坑隧工程開挖岩體面的支撐襯砌 - ger0830 的部落格

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坑隧工程開挖岩體面的支撐襯砌

2022/09/06 13:50

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自然環境中的岩石，特別是深層中的岩石，受上層及其重力載荷的影響。由於地球自然力的演變而在岩體內形成的應力非常複雜，難以定義。在隧道開挖過程中，通常接收隧道頂部的岩石重量的岩體介質(隧道斷面岩體)被移除，並且在隧道周圍的岩體內產生有時達到相當高值的張力應力。由於在隧道輪進圓周周圍釋放應力，從三軸壓縮應力狀態過渡到雙軸應力狀態會導致開挖邊界周圍的岩石變形。在隧道施工過程中，需要安裝支撐保護結構，以保持或提高岩體的承載能力，以最大限度地提高支撐保護能力，並創造岩體內應力場的有利發展。

岩體分類(RMR或Q系統)決定支撐組合型態;岩石力學發展成的岩體分類法相對應提供隧道支撐襯砌的組合型態,為隧道開挖支撐強度的依據。

隧道斷面形成時,因地質應力強度不足,造成開挖面拱頂抽心落盤是案例。軟弱地層鬆散沙層只有幾秒自持力,含水層下膠結良好的黏土地層自持力可能自持超過小時, 軟弱地層沙層屬含水層則滲透壓’滲透水將瞬時帶入土沙形成隧道抽坍。風化易剝落岩層,隧道斷面形成後,岩層自持力的發展從小時到幾天,中度節理存在甚至隧道斷面內無節理存在地層擁有良好自持力,可能不需要立即臨時支撐。

襯砌工藝將根據岩體條件而有所不同。襯砌可以是預成型的管’環片或滑動鋼拱模場鑄混凝土，即時的一次岩面保護噴凝土’岩栓設置後的掛鋼絲網噴凝土’鋼筋鋼肋支撐組合型噴凝土結構併永久結構的襯砌。

軟弱地層中，襯砌必須支撐岩體施加的載荷，並承受隧道掘進設備(潛盾)的頂推壓力。節塊鑄鐵襯裏通常用於軟弱地層，因為它耐用且具有高抗壓強度。預製混凝土管’環襯節塊更經濟，組合環襯節塊加上膨脹止水條’止水環圈’背填防水材,達到水密性。

支撐型態從木支撐’鋼支保,演進到新奧工法

木支保工法;需使用大量的木材，而木料易腐爛，較易導致岩石鬆動，因而增加襯砌之負荷，設計需採厚重之混凝土襯砌。加以木支保必須組裝在淨開挖線以外，開挖斷面需擴大以符襯砌淨厚度，影響進度增加成本。礦業採礦為原生木支保型。

鋼支保工法(American steel support Method 簡稱 ASSM)

假設周圍地層(圍岩未發展應力)未承受載重，大部份岩壓均由支撐承受，設計荷重偏保守，須較厚重支撐。剛性材與岩盤容易產生間隙，或許有集中荷載產生。鋼支保種類含 H 型、U 型及桁型鋼支保。隧道開挖後立即組裝岩體面之重型鋼製作隧道斷面形狀支撐,支保間間距則以圓繫桿及木矢板橋跨,鋼支保與岩面空隙儘量填塞楔木,隧道開挖衍伸相當距離後可進行永久的混凝土或鋼筋混凝土襯砌;剛支保笨重、組立困難，H型鋼頂面側與岩面形成噴凝土施工空隙，可能造成之支撐功能減弱現象。永久襯砌前埋設背填灌漿管達岩面,設灌漿閥,28天後以適度壓力及膨潤材作填隙灌漿,可以加強支撐功能,添加少量皂土可防滲水。傳統不設置小口徑PVC排水管(f 2”)或盲溝,永久襯砌前布設防’導水布,不織布導水至仰拱附近排水溝排出。

NATM(New Austrian Tunneling Method-Sequential Excavation Method -design as you go) 的支撐發想及特性

Fenner（1938）對岩體開挖面上層和水力結構之間的相互作用進行了研究，並發現了基本的特定曲線和彈性塑性介質中問題的解決方案。Pacher（1963）進行了相同的研究並獲得了相同的解決方案。當隧道的設計考慮到岩體開挖面上層和水力結構之間的相互作用時，結果適用於實際結構和新奧地利隧道掘進法（NATM）。此外，在隧道設計中，通常考慮隧道襯砌與隧道輪進掘進周圍岩石之間的相互作用，以及周遭岩體的反壓曲線（the counter-pressure curve of the ground base -Panet and Guenot 1982;帕內特1995）。收斂約束法被認為對隧道設計有效。

根據Fenner（1938）和Pacher（1963）的說法，如果早期安裝剛性支撐結構ĸ,如隧道輪進開挖段支撐架設時間與隧道半徑岩體應力應變的互制圖;支撐將具有更大的承載能力，因為挖掘室周圍岩體的變形不足以發展 –應力尚待逐漸發展。超過p_i曲線的C點，岩石特性變為非線性（塑性）。當支撐結構ķ在發生一定位移（A點）后安裝時，系統與隧道襯砌上的較小載荷達到平衡在σ_r曲線達到其最小值（圖中標記為B）后，鬆動開始，隧道襯砌上的壓力迅速增加。如果在允許變形時安裝支撐結構，則支撐結構上的壓力達到其最小值，而不會導致隧道的不穩定性。

收斂約束法是適當時間獲得支撐保護的有效設計工具。它與傳統的隧道設計方法完全不同，傳統隧道設計方法應用了早期固結和快速襯砌安裝規則，考慮臨時支撐結構承受被開挖岩體面岩體鬆動岩石的載荷，而忽略了岩體塑性變形前的承載能力。

估計穩定隧道開挖所需的支撐，特別是在工作面附近，本質上是一個四維問題。岩石的隨時間變化的減弱(應力逐漸發展)將加劇挖掘周圍力的三維再分佈。鑒於這些限制，對岩體與已安裝支撐之間相互作用的性質進行相對簡化的瞭解。收斂-約束方法(The Convergence-Confinement method)就是為了滿足這種確切的需要而開發的。

坑隧岩體與已安裝支撐之間相互作用的性質瞭解

收斂-約束法是常規隧道掘進中地下支撐保護結構在設計初期的基本常用工具。它最初是一種用於圓形隧道的分析方法。收斂約束法基於隧道周圍應力和應變的分析，通過隧道開挖的平面應變模型，深入瞭解支撐保護座與岩體面之間的相互作用。

收斂約束法是一種允許估計安裝在隧道表面後面的支撐物上的載荷的過程。當在隧道工作面附近安裝一段支撐時，它不會承載最終將承受的全部載荷。在挖掘周圍重新分配的一部分荷載由工作面(稱;鏡面吧.)本身承載。隨著隧道和工作面的推進（即遠離已安裝的支座），這種“面效應”會降低，並且支座必須承載更大比例先前承載的載荷。當工作面遠離相關支撐時，它有效地承載了整個設計負載。

Carranza Torres和Fairhurst（2000）總結了收斂約束方法的基礎;收斂約束方法的主要原理;如坑隧支撐應力-應變-時間-開挖面撐的收斂約束方法主要原理圖：

LDP- Longitudinal Deformation Profile

是沿無支撐開挖軸線發生的徑向位移的圖形表示 ; 對於位於鏡面前方和後方的截面。確定在安裝（以及因此相關的荷載）進行剛性支撐保護座之前，在隧道邊界處將發生的徑向位移量（以及相應的岩石應力釋放量）。簡單預測無支撐開挖隧道長度;或許有空間增設支撐架設工班,隧道施工工率因此增加。

GRC -Ground Reaction Curve

岩體面應變反應曲線可以通過運行PLAXIS 2D平面應變分析來獲得，並考慮在沒有任何支撐手段的情況下進行完整的隧道開挖。分析將能夠監測隧道壁徑向位移以分階段施工,增加隧道施工工率。

SCC -Support Characteristic Curve

獲得的GRC將用於評估等效的去束缚程度(the equivalent deconfinement level)，提供與LDP在與鏡面L的距離處相同的徑向隧道壁位移，啟動支撐架設。

支撐特性曲線也在單獨和類似的2D平面應變分析中比對，若先前分析中發現相當的束缚水準,將額外啟動隧道支撐。

坑隧開挖後初始岩體面支撐由噴凝土或鋼纖噴凝土噴塗取得,接續視設計及觀測修正設計採取打設岩釘’岩錨,鋪設鋼絲網或織物加固後噴塗噴凝土，軟弱岩層加設鋼筋桁型鋼肋支撐’噴凝土噴塗包裹,也或有管幕及弱岩管幕灌注膠結材加固的設計。

噴塗混凝土襯砌法（SCL - sprayed concrete lining method），是一種現代隧道設計和施工方法，採用複雜的監測來優化各種牆體’拱頂’仰拱加固技術，基於隧道掘進過程中遇到的岩石類型。這種技術在1960年代首次引起了人們的關注，這是基於Ladislaus von Rabcewicz，Leopold Müller和Franz Pacher在1957年至1965年間在奧地利的工作(Karst-喀斯特地質)。NATM這個名字旨在將其與早期方法區分開來，其經濟優勢是利用周圍岩體中固有的地質強度來盡可能穩定隧道，而不是加固整個隧道。

NATM整合了坑道被挖掘岩體面在荷載作用下,監測施工期間被開挖岩體施工中的性能變化的岩體行為原理。NATM通常被稱為「隨用設計」方法，通過根據觀察到的地面條件提供優化的支撐。更準確地說，它可以被描述為「隨時檢核設計的設計」(design as you monitor)方法，基於觀察到的襯裡的收斂和發散以及當前岩石條件的映射。隧道依次開挖(導坑及多導坑)和支撐，開挖順序可以改變，以有效地解決遇到的特定岩石條件。

最初的被開挖岩面支撐由噴凝土或纖維噴凝土或岩面掛鋼絲網後噴塗噴凝土程序施工，軟弱岩層給予岩盤加固灌漿’岩栓’岩錨拉固結合鋼拱或鋼筋桁型鋼肋支撐。易膨脹’崩解岩體則採管幕及管幕段岩體壓實加固灌漿。

隧道仰拱開挖併以噴凝土閉合仰拱,拱作用生成抗壓環,提升支撐效能。

隧道斷面在初襯穩定後執行永久性襯砌;初襯面包覆防水布後鋼模內加勁材架設,封頭封模,混凝土澆置。

監測使NATM工法非常靈活，遇到地質力學岩石一致性的意外變化，例如通過破碎帶或水層。加固的方式多元;導水’岩釘及錨’鋼絲網’排水孔鋪設’噴塗噴凝土,再以鋼筋桁型鋼肋加勁支撐並噴凝土包覆。視需求設管幕作破碎帶固結灌漿(破碎帶需大扭力鑽孔設備)。

NATM力學及施工邏輯

1 岩石自持應力的發展;岩拱能夠自給自支。

2 噴凝土 - 鬆動和進一步的岩石變形必須最小化。在開挖面推進后立即應用薄層噴凝土裹上新鮮開挖岩面可以減少岩體自持應力的發展。

3 岩體變位監測- 開挖面推進即時觀測變形’岩體應力變化。NATM 需要安裝精密的儀器桿件;桿件可以岩體鑽孔安裝,掛網二次噴凝土時嵌入在襯砌裡、岩體表層固定。安裝儀器監測初始支撐系統中的變形，並形成改變初始支撐設計和挖掘順序的基礎。

4 柔性支撐 – 永久完成面襯砌厚度是反映地層條件的變化反射。隧道混凝土襯砌加固是通過岩石螺栓、鋼絲網和鋼筋桁型鋼肋支撐的靈活組合形成。使用主動式,非被動式支撐(依據變位監測調整支撐組合;合約的可變更必須注記。)。桁型鋼肋支撐主要是為了改善傳統隧道H型鋼支堡(或許重或許組裝繁瑣較困難)，桁型鋼肋支撐斷面形式常用者為三桿式或四桿式，箍筋形式可分為外箍螺旋式竹節鋼筋或內接式圓棒鋼筋。

5 隧道仰拱閉合 - 軟弱隧道多導坑(Stacked drifts)開挖的仰拱開挖必須小分段,開挖後須即時以支撐襯砌閉合,完成閉合拱型,拱提供有效支承環。

6 岩體分類決定支撐組合型態 – 岩石力學發展成的岩體分類法相對應提供隧道支撐襯砌的組合型態,為隧道開挖支撐強度的依據。

7 TBM通常設計最佳盾構並安裝土岩監測儀,即時提供隧道周圍土體擾動後應力應變,反映建立最適承載環(可以是噴凝土組合或經濟性的預鑄混凝土環片’永久性襯砌)。

最佳橫截面的計算，只需要薄薄的噴射混凝土保護。它緊靠在挖掘的隧道面形成一個自然的承重環(包含鏡面噴凝土噴塗)，並最大限度地減少岩石的變形。安裝岩土工程儀器以測量開挖的後期變形。可以監測岩石內的應力分佈。

NATM特性

1 隧道依次開挖和支撐，開挖順序可以改變，以有效地解決遇到的特定岩石條件。

2 最初的被開挖岩面支撐由噴凝土或纖維噴凝土或岩面掛鋼絲網後噴塗噴凝土程序施工，軟弱岩層給予岩盤加固灌漿’岩栓’岩錨拉固結合鋼拱或鋼筋桁型鋼肋支撐。易膨脹’崩解岩體則採管幕及管幕段岩體壓實加固灌漿。

3 隧道仰拱開挖併以噴凝土閉合仰拱,拱作用生成抗壓環,提升支撐效能。

4 隧道斷面在初襯穩定後執行永久性襯砌;初襯面包覆防水布後鋼模內加勁材架設,封頭封模,混凝土澆置。

隧道工法採傳統開挖方式結合新奧工法變形應力控制支撐的優缺

1 支撐型態根據地面條件,設計彈性,安裝有時間性。

2 新奧工法根據地面條件設計支撐的經濟性，若與採用專為最壞地質隧道負載情況而設計的TBM 工法相較;TBM預鑄混凝土環片設計保守。

3允許多個開挖面同時隧道挖掘, 彈性優化設備及增加工作人員。

4 彈性意謂須協調、合作與溝通。新奧工法工序致使工率低。必須盡可能避免挖掘和支撐作業的中斷。

二十年來，在噴塗混凝土技術，先進的外加劑以及噴塗混凝土的應用，複雜的噴塗機器人和防水方面取得了重大進展。數值設計技術也得到了改進。所有這些因素使設計人員能夠越來越多地使用噴塗混凝土襯砌以獲得長期使用壽命。在許多情況下，傳統的雙層襯裡系統被複合殼襯里系統所取代，複合殼襯裡系統由兩個混凝土襯裡組成，襯裡之間有噴塗防水膜。

典型的隧道襯砌配置是雙殼襯砌（DSL）、單殼襯砌（SSL）和複合殼襯砌（CSL），如坑隧岩面支撐組合圖。

通過常規方法開挖的隧道的襯砌是基於雙殼襯砌（DSL）方法設計和建造的。最初，建造臨時噴塗混凝土襯砌（一次襯砌）是為了在開挖后穩定被開挖岩體面，僅包含短期至中期荷載。隨後，安裝永久性場鑄混凝土襯砌（二次襯砌）以容納長期荷載，並滿足維修保養方便性和耐用性的要求。在安裝二次襯裡之前，在一次襯裡面安裝預製的防水導水板材不織布等及防水卷材(聚氯乙烯高分子材質)，將一次襯裡與二次襯裡分開。這種方法不考慮一次襯砌的任何對岩體給予荷載的結構支撐貢獻，在某些項目條件下，例如具有預期高水壓和所需完全排水條件的深長隧道，這種設計方法是唯一可能方法。荷載在施工后由主襯砌承載長時間是必然。

幾十年來，單殼襯砌（SSL -Single shell linings ;permanent concrete linings）一直作為永久性混凝土襯砌建造，主要在不透水的地面或有少量水流入的地面上，以建造不同的地下結構。它們可以由在不同時間放置的單層或幾層混凝土組成，沒有防水膜。關鍵的設計問題與一次襯砌和二次襯砌之間的結構相互作用有關，因為它們通常在不同的時間建造，因此屈服於不同的應力和應變，以及襯砌的水密性。

在混凝土技術（混合設計），先進的摻劑（例如減水，無鹼促進劑）以及噴塗混凝土的應用，複雜的噴塗機器人以及使用噴塗膜對隧道襯砌進行防水方面取得了重大進展。所有這些因素使設計人員能夠越來越多地使用噴塗混凝土以獲得長期使用壽命。

使用具有高粘結強度的噴塗防水卷材結合一次和二次襯裡，在以前不允許使用單殼襯裡的地下水條件下，將一次襯裡組成到最終隧道襯裡中變得可行。複合殼體襯裡系統誕生。設計工程師現在有更多的襯裡設計選擇，可以根據具體的專案條件進行優化。

複合殼體襯砌系統是單殼襯砌系統的進一步發展;圖。它由兩個混凝土襯裡組成，中間嵌入了雙粘噴塗防水捲材。它適用於透水性地面上的隧道，其進水量有限，可管理或通過預灌漿或地下水降低處理，因為初襯表面必須乾燥(黏結性品管)才能允許使用噴塗防水材。雖然一次襯砌由噴塗混凝土組成，但二次襯砌可以由噴塗混凝土或場鑄混凝土組成。混凝土和防水捲材都是複合殼襯砌系統的相關功能部件。