1隧道工程的動態設計與信息化施工
所謂動態設計，即設計分為兩個階段完成：第一階段為預設計，在施工前完成，用于指導施工。預設計一般參照工程類比套圖，具有模糊決策的特點；第二階段為修正設計，即在施工過程中，通過已暴露的地質情況和施工中發生的各種變化，對預設計進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計要求制訂并實施施工和監測方案，根據監測信息結果及時調整和優化施工方案和工藝，或及時采取安全措施，并將信息反饋設計予以修正、變更。動態設計和信息化施工是一個辯證的綜合體系，二者緊密結合，相輔相成，其流程為：預設計—施工檢驗—地質判別—監測信息—修正設計—施工檢驗。
2隧道設計和施工現況
盡管隧道建設要求動態設計和信息化施工，但更多還是停留在概念和口頭上，沒有真正落到實處。目前隧道設計和施工現況大致如下述。
2.1預設計指導施工
現實中隧道工程一般由設計單位先做設計，設計單位根據勘察資料結合工程類比及相關經驗進行施工圖設計（按流程應為預設計），預設計經過建設單位組織審查后交付施工單位。預設計側重功能和結構設計，充分考慮建成使用的需要，對使用功能和主體結構的強度、穩定性、耐久性都著重進行設計，往往缺失施工工況的模擬或簡單模糊處理，支護及措施一般采用參照和類比的方式，甚至是照搬照套，對圍巖開挖及支護是否穩定、對采用措施是否恰當等狀況分析較少，將開挖支護這樣的關鍵環節交由施工方考慮。施工方接收的施工圖文件被視為合同文件之一，進場后被要求按圖施工、按圖計價，過程中若出現地質環境變化或意外狀況由施工方建議變更設計，經建設單位和設計單位的同意后實施變更。變更流程較為復雜，且可能導致合同費用的改變，不僅僅是技術問題，還涉及到合同問題。為了合同履行簡潔、嚴肅，一般都避免合同變更。總體來說，施工過程中主要還是預設計指導施工。
2.2設計圖與實施存在差距
由于隧道工程一般由預設計指導甚至貫穿施工的特點，設計單位對預設計都非常重視，投入較大，經過較多的設計、計算和校審等流程，還可能通過外部的強制性審查。圖紙本身擬合程度較高，也預留了一定的安全系數。但是，設計圖與實施往往有差距，與實際也不一定匹配；除了常見的地質環境的變化和意外狀況外，還存在其他差距。
（1）預設計和施工實施的隧道斷面存在差距
預設計的隧道斷面在建筑限界基礎上考慮了一定的裕量，基于經濟性考慮裕量有限，且根據相關文件規定，結構、構件尺寸及工程量計算均不考慮圍巖超、欠挖及變形情況，對施工及測量誤差考慮也有限。但是，在說明中會對圍巖變形量做出一個估計，并提請施工方進一步考慮施工及測量誤差情況。也就是說，設計圖僅對結構及內輪廓做出明確界定，而將圍巖開挖、支護等內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使用，必須根據本企業的施工能力、水平等確定施工誤差，同時在考慮預留變形量基礎上再擬定斷面及構件尺寸，進行再設計，重新編制施工圖。盡管差別細微不會導致受力的根本變化，但這樣會形成重復設計，僅限于照“圖”施工，為設計、施工脫節埋下伏筆；部分施工單位不了解規則，盲目照圖施工，導致二次襯砌結構施工時凈空不足，處理起來難度和風險較大，且增加一筆不必要的支出，勞民傷財。
（2）預設計未考慮具體施工方機械、工藝特點
預設計往往在施工方進場前完成，對具體施工實施方面考慮有限，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械、工藝特點等。施工方進場后一般根據設計圖開展施工組織設計和施工方案研究，一方面需要選用合適的機械、工藝；另一方面基于成本或便于施工的角度需要進行局部尺寸的調整，如何調整應與設計方進行溝通。一些施工單位為了施工方便擅自進行尺寸調整，可能改變受力特點，從而導致變形過大甚至引發安全事故。
2.3動態設計和動態施工不足，應變能力不強
進入施工實施階段，合理的狀況應是動態設計和動態施工，根據已暴露的地質情況、監測的信息情況以及施工中發生的各種變化，及時修正和完善預設計，或及時調整和優化施工方案和工藝，或采取安全措施，使隧道施工處于受控狀態，從而有效降低隧道的風險和造價。但是，現狀往往是設計方提交預設計圖，進行設計交底，派出人員配合施工。在配合施工中沒有建立對應的體系去實施動態設計，沒有建立起符合動態設計的計算模式和分析方法，對預設計很少進行變更和修正，對設計的不足之處寄希望于施工方的現場控制。設計變更的提出往往來自施工方，但一般都是要求加強支護并增加費用等，時效性和合理性大打折扣。施工方作為項目實施主體，對項目認識和理解來源于設計方和工程的實踐，重點關注的是項目的組織實施，對合理與否考慮較少。由于缺乏理論依據和計算分析支持，一般都照圖施工，信任并依賴于設計，認為設計充分考慮施工工況，并有相當的安全系數，盲目照圖施工，甚至在圍巖條件及支護狀態變化時還在照圖施工，導致支護措施不足或過強。在確定了某種施工方法和工藝后，出于成本或施工習慣考慮不愿進行改變，期待設計變更加強支護。但隧道施工方法選擇是否得當，直接影響隧道的施工安全，施工方法選擇不當，風險相應加大。
如當前進入基礎設施快速建設期，為加快施工，許多大跨度的隧道都采用臺階法，并推廣到Ⅴ級圍巖中。臺階法有利于機械化施工，大大提高了施工效率，但是否應用于所有的隧道值得探討，許多隧道因此而產生大變形甚至坍塌。監測給隧道施工提供了保障，是動態設計和動態施工的依據，但作為隧道施工最為重要的監測工作往往得不到足夠重視。監測的方案一般由設計提出，并納入預設計中，施工方進場后編制監測方案并組織實施，但監測方案往往得不到有效落實，監測不及時、不全面，或有監測、無分析，或信息反饋不了設計或反饋有限等，當變形速率或變形量過大時未采取措施，失去處理的最佳時間，從而造成坍塌。由于設計和施工脫節以及動態設計和動態施工不足，導致隧道設計和施工理念得不到貫徹，常常發生緊急事件，出現緊急事件后應急能力差，得不到及時有效處理，并使得損失擴大化。
2.4投資效益和效率低、施工事故發生率高
隨著基礎設施的快速建設，一方面隧道大量建設，并要求快速施工；另一方面造價越來越高，隧道事故頻頻發生，坍塌連連發生。這普遍體現了重支護、輕圍巖的現象，遇到變形過大或出現一些緊急狀況，就加強支護、加大安全系數，而沒有考慮合理與否。出現危險或危機甚至坍塌事故后，各方互相推諉、互相指責，沒有認真去分析原因，最后往往由業主推動解決危機，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，坍塌出效益，從而帶來惡性循環。據筆者對北京周邊近些年來修建的隧道進行的統計，坍塌事件比例較高。
3目前動態設計與信息化施工未落實的原因分析
3.1建設體制的影響
我國長期以來實施的建筑體制是設計與施工分離，各行業都分別組建了專門從事設計或施工的法人單位，同時在資質和行業準入方面進行嚴格的管理?，F行建設體系和架構中，一般分為建設、監理、設計、施工四個主體。建設單位主要負責投融資和建設管理；監理作為建設單位的委托方主要審批施工組織設計，監管施工進度、質量和安全等；設計、施工單位由建設單位通過招標分別簽訂合同完成相應的設計、施工任務，設計方提供施工圖，施工方按設計圖紙施工，兩個合同主體在以建設單位為中心的協調下完成工作，在管理階段上也分列為規劃設計和施工實施階段。在這樣的合同體系和管理架構中，充分體現了建設單位的中心位置，但割裂了設計與施工的關系，二者在合同形式和內容上是分離的，之間沒有彼此的約束關系，各方關注的利益和承擔的風險不同。
設計方與建設單位存在合同關系，關注設計本身效益和項目的投資效益，承擔設計的風險，將提交圖紙視為完成合同任務，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。施工方與建設單位存在合同關系，將圖紙內容變為有形實體，承擔施工中的風險，關注自身的成本和效益，追求的是自身經濟利益的最大化。設計圖對施工方而言被視為合同內容，施工方以施工圖作為依據編制施工組織設計并組織實施，設計方一般不介入施工組織設計。這樣的建筑體制顯然不利于隧道工程的動態設計和動態施工，也不利于發揮施工方自身經驗的優勢，尤其不利于新技術、新材料、新設備和新工藝的推廣應用。許多業內人士提出體制的弊病，但改變仍有相當長的一段路。一些工程已經開始走設計和施工一體化的道路，提出設計和施工總承包模式，但長期以來形成的慣性思維使得效果還不明顯，促進它們的融合還需做較多的工作。
3.2動態設計和信息化施工的體系沒有有效形成
動態設計和信息化施工是有機整體，由于目前設計和施工分離，使得動態設計和信息化施工的體系沒有有效形成。首先，行業及建設慣例沒有要求或促動設計方建立對應的動態設計體系，一般對預設計期盼過高；期盼預設計可以包絡施工中的各種狀況，體現了重施工圖、輕后期的狀況，設計也沒有建立起符合動態設計的計算模式和分析方法。其次，各方對動態設計、動態施工中相應承擔的內容比較模糊，也難以分割清楚；如對前面談到的圍巖，其既是作用在隧道結構上的荷載，又是成洞的支護載體，與支護形成一個完整的支護體系；實施中理想狀況是形成支護，不利的狀況則轉化為荷載，這些狀況又不是設計一廂情愿所能約束的；依靠施工方對圍巖的開挖支護的有效控制去實現設計意圖，實踐性較強，若控制不力，則需采取有效應對措施，而應對措施有可能調整支護參數或調整施工方法及工藝來達到目的，這體現了它們之間的不可分割。
3.3評價機制的影響
由于建筑體制中設計與施工的分離，各行業也相應分開分別進行評價。對優秀設計頒發優秀設計獎，對施工的優質工程頒發優質工程獎等。評獎對行業進步是一個促進作用，各方都希望獲獎來提高自己的行業知名度和業績。但相對隧道工程，這樣的評價機制并不利于開展動態設計和信息化施工。如對設計的評價重點在施工圖，施工圖擬合程度高、變更少是評選優秀設計的條件之一，但動態設計被視為變更，意味變更增加，必然降低與預設計的擬合程度。設計方沒有動力和積極性去否定、修正自己的原設計，一般盡量維持原設計，力求靜態，即使有一些問題，也不希望被改變。優質工程獎盡管對設計也有要求，但主要還是針對施工方的，對設計方影響有限。
4動態設計與信息化施工建議
4.1管理機制上促進設計和施工一體化
根據隧道工程特點，可以參照工業化生產模式，讓設計和施工融為一體或促使設計、施工一體化，形成合力共同完成隧道這個產品。設計不僅僅關注功能和結構，也介入施工實施，在理論和技術方面提供全面支持，施工方不僅僅關注施工實施，也延伸到設計中，全面了解產品狀況，從實施的角度優化設計，關注性價比和投資效益。如實施工程設計和施工總承包，業主將項目的設計和施工合在一起發包，讓設計和施工方捆綁在一起，各方的利益和風險一致，促使設計和施工融合在一起，在工藝和技術上相互協調，理論與實踐更好地結合，共同應對隧道風險，更好地完成任務。
4.2促進建立動態設計和信息化施工體系
針對動態設計和信息化施工體系欠缺的狀況，建議行業制定指南文件，貫徹動態設計和信息化施工理念，指導規范動態設計和信息化施工的行為。動態設計意味著設計涵蓋施工全過程，需要考慮地質環境的變化、施工方法及支護、措施調整，并充分考慮施工工藝及施工狀況等。為有效實施動態設計，從管理階段劃分上將施工圖設計與施工實施放在一起，設計計費也重新考慮，將動態設計列入施工圖設計中。設計單位建立起符合動態設計的計算模式和分析方法，應施工需要隨時進行反分析，掌握隧道狀態。對調整支護參數或調整施工方法及工藝都可以達到目的的情況進行綜合評估，以確定方案。
4.3建立綜合、整體評價體系
目前隧道和地下工程尚有許多問題有待研究，設計理念是將地下工程的復雜性簡單化。為實現這一目標，設計、計算、施工技術的發展必須走信息化動態反饋的道路。隧道和地下工程設計應體現為最優規劃的實施而進行安全性、經濟性、使用性的研究，并將成果轉化為建設方案、支護結構設計、施工方法等內容。為此，宜建立對項目的投資效率和效益的整體、綜合評價機制。激勵設計單位實施動態設計，促進設計和施工單位融合，減少事故發生，提高投資效率和效益，推動新技術、新材料、新設備和新工藝的推廣應用。
5結語
動態設計和信息化施工是一個很好的理念，切實落實可以大大提高隧道的建設技術水平，提高投資效率和效益。通過本文，筆者期望能起到拋磚引玉的作用。
作者：徐加民 單位：北京市市政工程設計研究總院