1隧道工程的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工

所謂動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)分為兩個(gè)階段完成：第一階段為預(yù)設(shè)計(jì)，在施工前完成，用于指導(dǎo)施工。預(yù)設(shè)計(jì)一般參照工程類比套圖，具有模糊決策的特點(diǎn)；第二階段為修正設(shè)計(jì)，即在施工過(guò)程中，通過(guò)已暴露的地質(zhì)情況和施工中發(fā)生的各種變化，對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正和完善后再付諸施工。所謂信息化施工就是施工單位按照設(shè)計(jì)要求制訂并實(shí)施施工和監(jiān)測(cè)方案，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息結(jié)果及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施工方案和工藝，或及時(shí)采取安全措施，并將信息反饋設(shè)計(jì)予以修正、變更。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工是一個(gè)辯證的綜合體系，二者緊密結(jié)合，相輔相成，其流程為：預(yù)設(shè)計(jì)—施工檢驗(yàn)—地質(zhì)判別—監(jiān)測(cè)信息—修正設(shè)計(jì)—施工檢驗(yàn)。

2隧道設(shè)計(jì)和施工現(xiàn)況

盡管隧道建設(shè)要求動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工，但更多還是停留在概念和口頭上，沒(méi)有真正落到實(shí)處。目前隧道設(shè)計(jì)和施工現(xiàn)況大致如下述。

2.1預(yù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工

現(xiàn)實(shí)中隧道工程一般由設(shè)計(jì)單位先做設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)單位根據(jù)勘察資料結(jié)合工程類比及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)（按流程應(yīng)為預(yù)設(shè)計(jì)），預(yù)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)建設(shè)單位組織審查后交付施工單位。預(yù)設(shè)計(jì)側(cè)重功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分考慮建成使用的需要，對(duì)使用功能和主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性都著重進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往缺失施工工況的模擬或簡(jiǎn)單模糊處理，支護(hù)及措施一般采用參照和類比的方式，甚至是照搬照套，對(duì)圍巖開(kāi)挖及支護(hù)是否穩(wěn)定、對(duì)采用措施是否恰當(dāng)?shù)葼顩r分析較少，將開(kāi)挖支護(hù)這樣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)交由施工方考慮。施工方接收的施工圖文件被視為合同文件之一，進(jìn)場(chǎng)后被要求按圖施工、按圖計(jì)價(jià)，過(guò)程中若出現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境變化或意外狀況由施工方建議變更設(shè)計(jì)，經(jīng)建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位的同意后實(shí)施變更。變更流程較為復(fù)雜，且可能導(dǎo)致合同費(fèi)用的改變，不僅僅是技術(shù)問(wèn)題，還涉及到合同問(wèn)題。為了合同履行簡(jiǎn)潔、嚴(yán)肅，一般都避免合同變更。總體來(lái)說(shuō)，施工過(guò)程中主要還是預(yù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工。

2.2設(shè)計(jì)圖與實(shí)施存在差距

由于隧道工程一般由預(yù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)甚至貫穿施工的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單位對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)都非常重視，投入較大，經(jīng)過(guò)較多的設(shè)計(jì)、計(jì)算和校審等流程，還可能通過(guò)外部的強(qiáng)制性審查。圖紙本身擬合程度較高，也預(yù)留了一定的安全系數(shù)。但是，設(shè)計(jì)圖與實(shí)施往往有差距，與實(shí)際也不一定匹配；除了常見(jiàn)的地質(zhì)環(huán)境的變化和意外狀況外，還存在其他差距。

（1）預(yù)設(shè)計(jì)和施工實(shí)施的隧道斷面存在差距

預(yù)設(shè)計(jì)的隧道斷面在建筑限界基礎(chǔ)上考慮了一定的裕量，基于經(jīng)濟(jì)性考慮裕量有限，且根據(jù)相關(guān)文件規(guī)定，結(jié)構(gòu)、構(gòu)件尺寸及工程量計(jì)算均不考慮圍巖超、欠挖及變形情況，對(duì)施工及測(cè)量誤差考慮也有限。但是，在說(shuō)明中會(huì)對(duì)圍巖變形量做出一個(gè)估計(jì)，并提請(qǐng)施工方進(jìn)一步考慮施工及測(cè)量誤差情況。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)圖僅對(duì)結(jié)構(gòu)及內(nèi)輪廓做出明確界定，而將圍巖開(kāi)挖、支護(hù)等內(nèi)容提交施工方充分考慮。施工方拿到圖紙后還不能直接拿來(lái)使用，必須根據(jù)本企業(yè)的施工能力、水平等確定施工誤差，同時(shí)在考慮預(yù)留變形量基礎(chǔ)上再擬定斷面及構(gòu)件尺寸，進(jìn)行再設(shè)計(jì)，重新編制施工圖。盡管差別細(xì)微不會(huì)導(dǎo)致受力的根本變化，但這樣會(huì)形成重復(fù)設(shè)計(jì)，僅限于照“圖”施工，為設(shè)計(jì)、施工脫節(jié)埋下伏筆；部分施工單位不了解規(guī)則，盲目照?qǐng)D施工，導(dǎo)致二次襯砌結(jié)構(gòu)施工時(shí)凈空不足，處理起來(lái)難度和風(fēng)險(xiǎn)較大，且增加一筆不必要的支出，勞民傷財(cái)。

（2）預(yù)設(shè)計(jì)未考慮具體施工方機(jī)械、工藝特點(diǎn)

預(yù)設(shè)計(jì)往往在施工方進(jìn)場(chǎng)前完成，對(duì)具體施工實(shí)施方面考慮有限，在工法、措施及分部尺寸的劃分上未充分考慮或未考慮具體施工方的機(jī)械、工藝特點(diǎn)等。施工方進(jìn)場(chǎng)后一般根據(jù)設(shè)計(jì)圖開(kāi)展施工組織設(shè)計(jì)和施工方案研究，一方面需要選用合適的機(jī)械、工藝；另一方面基于成本或便于施工的角度需要進(jìn)行局部尺寸的調(diào)整，如何調(diào)整應(yīng)與設(shè)計(jì)方進(jìn)行溝通。一些施工單位為了施工方便擅自進(jìn)行尺寸調(diào)整，可能改變受力特點(diǎn)，從而導(dǎo)致變形過(guò)大甚至引發(fā)安全事故。

2.3動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)施工不足，應(yīng)變能力不強(qiáng)

進(jìn)入施工實(shí)施階段，合理的狀況應(yīng)是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)施工，根據(jù)已暴露的地質(zhì)情況、監(jiān)測(cè)的信息情況以及施工中發(fā)生的各種變化，及時(shí)修正和完善預(yù)設(shè)計(jì)，或及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施工方案和工藝，或采取安全措施，使隧道施工處于受控狀態(tài)，從而有效降低隧道的風(fēng)險(xiǎn)和造價(jià)。但是，現(xiàn)狀往往是設(shè)計(jì)方提交預(yù)設(shè)計(jì)圖，進(jìn)行設(shè)計(jì)交底，派出人員配合施工。在配合施工中沒(méi)有建立對(duì)應(yīng)的體系去實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，沒(méi)有建立起符合動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的計(jì)算模式和分析方法，對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)很少進(jìn)行變更和修正，對(duì)設(shè)計(jì)的不足之處寄希望于施工方的現(xiàn)場(chǎng)控制。設(shè)計(jì)變更的提出往往來(lái)自施工方，但一般都是要求加強(qiáng)支護(hù)并增加費(fèi)用等，時(shí)效性和合理性大打折扣。施工方作為項(xiàng)目實(shí)施主體，對(duì)項(xiàng)目認(rèn)識(shí)和理解來(lái)源于設(shè)計(jì)方和工程的實(shí)踐，重點(diǎn)關(guān)注的是項(xiàng)目的組織實(shí)施，對(duì)合理與否考慮較少。由于缺乏理論依據(jù)和計(jì)算分析支持，一般都照?qǐng)D施工，信任并依賴于設(shè)計(jì)，認(rèn)為設(shè)計(jì)充分考慮施工工況，并有相當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，盲目照?qǐng)D施工，甚至在圍巖條件及支護(hù)狀態(tài)變化時(shí)還在照?qǐng)D施工，導(dǎo)致支護(hù)措施不足或過(guò)強(qiáng)。在確定了某種施工方法和工藝后，出于成本或施工習(xí)慣考慮不愿進(jìn)行改變，期待設(shè)計(jì)變更加強(qiáng)支護(hù)。但隧道施工方法選擇是否得當(dāng)，直接影響隧道的施工安全，施工方法選擇不當(dāng)，風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)加大。

如當(dāng)前進(jìn)入基礎(chǔ)設(shè)施快速建設(shè)期，為加快施工，許多大跨度的隧道都采用臺(tái)階法，并推廣到Ⅴ級(jí)圍巖中。臺(tái)階法有利于機(jī)械化施工，大大提高了施工效率，但是否應(yīng)用于所有的隧道值得探討，許多隧道因此而產(chǎn)生大變形甚至坍塌。監(jiān)測(cè)給隧道施工提供了保障，是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)施工的依據(jù)，但作為隧道施工最為重要的監(jiān)測(cè)工作往往得不到足夠重視。監(jiān)測(cè)的方案一般由設(shè)計(jì)提出，并納入預(yù)設(shè)計(jì)中，施工方進(jìn)場(chǎng)后編制監(jiān)測(cè)方案并組織實(shí)施，但監(jiān)測(cè)方案往往得不到有效落實(shí)，監(jiān)測(cè)不及時(shí)、不全面，或有監(jiān)測(cè)、無(wú)分析，或信息反饋不了設(shè)計(jì)或反饋有限等，當(dāng)變形速率或變形量過(guò)大時(shí)未采取措施，失去處理的最佳時(shí)間，從而造成坍塌。由于設(shè)計(jì)和施工脫節(jié)以及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)施工不足，導(dǎo)致隧道設(shè)計(jì)和施工理念得不到貫徹，常常發(fā)生緊急事件，出現(xiàn)緊急事件后應(yīng)急能力差，得不到及時(shí)有效處理，并使得損失擴(kuò)大化。

2.4投資效益和效率低、施工事故發(fā)生率高

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)，一方面隧道大量建設(shè)，并要求快速施工；另一方面造價(jià)越來(lái)越高，隧道事故頻頻發(fā)生，坍塌連連發(fā)生。這普遍體現(xiàn)了重支護(hù)、輕圍巖的現(xiàn)象，遇到變形過(guò)大或出現(xiàn)一些緊急狀況，就加強(qiáng)支護(hù)、加大安全系數(shù)，而沒(méi)有考慮合理與否。出現(xiàn)危險(xiǎn)或危機(jī)甚至坍塌事故后，各方互相推諉、互相指責(zé)，沒(méi)有認(rèn)真去分析原因，最后往往由業(yè)主推動(dòng)解決危機(jī)，為坍塌埋單，增加投資，使得投資的效率和效益低下。部分施工單位從坍塌中嘗到甜頭，不塌不賺錢(qián)，坍塌出效益，從而帶來(lái)惡性循環(huán)。據(jù)筆者對(duì)北京周邊近些年來(lái)修建的隧道進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)，坍塌事件比例較高。

3目前動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工未落實(shí)的原因分析

3.1建設(shè)體制的影響

我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)施的建筑體制是設(shè)計(jì)與施工分離，各行業(yè)都分別組建了專門(mén)從事設(shè)計(jì)或施工的法人單位，同時(shí)在資質(zhì)和行業(yè)準(zhǔn)入方面進(jìn)行嚴(yán)格的管理。現(xiàn)行建設(shè)體系和架構(gòu)中，一般分為建設(shè)、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工四個(gè)主體。建設(shè)單位主要負(fù)責(zé)投融資和建設(shè)管理；監(jiān)理作為建設(shè)單位的委托方主要審批施工組織設(shè)計(jì)，監(jiān)管施工進(jìn)度、質(zhì)量和安全等；設(shè)計(jì)、施工單位由建設(shè)單位通過(guò)招標(biāo)分別簽訂合同完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工任務(wù)，設(shè)計(jì)方提供施工圖，施工方按設(shè)計(jì)圖紙施工，兩個(gè)合同主體在以建設(shè)單位為中心的協(xié)調(diào)下完成工作，在管理階段上也分列為規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工實(shí)施階段。在這樣的合同體系和管理架構(gòu)中，充分體現(xiàn)了建設(shè)單位的中心位置，但割裂了設(shè)計(jì)與施工的關(guān)系，二者在合同形式和內(nèi)容上是分離的，之間沒(méi)有彼此的約束關(guān)系，各方關(guān)注的利益和承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)不同。

設(shè)計(jì)方與建設(shè)單位存在合同關(guān)系，關(guān)注設(shè)計(jì)本身效益和項(xiàng)目的投資效益，承擔(dān)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，將提交圖紙視為完成合同任務(wù)，施工階段定位為從屬和配合的位置，僅委派少量人員配合施工。施工方與建設(shè)單位存在合同關(guān)系，將圖紙內(nèi)容變?yōu)橛行螌?shí)體，承擔(dān)施工中的風(fēng)險(xiǎn)，關(guān)注自身的成本和效益，追求的是自身經(jīng)濟(jì)利益的最大化。設(shè)計(jì)圖對(duì)施工方而言被視為合同內(nèi)容，施工方以施工圖作為依據(jù)編制施工組織設(shè)計(jì)并組織實(shí)施，設(shè)計(jì)方一般不介入施工組織設(shè)計(jì)。這樣的建筑體制顯然不利于隧道工程的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)施工，也不利于發(fā)揮施工方自身經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，尤其不利于新技術(shù)、新材料、新設(shè)備和新工藝的推廣應(yīng)用。許多業(yè)內(nèi)人士提出體制的弊病，但改變?nèi)杂邢喈?dāng)長(zhǎng)的一段路。一些工程已經(jīng)開(kāi)始走設(shè)計(jì)和施工一體化的道路，提出設(shè)計(jì)和施工總承包模式，但長(zhǎng)期以來(lái)形成的慣性思維使得效果還不明顯，促進(jìn)它們的融合還需做較多的工作。

3.2動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工的體系沒(méi)有有效形成

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工是有機(jī)整體，由于目前設(shè)計(jì)和施工分離，使得動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工的體系沒(méi)有有效形成。首先，行業(yè)及建設(shè)慣例沒(méi)有要求或促動(dòng)設(shè)計(jì)方建立對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)體系，一般對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)期盼過(guò)高；期盼預(yù)設(shè)計(jì)可以包絡(luò)施工中的各種狀況，體現(xiàn)了重施工圖、輕后期的狀況，設(shè)計(jì)也沒(méi)有建立起符合動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的計(jì)算模式和分析方法。其次，各方對(duì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工中相應(yīng)承擔(dān)的內(nèi)容比較模糊，也難以分割清楚；如對(duì)前面談到的圍巖，其既是作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載，又是成洞的支護(hù)載體，與支護(hù)形成一個(gè)完整的支護(hù)體系；實(shí)施中理想狀況是形成支護(hù)，不利的狀況則轉(zhuǎn)化為荷載，這些狀況又不是設(shè)計(jì)一廂情愿所能約束的；依靠施工方對(duì)圍巖的開(kāi)挖支護(hù)的有效控制去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，實(shí)踐性較強(qiáng)，若控制不力，則需采取有效應(yīng)對(duì)措施，而應(yīng)對(duì)措施有可能調(diào)整支護(hù)參數(shù)或調(diào)整施工方法及工藝來(lái)達(dá)到目的，這體現(xiàn)了它們之間的不可分割。

3.3評(píng)價(jià)機(jī)制的影響

由于建筑體制中設(shè)計(jì)與施工的分離，各行業(yè)也相應(yīng)分開(kāi)分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)優(yōu)秀設(shè)計(jì)頒發(fā)優(yōu)秀設(shè)計(jì)獎(jiǎng)，對(duì)施工的優(yōu)質(zhì)工程頒發(fā)優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)等。評(píng)獎(jiǎng)對(duì)行業(yè)進(jìn)步是一個(gè)促進(jìn)作用，各方都希望獲獎(jiǎng)來(lái)提高自己的行業(yè)知名度和業(yè)績(jī)。但相對(duì)隧道工程，這樣的評(píng)價(jià)機(jī)制并不利于開(kāi)展動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工。如對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)重點(diǎn)在施工圖，施工圖擬合程度高、變更少是評(píng)選優(yōu)秀設(shè)計(jì)的條件之一，但動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)被視為變更，意味變更增加，必然降低與預(yù)設(shè)計(jì)的擬合程度。設(shè)計(jì)方?jīng)]有動(dòng)力和積極性去否定、修正自己的原設(shè)計(jì)，一般盡量維持原設(shè)計(jì)，力求靜態(tài)，即使有一些問(wèn)題，也不希望被改變。優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)盡管對(duì)設(shè)計(jì)也有要求，但主要還是針對(duì)施工方的，對(duì)設(shè)計(jì)方影響有限。

4動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工建議

4.1管理機(jī)制上促進(jìn)設(shè)計(jì)和施工一體化

根據(jù)隧道工程特點(diǎn)，可以參照工業(yè)化生產(chǎn)模式，讓設(shè)計(jì)和施工融為一體或促使設(shè)計(jì)、施工一體化，形成合力共同完成隧道這個(gè)產(chǎn)品。設(shè)計(jì)不僅僅關(guān)注功能和結(jié)構(gòu)，也介入施工實(shí)施，在理論和技術(shù)方面提供全面支持，施工方不僅僅關(guān)注施工實(shí)施，也延伸到設(shè)計(jì)中，全面了解產(chǎn)品狀況，從實(shí)施的角度優(yōu)化設(shè)計(jì)，關(guān)注性價(jià)比和投資效益。如實(shí)施工程設(shè)計(jì)和施工總承包，業(yè)主將項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工合在一起發(fā)包，讓設(shè)計(jì)和施工方捆綁在一起，各方的利益和風(fēng)險(xiǎn)一致，促使設(shè)計(jì)和施工融合在一起，在工藝和技術(shù)上相互協(xié)調(diào)，理論與實(shí)踐更好地結(jié)合，共同應(yīng)對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)，更好地完成任務(wù)。

4.2促進(jìn)建立動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工體系

針對(duì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工體系欠缺的狀況，建議行業(yè)制定指南文件，貫徹動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工理念，指導(dǎo)規(guī)范動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工的行為。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)意味著設(shè)計(jì)涵蓋施工全過(guò)程，需要考慮地質(zhì)環(huán)境的變化、施工方法及支護(hù)、措施調(diào)整，并充分考慮施工工藝及施工狀況等。為有效實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，從管理階段劃分上將施工圖設(shè)計(jì)與施工實(shí)施放在一起，設(shè)計(jì)計(jì)費(fèi)也重新考慮，將動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)列入施工圖設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)單位建立起符合動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的計(jì)算模式和分析方法，應(yīng)施工需要隨時(shí)進(jìn)行反分析，掌握隧道狀態(tài)。對(duì)調(diào)整支護(hù)參數(shù)或調(diào)整施工方法及工藝都可以達(dá)到目的的情況進(jìn)行綜合評(píng)估，以確定方案。

4.3建立綜合、整體評(píng)價(jià)體系

目前隧道和地下工程尚有許多問(wèn)題有待研究，設(shè)計(jì)理念是將地下工程的復(fù)雜性簡(jiǎn)單化。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)、計(jì)算、施工技術(shù)的發(fā)展必須走信息化動(dòng)態(tài)反饋的道路。隧道和地下工程設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)為最優(yōu)規(guī)劃的實(shí)施而進(jìn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性、使用性的研究，并將成果轉(zhuǎn)化為建設(shè)方案、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法等內(nèi)容。為此，宜建立對(duì)項(xiàng)目的投資效率和效益的整體、綜合評(píng)價(jià)機(jī)制。激勵(lì)設(shè)計(jì)單位實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，促進(jìn)設(shè)計(jì)和施工單位融合，減少事故發(fā)生，提高投資效率和效益，推動(dòng)新技術(shù)、新材料、新設(shè)備和新工藝的推廣應(yīng)用。

5結(jié)語(yǔ)

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工是一個(gè)很好的理念，切實(shí)落實(shí)可以大大提高隧道的建設(shè)技術(shù)水平，提高投資效率和效益。通過(guò)本文，筆者期望能起到拋磚引玉的作用。

作者：徐加民 單位：北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院