高速公路設(shè)計(jì)和施工方法

1巖土工程分類與分級(jí)

工程巖體分類能夠概況地反應(yīng)某一地區(qū)工程巖體質(zhì)量的好壞，并對(duì)可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問(wèn)題作出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，為工程設(shè)計(jì)方案和施工工藝方法提供技術(shù)支持。在1號(hào)高速公路隧道施工過(guò)程中所使用的方法是常規(guī)的鉆炸法(D＆B)。該隧道施工過(guò)程中以太沙基所提出的有效應(yīng)力原理和滲透固結(jié)理論為基礎(chǔ)，將巖性條件、隧道尺寸和水文條件融入圍巖穩(wěn)定性計(jì)算中，進(jìn)而對(duì)于巖體承受的荷載進(jìn)行評(píng)價(jià)，取得較好效果，這一計(jì)算方法和理論對(duì)于傳統(tǒng)隧道開挖方法的計(jì)算具有良好的適用性。然而，這一理論方法過(guò)于簡(jiǎn)單直接，不宜于采用噴錨支護(hù)等現(xiàn)代隧道開挖方法中。從20世紀(jì)70年代開始，國(guó)際上巖土工程領(lǐng)域提出了多種工程巖體分類體系，其中應(yīng)用較為廣泛的工程巖體定量分類方法有:Bieniawski提出的ＲMＲ?guī)r體等級(jí)分類系統(tǒng)、Barton提出的Q系統(tǒng)和美國(guó)的Wickham巖石結(jié)構(gòu)(ＲSＲ)分類等等。其中，ＲMＲ?guī)r體等級(jí)分類已經(jīng)普遍應(yīng)用于臺(tái)灣省的隧道施工設(shè)計(jì)過(guò)程中，臺(tái)灣地區(qū)在高速公路隧道工程巖體評(píng)價(jià)中將巖體分為六個(gè)等級(jí)(一般情況下ＲMＲ系統(tǒng)分為五個(gè)等級(jí))，巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和完整性從強(qiáng)到弱分別定義為1～5級(jí)，等級(jí)劃分的數(shù)字越大，代表巖體工程地質(zhì)性質(zhì)(如巖土強(qiáng)度、ＲOD值、節(jié)理?xiàng)l件和水文條件等)越差，施工過(guò)程中越容易發(fā)生各種地質(zhì)災(zāi)害。臺(tái)灣地區(qū)地質(zhì)條件和地形地貌差異巨大。例如，位于臺(tái)灣地區(qū)南部的3號(hào)高速公路的籃壇隧道，其地層主要由淤泥、泥巖和松散砂巖經(jīng)沉積作用堆積形成;位于6號(hào)高速公路的埔里隧道的賦存巖體主要由河流沉積作用形成，巖體組成成分主要是黏土、砂土和松散砂礫石。但是上述兩個(gè)隧道的賦存巖土體不適合利用ＲMＲ或Q系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行評(píng)級(jí)。對(duì)于這類較軟地層、巖體膠結(jié)差、強(qiáng)度弱、地層固結(jié)時(shí)間短的地區(qū)，在施工設(shè)計(jì)過(guò)程中可以通過(guò)地質(zhì)構(gòu)造、巖性條件以及水文地質(zhì)特性這三個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以對(duì)其工程巖體進(jìn)行分級(jí)�？紤]到臺(tái)灣地區(qū)復(fù)雜的地形地貌和工程地質(zhì)條件，傳統(tǒng)的ＲMＲ分級(jí)系統(tǒng)不能夠完全對(duì)其進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，工程咨詢公司在2000～2003年聯(lián)合臺(tái)灣地區(qū)公共工程委員會(huì)共同創(chuàng)建了其自己的工程巖體分類(PCCＲ)系統(tǒng)。該分類系統(tǒng)根據(jù)已有研究成果，室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和隧道工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將臺(tái)灣地區(qū)中所有巖石工程地質(zhì)特性分為A、B、C和D四個(gè)等級(jí)。在一般情況下，分為A等級(jí)的巖體通常硬度高，塑性指數(shù)低，這種類型巖體包括大多數(shù)的變質(zhì)巖，巖漿巖和高強(qiáng)度的沉積巖;該類巖石與國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)分級(jí)系統(tǒng)(ISＲM)中的中極強(qiáng)巖石類別相匹配，巖石等級(jí)可以歸入Ｒ3～Ｒ6之間。B型巖石與A型巖石的主要區(qū)別是B型巖體中其中通常夾雜軟弱砂礫石層，如位于西部山麓地區(qū)的巖體，整體結(jié)構(gòu)較為完好，但是局部地區(qū)由于軟弱結(jié)構(gòu)面容易導(dǎo)致滑坡失穩(wěn);這種類型的巖石恰好屬于軟弱圍巖(國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)ISＲM分級(jí)中屬于Ｒ2)。C型巖石主要代表膠結(jié)較差的巖土體，且其單軸抗壓強(qiáng)度小于5MPa，土壤和松散細(xì)粒結(jié)構(gòu)巖體也屬于這一類型。D型巖石表明巖體中粗粒含量超過(guò)50%，巖體結(jié)構(gòu)松散，與粗晶粒超過(guò)50%，包括礫巖和角礫巖等。A型和B型巖石可以按照ＲMＲ?guī)r體等級(jí)分類系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)和評(píng)價(jià)，而C和D型這類軟弱結(jié)構(gòu)巖體主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料(地層巖性，地質(zhì)構(gòu)造和水文條件)進(jìn)行定性分類。臺(tái)灣地區(qū)的大部分高速公路隧道所賦存的巖體屬于A型。

2高速公路隧道設(shè)計(jì)和分析方法

在臺(tái)灣地區(qū)高速公路隧道穩(wěn)定性評(píng)估和計(jì)算中應(yīng)用的方法主要分為理論分析和經(jīng)驗(yàn)分析法兩大類。1)理論分析方法。理論分析方法和設(shè)計(jì)主要目的是分析隧道在開挖過(guò)程中圍巖的應(yīng)力和應(yīng)變情況。這一技術(shù)方法主要包括靜力分析方法(剛體極限平衡)和數(shù)值分析法。靜力分析法將隧道模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，工程要求低的隧道項(xiàng)目中可以滿足計(jì)算要求，該方法計(jì)算原理簡(jiǎn)潔明了，處理初期隧道工程問(wèn)題中得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。然而，這類計(jì)算方法僅僅局限于簡(jiǎn)單的幾何形狀和巖性條件單一的工程問(wèn)題，面對(duì)地質(zhì)環(huán)境多樣化，該方法已越來(lái)越無(wú)法滿足現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的需要�；�于電子計(jì)算機(jī)的數(shù)值分析方法(包括有限元，有限差分，邊界元等)已在最近幾十年中，尤其是解決復(fù)雜工程地質(zhì)領(lǐng)域的計(jì)算問(wèn)題發(fā)揮了重要作用。數(shù)值方法可用于模擬各種形狀不規(guī)則的隧道開挖工程。此外，這些方法可以通過(guò)建立不同的本構(gòu)模型來(lái)模擬巖體力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的巖體材料。大型數(shù)值分析軟件如FLAC，PLAXIS和PHASE2等已經(jīng)在臺(tái)灣地區(qū)被廣泛應(yīng)用。2)經(jīng)驗(yàn)分析法。該方法主要是通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程巖體性質(zhì)進(jìn)行分級(jí)，然后根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)評(píng)估隧道開挖過(guò)程中的穩(wěn)定性，這是一種眾所周知的歷史分析方法。在隧道工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段，對(duì)巖體進(jìn)行的評(píng)估劃分為如下幾個(gè)層次:巖性條件(單軸抗壓強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)等)，水文地質(zhì)條件(地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等)和工程特性(隧道開挖截面積、安全系數(shù)等);隧道開挖工序和支護(hù)方案同樣是參照巖體分類和以往經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在施工階段，穩(wěn)定性分析主要通過(guò)從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以論證設(shè)計(jì)方案的合理性，并且能夠幫助設(shè)計(jì)工作進(jìn)一步完善。由于每條隧道地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜和不確定性因素，在數(shù)值分析方法中很難一次得出適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛥��?shù)和本構(gòu)關(guān)系。因此，在隧道建設(shè)過(guò)程中，數(shù)值分析方法必須建立在相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法之上;而經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法又必須通過(guò)后期現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行反饋論證，來(lái)保障設(shè)計(jì)方案的可靠性。

3巖體相關(guān)參數(shù)的評(píng)價(jià)

巖體強(qiáng)度參數(shù)評(píng)價(jià)對(duì)于隧道設(shè)計(jì)和計(jì)算分析具有重要意義。一般情況下，巖體參數(shù)主要包括強(qiáng)度和變形能力，除了以上所提到的隧道開挖過(guò)程中所用到的參數(shù)，巖體的大部分物理力學(xué)參數(shù)是通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試獲得，其余部分通過(guò)工程實(shí)踐過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)取值。許多工程地質(zhì)穩(wěn)定性是通過(guò)摩爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則來(lái)判定的，該破壞準(zhǔn)則的主要由即粘聚力(c)和摩擦角(��)這兩個(gè)參數(shù)來(lái)控制。不同等級(jí)的巖體，其粘聚力、摩擦角和變形模量的經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表3。值得注意的是，表3所給出的巖體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)在工程實(shí)踐中只能夠作為參考，并不能為實(shí)際工程計(jì)算中直接套用，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行取值，并且根據(jù)后期施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行論證和修改。Chen等利用三維有限元分析軟件PLAXIS對(duì)雪山隧道開挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析研究。其中，該分析過(guò)程中所采用的巖體相關(guān)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3，該地區(qū)的巖體工程等級(jí)分為4和6級(jí);γ和ν分別代表了巖體的比重和泊松比;∑M代表巖體應(yīng)力釋放有關(guān)的因子，其取值小于1.0。顯示了在這個(gè)隧道工程中，每個(gè)挖掘階段的位移矢量和最大總位移分布情況。在這個(gè)分析過(guò)程中，做了如下假定:隧道上方巖石覆蓋層厚度約為300m，巖體強(qiáng)度等級(jí)為4級(jí)，水平和垂直方向的應(yīng)力比值k為1.0;主隧道與先導(dǎo)通道之間的中心距離為30m，且在分析過(guò)程中考慮地下水位的影響。從計(jì)算結(jié)果可知，初始應(yīng)力對(duì)于隧道設(shè)計(jì)過(guò)程尤為重要，初始應(yīng)力包括土體的自重應(yīng)力和孔隙水壓力，在雪山隧道最初設(shè)計(jì)過(guò)程中，同樣將初始孔隙水壓力考慮在內(nèi)。其中，靜止土壓力系數(shù)計(jì)算公式分別為Kh=σ和KH=σ(兩者取值分別為1.1和0.6);Kh和KH分別代表場(chǎng)地土體的水平自重應(yīng)力，最小豎向自重應(yīng)力和最大豎向自重應(yīng)力。在計(jì)算過(guò)程中將水平自重應(yīng)力方位角設(shè)定為N30°E，與隧道主軸方向近垂直。在拉應(yīng)力分析中，該初始應(yīng)力設(shè)置方法同樣具有適用性。

4隧道開挖方法

在20世紀(jì)70年代之前，在臺(tái)灣地區(qū)隧道開挖過(guò)程中主要使用傳統(tǒng)的“新奧法”(NATM)與“美國(guó)鋼支保工法”(ASSM)。從20世紀(jì)70年代開始，隧道施工方法逐漸蛻變成新奧法(NATM)占主導(dǎo)地位。特別是從20世紀(jì)80年代開始，新奧工法在高速公路、鐵路、大眾快速運(yùn)輸項(xiàng)目和水電項(xiàng)目中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，新奧工法倡導(dǎo)半剛性支撐，該方法將噴射混凝土、巖栓和輕型鋼支保結(jié)合在開挖面形成完整的且具有較強(qiáng)約束能力的拱形構(gòu)件，確保隧道開挖的安全性。到目前為止，臺(tái)灣地區(qū)大部分高速公路隧道是利用新奧法(NATM)進(jìn)行開挖形成，這類開挖方法將隧道橫斷面開挖成馬蹄形。在雙車道或三車道隧道開挖過(guò)程中主要經(jīng)歷三個(gè)階段，即top－h(huán)eading階段、bench階段和invertstages階段。若隧道開挖過(guò)程中圍巖強(qiáng)度較低，或賦存地質(zhì)環(huán)境極其復(fù)雜，將采用更加復(fù)雜的開挖工序，如double－side－galler開挖法，這種開挖方法已經(jīng)被證明能夠較好地保持隧道圍巖的穩(wěn)定性。除了D＆B開挖法，一些比較有用的機(jī)械裝置也被逐漸應(yīng)用到隧道施工過(guò)程中。為了避免在隧道爆破施工過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用癞a(chǎn)生影響，3號(hào)高速公路新店隧道在建設(shè)過(guò)程中，采用隧道盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖，而摒棄了新奧法。為了達(dá)到保護(hù)環(huán)境和縮短施工工期的目的，在雪山隧道施工過(guò)程中，同時(shí)使用三臺(tái)隧道掘進(jìn)機(jī)(其中兩臺(tái)用于主通道開挖，另外一臺(tái)用于先導(dǎo)隧道開挖)同時(shí)進(jìn)行施工，然而由于現(xiàn)場(chǎng)不良地質(zhì)條件和極高的地下水壓力，隧道掘進(jìn)機(jī)并沒(méi)有取得良好效果。在北側(cè)隧道中的一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)由于隧道坍塌發(fā)生突水涌水事故而被埋沒(méi)，導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失和施工延誤。為了加快工作進(jìn)度，在2號(hào)高速公路隧道建設(shè)過(guò)程中又增加了另外一些施工工藝和方法。

5隧道支撐系統(tǒng)

隧道支撐可分為兩部分，即主要支撐和內(nèi)部混凝土襯砌。主要支撐包括噴射混凝土、絲網(wǎng)、錨桿、鋼肋和超前支架等。目前，濕式混合鋼纖維噴漿散布機(jī)廣泛應(yīng)用于隧道工程中。此外，格構(gòu)梁廣泛使用H型鋼，而不是鋼肋。在不良地質(zhì)區(qū)，如松散巖體縫隙與節(jié)理處采用錨桿安裝，取代了傳統(tǒng)的灌漿、錨栓加固方式。在一般情況下，在隧道洞口覆蓋有風(fēng)化程度較高的巖體，因此，會(huì)在這一區(qū)域利用直徑約10cm，長(zhǎng)度超過(guò)10m的鋼管加設(shè)鋼結(jié)構(gòu)管棚，以確保其穩(wěn)定性。在工程地質(zhì)條件較好，符合隧道掘進(jìn)機(jī)的快速掘進(jìn)的隧道中，常常采用混凝土襯砌對(duì)隧道內(nèi)部用作初級(jí)支撐。由于襯砌過(guò)程中將圍巖縫隙用礫砂和水泥進(jìn)行了充填加固，圍巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性能夠得到很好的控制。除了主要的支撐，高速公路隧道支撐系統(tǒng)還包括一個(gè)厚度為30～60cm的帶肋混凝土襯砌。此外，為了提高隧道的穩(wěn)定性，在混凝土襯砌中還安裝有各種設(shè)備和通風(fēng)裝置，并且在襯砌內(nèi)部覆蓋有一層防水膜。

6隧道工程測(cè)量

隧道開挖過(guò)程中打破了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，對(duì)圍巖應(yīng)力應(yīng)變值產(chǎn)生巨大擾動(dòng)，從而使其周圍巖體有變形破壞的潛在威脅。這些潛在威脅必須進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量，隧道巖土工程測(cè)量中的所用到的監(jiān)測(cè)儀器包括應(yīng)力集中監(jiān)測(cè)儀、水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x、伸長(zhǎng)儀、測(cè)斜儀、測(cè)量錨、壓力計(jì)、應(yīng)變計(jì)等。應(yīng)力集中測(cè)量?jī)x和水準(zhǔn)儀測(cè)量主要用于地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和監(jiān)測(cè)中。伸長(zhǎng)儀一般用在可能發(fā)生塑性變形的圍巖區(qū)。測(cè)量結(jié)果用于評(píng)估圍巖穩(wěn)定性。測(cè)斜儀通常安裝在隧道，用于監(jiān)測(cè)隧道與周圍巖體之間的相互作用穩(wěn)定性，比如上覆巖土體是否有崩滑趨勢(shì)等。三維變形測(cè)量已經(jīng)在3號(hào)和5號(hào)高速公路隧道中投入使用，該測(cè)量方法能夠有效監(jiān)測(cè)隧道線路的縱向變形和方位。此外，它還可以通過(guò)收集的數(shù)據(jù)分析隧道開挖前的工程地質(zhì)條件，但是這一新方法仍然處在理論研究階段，實(shí)際工程應(yīng)用幾乎很少，在目前的隧道監(jiān)測(cè)工程中還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

7隧道潛在危害

為了避免對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，在隧道洞口開挖過(guò)程中始終保持在施工區(qū)域有一淺層土壤覆蓋。為了確保在隧道開挖時(shí)的上部巖體的穩(wěn)定性，杜絕安全隱患，需要在隧道開挖之前在坡面安裝超前支架和管棚，并進(jìn)行噴錨支護(hù)。當(dāng)隧道洞口防護(hù)結(jié)構(gòu)工程安裝妥當(dāng)之后，隧道開挖才能隨后展開。在地形地貌不規(guī)則以及不良地質(zhì)條件下，一些其他方法也被用于隧道洞口防護(hù)工程中。例如，在3號(hào)公路隧道施工過(guò)程中采用科林斯板法進(jìn)行防護(hù)。在這種結(jié)構(gòu)方法首先需要挖除隧道上覆土層，然后澆灌預(yù)制混凝土，澆灌過(guò)程中利用擋板和兩側(cè)的微型樁的支持來(lái)支撐混凝土的重量，隧道開挖過(guò)程中需要謹(jǐn)慎保護(hù)微型樁和擋板，以防造成破壞。