高速公路設(shè)計(jì)和施工方法

1、高速公路設(shè)計(jì)和施工方法高速公路設(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)嚴(yán)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)在平安性和效率不斷進(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(gè)章節(jié)中進(jìn)展總結(jié)和概述。1巖土工程分類與分級(jí)工程巖體分類可以概況地反響某一地區(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(hào)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(DB)。該隧道施工過程中以太沙基所提出的有效應(yīng)力原理和浸透固結(jié)理論為根底，將巖性條件、隧道尺寸和水文

2、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)展評(píng)價(jià)，獲得較好效果，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年代開場，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:Bieniaski提出的巖體等級(jí)分類系統(tǒng)、Bartn提出的Q系統(tǒng)和美國的ikha巖石構(gòu)造(S)分類等等。其中，巖體等級(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)(一般情況下系統(tǒng)分為五個(gè)等級(jí))，巖體構(gòu)造強(qiáng)度和完好性從強(qiáng)到弱分別

3、定義為15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、D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(tái)灣地區(qū)地質(zhì)條件和地形地貌差異宏大。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合適利用或Q系統(tǒng)來進(jìn)展評(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(gè)方面進(jìn)展綜合評(píng)價(jià)，以對(duì)其工程巖體進(jìn)展分級(jí)?？?/p>

4、慮到臺(tái)灣地區(qū)復(fù)雜的地形地貌和工程地質(zhì)條件，傳統(tǒng)的分級(jí)系統(tǒng)不可以完全對(duì)其進(jìn)展分級(jí)評(píng)價(jià)，工程咨詢公司在20002022年結(jié)合臺(tái)灣地區(qū)公共工程委員會(huì)共同創(chuàng)立了其自己的工程巖體分類(P)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)和隧道工程理論經(jīng)歷，將臺(tái)灣地區(qū)中所有巖石工程地質(zhì)特性分為A、B、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;該類巖石與國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)分級(jí)系統(tǒng)(IS)中的中極強(qiáng)巖石類別相匹配，巖石等級(jí)可以歸入36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

5、區(qū)的巖體，整體構(gòu)造較為完好，但是部分地區(qū)由于軟弱構(gòu)造面容易導(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(huì)IS分級(jí)中屬于2)。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5Pa，土壤和松散細(xì)粒構(gòu)造巖體也屬于這一類型。D型巖石說明巖體中粗粒含量超過50%，巖體構(gòu)造松散，與粗晶粒超過50%，包括礫巖和角礫巖等。A型和B型巖石可以按照巖體等級(jí)分類系統(tǒng)進(jìn)展分級(jí)和評(píng)價(jià)，而和D型這類軟弱構(gòu)造巖體主要是根據(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)展定性分類。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

6、方法主要分為理論分析和經(jīng)歷分析法兩大類。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)展簡化，在地質(zhì)條件簡單，工程要求低的隧道工程中可以滿足計(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(duì)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

7、要作用。數(shù)值方法可用于模擬各種形狀不規(guī)那么的隧道開挖工程。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FLA，PLAXIS和PHASE2等已經(jīng)在臺(tái)灣地區(qū)被廣泛應(yīng)用。2)經(jīng)歷分析法。該方法主要是通過對(duì)現(xiàn)場工程巖體性質(zhì)進(jìn)展分級(jí)，然后根據(jù)理論經(jīng)歷來評(píng)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(duì)巖體進(jìn)展的評(píng)估劃分為如下幾個(gè)層次:巖性條件(單軸抗壓強(qiáng)度、巖體構(gòu)造等)，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、平安系數(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)歷而進(jìn)展設(shè)計(jì)的

8、。在施工階段，穩(wěn)定性分析主要通過從現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果反響的數(shù)據(jù)為根底，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，并且可以幫助設(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，在隧道建立過程中，數(shù)值分析方法必須建立在相關(guān)的經(jīng)歷設(shè)計(jì)方法之上;而經(jīng)歷設(shè)計(jì)方法又必須通過后期現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)展反響論證，來保障設(shè)計(jì)方案的可靠性。3巖體相關(guān)參數(shù)的評(píng)價(jià)4隧道開挖方法在20世紀(jì)70年代之前，在臺(tái)灣地區(qū)隧道開挖過程中主要使用傳統(tǒng)的新奧法(NAT)與美國鋼支保工法(ASS)。從20世紀(jì)70年代開場，隧道施工方法逐漸蛻變成新奧法(NAT)占主導(dǎo)地位。

9、特別是從20世紀(jì)80年代開場，新奧工法在高速公路、鐵路、群眾快速運(yùn)輸工程和水電工程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)合在開挖面形成完好的且具有較強(qiáng)約束才能的拱形構(gòu)件，確保隧道開挖的平安性。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(NAT)進(jìn)展開挖形成，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(gè)階段，即tpheading階段、benh階段和invertstages階段。假設(shè)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dublesidegaller開挖法，這種開挖

10、方法已經(jīng)被證明可以較好地保持隧道圍巖的穩(wěn)定性。除了DB開挖法，一些比擬有用的機(jī)械裝置也被逐漸應(yīng)用到隧道施工過程中。為了防止在隧道爆破施工過程中產(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立過程中，采用隧道盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)展開挖，而摒棄了新奧法。為了到達(dá)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(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)展施工，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)并沒有獲得良好效果。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，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

11、立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分布機(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10，長度超過10的鋼管加設(shè)鋼構(gòu)造管棚，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。由于襯砌過程中將圍巖縫隙用礫砂和水泥進(jìn)

12、展了充填加固，圍巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性可以得到很好的控制。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3060的帶肋混凝土襯砌。此外，為了進(jìn)步隧道的穩(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(duì)圍巖應(yīng)力應(yīng)變值產(chǎn)生宏大擾動(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)展監(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(píng)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互相作用穩(wěn)定性，比方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(hào)和5號(hào)高速公路隧道中投入使用，該測量方法可以有效監(jiān)測隧道線路的縱向變形和方位。此外，它還可以通過搜集的數(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。7隧道潛在危害為了防止對(duì)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(shí)的上部巖體的穩(wěn)定性，杜絕平安隱患，需要在隧道開挖