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1臺灣地區(qū)地形、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

臺灣地區(qū)位于福建省東南沿海約150km，相隔臺灣海峽，與福建省隔海相望。臺灣海峽的最狹窄處130km，最寬處達(dá)到250km以上，平均寬度200km;臺灣地區(qū)由86個大小島嶼所組成，包括臺灣本島、散布在四周海域的21座離島以及澎湖列島，其中，澎湖列島就包括了64座大小面積不等的小島，這些小島分布在亞洲大陸的大陸架邊緣扼守著中國東南邊緣的東海和南海海域，地理位置十分重要。臺灣地區(qū)大陸本島的縱向長度從南至北長約385km，最大寬度為143km，占地面積約36000km2。

1.1地形地質(zhì)條件

臺灣地區(qū)位于歐亞大陸的大陸板塊和菲律賓海板塊的縫合帶，由其西部和北部的揚(yáng)子克拉通、東北部的沖繩板塊以及東部和南部的菲律賓移動板塊撞擊形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，是受到歐亞大陸板塊與菲律賓板塊碰撞影響形成的一系列地體隆起島弧之一。因?yàn)榈貧ぷ儎优c造山運(yùn)動發(fā)達(dá)造成臺灣地區(qū)復(fù)雜多樣的地形，絕大部分地質(zhì)構(gòu)造是由歐亞大陸板塊組成、菲律賓板塊則往下發(fā)展成為隱沒帶。東部和南部地區(qū)則受到呂宋火山島弧等板塊影響形成復(fù)雜地質(zhì)，包括與花東縱谷地質(zhì)不同但與之平行的海岸山脈。由于構(gòu)造活動強(qiáng)烈，島上主要地貌單元為高山峽谷，存在相對較少的平原地區(qū)，其地質(zhì)條件十分復(fù)雜。中央山脈從北到南的縱向延伸長度385～397km，山脈約350km處形成了臺灣省山脈的支柱脊。在該區(qū)域范圍內(nèi)，有超過25座海拔超過3000m的高山。支柱脊范圍以西分布有大范圍雪山地質(zhì)地貌。支柱脊中央斜坡向西延伸到山腳，主要地貌單元為高原和沿海平原，該區(qū)域?qū)儆趯儆谘睾７秶?，長140km。寬約10km，山高1000～1500m。1)澎湖列島。澎湖列島主要出露地層為第四系下更新統(tǒng)玄武巖，部分地區(qū)出露凝灰?guī)r夾松散砂層，地層巖性單一。含魁蛤(Arca)、蠑螺(Turbo)等化石;2)沿海平原。沿海平原大部分地區(qū)由第四系沉積作用形成，主要組成部分有泥巖、粉砂巖、砂巖、頁巖和礫巖;3)西部山麓。該區(qū)域是由第四系漸新統(tǒng)至更新統(tǒng)碎屑沉積物構(gòu)成。巖層主要由砂巖和頁巖交替沉積形成，局部夾雜有灰?guī)r、凝灰?guī)r透鏡體;4)中西部地帶。該區(qū)域?qū)儆谳^大范圍的第三系變質(zhì)帶，可以進(jìn)一步細(xì)分成兩個巖性帶，即西部雪山范圍帶(Ⅳa)和東部主干山脊帶(Ⅳb);5)東部中央范圍帶。該條帶狀區(qū)域?qū)儆诘谌祻?fù)雜變質(zhì)作用在中央山脈出露形成。這個區(qū)域被分為西部太魯閣帶(Va)和東部玉立砂帶(Vb);6)臺東縱谷。這個山谷被認(rèn)為是歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊之間的縫合帶，它分隔中央山脈和海岸山脈;7)沿海范圍。該地區(qū)地層位于第三系沉積層之下。主要巖性特點(diǎn)是火山衍生物巖，包括分選性較火山碎屑沉積巖、濁流碎屑巖以及其他雜質(zhì)充填。

1.2氣候和水文

1.2.1氣候條件

臺灣地區(qū)地屬亞熱帶海洋性氣候。該地區(qū)年平均降雨量達(dá)2500mm。降雨在空間和時間上具有很大變異性。平原地區(qū)降雨較為均勻，海拔越高降雨量越豐富，高山地區(qū)強(qiáng)降雨發(fā)生次數(shù)明顯增多;夏秋季節(jié)，降雨量豐富，強(qiáng)降水往往會導(dǎo)致洪水、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，秋冬季節(jié)降雨量顯著減少。因此，在隧道開挖過程中，必須考慮不良的水文地質(zhì)條件可能帶來的潛在危險事故。

1.2.2水文條件

臺灣地區(qū)全島最重要的河流共有151條，其中主要河流19條，次要河流32條，普通河流100條。由于臺灣地區(qū)島嶼地形是由中央山脈向東西兩側(cè)傾斜，因此脊梁山脈便成為河流水系的主要分水嶺，河流以東西流向?yàn)橹鳎_灣地區(qū)島西部河流較東部河流流域面積大而長，一般來說屬于坡陡、水流湍急的急流性河流。降雨在季節(jié)上、空間上和能力上分配相當(dāng)不均勻，暴雨時水流充沛，流量及流砂量驚人;旱季時流量小甚至呈荒溪形態(tài)。在構(gòu)造上，臺灣河流位于一個活動帶，造山作用活躍，在上游地區(qū)河谷地形陡峻，地質(zhì)脆弱，常常發(fā)生崩塌，水土沖蝕及河床沖蝕;在下游地區(qū)河谷寬廣，更常因強(qiáng)降雨洪水?dāng)y帶的大量泥沙而沖積泛濫平原。臺灣地區(qū)較特殊的河流地形有:峽谷河流、階地河流、瀑布景觀和地下巖溶暗河等等。

2已建高速公路統(tǒng)計(jì)

目前，臺灣地區(qū)已建成通車的高速公路里程超過1000km，正在規(guī)劃、設(shè)計(jì)或施工中的公路約420km。從臺灣地區(qū)高速公路網(wǎng)和地質(zhì)分區(qū)圖中可知，長達(dá)373km的1號高速公路主要通過西部平原地區(qū)和部分丘陵地帶，整條高速公路只有一個雙管隧道(位于臺灣地區(qū)北部)。3號高速公路長518km，于2004年建成通車，自北向南貫穿整個臺灣地區(qū)，該公路大多數(shù)路段穿行于西部山麓地區(qū)，共設(shè)計(jì)有14條雙管隧道，隧道長度共計(jì)13.7km(按雙向通道計(jì)算隧道總長度是27.4km)。為了平衡臺灣地區(qū)東西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，5號高速公路臺北至宜蘭段因此建成通車，該段高速公路全長55km，屬于第一條穿越臺灣中央山脈的高速公里(2006年)，該路段中隧道總長度20.1km，里程超過總長度的1/3;其中雪山隧道長達(dá)12.9km，該雪山隧道是由兩個主隧洞和一個導(dǎo)洞組成，到目前為止它仍然是臺灣地區(qū)省最長高速公路隧道。6號高速公路，全長38km，公路始于南端的臺東縣五峰鄉(xiāng)，結(jié)束于南投縣的埔里，向東延伸到花蓮縣與5號高速公路相銜接，該公路存在3個總長度約為4.3km雙管隧道，項(xiàng)目于2009年建成通車。臺灣地區(qū)正在規(guī)劃中的高速公路，如東部高速、中央島跨高速、島南高速公路等，都將通過臺灣地區(qū)中東部山區(qū)地帶。因此，建設(shè)過程中將碰到大量隧道施工建設(shè)難題。根據(jù)目前的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，將有總長度約為128km的雙管或三管高速公路隧道需要進(jìn)行開挖建設(shè)，隧道的單根長度將超過10km。這些大型隧道建設(shè)過程中面臨的復(fù)雜工程問題亟待橋梁公路建設(shè)者們進(jìn)行解決。

3高速公路設(shè)計(jì)和施工方法

在過去幾十年間，隨著巖石力學(xué)與工程技術(shù)緊密結(jié)合，尤其是地下空間施工技術(shù)各項(xiàng)革新，促進(jìn)了隧道施工技術(shù)在安全性和效率不斷進(jìn)步。本文將在高速公路工程中的巖體工程地質(zhì)分類，隧道設(shè)計(jì)、開挖與支護(hù)的方法以及變形監(jiān)控方面，分別在各個章節(jié)中進(jìn)行總結(jié)和概述。

3.1巖土工程分類與分級

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，并對可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題作出準(zhǔn)確預(yù)測預(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號高速公路隧道施工過程中所使用的方法是常規(guī)的鉆炸法(D＆B)。該隧道施工過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)而對于巖體承受的荷載進(jìn)行評價，取得較好效果，這一計(jì)算方法和理論對于傳統(tǒng)隧道開挖方法的計(jì)算具有良好的適用性。然而，這一理論方法過于簡單直接，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巖體等級分類系統(tǒng)、Barton提出的Q系統(tǒng)和美國的Wickham巖石結(jié)構(gòu)(RSR)分類等等。其中，RMR巖體等級分類已經(jīng)普遍應(yīng)用于臺灣省的隧道施工設(shè)計(jì)過程中，臺灣地區(qū)在高速公路隧道工程巖體評價中將巖體分為六個等級(一般情況下RMR系統(tǒng)分為五個等級)，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，等級劃分的數(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，施工過程中越容易發(fā)生各種地質(zhì)災(zāi)害。臺灣地區(qū)地質(zhì)條件和地形地貌差異巨大。例如，位于臺灣地區(qū)南部的3號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。但是上述兩個隧道的賦存巖土體不適合利用RMR或Q系統(tǒng)來進(jìn)行評級。對于這類較軟地層、巖體膠結(jié)差、強(qiáng)度弱、地層固結(jié)時間短的地區(qū)，在施工設(shè)計(jì)過程中可以通過地質(zhì)構(gòu)造、巖性條件以及水文地質(zhì)特性這三個方面進(jìn)行綜合評價，以對其工程巖體進(jìn)行分級?？紤]到臺灣地區(qū)復(fù)雜的地形地貌和工程地質(zhì)條件，傳統(tǒng)的RMR分級系統(tǒng)不能夠完全對其進(jìn)行分級評價，工程咨詢公司在2000～2003年聯(lián)合臺灣地區(qū)公共工程委員會共同創(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四個等級。在一般情況下，分為A等級的巖體通常硬度高，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;該類巖石與國際巖石力學(xué)學(xué)會分級系統(tǒng)(ISRM)中的中極強(qiáng)巖石類別相匹配，巖石等級可以歸入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(國際巖石力學(xué)學(xué)會ISRM分級中屬于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50%，巖體結(jié)構(gòu)松散，與粗晶粒超過50%，包括礫巖和角礫巖等。A型和B型巖石可以按照RMR巖體等級分類系統(tǒng)進(jìn)行分級和評價，而C和D型這類軟弱結(jié)構(gòu)巖體主要是根據(jù)現(xiàn)場地質(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。臺灣地區(qū)的大部分高速公路隧道所賦存的巖體屬于A型。

3.2高速公路隧道設(shè)計(jì)和分析方法

在臺灣地區(qū)高速公路隧道穩(wěn)定性評估和計(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)行簡化，在地質(zhì)條件簡單，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)算原理簡潔明了，處理初期隧道工程問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單的幾何形狀和巖性條件單一的工程問題，面對地質(zhì)環(huán)境多樣化，該方法已越來越無法滿足現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的需要?；陔娮佑?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，這些方法可以通過建立不同的本構(gòu)模型來模擬巖體力學(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。該方法主要是通過對現(xiàn)場工程巖體性質(zhì)進(jìn)行分級，然后根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來評估隧道開挖過程中的穩(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，對巖體進(jìn)行的評估劃分為如下幾個層次: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)定性分析主要通過從現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果反饋的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在施工過程中的監(jiān)測數(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)方法又必須通過后期現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行反饋論證，來保障設(shè)計(jì)方案的可靠性。

3.3巖體相關(guān)參數(shù)的評價

巖體強(qiáng)度參數(shù)評價對于隧道設(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)是通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場原位測試獲得，其余部分通過工程實(shí)踐過程中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來取值。許多工程地質(zhì)穩(wěn)定性是通過摩爾庫侖破壞準(zhǔn)則來判定的，該破壞準(zhǔn)則的主要由即粘聚力(c)和摩擦角(?)這兩個參數(shù)來控制。不同等級的巖體，其粘聚力、摩擦角和變形模量的經(jīng)驗(yàn)值見表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)場原位測試和室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行取值，并且根據(jù)后期施工過程中的監(jiān)測數(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對雪山隧道開挖過程進(jìn)行了數(shù)值分析研究。其中，該分析過程中所采用的巖體相關(guān)參數(shù)指標(biāo)見表3，該地區(qū)的巖體工程等級分為4和6級;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。顯示了在這個隧道工程中，每個挖掘階段的位移矢量和最大總位移分布情況。在這個分析過程中，做了如下假定:隧道上方巖石覆蓋層厚度約為300m，巖體強(qiáng)度等級為4級，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)力對于隧道設(shè)計(jì)過程尤為重要，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。

3.4隧道開挖方法

在20世紀(jì)70年代之前，在臺灣地區(qū)隧道開挖過程中主要使用傳統(tǒng)的“新奧法”(NATM)與“美國鋼支保工法”(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程中主要經(jīng)歷三個階段，即top－h(huán)eading階段、bench階段和invertstages階段。若隧道開挖過程中圍巖強(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)用到隧道施工過程中。為了避免在隧道爆破施工過程中產(chǎn)生的震動對當(dāng)?shù)鼐用癞a(chǎn)生影響，3號高速公路新店隧道在建設(shè)過程中，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，在雪山隧道施工過程中，同時使用三臺隧道掘進(jìn)機(jī)(其中兩臺用于主通道開挖，另外一臺用于先導(dǎo)隧道開挖)同時進(jìn)行施工，然而由于現(xiàn)場不良地質(zhì)條件和極高的地下水壓力，隧道掘進(jìn)機(jī)并沒有取得良好效果。在北側(cè)隧道中的一臺掘進(jìn)機(jī)由于隧道坍塌發(fā)生突水涌水事故而被埋沒，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號高速公路隧道建設(shè)過程中又增加了另外一些施工工藝和方法。

3.5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，會在這一區(qū)域利用直徑約10cm，長度超過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隧道內(nèi)部用作初級支撐。由于襯砌過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。

3.6隧道工程測量

隧道開挖過程中打破了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，對圍巖應(yīng)力應(yīng)變值產(chǎn)生巨大擾動，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)控和測量，隧道巖土工程測量中的所用到的監(jiān)測儀器包括應(yīng)力集中監(jiān)測儀、水準(zhǔn)測量儀、伸長儀、測斜儀、測量錨、壓力計(jì)、應(yīng)變計(jì)等。應(yīng)力集中測量儀和水準(zhǔn)儀測量主要用于地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和監(jiān)測中。伸長儀一般用在可能發(fā)生塑性變形的圍巖區(qū)。測量結(jié)果用于評估圍巖穩(wěn)定性。測斜儀通常安裝在隧道，用于監(jiān)測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等。三維變形測量已經(jīng)在3號和5號高速公路隧道中投入使用，該測量方法能夠有效監(jiān)測隧道線路的縱向變形和方位。此外，它還可以通過收集的數(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)測工程中還沒有得到廣泛應(yīng)用。

3.7隧道潛在危害

為了避免對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，在隧道洞口開挖過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號公路隧道施工過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，澆灌過程中利用擋板和兩側(cè)的微型樁的支持來支撐混凝土的重量，隧道開挖過程中需要謹(jǐn)慎保護(hù)微型樁和擋板，以防造成破壞。

4高速公路隧道的工程特性

4.1大型橫截面隧道

臺灣地區(qū)大部分高速公路隧道為雙管隧道，每個方向具有2個或3個車道。由于不良地質(zhì)條件下，大部分隧道經(jīng)常需要關(guān)閉和維修，因此開挖橫截面積始終只有100～160m2。在開挖大型橫截面的隧道時，一些工程地質(zhì)方面的問題在應(yīng)力和地下水?dāng)_動下，如開裂、變形、塌方等等，都無法避免地會碰到。為了盡量減少居民住宅搬遷，3號高速公路的新店隧道在建設(shè)過程需要穿過80m高的斜坡地帶。因此，隧道表面產(chǎn)生了巨大的不平衡垂直應(yīng)力，而且在隧道北側(cè)還修建了一處入口，該北側(cè)路口設(shè)計(jì)為四車道，開挖斷面面積為230m2。在施工過程中，上部巖土體發(fā)生巨大的變形，用于支護(hù)加固的內(nèi)部混凝土襯砌發(fā)生了嚴(yán)重的開裂噴漿和鋼肋彎曲變形，整個斜坡隨時有垮塌的風(fēng)險。為了確保隧道通過斜坡坡腳時的穩(wěn)定性和安全性，施工隊(duì)被迫采取了更加保守和成熟的措施。對策包括鉆孔灌注樁、附加巖錨，對坡腳松散結(jié)構(gòu)土體夯實(shí)或開挖回填。此外，在隧道施工過程中利用雙面畫廊法開挖并加強(qiáng)內(nèi)部混凝土襯砌。

4.2隧洞交叉

為了達(dá)到進(jìn)行隧道日常維護(hù)、人員疏散和搶救的目的，在隧道高速公路雙管之間需要設(shè)計(jì)間隔排列的正洞交叉連接通道。以雪山隧道為例，行人和車輛的間隔交叉連接通道的距離分別為350m和1400m。由于該隧道具有大型橫截面，在隧洞交叉口附近容易發(fā)生巖土體應(yīng)力集中所導(dǎo)致的變形破壞和塌方災(zāi)害。舉例來說，6號高速公路埔里隧道設(shè)計(jì)為雙管雙車道，隧道內(nèi)存在一處臨時停車場和一個海灣車輛交叉連接隧道組成的隧道支洞，在施工過程中發(fā)生了鋼肋曲折和噴漿冒水現(xiàn)象，為了防止隧道發(fā)生變形破壞，在隧道頂部緊急臨時加裝了拱形支撐架，并在交叉處進(jìn)行了噴漿加固措施，這些措施有效緩解了隧道變形過程，并保證了隧道整體穩(wěn)定性的穩(wěn)定。長達(dá)12.9km的雪山隧道，具有三組通風(fēng)管道。每個隧道交叉處由豎井、溶洞、主隧道和隧道導(dǎo)洞共計(jì)7處隧道(井)組成。在這些管道的開挖過程中，一旦有新的地層揭露或開挖，每個交叉點(diǎn)處的穩(wěn)定性必須要重新評價。并且結(jié)合反饋回來的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，在三維穩(wěn)定性分析中發(fā)現(xiàn)2號管道中應(yīng)力與壓強(qiáng)之比約為1.27，說明2號管道產(chǎn)生了了輕微擠壓應(yīng)力。借助以上輔助分析方法，通過后續(xù)施工的補(bǔ)強(qiáng)措施，雪山隧道的3組通風(fēng)管道得以成功完成。

4.3隧道復(fù)合開挖方法

在一般情況下，盾構(gòu)方法(TBM)不如D＆B法靈活多變。在雪山的建設(shè)隧道中，為了避免在不良工程地質(zhì)條件下的隧道掘進(jìn)機(jī)被卡住，在深度超過2000m的南側(cè)隧洞挖掘過程中采用了混合開挖法。頂部導(dǎo)坑由D＆B法進(jìn)行挖掘，主要完成鋼筋支護(hù)、噴射混凝土、錨桿加固等工作，并結(jié)合小型鋼筋加固地基。在頂部導(dǎo)坑完成挖掘工作后，剩余部分(替補(bǔ)和反轉(zhuǎn))由TBM開挖。隧道所有部分由預(yù)制混凝土管片進(jìn)行支撐，每段管片之間采用噴射混凝土進(jìn)行充填加固。

4.4地下水處理措施

雪山隧道南段賦存巖體為砂巖，該段長約3.6km。該區(qū)域巖性主要為輕微變質(zhì)石英砂巖和泥、板巖，這類巖石具有硬脆性，且透水性很好。因此該段隧道容易發(fā)生突水涌水和塌方等地質(zhì)災(zāi)害，為了減少地下水的涌入和提高圍巖強(qiáng)度，在施工過程中使用錐形灌漿法將水泥漿液注入砂巖地層中。錐形灌漿法需要將鉆孔布置成為三元環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖6所示:首先，將混合物水泥和水玻璃的注入鉆孔外環(huán)，以形成一個止水屏障;然后，利用純水泥砂漿對內(nèi)環(huán)巖土體進(jìn)行加固以改進(jìn)其工程地質(zhì)性質(zhì)。在一般情況下，灌漿鉆孔深30m，下部開挖深度為25m，實(shí)際的灌漿的長度和開挖深度需要由現(xiàn)場地下水文條件和地質(zhì)條件綜合確定。

4.5先進(jìn)施工工藝和材料的應(yīng)用

在臺灣地區(qū)第一條高速公路隧道修建過程中，ASSM法是主要的施工方法，在這一施工方法中，重型鋼拱支架、鋼板或木板是主要的支撐構(gòu)件。但是從第二條高速公路修建開始，新奧工法成為在隧道施工工程中占據(jù)主導(dǎo)地位的支護(hù)方案，簡明的截面的設(shè)計(jì)方法和半剛性主支承是該方法的主要技術(shù)優(yōu)勢。此外，開挖工序和隧道支撐方案能夠根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行調(diào)整施工，新奧法較ASSM更加靈活方便。12.9km長的雪山隧道是第一高速公路隧道，該隧道穿越臺灣的中央山脈。考慮到建設(shè)周期、成本、環(huán)境保護(hù)和技術(shù)方面的限制，利用3臺國外進(jìn)口隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行同時開挖。這是隧道掘進(jìn)機(jī)在臺灣地區(qū)隧道施工過程中的首次應(yīng)用，隧道掘進(jìn)機(jī)切割頭的主直徑分別為11.8m和4.8m;整個盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)總長度分別為239m和177m。通風(fēng)設(shè)備方面，對于有3套通風(fēng)井的沿雪山隧道，每套通風(fēng)井的進(jìn)氣管道和排氣管道均為50m長，直徑?6～?6.5m，覆蓋深度為250～512m，進(jìn)氣和排氣管道出口均超過500m。為了加速地下水排泄，提高鉆井的鉆進(jìn)速度，首先利用一個直徑?31cm的導(dǎo)孔鉆掘至底部，接著進(jìn)行擴(kuò)孔至直徑244cm;在完成擴(kuò)孔后，將通風(fēng)井利用下沉法安裝至隧道主通道底部。利用這一先進(jìn)的挖掘方式，1號導(dǎo)管的進(jìn)氣通道和排氣通道偏差分別只有14cm和72cm，其偏差率分別為0.03%和0.14%。隨著科技社會的飛速發(fā)展，一些更加先進(jìn)的材料已經(jīng)在高速公路隧道工程中逐步得到應(yīng)用。例如，利用遠(yuǎn)程操控應(yīng)用程序和濕式混合噴漿法使5號高速公路彭山隧道顯著提高了工作效率和改善了良好的施工環(huán)境。在3號高速藍(lán)塘隧道施工過程中，利用廣鋼纖維噴射混凝土、格構(gòu)梁和自鉆巖石錨桿不僅大大加快了工程進(jìn)度，而且大大降低了施工風(fēng)險。

4.6環(huán)境和生態(tài)保護(hù)

在臺灣地區(qū)高速公路項(xiàng)目建設(shè)必須獲得環(huán)境許可影響評估審查委員會的認(rèn)可。由于突水事故、空氣和水污染、爆破振動等影響，隧道建設(shè)始終面臨著重大環(huán)境和生態(tài)保護(hù)難題。為了保護(hù)雪山隧道1號豎井附近的茶園，排氣通道通過一處長為328m平行橫洞，將廢棄排入另一個山谷。雪山隧道北段位于水資源保護(hù)規(guī)劃區(qū)，為避免污染和影響水源地，隧道水平面從南往北以1.25%坡度逐漸抬高。在該區(qū)域的兩個主要隧道和一個導(dǎo)洞中的總地下水流出量約為50000m3/d，在進(jìn)行引流處理后，流出的地下水流出被用作農(nóng)田灌溉和地方居民生活用水。6號高速公路埔里隧道西側(cè)洞口位于一個陡峭的斜坡上。為了避免局部環(huán)境遭受破壞，對該處斜坡并沒有進(jìn)行切坡處理，而是從東至西開挖至洞口。與隧道相鄰的的橋基同樣設(shè)在隧道內(nèi)，從而將其對周邊環(huán)境的影響降到最低限度。

5高速公路建設(shè)發(fā)展前景

將來在臺灣地區(qū)大部分規(guī)劃中的高速公路會穿過山區(qū)，需要建造非常多的超長隧道。隧道在崎嶇的山區(qū)建造過程中不可避免地會遇到大型橫截面、重型荷載、高海拔、高地下水壓力和地?zé)岬葐栴}。因此，尋找并解決這些問題的方法是目前隧道建設(shè)者面臨的最大挑戰(zhàn)。下面將對臺灣地區(qū)在高速公路隧道建設(shè)領(lǐng)域中面臨的地質(zhì)水文、工程技術(shù)、教育和環(huán)境問題進(jìn)行討論。

5.1先進(jìn)的地質(zhì)調(diào)查方法

深入了場地工程地質(zhì)條件可以有效地降低隧道施工過程中的風(fēng)險。未來高速公路項(xiàng)目的地質(zhì)條件會比現(xiàn)有的更復(fù)雜。為了克服在高山地區(qū)建造超長隧道所面臨的困難，在這些不利的環(huán)境下鉆井鉆孔的深度超過700m所面臨的技術(shù)難題必須不斷深入研究。在高山地區(qū)地應(yīng)力數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也應(yīng)該著手建立和不斷完善。此外，該高精度物探方法、先進(jìn)的遙感與航空攝影技術(shù)在將來也同樣應(yīng)該不斷投入應(yīng)用研究。

5.2建立合理的工程巖體分類體系

目前，臺灣地區(qū)使用最為普遍的工程巖體分類系統(tǒng)主要是RMR系統(tǒng)和Q系統(tǒng)，但是這兩種分類系統(tǒng)均起源于國外，他們建造隧道過程中遇到的巖體工程地質(zhì)特性與臺灣地區(qū)大不相同，在實(shí)際運(yùn)用過程中，不能夠完全適用于當(dāng)前的隧道工程中。最近，臺灣地區(qū)開發(fā)了自己的工程巖體分析系統(tǒng)(PCCR)，但該系統(tǒng)在本地項(xiàng)目中還沒有得到廣泛地應(yīng)用，在以后的隧道工程中這一分級系統(tǒng)有待進(jìn)一步驗(yàn)證。發(fā)展適合臺灣地區(qū)地形和地質(zhì)條件的巖體分級系統(tǒng)對于巖土工程師是必不可少的任務(wù)。

5.3施工方法、技術(shù)和材料的升級

隧道工程主要為線形結(jié)構(gòu)，其施工難度受到工作面限制和影響非常大。因此，隧道的時間成本總是比公路和橋梁建筑工程高。未來隧道建設(shè)應(yīng)該朝著更安全、更快捷、更經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的方向前進(jìn)。發(fā)展更加自動化、高效率的機(jī)械設(shè)備，以及智能內(nèi)襯系統(tǒng)，以此作為未來隧道建設(shè)過程中的主要技術(shù)支撐。近年來，機(jī)械化水平的進(jìn)步和全自動隧道掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)使得隧道施工難度顯著降低?？紤]到隧道掘進(jìn)機(jī)具有快速掘進(jìn)、環(huán)保和機(jī)械化程度高的優(yōu)點(diǎn)，如果地質(zhì)條件滿足要求，TBM在挖掘超長隧道過程中仍然是一個值得長期推廣的方法。

5.4教育和培訓(xùn)

無論是理論和實(shí)踐，在隧道領(lǐng)域工程都極其重要。理論方面，應(yīng)該在大學(xué)里面開設(shè)和推廣隧道工程和巖石力學(xué)等相關(guān)課程;實(shí)踐方面，延伸和發(fā)展R＆D法，為解決工程實(shí)際問題提供先進(jìn)技術(shù)和解決方案。此外，學(xué)校、企業(yè)和有關(guān)單位應(yīng)該頻繁舉行隧道專題研討會，以促進(jìn)行業(yè)之間的信息交流。同時，經(jīng)驗(yàn)方法在隧道設(shè)計(jì)過程中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，從已完成項(xiàng)目中能夠獲得許多寶貴的價值經(jīng)驗(yàn)，因此對退休專業(yè)人員的返聘將有利于隧道工程經(jīng)驗(yàn)的傳承。

5.5加強(qiáng)國際交流

在新奧法和TBM在臺灣地區(qū)開始推廣應(yīng)用的初始階段，本地區(qū)工程師和外國專家之間保持了緊密的工作合作關(guān)系。許多設(shè)計(jì)方案和規(guī)范的制定得到了國外專家顧問的大力幫助。在未來，隧道施工將面臨大覆蓋層、地?zé)岬鹊纫幌盗袕?fù)雜的工程地質(zhì)問題。因此，我們?nèi)匀恍枰M(jìn)一步加強(qiáng)國際交流，確保與國外顧問之間更加緊密合作。

5.6環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展

目前，隨著越來越多的人認(rèn)識到環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的重要性，消除空氣和水的污染，合理的廢棄物再利用勢在必行。在雪山隧道和埔里隧道洞口邊坡上的地下水再利用都是環(huán)境保護(hù)方面很好的例子。此外，隧道設(shè)計(jì)中的通風(fēng)和照明系統(tǒng)同樣需要優(yōu)化和提高能源效率。

6結(jié)論

高速公路系統(tǒng)的成就創(chuàng)造了臺灣地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速增長，高速公路隧道工程所積累的經(jīng)驗(yàn)帶領(lǐng)臺灣地區(qū)隧道產(chǎn)業(yè)走向了一個新的里程碑。未來高速公路網(wǎng)絡(luò)將擴(kuò)展到地質(zhì)條件更復(fù)雜的高山地區(qū)，隧道工程師將不可避免地面臨更大的挑戰(zhàn)。如:地形地貌方面，高山地區(qū)交通頗為不便，隧道建設(shè)過程中所需要的人力、物資、設(shè)備等等很難及時運(yùn)抵施工現(xiàn)場，建設(shè)過程中需要確定合理有效的施工工序以節(jié)省時間成本;工程地質(zhì)方面，臺灣地區(qū)地處兩大陸地板塊縫合帶，場地巖土工程性質(zhì)在空間上分布不均勻，地質(zhì)構(gòu)造活動如地震、火山比較活躍，地應(yīng)力容易產(chǎn)生集中，在隧道開挖時尤其需要考慮各種地質(zhì)因素可能帶來的災(zāi)難和后果;水文方面，隧道開挖需要評估地下水和地表水可能帶來的影響，高山地區(qū)由于強(qiáng)降雨活動頻繁，山洪泥石流等災(zāi)害對施工進(jìn)度和設(shè)備會造成嚴(yán)重破壞，此外，地下水埋藏淺、孔隙水壓力高的巖層開挖時必須做完善降水措施和布置地下水位監(jiān)控探頭;只有結(jié)合地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌以及水文地質(zhì)條件進(jìn)行綜合評估選址，才能夠保證在施工過程將工程事故降到最低、提高工程進(jìn)度。除了傳承以上的隧道工程經(jīng)驗(yàn)，還需要研究和開發(fā)先進(jìn)的技術(shù)、材料和施工工藝。此外，也應(yīng)該加強(qiáng)不同領(lǐng)域信息交流、同國外專家緊密合作。最后，在隧道建設(shè)中，也應(yīng)該滿足環(huán)境、生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

作者：張濤譯 單位：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司