行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
隧道特殊區段力學行為之研究
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC91-2211-E-011-028-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學營建工程系
計畫主持人： 陳志南
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 92 年 10 月 31 日
隧道特殊區段力學行為之研究 計劃編號：NSC 91-2211-E-011-028
執行期限：91.08.01 ~ 92.07.31
主持人：陳志南 國立台灣科技大學營建工程系
關鍵詞：隧道、特殊區段、應力集中
中文摘要
本研究利用 FLAC-3D 軟體建置三 維模式，分析探討隧道銜接特殊區段 之支撐系統與岩體之交互影響，探討 不同開挖施工方式下隧道周圍的應 力、變形分佈、與岩盤性質間之關係，
進而洞悉如何控制或減低應力集中、
如何支撐補強、及瞭解支撐與開挖順 序之互動影響，以提供規劃/設計/施 工/監測/緊急搶救之參考。本研究將 利用。
Keywords: tunnel, special region, stress concentration
ABSTRACT
The research focuses on the interaction between support and roch masses of tunnel special region by using three-dimensional numerical code FLAC3D. How the stress adjust and deformation
develop are analyzed. The stress concentration during tunnel breakage and support strengthen are proposed for the plan, design and construction needed.
一、前言
有關隧道銜接特殊區段之相關工 程，設計者應明其機制方能做出最好 方案，但此方面之研究不多，因需複 雜之三維分析，顧問公司限於可用人 力及成本，多以經驗法進行規設，無 法深入掌控其力學行為。故本計劃乃 針對此些盲點，進行相關機制探討。
二、研究目的
本計劃考量特殊區段若干重要課
題如：(i)挖掘過程中的三維應力調整
變化情況：如初始應力(三軸受壓情況)
在何種情況下會轉化為雙軸或單軸應
力 情 況 、 (ii) 銜 接 區 開 挖 之 影 響 範
圍、(iii)變形及鬆弛區發展過程、(iv)
施工支撐補強相關資訊等等。
三、文獻探討
由於隧道銜接區段需用複雜之三 維分析，以往二維理論及概括性之理 念多使不上力，至電腦計算能力增進 及可用程式出現後，對工程實際設計 施 工 所 需 之 “ 較 定 量 ” 或 “ 較 深 入”資訊才逐漸出現﹝1-5﹞，針對國 內即將進行興建之花東地區長大隧道 之規設所需，此方面之研究已刻不容 緩。
四、研究方法
本 研 究 針 對 未 來 東 部 公 路 隧 道 可 能 的 配 置 與 施 工 考 量 為 探 討 之 對 象 ， 數 值 模 擬 之 隧 道 銜 接 特 殊 區 段 之 覆 土 深 約 300 公 尺 ， 週 遭 弱 岩 之 岩 體 分 級 RMR=30，側 壓 係 數 K
X=K
Y=1， 岩 體 單 位 重 為 2.7t/m
3，主 隧 道 為 近 似 三 心 圓 斷 面 (最 寬 寬 度 約 14m，最 高 高 度 約 14m)、 通 風 輸 送 管 近 似 三 心 圓 斷 面 (寬 度 10m， 高 度 5m)。 所 有 開 挖 均 採 延 遲 一 輪 進 上 支 撐 (20cm 厚 度 之 噴 凝 土 )，在 破 孔 銜 接 區 域 之 輪 進 長 度 為 一 公 尺 ， 其 他 外 圍 輪 進 為 兩 公 尺 ， 本 研 究 所 建 立 之 大 斷 面 機 房 長 108m，通 風 輸 送 管 長 81m (圖 一 )。
本研究擬進行之數值模擬流程包 含初始應力平衡、大斷面機房上半斷
面台階Ⅰ開挖至超過術接區 36m，大斷 面機房台階Ⅱ開挖通過銜接區 36m，由 大斷面機房破孔朝外單側破孔開挖通 風輸送管 36m，大斷面機房台階Ⅳ降挖 四個主要施工過程(圖二 )，各開挖階 段中，皆延遲一輪進上支撐（20cm 厚 之噴凝土） ，在交叉段區域之輪進長度 皆為 1m。
4.1 鄰近隧道特殊區段破孔處之測點 在不同開挖階段之應力調整過程
欲 瞭 解 破 孔 週 遭 之 應 力 調 整 過 程，可先由點之應力變化分析，再擴 充到面之應力變化。選擇之測點係配 合 斷 面 之 分 階 開 挖 ， 其 位 置 包 含 頂 拱、上半斷面Ⅰ之角隅點、洞台Ⅱ之 角隅點及洞台Ⅳ之仰拱等四點，其四 個開挖階段之應力調整過程可由應力 掘進變化曲線加以探討，由研究分析 所得結果如下：以開挖面上之頂拱為 例(圖三)：
在 尚 未 挖 掘 之 大 地 初 始 應 力
（K=1） ，其為等壓三軸（σ
1=σ
2=σ
3） 情況。當階段Ⅰ開挖工作面挖至測站 前方 0.4B（B 為大斷面機房寬度）時 進入影響範圍，此時應力由等壓三軸 調整成三軸（σ
1>σ
2>σ
3）之情況，σ
1
增加而σ
3減少，當工作面挖抵測站前
二個輪進時σ
1增至最大值，而此時相
對σ
3急速減小，當工作面挖過測站時
σ
1急速減小，換言之，(σ
1-σ
3)最大 值發生在工作面挖抵測站前後兩個輪 進間，是隧道安性最低之時刻，可稱 之為關鍵輪進，若與未開挖前之初始 應力σ
in比較，其最大應力可調整至 1.4σ
in，而挖過測站後之應力調整也 急速下降到 0.5σ
in。在此關鍵輪進區 間主應力之作用方向也隨之旋轉(σ
1≠σ
xx，但σ
2≠σ
yy，但σ
3≠σ
zz)。當 工作面挖離影響範圍後，σ
1又轉回σ
xx
方向(此時σ
1=σ
xx)，後續之Ⅱ，Ⅲ，
Ⅳ開挖均離頂拱較遠，其應力調整已 甚微。
若再由變形掘進曲線觀察可知，上 半斷面Ⅰ挖除時頂拱失去下方支撐，
故垂直方向之頂拱沉陷（z 方向位移）
最大，沿掘進方向之（y 方向位移）居 次，另一水平變位（x 方向位移）最小。
4.2 通風輸送管上測點之掘進應力變 化曲線：
通風輸送管上最高測點與階段Ⅰ 之角隅點相當接近，討論如前，故以 下就側壁點來討論：
(1)由破孔側壁處之應力掘進變化曲 線可知，因其非位於明顯之轉角處，
故不如前述角隅點明顯之應力集中效 應，當大斷面機房上半斷面Ⅰ及中半 斷 面 Ⅱ 挖 掘 過 程 中 之 最 高 應 力 近 似
1.8σ
in，挖除週遭岩體後之應力解壓 為 0.64σ
in，當破孔支撐移除時其應力 又掉為 0.4σ
in隨後的開挖其應力不降 反昇，其差值（0.77-0.64）σ
in即為 破孔前後，岩體施加支撐之σ
1應力增 量。
(2)其次由破孔處不同點位之應力掘 進變化比較：除了前述破孔側壁位置 外，吾人對破孔其他位置（如最高及 最低位置）之應力變化值亦有興趣。
故將此三處位置之最大主應力σ
1、三 個主應力（σ
1、σ
2、σ
3）之應力掘進 變化來加以比較。由分析可知對破孔 邊界上之三點而言：最高及最低位置 在剛破孔（移除支撐）及破孔後續挖 之σ
1均呈應力釋放情況，但側壁處則 不然，其在破孔支撐移除時σ
1會下 降，但隨後的開挖其卻不降反昇(圖 四)，換言之此上升之應力將會造成先 前大斷面機房所設置之支撐承受額外 的作用力。
（3）再由破孔側壁處之變形掘進曲線 可知，當中半斷面Ⅱ挖除時支撐岩體 減少，水平方向變形（x 方向位移）遽 增，隨後開挖階段皆對測點變位影響 甚微。
（4）有關破孔需考量之支撐補強：就
設計及施工涉及的課題包含支撐補強
到多大範圍及補強到何種程度?補強 範圍可由加壓區之範圍來決定，至於 補強程度則可藉由破孔前及破孔後施 加在支撐上之岩體作用力（σ
1、σ
2、 σ
3）來比較。此可藉（σ
1、σ
2、σ
3） 掘進曲線中主隧道挖掘超過破孔位置 甚遠處之岩體受力（相當於主隧道二 維開挖分析中之σ
1及σ
3）與通風輸送 管破孔後之岩體受力情況來比較，其 分析結果顯示側壁呈現加壓行為，其 支撐承受之岩壓在破孔後（σ
1、σ
2、 σ
3）分別增加為（22%、23%、170%），
可作為支撐補強之作用應力參考。目 前隧道業界常用二維分析結果，係將 應力再增高一定比例（如 10%）的做法 有待商確，因為二維分析只能得到σ
1及σ
3，並非適用特殊區段情況。
五、結論與建議 5.1 結論
(1) 當 工 作 面 挖 過 測 站 時 σ
1急 速 減 小，(σ
1-σ
3)最大值發生在工作面挖 抵測站前後兩個輪進間，是隧道安性 最低之時刻，可視之為關鍵輪進。
(2)第一階段主隧道上半斷面開挖之應力 調整，發現於角隅區域其最大應力升至 2.3σ
in；角隅外之其他鄰近開挖表面之區 域，主隧道上半斷面曲率較大處，其σ
1可 降至初始應力 0.33σ
in。
(3) 破孔時之弧形曲面修挖有可能是最
危險的時刻，本研究先考慮弧形曲面分 四次修挖至形成設計之通風輸送管斷 面，其修挖過程因該處之 20cm 厚噴凝土 支撐逐漸被挖掉，致修挖處上方及下方 附近呈現解壓趨勢，σ
1、σ
2、σ
3壓力 均往下降，四次修挖其σ
1降壓幅度依序 為 5%、12%、3%、2%。接著進行之通風 輸送管等斷面開挖，輪進長度 1m 共開挖 6 輪進之σ
1應力下降輻度依序為初始應 力之 2%、2%、1.6%、1.1%、0.7%、0.8%。
(4) 在本研究範圍內(RMR=30、K=1、
d=300m)，破孔前後並不產生加壓行 為，致主隧道已完成之支撐在破孔後 並不需承受額外之加壓。
(5) 本研究選定主隧道頂拱及通風輸 送管之頂拱、側壁、仰拱作為分析測 點，分析並列出其在開挖過程中之應 力調整，可作為類似工程參考。
5.2 建議
岩盤中充滿節理或不連續面，本研
究使用之數值分析軟體（FLAC3D）為
針對連續材料，故對於實際工程情況
並未能作全面性的考量。若使用較能
考量地質構造之 UDEC 或 3DEC 分析軟
體，將有助於分析結果更接近實際工
程情形。
六、參考文獻
(1) 游 步 上，「 隧 道 交 叉 段 之 三 維 變 形 量 測 與 參 數 分 析 」 ， 博 士 論 文，國 立 台 灣 科 技 大 學 營 建 工 程 技 術 研 究 所 ， 台 北
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國立台灣工業技術學院營建工程 技術研究所，台北 (1999)。
(3)Thareja,D.V.,
Madhavan, K., Sharma K.G.
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(4)Takino, K., Kimura, h., Takeda, N. and
Ito,F.,”Three-Dimensiona l Behaviour of Tunnel Intersection”,Fifth
International Conference on Numerical Methods in Geomechanics,
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(5)Tschiyama,S.,Hayakwa, M.,Shinokawa, T., and Konno, H.,”Deformation Behaviour of the Tunnel under the Excavation of Crossing Tunnel”,
Numerical Methods in geomechanics,pp.1591-159 6,(1988)
b=9.9m B=18m h=5m
H=20m 通風輸送管
通風輸送管
大斷面機房
Y
X Z
圖 一 本 研 究 建 置 之 三 維 模 式
Ⅰ
Ⅱ
Ⅳ
Ⅲ
開挖順序：
階段Ⅰ：開挖主隧道上半斷面 階段Ⅱ：開挖主隧道中半斷面 階段Ⅲ：開挖通風輸送管 階段Ⅳ：開挖主隧道下半斷面
圖二大斷面機房與單側通風輸送 管之開挖順序
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00
0 20 40 60 80 100 120 140 160
σ1 σ2 σ3 sxx syy szz
虛線代表測站位置 輪進數
應力值(MPa)
Ⅱ
Ⅰ Ⅲ Ⅳ
圖三 大斷面機房頂拱處之應力掘進 變化曲線
3m 9.9m 3m
