1 前言
隧道规划和设计应遵循能充分发挥隧道功能、安全且经济地建设隧道的基本原则。隧道设计应有完整的勘测、调查资料,综合考虑地形、地质、水文、气象、地震和交通量,及其构成,以及营运和施工条件,进行多方案的技术、经济、环保比较,使隧道设计符合安全实用、质量可靠、经济合理、技术先进的要求。
2 隧道设计概述
隧道三维模型设计可分为以下几个流程：1.隧道线路设计；2.隧道洞身设计；3.隧道锚杆设计；4.洞门设计等。基于隧道的设计流程，通过达索系统3DEXPERIENCE平台建模，可以把道路专业、隧道专业、桥梁专业（如果有桥梁段）等多专业放到一个平台下进行协同设计，实时在线更新模型，提升设计效率，来实现隧道模型虚拟展示和设计验证。
在基于达索系统3DEXPERIENCE平台的基础上，可以对前期确定的隧道走向、平纵曲线、洞口位置等，进行初步设计，保留设计参数；后面根据地形、地质等其他因素，调整隧道走向、平纵曲线、洞口位置。在满足隧道功能和结构受力良好的前提下,确定经济合理的断面内轮廓，可以对隧道断面进行参数化控制，根据公路等级、设计速度确定车道数、建筑限界及衬砌内轮廓；对于隧道锚杆，隧道洞身等结构模型，可以应用CBD的方式来分段批量创建，更改参数尺寸，提升创建效率。
3 CBD概述
3.1 基本概念：
基于部件的设计，简称CBD（Component Based Design），通过建立隧道对象类型，封装方案设计阶段UDF特征模板和深化设计阶段工程模板，并提升产品级别方式，实现跨阶段渐进式设计。
1）用于创建从概念设计到详细设计的重复使用的部件模板；
2）模型颗粒度从LOD100到LOD350。模板可以是用户特征和工程模板；
3）可一键实例化特征或产品的设计方法 。
3.2 对象类型
对象类型是指带有待定IFC属性类型的AEC产品类型，支持通过IFC数据格式与其他软件进行数据交换。通俗来讲就是我们创建的三维模型数据可以打上特定的标签，比如我们创建一个隧道的模型，就可以使用隧道类型的AEC产品类型去创建，同理道路的模型就可以使用道路类型的AEC产品类型去创建。
达索系统3DEXPERIENCE平台具备94类AEC对象类型，基本覆盖常规设计需求。其功能包括：
1）通过产品属性功能管理当前产品类型的IFC属性，支持自定义IFC属性；
2）BIM管理员统筹者基于TXO属性和类型扩展方式自定义新的对象类型；
3）对象类型包含产品构件属性和特定资源表，资源表提供对象定义的3D缩略图信息、文档和特征模板、产品模板信息；
4）定义某一业务对象为指定的对象类型时，不影响其产品结构。
4 隧道线路设计
根据勘测得到的地形、地质数据，进行隧道的线路设计。线路设计流程可分为：
1、平曲线；
2、纵曲线；
3、3D曲线；
4、道路曲面。
其中平曲线是指不同坡度的道路之间，用于过渡的曲线。作用是防止坡度突然变化影响车辆的平稳，坡度变化过大且没有平曲线的话车辆容易腾空或者刮碰车辆底盘，造成危险。平曲线是由直线、圆曲线与缓和曲线组成。
纵曲线（竖曲线）是指在线路纵断面上，以变坡点为交点，连接两相邻坡段的曲线。竖曲线有凸形和凹形两种。在道路纵断面上两个相邻纵坡线的交点，被称为变坡点。为了保证行车安全、舒适以及视距的需要，在变坡处设置竖曲线。竖曲线的主要作用是：缓和纵向变坡处行车动量变化而产生的冲击作用，确保道路纵向行车视距；将竖曲线与平曲线恰当地组合，有利于路面排水和改善行车的视线诱导和舒适感。
3D曲线跟道路曲面是指在平曲线跟纵曲线在达索系统3DEXPERIENCE平台中都创建好了之后，在土木设计的模块中自动生成的道路的空间曲线和曲面，详细可见视频中的演示。
5 隧道洞身设计
5.1 隧道洞身断面模板
隧道设计内轮廊,除满足隧道建筑限界,考虑消防、电力、通风、照明、营运管理等设备及管线所需要的空间;并应考虑结构安全可靠、经济合理,结合本隧道的工程特点和边界条件以确定隧道内轮廓尺寸。在拟定隧道内轮廓时,为了减少围岩和隧道衬砌产生应力集中,衬砌断面尽量做到圆顺,不带拐角,在能满足隧道建筑限界的前提下,经过计算机断面优化比选,并通过结构计算确定合理拱轴线。
根据确定的隧道内轮廓，创建隧道洞身模板，绘制出隧道断面轮廓，并对断面尺寸进行参数化控制，通过调整参数，控制生成的隧道3D模型。
5.2 实例化隧道洞身
根据创建的隧道中心线，创建隧道起讫桩号点，通过隧道中心线及起讫桩号点批量生成不同衬砌类型的隧道段；观察模型中隧道与地形、地质的相对位置，通过调整桩号，改变不同衬砌类型隧道3D模型生成的位置及长度，使其与地形、地质相适应。
6 隧道锚杆设计
6.1 隧道锚杆作用
隧道里的砂浆锚杆的作用主要是加固岩土体，控制变形，防止坍塌。从原理来说，主要有几种：
1、砂浆锚杆悬吊作用:锚杆穿过软弱、松动、不稳定的岩土体，锚固在深尽稳定的岩土体上，提供足够的拉力，克服滑落岩土体的自重和下滑力，防止洞壁滑移、塌落。
2、挤压加固作用:砂浆锚杆受力后，在周围一定范围内形成压缩区。将锚杆片以适当的方式排列，使相邻砂浆锚杆各自形成的压缩区相互重叠形成压缩带。压缩带内的松动地层通过锚杆加固，整体性增强，承载能力提高。
3、组合梁(拱)作用:锚杆插入地层内一定深度后，在锚固力作用下的地层间相互挤压，层间摩阻力增大，内应力和挠度大为减小，相当于将简单叠合的数层梁(拱)变成组合梁(拱)。组合梁(拱)的抗弯刚度和强度大为提高，从而增强了地层的承载能力。砂浆锚杆提供的锚固力愈大，作用愈明显。
6.2 实例化隧道锚杆
完成洞身设计之后，需要对创建好的隧道模型添加锚杆；我们可以通过达索系统3DEXPERIENCE平台创建简单的锚杆模板，如下图所示：
如上图所示，创建锚杆的实体特征之后，我们需要把锚杆的建模过程及结果模型创建为锚杆UDF（用户自定义特征）模板，并发布锚杆中相应的参数，便于我们后面实例化隧道锚杆时，能通过参数来驱动模型。将创建好的锚杆UDF用CBD（基于部件的设计）进行封装，后面通过调用CBD模板，来进行多个锚杆的一键实例化，提升设计效率，详细可见视频演示。
7 洞门设计
洞门设计理念和设计原则：隧道洞口位置的确定应遵循“早进洞,晚出洞”的原则,不得大刷大挖,确保边坡及仰坡的稳定,同时兼顾洞口地形、地质条件、环境保护、洞外工程等综合因素,选用经济、美观、与自然环境相协调并有利于行车视线诱导的洞门型式。
7.1 洞口开挖
根据隧道口所处的地形、地质，选择对应的开挖支护方式；隧道洞口的作用：隧道洞口段围岩预加固措施洞口段围岩的自支护能力比较弱,有的甚至没有自支护能力。因此,在洞口段施工中最重要的是提高围岩的自支护能力,保证开挖及后续作业的进行。根据国内外的施工经验,提高围岩自支护能力的基本方法是控制围岩的坍塌、松弛。洞口施工大多是在预加固的支护系统下进行的。尤其是在浅埋、破碎、滑坡、崩塌、软弱、地下水丰富并具有软弱夹层等极易发生滑移、坍场的地段,更需要采取综合预加固措施。
7.2 洞门创建
隧道洞口的主要表现形式有端墙式洞门、翼墙式洞门、环框式洞门、台阶式洞门、柱式洞门、削竹式洞门、遮光棚式洞门等。
8 总结
隧道设计的思路是在不同里程位置,根据地质围岩等级、地质模型和地形模型,选取适宜该里程段的隧道断面,通过读取围岩断面里程信息,自动生成隧道洞身模型。在传统二维设计中,对于特殊地质等情况,一般通过纵断面进行设计和特殊措施来进行处理。但通过达索系统3DEXPERIENCE平台,可以将隧道模型试放入线路中,从三维视角来观察地形、地质情况对隧道的影响,提高了设计的准确性。在发生变更或需要调整断面时,只需将断面模板进行修改,选取里程刷新模型,即可完成模型的修改，大大提升了工作效率。
达索系统 C&SI 合作伙伴
达索系统开发合作伙伴
