1隧道工程的动态设计与信息化施工
所谓动态设计，即设计分为两个阶段完成：第一阶段为预设计，在施工前完成，用于指导施工。预设计一般参照工程类比套图，具有模糊决策的特点；第二阶段为修正设计，即在施工过程中，通过已暴露的地质情况和施工中发生的各种变化，对预设计进行修正和完善后再付诸施工。所谓信息化施工就是施工单位按照设计要求制订并实施施工和监测方案，根据监测信息结果及时调整和优化施工方案和工艺，或及时采取安全措施，并将信息反馈设计予以修正、变更。动态设计和信息化施工是一个辩证的综合体系，二者紧密结合，相辅相成，其流程为：预设计—施工检验—地质判别—监测信息—修正设计—施工检验。
2隧道设计和施工现况
尽管隧道建设要求动态设计和信息化施工，但更多还是停留在概念和口头上，没有真正落到实处。目前隧道设计和施工现况大致如下述。
2.1预设计指导施工
现实中隧道工程一般由设计单位先做设计，设计单位根据勘察资料结合工程类比及相关经验进行施工图设计（按流程应为预设计），预设计经过建设单位组织审查后交付施工单位。预设计侧重功能和结构设计，充分考虑建成使用的需要，对使用功能和主体结构的强度、稳定性、耐久性都着重进行设计，往往缺失施工工况的模拟或简单模糊处理，支护及措施一般采用参照和类比的方式，甚至是照搬照套，对围岩开挖及支护是否稳定、对采用措施是否恰当等状况分析较少，将开挖支护这样的关键环节交由施工方考虑。施工方接收的施工图文件被视为合同文件之一，进场后被要求按图施工、按图计价，过程中若出现地质环境变化或意外状况由施工方建议变更设计，经建设单位和设计单位的同意后实施变更。变更流程较为复杂，且可能导致合同费用的改变，不仅仅是技术问题，还涉及到合同问题。为了合同履行简洁、严肃，一般都避免合同变更。总体来说，施工过程中主要还是预设计指导施工。
2.2设计图与实施存在差距
由于隧道工程一般由预设计指导甚至贯穿施工的特点，设计单位对预设计都非常重视，投入较大，经过较多的设计、计算和校审等流程，还可能通过外部的强制性审查。图纸本身拟合程度较高，也预留了一定的安全系数。但是，设计图与实施往往有差距，与实际也不一定匹配；除了常见的地质环境的变化和意外状况外，还存在其他差距。
（1）预设计和施工实施的隧道断面存在差距
预设计的隧道断面在建筑限界基础上考虑了一定的裕量，基于经济性考虑裕量有限，且根据相关文件规定，结构、构件尺寸及工程量计算均不考虑围岩超、欠挖及变形情况，对施工及测量误差考虑也有限。但是，在说明中会对围岩变形量做出一个估计，并提请施工方进一步考虑施工及测量误差情况。也就是说，设计图仅对结构及内轮廓做出明确界定，而将围岩开挖、支护等内容提交施工方充分考虑。施工方拿到图纸后还不能直接拿来使用，必须根据本企业的施工能力、水平等确定施工误差，同时在考虑预留变形量基础上再拟定断面及构件尺寸，进行再设计，重新编制施工图。尽管差别细微不会导致受力的根本变化，但这样会形成重复设计，仅限于照“图”施工，为设计、施工脱节埋下伏笔；部分施工单位不了解规则，盲目照图施工，导致二次衬砌结构施工时净空不足，处理起来难度和风险较大，且增加一笔不必要的支出，劳民伤财。
（2）预设计未考虑具体施工方机械、工艺特点
预设计往往在施工方进场前完成，对具体施工实施方面考虑有限，在工法、措施及分部尺寸的划分上未充分考虑或未考虑具体施工方的机械、工艺特点等。施工方进场后一般根据设计图开展施工组织设计和施工方案研究，一方面需要选用合适的机械、工艺；另一方面基于成本或便于施工的角度需要进行局部尺寸的调整，如何调整应与设计方进行沟通。一些施工单位为了施工方便擅自进行尺寸调整，可能改变受力特点，从而导致变形过大甚至引发安全事故。
2.3动态设计和动态施工不足，应变能力不强
进入施工实施阶段，合理的状况应是动态设计和动态施工，根据已暴露的地质情况、监测的信息情况以及施工中发生的各种变化，及时修正和完善预设计，或及时调整和优化施工方案和工艺，或采取安全措施，使隧道施工处于受控状态，从而有效降低隧道的风险和造价。但是，现状往往是设计方提交预设计图，进行设计交底，派出人员配合施工。在配合施工中没有建立对应的体系去实施动态设计，没有建立起符合动态设计的计算模式和分析方法，对预设计很少进行变更和修正，对设计的不足之处寄希望于施工方的现场控制。设计变更的提出往往来自施工方，但一般都是要求加强支护并增加费用等，时效性和合理性大打折扣。施工方作为项目实施主体，对项目认识和理解来源于设计方和工程的实践，重点关注的是项目的组织实施，对合理与否考虑较少。由于缺乏理论依据和计算分析支持，一般都照图施工，信任并依赖于设计，认为设计充分考虑施工工况，并有相当的安全系数，盲目照图施工，甚至在围岩条件及支护状态变化时还在照图施工，导致支护措施不足或过强。在确定了某种施工方法和工艺后，出于成本或施工习惯考虑不愿进行改变，期待设计变更加强支护。但隧道施工方法选择是否得当，直接影响隧道的施工安全，施工方法选择不当，风险相应加大。
如当前进入基础设施快速建设期，为加快施工，许多大跨度的隧道都采用台阶法，并推广到Ⅴ级围岩中。台阶法有利于机械化施工，大大提高了施工效率，但是否应用于所有的隧道值得探讨，许多隧道因此而产生大变形甚至坍塌。监测给隧道施工提供了保障，是动态设计和动态施工的依据，但作为隧道施工最为重要的监测工作往往得不到足够重视。监测的方案一般由设计提出，并纳入预设计中，施工方进场后编制监测方案并组织实施，但监测方案往往得不到有效落实，监测不及时、不全面，或有监测、无分析，或信息反馈不了设计或反馈有限等，当变形速率或变形量过大时未采取措施，失去处理的最佳时间，从而造成坍塌。由于设计和施工脱节以及动态设计和动态施工不足，导致隧道设计和施工理念得不到贯彻，常常发生紧急事件，出现紧急事件后应急能力差，得不到及时有效处理，并使得损失扩大化。
2.4投资效益和效率低、施工事故发生率高
随着基础设施的快速建设，一方面隧道大量建设，并要求快速施工；另一方面造价越来越高，隧道事故频频发生，坍塌连连发生。这普遍体现了重支护、轻围岩的现象，遇到变形过大或出现一些紧急状况，就加强支护、加大安全系数，而没有考虑合理与否。出现危险或危机甚至坍塌事故后，各方互相推诿、互相指责，没有认真去分析原因，最后往往由业主推动解决危机，为坍塌埋单，增加投资，使得投资的效率和效益低下。部分施工单位从坍塌中尝到甜头，不塌不赚钱，坍塌出效益，从而带来恶性循环。据笔者对北京周边近些年来修建的隧道进行的统计，坍塌事件比例较高。
3目前动态设计与信息化施工未落实的原因分析
3.1建设体制的影响
我国长期以来实施的建筑体制是设计与施工分离，各行业都分别组建了专门从事设计或施工的法人单位，同时在资质和行业准入方面进行严格的管理。现行建设体系和架构中，一般分为建设、监理、设计、施工四个主体。建设单位主要负责投融资和建设管理；监理作为建设单位的委托方主要审批施工组织设计，监管施工进度、质量和安全等；设计、施工单位由建设单位通过招标分别签订合同完成相应的设计、施工任务，设计方提供施工图，施工方按设计图纸施工，两个合同主体在以建设单位为中心的协调下完成工作，在管理阶段上也分列为规划设计和施工实施阶段。在这样的合同体系和管理架构中，充分体现了建设单位的中心位置，但割裂了设计与施工的关系，二者在合同形式和内容上是分离的，之间没有彼此的约束关系，各方关注的利益和承担的风险不同。
设计方与建设单位存在合同关系，关注设计本身效益和项目的投资效益，承担设计的风险，将提交图纸视为完成合同任务，施工阶段定位为从属和配合的位置，仅委派少量人员配合施工。施工方与建设单位存在合同关系，将图纸内容变为有形实体，承担施工中的风险，关注自身的成本和效益，追求的是自身经济利益的最大化。设计图对施工方而言被视为合同内容，施工方以施工图作为依据编制施工组织设计并组织实施，设计方一般不介入施工组织设计。这样的建筑体制显然不利于隧道工程的动态设计和动态施工，也不利于发挥施工方自身经验的优势，尤其不利于新技术、新材料、新设备和新工艺的推广应用。许多业内人士提出体制的弊病，但改变仍有相当长的一段路。一些工程已经开始走设计和施工一体化的道路，提出设计和施工总承包模式，但长期以来形成的惯性思维使得效果还不明显，促进它们的融合还需做较多的工作。
3.2动态设计和信息化施工的体系没有有效形成
动态设计和信息化施工是有机整体，由于目前设计和施工分离，使得动态设计和信息化施工的体系没有有效形成。首先，行业及建设惯例没有要求或促动设计方建立对应的动态设计体系，一般对预设计期盼过高；期盼预设计可以包络施工中的各种状况，体现了重施工图、轻后期的状况，设计也没有建立起符合动态设计的计算模式和分析方法。其次，各方对动态设计、动态施工中相应承担的内容比较模糊，也难以分割清楚；如对前面谈到的围岩，其既是作用在隧道结构上的荷载，又是成洞的支护载体，与支护形成一个完整的支护体系；实施中理想状况是形成支护，不利的状况则转化为荷载，这些状况又不是设计一厢情愿所能约束的；依靠施工方对围岩的开挖支护的有效控制去实现设计意图，实践性较强，若控制不力，则需采取有效应对措施，而应对措施有可能调整支护参数或调整施工方法及工艺来达到目的，这体现了它们之间的不可分割。
3.3评价机制的影响
由于建筑体制中设计与施工的分离，各行业也相应分开分别进行评价。对优秀设计颁发优秀设计奖，对施工的优质工程颁发优质工程奖等。评奖对行业进步是一个促进作用，各方都希望获奖来提高自己的行业知名度和业绩。但相对隧道工程，这样的评价机制并不利于开展动态设计和信息化施工。如对设计的评价重点在施工图，施工图拟合程度高、变更少是评选优秀设计的条件之一，但动态设计被视为变更，意味变更增加，必然降低与预设计的拟合程度。设计方没有动力和积极性去否定、修正自己的原设计，一般尽量维持原设计，力求静态，即使有一些问题，也不希望被改变。优质工程奖尽管对设计也有要求，但主要还是针对施工方的，对设计方影响有限。
4动态设计与信息化施工建议
4.1管理机制上促进设计和施工一体化
根据隧道工程特点，可以参照工业化生产模式，让设计和施工融为一体或促使设计、施工一体化，形成合力共同完成隧道这个产品。设计不仅仅关注功能和结构，也介入施工实施，在理论和技术方面提供全面支持，施工方不仅仅关注施工实施，也延伸到设计中，全面了解产品状况，从实施的角度优化设计，关注性价比和投资效益。如实施工程设计和施工总承包，业主将项目的设计和施工合在一起发包，让设计和施工方捆绑在一起，各方的利益和风险一致，促使设计和施工融合在一起，在工艺和技术上相互协调，理论与实践更好地结合，共同应对隧道风险，更好地完成任务。
4.2促进建立动态设计和信息化施工体系
针对动态设计和信息化施工体系欠缺的状况，建议行业制定指南文件，贯彻动态设计和信息化施工理念，指导规范动态设计和信息化施工的行为。动态设计意味着设计涵盖施工全过程，需要考虑地质环境的变化、施工方法及支护、措施调整，并充分考虑施工工艺及施工状况等。为有效实施动态设计，从管理阶段划分上将施工图设计与施工实施放在一起，设计计费也重新考虑，将动态设计列入施工图设计中。设计单位建立起符合动态设计的计算模式和分析方法，应施工需要随时进行反分析，掌握隧道状态。对调整支护参数或调整施工方法及工艺都可以达到目的的情况进行综合评估，以确定方案。
4.3建立综合、整体评价体系
目前隧道和地下工程尚有许多问题有待研究，设计理念是将地下工程的复杂性简单化。为实现这一目标，设计、计算、施工技术的发展必须走信息化动态反馈的道路。隧道和地下工程设计应体现为最优规划的实施而进行安全性、经济性、使用性的研究，并将成果转化为建设方案、支护结构设计、施工方法等内容。为此，宜建立对项目的投资效率和效益的整体、综合评价机制。激励设计单位实施动态设计，促进设计和施工单位融合，减少事故发生，提高投资效率和效益，推动新技术、新材料、新设备和新工艺的推广应用。
5结语
动态设计和信息化施工是一个很好的理念，切实落实可以大大提高隧道的建设技术水平，提高投资效率和效益。通过本文，笔者期望能起到抛砖引玉的作用。
作者：徐加民 单位：北京市市政工程设计研究总院
