地下隧群开挖之稳定性与互制效应研究

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1、 第五屆海峽岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2006 3 月 台 A11 - 1 地下隧群開挖之穩定性與互制效應研究 譚志豪1 顧承宇1 冀樹勇2 高憲彰3 張玉粦4 中興工程顧問社 大地工程研究中心 1研究員 2經 3副經 4高級工程師 摘要 本文針對一開發規模甚鉅、隧斷面甚大且群佈置複雜之地下隧群開挖案進三維值分析，探討於同的岩盤分、岩覆厚及支撐等級條件下，隧群之穩定性與互制效應。分析結果顯示隧交叉段之穩定性受覆蓋應與岩盤強之影響甚鉅，高岩覆條件下支撐能須提升至極高態圍岩變形方達穩定。圍岩塑性區擴展範圍主要由岩體強所控制，而隧變形主要受岩體變形模與岩體強影響。並隧道間距達 5 倍徑以上時

2、，互制效應影響極微。 關鍵字：隧道交叉段、互制效應、值分析、有限差分法。 一、前言 傳統隧分析因地質況複雜掌握且受限於值分析工具之運算速，故多以二維平面應變分析簡化處實際的三維問題，此假設對於單孔或多孔隧道考慮軸向應變之況或能適用，惟對於分析隧道交叉段附近學為、開 挖工作面前進效應、或模擬隧道分階開挖等問題，則此假設過於簡化而適用。隧道交叉段開挖對圍岩所產生之應與應變為係屬複雜的三維問題，國內、外因交叉段應集中而導致隧道變形過大或支撐損壞的案相當多，實有必要進三維值分析方能清楚掌握隧群開挖之學為。 本案為一大規模地下隧開挖之案，隧之平面佈置如圖一(a)所示。其中，為增加工作面以縮短工期，通隧道

3、設計採開放式 TBM 開挖，而處置橫坑則採鑽炸法配合分階開挖同時進。通隧道直徑約 12.2m，處置橫坑最大跨徑約 17m（詳圖一(b)、(c)） ，處置橫坑軸心距為 63m，共計 19 條處置橫坑。為評估上述複雜之學問題，本文採 FLAC3D有限差分程式進隧開挖之三維值分析，所得成果與解析解及經驗解進比較，茲將其內容敘述於后。 二、場址地質條件概述 本場址岩盤屬中新世山層，為變質之質沉積地層。岩性主要由厚塊硬頁岩及板岩所組成，局部地區有厚層變質砂岩層出。場址內主要的地質弱面包括劈、節及層，其中以劈最為普及、間距最密，一般約公分；節譚志豪等人 地下隧群開挖之穩定性與互制效應研究 A11 - 2

4、次之，間距一般在公分至十公分等；層最少，散佈於砂岩夾層中。場址內無大規模斷層帶，惟有小規模的錯移剪現象。岩盤微潮，岩體評分值約在 20-60 間。根據山層岩心單壓強統計資顯示，平均強約為 35MPa。 330 m1863m = 1134m通隧道處置橫坑(a) 隧群之平面配置圖R = 5.5m襯砌混凝土t = 0.6mCL(b) 通隧道之剖面圖 R = 7.6mR = 6.6m=15襯砌混凝土t = 0.6m噴凝土t = 0.15m10.6 mCL7.6m4.0m1.00.15(c) 處置橫坑之剖面圖 圖一 隧群之平面與剖面配置 三、隧道開挖對圍岩影響範圍之初步評估 由於本分析場址之障壁成效備受

5、重視，故隧開挖對圍岩造成之損傷破壞需特別加以考慮。本文先以解析法與經驗法評估隧道開挖所形成之可能擾動範圍，再以三維值分析評估於同支撐能下岩體開挖所形成之破擾動範圍。解析法與經驗法係評估無支撐時之擾動範圍，故其結果可視為值分析之上限值。 岩體之應-應變關係採彈-塑性模式（如圖二(a)所示） ，而伏函則採用Mohr-Coulomb 準則。隧道開挖對岩體產生之塑性區範圍可考地盤反應曲線予以評估(如圖二(b)所示)，其中R為開挖半徑，plR為岩體擾動塑性區半徑，0p為初始應，ip 為設計支撐承。 隧道開挖對岩體所造成之塑性區範圍可採以下公式予以評估(Ribacchi and Riccioni，1977

6、)： 1100 cotsin)cot()cot( +=mrrippprr plcpcpcpRR(1) 第五屆海峽岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2006 3 月 台 A11 - 3 式中，)sin1 ()sin1 (rrm+=；prcc ,為岩體凝聚、pr ,為岩體摩擦角，下標r與 p 分別表示殘餘與尖峰強。 至於經驗法部分，本文採 Hoek （1999） 以岩體單壓強cm及初始應0p 評估隧道開挖塑性區範圍之建議公式進，即： 57. 00)(25. 1=pRRcmpl(2) (2) elastic perfectly plastic(4) elasto-plastic, with brit

7、tle behavior(3) elasto-plastic, with strain softening behaviorca(1) linear elastic(a) stress-strain lawipru(1)(2)(3)(4)elasticru )(0p(b) ground reaction curves0p0pipRplR critical pressure圖二 岩體應-應變曲線與地盤反應曲線 岩體強推估係以室內試驗結果作為岩體基本之上限值，再依據Hoek 等（2002）建議之方法透過地質強指標 GSI、岩心係 mi、岩心單壓強 c及岩覆壓0P 等主要，估算本場址分別在 AIII

8、及 AIV岩體條件下之強值(如表一所示)。用相關之岩體強與上述之解析法、經驗法與值法可推估通隧道、處置橫坑及交叉段於進開挖而尚未架設支撐時之最大可能擾動區分別如表二所示。 根據上述分析結果可知，擾動區範圍隨岩覆厚（覆蓋應）增加而明顯增大，AIV岩體中又較 AIII岩體為大。進一步透過 FLAC3D三維值分析法模擬隧道之開挖與支撐為後可知，其最大可能擾動區範圍較經驗值為小，而當岩覆厚為 600m 時，無在 AIII或 AIV岩體中，擾動區範圍仍大於岩栓支撐範圍，可知其障蔽效果將損失頗大，值得進一步於支撐設計及工法選定時加以注意。 表一 岩體學 岩盤 等級 RMR GSImi 岩覆 厚 (m) 岩

9、心 單壓 (MPa)岩體 單壓 (MPa)凝聚 c (MPa)摩擦角 () 水平與垂 直應比 K 地盤 強比0cm P變形 模 D (GPa) 200 35 5.2 0.74 38.0 1.2 1.00 3.5 400 35 5.2 1.00 33.0 1.2 0.50 3.5 AIII 40-60 50 7 600 35 5.2 1.35 29.5 1.2 0.33 3.5 200 35 3.2 0.47 32.0 1.2 0.62 1.0 400 35 3.2 0.70 26.5 1.2 0.31 1.0 AIV 20-40 30 7 600 35 3.2 0.90 24.0 1.2 0.

10、21 1.0 譚志豪等人 地下隧群開挖之穩定性與互制效應研究 A11 - 4 表二 隧道開挖之可能擾動區範圍 隧道開挖之可能擾動區範圍 (m) Ribacchi 解析法 Hoek 經驗法 FLAC3D 值法 岩體分 岩覆厚 (m) 通隧道 (R=6.1m) 處置橫坑 (R=8.5m)通隧道 (R=6.1m)處置橫坑 (R=8.5m)通隧道 (R=6.1m)處置橫坑 (R=8.5m) 交叉段 200 2.1 2.8 4.6 6.1 2.0 2.0 2.5 400 4.2 5.7 7.7 10.4 3.5 4.0 4.5 AIII 600 6.1 8.2 9.1 12.4 8.0 8.0 10.0

11、 200 5.0 7.0 8.5 11.8 4.0 3.0 5.0 400 9.7 13.2 12.1 16.4 6.0 6.0 8.0 AIV 600 14.5 20.3 14.4 20.0 12.0 11.0 14.0 四、隧道交叉段穩定性分析 本文選定以應集中效應影響隧穩定性最為關鍵之T型交叉段進三維值分析，評估通隧道及處置橫坑相繼開挖時隧之穩定性。分析以彈-塑性為依據，考慮場址所處位置之岩性、岩盤分等級、岩覆壓及設計間距等條件，採三維有限差分軟體 FLAC3D進分析，值分析網格如圖三(a)、(b)所示，分析區域涵蓋一條通隧道與一條處置橫坑所構成之交叉段，值模型尺寸沿通隧道軸線方向長 8

12、0.7m、垂直軸線方向寬 102.7m，共計約 3 萬個網格元素。 交叉段值分析之基本假設為：岩體為完全彈塑性材，適用莫爾庫破壞準則。場址岩覆厚由口向內遞增，介於 100600m，分析時取 200m、400m、 600m 作為代表深，覆蓋應0P 由淺至深分別為 5.2MPa、10.4MPa、15.6MPa。至於水平應部分，考顧承宇等(2004)之建議，取水平與垂直應比 K 為 1.2。本場址岩體之岩性以板岩及硬頁岩為主，根據室內岩心單壓試驗統計資獲得本 場址岩心之單壓強c平均為 35MPa，岩體主要為 AIII及 AIV等級岩盤。岩體強之推估係根據 Hoek 等(2002)建議之方法，考慮岩性

13、、岩體破碎程 及覆蓋應，用 GSI、im 、c及0P 等推估所對應之強值（如圖四所示） ；至於岩體變形模 D 則以陳錦清等(1997)所建議之經驗圖表予以決定， 本場址岩盤屬中等強變質岩型（25MPac50MPa） ，取岩心靜彈模之平均值 E=35GPa，並根據岩體變形模隨 RMR 值折減之趨勢初步研判本場址 AIII岩體之變形模 D 約為 3.5GPa、AIV岩體之變形模約為 1.0GPa（如圖五所示） 。本分析所選用之其他相關同表一。 至於隧道開挖與支撐之值模擬作業則根據初步設計，先開挖通隧道，再於交叉處向外開挖處置橫坑。通隧道採開放式 TBM 開挖，以支撐工取代環片，徑約 12.2m，隧

14、道開挖面 0.5 倍機頭範圍內（約 6m）架支撐，俟機頭完全通過後再架設支撐。至於處置橫坑則採鑽炸法分上、下台階開挖，跨徑約 17m。各組條件所對應之支撐工如表三所示，值分析結果整於表四。 第五屆海峽岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2006 3 月 台 A11 - 5 (a) 三維值分析網格（交叉段穩定性分析） (b) 隧道支撐工配置（交叉段穩定性分析） (c) 三維值分析網格（互制效應分析） (d) 隧道支撐工配置（互制效應分析） 圖三 三維值分析模型 (a) AIII岩盤 (b) AIV岩盤 圖四 岩體強推估（以岩覆厚 600m 為） 岩體 RMR=50岩心 RMR=89岩心 E=35

15、GPa岩體 D=3.5 GPa(a) AIII岩盤 岩心 E=35 GPa岩體 D=1 GPa岩體 RMR=30岩體 D=1.0 GPa岩體 RMR=30岩心 RMR=89(b) AIV岩盤 圖五 岩體變形推估 譚志豪等人 地下隧群開挖之穩定性與互制效應研究 A11 - 6 表三 隧道支撐工 岩盤等級 RMR GSI支撐型式 噴凝土 岩栓 鋼支保 預鋼腱 III-A 15 cm L=6m 2m2mH100100 2m AIII 40-60 50 III-B 25 cm L=6m 2m2mH100100 2m IV-A 25 cm L=8m 1m2mH150150 1m IV-B 35 cm L=8m 1m2mH200200 1m AIV 20-40 30 IV-C 60 cm H300300 1m L=10m 1m2m 30T 預 表四 隧道交叉段穩定性分析結果 通隧道 處置橫坑 交叉段