一、 前言
5.4 核廢料溫度擴散對深層貯藏隧道之影響探討
本研究係參考美國 Yucca Mountain 貯置場，進行開挖前考慮岩盤之初始地溫，深度每增加 100m 地溫梯度上升 1.4℃。美國 Yucca Mountain 地下貯存庫之運輸及貯存隧道三維數值網格示意圖如 圖 5.60 所示，本研究數值分析主要之模擬單一貯藏隧道斷面，以 5.5m 圓形斷面為主要分析斷面。
以貯藏隧道中心該處溫度設定值 22.38℃，網格上下邊界各 125m 處分別設定為 20.63℃及 24.13
℃(如圖 5.60 所示)。
本研究數值分析之隧道斷面尺寸，參考自美國內華達州 Yucca Mountain 之地下貯藏隧道，目 的為探討岩石貯藏隧道受核廢料升溫是否會對其造成影響，著重在隧道周圍岩盤之溫度變化及伴 隨之力學變化。相關貯藏隧道開挖尺寸為直徑 5.5m，覆土深度 300m，採全斷面開挖，如圖 5.61 所示採用狄卡兒座標系統，座標原點在隧道圓心位置。本研究以 FLAC3D所建立的三維網格數值分 析，針對以下分析模式探討施工及貯置過程中其溫度及應力變化調整情形。本研究先以單一隧道 著手，再擴及至三條並行隧道（如圖 5.61 所示）。
本研究溫度效應材料參數之選用如表 5.4 所示。根據鄭文隆（1996）針對國內公路隧道之平 均輪進長度進行統計如表 5.5 所示。而其中在第三、四類岩盤（RMR 值介於 20~60 之間）開挖時，
最常使用之輪進長度約為 2m。而本研究因模擬之岩盤為強度佳岩盤（RMR=70）擁有良好自立性，
故所採用之開挖輪進增長為 4m，配合整體網格建立隧道掘進網格(如圖 5.62 所示)。
變位方向本研究定義如下：各點之絕對變位以隧道開挖後朝向隧道內部變形為正。至於空間 座標系統，隧道之掘進方向定義為 Y 軸方向，隧道之開挖係由-Y 方向朝＋Y 方向掘進，而標示 Y
＝0 的位置即為分析點或預設監測斷面位置，Z 為垂直方向，X 為垂直掘進方向之另一水平方位。
~8.4MPa 1.6MPa。岩體受熱膨脹後所產生的熱應力增量並不受側向土壓力係數 值的影響，應 力增量之幅度與 K 值無絕對之關係存在，不同 K 值間也不會受到時間因素影響而改變對岩體熱應
87.5m 處（K=0
隧道垂直向因為核廢料貯藏後溫度增加，造成最大主應力有所改變的位置，約在隧道垂直向±
.5、1.0、2.0）(如圖 5.64 所示)。隧道水平向因為核廢料貯藏後溫度增加，造成 最大主應力有所改變的範圍， 在 K=0.5、1.0、2.0 時，分別為 35m、107.5m(Δσ1 剩 10％)及 95m(如 圖 5.65 所示)。為了暸解襯砌在整個溫度歷時過程對於後方岩體應力的影響，在 K=1.0 情況下，
針對隧道頂拱、側壁及仰拱三種位置，在有襯砌及無襯砌狀態下的岩體應力變化情形作一分析探 討。岩體在第二年（最高溫，72.22℃）有襯砌時頂拱、側壁及仰拱的
σ
1分別為 27.7MPa、27.7MPa 及 27.9MPa，而無襯砌時則為 29.3MPa、29.3MPa 及 29.45MPa，相差為 1.6MPa、1.6MPa 及 1.56MPa，差異最大約在 5.8％，此差異證明襯砌確實可分擔岩體在溫度改變作用下受熱所產生的熱應力增
165m（全寬 330m），上下邊界各為 125m
（全高 250m），縱向分析總長度為 160m。單孔或三孔均使用此同一網格。數值模擬為依序先開挖 中央隧道，俟中央隧道全部挖完再開挖左側隧道，最後開挖右側隧道。全部開挖即成為間距 40m 的三孔平行隧道。若需較長之隧道中心間距，可視情況將隧道中心間距加長，即成為間距 80m（淨 間距 74.5m）左右邊界各為 210m（全寬 410m）之三孔平行隧道。核廢料之貯存為假設三孔隧道同 時儲存，觀察中央隧道頂拱、側壁及仰拱等三處岩體主應力變化情形，並將結果與單一隧道作比 較，探討隧道彼此間是否受到溫度擴散作用，進而產生交互影響的情形發生。其開挖順序如圖 5.68 所示。
選取 RMR=70 及側向土壓力係數 K=1.0 進行分析，先不考慮地下水之影響。如圖 5.69 所示，
分析如下：
（a） 單孔隧道貯存核廢料時，頂拱、側壁及仰拱
σ
1最大值為 27.68MPa、27.69MPa 及 27.86MPa），顯示在 K=1.0 環境下，因溫度擴散而引起的應力變化範圍，是呈均勻向外40m 之三孔 隧道同時貯存核廢料時，中央隧道三監測點（頂拱、側壁及仰拱）之 擴展情形。
（b） 間距
σ
1最大值分別為 31.82MPa、26.14MPa 及 32MPa），與未置入核廢料前相比，其Δ 增量為
σ
1 18MPa（+132％）、12MPa（+84％）及 18MPa（+130％）。（c） 間距 80m 之三孔隧道同時貯存核廢料時，中央隧道三監測點（頂拱、側壁及仰拱）之
σ
1 最大值分別為 29.93MPa、28.6MPa 及 30.1MPa），與未置入核廢料前相比，其Δ 增量σ
1 為 16MPa（+115％）、15MPa（+103％）及 16MPa（+113％）。（d） 另分別將三孔隧道（40m 及 80m）在同時貯存核廢料情況下，其中央隧道三監測點的
σ
1 最大值，與只有單孔隧道貯存核廢料情況下三監測點的σ
1最大值做一比較，其Δ 分別σ
1 為；於 40m 時三個Δ 分別為 4.14MPa（+15％）、-1.55MPa（-5.6％）及 4.14MPa（+15σ
1％）；於 80m 時三個Δ 分別為 2.25MPa（+8％）、0.91MPa（+3.3％）及
σ
1％）。
（e） 由上一點分析結果可知道，三孔同時貯存核廢料時，中央隧道三監測點的
2.24MPa（+8
σ
1，與只有 一孔貯存核廢料時相比，σ
1最大值有所增加及減少；由此可知若在中央隧道兩側同時 施加熱源，兩側之溫度擴散確實對中央隧道造成交互影響的情形發生。（f）
當 三 孔 隧 道 間 距 由 80m 拉 近 為 40m 時 ， 中 央 隧 道 三 監 測 點 之σ
1最 大 值 分 別 由（29.93MPa、28.6MPa 及 30.1MPa）變為（31.82MPa、26.14MPa 及 32MPa），增加幅度為
（+1.89MPa、-2.46MPa 及+1.9MPa），增加百分比為（6.3％、-9.41％及 6.3％），增加 幅度在 10％以下。
圖5.60 單一貯藏隧道之三維網格
表5.4 本研究溫度效應材料參數之選用
圖 5.61 單一貯藏隧道位置及相關參數
圖5.62 監測位置說明
圖5.63Y 方向及掘進變形量之定義
表5.5 RMR=70，不同 K 值情況下開挖面不同位置之主應力值(第二年最高溫度下)
圖6.64 儲存後 50 年間垂直方向上之主應力影響範圍(K=1.0)
圖5.66 有襯砌及無襯砌狀態下岩體應力之比較(k=1.0)
表5.6 有襯砌及無襯砌狀態下岩體應力分析值(k=1.0)
10
15 20 25 30 35
0 10 20 30 40 50
Time(years)
應力值(MPa)
頂拱有襯砌S1 頂拱無襯砌S1 側壁有襯砌S1 側壁無襯砌S1 仰拱有襯砌S1 仰拱無襯砌S1
圖5.67 多孔平行儲存隧道整體空間示意圖
貯 存 隧 道 運
輸 隧 道
圖5.68 平行隧道開挖順序示意圖
0
RMR30 交叉隧道側壁之塑性區範圍，約較主隧道開挖時之塑性區增加 1/4~1/3，約為 隧道直徑。
顯，且塑性區產生後其應力路徑平行並接近於破壞包絡線，因此隧道交叉段
隧道周圍點位應力變化，當
深度每100 公尺溫度增加1.4℃，隧道中心處之溫度設定為22.38℃
為20.63℃，下邊界125m 處設定為24.13℃。
俟貯藏隧道開挖完成，便在隧道內施加對應之溫度以模擬溫度改變後對貯藏隧道周圍岩體及 襯砌之影響。分析結論如下：
1. 由本研究撰寫程式對單一隧道核廢料溫度傳遞之分析結果，與美國Yucca Mountain 地下貯存 場數據對比驗證，為幾近吻合（其誤差小於1％）；另以單一無支撐隧道程式分析結果與Kirsch 理論解比較，亦是相當吻合，故可驗証本三維數值分析程式之適用性。 岩體最大熱應力增量
Δ
σ1
分別為（14.1MPa、13.6MPa、14MPa）、（13.8MPa、13.7MPa、13.8MPa）及（13.8MPa、16.9MPa、13.8MPa），顯示熱應力增量
Δ
σ1
並不受側向土壓力係數K 值的影響，應力增量之幅度與K 值無絕對之關係存在，不同K 值間也不會受到時間因素而改變對岩體熱應
個
Δ
σ1
分別為4.14MPa（+15％）、-1.55MPa（-5.6％）及4.14MPa（+15％）；於80m 時三個 σ1
Δ
分別為2.25MPa（+8％）、0.91MPa（+3.3％）及2.24MPa（+8％）。8. 三孔同時貯存核廢料時，中央隧道三監測點的σ ，與只有一孔貯存核廢料時相比，
1
σ 最大值1
有所增加及減少；由此可知若在中央隧道兩側同時施加熱源，兩側之溫度擴散確實會對中央隧 道造成交互影響的情形。9. 當三孔隧道間距由80m 拉近為40m 時，中央隧道三監測點之σ 最大值分別由（ 29.93MPa 、