)程的現解和掌握程度。根據多年從事煤礦井巷及采礦技術和管理工作經驗，筆者認為，地下工程的設計過程實際上是一個決策過程。在此過程中，設計者要進行目標確定、條件分析、背景資料檢驗和評價、工程項目的實施方案制定等項工作。完成這些工作不僅要求設計者必須掌握相關的技術知識，而且還須考慮社會、經濟、法律及美學等因素。因此，不應將地下工程設計視作單純的技術工作。

    1　地下工程的設計步驟

    地下工程設計是一項包涵多種因素的工作。為了使所設計的地下工程結構在穩(wěn)定性、安全性和經濟效益3個方面均達到理想的效果，設計應按以下步驟進行：

    （1）設計目標及問題的確定。在著手設計之前，設計人員應首先確定擬設計工程應達到的目標，或者說，設計人員應全面了解業(yè)主建此工程的目的和需求。此外，設計者還須了解擬建工程在建設和運營階段可能會出現的困難。

    （2）信息收集。這一階段工作包括對有關信息的收集、處理和篩選，以找出待處理問題的典型特征。要收集的信息是多方面的，既包括礦產資源勘探成果信息和水文地質、工程地質勘察成果信息，也包括待建工程的環(huán)境現狀、同類工程建筑經驗等信息。

    （3）方案設計。在此階段，設計人員根據工程委托方的需求和已收集到的信息設計出數個初步方案。在設計初步方案時，設計者可以提出一定的假設，或嘗試不同的模式（數學模型或物理模型）。

    （4）方案比較和綜合。本階段也可理解為決策階段。在本階段，設計人員根據業(yè)主及其他專家對各初步方案的反饋意見，總結各初步方案的優(yōu)缺點，提出1個可供實施的具體方案。該實施方案應包括設計思想、計算模型、計算依據、計算方法、成果預測、成本估計、工程進度安排、實驗結果等項內容。

    （5）方案評價和檢驗。設計方案提出后，設計人員必須會同業(yè)主和其他有關專家一起對方案進行評價，即將所提出的方案與原始假設、設計說明、現場實際情況、業(yè)主要求和限制條件等進行比較。設計方案評價應當運用工程學的觀點。如果在評價中發(fā)現設計有缺陷或有更好的方案，設計人員則須返回到前面的某個階段，重新開始設計。

    （6）提出建議。結論和建議是整個設計的精髓，其中對問題的解決方案要有明確的闡述，指出設計的局限性，并指出應如何實施所設計的方案。

    2　地下工程的設計方法

    地下工程的設計內容包括工程選址、工程規(guī)模的確定、工程建筑結構方位與排列布置方式的選擇、掘進程序安排、掘進方式與支護結構的選擇等。

    與地面工程建筑結構設計所不同的是，地下工程結構設計不僅要考慮應力、應變等可量化的因素，而且還需考慮巖性、時效等多種難以量化的因素。因此，地下工程設計所使用的方法往往是多種方法的綜合。常涉及3種方法：理論分析法、觀測比擬法、經驗類比法。

    理論分析法用于分析和確定硐室圍巖及支護結構的應力和應變。該方法包括解析法、數值法（有限差分法、有限單元法、邊界元法、離散元法等）和相似模擬法等。

    觀測比擬法主要用于驗證已執(zhí)行設計的可靠性，為設計的調整或修改提供依據。

    經驗類比法是通過對已建成的地下工程結構的觀測結果和穩(wěn)定性條件分析，歸納出對工程有利或不利的條件類型，然后根據待建工程的條件類屬提出相應的結構措施。目前，經驗類比法是地下工程設計最常用的方法。例如，根據工程巖體的結構類型確定掘進和支護方式就屬于經驗類比法。

    應當指出的是，任何設計方法都是建立在工程地質信息基礎之上的。工程地質信息包括巖體的巖性和結構特征、待建工程所處位置的原始應力場、地下水的賦存和逕流條件等。

    3　結　語

    一份優(yōu)秀的設計是地下工程結構安全、高效建設和運行的基本保障；而設計人員的扎實基礎知識，豐富的實踐經驗以及清晰、正確的設計思想是優(yōu)秀設計的基本保障。我國的地下工程界今后在培養(yǎng)設計人員的過程中，不僅要重視知識和經驗的培養(yǎng)，而且更應重視設計思路的培養(yǎng)。