摘 要 当前我国高等级公路建设正在由东部向西部地区转移，由平原向山区转移，这样使得公路工程中岩土工程项目，如隧道工程、高边坡防护、滑坡整治工程以及特异型桥涵基础工程等大量出现。本文不仅系统地介绍了近年来山区高等级公路建设中处理这些岩土工程的实践经验，而且在一定程度上阐述了掌握岩土工程勘察设计方法与内容对搞好公路工程勘察设计与施工的重要意义。
关键词 高等级公路勘察设计岩土工程
1. 概述
岩土工程是一项涉及岩体与土体改造与利用的复杂的综合技术，其复杂性主要表现在现场地形地质条件与工程结构的相互作用以及工程结构与施工过程的相互作用。它从工程内容上可分为五个方面：岩土工程勘察、岩土工程设计、岩土工程施工、岩土工程监测以及岩土工程监理，因此作为一个岩土工程技术人员，不仅要求掌握工程地质方法，熟知场地的地形地质条件，而且还要求掌握结构工程方法，熟知应用结构工程的知识有效地解决工程问题。
随着我国现代化建设事业的不断发展，公路工程建设逐步由低标准向高标准发展，其勘察设计重点也在随之不断变化。在公路建设的早期，由于平原发达地区一般以二、三级公路为主，山区则以三、四级公路为主，因此公路主要顺应地形展开，即使桥涵等构造物一般也不多见。在今天，由于一级公路、高速公路大规模修建，特别是在我国中部与西部山区开始修建高等级公路，使得公路建设项目中隧道与高边坡等岩土工程项目急剧增加。岩土工程大量出现在山区高等级公路工程项目中，这不仅是公路自身发展的必然，也是当前我国经济建设发展的必然。在山区高等级公路建设过程中，最主要的问题是如何解决高标准的路线线型与复杂的地形地质条件之间的矛盾，因为这对矛盾导致公路工程建设中的高架桥、隧道以及高填深挖等工程大量出现。岩土工程的方法是合理地解决这些问题、保证我们顺利进行山区高等级公路建设的有力的武器。
2. 山区高等级公路中的主要岩土工程问题
2.1 隧道工程
高等级公路隧道的建设方式比较多：根据左右洞的关系可以分为上下行分离的双洞隧道和上下行合建的联拱隧道两种，根据左右洞室的间距又可分为正常间距隧道和小间距隧道（5~20m），根据单洞内行车道的多少又可分为双车道隧道和三车道隧道。在勘察设计过程中应根据隧道区域的地形地质条件选取。
隧道工程中应用了十分复杂的岩土工程设计技术及施工工艺，是岩土工程中技术含量较高的项目。隧道建设技术复杂性主要表现在如下几个方面：
1）作用在支护结构之上的荷载与多种因素有关：如地质条件、地形条件、地物条件、洞室跨度与形状、支护型式与强度、施工方法与施工质量等等，此外由于高等级公路隧道一般建成上下行分离的平行双洞，净间距约30~60m，当岩体较差、地应力较高时两洞室之间还存在相互影响。
2）支护形式的多样性：如锚杆，喷射混凝土，二次模注混凝土，初期支护钢拱架以及注浆加固岩体等等，不同的支护型式则内力分析与强度校核方法各不相同，施工方法与工艺也不相同。
3）支护结构与围岩的相互作用以及支护结构与施工方法的相互作用导致了设计分析与施工质量控制比较困难。
4）岩体越差，荷载越大，支护结构越强，则荷载、结构、围岩以及施工方法这四方面的相互影响越大，设计施工过程中各项分析越困难。
对隧道建设起控制作用的因素主要为地质状况的好坏与开挖跨度大小，此外与隧道洞口段的地形地质状况也有很大关系，而与隧道长度关系不大。隧道地质越差，跨度越大，设计施工难度也越大，隧道洞口地质越好，地形等高线与洞轴线越接近正交，对设计施工越有利。特长隧道工程技术的难点主要表现在建设工期较长以及施工与营运通风技术相对比较复杂。因此在隧道勘察设计中应坚持：宁可选择地质条件好的长隧道，也不要选择地质条件差的短隧道，宁可选择洞口地形地质条件较好的较长隧道，也不要选择洞口地形地质条件较差的较短隧道。
2.2 高边坡防护
从环境保护的角度出发，公路填挖边坡均应进行防护，只是防护力度不同。一般低矮边坡能够保持自身稳定，仅需植草防护，以防止雨水冲刷；稍高一点的边坡在一般情况下也能够保持自身稳定，但是有可能局部失稳，则采用衬砌拱、浆砌网格植草以及护面墙等形式防护；当边坡高达两级（16m）以上，减缓坡度困难，且可能整体失稳时就必须采用特殊措施加强防护，此时也就称之为高边坡。对于填方地段的高边坡，一般以圬工类挡土墙为主，如重力式浆砌片石挡土墙、护壁式钢筋混凝土挡土墙、锚定板挡土墙等等。对于挖方地段的高边坡，挡土墙形式则一般以对岩土体内部加固方式为主，如锚杆挡土墙，预应力锚杆挡土墙，预应力锚索挡土墙或采用锚杆、锚索与钢筋混凝土表面结构相结合的方式。各种挡土墙使用条件及机理如下：
1）锚杆挡土墙用于岩质边坡，通过保证局部岩块稳定，或在边坡表面形成加固体以代替圬工来稳定整个边坡。
2）土钉也叫土层锚杆，用于土质边坡，一般用于临时防护较多，如果用于永久防护，边坡应接近稳定状态。
3）预应力锚杆用于加固滑动破坏面处于浅层的边坡，一般与表面浆砌防护结合使用。当滑动推力较大时可一孔多锚的方式使用，预应力可达200~300kN。
4）预应力锚索用于加固破裂面较深的、处于失稳或临界失稳状态的软弱土质边坡，坡面应设置地梁以保证预应力的长期有效性，一般多根钢绞线组合使用，预应力达500kN以上。在极端情况下可以与抗滑桩等方式结合使用。
5）锚定板挡土墙用于填土边坡。对于半填半挖的路基边坡，由于锚定板能够设置的原状土体之中，因此加固效果较好，也较便宜，如果锚定板也处于填土之中，怎样确保锚定板的抗拉能力很关键。
6）桩板挡土墙用于填方路基，特别是当地面以下存在强度较高的地层时效果较好。当挡土墙较高时可以与预应力锚杆或锚定板结合使用。
7）加筋土挡土墙用于填方边坡加固，甚至可用于施作小跨径的桥台。
对于高边坡防护设计，关键是边坡稳定的验算以及作用在挡土墙之上的土压力。边坡失去稳定的形式是多种多样的，必须结合地形地质条件分别对待，如岩质边坡一般以崩塌为主，成层软岩一般以顺层滑动为主，土质边坡以沿剪切破坏面整体滑动为主，另外还与软弱结构层以及地下水活动状况关系密切等等。作用在挡土墙上土压力荷载大小与分布形式不仅与地形地质条件关系密切，而且与挡土墙的结构性状、结构刚度也关系密切，一般刚型结构挡土墙近似按直线分布，随着结构刚度减小，分布形式逐渐变得复杂，如果挡土墙上还设置有预应力锚杆锚索等，则还应考虑岩土体对结构的弹性抗力作用。
2.3 滑坡整治
在工程建设中出现滑坡可以说是一个灾难，因为滑坡整治代价较高。无论什么性质的滑坡，如果规模较大，滑动面较深，一般治理就比较困难，在勘察阶段如果发现或易发生较大滑坡的区域则主要应以绕避为主。滑坡整治实际上也可以认为是一种特殊条件下的高边坡防护，常用方法如下：
1）抗滑挡土墙主要治理滑动面较浅的下滑力不大的小型滑坡，挡土墙基础一般应置于滑动面之下。
2）抗滑桩主要治理滑动面较深，下滑力较大的滑坡，特别是当下部存在较好的基岩层时效果较好。当下滑力很大时也可以考虑设置多排抗滑桩。
3）抗滑明洞主要治理滑动面较深，且地形适合施作明洞的滑坡，特别对于两侧边坡均较高，且下部回填能够解决问题的牵引式滑坡效果较好。
4）抗滑锚索一般用于治理存在明显滑动面的滑坡，如因地质上的软弱夹层产生的滑坡，顺层滑坡等等，则治理效果比较好。
5）抗滑注浆当滑坡规模不大，且地层适宜注浆改良时可以考虑采用。
在进行滑坡治理时，为了加强治理效果，可以将上述几种方法结合起来使用，如当下滑力较大，可以将抗滑桩与抗滑锚索结合使用，或将抗滑明洞与抗滑注浆等结合使用，在地形条件容许时还可以结合上部减载或下部加载等形式综合治理。
2.4 桥涵特殊基础处理
公路桥涵等构造物基础主要有扩大基础、桩基础以及沉井基础等三种，在地形地质条件较好时一般难度不大，但是也会出现一些特殊情况，如地基承载能力很低的软土层，或地形条件差导致开挖较困难，或偏载比较严重的高架独柱墩以及承受较大水平荷载的桥台等等。在适当条件下采用现代岩土工程技术进行基础处理，可以使设计方案更经济，施工更简单方便，使用期间更安全。
岩土工程处理基础的方法主要有注浆、锚杆以及预应力锚杆或锚索等，可以针对桥涵基础的受力特点，结合现场地形地质条件采用。注浆加固基础一般用于基础局部加固或后期基础加固整治，如扩大基础底部地基不均匀，或存在小断层，或对桩基础端部扩大处理以提高地基承载能力，或处理桩基底部小溶洞，或沉井基础封底，或后期控制基础沉降等等；锚杆加固基础主要用于岩质地基处理，如对处于半山坡的墩台的基础底面及底面以下山坡进行加固，或对承受较大偏载的扩大基础的底面加固，或对承受较大水平荷载的桥台背面处理；预应力锚杆或锚索主要用于加固承受较大水平推拉力的基础，如对悬索桥之悬索的端部固定，对高填土桥台桩基础之桩的顶部（或台背）加固等等。
3. 岩土工程的勘察与设计
3.1 在进行岩土工程勘察过程中应注意的几个问题
对于大型岩土工程问题，在勘察阶段预防预测是上策，次之是在设计阶段用工程方法解决，出现在施工过程最被动。搞好岩土工程勘察设计首先必须满足设计需要：根据勘察资料可以进行各种可能方案的比较、可以进行方案设计以及可以进行方案经济分析、可靠性分析与环境评价分析等等，其次设计必须满足施工的需要：根据设计文件可以顺利完成工程施工以及进行施工质量检查与评价。对地质的分析与评价应贯穿于岩土工程设计与施工的全过程：地质条件决定了设计过程中选取的工程方法，决定了工程方法中各项措施的力度，决定了施工方法的选择。但是由于地质条件的复杂性，要求地质勘察工作完全满足设计需要是不可能的，特别是在当前公路地质勘察方面有时为了赶工期，节约勘察经费，不遵循正常的地质勘察程序以及忽视现场勘察管理和忽视对各种勘察资料的综合分析等等条件下更是如此，因此岩土工程勘察设计不仅需要理论指导与分析，还需要丰富的工程经验。在进行岩土工程地质勘察过程中必须注意如下几个问题：
1）区分“岩石（岩块）”与“岩体”之间物理力学性质的差别实验室检测的数据一般为岩石的物理力学性质，而设计需要的一般是岩体的物理力学性质，是考虑岩体内部节理裂隙后的综合参数，较岩石的值低很多，可以根据一些经验换算，但是最好的方法是现场测试。
2）区分“岩体”与“软弱结构面”之间物理力学性质的差别对于边坡稳定分析我们更关心岩土体中的大型软弱结构面或不同地层接触面的情况，一般其物理力学性质要比岩体综合值更低。
3）区分“原状土体”物理力学参数与“设计取值”之间的关系岩土体物理力学参数测设比较注重原状测试，因为这更能反映真实情况，但是由于降雨及地下水活动会大大恶化岩土体的物理力学参数，如果原状测设没有在相应条件下进行，直接将原状测试值当作设计取用，也可能使工程处于极其危险的状况。
4）重视对工程影响区域内的岩土层分布状况的勘察岩土工程措施是在三维区域内实施，如锚杆、锚索以及防护桩等，其可靠性与穿越的每一岩土层物理力学性质及其分布状况有关。
5）重视对工程影响区域内的岩土层物理力学性质的全面勘察如：容重，孔隙比，地基承载力，极限模阻力，内摩察角，内聚力，弹性模量，波松比等等，具体内容以及实验方法应根据地质状况以及具体的工程措施确定。
3.2 在进行岩土工程项目设计过程中应注意的几个问题
岩土工程设计作到“可行”比较简单，但是作到“合理”则很困难，因为它不仅依赖地形条件与地质条件，而且还依赖施工方法。进行岩土工程项目设计首先必须根据地质状况拟订初步设计方案，根据初步设计方案制定施工方法，根据施工方法验算设计方案的可行性，最后将详细的设计方案、施工方法与施工要求作为设计文件一并提交，在施工过程中还必须时时跟踪，发现地形地质变化较大还应及时变更设计。因此作为一名岩土工程技术人员，不仅要求具备良好的设计知识———掌握各种岩土工程的设计方法与要点，而且要求具备丰富的实践经验———了解岩土工程各种成熟的施工方法与注意事项，这样才能立于不败之地。
在进行岩土工程项目设计过程中要注意如下几点：
1）注意进行多种方法的比选。首先应保证方法的有效性，然后选择方法的经济性。如在岩层中锚杆加固比挡土墙效果好；在土层中防护措施与削减坡度结合采用比单纯增强加固措施效果好，预应力锚索与抗滑桩结合比单纯采用抗滑桩效果好。
2）注意对工程永久安全度的认识。土体的蠕变变形作用，锚杆的锈蚀作用，预应力的松弛作用以及土体遇水软化均会对防护结构的永久安全度产生较大的削弱。
3）当需要加强防护措施时要注意分清加强措施的真伪。在某些条件下，加强防护措施可能并不能增加防护安全度，如仅仅增加锚杆直径或提高锚杆密度而不增加锚杆长度；增加锚杆长度而减小成孔直径；增加预应力锚杆的总体长度与强度但未相应增加锚固长度；承受水平荷载的桩增加长度而不增加直径；锚杆、锚索及桩未穿过滑动面或穿过长度不够等等。
4）注意对环境影响的评价。岩土体开挖一般要引起附近地表沉降变形，施工爆破在附近产生较大的震动与噪音以及引起地下水位出现较大变化而使附近地下水减少、地表水体不能长时间保持等等。
5）在设计过程中必须提出施工质量检查措施和设计变更条件这是由于现场地形地质条件复杂多变而保证岩土工程施工质量所必须的。
因此，在山区高等级公路建设中，对路线走向的比选以及对构造物方案的比较不仅仅是一个经济比较问题，应该从工程可行性、工程安全度、环境保护以及施工质量可控制性等等多方面进行分析。在工程造价相差不多的情况下，对于滑坡应以绕避为主，因为滑坡整治不仅工程可行性差，而且整治费用具有较大的不确定性；对于不稳定高边坡应以短隧道为主，因为隧道在使用安全度以及环境保护上均占优势；对于高大的圬工类挡土墙应以钢筋混凝土结构为主，因为钢筋混凝土结构在工程可靠性以及施工质量可控制性上占较大优势；对于桥涵等构造物的扩大基础，如果验算安全系数接近容许值，且地基承载力具备弱化的潜力时要特别注意，因为岩土体的承载能力大小的确定不仅施工过程中可验证性差，而且依赖于工程人员的技术水平。
4. 针对岩土工程勘设的几个重要转变
4.1 从注重地形勘察转变为注重地质勘察
岩土工程更依赖于地质条件，一旦地质工作出现失误，轻者对设计方案进行局部修正或调整施工方法，重者必须改变整个设计方案，造成工程建设管理上的被动和经济上的损失，所以必须对岩土工程的地质勘察工作充分重视。岩土工程项目的地质勘察工作首先表现在对勘察的范围要求更广：不仅在“点”和“线”上要明确，而且在工程影响范围内的“面”上甚至“三维空间”上均必须把握，其次表现在对岩土体的物理力学性质的要求更全面：不仅要求提供岩土体的容重、承载能力和极限摩阻力等等，而且要求提供孔隙比，内摩察角，内聚力，弹性模量等等，且不同的工程方法要求不一样。要搞好岩土工程的勘察设计，必须熟悉每一类岩土工程的设计方法，了解每一类岩土工程的工程影响范围以及对岩土体的物理力学参数的要求。
4.2 从方案的经济比较转变为多方面综合比较
在工程勘察设计过程中，经济因素永远是处于第一位，但是并不能保证在勘察设计过程中作出的经济分析永远是正确的，因为影响工程造价的因素很多：有社会因素，有环境保护因素，有地形地质勘察误差因素，有自然灾害因素以及勘察、设计与施工过程中人为因素等等，其中有些因素是在勘察设计阶段可以预测的，有些因素是等到施工过程中才显现的，有些因素是必须在工程使用过程中才产生作用。岩土工程和桥涵路基等其他构造物相比较，不仅作用因素更为复杂多变，而且问题的显现还具有一定的时效性：设计过程中很难预计施工效果，施工过程中很难预计工程的使用效果，在使用过程中难以预计抵抗自然灾害的效果，一旦失算则代价较高。因此，对于岩土工程应该从方法的有效性、工程的永久可靠度、环境保护以及防止出现较大的地质灾害等多方面综合分析，做到工程既不浪费又有充分的可靠度。
4.3 从避免设置隧道转变为按需要设置隧道
隧道不仅造价高，而且使用费用（通风、照明）也较高。从经济上分析，是否设置隧道应该认真比较，这也是对国家和人民一种十分负责的态度，但是从长远的观点看隧道工程也存在一些较大的优势：
1）隧道工程可以大幅度提高公路平面、纵面设计使用标准，缩短路线长度，改善行车条件，社会效益可观。这一点对于高等级公路建设很有吸引力。
2）可以避免施工及使用期间出现重大地质病害，抵抗自然灾害能力较强。从现有的工程使用经验看，隧道工程一旦建成，在使用期间出现问题的比较少，而高边坡防护则相对出现的问题较多，而且整治代价高，也比较困难。
3）隧道工程可以更好地维护自然景观，减少对自然环境的破坏，更利于环境保护。
隧道工程的设计与施工技术当前已经十分成熟，主要问题是一般施工工期相对较长，工程造价不容易控制等，这两点只要加强施工管理是可以克服的。在地质条件相对较好时，只要隧道长度不超过三公里，按正常的建设程序进行施工管理，即使三车道隧道在两年到三年工期内也可施工完成，前提条件是不出现重大塌方等施工事故。至于工程造价的控制，只要勘察阶段地质报告不出现太大的误差，并加强施工过程中的监督管理，完全可以将工程造价控制在容许范围内。
(郭小红 廖朝华 杨冬梅)
