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，為工程設(shè)計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)定性計算中，進而對于巖體承受的荷載進行評價，取得較好效果，這一計算方法和理論對于傳統(tǒng)隧道開挖方法的計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?guī)r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?guī)r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)強度和完整性從強到弱分別定義為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)(如巖土強度、ＲOD值、節(jié)理條件和水文條件等)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)來進行評級。對于這類較軟地層、巖體膠結(jié)差、強度弱、地層固結(jié)時間短的地區(qū)，在施工設(shè)計過程中可以通過地質(zhì)構(gòu)造、巖性條件以及水文地質(zhì)特性這三個方面進行綜合評價，以對其工程巖體進行分級�？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)試驗和隧道工程實踐經(jīng)驗，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，且其單軸抗壓強度小于5MPa，土壤和松散細粒結(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?guī)r體等級分類系統(tǒng)進行分級和評價，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。

2高速公路隧道設(shè)計和分析方法

在臺灣地區(qū)高速公路隧道穩(wěn)定性評估和計算中應(yīng)用的方法主要分為理論分析和經(jīng)驗分析法兩大類。1)理論分析方法。理論分析方法和設(shè)計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行簡化，在地質(zhì)條件簡單，工程要求低的隧道項目中可以滿足計算要求，該方法計算原理簡潔明了，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)計的需要�；�于電子計算機的數(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)驗分析法。該方法主要是通過對現(xiàn)場工程巖體性質(zhì)進行分級，然后根據(jù)實踐經(jīng)驗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)計階段，對巖體進行的評估劃分為如下幾個層次:巖性條件(單軸抗壓強度、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方案同樣是參照巖體分類和以往經(jīng)驗而進行設(shè)計的。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)計方案的合理性，并且能夠幫助設(shè)計工作進一步完善。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)驗設(shè)計方法之上;而經(jīng)驗設(shè)計方法又必須通過后期現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行反饋論證，來保障設(shè)計方案的可靠性。

3巖體相關(guān)參數(shù)的評價

巖體強度參數(shù)評價對于隧道設(shè)計和計算分析具有重要意義。一般情況下，巖體參數(shù)主要包括強度和變形能力，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)試驗和現(xiàn)場原位測試獲得，其余部分通過工程實踐過程中的經(jīng)驗數(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)在工程實踐中只能夠作為參考，并不能為實際工程計算中直接套用，需要結(jié)合現(xiàn)場原位測試和室內(nèi)物理力學(xué)試驗進行取值，并且根據(jù)后期施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行論證和修改。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。從計算結(jié)果可知，初始應(yīng)力對于隧道設(shè)計過程尤為重要，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。

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、大眾快速運輸項目和水電項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)掘進機進行開挖，而摒棄了新奧法。為了達到保護環(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機(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，隧道掘進機并沒有取得良好效果。在北側(cè)隧道中的一臺掘進機由于隧道坍塌發(fā)生突水涌水事故而被埋沒，導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失和施工延誤。為了加快工作進度，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。

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，符合隧道掘進機的快速掘進的隧道中，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行了充填加固，圍巖體的強度和穩(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。

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、應(yīng)變計等。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。

7隧道潛在危害

為了避免對環(huán)境產(chǎn)生的負面影響，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，并進行噴錨支護。當(dāng)隧道洞口防護結(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行防護。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)慎保護微型樁和擋板，以防造成破壞。