行政院國家科學委員會專題研究計畫進度報告
隧道開挖面附近三維力學傳遞機制及破壞區發展之研究
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計劃編號：NSC 92-2211-E-011-020 執行期限：92.08.01 ~ 93.07.31
主持人：陳堯中 國立台灣科技大學營建工程系
摘要
本計畫為三年期之研究計畫的第二年，主要之工作重點在於分析模式之驗 証與第一年度現場實測資料之整合分析，其中分析模式之驗証主要係延伸第一 年度中尚未充分探討之領域，包括傾斜界面及不連續界面等情況下隧道之變形 機制與行為特徵，以作為輔助現地量測資料回饋分析之參考。
一、計畫背景與目的
傳統的隧道收斂監測僅能量測隧道兩測點間之相對變位，對於承受偏壓或 整體邊坡滑動影響的隧道，有時無法反映其真正的變形情況。但隨著量測技術 與日更新，精密之光學測量技術已逐漸應用於隧道工程上，此種量測方式即可 監控隧道特定測點之絕對變形量，再配合隧道沿線之地質構造、開挖面之地質 描述及大地應力方向等資料，即可研判變形的原因，進一步掌握有效之支撐系 統，使隧道施工更趨於安全。
根據最近國外學者之研究顯示，隧道開挖解壓後，在開挖面附近，受到地 拱效應作用，使得隧道軸線方向的變形量與開挖面前方之地質條件有某種程度 之關係，透過這種關係之建立與數值分析之驗證，便可建立一套藉由測點的絕 對變位量以預測開挖面前方地質狀況之機制。如此，對於過去無法推斷開挖面 前方地質狀況之現象，得到具體的改善。惟以往國內對於隧道三維量測系統的 陌生，及引進時日不久，並未建立完善的監測資料回饋地質變化之機制，使得 辛苦獲得的資料並未充分發揮預警之功能。再者，雖然國內引進新奧工法多年，
但監測回饋作業並未在國內工程界落實，因此，工程技術仍停留在傳統的經驗
研判上，無法具體客觀的定量化。目前正在施工中的北宜高速公路屬長大隧道，
穿越之地質狀況更是複雜，若能藉施工機會，進行一系列的三維量測，配合較 以往更適合現地地質行為的數值分析程式(3DEC)做深入之探討，預期會對國內 隧道工程設計及施工技術水準之提昇有相當助益。
二、研究方法
本計畫第二年之研究方法及進行步驟說明如下：
1、文獻案例資料收集整理
持續收集國內外有關隧道三維變形之文獻及案例資料。
2、工地訪查及會議討論
本計畫將定期舉行研究討論會，並至北宜高速公路之施工現場訪查，使 研究人員之意見充份溝通並吸收現場工作人員之寶貴實務經驗。
3、監測資料整理分析
將利用北宜高雪山隧道實地量測之數據進行分析，並就國內實施三維量 測待加強之處提出建議。
4、分析模式探討
利用3DEC 程式進行不同地質條件之力學分析，特別是傾斜界面與不連 續界面情況，並針對其變形機制進行探討，以便對隧道行為有更充份的認識。
三、進度報告
1、文獻案例資料收集
針對第一年度收集之國內外有關隧道三維變形量測技術等相關文獻及論 文進行深入之研析，並歸納整理待補強之處。
2、工地訪查會議討論
本計劃之研究人員不定時參與相關監測作業之分析工作，並與現地施工 人員討論實際運作上所遭遇之問題，以提出未來應用時所應特別注意之事項。
3、監測資料整理分析
採用奧地利學者Panet、Gaudin、Guenot 及 Sulem 等人[1,2]之變形曲線方 程式來迴歸，以外插方式推估初期變形量(uo)之大小，藉此才得以將影響線零 點移到開挖面，而各監測斷面之變形量才能在相同的比較標準下繪製。迴歸 結果可得參數Cx∞、X，實測值與迴歸結果之比較如圖 1 所示。各監測斷面經 迴歸處理，並將開挖面修正為基準點後繪製影響線與趨勢線之結果如圖2 所 示。
-50 -40 -30 -20 -10 0
0 20 40 60 80 100 120
開挖面距離 (m) 垂直變位量 (mm)
H
迴歸分析
圖1 實測值與迴歸值比較
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
630 650 670 690 710 730 750 770 790 810 830 850 870 890
位置里程36k+(m) 修正垂直變位(mm)
2002/11/30 2002/11/25 2002/11/10 2002/11/5 2002/10/30 2002/10/26 2002/10/7 2002/9/30 2002/9/20 2002/9/13 2002/9/11 監測斷面位置
趨勢線(開挖面後方5m處)
圖2 里程 36k+884m 至里程 36k+643m 間頂拱處之監測影響線與趨勢線圖
10 20 30 40
630 650 670 690 710 730 750 770 790 810 830 850 870 890
RMR值
4、分析模式探討
為探討傾斜界面與不連續界面之行為，將採用較適合不連續體之3DEC 進行 分析，以對其變形特徵與機制有較深入的瞭解。有關本階段數值分析之成果如下：
(1) 傾斜地質界面時有下列現象：界面傾斜將影響開挖面的接觸時機，傾角愈小 愈早接觸，因此若隧道由硬岩盤掘進至軟岩盤情況，則傾角愈小愈早發生大 變形，如圖3 所示；相同情況下地質界面不連續時，也有上述連續界面之現 象，惟界面兩側相鄰測點之變形有明顯不連續現象如圖4 所示。
(2) 地質界面不連續之情況：為探討地質界面不連續時對隧道變形行為與應力狀 態之影響，以傾角為45o且地質條件為硬岩盤掘進至軟岩盤情況來加以說明。
圖5 為傾角 45o時，隧道開挖至Y/B=0 位置頂拱處之垂直變形曲線，圖中實 線部分為連續界面，虛線部分為不連續界面，很明顯地，在傾斜面與開挖面 交界處之不連續界面前後之垂直變位有顯著的錯移現象，如圖6 所示，在不 連續界面前，垂直變位均小於連續界面情況，在不連續界面後，垂直變位則 大於連續界面情形。至於縱向變位部分亦有相同現象。
-25 -20 -15 -10 -5 0 5
-2 -1 0 1 2 3 4
Y/B 頂拱垂直變位量 (mm)
45度 90度 135度
圖3 硬岩盤掘進至軟岩盤情況下，不同地質界面傾角隧道頂拱之垂直變形曲線 (開挖面在 Y/B=0，地質界面連續)
-40 -30 -20 -10 0 10 20
-2 -1 0 1 2 3 4
Y/B 頂拱垂直變位量 (mm)
45度 90度 135度
圖4 硬岩盤掘進至軟岩盤情況下，不同地質界面傾角隧道頂拱之垂直變形曲線 (開挖面在 Y/B=0，地質界面不連續)
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
-2 -1 0 1 2 3 4
Y/B 頂拱處垂直變位量(mm)
連續界面 不連續界面 GSI20←GSI70
圖5 傾角 45o地質界面連續與不連續情況，隧道頂拱處之垂直變形曲線
圖6 傾角 45o地質界面不連續情況下產生之錯移現象
(3) 位移向量方位趨勢線之比較：圖 7 為傾角 45o時，隧道由硬地盤掘進至軟地 盤及軟地盤掘進至硬地盤之情況，比較地質界面連續性之位移向量方位趨勢 線(開挖面後方 0.5B 處)的結果，資料顯示，硬至軟情況，前進開挖面頂拱處 距地質界面超過 1.5B 時(即 Y/B≥2.0)，連續界面與不連續界面之位移向量方 位角大致相同，趨近於正常狀態(約 20o)，當距離小於 1.5B 時，位移向量方 位角開始逐漸減小，甚至由負值轉成正值之情形，而且界面不連續時這種現 象更為明顯。當開挖面抵達地質交界面時(Y/B=1.0)，不連續界面之位移向量 方位趨勢線，由於逐漸挖進軟岩盤，使原本較為集中之應力得以釋放，導致 位移向量方位角開始朝開挖方向回轉。連續界面之情況，在開挖面抵達地質 交界面後方位角仍持續往正值方向(開挖之相反方向)變化，直至開挖面後方 0.5B 測點抵達地質交界面後才逐漸回轉朝開挖方向變化。
此外，根據位移向量方位趨勢線之線形顯示，連續界面情況均與Schubert 和 Budil[3]之研究相符，相異處僅在傾角不同，而導致線形之尖峰值有提前 發生現象。然而不連續界面時，隧道由軟岩盤掘進至硬岩盤情況，其位移向 量方位趨勢線之線形變化與連續界面就有完全相反之變化趨勢，位移向量方
錯移現象
GSI 20 GSI 70
位角，不但未隨開挖面逐漸接近地質界面而有漸次增大現象，反而與隧道由 硬岩盤掘進至軟岩盤情況相似，顯示在不連續界面情況下，應力之傳遞受到 不連續面的阻隔，使得兩者之應力態在接近地質界面時極為相近。
α(o )
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
-2 -1 0 1 2 3 4
Y/B
GSI20←GSI70不連續界面 GSI70←GSI20不連續界面 GSI20←GSI70連續界面 GSI70←GSI20連續界面
圖7 傾角 45o不同勁度時，界面連續與不連續之位移向量方位趨勢線比較 (4) 變形機制之探討：根據先前位移向量方位趨勢線之線形變化即可反映出不連
續界面之變形機制與連續界面迴然不同，有關不連續界面之變形機制可利用 圖8 隧道由硬岩盤掘進至軟岩盤之縱向應力分佈圖來加以說明。圖 8 (a)為開 挖面接近地質界面時之情形，很明顯地應力之傳遞受到不連續界面之阻隔而 無法完全傳遞，導致開挖面周圍形成之應力集中現象，較連續界面情況更為 明顯，隨著開挖面逐漸往前推進，開挖面前方硬岩範圍逐漸減少，使得因開 挖解壓產生之不平衡力，將由愈來愈少的硬岩盤來承受，如圖8 (b)所示，一 但硬岩區被挖除，原本抑制軟岩區不平衡力發展之阻力消失，導致軟岩區之 變形大幅增加，應力釋放效應更為顯著，如圖8 (c)所示，使得已開挖之硬岩 盤，原本應力集中相當明顯之現象頓時消失，因而導致位移向量方位趨勢線，
在開挖面挖除硬岩盤時，產生相當明顯的轉折變化，這種效應在不同傾角時 亦復如此，惟傾斜界面時，由於硬岩盤是逐漸挖除，因此這種應力釋放效應 將是漸次發生。隧道由軟岩盤掘進至硬岩盤之情況亦是如此，同樣受到不連 續面之阻隔，使得原本可藉由地拱效應，由前方硬岩盤來分擔部分應力之現 象不復存在，導致位移向量方位趨勢線之變化趨勢，完全不同於連續界面的 情況，而是幾乎與硬到軟之線形完全一致的現象。
四、結論
根據北宜高雪山隧道實測經驗，以及3DEC 程式分析圓形隧道在不同地質界 面傾角及界面不連續等情況下，通過界面前後之力學行為機制，可歸納以下幾點 結論：
(1) 本計畫實施現地監測階段，因施測範圍內之岩盤條件尚稱均勻，未有明顯地 質強度差異及斷層帶通過，故量測結果無法明顯展現三維量測之特色。
(2) 三維量測的實施須要業主的重視、設計顧問公司的推動以及施工承商的落 實，稍有欠缺或不足時將難以發揮應有的功效。
(3) 當隧道由硬岩盤區域接近軟岩盤時，測點之位移向量方位趨勢將由原來朝開 (b)開挖面距地質界面0.125 B(第29環)位置 (a)開挖面距地質界面0.5 B(第26環)位置
(c)開挖面距地質界面0 B(第30環)位置
圖8 GSI70→GSI20地質界面傾角90o且不連續情況下不同開挖位置時縱向應力分佈情形
挖面方向逐漸轉成反方向，反之由軟岩盤區域接近至硬岩盤時，位移向量方 位之趨勢更明顯地指向開挖面，而且趨勢之變化約在抵達地質界面前1.5B 處 即開始發生，通過界面後則逐漸回復原來的位移向量方位，不同界面傾角時 上述變化趨勢依然存在，只是反應的時間受地質界面與開挖面接觸的時機而 定。
(4) 不連續界面之存在，將對開挖後應力重整之行為產生重大影響，當界面內填 充物強度不足以承受開挖所產生的不平衡力時，將使界面間產生大變形來釋 放應力，使得不平衡力傳遞至硬岩的地拱效應便無法發生，如此導致開挖期 間隧道周圍之應力態的發展與傳遞，與奧地利學者Schubert、Budil、Vavrovsky 和Steindorfer 等人[3,4,5]以連續體分析之結果迴然不同。
(5) 在不連續界面情況下，不論隧道係由硬至軟方向開挖或由軟到硬方向開挖，
其位移向量方位趨勢線幾乎一致，顯示受到不連續面的阻隔，應力態之分佈 與地質強度無關。
參考文獻
1. Guenot, A.,Panet, M., and Sulem, J. A.,”A New Aspect in Tunnel Closure Interpretation,” Proc. 26th U.S. Symp. on Rock Mechanics, Vol.1,pp.455-460, Rapid City(1985).
2. Sulem, J., Panet, M. and Guenot, A. ,”Closure Analysis in Deep Tunnels”, Int. J.
Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abster. Vol.24, No3, pp.145-154(1987).
3. Schubert, W. and Budil, A. , “The importance of Longitudinal Deformation in Tunnel Excavation,” ISRM, Tokyo (1995).
4. Schubert, P. and Vavrovsky , G. M. , “Interpretation of Monitoring Results,” World Tunneling, Nov. , pp. 351–356 (1994).
5. Steindorfer, A. ; Schubert, W. : Application of new methods of monitoring data analysis for short term prediction in tunneling. Tunnels for People, Golser, Hinkel, Schubert(eds), Vol.I,pp.65-69,Proc. ITA World Tunnel Congress 97, Vienna.
Rotterdam: Balkema, (1997).
