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1台湾地区地形、地质和水文地质条件
台湾地区位于福建省东南沿海约150km，相隔台湾海峡，与福建省隔海相望。台湾海峡的最狭窄处130km，最宽处达到250km以上，平均宽度200km;台湾地区由86个大小岛屿所组成，包括台湾本岛、散布在四周海域的21座离岛以及澎湖列岛，其中，澎湖列岛就包括了64座大小面积不等的小岛，这些小岛分布在亚洲大陆的大陆架边缘扼守着中国东南边缘的东海和南海海域，地理位置十分重要。台湾地区大陆本岛的纵向长度从南至北长约385km，最大宽度为143km，占地面积约36000km2。
1.1地形地质条件
台湾地区位于欧亚大陆的大陆板块和菲律宾海板块的缝合带，由其西部和北部的扬子克拉通、东北部的冲绳板块以及东部和南部的菲律宾移动板块撞击形成的复杂结构，是受到欧亚大陆板块与菲律宾板块碰撞影响形成的一系列地体隆起岛弧之一。因为地壳变动与造山运动发达造成台湾地区复杂多样的地形，绝大部分地质构造是由欧亚大陆板块组成、菲律宾板块则往下发展成为隐没带。东部和南部地区则受到吕宋火山岛弧等板块影响形成复杂地质，包括与花东纵谷地质不同但与之平行的海岸山脉。由于构造活动强烈，岛上主要地貌单元为高山峡谷，存在相对较少的平原地区，其地质条件十分复杂。中央山脉从北到南的纵向延伸长度385～397km，山脉约350km处形成了台湾省山脉的支柱脊。在该区域范围内，有超过25座海拔超过3000m的高山。支柱脊范围以西分布有大范围雪山地质地貌。支柱脊中央斜坡向西延伸到山脚，主要地貌单元为高原和沿海平原，该区域属于属于沿海范围，长140km。宽约10km，山高1000～1500m。1)澎湖列岛。澎湖列岛主要出露地层为第四系下更新统玄武岩，部分地区出露凝灰岩夹松散砂层，地层岩性单一。含魁蛤(Arca)、蝾螺(Turbo)等化石;2)沿海平原。沿海平原大部分地区由第四系沉积作用形成，主要组成部分有泥岩、粉砂岩、砂岩、页岩和砾岩;3)西部山麓。该区域是由第四系渐新统至更新统碎屑沉积物构成。岩层主要由砂岩和页岩交替沉积形成，局部夹杂有灰岩、凝灰岩透镜体;4)中西部地带。该区域属于较大范围的第三系变质带，可以进一步细分成两个岩性带，即西部雪山范围带(Ⅳa)和东部主干山脊带(Ⅳb);5)东部中央范围带。该条带状区域属于第三系复杂变质作用在中央山脉出露形成。这个区域被分为西部太鲁阁带(Va)和东部玉立砂带(Vb);6)台东纵谷。这个山谷被认为是欧亚大陆板块与菲律宾海板块之间的缝合带，它分隔中央山脉和海岸山脉;7)沿海范围。该地区地层位于第三系沉积层之下。主要岩性特点是火山衍生物岩，包括分选性较火山碎屑沉积岩、浊流碎屑岩以及其他杂质充填。
1.2气候和水文
1.2.1气候条件
台湾地区地属亚热带海洋性气候。该地区年平均降雨量达2500mm。降雨在空间和时间上具有很大变异性。平原地区降雨较为均匀，海拔越高降雨量越丰富，高山地区强降雨发生次数明显增多;夏秋季节，降雨量丰富，强降水往往会导致洪水、滑坡等地质灾害，秋冬季节降雨量显著减少。因此，在隧道开挖过程中，必须考虑不良的水文地质条件可能带来的潜在危险事故。
1.2.2水文条件
台湾地区全岛最重要的河流共有151条，其中主要河流19条，次要河流32条，普通河流100条。由于台湾地区岛屿地形是由中央山脉向东西两侧倾斜，因此脊梁山脉便成为河流水系的主要分水岭，河流以东西流向为主，台湾地区岛西部河流较东部河流流域面积大而长，一般来说属于坡陡、水流湍急的急流性河流。降雨在季节上、空间上和能力上分配相当不均匀，暴雨时水流充沛，流量及流砂量惊人;旱季时流量小甚至呈荒溪形态。在构造上，台湾河流位于一个活动带，造山作用活跃，在上游地区河谷地形陡峻，地质脆弱，常常发生崩塌，水土冲蚀及河床冲蚀;在下游地区河谷宽广，更常因强降雨洪水携带的大量泥沙而冲积泛滥平原。台湾地区较特殊的河流地形有:峡谷河流、阶地河流、瀑布景观和地下岩溶暗河等等。
2已建高速公路统计
目前，台湾地区已建成通车的高速公路里程超过1000km，正在规划、设计或施工中的公路约420km。从台湾地区高速公路网和地质分区图中可知，长达373km的1号高速公路主要通过西部平原地区和部分丘陵地带，整条高速公路只有一个双管隧道(位于台湾地区北部)。3号高速公路长518km，于2004年建成通车，自北向南贯穿整个台湾地区，该公路大多数路段穿行于西部山麓地区，共设计有14条双管隧道，隧道长度共计13.7km(按双向通道计算隧道总长度是27.4km)。为了平衡台湾地区东西部地区经济发展状况，5号高速公路台北至宜兰段因此建成通车，该段高速公路全长55km，属于第一条穿越台湾中央山脉的高速公里(2006年)，该路段中隧道总长度20.1km，里程超过总长度的1/3;其中雪山隧道长达12.9km，该雪山隧道是由两个主隧洞和一个导洞组成，到目前为止它仍然是台湾地区省最长高速公路隧道。6号高速公路，全长38km，公路始于南端的台东县五峰乡，结束于南投县的埔里，向东延伸到花莲县与5号高速公路相衔接，该公路存在3个总长度约为4.3km双管隧道，项目于2009年建成通车。台湾地区正在规划中的高速公路，如东部高速、中央岛跨高速、岛南高速公路等，都将通过台湾地区中东部山区地带。因此，建设过程中将碰到大量隧道施工建设难题。根据目前的设计和规划，将有总长度约为128km的双管或三管高速公路隧道需要进行开挖建设，隧道的单根长度将超过10km。这些大型隧道建设过程中面临的复杂工程问题亟待桥梁公路建设者们进行解决。
3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。
3.1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。
3.2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。
3.3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;γ和ν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=σ和KH=σ(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N30°E，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。
3.4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。
3.5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。
3.6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。
3.7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。
4高速公路隧道的工程特性
4.1大型横截面隧道
台湾地区大部分高速公路隧道为双管隧道，每个方向具有2个或3个车道。由于不良地质条件下，大部分隧道经常需要关闭和维修，因此开挖横截面积始终只有100～160m2。在开挖大型横截面的隧道时，一些工程地质方面的问题在应力和地下水扰动下，如开裂、变形、塌方等等，都无法避免地会碰到。为了尽量减少居民住宅搬迁，3号高速公路的新店隧道在建设过程需要穿过80m高的斜坡地带。因此，隧道表面产生了巨大的不平衡垂直应力，而且在隧道北侧还修建了一处入口，该北侧路口设计为四车道，开挖断面面积为230m2。在施工过程中，上部岩土体发生巨大的变形，用于支护加固的内部混凝土衬砌发生了严重的开裂喷浆和钢肋弯曲变形，整个斜坡随时有垮塌的风险。为了确保隧道通过斜坡坡脚时的稳定性和安全性，施工队被迫采取了更加保守和成熟的措施。对策包括钻孔灌注桩、附加岩锚，对坡脚松散结构土体夯实或开挖回填。此外，在隧道施工过程中利用双面画廊法开挖并加强内部混凝土衬砌。
4.2隧洞交叉
为了达到进行隧道日常维护、人员疏散和抢救的目的，在隧道高速公路双管之间需要设计间隔排列的正洞交叉连接通道。以雪山隧道为例，行人和车辆的间隔交叉连接通道的距离分别为350m和1400m。由于该隧道具有大型横截面，在隧洞交叉口附近容易发生岩土体应力集中所导致的变形破坏和塌方灾害。举例来说，6号高速公路埔里隧道设计为双管双车道，隧道内存在一处临时停车场和一个海湾车辆交叉连接隧道组成的隧道支洞，在施工过程中发生了钢肋曲折和喷浆冒水现象，为了防止隧道发生变形破坏，在隧道顶部紧急临时加装了拱形支撑架，并在交叉处进行了喷浆加固措施，这些措施有效缓解了隧道变形过程，并保证了隧道整体稳定性的稳定。长达12.9km的雪山隧道，具有三组通风管道。每个隧道交叉处由竖井、溶洞、主隧道和隧道导洞共计7处隧道(井)组成。在这些管道的开挖过程中，一旦有新的地层揭露或开挖，每个交叉点处的稳定性必须要重新评价。并且结合反馈回来的监测数据进行三维数值模拟分析，在三维稳定性分析中发现2号管道中应力与压强之比约为1.27，说明2号管道产生了了轻微挤压应力。借助以上辅助分析方法，通过后续施工的补强措施，雪山隧道的3组通风管道得以成功完成。
4.3隧道复合开挖方法
在一般情况下，盾构方法(TBM)不如D＆B法灵活多变。在雪山的建设隧道中，为了避免在不良工程地质条件下的隧道掘进机被卡住，在深度超过2000m的南侧隧洞挖掘过程中采用了混合开挖法。顶部导坑由D＆B法进行挖掘，主要完成钢筋支护、喷射混凝土、锚杆加固等工作，并结合小型钢筋加固地基。在顶部导坑完成挖掘工作后，剩余部分(替补和反转)由TBM开挖。隧道所有部分由预制混凝土管片进行支撑，每段管片之间采用喷射混凝土进行充填加固。
4.4地下水处理措施
雪山隧道南段赋存岩体为砂岩，该段长约3.6km。该区域岩性主要为轻微变质石英砂岩和泥、板岩，这类岩石具有硬脆性，且透水性很好。因此该段隧道容易发生突水涌水和塌方等地质灾害，为了减少地下水的涌入和提高围岩强度，在施工过程中使用锥形灌浆法将水泥浆液注入砂岩地层中。锥形灌浆法需要将钻孔布置成为三元环结构，如图6所示:首先，将混合物水泥和水玻璃的注入钻孔外环，以形成一个止水屏障;然后，利用纯水泥砂浆对内环岩土体进行加固以改进其工程地质性质。在一般情况下，灌浆钻孔深30m，下部开挖深度为25m，实际的灌浆的长度和开挖深度需要由现场地下水文条件和地质条件综合确定。
4.5先进施工工艺和材料的应用
在台湾地区第一条高速公路隧道修建过程中，ASSM法是主要的施工方法，在这一施工方法中，重型钢拱支架、钢板或木板是主要的支撑构件。但是从第二条高速公路修建开始，新奥工法成为在隧道施工工程中占据主导地位的支护方案，简明的截面的设计方法和半刚性主支承是该方法的主要技术优势。此外，开挖工序和隧道支撑方案能够根据监测结果进行调整施工，新奥法较ASSM更加灵活方便。12.9km长的雪山隧道是第一高速公路隧道，该隧道穿越台湾的中央山脉。考虑到建设周期、成本、环境保护和技术方面的限制，利用3台国外进口隧道掘进机进行同时开挖。这是隧道掘进机在台湾地区隧道施工过程中的首次应用，隧道掘进机切割头的主直径分别为11.8m和4.8m;整个盾构机系统总长度分别为239m和177m。通风设备方面，对于有3套通风井的沿雪山隧道，每套通风井的进气管道和排气管道均为50m长，直径?6～?6.5m，覆盖深度为250～512m，进气和排气管道出口均超过500m。为了加速地下水排泄，提高钻井的钻进速度，首先利用一个直径?31cm的导孔钻掘至底部，接着进行扩孔至直径244cm;在完成扩孔后，将通风井利用下沉法安装至隧道主通道底部。利用这一先进的挖掘方式，1号导管的进气通道和排气通道偏差分别只有14cm和72cm，其偏差率分别为0.03%和0.14%。随着科技社会的飞速发展，一些更加先进的材料已经在高速公路隧道工程中逐步得到应用。例如，利用远程操控应用程序和湿式混合喷浆法使5号高速公路彭山隧道显著提高了工作效率和改善了良好的施工环境。在3号高速蓝塘隧道施工过程中，利用广钢纤维喷射混凝土、格构梁和自钻岩石锚杆不仅大大加快了工程进度，而且大大降低了施工风险。
4.6环境和生态保护
在台湾地区高速公路项目建设必须获得环境许可影响评估审查委员会的认可。由于突水事故、空气和水污染、爆破振动等影响，隧道建设始终面临着重大环境和生态保护难题。为了保护雪山隧道1号竖井附近的茶园，排气通道通过一处长为328m平行横洞，将废弃排入另一个山谷。雪山隧道北段位于水资源保护规划区，为避免污染和影响水源地，隧道水平面从南往北以1.25%坡度逐渐抬高。在该区域的两个主要隧道和一个导洞中的总地下水流出量约为50000m3/d，在进行引流处理后，流出的地下水流出被用作农田灌溉和地方居民生活用水。6号高速公路埔里隧道西侧洞口位于一个陡峭的斜坡上。为了避免局部环境遭受破坏，对该处斜坡并没有进行切坡处理，而是从东至西开挖至洞口。与隧道相邻的的桥基同样设在隧道内，从而将其对周边环境的影响降到最低限度。
5高速公路建设发展前景
将来在台湾地区大部分规划中的高速公路会穿过山区，需要建造非常多的超长隧道。隧道在崎岖的山区建造过程中不可避免地会遇到大型横截面、重型荷载、高海拔、高地下水压力和地热等问题。因此，寻找并解决这些问题的方法是目前隧道建设者面临的最大挑战。下面将对台湾地区在高速公路隧道建设领域中面临的地质水文、工程技术、教育和环境问题进行讨论。
5.1先进的地质调查方法
深入了场地工程地质条件可以有效地降低隧道施工过程中的风险。未来高速公路项目的地质条件会比现有的更复杂。为了克服在高山地区建造超长隧道所面临的困难，在这些不利的环境下钻井钻孔的深度超过700m所面临的技术难题必须不断深入研究。在高山地区地应力数据库系统也应该着手建立和不断完善。此外，该高精度物探方法、先进的遥感与航空摄影技术在将来也同样应该不断投入应用研究。
5.2建立合理的工程岩体分类体系
目前，台湾地区使用最为普遍的工程岩体分类系统主要是RMR系统和Q系统，但是这两种分类系统均起源于国外，他们建造隧道过程中遇到的岩体工程地质特性与台湾地区大不相同，在实际运用过程中，不能够完全适用于当前的隧道工程中。最近，台湾地区开发了自己的工程岩体分析系统(PCCR)，但该系统在本地项目中还没有得到广泛地应用，在以后的隧道工程中这一分级系统有待进一步验证。发展适合台湾地区地形和地质条件的岩体分级系统对于岩土工程师是必不可少的任务。
5.3施工方法、技术和材料的升级
隧道工程主要为线形结构，其施工难度受到工作面限制和影响非常大。因此，隧道的时间成本总是比公路和桥梁建筑工程高。未来隧道建设应该朝着更安全、更快捷、更经济和环保的方向前进。发展更加自动化、高效率的机械设备，以及智能内衬系统，以此作为未来隧道建设过程中的主要技术支撑。近年来，机械化水平的进步和全自动隧道掘进机的应用已经使得隧道施工难度显著降低。考虑到隧道掘进机具有快速掘进、环保和机械化程度高的优点，如果地质条件满足要求，TBM在挖掘超长隧道过程中仍然是一个值得长期推广的方法。
5.4教育和培训
无论是理论和实践，在隧道领域工程都极其重要。理论方面，应该在大学里面开设和推广隧道工程和岩石力学等相关课程;实践方面，延伸和发展R＆D法，为解决工程实际问题提供先进技术和解决方案。此外，学校、企业和有关单位应该频繁举行隧道专题研讨会，以促进行业之间的信息交流。同时，经验方法在隧道设计过程中也发挥着至关重要的作用，从已完成项目中能够获得许多宝贵的价值经验，因此对退休专业人员的返聘将有利于隧道工程经验的传承。
5.5加强国际交流
在新奥法和TBM在台湾地区开始推广应用的初始阶段，本地区工程师和外国专家之间保持了紧密的工作合作关系。许多设计方案和规范的制定得到了国外专家顾问的大力帮助。在未来，隧道施工将面临大覆盖层、地热等等一系列复杂的工程地质问题。因此，我们仍然需要进一步加强国际交流，确保与国外顾问之间更加紧密合作。
5.6环境保护和可持续发展
目前，随着越来越多的人认识到环境保护和可持续发展的重要性，消除空气和水的污染，合理的废弃物再利用势在必行。在雪山隧道和埔里隧道洞口边坡上的地下水再利用都是环境保护方面很好的例子。此外，隧道设计中的通风和照明系统同样需要优化和提高能源效率。
6结论
高速公路系统的成就创造了台湾地区经济的快速增长，高速公路隧道工程所积累的经验带领台湾地区隧道产业走向了一个新的里程碑。未来高速公路网络将扩展到地质条件更复杂的高山地区，隧道工程师将不可避免地面临更大的挑战。如:地形地貌方面，高山地区交通颇为不便，隧道建设过程中所需要的人力、物资、设备等等很难及时运抵施工现场，建设过程中需要确定合理有效的施工工序以节省时间成本;工程地质方面，台湾地区地处两大陆地板块缝合带，场地岩土工程性质在空间上分布不均匀，地质构造活动如地震、火山比较活跃，地应力容易产生集中，在隧道开挖时尤其需要考虑各种地质因素可能带来的灾难和后果;水文方面，隧道开挖需要评估地下水和地表水可能带来的影响，高山地区由于强降雨活动频繁，山洪泥石流等灾害对施工进度和设备会造成严重破坏，此外，地下水埋藏浅、孔隙水压力高的岩层开挖时必须做完善降水措施和布置地下水位监控探头;只有结合地层岩性、地质构造、地形地貌以及水文地质条件进行综合评估选址，才能够保证在施工过程将工程事故降到最低、提高工程进度。除了传承以上的隧道工程经验，还需要研究和开发先进的技术、材料和施工工艺。此外，也应该加强不同领域信息交流、同国外专家紧密合作。最后，在隧道建设中，也应该满足环境、生态和可持续发展的目标。
作者：张涛译 单位：中国中铁二院工程集团有限责任公司