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1、2006 岩盤工程研討會文集，台南 2006 Taiwan Rock Engineering Symposium, Tainan June 26-27 - 439 -以經濟觀點探討隧道施工變形控制以經濟觀點探討隧道施工變形控制 汪世輝 王建 陳嘉* 國成功大學 資源工程系 *德工程股份有限公司 隧道施工組 摘要摘要 在以往基礎與安全分析觀的學習環境下，隧道工程師習慣從物質和能的角處隧道安全問題，相應的設計方法是岩體分法與學分析法；而今，新奧工法從“施工中觀察與觀測的角認與處隧道工程問題，在複雜的隧道圍岩-支撐互制系統環境中，抓住“圍岩變形這個關鍵訊息，創造出以圍岩變形控制為核心的觀測設計方法。
2、此施工觀僅能符合“安全施工特性，藉由隨時觀測岩體為，回饋調整支撐系統，以符合“經濟之原則。然綜觀國內近幾NATM隧道施工經驗，對施工中應採取何種適當措施俾以控制地層變形在設計範圍內，並無一定的管標準。本文以目前國內隧道設計及施工技術規範為基礎，以經濟性考出發，初步探討隧道施工變形控制之原則，並以實際案明如何進隧道施工變形控制之方法。 關鍵字：隧道、新奧工法、計測、變形控制。 一、前言一、前言 國內早期在隧道觀與技術尚未提昇前，對複雜的地質條件與施工特性，往往有效掌握，經常是處於盲目與被動施工的態。但隨著隧道觀與施工技術的進步，許多複雜的地質條件與災害問題，均能將其化繁為簡，並且能夠合的預測與控
3、制。如: 新奧工法變形控制觀的引入(國工局，2003) 8，將傳統剛性支撐觀轉化為噴凝土、岩栓與輕型支保等柔性支撐，接受周圍岩體才是主要承載體的事實，任何的人為初期支撐僅提供約束作用(學上的3)。同時也將複雜的支撐-結構學問題(坍拱)轉化為簡單的岩體學問題(丞載拱)，而破壞型態也由彎曲破壞進入剪破壞模式。 然而要將隧道真正帶入可預測，可控制的施工境界，除設計與技術的提昇外，現汪世輝、王建、陳嘉 以經濟觀點探討隧道施工變形控制 439-448 - 440 -場仍須具備下五項重要的掌控能:即(1).即時觀察 (2).即時支撐 (3).即時觀測 (4).即時研判與 (5).即時控制。這些地質及施工的
4、及時掌控條件，缺一可。國內這幾有少標榜新奧工法施工的隧道，除延續傳統設地質師進“即時觀測與運用大先進機具進“即時支撐外，建“即時觀測、“即時研判與“即時控制的機制，能存在相當大的應用問題。探究原因，除目前設計準則與技術規範尚未明確規定外，現場研判工作與及時因應對策仍缺乏建一套有效運作機制。因此於實際應用時，常常有造成實際變形與設計預估變形差甚大的情形。這種施工變形控制佳的情形，但低工作效，也增加整體的施工成本。 有鑒於目前國內隧道施工變形，普遍僅以安全性觀點進安全管基準。對於國內普遍以台階工法施工的隧道而言，常常能有效控制隧道淨空斷面變形於預估範圍內。如:針對預估寬容20(H1)的斷面，上半開
5、挖產生4，下半開挖產生8；與上半開挖產生8，下半開挖產生4，者雖於安全之控制值內，但後者可能造成台階部分的入侵。另外上半開挖產生2，下半開挖產生2，此情況亦控制變形在安全範圍內，但由於變形太小，後續襯砌超襯現象，亦大大增加材成本。本文以目前國內隧道設計及施工規範為基礎，在改變設計別預估寬容的情形下，以經濟性觀點，探討隧道施工變形控制之原則及方法，俾使地層變形控制在設計之範圍內。 二、隧道支撐設計觀之發展二、隧道支撐設計觀之發展 2.1 隧道支撐設計演變隧道支撐設計演變 為能夠對隧道問題有效控制，有必要解隧道支撐設計的原。其實隧道設計觀的發展，與當時施工環境與使用支撐材及施工技術習習相關。同樣的
6、隧道開挖為，使用同的支撐材，會產生同的圍岩變化，因此衍生出同的觀。下就隧道支撐設計觀發展簡述如下: 壓拱觀階段：壓拱觀階段：此階段隧道覆蓋深，且以木材為主要時支撐，認為作用在木材支撐上的壓是其上覆岩層的重 H( 是單位重、 H 是埋深)。作為代表的有 Haim 、尼克之彈性和Rankine 主動土壓。其同之處在於，他們對地層水平的側壓係有同的解 Haim*發展時期:約 19001930 代。 *支撐構件:主要以木材作為開挖時支撐。*支撐壓:認為承受覆蓋壓。 *適用環境:淺覆蓋隧道或隧道口段。 2006 岩盤工程研討會文集，台南 2006 Taiwan Rock Engineering Symp
7、osium, Tainan June 26-27 - 441 -認為側壓係為 1，而尼克根據彈性認為是 1( 是岩體柏松比，為岩體的內摩擦角)， Rankine根據極限平衡認為是)245(tan02。 坍拱觀階段：坍拱觀階段：隨著隧道開挖深增加，越越多人們發現上覆壓太過保守，於是又出現坍拱。他們的共同觀點認為，隧道開挖後圍岩會自穩形成平衡拱，而拱內的岩層最終要鬆動或坍，且以重方式直接作用在支撐上。坍拱的高與隧道跨和圍岩性質有關。作用在支撐上的壓，是全部上覆重，而僅是坍拱內的鬆動體重，與埋深無關。作為代表的有，Terzaghi(1946)的岩荷，和俄國 M.M.Protodyakonov 的普氏
8、。而其同之處是，前者認為坍拱形為矩形，而後者認為是拋物線型。國內早期 60 代，均沿用採用此一設計觀，並配合使用鋼支保，因此又稱為傳統鋼支保工法。 承載拱階段：承載拱階段：此階段發現是所有的隧道開挖會形成坍拱，有些地質較好的岩盤，開挖後做支撐也會產生坍。因而逐漸體會到圍岩有一定的自持能。任何的人為支撐僅起約束作用(提供圍壓與鞏固岩體強)，而圍岩才是主要承載部份。此觀將過去坍體作用在支撐上複雜的結構-加載計算，簡化為初始應作用在圍岩-支撐上的卸載-岩體學計算。此後如何將圍岩地盤的強運用至最大限? 與施工時如何使圍岩強弱化? 遂成為共同設計觀點。較著名的有新奧工法，此變形控制工法的引入，已使的傳統
9、壓拱及坍拱逐漸退出隧道工程。 2.2 隧道變形控制隧道變形控制 要發揮圍岩自承能，以圍岩支撐圍岩，最重要的是進隧道變形控制。變形控制觀目前也成為台灣公隧道施工中主要的指導原則。變形控制之基本觀是用岩體本身具有自持能之特性而發展成功之施工觀，以噴凝土、岩栓、鋼支保等支撐達到隧道開挖後應平衡之目的，並用計測隨時觀察岩體為，作為回饋設計調整支撐系統之依據，以符合安全及經濟之原則。隧道開挖後圍岩由三維應態轉變為二維應態，應會重新調整。其中調整過程是瞬間在開挖面階段完成，沿隧道線方向表現為加載(在隧道周邊向應值約為 2 倍初始應值) ；沿徑向表現為卸載(在隧道周邊徑向應值為)。 *發展時期:約 1930
10、1960 代。 *支撐構件:以 H 型鋼為主(傳統鋼支保工法)。*支撐壓:認為僅承受坍岩體重。 *適用環境:較深之硬岩隧道(構造破壞)。 *發展時期:1960現在。 *支撐構件:以噴凝土、岩栓與柔性支保為主。*支撐壓:僅需提供約束作用。 *適用環境:中深覆蓋之軟岩隧道(材破壞)。汪世輝、王建、陳嘉 以經濟觀點探討隧道施工變形控制 439-448 - 442 -向應超過岩盤強，變化到此停止。向應超過岩盤強(或隧道深超過軟化界深)，靠近壁面的岩體會最先破壞，最大主應集中區向往圍岩內部移動，隧道周圍最後會調整出四個學分區(如圖 1)。由外而內分別為: 彈性區、塑性硬化區、塑性軟化區及塑性動區。塑性硬
11、化區處於峰前變形階段，岩體比較完整僅局部出現一些縫，縫規模小，還沒有貫通，岩體承載能大，是主要承載層。塑性軟化區處於峰後變形階段，許多縫已經貫通，岩體強已經損失一部份，但還是有一定的承載作用，及時支撐，岩體損傷會繼續發展，續而發展出塑性動區。峰前承載拱(塑性硬化區)與峰後承載拱(塑性軟化區)在沒有人為支撐的前提下，均能發揮支撐之作用。但其於隧道開挖初期是穩定的，隨時在變化。因此必須施以部分人工支撐，提供圍岩一個徑向支撐，以增大圍壓，提高圍岩強，促使塑性軟化區及塑性硬化區能夠穩定形成，塑性動區鬆動岩體坍。 隧道變形控制觀與過去硬岩隧道設計觀同。硬岩隧道允許出現塑性圈。而以變形控制設計之隧道則必須
12、允許出現塑性圈(特別是軟岩隧道)。因其能大幅地低地層變位能，減少向應集中程，改變圍岩受態，使應集中區向內部偏移。但塑性圈也能任意自由地發展，仍必須從許多技術層面加以控制。如控制變形速、 控制差變形等等)。下章節，是作者藉由過去實際施工經驗，以案明對隧道變形控制的方法，希望能提昇施工者對隧道施工變形控制有進一步認。 彈性區塑性硬化區塑性軟化區塑性動區初始應區3cm t C (向應超過岩盤強) t L1 (且且 L1=2/3H1) H1 及及 L1 持續變形持續變形 H1=L1 H1L1 LLLLLLH1 L1 H1 L1 L L LL L L H1 L(A)L(B)L(C)L(E)L(F)L(D
13、)L1 L1 L(A)L(B)L(C)L(E)L(F)L(D)H1 3cm 3cm 3cm 控制值控制值 12cm 施工變形控制曲線 L(C) 圖 4 以經濟性觀點所訂出之施工變形控制曲線 圖 5 正常台階開挖工法常之幾種變形趨勢 型 1(正常) 型 2(常變形)型3(常變形)型 4(常變形)2006 岩盤工程研討會文集，台南 2006 Taiwan Rock Engineering Symposium, Tainan June 26-27 - 447 -5.5 即時控制即時控制 ? 根據經驗選擇有效施工變形控制方法根據經驗選擇有效施工變形控制方法 並非所有的控制方法，均能有效控制。有些效果顯
14、著，有些可能一點用處沒有(汪世輝，2005) 4。今以台灣公隧道最常使用之台階開挖工法為，歸納整作者過去從事隧道經驗，調整的施工控制方法及其較佳之施作的位置(圖 6)，以提供爾後隧道施工者變形控制之考。 圖 6 隧道控制變形之施工調整方法 、結、結 隧道開挖後的變形為，因素相當複雜。除與隧道全線的地質情況、覆蓋厚、隧道斷面大小及形有關外，亦跟進長、進時間、開挖面分割掘進方式、開挖施工品質、台階控制長、仰拱閉合時間、仰拱閉合距、以及支撐構件的種與、以及支撐構件設裝時間與順序等等施工條件息息相關。因此施工期間任何施工條件的調整，會影響隧道為，是影響隧道施工變控制的成敗。有經驗的隧道工程師在充分支持與授權下，瞭解隧道施工過程的隧道變形為，藉由“快速分析與“概判斷即時掌握現場況，才能兼顧隧道的安全性與經濟性。 上半開挖 台階開挖 仰拱開挖 凹槽開挖上半開挖影響區5D米 下半開挖影響區5D米 開挖面抽坍 封面 先撐保護 封面處先撐保護 封面處拱肩擠壓受剪 肩部縱向側壁局部抽坍 局部環向走道挖拱腳擠壓起 底部縱向局部環向 局部剝補強岩栓補強岩栓 固結灌漿固結灌漿 仰拱閉合仰拱閉合 米 米 開挖面抽坍問題 開挖面抽坍問題 初襯面入侵或超襯問題初襯面入侵
