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1臺灣地區地形、地質和水文地質條件
臺灣地區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，最寬處達到250km以上，平均寬度200km;臺灣地區由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地形地質條件
臺灣地區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雜結構，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。因為地殼變動與造山運動發達造成臺灣地區復雜多樣的地形，絕大部分地質構造是由歐亞大陸板塊組成、菲律賓板塊則往下發展成為隱沒帶。東部和南部地區則受到呂宋火山島弧等板塊影響形成復雜地質，包括與花東縱谷地質不同但與之平行的海岸山脈。由于構造活動強烈，島上主要地貌單元為高山峽谷，存在相對較少的平原地區，其地質條件十分復雜。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。在該區域范圍內，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，該區域屬于屬于沿海范圍，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玄武巖，部分地區出露凝灰巖夾松散砂層，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。該區域是由第四系漸新統至更新統碎屑沉積物構成。巖層主要由砂巖和頁巖交替沉積形成，局部夾雜有灰巖、凝灰巖透鏡體;4)中西部地帶。該區域屬于較大范圍的第三系變質帶，可以進一步細分成兩個巖性帶，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。該條帶狀區域屬于第三系復雜變質作用在中央山脈出露形成。這個區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。該地區地層位于第三系沉積層之下。主要巖性特點是火山衍生物巖，包括分選性較火山碎屑沉積巖、濁流碎屑巖以及其他雜質充填。
1.2氣候和水文
1.2.1氣候條件
臺灣地區地屬亞熱帶海洋性氣候。該地區年平均降雨量達2500mm。降雨在空間和時間上具有很大變異性。平原地區降雨較為均勻，海拔越高降雨量越豐富，高山地區強降雨發生次數明顯增多;夏秋季節，降雨量豐富，強降水往往會導致洪水、滑坡等地質災害，秋冬季節降雨量顯著減少。因此，在隧道開挖過程中，必須考慮不良的水文地質條件可能帶來的潛在危險事故。
1.2.2水文條件
臺灣地區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。由于臺灣地區島嶼地形是由中央山脈向東西兩側傾斜，因此脊梁山脈便成為河流水系的主要分水嶺，河流以東西流向為主，臺灣地區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。降雨在季節上、空間上和能力上分配相當不均勻，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。在構造上，臺灣河流位于一個活動帶，造山作用活躍，在上游地區河谷地形陡峻，地質脆弱，常常發生崩塌，水土沖蝕及河床沖蝕;在下游地區河谷寬廣，更常因強降雨洪水攜帶的大量泥沙而沖積泛濫平原。臺灣地區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已建高速公路統計
目前，臺灣地區已建成通車的高速公路里程超過1000km，正在規劃、設計或施工中的公路約420km。從臺灣地區高速公路網和地質分區圖中可知，長達373km的1號高速公路主要通過西部平原地區和部分丘陵地帶，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，該公路大多數路段穿行于西部山麓地區，共設計有14條雙管隧道，隧道長度共計13.7km(按雙向通道計算隧道總長度是27.4km)。為了平衡臺灣地區東西部地區經濟發展狀況，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12.9km，該雪山隧道是由兩個主隧洞和一個導洞組成，到目前為止它仍然是臺灣地區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，結束于南投縣的埔里，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，項目于2009年建成通車。臺灣地區正在規劃中的高速公路，如東部高速、中央島跨高速、島南高速公路等，都將通過臺灣地區中東部山區地帶。因此，建設過程中將碰到大量隧道施工建設難題。根據目前的設計和規劃，將有總長度約為128km的雙管或三管高速公路隧道需要進行開挖建設，隧道的單根長度將超過10km。這些大型隧道建設過程中面臨的復雜工程問題亟待橋梁公路建設者們進行解決。
3高速公路設計和施工方法
在過去幾十年間，隨著巖石力學與工程技術緊密結合，尤其是地下空間施工技術各項革新，促進了隧道施工技術在安全性和效率不斷進步。本文將在高速公路工程中的巖體工程地質分類，隧道設計、開挖與支護的方法以及變形監控方面，分別在各個章節中進行總結和概述。
3.1巖土工程分類與分級
工程巖體分類能夠概況地反應某一地區工程巖體質量的好壞，并對可能出現的工程地質問題作出準確預測預報，為工程設計方案和施工工藝方法提供技術支持。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力原理和滲透固結理論為基礎，將巖性條件、隧道尺寸和水文條件融入圍巖穩定性計算中，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代隧道開挖方法中。從20世紀70年代開始，國際上巖土工程領域提出了多種工程巖體分類體系，其中應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、Barton提出的Q系統和美國的Wickham巖石結構(RSR)分類等等。其中，RMR巖體等級分類已經普遍應用于臺灣省的隧道施工設計過程中，臺灣地區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系統分為五個等級)，巖體結構強度和完整性從強到弱分別定義為1～5級，等級劃分的數字越大，代表巖體工程地質性質(如巖土強度、ROD值、節理條件和水文條件等)越差，施工過程中越容易發生各種地質災害。臺灣地區地質條件和地形地貌差異巨大。例如，位于臺灣地區南部的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系統來進行評級。對于這類較軟地層、巖體膠結差、強度弱、地層固結時間短的地區，在施工設計過程中可以通過地質構造、巖性條件以及水文地質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]到臺灣地區復雜的地形地貌和工程地質條件，傳統的RMR分級系統不能夠完全對其進行分級評價，工程咨詢公司在2000～2003年聯合臺灣地區公共工程委員會共同創建了其自己的工程巖體分類(PCCR)系統。該分類系統根據已有研究成果，室內巖石物理力學性質試驗和隧道工程實踐經驗，將臺灣地區中所有巖石工程地質特性分為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，塑性指數低，這種類型巖體包括大多數的變質巖，巖漿巖和高強度的沉積巖;該類巖石與國際巖石力學學會分級系統(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的巖體，整體結構較為完好，但是局部地區由于軟弱結構面容易導致滑坡失穩;這種類型的巖石恰好屬于軟弱圍巖(國際巖石力學學會ISRM分級中屬于R2)。C型巖石主要代表膠結較差的巖土體，且其單軸抗壓強度小于5MPa，土壤和松散細粒結構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%，巖體結構松散，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巖體等級分類系統進行分級和評價，而C和D型這類軟弱結構巖體主要是根據現場地質資料(地層巖性，地質構造和水文條件)進行定性分類。臺灣地區的大部分高速公路隧道所賦存的巖體屬于A型。
3.2高速公路隧道設計和分析方法
在臺灣地區高速公路隧道穩定性評估和計算中應用的方法主要分為理論分析和經驗分析法兩大類。1)理論分析方法。理論分析方法和設計主要目的是分析隧道在開挖過程中圍巖的應力和應變情況。這一技術方法主要包括靜力分析方法(剛體極限平衡)和數值分析法。靜力分析法將隧道模型進行簡化，在地質條件簡單，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，面對地質環境多樣化，該方法已越來越無法滿足現代工程設計的需要?；陔娮佑嬎銠C的數值分析方法(包括有限元，有限差分，邊界元等)已在最近幾十年中，尤其是解決復雜工程地質領域的計算問題發揮了重要作用。數值方法可用于模擬各種形狀不規則的隧道開挖工程。此外，這些方法可以通過建立不同的本構模型來模擬巖體力學性質復雜的巖體材料。大型數值分析軟件如FLAC，PLAXIS和PHASE2等已經在臺灣地區被廣泛應用。2)經驗分析法。該方法主要是通過對現場工程巖體性質進行分級，然后根據實踐經驗來評估隧道開挖過程中的穩定性，這是一種眾所周知的歷史分析方法。在隧道工程的規劃和設計階段，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、巖體結構等)，水文地質條件(地形地貌、地質構造、地下水等)和工程特性(隧道開挖截面積、安全系數等);隧道開挖工序和支護方案同樣是參照巖體分類和以往經驗而進行設計的。在施工階段，穩定性分析主要通過從現場監測結果反饋的數據為基礎，在施工過程中的監測數據可以論證設計方案的合理性，并且能夠幫助設計工作進一步完善。由于每條隧道地質環境復雜和不確定性因素，在數值分析方法中很難一次得出適當的模型參數和本構關系。因此，在隧道建設過程中，數值分析方法必須建立在相關的經驗設計方法之上;而經驗設計方法又必須通過后期現場監測結果進行反饋論證，來保障設計方案的可靠性。
3.3巖體相關參數的評價
巖體強度參數評價對于隧道設計和計算分析具有重要意義。一般情況下，巖體參數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，巖體的大部分物理力學參數是通過室內試驗和現場原位測試獲得，其余部分通過工程實踐過程中的經驗數據來取值。許多工程地質穩定性是通過摩爾庫侖破壞準則來判定的，該破壞準則的主要由即粘聚力(c)和摩擦角(?)這兩個參數來控制。不同等級的巖體，其粘聚力、摩擦角和變形模量的經驗值見表3。值得注意的是，表3所給出的巖體力學性質參數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，需要結合現場原位測試和室內物理力學試驗進行取值，并且根據后期施工過程中的監測數據進行論證和修改。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值分析研究。其中，該分析過程中所采用的巖體相關參數指標見表3，該地區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代表巖體應力釋放有關的因子，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力比值k為1.0;主隧道與先導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。從計算結果可知，初始應力對于隧道設計過程尤為重要，初始應力包括土體的自重應力和孔隙水壓力，在雪山隧道最初設計過程中，同樣將初始孔隙水壓力考慮在內。其中，靜止土壓力系數計算公式分別為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力，最小豎向自重應力和最大豎向自重應力。在計算過程中將水平自重應力方位角設定為N30°E，與隧道主軸方向近垂直。在拉應力分析中，該初始應力設置方法同樣具有適用性。
3.4隧道開挖方法
在20世紀70年代之前，在臺灣地區隧道開挖過程中主要使用傳統的“新奧法”(NATM)與“美國鋼支保工法”(ASSM)。從20世紀70年代開始，隧道施工方法逐漸蛻變成新奧法(NATM)占主導地位。特別是從20世紀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用，新奧工法倡導半剛性支撐，該方法將噴射混凝土、巖栓和輕型鋼支保結合在開挖面形成完整的且具有較強約束能力的拱形構件，確保隧道開挖的安全性。到目前為止，臺灣地區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歷三個階段，即top－heading階段、bench階段和invertstages階段。若隧道開挖過程中圍巖強度較低，或賦存地質環境極其復雜，將采用更加復雜的開挖工序，如double－side－galler開挖法，這種開挖方法已經被證明能夠較好地保持隧道圍巖的穩定性。除了D＆B開挖法，一些比較有用的機械裝置也被逐漸應用到隧道施工過程中。為了避免在隧道爆破施工過程中產生的震動對當地居民產生影響，3號高速公路新店隧道在建設過程中，采用隧道盾構掘進機進行開挖，而摒棄了新奧法。為了達到保護環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，另外一臺用于先導隧道開挖)同時進行施工，然而由于現場不良地質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。在北側隧道中的一臺掘進機由于隧道坍塌發生突水涌水事故而被埋沒，導致重大經濟損失和施工延誤。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
隧道支撐可分為兩部分，即主要支撐和內部混凝土襯砌。主要支撐包括噴射混凝土、絲網、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用于隧道工程中。此外，格構梁廣泛使用H型鋼，而不是鋼肋。在不良地質區，如松散巖體縫隙與節理處采用錨桿安裝，取代了傳統的灌漿、錨栓加固方式。在一般情況下，在隧道洞口覆蓋有風化程度較高的巖體，因此，會在這一區域利用直徑約10cm，長度超過10m的鋼管加設鋼結構管棚，以確保其穩定性。在工程地質條件較好，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，為了提高隧道的穩定性，在混凝土襯砌中還安裝有各種設備和通風裝置，并且在襯砌內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力平衡狀態，對圍巖應力應變值產生巨大擾動，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控和測量，隧道巖土工程測量中的所用到的監測儀器包括應力集中監測儀、水準測量儀、伸長儀、測斜儀、測量錨、壓力計、應變計等。應力集中測量儀和水準儀測量主要用于地質災害的預防和監測中。伸長儀一般用在可能發生塑性變形的圍巖區。測量結果用于評估圍巖穩定性。測斜儀通常安裝在隧道，用于監測隧道與周圍巖體之間的相互作用穩定性，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據分析隧道開挖前的工程地質條件，但是這一新方法仍然處在理論研究階段，實際工程應用幾乎很少，在目前的隧道監測工程中還沒有得到廣泛應用。
3.7隧道潛在危害
為了避免對環境產生的負面影響，在隧道洞口開挖過程中始終保持在施工區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。當隧道洞口防護結構工程安裝妥當之后，隧道開挖才能隨后展開。在地形地貌不規則以及不良地質條件下，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。在這種結構方法首先需要挖除隧道上覆土層，然后澆灌預制混凝土，澆灌過程中利用擋板和兩側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慎保護微型樁和擋板，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。由于不良地質條件下，大部分隧道經常需要關閉和維修，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，一些工程地質方面的問題在應力和地下水擾動下，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過程需要穿過80m高的斜坡地帶。因此，隧道表面產生了巨大的不平衡垂直應力，而且在隧道北側還修建了一處入口，該北側路口設計為四車道，開挖斷面面積為230m2。在施工過程中，上部巖土體發生巨大的變形，用于支護加固的內部混凝土襯砌發生了嚴重的開裂噴漿和鋼肋彎曲變形，整個斜坡隨時有垮塌的風險。為了確保隧道通過斜坡坡腳時的穩定性和安全性，施工隊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，對坡腳松散結構土體夯實或開挖回填。此外，在隧道施工過程中利用雙面畫廊法開挖并加強內部混凝土襯砌。
4.2隧洞交叉
為了達到進行隧道日常維護、人員疏散和搶救的目的，在隧道高速公路雙管之間需要設計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生巖土體應力集中所導致的變形破壞和塌方災害。舉例來說，6號高速公路埔里隧道設計為雙管雙車道，隧道內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，在施工過程中發生了鋼肋曲折和噴漿冒水現象，為了防止隧道發生變形破壞，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定性的穩定。長達12.9km的雪山隧道，具有三組通風管道。每個隧道交叉處由豎井、溶洞、主隧道和隧道導洞共計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，每個交叉點處的穩定性必須要重新評價。并且結合反饋回來的監測數據進行三維數值模擬分析，在三維穩定性分析中發現2號管道中應力與壓強之比約為1.27，說明2號管道產生了了輕微擠壓應力。借助以上輔助分析方法，通過后續施工的補強措施，雪山隧道的3組通風管道得以成功完成。
4.3隧道復合開挖方法
在一般情況下，盾構方法(TBM)不如D＆B法靈活多變。在雪山的建設隧道中，為了避免在不良工程地質條件下的隧道掘進機被卡住，在深度超過2000m的南側隧洞挖掘過程中采用了混合開挖法。頂部導坑由D＆B法進行挖掘，主要完成鋼筋支護、噴射混凝土、錨桿加固等工作，并結合小型鋼筋加固地基。在頂部導坑完成挖掘工作后，剩余部分(替補和反轉)由TBM開挖。隧道所有部分由預制混凝土管片進行支撐，每段管片之間采用噴射混凝土進行充填加固。
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。該區域巖性主要為輕微變質石英砂巖和泥、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生突水涌水和塌方等地質災害，為了減少地下水的涌入和提高圍巖強度，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結構，如圖6所示:首先，將混合物水泥和水玻璃的注入鉆孔外環，以形成一個止水屏障;然后，利用純水泥砂漿對內環巖土體進行加固以改進其工程地質性質。在一般情況下，灌漿鉆孔深30m，下部開挖深度為25m，實際的灌漿的長度和開挖深度需要由現場地下水文條件和地質條件綜合確定。
4.5先進施工工藝和材料的應用
在臺灣地區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主導地位的支護方案，簡明的截面的設計方法和半剛性主支承是該方法的主要技術優勢。此外，開挖工序和隧道支撐方案能夠根據監測結果進行調整施工，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?？紤]到建設周期、成本、環境保護和技術方面的限制，利用3臺國外進口隧道掘進機進行同時開挖。這是隧道掘進機在臺灣地區隧道施工過程中的首次應用，隧道掘進機切割頭的主直徑分別為11.8m和4.8m;整個盾構機系統總長度分別為239m和177m。通風設備方面，對于有3套通風井的沿雪山隧道，每套通風井的進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，提高鉆井的鉆進速度，首先利用一個直徑?31cm的導孔鉆掘至底部，接著進行擴孔至直徑244cm;在完成擴孔后，將通風井利用下沉法安裝至隧道主通道底部。利用這一先進的挖掘方式，1號導管的進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展，一些更加先進的材料已經在高速公路隧道工程中逐步得到應用。例如，利用遠程操控應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境。在3號高速藍塘隧道施工過程中，利用廣鋼纖維噴射混凝土、格構梁和自鉆巖石錨桿不僅大大加快了工程進度，而且大大降低了施工風險。
4.6環境和生態保護
在臺灣地區高速公路項目建設必須獲得環境許可影響評估審查委員會的認可。由于突水事故、空氣和水污染、爆破振動等影響，隧道建設始終面臨著重大環境和生態保護難題。為了保護雪山隧道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規劃區，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。在該區域的兩個主要隧道和一個導洞中的總地下水流出量約為50000m3/d，在進行引流處理后，流出的地下水流出被用作農田灌溉和地方居民生活用水。6號高速公路埔里隧道西側洞口位于一個陡峭的斜坡上。為了避免局部環境遭受破壞，對該處斜坡并沒有進行切坡處理，而是從東至西開挖至洞口。與隧道相鄰的的橋基同樣設在隧道內，從而將其對周邊環境的影響降到最低限度。
5高速公路建設發展前景
將來在臺灣地區大部分規劃中的高速公路會穿過山區，需要建造非常多的超長隧道。隧道在崎嶇的山區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、高地下水壓力和地熱等問題。因此，尋找并解決這些問題的方法是目前隧道建設者面臨的最大挑戰。下面將對臺灣地區在高速公路隧道建設領域中面臨的地質水文、工程技術、教育和環境問題進行討論。
5.1先進的地質調查方法
深入了場地工程地質條件可以有效地降低隧道施工過程中的風險。未來高速公路項目的地質條件會比現有的更復雜。為了克服在高山地區建造超長隧道所面臨的困難，在這些不利的環境下鉆井鉆孔的深度超過700m所面臨的技術難題必須不斷深入研究。在高山地區地應力數據庫系統也應該著手建立和不斷完善。此外，該高精度物探方法、先進的遙感與航空攝影技術在將來也同樣應該不斷投入應用研究。
5.2建立合理的工程巖體分類體系
目前，臺灣地區使用最為普遍的工程巖體分類系統主要是RMR系統和Q系統，但是這兩種分類系統均起源于國外，他們建造隧道過程中遇到的巖體工程地質特性與臺灣地區大不相同，在實際運用過程中，不能夠完全適用于當前的隧道工程中。最近，臺灣地區開發了自己的工程巖體分析系統(PCCR)，但該系統在本地項目中還沒有得到廣泛地應用，在以后的隧道工程中這一分級系統有待進一步驗證。發展適合臺灣地區地形和地質條件的巖體分級系統對于巖土工程師是必不可少的任務。
5.3施工方法、技術和材料的升級
隧道工程主要為線形結構，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。未來隧道建設應該朝著更安全、更快捷、更經濟和環保的方向前進。發展更加自動化、高效率的機械設備，以及智能內襯系統，以此作為未來隧道建設過程中的主要技術支撐。近年來，機械化水平的進步和全自動隧道掘進機的應用已經使得隧道施工難度顯著降低?？紤]到隧道掘進機具有快速掘進、環保和機械化程度高的優點，如果地質條件滿足要求，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
無論是理論和實踐，在隧道領域工程都極其重要。理論方面，應該在大學里面開設和推廣隧道工程和巖石力學等相關課程;實踐方面，延伸和發展R＆D法，為解決工程實際問題提供先進技術和解決方案。此外，學校、企業和有關單位應該頻繁舉行隧道專題研討會，以促進行業之間的信息交流。同時，經驗方法在隧道設計過程中也發揮著至關重要的作用，從已完成項目中能夠獲得許多寶貴的價值經驗，因此對退休專業人員的返聘將有利于隧道工程經驗的傳承。
5.5加強國際交流
在新奧法和TBM在臺灣地區開始推廣應用的初始階段，本地區工程師和外國專家之間保持了緊密的工作合作關系。許多設計方案和規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、地熱等等一系列復雜的工程地質問題。因此，我們仍然需要進一步加強國際交流，確保與國外顧問之間更加緊密合作。
5.6環境保護和可持續發展
目前，隨著越來越多的人認識到環境保護和可持續發展的重要性，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境保護方面很好的例子。此外，隧道設計中的通風和照明系統同樣需要優化和提高能源效率。
6結論
高速公路系統的成就創造了臺灣地區經濟的快速增長，高速公路隧道工程所積累的經驗帶領臺灣地區隧道產業走向了一個新的里程碑。未來高速公路網絡將擴展到地質條件更復雜的高山地區，隧道工程師將不可避免地面臨更大的挑戰。如:地形地貌方面，高山地區交通頗為不便，隧道建設過程中所需要的人力、物資、設備等等很難及時運抵施工現場，建設過程中需要確定合理有效的施工工序以節省時間成本;工程地質方面，臺灣地區地處兩大陸地板塊縫合帶，場地巖土工程性質在空間上分布不均勻，地質構造活動如地震、火山比較活躍，地應力容易產生集中，在隧道開挖時尤其需要考慮各種地質因素可能帶來的災難和后果;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，高山地區由于強降雨活動頻繁，山洪泥石流等災害對施工進度和設備會造成嚴重破壞，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控探頭;只有結合地層巖性、地質構造、地形地貌以及水文地質條件進行綜合評估選址，才能夠保證在施工過程將工程事故降到最低、提高工程進度。除了傳承以上的隧道工程經驗，還需要研究和開發先進的技術、材料和施工工藝。此外，也應該加強不同領域信息交流、同國外專家緊密合作。最后，在隧道建設中，也應該滿足環境、生態和可持續發展的目標。
作者：張濤譯 單位：中國中鐵二院工程集團有限責任公司