公路隧道计算机辅助设计CAD 系统

摘要　介绍公路隧道计算机辅助设计CAD 系统的设计思想、原理、组成及主要功能。
根据我国公路建设的总体规划, 到本世纪末, 高等级公路将贯穿两纵、两横4 条国道主干线, 连接100 多个大、中城市, 全长约1145 万km , 3 条总长3 320km 的国道主干线将在2000 年建成汽车专用公路。面对公路建设迅速发展, 隧道设计日益繁重的局面, 必须改变手工或计算机描图等传统设计方法, 开发公路隧道CAD 系统。
70 年代以来, 随着计算机技术的发展, CAD 技术在国内外得以迅速发展并在许多领域取得了可喜的成果。在隧道设计方面也进行了一些初步尝试, 但还局限于少量计算机图纸绘制和局部计算上, 难以形成一套完整的计算机系统。
公路隧道CAD 系统作为公路隧道整体式衬砌计算机辅助设计系统的第一代产品, 已于1995 年由我院研制成功, 并通过沈阳铁路局级鉴定, 鉴定认为该系统已达到当代国内先进水平。目前, 该系统已在公路隧道设计中得以应用。
1 　设计思想和原则
11 衬砌形式为直墙、曲墙拱型整体式衬砌。
21 系统按规范进行设计, 借鉴铁路隧道设计经验, 同时考虑南北地区差别。

31 功能上主要解决复杂的计算和繁琐的图纸绘制。
41 界面良好, 兼容性强, 功能完善。
2 　系统主要组成、设计原理及功能
公路隧道CAD 系统是以FOXPRO 系统为软件开发平台, 采用4 GL 编制而成。主要由信息输入软件、计算软件和绘图软件3 大模块组成, 其内容涉及隧道横、纵断面设计、洞门设计、防排水设计、明洞设计等几大系统。
211 　信息输入软件
隧道设计所需各种原始数据及参数均通过人机交互界面输入, 并存入共享数据库, 可随时修改。另外, 该软件拥有强大的, 解释性的随机帮助系统, 输入数据时如有疑问, 可随时按热键【shift + F1 】查询。
11 横纵断面信息输入
横纵断面信息是隧道设计中反映山体地形的原始数据, 由现场测量而得, 是决定隧道长度、道路坡度等内容的主要因素。当信息输入后, 软件将根据测点里程对测点进行自动排序并保存。设计者可通过绘图软件绘制不同比例的草图进行设计方案比选。
21 地质信息输入
地质信息输入除需输入由现场勘探及试验分析获得的基础数据外, 还需输入衬砌混凝土及衬砌内力分析所需的各种参数。软件将按《公路隧道设计规范》自动计算判别隧道是否深埋、浅埋或偏压。 31 内外轮廓尺寸拟定
隧道内外轮廓尺寸拟定是隧道设计的重心部分, 直接关系着隧道的稳固性及工程造价。一般来说, 隧道内轮廓是由隧道限界而定, 其净宽是固定的, 其净高可通过边墙高及拱高来调整。同时, 隧道衬砌厚度又决定着隧道外轮廓尺寸。要使隧道内外轮廓尺寸设计合理, 通常需经过多次试算、调整才能优化设计。该软件的单心直墙、三心直墙、三心曲墙3 种国际标准界面成功地使数据输入、修改变得非常方便。当某些影响因素发生变化时, 可通过计算机迅速计算。并可通过绘图软件绘制横断面图供设计者进行优化设计。
41 明洞配筋设计
在隧道出入口附近及覆盖层很薄的地段, 一般需设明洞。设计者先拟定明洞内外轮廓尺寸, 再从滚动窗口中选择钢筋材料、主筋直径、纵筋直径、箍筋直径及输入箍筋间距、保护层厚度等。软件将自动计算各单元节点处的安全系数。
51 洞门尺寸拟定　
隧道洞门型式很多, 常见的有端墙式、翼墙式和柱式3 种, 该软件针对3 种洞门的结构特点分别设计了数据输入界面, 设计者可根据交互界面的数据输入要求拟定洞门细部尺寸。也可在ACAD 下调用标准洞门图并修改其尺寸进行设计。系统自动检算其稳定性及强度, 并提出数据修改建议。
61 电缆槽尺寸拟定
电缆槽是隧道的附属设备, 通常设在人行道板下面。该软件可完成电缆槽细部尺寸拟定, 并可设计电缆槽盖板尺寸及配筋。同时, 绘制电缆槽大样图, 并对材料的组成及数量加以统计。
71 洞内排水沟设计
该软件根据南北地区的气候差异, 可设计两种排水方式。在气候温和地区采用单侧沟或双侧沟排水, 在气候寒冷地区采用中心暗沟排水并设保温出水。同时, 生成排水沟大样图及主要工程数量表。
212 　计算软件
该软件全部用C 语言编制而成, 主要由内外轮廓尺寸计算、衬砌内力分析计算、明洞配筋计算及洞门稳定性计算等几个子程序组成。
11 内外轮廓尺寸计算
该软件根据设计者拟定的内外轮廓尺寸计算隧道内外拱半径、曲边墙半径、仰拱半径、圆心角及圆心位置等。并可通过绘图软件绘制标准格式的横断面设计图。同时, 软件计算土石开挖量、衬砌混凝土量(包括仰拱或底版) 等, 并根据不同的围岩类别分别按6cm 、8cm 、10cm 、12cm 计算超挖回填量。
21 衬砌内力分析计算
衬砌内力分析计算一直是手工设计中的难点, 需经过多次重复计算才能使衬砌轮廓尺寸设计合理。一般手工设计隧道的计算方法是链杆法, 即把拱圈简化为拱脚弹性固定于围岩上的无铰拱, 边墙按弹性地基梁进行分析计算, 并未考虑衬砌与围岩之间的共同作用, 因此不能真实地反映衬砌受力及变形的实际情况。该软件采用的矩阵位移法是按照局部变形理论的温氏(Winkler) 假定, 以弹性抗力系数K 来体现围岩与衬砌之间相互制约相互传力的共同作用, 大大提高了衬砌内力分析精度。使衬砌轮廓尺寸设计更趋于合理。
根据矩阵位移法计算衬砌的基本步骤, 该软件的主要计算功能如下:
1.(1) 根据设计者输入的衬砌内外轮廓尺寸、衬砌离散单元数等将衬砌断面分为若干个长度相等的等直杆单元, 计算各单元的长度L 、面积S 、惯性矩I 、单元轴线与水平线夹角α、各节点半径方向与竖直轴的夹角ψ及节点处弹性链杆的作用长度L ′。
( 2) 将作用在衬砌上的垂直、水平围岩压力及衬砌自重按深埋、浅埋或偏压化为等效节点荷载。
( 3) 按矩阵位移法进行衬砌内力分析, 计算各节点处的弯矩M 、轴力N 及剪力Q 。
( 4) 计算轴向力偏心矩E 及强度安全系数K 。
31 明洞配筋计算
按明洞断面轮廓尺寸进行内力分析, 计算各节点处的弯矩M 、轴力N 及剪力Q , 根据内力结果计算隧道纵向每延长米主筋根数, 并检算衬砌截面最小配筋率, 统计钢筋种类及数量。
41 洞门计算
洞门的作用在于抵抗边坡和仰坡地层的主动侧压力, 防止边坡和仰坡的坍塌, 因此可视为挡土墙, 按库仑理论进行计算。
1. (1) 将端墙式洞门视为具有很大孔洞的挡土墙, 检算端墙最高、受力最大部分的强度及稳定性, 并以此确定整个洞门墙的主要拟定尺寸是否合理。洞门墙台阶埋入部分及洞门墙和衬砌连接部分, 对洞门结构的稳定性有利, 不考虑其影响因素是偏于安全的。
(2) 翼墙式洞门是由洞门墙和翼墙一起共同承受隧道纵向和横向的主动水平压力, 其本身是一个空间结构, 为了简化计算, 该软件分别验算下列内容:
a1 验算翼墙　取洞门端墙址前之翼墙宽1m 的条带, 不考虑翼墙与端墙间的连结抗剪作用, 除验算墙身的强度和稳定性外, 还验算基底的偏心及进行应力检算。
b1 验算端墙　取端墙最不利部分, 验算其强度偏心。如果端墙和洞口环节衬砌不是用同一材料整体砌筑时, 软件还将验算整个端墙强度及稳定性。
c1 端墙与翼墙共同作用的验算　验算翼墙与端墙连结部分的端墙自重和翼墙全部重量共同抵抗作用在翼墙与端墙连结部分的端墙上的土层主动水平压力, 使之不会滑动。
(3) 柱式洞门视其是否带有翼墙, 分别按翼墙式、端墙式洞门验算。
213 　绘图软件
该软件全部用内嵌在AutoCAD 下的L ISP 语言编制而成, 采用图形数据库控制图纸生成。可完成以下各类图纸的绘制: 隧道纵断面设计图; 不同围岩类别的衬砌断面设计图; 明洞衬砌断面设计图; 明洞配筋设计图; 洞门平面设计图; 洞门立面设计图; 衬砌防排水设计图; 洞内排水设计图; 中心排水沟及检查井设计图(寒冷地区); 排水侧沟设计图; 电缆槽及其盖板配筋设计图; 喷锚支护设计图; 保温出水口设计图(寒冷地区) 。以上各类图纸约占隧道设计总图纸量的85 % 左右, 且图纸设计质量及绘制精度大为提高, 减轻了设计人员的劳动强度, 缩短了工程设计周期。
3 　系统的特点
1. (1) 该系统是在国内6 座中长隧道设计的基础上开发的, 既充分体现了以往设计的精华, 又在研制过程中, 咨询专家, 研究各子系统的数学模型及工程算法, 从而使系统能够较充分地满足工程设计的需要。
(2) 该系统层次、模块结构清晰, 且每个子系统都具有独立功能, 用户可根据需要改变系统执行流程或增减系统功能, 使系统执行流程达到最优效果。
(3) 采用国际标准用户界面, 符合应用软件系统的发展潮流, 使用方便、灵活, 用户界面友好。
(4) 以FOXPRO 系统、C 语言、L ISP 语言作为开发环境, 使系统具有较好的升级性、兼容性和可移植性。
(5) 系统运行的中间结果可全部打印, 并把用户输入的原始数据按统一的文档规范制成文档文件, 以备查询和存档。
(6) 强大的图文混合随机帮助, 用户可随时获得所需的各种信息。
4 　应用前景及效益分析
411 　应用前景
目前我国公路建设迅速发展, 隧道工程设计任务日益繁重, 迫切需要缩短工程设计周期, 减轻设计人员的劳动强度。该系统必将在公路建设中得到充分的应用。同时, 随着公路建设的不断发展和完善, 人们对设计质量的要求必将更高, 需要设计手段及方法更加科学化和现代化, 因此该系统的应用前景是相当广阔的。
该系统的模块化设计结构为将开发的隧道通风和照明设计系统、辅助坑道设计系统等预留了接口。并即将移植到Windows 系统中, 另外, 该系统也可用于铁路隧道工程设计及防空洞等地下工程设计中, 因此, 将来的更高级版系统功能将更加充实和先进。其完善的后期维护及不断的版本升级必将使其推广前景更加广阔。
412 　效益分析
该系统在实际工程应用中表明: 利用该系统优化衬砌断面, 可使衬砌断面厚度减小5～10cm , 按隧道净宽1015m 计算, 每延长米隧道可节省圬工1125m3 左右, 节约工程投资011 万元以上。
由于该系统的应用, 使隧道工程的初步设计和施工图设计速度成倍地提高, 可以将大量的工程技术力量从繁杂的、重复性的计算和简单的手工描图中解放出来, 而把主要精力集中在设计方案构思等关键性技术问题上。
另外,该系统的应用避免了人工计算和绘图差错, 可提高设计图纸的质量,也是其明显的技术效益。