1 前言
隧道規劃和設計應遵循能充分發揮隧道功能、安全且經濟地建設隧道的基本原則。隧道設計應有完整的勘測、調查資料,綜合考慮地形、地質、水文、氣象、地震和交通量,及其構成,以及營運和施工條件,進行多方案的技術、經濟、環保比較,使隧道設計符合安全實用、質量可靠、經濟合理、技術先進的要求。
2 隧道設計概述
隧道三維模型設計可分為以下幾個流程：1.隧道線路設計；2.隧道洞身設計；3.隧道錨桿設計；4.洞門設計等。基于隧道的設計流程，通過達索系統3DEXPERIENCE平臺建模，可以把道路專業、隧道專業、橋梁專業（如果有橋梁段）等多專業放到一個平臺下進行協同設計，實時在線更新模型，提升設計效率，來實現隧道模型虛擬展示和設計驗證。
在基于達索系統3DEXPERIENCE平臺的基礎上，可以對前期確定的隧道走向、平縱曲線、洞口位置等，進行初步設計，保留設計參數；后面根據地形、地質等其他因素，調整隧道走向、平縱曲線、洞口位置。在滿足隧道功能和結構受力良好的前提下,確定經濟合理的斷面內輪廓，可以對隧道斷面進行參數化控制，根據公路等級、設計速度確定車道數、建筑限界及襯砌內輪廓；對于隧道錨桿，隧道洞身等結構模型，可以應用CBD的方式來分段批量創建，更改參數尺寸，提升創建效率。
3 CBD概述
3.1 基本概念：
基于部件的設計，簡稱CBD（Component Based Design），通過建立隧道對象類型，封裝方案設計階段UDF特征模板和深化設計階段工程模板，并提升產品級別方式，實現跨階段漸進式設計。
1）用于創建從概念設計到詳細設計的重復使用的部件模板；
2）模型顆粒度從LOD100到LOD350。模板可以是用戶特征和工程模板；
3）可一鍵實例化特征或產品的設計方法 。
3.2 對象類型
對象類型是指帶有待定IFC屬性類型的AEC產品類型，支持通過IFC數據格式與其他軟件進行數據交換。通俗來講就是我們創建的三維模型數據可以打上特定的標簽，比如我們創建一個隧道的模型，就可以使用隧道類型的AEC產品類型去創建，同理道路的模型就可以使用道路類型的AEC產品類型去創建。
達索系統3DEXPERIENCE平臺具備94類AEC對象類型，基本覆蓋常規設計需求。其功能包括：
1）通過產品屬性功能管理當前產品類型的IFC屬性，支持自定義IFC屬性；
2）BIM管理員統籌者基于TXO屬性和類型擴展方式自定義新的對象類型；
3）對象類型包含產品構件屬性和特定資源表，資源表提供對象定義的3D縮略圖信息、文檔和特征模板、產品模板信息；
4）定義某一業務對象為指定的對象類型時，不影響其產品結構。
4 隧道線路設計
根據勘測得到的地形、地質數據，進行隧道的線路設計。線路設計流程可分為：
1、平曲線；
2、縱曲線；
3、3D曲線；
4、道路曲面。
其中平曲線是指不同坡度的道路之間，用于過渡的曲線。作用是防止坡度突然變化影響車輛的平穩，坡度變化過大且沒有平曲線的話車輛容易騰空或者刮碰車輛底盤，造成危險。平曲線是由直線、圓曲線與緩和曲線組成。
縱曲線（豎曲線）是指在線路縱斷面上，以變坡點為交點，連接兩相鄰坡段的曲線。豎曲線有凸形和凹形兩種。在道路縱斷面上兩個相鄰縱坡線的交點，被稱為變坡點。為了保證行車安全、舒適以及視距的需要，在變坡處設置豎曲線。豎曲線的主要作用是：緩和縱向變坡處行車動量變化而產生的沖擊作用，確保道路縱向行車視距；將豎曲線與平曲線恰當地組合，有利于路面排水和改善行車的視線誘導和舒適感。
3D曲線跟道路曲面是指在平曲線跟縱曲線在達索系統3DEXPERIENCE平臺中都創建好了之后，在土木設計的模塊中自動生成的道路的空間曲線和曲面，詳細可見視頻中的演示。
5 隧道洞身設計
5.1 隧道洞身斷面模板
隧道設計內輪廊,除滿足隧道建筑限界,考慮消防、電力、通風、照明、營運管理等設備及管線所需要的空間;并應考慮結構安全可靠、經濟合理,結合本隧道的工程特點和邊界條件以確定隧道內輪廓尺寸。在擬定隧道內輪廓時,為了減少圍巖和隧道襯砌產生應力集中,襯砌斷面盡量做到圓順,不帶拐角,在能滿足隧道建筑限界的前提下,經過計算機斷面優化比選,并通過結構計算確定合理拱軸線。
根據確定的隧道內輪廓，創建隧道洞身模板，繪制出隧道斷面輪廓，并對斷面尺寸進行參數化控制，通過調整參數，控制生成的隧道3D模型。
5.2 實例化隧道洞身
根據創建的隧道中心線，創建隧道起訖樁號點，通過隧道中心線及起訖樁號點批量生成不同襯砌類型的隧道段；觀察模型中隧道與地形、地質的相對位置，通過調整樁號，改變不同襯砌類型隧道3D模型生成的位置及長度，使其與地形、地質相適應。
6 隧道錨桿設計
6.1 隧道錨桿作用
隧道里的砂漿錨桿的作用主要是加固巖土體，控制變形，防止坍塌。從原理來說，主要有幾種：
1、砂漿錨桿懸吊作用:錨桿穿過軟弱、松動、不穩定的巖土體，錨固在深盡穩定的巖土體上，提供足夠的拉力，克服滑落巖土體的自重和下滑力，防止洞壁滑移、塌落。
2、擠壓加固作用:砂漿錨桿受力后，在周圍一定范圍內形成壓縮區。將錨桿片以適當的方式排列，使相鄰砂漿錨桿各自形成的壓縮區相互重疊形成壓縮帶。壓縮帶內的松動地層通過錨桿加固，整體性增強，承載能力提高。
3、組合梁(拱)作用:錨桿插入地層內一定深度后，在錨固力作用下的地層間相互擠壓，層間摩阻力增大，內應力和撓度大為減小，相當于將簡單疊合的數層梁(拱)變成組合梁(拱)。組合梁(拱)的抗彎剛度和強度大為提高，從而增強了地層的承載能力。砂漿錨桿提供的錨固力愈大，作用愈明顯。
6.2 實例化隧道錨桿
完成洞身設計之后，需要對創建好的隧道模型添加錨桿；我們可以通過達索系統3DEXPERIENCE平臺創建簡單的錨桿模板，如下圖所示：
如上圖所示，創建錨桿的實體特征之后，我們需要把錨桿的建模過程及結果模型創建為錨桿UDF（用戶自定義特征）模板，并發布錨桿中相應的參數，便于我們后面實例化隧道錨桿時，能通過參數來驅動模型。將創建好的錨桿UDF用CBD（基于部件的設計）進行封裝，后面通過調用CBD模板，來進行多個錨桿的一鍵實例化，提升設計效率，詳細可見視頻演示。
7 洞門設計
洞門設計理念和設計原則：隧道洞口位置的確定應遵循“早進洞,晚出洞”的原則,不得大刷大挖,確保邊坡及仰坡的穩定,同時兼顧洞口地形、地質條件、環境保護、洞外工程等綜合因素,選用經濟、美觀、與自然環境相協調并有利于行車視線誘導的洞門型式。
7.1 洞口開挖
根據隧道口所處的地形、地質，選擇對應的開挖支護方式；隧道洞口的作用：隧道洞口段圍巖預加固措施洞口段圍巖的自支護能力比較弱,有的甚至沒有自支護能力。因此,在洞口段施工中最重要的是提高圍巖的自支護能力,保證開挖及后續作業的進行。根據國內外的施工經驗,提高圍巖自支護能力的基本方法是控制圍巖的坍塌、松弛。洞口施工大多是在預加固的支護系統下進行的。尤其是在淺埋、破碎、滑坡、崩塌、軟弱、地下水豐富并具有軟弱夾層等極易發生滑移、坍場的地段,更需要采取綜合預加固措施。
7.2 洞門創建
隧道洞口的主要表現形式有端墻式洞門、翼墻式洞門、環框式洞門、臺階式洞門、柱式洞門、削竹式洞門、遮光棚式洞門等。
8 總結
隧道設計的思路是在不同里程位置,根據地質圍巖等級、地質模型和地形模型,選取適宜該里程段的隧道斷面,通過讀取圍巖斷面里程信息,自動生成隧道洞身模型。在傳統二維設計中,對于特殊地質等情況,一般通過縱斷面進行設計和特殊措施來進行處理。但通過達索系統3DEXPERIENCE平臺,可以將隧道模型試放入線路中,從三維視角來觀察地形、地質情況對隧道的影響,提高了設計的準確性。在發生變更或需要調整斷面時,只需將斷面模板進行修改,選取里程刷新模型,即可完成模型的修改，大大提升了工作效率。
達索系統 C&SI 合作伙伴
達索系統開發合作伙伴
