浅谈地下工程结构的设计过程

摘　要　地下工程的设计过程实际上是一个决策过程，是最能综合反映设计人员的知识、经验、创造力甚至审美观念的一项工作。阐述了地下工程的设计步骤及方法。
    地下工程设计是采矿、建井及其它岩土工程领域最能综合反映设计人员的知识、经验、创造力甚至审美观念的一项工作。
    目前，我国有关的各个行业部门几乎都颁布了与其相关的地下工程设计规程，设计人员所要做的工作似乎仅仅是根据地质勘探资料和业主提出的任务照本（规程）操作，其工作成果通常也仅体现设计者的专业技术水平和对规程的现解和掌握程度。根据多年从事煤矿井巷及采矿技术和管理工作经验，笔者认为，地下工程的设计过程实际上是一个决策过程。在此过程中，设计者要进行目标确定、条件分析、背景资料检验和评价、工程项目的实施方案制定等项工作。完成这些工作不仅要求设计者必须掌握相关的技术知识，而且还须考虑社会、经济、法律及美学等因素。因此，不应将地下工程设计视作单纯的技术工作。
    1　地下工程的设计步骤
    地下工程设计是一项包涵多种因素的工作。为了使所设计的地下工程结构在稳定性、安全性和经济效益3个方面均达到理想的效果，设计应按以下步骤进行：
    （1）设计目标及问题的确定。在着手设计之前，设计人员应首先确定拟设计工程应达到的目标，或者说，设计人员应全面了解业主建此工程的目的和需求。此外，设计者还须了解拟建工程在建设和运营阶段可能会出现的困难。
    （2）信息收集。这一阶段工作包括对有关信息的收集、处理和筛选，以找出待处理问题的典型特征。要收集的信息是多方面的，既包括矿产资源勘探成果信息和水文地质、工程地质勘察成果信息，也包括待建工程的环境现状、同类工程建筑经验等信息。
    （3）方案设计。在此阶段，设计人员根据工程委托方的需求和已收集到的信息设计出数个初步方案。在设计初步方案时，设计者可以提出一定的假设，或尝试不同的模式（数学模型或物理模型）。
    （4）方案比较和综合。本阶段也可理解为决策阶段。在本阶段，设计人员根据业主及其他专家对各初步方案的反馈意见，总结各初步方案的优缺点，提出1个可供实施的具体方案。该实施方案应包括设计思想、计算模型、计算依据、计算方法、成果预测、成本估计、工程进度安排、实验结果等项内容。
    （5）方案评价和检验。设计方案提出后，设计人员必须会同业主和其他有关专家一起对方案进行评价，即将所提出的方案与原始假设、设计说明、现场实际情况、业主要求和限制条件等进行比较。设计方案评价应当运用工程学的观点。如果在评价中发现设计有缺陷或有更好的方案，设计人员则须返回到前面的某个阶段，重新开始设计。
    （6）提出建议。结论和建议是整个设计的精髓，其中对问题的解决方案要有明确的阐述，指出设计的局限性，并指出应如何实施所设计的方案。
    2　地下工程的设计方法
    地下工程的设计内容包括工程选址、工程规模的确定、工程建筑结构方位与排列布置方式的选择、掘进程序安排、掘进方式与支护结构的选择等。
    与地面工程建筑结构设计所不同的是，地下工程结构设计不仅要考虑应力、应变等可量化的因素，而且还需考虑岩性、时效等多种难以量化的因素。因此，地下工程设计所使用的方法往往是多种方法的综合。常涉及3种方法：理论分析法、观测比拟法、经验类比法。
    理论分析法用于分析和确定硐室围岩及支护结构的应力和应变。该方法包括解析法、数值法（有限差分法、有限单元法、边界元法、离散元法等）和相似模拟法等。
    观测比拟法主要用于验证已执行设计的可靠性，为设计的调整或修改提供依据。
    经验类比法是通过对已建成的地下工程结构的观测结果和稳定性条件分析，归纳出对工程有利或不利的条件类型，然后根据待建工程的条件类属提出相应的结构措施。目前，经验类比法是地下工程设计最常用的方法。例如，根据工程岩体的结构类型确定掘进和支护方式就属于经验类比法。
    应当指出的是，任何设计方法都是建立在工程地质信息基础之上的。工程地质信息包括岩体的岩性和结构特征、待建工程所处位置的原始应力场、地下水的赋存和迳流条件等。
    3　结　语
    一份优秀的设计是地下工程结构安全、高效建设和运行的基本保障；而设计人员的扎实基础知识，丰富的实践经验以及清晰、正确的设计思想是优秀设计的基本保障。我国的地下工程界今后在培养设计人员的过程中，不仅要重视知识和经验的培养，而且更应重视设计思路的培养。