行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
紅外線熱影像分析探討隧道襯砌之劣化情形
計畫編號：NSC 91-2211-E-151-004
執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
主持人：沈永年副教授
研究生：張真良
執行機構及單位名稱：國立高雄應用科技大學土木工程系
一、中文摘要 本研究係探討以紅外線熱影像分析技 術來評估隧道之襯砌品質。研究結果顯示 隧道襯砌之裂縫、蜂窩等瑕疵，透過紅外 線的探測和比對色階，可容易的判斷出其 位置、大小、長度、範圍及方向。經由實 地檢測高雄市西子灣隧道和高雄縣大關山 隧道，結果顯示隧道襯砌若有內部孔洞或 裂縫，則其溫度變化差異大於沒有孔洞及 裂縫之襯砌。紅外線熱影像圖中溫差大於3 ℃的區域為隧道襯砌有缺陷之部位，溫差 較低的區域則為完好之隧道襯砌。西子隧 道 襯 砌 並 以 有 限 元 素 法(FLAC) 加 以 分 析，顯示隧道襯砌最大壓應力為92㎏/㎝ 2，最大剪應力為1.25㎞/㎝2 ，發生於襯砌 直線段與圓弧段交界處。 關鍵詞：熱影像，隧道，襯砌 AbstractThe objective of this research is aimed at quality evaluation of tunnel lining by using infrared thermography. In-site studies are carried out in the Kaohsiung Hiziwan tunnel and the Daguan mountain tunnel to evaluate the quality of tunnel lining. The results of the studies show that the size, length, scope and direction of tunnel lining crack and honey comb can easy judgement by infrared thermography, and if the temperature difference between good and damaged tunnel lining is more
than 3℃ the image of thermography is clear.
Keywords：Thermography, Tunnel, Lining 二、前言 台灣在地形上有百分之七十的面積是 山岳及丘陵地，加上中央山脈由北至南貫 穿全島，各種交通建設很難避免受到山勢 的阻隔，故必須以隧道工程加以設計施工 而克服完成。並且在寸土寸金之都會區， 從事大眾捷運工程等建設，若徵收土地從 事建設將受居民阻撓而窒礙難行；若採用 高架設計，則對視覺及景觀衝擊太大，故 大多採用地下隧道方式來設計施工。隧道 的安全性與耐久性，主要係由設計、施工、 材料、養護與檢測維修等因素來決定。若 隧道之設計、施工與材料不良，及隧道在 營運使用過程中，遭到人為損傷以及各種 大自然的侵蝕與破壞將會使隧道結構產生 損害。因此隧道之養護維修與監測工作為 很重要的工作，應即早發現受到損害之區 域，並在隧道結構尚未損壞前，採取適當 的維修養護及補強措施，以解決隧道的缺 陷與損害。在一般環境下，隧道內因溼度 較高且溫度較為穩定，頗適合紅外線熱影 像分析之非破壞檢測技術施作。理論上應 可使用紅外線熱影像分析技術，來檢測隧 道襯砌之品質與安全性。 三、文獻回顧 紅外線為屬於電磁波譜上波長為 0.75 至 10µm 之電磁波，凡是物體溫度大於絕 對溫度時，皆會輻射紅外線；並且不同的
溫度所輻射的紅外線能量亦不同。而物體 所能輻射紅外線能量的大小，與物體本身 表面材質、表面狀況特性、溫度及波長等 條件有關[1]。估計物體紅外線輻射能量之 能力，需找到一物體能完全吸收紅外線的 物體作為標準，此標準物體稱為「黑體」。 而物體在某溫度下所輻射能量，與標準物 體之輻射能量比質，稱為該物體之放射率 [2]。 紅外線熱影像檢測所接收的能量除了 與放射率有關外，還包括被測物體溫度及 其它物體或環境所輻射之紅外線，經由被 測物之反射及經由穿透被測物而到達檢測 器之能量。紅外線熱影像檢測器所吸收之 紅外線能量可以(1)式表示。 Em=Ee+Er+Et
= εE0+ρEb+ τEs (1)
式中 Em:為檢測器所感應之紅外線能量 （w/㎝2）。 E0:為被測物本身所輻射出之紅外線 能量（w/㎝2）。 Eb:為反射源本身所輻射出之紅外線 能量（w/㎝2）。 Es:為穿透源本身所輻射出之紅外線 能量（w/㎝2）。 Ee:為物體因放射率所輻射至檢測器 之紅外線能量(不含過程之衰減) （w/㎝2）。 Er:為反射源經被測物反射至檢測器 之能量 (不含過程之衰減) （w/ ㎝2）。 Et:為穿透源穿透到被測物後至感測 器之能量(不合過程之衰減) （w/ ㎝2）。 ε:為被測物之放射率。 ρ:為被測物之反射率。 τ:為被測物之穿透率。 並且放射率與反射率、穿透率有一定 關係存在，即 1= ε + ρ + τ (2) 由(1)式、(2)式與(3)式史帝芬茲曼法則 (Stefan-Boltzmann)，即可求得被測物體之 溫度。紅外線線熱影量測溫度，主要依據 上述基本理論及公式而獲得。而史帝芬茲 曼法則公式如下： E=σT4 (3) 其中 E為紅外線能量（w/㎝2）。 σ為史帝芬茲曼常數。 T為被測物溫度(°K)。 基本上實施紅外線檢測時，須考慮一 些技術層面問題，若這些問題被忽略了則 會產生重大的誤差而導致誤判。譬如:1. 放射率、反射率、穿透率所給之值是否正 確，若不正確則依式(1)(2)(3)所得之溫度 即會有誤差發生。2.有反射、穿透現象存 在時，反射源、穿透源能量如何定量是一 個問題。3.當半導體材料為多層材料時， 則會產生多層次之穿透、反射現象，此複 雜情形皆須考慮否則會產生檢測誤差。4. 如何利用一些輔助設備及技術來減少放 射率、反射率等的錯誤估計值。例如利用 恆溫箱，具高放射率的點漆等，來求得較 正確的放射率。5.利用特殊紅外線反射鏡 來求得反射源輻射能量[2]。 紅外線熱影像所測得溫度，為被測物 體的表面溫度。而物體表面溫度的變化主 要受下列三項因素影響： 1.材料表面條件 各種材料的放射係數與表面的粗糙 程度有關。粗糙表面物體的放射係數， 較光滑表面物體來的大。譬如表面光滑 金屬的放射係數僅有0.05，而表面粗糙 的混凝土放射係數則高達0.94至0.95。 2.材料內部結構組織 傳導係數係隨材料內部結構組織情 形而異。就混凝土結構而言，孔隙的傳 導係數便遠低於包覆在其四周混凝土的
傳導係數。即混凝土的孔隙率愈大，則 會大幅降低混凝土導熱能力。 3.周圍環境條件 (1)周圍溫度：其實周圍溫度影響並不 大，但是如果有水分存在時，且溫度 降至0℃以下，則水可能在空氣中結冰 而必需避免。 (2)太陽輻射：施測的時間應選擇在吸收 或釋放輻射最快速的時候，譬如早晨 或傍晚。 (3)風速：風速會加速表面溫度的下降， 所以量測時，風速應在25㎞/hr以下。 (4)表面濕度 材料表面狀態和結構隨著作用的溫度 而有所不同，利用紅外線熱影像則可直接 推測和分析其損傷的情況。火燒溫度較高 的混凝土其表面疏鬆和孔隙較多，熱能的 傳導受到阻礙而於表面形成熱堆積，由此 可得知當混凝土表面產生剝落、裂縫或內 部有孔隙，都會造成熱能傳導受阻而於表 面產生溫度之變化 [3]。紅外線熱影像分析 可應用於調查邊坡特性評估，因而在不同 陽光照射條件下，不同岩性間的溫度變化 過程不盡相同，在清晨未受太陽光影響下 進行紅外線熱影像探測，可以避免地形、 陽光、天候的影響，得以進行相互探討比 對。並且由噴漿護坡劣化評估中，可發現 噴漿護坡之內部孔洞的部分，其溫度變化 差異大於噴漿護坡內部完好的部份[4]。 四、試驗計劃 1.試驗儀器 本研究之紅外線測溫熱影像分析 儀(TVS-110)，包含熱影像測溫主機， 其測溫範圍-10℃至300℃，解析溫度 0.2℃以下，焦距30㎝至100m。 2.試驗方法 本研究並以西子灣隧道及大關山 隧道為對象，利用紅外線測溫熱影像分 析儀進行實地檢測，再以紅外線熱影像 之分析軟體進行分析，以解析隧道襯砌 之裂縫分佈與劣化情形。 五、結果分析 1.西子灣隧道 高雄市西子灣隧道為進出國立中山大 學之人行通道，隧道建於日據時代，於民 國六十年及七十二年皆曾發生龜裂及漏水 之現象。圖 1 為西子灣隧道西側隧道口 15m 處一橫向裂縫，因為裂縫深度較深， 造成滲入裂縫中之水分無法與空氣接觸而 不易散失，使得裂縫中心處的溫度較低。 圖中下方為電器線路之塑膠護管容易吸 熱，溫度較高。圖2 為西子灣隧道東側隧 道口30m 處一修補過後的壁體，由於修補 不確實，使得內部產生孔隙，水份滲入孔 隙中，使修補位置之溫度較周圍溫度低。 因此可判斷此處修補工作不確實。 2.大關山隧道 圖3為大關山隧道西側隧道口，由熱影 像圖可知隧道內（點1）溫度只有2.2℃， 與隧道外路面之溫度相差極大。圖4為大關 山隧道西側隧道口5m之混凝土襯砌，滲水 處為混凝土襯砌接縫處，由右圖可發現滲 水處（點1）之溫度為1.9℃，較周圍完整 之襯砌（點2）溫度5.1℃低，由此便可確 定滲水位置，並對其進行修補。圖5為大關 山隧道西側隧道口8m處頂端之混凝土襯 砌接縫，由熱影像圖中可以得知除襯砌接 縫處（點1）因滲水溫度為2.9℃，靠近接 縫兩側之溫度（點3）為4.1℃，皆低於周 圍完整襯砌的5.8℃，可見接縫內部也有存 在部分水份。圖6為距西側隧道口11m處之 混凝土襯砌，混凝土襯砌內部因含孔隙， 造成水分積存於孔隙中，水分結冰時會將 孔隙擴大而成裂縫。圖7為大關山隧道靠近 台東端之隧道口2m處，由照片中可得知此 接縫曾經修補過，在黃色圈選處可發現未 修補之孔洞，此孔洞為右圖中之點1，此處 溫度為2.8℃較未修補之區域溫度低了近3 ℃。主要是因為此處之裂縫深度較深，內 部有大量水份積存，使得與完整襯砌之溫 差將近10℃。 3.數值模擬分析
本研究利用有限元素程式 FLAC，進 行西子灣隧道襯砌結構之安全性分析。考 慮隧道為平面應變問題，並利用隧道左右 對稱之特性，取隧道斷面的一半進行分 析。首先建立隧道的網格，避免邊界效應 影響分析精度，網格每邊取20m，為隧道 半徑(r=3m)的 6 倍以上。考慮隧道位於泥 岩內，泥岩及隧道櫬砌參數如表1 所示。 考慮覆蓋厚度80m，側向應力等於垂直應 力 ， 在 網 格 內 加 上 初 始 等 向 現 地 應 力 P0=1.68MPa，將隧道部份之岩石挖除，允 許隧道周圍岩石有少許變形以釋放部份之 現地應力，在頂拱變形達1.18 公分時將襯 砌元素加上，再繼續進行分析，直到程式 收殮為止，以模擬實際開挖之情形。襯砌 節點座標如圖8 所示。 隧道襯砌各點所承受之軸力圖、剪力 圖及彎矩如圖 8~10 所示，各元素及節點承 受之軸力、剪力及彎矩如圖 11~13 所示。 由圖中可知最大剪力及彎矩處為元素 3， 最大軸力則發生在元素 7，其正向應力及 剪應力大小如表 2 所示，由表中得知最大 壓應力及剪應力皆發生於襯砌元素 3 中， 其值分別為9083kPa 及 123kPa，其位置為 襯砌直線段與圓弧段之交界處。由分析值 與襯砌強度比較，可以得知襯砌整體之安 全性無問題。以上之分析為考慮隧道上方 之岩石覆蓋厚度80m 的情況。 六、結論 1.西子灣隧道實施定期進行襯砌修補工 作，即襯砌結構並無明顯之裂縫，僅有部 份區域修補不確實，襯砌表面溫度變化差 異皆小於1℃。 2.大關山隧道無襯砌部份滲水顯著，造成 表面溫度降低約3℃，由紅外線熱影像分 析，顯示滲水處周圍溫度平均降低約 1~2℃左右，判斷除襯砌表面滲水外， 襯砌內部結構有孔隙，造成熱傳導受阻 而使溫度降低。 3.隧道中溫度變化小，施測時之熱影像畫 面通常為均一色調，需利用分析軟體調 整後才可判讀。 4.隧道襯砌經有限元素法分析，考慮岩石 覆蓋厚度為80m時，可得知襯砌最大壓 應力為92㎏/㎝2，最大剪應力為1.25㎞/ ㎝2，皆發生於襯砌直線段與圓弧段交界 處。 5. 即曾修補過之隧道襯砌結構，可利用紅 外線熱影像分析，檢查修補工程品質是 否確實。 七、誌謝 本研究之完全需感謝國科會專題研究 計畫(NSC-91-2815-C-151-010-E) 提供相 關費用。研究過程中公路局甲仙工務段劉 慶輝段長提供交通工具與協助管制交通； 及正修科技大學土木工程系王建智副教授 提供FLAC 程式軟體，在此一併致謝。 八、計劃成果自評 本研究計劃以紅外線熱影像分析探討 隧道襯砌之劣化情形，經由預定工作項目 之實地檢測及數值模擬分析等項目，與實 際執行項目作差異比較分析，如表 3 所 示，顯示計劃執行成果良好。 九、參考文獻 1.沈永年、趙衛君，〝紅外線熱影像分析在 混凝土非破壞檢測上之應用〞，第二屆 工 程 師 生 研 究 成 果 聯 合 發 表 會 論 文 集，台灣，2001，pp.145-154，。 2.鄭錦智、陳翠娟、賴永成，檢測科技， 第19 卷第 4 期， 2001，第 124~125 頁。 3.杜紅秀、張雄，〝混凝土火燒損傷的紅外 線熱像檢測與分析〞，建築材料學報，第 1 卷第 3 期，1998，ISSN 1007-9629。 4.吳秉晃，〝集集地震後阿里山地區公路邊 坡之崩壞行為與熱影像特性研究〞，國立 成功大學土木工程研究所碩士論文，
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圖1 西子灣隧道紅外線檢測實例(一) 圖2 西子灣隧道紅外線檢測實例(二) 圖3 大關山隧道紅外線檢測實例(一)
圖4 大關山隧道紅外線檢測實例(二) 圖5 大關山隧道紅外線檢測實例(三) 圖6 大關山隧道紅外線檢測實例(四)
圖7 大關山隧道紅外線檢測實例(五) 表1 FLAC 分析所使用之參數 種類 材料參數 泥岩 彈性模數 E=1000MPa 包生比 ν=0.2 單位重 d =2100 kg/m3 凝聚力 c=0.2 MPa 摩擦角 ψ=19。 混凝土櫬砌 彈性模數 E=21260 MPa 包生比 ν=0.2 襯砌厚度 t=40 cm 圖8 隧道襯砌各節點位置
圖9 隧道襯砌軸力圖
圖10 隧道襯砌剪力圖
2.20 2.40 2.60 2.80 3.00 3.20 1 2 3 4 5 6 7 Element No. A xia l Fo rc e( 1E 6 N ew to n) 圖 11 隧道襯砌所承受之軸力 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 1 2 3 4 5 6 7 Element No. S hear F or ce( 1E 4 Ne wt on ) 圖 12 隧道襯砌所承受之剪力 0.00 2.00 4.00 6.00 1 2 2 3 4 5 6 7 Element No. M om en t( 1E 4 Ne wt on -m ) 圖 13 隧道襯砌所承受之彎矩 表 2 襯砌剪力、軸力及彎矩最大處之應力值 襯砌位置 正向應力 (kPa) 剪應力 (kPa) 剪力最大處 9083，4866 123 軸力最大處 8200，7149 36.5 彎矩最大處 9083，4866 123 表 3 本計劃研究成果自評 NO. 計劃執行項目 實際執行項目 差異分析 1 文獻調查 相關文獻收集彙整 無 2 實地檢測 實地檢測 增加大關山隧道 3 數值模擬分析 FLAC 數值模擬分析 無 4 經費執行情形 依進度執行百分之百 無 5 成果發表 已於國內研討會發表二篇論文 新增
