行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
隧道開挖面附近三維力學傳遞機制及破壞區發展之研究 (1/3)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC91-2211-E-011-029-
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： 陳堯中
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 5 月 15 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫進度報告
隧道開挖面附近三維力學傳遞機制及破壞區發展之研究
(1/3)
計劃編號：NSC 91-2211-E-011-029 執行期限：91.08.01 ~ 92.07.31
主持人：陳堯中 國立台灣科技大學營建工程系 摘要
本計畫為三年期研究計畫之第一年，研究目的為針對隧道開挖面附近的應 力傳遞與塑性破壞區發展情形，進行三維變形之實測與數值分析，藉以增進對 隧道開裂產能及安全監測之了解，並提出應對策略。計畫 內容 分為三部 份：
文獻與案例資料收集及現地量測，數值分析模式建立與驗證，音射量測系統建 置與隧道工程之應用。計畫目標在於整合國內外隧道工程的理論分析體系，利 用實際案例觀測所得到的監測數據，加以整理歸納、分析，提出預估隧道變形 曲線的經驗與半經驗公式與方法，作為隧道工程決策評估之參考，以建立快速、
有效之預測隧道工程變形之經驗模式，確保隧道開挖的安全性與經濟性。
一、計畫背景與目的
台灣地區位居環太平洋地震帶，地質狀況非常複雜多變，加上工程規模及
難度日漸增大，使得工程師在面對複雜的應力分析及設計時，必須特別考量地質
之變異性。然而早期的隧道數值分析，或因對新奧工法理論的缺乏經驗，或因對
地質狀況無法確實掌握，或因受限電腦運算速度等因素之影響，多忽略地質變異
對隧道應力之影響，並將地質之變異性籠統地以宏觀角度視之，且採用較保守的 分析模式來計算，以此來確保施工之安全。然而根據過去施工經驗顯示，許多災 變的發生均導因於未知的突發性狀況與地質構造之變異性，如何避免施工災害的 發生，除仰賴監測結果對開挖面前方地質狀況的預判外，對因開挖所造成岩體破 裂範圍之瞭解亦不容忽視。然而壁體表面之變形，可藉由逐步改良的監測技術，
由傳統的相對變位量測，進步至目前的三維絕對變位量測，但是對於壁體內部受 開挖解壓所產生之裂縫數量、位置及破壞模式則不得而知，因此本計畫將引進國 外有關音射之非破壞性檢測技術，來量測開挖所造成岩盤之破裂範圍與可能發生 坍落之位置，並可提供另一項驗證數值分析正確性的輔助方法，同時也可利用此 項技術來決定數值分析所須之參數。
有鑑於此，本計畫除利用三維變形光學量測系統，進行隧道開挖後壁面之 絕對變位量測外，亦將採用國外最近研究非破壞性檢測之技術，以音射法來量測 隧道開挖期間，壁體內產生之三維微裂縫發展情形。如此，透過裡外的監測工作 與數值分析之驗證，即可對開挖面解壓後之力學傳遞機制與破壞區之發展有更具 體及明確的瞭解。相信對輔助地質調查之判斷、分析設計之回饋、施工中隧道坍 落之預警及完工使用後之安檢與追蹤，可達防微杜漸之效，亦可作為下階段開挖 的決策參考及最適工法處置的應用。
二、研究方法
本計畫預計三年完成，各年度之研究內容及目標如下：
(第一年) 隧道開挖面附近三維力學傳遞機制及破壞區發展之研究(Ⅰ)
．收集隧道三維變形監測之相關文獻資料，
．配合北宜高速公路之施工進度，進行現場量測工作。
．建立隧道開挖三維數值分析模式。
．
設置並校正音射量測系統。
(第二年) 隧道開挖面附近三維力學傳遞機制及破壞區發展之研究(Ⅱ)
．進行各項參數分析與驗證。
．貫切破壞模式與音射之理論應用。
(第三年) 隧道開挖面附近三維力學傳遞機制及破壞區發展之研究(Ⅲ)
．完整建立分析與現地量測資料之回饋工作。
．隧道三維變形與地質構造關係的合理解釋與建立模式，以做為未來隧 道工程設計、施工之依據。
．音射法之現場監測紀錄驗證，並訂定非破壞音射在隧道上之監測準則。
三、進度報告
1.文獻案例資料收集
第一年度，已收集國內外有關隧道三維變形量測技術等相關文獻及論文二十 餘篇、北宜高 36k+894~36k+643 區段現地地質紀錄。
2.工地訪查會議討論
本計劃之研究人員，於 91 年 8 月至 12 月長期派駐現場，進行監測作業之 量測與分析工作，並與現地施工人員討論實際運作上所遭遇之問題，以提出未來 應用時所應特別注意之事項。
3. 現地監測
本計劃以北宜高雪山隧道東口段西行線進行現地量測作業，量測里程自 36k+894 公尺開始至 36k+643 公尺止，全長約 250 公尺，共計裝設 22 個三維 光學監測斷面與 10 處水平收斂觀測斷面。
現地監測作業採 10 公尺設置一處監測斷面，每一斷面有三個測點，分別為 山側、頂拱與海側（詳圖 1 所示），每一斷面距開挖面之距離約 1~5 公尺不等，
現地工作自 91 年 8 月 27 日開始至 91 年 12 月 14 日止。
⊗
1.5m⊗
⊗
頂拱
山側 海側
圖 1 監測點位配置示意圖
4.分析模式探討
為充分發揮程式之特性，本研究利用 FLAC 3D 與 3DEC 程式分別模擬連續 體與不連續體之變形行為，並相互驗證程式之準確性及適用性。有關本階段模式 探討之成果彙整如下：
(1) 驗證程式分析結果：以相同分析條件下進行模擬，並比較分析值與理論值之 差異性。資料顯示，均質情況下變位及應力誤差約在 2~4%以內。而地質強 度非均質情況下，則變位及應力誤差約在 5~8%之間。
(2) 在模擬隧道掘進至不同地質強度時有下列現象：由硬地質掘進至軟地質情 況，監測點位之縱向變位與徑向變位之比值(L/S)為正，且在接近地質界面前 有逐漸增加現象；反之，由軟地質掘進至硬地質情況，監測點位之縱向變位 與徑向變位之比值(L/S)，在接近地質界面前有逐漸減小現象。
(3) 在模擬不同側壓係數(k
z)時可得下列初步結果：徑向變位幾乎不受開挖距離 與傾角之影響；縱向變位則隨 k
z值之增加而增大。
(4) 分析不同傾角時，縱向與徑向變位發生較大變化之時機，與開挖面碰觸地質 界面之先後有關。傾角愈小，表示地質界面與隧道中心軸線前進方向所夾角 度愈小，與前進開挖面便愈早碰觸，故頂拱位置之壁體變形變化即愈早發生，
圖 2、圖 3 分別為不同傾角下，頂拱垂直變位與頂拱徑向應力之比較。
(5) 藉由影響線與趨勢線的繪製(圖 4)，可以預判開挖面前方之地質狀況。當開挖 面前方約 0.5 個半徑距離，地質強度趨軟弱時，趨勢線將由約略水平狀，呈 明顯陡降現象，表示前方地質較易變形。反之，地質強度趨堅硬時，趨勢變 化之方向與前述情形恰好相反。
圖 2 不同傾角下頂拱垂直變位之比較
-25 -20 -15 -10 -5 0 5
-2 -1 0 1 2 3 4
Y/B 頂拱垂直變位量 (mm)
45度 90度 135度
GSI70 GSI20
圖 3 不同傾角下頂拱縱向應力比較
-2.2 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0
-1 0 1 2 3 4
Y/B 修正垂直變位(mm)
開挖30m 開挖28m 開挖26m 開挖24m 開挖22m 開挖20m 開挖18m 開挖16m 開挖14m
圖 4 修正頂拱垂直變位繪成影響線及趨勢線圖 (GSI20
←GSI70，kx=ky=kz=1)
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
-2 -1 0 1 2 3 4
Y/B 頂拱徑向應力 (MPa)
45度 90度 135度 GSI70
GSI20
參考文獻
Schubert, P. and Vavrovsky, G. M., “Interpretation of Monitoring Results,”
World Tunneling, Nov., pp. 351–356(1994).
