行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
深層地下貯置場之穩定分析(2/3)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC94-2211-E-011-002-
執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 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
計畫參與人員： 曾正宗、陳志欣
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 95 年 5 月 30 日
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深層地下貯置場之穩定分析(2/3)
計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 94－2211－E－011－002－
執行期間： 94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳志南
計畫參與人員：曾正宗、陳志欣
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立臺灣科技大學
中 華 民 國 九十五 年 五 月 二十四 日
關鍵詞：核廢料、貯存、溫度
keywords：nuclear waste，disposal，temperature
深層地下置場之穩定分析(2/3)
計畫編號：NSC94-2211-E-011-002-
執行期限：94.08.01 – 95.07.31
主持人：陳志南 國立台灣科技大學營建工程系
一、摘要
本研究利用 FLAC-3D 軟體建置三 維模式，分析探討貯存隧道銜接區段 之變形、應力及溫度擴散之交互影響。
二、計畫目的
本研究第一期計劃為地下貯存庫 之運輸隧道與貯存隧道之交叉段資料 研究及三維網格建置與開挖力學分 析。本年度為第二年計劃，研究重點 則延伸至貯存隧道之開挖力學機制與 核廢料貯存段之溫度擴散效應。
由於地下貯藏庫常位於地下深 處，若干試驗所費不貲，且常須配合 施工階段進行。因此規劃設計之評 估，在國外也是從數值分析模擬著 手，配合輸入的現地岩盤參數，可分 析而歸納出應力、變形、鬆弛區發展 等相關之安全性趨勢及宜注意之課 題，以模擬未來施工時或未來擴充之 配置及施工流程，進而做為工程規劃 設計、施工及監測規劃時之重要參據。
三、研究方法
本研究係利用 FLAC-3D 軟體建置 貯藏隧道交叉之三維模式，搜集美國 正在發展的美國 Yucca Mountain 專案 計畫、瑞典核廢料貯庫、以及國內地 質參數，進行分析研究，探討針對地 下貯存場開挖力學上及核廢料貯存段
溫度擴散應注意的課題。
在考量作為核能廢料貯置場時, 對於隧道之配置及安全上有幾項基準 要求需列入考量：
1、貯藏隧道之堆置物回收最少歷時 50 年。
2、地層控制應在經永久封閉後仍為 穩定狀態。
3、地層控制應與地質圖相吻合。
4、地層控制應考慮襯砌及岩釘之安 全係數。
5、地層控制應考慮材料之使用在經 長期核廢影響後仍呈可接受狀態。
6、地層控制應保護落盤以避免傷害 到工作人員。
7、地層控制應於設計未能預知之載 重下，操作期間仍能維持穏定，不 增加額外的維護工作。
因此本計畫研究架構及分析結果如 下：
3.1 本分析模式之建立
參考美國 Yucca Mountain 之地下 貯存場配置，配合運輸隧道及貯存隧 道上之需要，本研究兩者之交叉型態 定為弧形（曲率半徑 61 公尺），運輸 隧道外徑為 8 公尺，貯藏隧道外徑為 5.5 公尺，並以 FLAC3D建立三維分析網 格（圖一），供進行研究力學及溫度效 應之相關分析。
考量邊界效應影響及實際應用之
考量，三維網格建立係以貯存隧道中 心軸為基準，建立於地下 300 公尺之 位置，以上下、左右對稱型態，左右 邊界為 125 公尺(全寬 250 公尺)，上 下邊界亦為 125 公尺(全高 250 公尺)
（圖二），縱向分析總長度為 140 公 尺，每一掘進長度以 2 公尺進行分析
（圖三）。
本研究先模擬分析單一貯藏隧道 開挖及核廢料貯置之影響，以後再擴 充到多個平行貯存隧道之情況。首先 針對單一貯存隧道進行開挖，俟開挖 完成後，其開挖面上在施加溫度以模 擬核廢料之熱源造成的高溫變化情 形。而為驗証自行撰寫之三維數值分 析程式之適用性與正確性，本研究以 貯藏隧道圓心為中心，取其上下各 25m、50m 及 100m 處之擴散溫度與美國 Yucca Mt.的核廢料貯存場研究資料來 作比較。
3.2 網格邊界及分析參數
根據洪秋金（1995）對單孔隧道 力學開挖影響範圍之分析，在較差岩 盤 RMR＝30 時，若網格邊界範圍在大 於 10a（a：隧道半徑）時，則邊界支 撐效應對分析結果影響不大，故其建 議邊界範圍可取不小於 10 倍隧道半徑
（10a）來進行數值分析。另再考量核 廢料高溫傳導之因素，故邊界範圍擴 充至 45 倍隧道半徑，如圖二所示。
在岩體參數的考量，參考
RocLab 1.0（Hoke＆Brown，2002）或 較適用於國內，由中興顧問社 1997 年 發展之經驗公式，引用不同岩層種 類、岩心強度或施工方式，可獲取岩 層參數，進行有限元素法之分析。由 於通常作為核能貯置場之地層，岩體
之完整性及地層之種類均較為良好，
故本研究先不考慮地下水之影響，並 藉上述方式求得之參數分析。本研究 之地層參數先以較為軟弱之岩盤（RMR
＝30），參考 RocLab 1.0（Hoke＆
Brown，2002）進行分析。取岩體單位 重 2700kg/m3，RMR 岩體評分值 30，岩 體變形模數 1.05GPa，岩體凝聚力 0.53MPa，摩擦角 26°，以及張應力 0.01MPa 進行分析研究；熱傳導參數取 熱傳導係數 2.07W/m-℃，比熱
910J/kg-℃及線膨脹係數 8.8×10-6 （1/
℃）(表一)。
3.3 分析結果
有關單一貯藏隧道開挖後之應 力、變形，選用開挖面上三處（頂拱、
側壁及仰拱）加以探討。圖四所示即 為貯存隧道開挖成後隧道頂拱處之掘 進應力曲線，圖五為貯存隧道開挖後 頂拱處之掘進變形曲線。因隧道形狀 為圓形，且側向土壓力係數 k＝1.0 分 析，因此頂拱、側壁及仰拱三處位置 之掘進變形量及應力值為近似。
在數值分析之溫度驗証方面，圖 六、圖七及圖八為貯存隧道中心上下 各 25m、50m 及 100m 處之溫度分析值，
其與 Yucca Mt.研究資料作比對亦於圖 中一併繪出，結果顯現本研究之程式 預測與 Yucca Mountain 數據相當穩 合。而在貯存核廢料之熱應力擴散方 面，圖九為核廢料貯存後岩體、側壁 及仰拱三處位置分析所得之主應力歷 時曲線。圖十為核廢料貯存後襯砌頂 拱、側壁及仰拱三處位置之主應力歷 時曲線。至於核廢料貯置後五十年 間，溫度傳導擴散範圍如圖十一~圖十 四所示。此諸圖可作為岩體及襯砌之
設計與監測之參考。圖十五為貯存隧 道在一特定間距下溫度擴散交互影 響，有關不同隧道間距對溫度之擴散 影響考慮在後續的研究中再行探討。
四、初步成果與後續研究 4.1 初步成果
(1)目前已利用建立完成之有限差分 法程式 FLAC3D模型，來有效分析隧 道掘進之變形及應變行為。
(2)本研究對於核廢料溫度傳導，由分 析結果與美國 Yucca Mt.研究資料 比對結果，為幾近穩合。可驗証自 行撰寫之三維分析程式的適用性 及正確性。
(3)本研究以模擬核廢料貯存為基本 概念，考慮岩體及襯砌所具備之熱 性質及力學特性，探討貯存隧道受 熱力學效應作用後，所重新形成之 溫度場、開挖面上岩體及襯砌之應 力等相關結果。
4.2 後續研究
(1)本年(第二年)之研究重點鎖定在 單一貯存隧道三維數值分析之建 置與其熱力學效應分析探討，深入 瞭解其作用機制後，可作為第三年 的地震力研究基礎。
(2)對於平行貯藏隧道（圖十六）之開 挖先後順序及施加溫度對於周圍 岩盤及鄰近隧道間之交互影響，亦 為爾後分析探討的重點。
(3)有限元素之網格建立，在不規則變 化區域對於應力之變化有明顯的 影響，如何將之減至最小，是未來 研究加強的重點
五、參考文獻
(1)陳錦清、張玉粦、李國榮、俞旗文,
「岩體變形特性與 RMR 岩體評分值 關係之研究」,中興工程顧問社大 地力學研究中心,台北(1997)。
(2)洪秋金，「隧道地盤反應曲線及破 裂區發展之三向度數值分析」，碩 士論文，國立台灣工業技術學院營 建工程技術研究所，（1995）。 (3)李廣台、李世榮,熱傳遞,新科技書
局,1989。
(4)DeWill,I.著,張仲卿、侯順雄、張 進寬、杜鳳棋譯,熱傳遞,高立圖書 有限公司,1997。
(5)Itasca Consulting Group，Inc.，
Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions, User’s manual，Version 2.10，
Minneapolis, U.S.A(2002)
(6)Goodman，R.E.，Introduction to Rock Mechanics，John Wiley and Sons, New York(1989)
(7)Hoek，E.，Rock Engineering，
Course Notes(2000) (8)Hoek，E. & Brown，E.T.，
Underground Excavations in Rock, The Institution of Mining and Metallurgy, London(1980)
(9)Hagen，K.D.，Heat Transfer with Applications，Prentice Hall International，Inc.(1999) (10)Pande，G.N.，Beer,G.＆
Williams，J.R.，Numerical Methods in Rock Mechanics，John Wiley and Sons(1990)
圖一 本研究建立之核廢料運輸及貯 存隧道三維數值網格圖
125m125m
140m
圖二 貯存隧道之三維網格
圖三 貯存隧道之三維輪進圖
表一 分析選用之地層參數
RMR 岩體評分 30
柏松比 ν 0.3
岩體單位重γ 2700kg/cm3 岩體變形模數 Em 1050 MPa 岩體剪力模數 G 403 MPa 岩體體積模數 B 875 MPa
凝聚力 c 0.53 MPa
摩擦角ψ 26o
張應力 t 0.01 MPa
熱傳導係數 k 2.07 W/m-℃
比熱 Cp 910J/kg-℃
線膨賬係數 αt 8.8×10-6 （1/℃）
0 2 4 6 8 10 12
-6 -4 -2 0 2 4 6
Y/B
應力值(MPa)
S1 S2 S3 Sxx Syy Szz
圖四 貯存隧道頂拱處掘進應力曲線
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Y/B
變形量(cm)
dx dy dz
圖五 貯存隧道頂拱處掘進變形曲線
圖六 數值與模擬案例溫度擴散驗證 (圓形開挖距圓心上下各 25M 處)
圖七 數值與模擬案例溫度擴散驗證 (圓形開挖距圓心上下各 50M 處)
圖八 數值與模擬案例溫度擴散驗證 (圓形開挖距圓心上下各 100M 處)
圖九 核廢料貯存後岩體頂拱、側 壁、仰拱三處位置之主應力歷 時曲線(RMR=30)
Shell Principal Stress vs. Time
0 5 10 15 20 25 30 35
0 10 20 30 40 50
Time(years)
應力值(MPa) 頂拱S1
頂拱S3 側壁S1 側壁S3 仰拱S1 仰拱S3
圖十 核廢料貯存後襯砌頂拱、側 壁、仰拱三處位置之主應力歷 時曲線(RMR=30)
圖十一 核廢料貯存前之地溫分佈
Rock Principal Stress vs. Time
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
0 10 20 30 40 50
Time(years)
應力值(MPa)
頂拱S1 頂拱S3 側壁S1 側壁S3 仰拱S1 仰拱S3
20 24 28 32 36
0 10 20 30 40 50
Time(years)
Temperature(Degrees C)
Above 25m Above 25m(Ref.) Below 25m Below 25m(Ref.)
20 22 24 26 28 30 32
0 10 20 30 40 50
Time(years)
Temperature(Degrees C)
Above 50m Above 50m(Ref.) Below 50m Below 50m(Ref.)
20 21 22 23 24 25 26 27
0 10 20 30 40 50
Time(years)
Temperature(oC)
Above 100m Above 100m(Ref.) Below 100m Below 100m(Ref.)
圖十二 核廢料貯存後二年之地溫擴 散分佈
圖十三 核廢料貯存後十年之地溫擴 散分佈
圖十四 核廢料貯存後五十年之地溫 擴散分佈
圖十五 特定間距下之貯存隧道溫度 擴散交互影響圖
圖十六 多個平行貯藏隧道之整體三 維網格
