高速公路设计和施工方法

　　高速公路设计和施工方法
　　在过去几十年间，随着岩石力学与工程技术紧密结合，尤其是地下空间施工技术各项革新，促进了隧道施工技术在安全性和效率不断进步。本文将在高速公路工程中的岩体工程地质分类，隧道设计、开挖与支护的方法以及变形监控方面，分别在各个章节中进行总结和概述。
　　1岩土工程分类与分级
　　工程岩体分类能够概况地反应某一地区工程岩体质量的好坏，并对可能出现的工程地质问题作出准确预测预报，为工程设计方案和施工工艺方法提供技术支持。在1号高速公路隧道施工过程中所使用的方法是常规的钻炸法(D＆B)。该隧道施工过程中以太沙基所提出的有效应力原理和渗透固结理论为基础，将岩性条件、隧道尺寸和水文条件融入围岩稳定性计算中，进而对于岩体承受的荷载进行评价，取得较好效果，这一计算方法和理论对于传统隧道开挖方法的计算具有良好的适用性。然而，这一理论方法过于简单直接，不宜于采用喷锚支护等现代隧道开挖方法中。从20世纪70年代开始，国际上岩土工程领域提出了多种工程岩体分类体系，其中应用较为广泛的工程岩体定量分类方法有:Bieniawski提出的ＲMＲ岩体等级分类系统、Barton提出的Q系统和美国的Wickham岩石结构(ＲSＲ)分类等等。其中，ＲMＲ岩体等级分类已经普遍应用于台湾省的隧道施工设计过程中，台湾地区在高速公路隧道工程岩体评价中将岩体分为六个等级(一般情况下ＲMＲ系统分为五个等级)，岩体结构强度和完整性从强到弱分别定义为1 5级，等级划分的数字越大，代表岩体工程地质性质(如岩土强度、ＲOD值、节理条件和水文条件等)越差，施工过程中越容易发生各种地质灾害。台湾地区地质条件和地形地貌差异巨大。例如，位于台湾地区南部的3号高速公路的篮坛隧道，其地层主要由淤泥、泥岩和松散砂岩经沉积作用堆积形成;位于6号高速公路的埔里隧道的赋存岩体主要由河流沉积作用形成，岩体组成成分主要是黏土、砂土和松散砂砾石。但是上述两个隧道的赋存岩土体不适合利用ＲMＲ或Q系统来进行评级。对于这类较软地层、岩体胶结差、强度弱、地层固结时间短的地区，在施工设计过程中可以通过地质构造、岩性条件以及水文地质特性这三个方面进行综合评价，以对其工程岩体进行分级。考虑到台湾地区复杂的地形地貌和工程地质条件，传统的ＲMＲ分级系统不能够完全对其进行分级评价，工程咨询公司在2000 2003年联合台湾地区公共工程委员会共同创建了其自己的工程岩体分类(PCCＲ)系统。该分类系统根据已有研究成果，室内岩石物理力学性质试验和隧道工程实践经验，将台湾地区中所有岩石工程地质特性分为A、B、C和D四个等级。在一般情况下，分为A等级的岩体通常硬度高，塑性指数低，这种类型岩体包括大多数的变质岩，岩浆岩和高强度的沉积岩;该类岩石与国际岩石力学学会分级系统(ISＲM)中的中极强岩石类别相匹配，岩石等级可以归入Ｒ3 Ｒ6之间。B型岩石与A型岩石的主要区别是B型岩体中其中通常夹杂软弱砂砾石层，如位于西部山麓地区的岩体，整体结构较为完好，但是局部地区由于软弱结构面容易导致滑坡失稳;这种类型的岩石恰好属于软弱围岩(国际岩石力学学会ISＲM分级中属于Ｒ2)。C型岩石主要代表胶结较差的岩土体，且其单轴抗压强度小于5MPa，土壤和松散细粒结构岩体也属于这一类型。D型岩石表明岩体中粗粒含量超过50%，岩体结构松散，与粗晶粒超过50%，包括砾岩和角砾岩等。A型和B型岩石可以按照ＲMＲ岩体等级分类系统进行分级和评价，而C和D型这类软弱结构岩体主要是根据现场地质资料(地层岩性，地质构造和水文条件)进行定性分类。台湾地区的大部分高速公路隧道所赋存的岩体属于A型。
　　2高速公路隧道设计和分析方法
　　在台湾地区高速公路隧道稳定性评估和计算中应用的方法主要分为理论分析和经验分析法两大类。1)理论分析方法。理论分析方法和设计主要目的是分析隧道在开挖过程中围岩的应力和应变情况。这一技术方法主要包括静力分析方法(刚体极限平衡)和数值分析法。静力分析法将隧道模型进行简化，在地质条件简单，工程要求低的隧道项目中可以满足计算要求，该方法计算原理简洁明了，处理初期隧道工程问题中得到了广泛的应用和推广。然而，这类计算方法仅仅局限于简单的几何形状和岩性条件单一的工程问题，面对地质环境多样化，该方法已越来越无法满足现代工程设计的需要。基于电子计算机的数值分析方法(包括有限元，有限差分，边界元等)已在最近几十年中，尤其是解决复杂工程地质领域的计算问题发挥了重要作用。数值方法可用于模拟各种形状不规则的隧道开挖工程。此外，这些方法可以通过建立不同的本构模型来模拟岩体力学性质复杂的岩体材料。大型数值分析软件如FLAC，PLAXIS和PHASE2等已经在台湾地区被广泛应用。2)经验分析法。该方法主要是通过对现场工程岩体性质进行分级，然后根据实践经验来评估隧道开挖过程中的稳定性，这是一种众所周知的历史分析方法。在隧道工程的规划和设计阶段，对岩体进行的评估划分为如下几个层次:岩性条件(单轴抗压强度、岩体结构等)，水文地质条件(地形地貌、地质构造、地下水等)和工程特性(隧道开挖截面积、安全系数等);隧道开挖工序和支护方案同样是参照岩体分类和以往经验而进行设计的。在施工阶段，稳定性分析主要通过从现场监测结果反馈的数据为基础，在施工过程中的监测数据可以论证设计方案的合理性，并且能够帮助设计工作进一步完善。由于每条隧道地质环境复杂和不确定性因素，在数值分析方法中很难一次得出适当的模型参数和本构关系。因此，在隧道建设过程中，数值分析方法必须建立在相关的经验设计方法之上;而经验设计方法又必须通过后期现场监测结果进行反馈论证，来保障设计方案的可靠性。
　　3岩体相关参数的评价
　　岩体强度参数评价对于隧道设计和计算分析具有重要意义。一般情况下，岩体参数主要包括强度和变形能力，除了以上所提到的隧道开挖过程中所用到的参数，岩体的大部分物理力学参数是通过室内试验和现场原位测试获得，其余部分通过工程实践过程中的经验数据来取值。许多工程地质稳定性是通过摩尔库仑破坏准则来判定的，该破坏准则的主要由即粘聚力(c)和摩擦角( )这两个参数来控制。不同等级的岩体，其粘聚力、摩擦角和变形模量的经验值见表3。值得注意的是，表3所给出的岩体力学性质参数在工程实践中只能够作为参考，并不能为实际工程计算中直接套用，需要结合现场原位测试和室内物理力学试验进行取值，并且根据后期施工过程中的监测数据进行论证和修改。Chen等利用三维有限元分析软件PLAXIS对雪山隧道开挖过程进行了数值分析研究。其中，该分析过程中所采用的岩体相关参数指标见表3，该地区的岩体工程等级分为4和6级;和分别代表了岩体的比重和泊松比;M代表岩体应力释放有关的因子，其取值小于1.0。显示了在这个隧道工程中，每个挖掘阶段的位移矢量和最大总位移分布情况。在这个分析过程中，做了如下假定:隧道上方岩石覆盖层厚度约为300m，岩体强度等级为4级，水平和垂直方向的应力比值k为1.0;主隧道与先导通道之间的中心距离为30m，且在分析过程中考虑地下水位的影响。从计算结果可知，初始应力对于隧道设计过程尤为重要，初始应力包括土体的自重应力和孔隙水压力，在雪山隧道最初设计过程中，同样将初始孔隙水压力考虑在内。其中，静止土压力系数计算公式分别为Kh=和KH=(两者取值分别为1.1和0.6);Kh和KH分别代表场地土体的水平自重应力，最小竖向自重应力和最大竖向自重应力。在计算过程中将水平自重应力方位角设定为N30E，与隧道主轴方向近垂直。在拉应力分析中，该初始应力设置方法同样具有适用性。
　　4隧道开挖方法
　　在20世纪70年代之前，在台湾地区隧道开挖过程中主要使用传统的新奥法(NATM)与美国钢支保工法(ASSM)。从20世纪70年代开始，隧道施工方法逐渐蜕变成新奥法(NATM)占主导地位。特别是从20世纪80年代开始，新奥工法在高速公路、铁路、大众快速运输项目和水电项目中得到越来越广泛的应用，新奥工法倡导半刚性支撑，该方法将喷射混凝土、岩栓和轻型钢支保结合在开挖面形成完整的且具有较强约束能力的拱形构件，确保隧道开挖的安全性。到目前为止，台湾地区大部分高速公路隧道是利用新奥法(NATM)进行开挖形成，这类开挖方法将隧道横断面开挖成马蹄形。在双车道或三车道隧道开挖过程中主要经历三个阶段，即top－heading阶段、bench阶段和invertstages阶段。若隧道开挖过程中围岩强度较低，或赋存地质环境极其复杂，将采用更加复杂的开挖工序，如double－side－galler开挖法，这种开挖方法已经被证明能够较好地保持隧道围岩的稳定性。除了D＆B开挖法，一些比较有用的机械装置也被逐渐应用到隧道施工过程中。为了避免在隧道爆破施工过程中产生的震动对当地居民产生影响，3号高速公路新店隧道在建设过程中，采用隧道盾构掘进机进行开挖，而摒弃了新奥法。为了达到保护环境和缩短施工工期的目的，在雪山隧道施工过程中，同时使用三台隧道掘进机(其中两台用于主通道开挖，另外一台用于先导隧道开挖)同时进行施工，然而由于现场不良地质条件和极高的地下水压力，隧道掘进机并没有取得良好效果。在北侧隧道中的一台掘进机由于隧道坍塌发生突水涌水事故而被埋没，导致重大经济损失和施工延误。为了加快工作进度，在2号高速公路隧道建设过程中又增加了另外一些施工工艺和方法。
　　5隧道支撑系统
　　隧道支撑可分为两部分，即主要支撑和内部混凝土衬砌。主要支撑包括喷射混凝土、丝网、锚杆、钢肋和超前支架等。目前，湿式混合钢纤维喷浆散布机广泛应用于隧道工程中。此外，格构梁广泛使用H型钢，而不是钢肋。在不良地质区，如松散岩体缝隙与节理处采用锚杆安装，取代了传统的灌浆、锚栓加固方式。在一般情况下，在隧道洞口覆盖有风化程度较高的岩体，因此，会在这一区域利用直径约10cm，长度超过10m的钢管加设钢结构管棚，以确保其稳定性。在工程地质条件较好，符合隧道掘进机的快速掘进的隧道中，常常采用混凝土衬砌对隧道内部用作初级支撑。由于衬砌过程中将围岩缝隙用砾砂和水泥进行了充填加固，围岩体的强度和稳定性能够得到很好的控制。除了主要的支撑，高速公路隧道支撑系统还包括一个厚度为30 60cm的带肋混凝土衬砌。此外，为了提高隧道的稳定性，在混凝土衬砌中还安装有各种设备和通风装置，并且在衬砌内部覆盖有一层防水膜。
　　6隧道工程测量
　　隧道开挖过程中打破了岩体原有的应力平衡状态，对围岩应力应变值产生巨大扰动，从而使其周围岩体有变形破坏的潜在威胁。这些潜在威胁必须进行监控和测量，隧道岩土工程测量中的所用到的监测仪器包括应力集中监测仪、水准测量仪、伸长仪、测斜仪、测量锚、压力计、应变计等。应力集中测量仪和水准仪测量主要用于地质灾害的预防和监测中。伸长仪一般用在可能发生塑性变形的围岩区。测量结果用于评估围岩稳定性。测斜仪通常安装在隧道，用于监测隧道与周围岩体之间的相互作用稳定性，比如上覆岩土体是否有崩滑趋势等。三维变形测量已经在3号和5号高速公路隧道中投入使用，该测量方法能够有效监测隧道线路的纵向变形和方位。此外，它还可以通过收集的数据分析隧道开挖前的工程地质条件，但是这一新方法仍然处在理论研究阶段，实际工程应用几乎很少，在目前的隧道监测工程中还没有得到广泛应用。
　　7隧道潜在危害
　　为了避免对环境产生的负面影响，在隧道洞口开挖过程中始终保持在施工区域有一浅层土壤覆盖。为了确保在隧道开挖时的上部岩体的稳定性，杜绝安全隐患，需要在隧道开挖之前在坡面安装超前支架和管棚，并进行喷锚支护。当隧道洞口防护结构工程安装妥当之后，隧道开挖才能随后展开。在地形地貌不规则以及不良地质条件下，一些其他方法也被用于隧道洞口防护工程中。例如，在3号公路隧道施工过程中采用科林斯板法进行防护。在这种结构方法首先需要挖除隧道上覆土层，然后浇灌预制混凝土，浇灌过程中利用挡板和两侧的微型桩的支持来支撑混凝土的重量，隧道开挖过程中需要谨慎保护微型桩和挡板，以防造成破坏。