衬砌应力设计

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1、由襯砌應力監測結果探討公路隧道襯砌設計岩壓比例許振文*摘要依新奧工法(NATM)設計與施工的理念，隧道襯砌必須在隧道變形穩定後才開始施工，換言之，襯砌承受的岩壓值理論上應相當微小，然於隧道襯砌設計時，多假設岩壓為外支撐岩壓適當比胡來考量，此一比例值大小一直以來頗受爭議，圍內亦崗無相關文獻資料探討此一課題，有鑑於此，本文以隧道襯砌實際監測案憫，探討公路隧道楓砌設計方法中岩壓比憫值，供以後辦理相關設計參考之用。關鐘字:NATM、隧道襯砌、岩壓比@J一、前言目前公路隧道襯砌厚度尚無統一的設計方法可資依循。在一般地盤隧道內襯砌係為提高隧道安全係

2、數;於特殊地盤中，如偏壓、擠壓，性、膨脹性或高地下水位之地盤，則需針對岩壓或地下水壓力等外力作用設計襯砌，但因襯砌施作時機，一般係於岩盤開挖俟變形穩定至一定程度後才打設，故其承受之壓力大小與外支撐承受壓力大小，一直未有個明確的比較。u.s.ArmyCorpsofEngineer(1978)建議，當初期支撐採用噴凝土及岩桂時，襯砌設計岩壓與初期支撐設計岩壓比例合理為0.25~0.75'本公司以往執行國道隧道襯砌設計時，慣用岩壓比例為0.25~0.40'其合理性仍未有相關文章探討TAO，本文期望藉由隧道襯砌監測案例，與本公司公路隧道襯砌慣用

3、設計方法比較，進一步探討其合理性。二、隧道襯砌設計方法(一)載重條件本文以中興公司慣用公路隧道襯砌設計方法分析，其考慮載重如圖1所示，說明如下:1.呆重:指襯砌自重。2.活載重:指岩壓載重，因隧道開挖支撐採用半剛性支撐，襯砌設計之岩壓載重與主海外支撐岩壓載重之比例須視地質條件決定，一般採0.25~0.40。*中興工程顧問公司大地工程部工程師•91•3.靜水壓:考慮、隧道防水層背後水壓分布為三角形，即隧道之頂拱及底部盲溝位置水壓為零，中間為頂拱及底部高之二分之一。4.設計載重組合:採用U.S.D設計法(UltimateS仕engthDes

4、ignMethod)，載重組合如下:(1)1.4(呆重)+1.7(活載重)(2)1.4(呆重+靜水壓)+1.7(活載重)上述載重除襯砌自重及靜水壓力為可明確計算外，岩壓載重計算方法則較難以評估，一般可採經驗及理論方法評估，詳見下節說明。垂直地壓力「1IBV--t側向峰力••hmv向時她力I頁拱靜水壓力靜水壓力+圖1隧道襯砌設計分析荷重示意圖(二)岩壓截重分析方法1.經驗公式法(1)Terzaghi之岩盤荷重採Terzaghi(1946)之隧道荷重計算方法評估，見圖2TAO及表1。(2)Unal(1983)之RMR岩壓公式P=y*(100

5、-RMR)/100*B式中，P:岩壓;y:岩體單位重;RMR:岩體評分值;B:隧道開挖寬度。圖2Terzaghi之隧道荷重示意圖2.理論分析法理論分析法是採用岩盤支撐互制曲線法(Fenner-Patcher)，在分析過程中採用Mohr-Coulomb破壞準則計算岩盤反應曲線。岩盤反應曲線即隧道開挖後隧道變形與岩壓之對應曲線，另根據支撐材料之勁度及計算架設支撐前之先期變形亦可繪出支撐反應直線(支撐力與變形關係線)。由岩盤反應曲線與支撐反應直線相交點所對應之值即為支撐所承受之岩壓載重。•92•表1Terzaghi岩體分類表與隧道荷重對應表隧

6、道頂部壓力岩石情況RQD註解(以相當岩石厚度Ho計)1.堅硬完整95-100偶需薄襯砌。2.堅硬層狀90,..1000-0.5B輕支保3.厚層，中等節理85-95。-0.25B各點荷重變化無常4.塊狀且含混縫75-850.25B-0.35(B+HI)側壓品零5.高度分塊且含泥縫40-75(0.35-1.l0)(B+HI)倒壓徵小或零有相當側壓，滲流水使地盤軟化，鋼支6.完全破碎，但尚未受化學風化。，..251.l0(B+HI)保底部須連續支撐或用正閻形鋼支保。7.擠壓性岩石，深度中等(l.l0-2.10)(B+HI)倒壓嚴重，仰拱須支撐

7、。用正圓形鋼支保。8.擠壓住岩石，深度大(2.10-4.50)(B+HI)用正圓形鋼支保。9.膨脹性岩石至80m'與B及HI無關極端情說時用可變形支保。(1)輸入參數Mohr-Coulomb之岩盤反應曲線分析所需輸入參數如下:3γ:岩體單位重(tlm);ν:岩體Poisson'sRatio;R:隧道半徑(m)2Em:岩體變形模數(tlm)2PO:隧道當地應力(tlm);C:岩體凝聚力(νm2);。:岩體摩擦角(Degree)。(2)支撐工支撐勁度支撐工支撐勁度如下，幾種支撐共同使用時，其勁度直接疊加。Ecxt噴凝土:kc=ETTAOEb

8、xAb岩桂:Kb=Lx(dlxd2)EsxAs鋼支保:Ks=~一K“xd式中'Ec:噴凝土彈性係數，t.噴凝土厚度;R:隧道半徑;Eb:岩桂彈性係數;Ab:岩桂斷面積;L:岩桂長度;dl、d2:岩詮間距;E