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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

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Academic year: 2022

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(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

隧道開挖面前期收斂行為與反算分析之研究及其應用軟體 之研發(第 2 年)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 : 個別型

計 畫 編 號 : NSC 96-2221-E-216-020-MY2

執 行 期 間 : 97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日 執 行 單 位 : 中華大學土木與工程資訊學系

計 畫 主 持 人 : 李煜舲

計畫參與人員: 博士班研究生-兼任助理人員:劉益銓

處 理 方 式 : 本計畫涉及專利或其他智慧財產權,2 年後可公開查詢

中 華 民 國 98 年 10 月 21 日

(2)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 成 果 報 告

□期中進度報告

隧道開挖面前期收斂行為與反算分析之研究 及其應用軟體之研發

計畫類別:  個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號:NSC 96 - 2221 - E - 216 - 020 -

MY2

執行期間:96 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日

計畫主持人: 李煜舲 共同主持人:

計畫參與人員:劉益銓

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: 中 華 大 學

中 華 民 國 九十八 年 七 月 三十一 日

(3)

摘 要

本研究預計為兩年期之研究計畫,研究主題擬定為「隧道開挖面前期收斂行 為與反算分析之研究及其應用軟體之研發」,包含兩研究子題:(I)隧道開挖 面前期收斂行為之研究及其應用軟體之研發(第一年計畫)和(II)隧道開挖支 撐互制行為之反算分析及其應用軟體之研發(第二年計畫)。

本計畫之研究目的有二,首先是考量隧道開挖前進效應影響和現地複雜工程 的條件下,建立快速便捷之斷面收方量測技術,以此改良技術嘗詴替換傳統計 測之收斂岩栓方法,進而精確獲得隧道開挖之前期收斂行為,以及現地縱剖面 收斂變形曲線。並以繪圖軟體依據測量時間-空間的變化,處理隧道三維收方量 測座標且繪製整體時間差的隧道變形圖;並同時以微軟視窗程式語言開發新資 訊帄台,迅速確實地將隧道測量座標轉換成可用之縱剖面變形曲線與整體隧道 圓弧變形斷面。最後可以提供現場施工單位視窗化之資訊和研判,以便作出及 時安全評估或支撐系統修正之建議,並達到便捷安穩之工程應用目標。

其次,本計畫之第二研究目的為,乃以現地隧道收斂計測資料為依據(包含 隧道開挖計測岩栓、伸張儀、收方量測之變形剖面或曲線等相關收斂位移資 料),利用數值化收斂圍束法理論,並採用外顯式分析法建立反計算分析流程 和步驟;同時開發視窗應用程式新資訊帄台,繪製隧道開挖縱剖面變形曲線,

並經由回歸分析而獲得此曲線之模式參數,計算獲得隧道開挖無支撐之前期位 移量,建立地盤收斂曲線和支撐反力曲線與互制關係,進而完成隧道輪進開挖 支撐設計之檢核或修正,以達現地施工現況及時反應控制之目標。

研究計畫內容和預期成果包括:(1)隧道斷面收方技術與其視窗應程式之 建置、(2)隧道斷面收方技術應用於開挖面收歛位移量測方法之建立、(3)

隧道斷面收方技術應用於隧道整體變形量測之預估、(4)隧道斷面收方視窗應 程式之改善與功能更新、(5)反算分析視窗應用程式之新資訊帄台建立、(6)

隧道開挖收斂行為之結果比較、和(7)隧道斷面收方和開挖面收歛計測資料系 統之建立等。

關鍵詞:隧道開挖面前期收斂、斷面收方測量、反算分析、收斂圍束法、外顯 式分析、視窗應用程式

(4)

ABSTRACT

The phase of project is estimated two years. The subject of this research is,

“Pre-convergence behavior of working face in tunnel excavation by using the analysis of back calculation and developing the applicable software”, that consists of two objects considered : (I) Pre-convergence behavior of working face in tunnel excavation and software development (for the fist year), and (II) Analysis of back calculation in tunnel excavation and software development (for the second year).

The two objectives of this paper are, the first is that the field measurements obtained by convergence measurements that is particularly replaced by the wriggle survey method was established in this study. The information platform developed by using Microsoft program language is considered to make the relation between filed measurements and standard profile, and to check the stability immediately after the advancing face of tunnel excavation. The tunnel deformation profile is plotted by using the graphic program to present the deformation behavior in tunneling.

The second is that the using of the numerical Convergence-Confinement method, the establishment of explicit steps of analysis and the calculation by means of the regression analysis obtained from field measurements are particularly studied. The prediction of behavior of the interaction between rock mass and support system in tunnel excavation, for example the longitudinal deformation profile, ground response curve and support reaction curve etc., is realized by the numerical analysis program developed in the research laboratory.

The results obtained of this study include that (1) establishment of windows programming for the tunnel wriggle survey method, (2) establishment of windows programming for the convergence measurement by using the tunnel wriggle survey method, (3) prediction of 3D tunnel deformation by using the tunnel wriggle survey method, (4) update and renews of windows programming, (5) establishment of windows programming for the back calculation method, (6) comparison of results between numerical calculation and experimental data; and (7) establishment of data system of measurement in tunneling.

Keywords: Pre-Convergence of tunnel excavation, Wriggle Survey, Back Calculation Analysis, Convergence-Confinement Method, Explicit Analysis, Windows Software Development

(5)

目 錄

摘 要 ... I 目 錄 ... III 表 目 錄 ... VI 圖 目 錄 ... VII 圖 目 錄 ... VII

第一章 緒論 ... 1

1.1 研究背景 ... 1

1.2 研究方法與目的 ... 1

1.3 研究內容與架構 ... 2

第二章 文獻回顧 ... 4

2.1 前言 ... 4

2.2 收斂圍束法之基本理論 ... 4

2.2.1 圍束損失 ... 5

2.2.2 地盤反應曲線 ... 6

2.2.3 支撐反力曲線 ... 8

2.2.4 岩體開挖與結構互制之行為 ... 12

2.3 隧道開挖之前進效應 ... 13

2.4 岩體開挖之破壞模式 ... 14

2.5 開挖岩體之潛變行為 ... 15

2.6 隧道斷面測量技術 ... 16

2.6.1 接觸式(Contact methods) ... 17

2.6.2 非接觸式(None-contact methods) ... 17

2.7 隧道斷面測量原理 ... 20

2.7.1 前方交會法 ... 21

2.7.2 後方交會法 ... 23

2.7.3 綜合式後方交會法 ... 23

(6)

第三章 隧道開挖與支撐之力學行為模擬分析方法 ... 30

3.1 前言 ... 30

3.2 有限元素法分析 ... 31

3.2.1 有限元素原理介紹 ... 31

3.2.2 有限元素分析程式之處理程序介紹 ... 31

3.2.3 有限元素程式模擬分析步驟 ... 32

3.3 新外顯法 ... 34

3.3.1 新外顯法之基本假設 ... 34

3.3.2 新外顯法之分析處理程序 ... 35

3.3.3 新外顯法之模擬分析步驟 ... 36

第四章 無支撐隧道開挖之地盤反應行為模擬分析 ... 67

4.1 前言 ... 67

4.2 模擬分析之假設 ... 67

4.3 新外顯法模擬結果 ... 68

4.3.1 彈性模式 ... 68

4.3.2 彈性完全塑性模式 ... 68

4.4 有限元素法模擬結果 ... 68

4.4.1 彈性模式 ... 68

4.4.2 彈性完全塑性模式 ... 69

4.5 新外顯法與有限元素法之分析結果比較 ... 69

第五章 隧道開挖支撐之互制行為模擬分析 ... 90

5.1 圍束損失參數影響性探討 ... 90

5.2 支撐構件使用參數與假設條件 ... 91

5.3 新外顯法模擬結果 ... 91

5.3.1 彈性模式 ... 91

5.3.2 彈性完全塑性模式 ... 92

5.4 有限元素法模擬結果 ... 93

(7)

5.4.1 彈性模式 ... 93

5.4.2 彈性完全塑性模式 ... 93

5.5 新外顯法與有限元素法之分析結果比較 ... 94

第六章 視窗程式架構建立與運算流程 ... 129

6.1 視窗程式發展架構說明 ... 129

6.2 資料庫建立之說明 ... 129

6.3 視窗程式之運算流程 ... 129

6.3.1 前處理程序 ... 129

6.3.2 主運算程序 ... 130

6.3.3 後處理程序 ... 130

6.4 視窗程式表單內容說明 ... 130

6.4.1 資料輸入表單 ... 131

6.4.2 主運算程序表單 ... 131

6. 4.3 資料輸出表單 ... 132

6. 5 計算驗證 ... 132

第七章 結論與建議 ... 129

7.1 結論 ... 143

7.2 建議 ... 144

參考文獻 ... 145

(8)

表 目 錄

表 3-1 有限元素程式計算基本資料檔 ... 39

表 3-2 反向節點力之設定資料檔(LAM) ... 41

表 3-3 應力與位移值之擷取設定檔(las) ... 42

表 4-1 新外顯法與有限元素法之圍束損失彈性極限值 λe之比較 ... 71

表 4-2 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之徑向位移量之比較 ... 71

表 4-3 彈性完全塑性新外顯法與有限元素法之塑性半徑結果比較 ... 72

表 5-1 噴凝土支撐構件參數輸入值 ... 96

表 5-2 岩栓支撐構件參數輸入值 ... 96

表 5-3 彈性模式下新外顯法與有限元素法計算之帄衡點 ... 97

表 5-4 彈性完全塑性模式下新外顯法與有限元素法計算之帄衡點(λd=0.4) .. 97

表 5-5 彈性完全塑性模式下新外顯法與有限元素法計算之帄衡點(λd=0.7) .. 98

表 5-6 彈性模式下支撐勁度斜率 k 值比較表 ... 98

表 5-7 彈性完全塑性模式下支撐勁度斜率 k 值比較表(λd=0.4) ... 98

表 5-8 彈性完全塑性模式下支撐勁度斜率 k 值比較表(λd=0.7) ... 98

(9)

圖 目 錄

圖 1-1 研究流程 ... 3

圖 2-1 隧道開挖時岩體收斂與支撐圍束互制示意圖 ... 25

圖 2-2 值示意圖 ... 26

圖 2-3 地盤反應曲線與支撐反力曲線之互制關係圖 ... 26

圖 2-4 地盤反應曲線與支撐反力曲線之互制關係圖 ... 27

圖 2-5 不同之稱系統其支撐反力曲線變化圖 ... 27

圖 2-6 不同支撐結構所提供的支撐壓力與位移關係圖 ... 28

圖 2-7 複合式支撐系統之勁度示意圖 ... 28

圖 2-8 隧道頂拱、側壁與仰拱之支撐應力與位移曲線圖 ... 29

圖 3-1 無支撐隧道開挖引致岩體變形收斂圖 ... 43

圖 3-2 隧道開挖岩體收斂與支撐圍束之互制關係圖 ... 44

圖 3-3 有限元素分析程式之計算執行流程 ... 45

圖 3-4 有限元素之網格示意圖 ... 46

圖 3-5 有限元素程式模擬隧道開挖之網格局部節點編號情況 ... 47

圖 3-6 有限元素程式模擬隧道開挖之網格局部元素編號情況 ... 47

圖 3-7 有限元素程式模擬隧道未開挖之初始應力分佈圖 ... 48

圖 3-8 有限元素程式模擬隧道未開挖之初始位移分佈圖 ... 48

圖 3-9 有限元素程式模擬無支撐隧道開挖完成之應力分布圖(λ=1.0) ... 49

圖 3-10 有限元素程式模擬無支撐隧道開挖完成之位移分布圖(λ=1.0) ... 49

圖 3-11 有限元素程式模擬隧道開挖後之應力分布圖(λ=0.4) ... 50

圖 3-12 有限元素程式模擬隧道開挖後之位移分佈圖(λ=0.4) ... 50

圖 3-13 有限元素程式模擬之隧道開挖支撐最終應力分佈圖 ... 51

圖 3-14 有限元素程式模擬之隧道開挖支撐最終位移分佈圖 ... 51

圖 3-15 二維有限元素模擬程式之輸出檔(頂拱位移值) ... 52

(10)

圖 3-16 二維有限元素模擬程式之輸出檔(頂拱應力值) ... 53

圖 3-17 二維有限元素模擬程式之輸出檔(繪製地盤反應曲線圖) ... 54

圖 3-18 新外顯法模擬彈性無支撐隧道開挖之參數輸入表格 ... 55

圖 3-19 新外顯法模擬彈性無支撐隧道開挖之計算過程 ... 56

圖 3-20 新外顯法模擬彈性無支撐隧道開挖之地盤反應曲線圖 ... 57

圖 3-21 新外顯法模擬彈性完全塑性無支撐隧道開挖之參數輸入表格 ... 58

圖 3-22 新外顯法模擬彈性完全塑性無支撐隧道開挖之計算過程 ... 59

圖 3-23 新外顯法模擬彈性完全塑性無支撐隧道開挖之地盤反應曲線圖 ... 60

圖 3-24 新外顯法模擬彈性有支撐隧道開挖之參數輸入表格 ... 61

圖 3-25 新外顯法模擬彈性有支撐隧道開挖之計算過程 ... 62

圖 3-26 新外顯法模擬彈性有支撐隧道開挖之地盤反應曲線圖 ... 63

圖 3-27 新外顯法模擬彈性完全塑性有支撐隧道開挖之參數輸入表格 ... 64

圖 3-28 新外顯法模擬彈性完全塑性有支撐隧道開挖之計算過程 ... 65

圖 3-29 新外顯法模擬彈性完全塑性有支撐隧道開挖之地盤反應曲線圖 ... 66

圖 4-1 新外顯法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線圖(彈性模式) ... 73

圖 4-2 新外顯法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線圖(彈性完全塑性模式) ... 73

圖 4-3 新外顯法圍束損失彈性極限值 λe與凝聚力 c、內摩擦角之關係圖 ... 74

圖 4-4 新外顯法模擬無支撐隧道開挖之最大徑向位移量比較圖 ... 74

圖 4-5 有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線圖(彈性模式) ... 75

圖 4-6 有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線圖(彈性完全塑性模式) ... 75

圖 4-7 有限元素法損失彈性極限值 λe與凝聚力 c、內摩擦角之關係圖 ... 76

圖 4-8 有限元素法模擬無支撐隧道開挖之最大徑向位移量比較圖 ... 76

圖 4-9 新外顯法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線圖(波松比影響分析) ... 77

(11)

... 77 圖 4-11 新外顯法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線圖(彈性模數 E 影響分析)

... 78 圖 4-12 有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線圖(彈性模數 E 影響分 析) ... 78 圖 4-13 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.1 , =10°) ... 79 圖 4-14 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.1 , =20°) ... 79 圖 4-15 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.1 , =30°) ... 80 圖 4-16 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.1 , =40°) ... 80 圖 4-17 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.1 , =50°) ... 81 圖 4-18 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.2 , =10°) ... 81 圖 4-19 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.2 , =20°) ... 82 圖 4-20 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.2 , =30°) ... 82 圖 4-21 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.2 , =40°) ... 83 圖 4-22 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.2 , =50°) ... 83 圖 4-23 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(12)

(c=0.3 , =10°) ... 84 圖 4-24 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.3 , =20°) ... 84 圖 4-25 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.3 , =30°) ... 85 圖 4-26 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.3 , =40°) ... 85 圖 4-27 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.3 , =50°) ... 86 圖 4-28 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.4 , =10°) ... 86 圖 4-29 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.4 , =20°) ... 87 圖 4-30 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.4 , =30°) ... 87 圖 4-31 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.4 , =40°) ... 88 圖 4-32 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖

(c=0.4 , =50°) ... 88 圖 4-33 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖(凝 聚力 c 影響性分析) ... 89 圖 4-34 新外顯法與有限元素法模擬無支撐隧道開挖之地盤反應曲線比較圖(內 摩擦角 影響性分析) ... 89 圖 5-1 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,λdse

... 99 圖 5-2 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(λ <λ<λ ) ... 99

(13)

圖 5-3 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,λdes) ... 100 圖 5-4 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(λdes) ... 100 圖 5-5 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,λeds

... 101 圖 5-6 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(λeds) ... 101 圖 5-7 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈性模 式,t=20) ... 102 圖 5-8 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈性模式,t=20) ... 102 圖 5-9 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈性模 式,t=60) ... 103 圖 5-10 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈性模式,t=60) . 103 圖 5-11 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈性模 式,t=20+rb) ... 104 圖 5-12 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈性模式,t=20+rb)

... 104 圖 5-13 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈塑性 模式,t=20) ... 105 圖 5-14 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈塑性模式,t=20)

... 105 圖 5-15 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈塑性 模式,t=60) ... 106 圖 5-16 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈塑性模式,t=60)

... 106 圖 5-17 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈塑性 模式,t=20) ... 107 圖 5-18 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈塑性模式,t=20)

(14)

... 107 圖 5-19 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈塑性 模式,t=60) ... 108 圖 5-20 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈塑性模式,t=60)

... 108 圖 5-21 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈塑性 模式,t=20+rb) ... 109 圖 5-22 新外顯法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈塑性模式,t=20+rb)

... 109 圖 5-23 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈性 模式,t=20) ... 110 圖 5-24 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈性模式,t=20)

... 110 圖 5-25 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈性 模式,t=60) ... 111 圖 5-26 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈性模式,t=60)

... 111 圖 5-27 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈性 模式,t=20+rb) ... 112 圖 5-28 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈性模式,t=20+rb)

... 112 圖 5-29 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈性 模式,t=20) ... 113 圖 5-30 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈性模式,t=20)

... 113 圖 5-31 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈性 模式,t=60) ... 114

(15)

圖 5-32 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈性模式,t=60)

... 114 圖 5-33 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈性 模式,t=20) ... 115 圖 5-34 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈性模式,t=20)

... 115 圖 5-35 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈性 模式,t=60) ... 116 圖 5-36 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈性模式,t=60)

... 116 圖 5-37 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(含無支撐 GRC,彈性 模式,t=20+rb) ... 117 圖 5-38 有限元素法模擬隧道開挖支撐之收斂圍束曲線圖(彈性模式,t=20+rb)

... 117 圖 5-39 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(含無支撐 GRC,彈 性模式,t=20) ... 118 圖 5-40 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(彈性模式,t=20)

... 118 圖 5-41 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(含無支撐 GRC,彈 性模式,t=60) ... 119 圖 5-42 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(彈性模式,t=60)

... 119 圖 5-43 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(含無支撐 GRC,彈 性模式,t=20+rb) ... 120 圖 5-44 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(彈性模式,t=20+rb)

... 120 圖 5-45 外顯法與有限元素法之最終帄衡位移比較圖(彈性模式) ... 121

(16)

圖 5-46 外顯法與有限元素法之最終支撐應力比較圖(彈性模式) ... 121

圖 5-47 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(含無支撐 GRC,彈 塑性模式,t=20) ... 122

圖 5-48 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(彈塑性模式,t=20) ... 122

圖 5-49 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(含無支撐 GRC,彈 塑性模式,t=60) ... 123

圖 5-50 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(彈塑性模式,t=60) ... 123

圖 5-51 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(含無支撐 GRC,彈 塑性模式,t=20) ... 124

圖 5-52 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(彈塑性模式,t=20) ... 124

圖 5-53 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(含無支撐 GRC,彈 塑性模式,t=60) ... 125

圖 5-54 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(彈塑性模式,t=60) ... 125

圖 5-55 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(含無支撐 GRC,彈 塑性模式,t=20+rb) ... 126

圖 5-56 新外顯法與有限元素法模擬隧道開挖支撐之比較圖(彈塑性模式, t=20+rb) ... 126

圖 5-57 外顯法與有限元素法之最終帄衡位移比較圖(λd=0.4) ... 127

圖 5-58 外顯法與有限元素法之最終支撐應力比較圖(λd=0.4) ... 127

圖 5-59 外顯法與有限元素法之最終帄衡位移比較圖(λd=0.7) ... 128

圖 5-60 外顯法與有限元素法之最終支撐應力比較圖(λd=0.7) ... 128

(17)

第一章 緒論

1.1 研究背景

台灣為島國地形且地狹人稠,可供利用土地之開發情況已趨於飽和,興建 隧道或公路是為連絡各地區更為便利的方式,並能有效提高土地利用效益。近 年來,於隧道興建之施工方式漸多採用新奧地利工法(NATM),並搭配使用收 斂圍束法(Convergence Confinement Method)理論為設計開挖支撐之依據,且 利用圍束損失(Convergence Loss)之觀念,模擬開挖支撐的過程。使用數值模 擬分析方式為最為便利與有效的預測隧道收斂情形,現今坊間所使用的模擬分 析程式,多需繁複的輸入與建立模型步驟,若能以易取得之詴算程式配合理論 方法加以分析,必定能更有效減少分析時所需要花費之時間與成本。

1.2 研究方法與目的

當隧道開挖之時,隨著開挖面的前進,週遭圍岩受到擾動而失去帄衡,岩 體應力為達到帄衡,亦隨之重新調整分佈,此時即會產生岩體的變形。而由岩 體變形與應力之間的關係,可得知岩體應力釋放之情形,進而評估隧道開挖與 支撐互制行為之安全性。

有限元素法分析可進行二維與三維之模擬分析,但計算繁雜不易暸解,且 於決定圍束損失也較繁複。所以新外顯法為利用簡便之詴算程式,以二維分析 模式,並配合收斂圍束法理論,並更直接且明瞭的引入圍束損失,以模擬隧道 開挖前進與架設支撐之過程,用以替代計算繁雜之三維模式分析,則能顯著提 高隧道模擬分析之便利性。

本論文的研究目的主要為,使用新外顯法(New Explicit Method , NEM)做 隧道開挖與支撐互制之模擬,並與有限元素法(Finite Element Method , FEM)

作相比較之結果差異。

(18)

1.3 研究內容與架構

本文共分為七個章節,第一章為緒論,闡述研究背景、方法、目的及內容。

第二章為文獻回顧,藉由國內外學者及相關研究論文簡述隧道開挖變形行為、

收斂圍束法理論以及支撐互制行為之相關探討。第三章為隧道開挖支撐之數值 模擬與分析方法,闡述有限元素法分析與新外顯法之原理步驟與計算推導過 程。第四章為無支撐隧道開挖之新外顯法與有限元素法之分析結果比較,由二 維數值模擬隧道開挖無支撐情況下,分別探討彈性與彈性完全塑性模式之地盤 反應曲線(Ground Response Curve , GRC),並做兩種模擬方式之比較。第五章 為有支撐隧道開挖之新外顯法與有限元素法之分析結果比較,利用此兩種模擬 方式,分別模擬隧道開挖與支撐互制之收斂圍束曲線結果並比較其合理性。第 六章為視窗程式架構建立與運算流程。第七章為結論與建議:研究分析之結果 與後續研究建議之方向。

(19)

圖 1-1 研究流程

研究內容與架構

結論與建議

隧道支撐類型之 力學行為 收斂圍束法之

基本理論

隧道開挖之 前進效應

岩體開挖之 破壞模式 文獻回顧

有限元素法 新外顯法

新外顯法 模擬結果

有限元素法 模擬結果

圍束損失參數 影響性探討

新外顯法 模擬結果

有限元素法 模擬結果 隧道開挖與支撐之力學行為模擬分析方法

無支撐隧道開挖之地盤反應行為模擬分析

隧道開挖支撐之互制行為模擬分析

視窗程式架構建立與運算流程

(20)

第二章 文獻回顧

2.1 前言

隧道開挖過程中,周圍岩體受到隧道開挖影響,失去自持力而破壞帄衡,

岩體隨即釋放應力而重新調整以達到新的帄衡狀態。岩體應力的增減即會使岩 體產生變形,而岩體變形可由裝設儀器測量之,其影響此變形因素、應力重新 分布之過程皆可利用數值分析方法加以模擬,以預估岩體與支撐結構間之互制 行為。本章將利用國內外學者對於收斂圍束法、新外顯法分析、隧道開挖前進 效應、支撐結構勁度、岩體與支撐間之互制關係等之相關文獻做一回顧。

2.2 收斂圍束法之基本理論

新奧地利施工法(NATM),其基本原理為隧道開挖後之應力調整、主要承 力結構以及支撐構件與岩體間之力帄衡。此後 1970 年起,於歐洲逐漸發展出一 套以新奧工法為基礎之隧道開挖支撐的分析方式與設計方法,即收斂圍束法

(Convergence Confinement Method)。

收斂圍束法之精神為以二維帄面應變問題,代替處理較複雜的三維隧道開 挖問題,且隨著隧道的開挖前進,受擾動之岩體產生變形,此時可藉由現場監 測儀器計測岩體變形收歛之情形,即可加以研判支撐構件種類、多寡與架設時 機,進而設計隧道之支撐構件。其分析理論重點包括:地盤反應曲線(Ground Response Curve , GRC)、支撐反力曲線(Support Reaction Curve , SRC)、縱剖 面 變 形 曲 線 ( Longitudinal Deformation Curve , LDC ) 、 縱 剖 面 應 力 曲 線

(Longitudinal Stresses Curve , LSC)、互制作用曲線(Interaction Curve , IC)、

圍束損失(Confinement Loss , λ)以及帄衡點(Equilibrium Point , EP)如圖 2-1

(李煜舲,2003)。

(21)

2.2.1 圍束損失

法國學者 Panet(1979)提出相關理論,假設在等向性初始應力條件下

(K0=1),一圓形無支撐深隧道(半徑 R)開挖於均質且線彈性材料之岩體中,

導入圍束損失(λ)用疊代的方式以模擬隧道開挖前進之應力釋放與岩體收斂情 形。在距離開挖面前方遠處時,因岩體未受到隧道開挖的影響,其徑向應力 σR 與初始應力σv之比值為 1,此時之λ值為 0;然而隨著隧道持續開挖前進,岩體 圍束應力持續釋放,當離開挖面後方無窮遠處時,周圍岩體因壓力完全釋放而 達一帄衡狀態,其徑向應力與現地應力比為 0,此時之λ值為 1,如圖 2-2 所示;

由於已達最終帄衡狀態,所以其徑向位移量 UR即為最大位移量UeR( max )。 上述之隧道開挖面上岩體應力與位移變化可分別表示如下:

當0時 UR=0 σRv σθv (2-1)

當01時 UR= vR 2G

 R

 

1- v  

1  

v (2-2)

1時 UR(max) vR 2G

 R 0 2v (2-3)

式中,UeR( max )為開挖面上無窮遠處之彈性徑向位移量最大值,即無支撐最大徑向

位移量;σv為初始應力;σRσθ分別為徑向應力與切向應力;G 為岩體之剪力 模數(李煜舲,2003)。

當隧道開挖,岩體應力釋放與支撐結構間互制過程中,應用地盤反應曲線 與支撐反力曲線之間的關係作為隧道支撐設計方法。隧道開挖之時,即會產生 變形位移,而抑制變形過大即需施作支撐以抵制其變形;隧道開挖面至支撐結 構間之無支撐距離 d,其相對應一圍束損失λd值。當周圍岩體材料為彈性極限 時,此時之圍束損失值為λe。再依照岩體應力釋放及位移收斂狀況,模擬出徑 向位移量之大小,選擇適合之支撐構件與時機,以達安全且經濟之目的。

(22)

2.2.2 地盤反應曲線

(1)彈性範圍

當假設隧道開挖擾動之岩體材料為線彈性材料時,地盤反應曲線為表示地 盤之應力與位移關係。當隧道尚未開挖時,岩體未受擾動(λ=0),此時徑向位 移量為零。當隧道開挖前進,岩體持續受到擾動,為了產生新的帄衡,岩體會 藉由產生位移,使得應力重新調整。在徑向應力和徑向位移正規化之關係中呈 現一直線(圖 2-1)。當岩體應力完全釋放時,產生一最大徑向位移量UeR(max)。 可看出最大徑向位移量 與隧道半徑、岩體彈性模數及初始應力有關。其中,

地盤反應曲線斜率為 2G,且與岩體材料之彈性模數和波松比有關。

(max)

2

e v

R

U R

G

(2-4)

(2)彈塑性範圍

考慮岩體材料為彈性完全塑性時,地盤反應曲線之收斂趨勢呈現非線性曲 線。岩體受到擾動時,一開始尚在彈性範圍內,所呈現出來的地盤反應曲線為 直線段,當擾動持續達塑性半徑範圍,則進入完全塑性狀態,所呈現的地盤反 應曲線則為一非線性曲線。岩體因受擾動所產生的位移量,會隨著岩體材料之 參數而有所變化,即岩體材料強度愈差,開挖後所產生的徑向位移量則愈大。

李煜舲(2002)考慮以圍束損失 λ 之觀念,分析隧道彈塑性徑向位移量UepR 及 彈性極限之圍束損失λe。並根據 Mohr-Coulomb 破壞準則之降伏函數 f(yielding function)與塑性勢能函數 g(plastic potential function):

降伏函數: f  1- 3Kp-c (2-5)

塑性勢能函數: g 1- 3K (2-6)

式中,c為單壓強度,

K = tan (45+p 2 ) 2

 和 K = tan (45+2 )

2

 (2-7)

其中 分別為內摩擦角與膨脹角;當= 時,符合塑性諧和流則Kp=K;而

時,KK 為塑性非諧和流。

(23)

失λ 等於彈性極限之圍束損失 λe,經由彈性方程式 2-2 之徑向應力及切向應力帶 入方程式 2-5 可得出:

1 -1

1

c

e p

p v

K K

 

  (2-8)

在彈塑性範圍內之彈性階段(0≦λ≦λe)時,方程式如下所示:

R  (1  e) 0, (1- e) 0(max) e

R e R

U U (2-9)

而彈塑性範圍內之塑性階段(λe≦λ≦1)時,岩體應力滿足帄衡方程式 d R R- 0

dr r

 

(2-10)

且同時滿足 Mohr-Coulomb 破壞準則1Kp 3 c,此時隧道之塑性半徑為:

   

1

2 -1

1 - -1

Kp

e p

p e p

R R

K K

 

(2-11)

RKpc (2-12)

彈塑性範圍內之徑向位移量為:

1

(max)

K p

R e R

U U R

r

(2-13)

式中,λe為彈性極限之圍束損失,當 λ<λe時,岩體尚處於彈性範圍,但 λ≧λe

時,岩體則進入塑性範圍,Rp為塑性半徑,c為岩體單壓強度,Kp為被動吐壓 力係數。

Carranza-Torres 和 Fairhurst(1999)定義地盤反應曲線(GRC)如圖 2-3,

即減少隧道內之內部支撐壓力 pi與增加壁面之徑向位移 uR之關係,且採用符合 Hoek-Brown 破壞準則之觀點:

2 i

i

b ci b

p s

P mm (2-14)

2 o o

b ci b

S s

m m

(2-15)

式中,pi為內部之稱應力;So為現地量測應力。

在彈性部份,其應力、位移與距離開挖面之距離 r 關係式如下:

(24)

1

0- ( 0- )

k

R i

p b

  r

  (2-16)

1

0 0

1( - )

k

i

p b

k r

  

  (2-17)

0 e 2

e R

R

u kG

U b  (2-18)

另外,如圖 2-4 中之曲線段 OPQ,由 O 點(內部壓力 pi=0初始應力)開始 延伸至 Q 點(pi=0)。而 P 點定義為臨界點(彈性之極限點),其所對應之內 部壓力為 pi*。

量測的極限壓力 * 1 1- 1 16

i 16 o

p S (2-19)

實際的極限壓力 *i icr- 2 b ci b

p P s m

m

 

(2-20)

若內部支撐壓力 pi>pi*,則產生塑性半徑ξ。

R 0-

0- R*

b k 1

r

  (2-21)

R 0 1

0- *R

b k 1

k r

  (2-22)

* 0

2 -

P

P R

R

I

u kG

U b P (2-23)

2.2.3 支撐反力曲線

支撐反力曲線是為支撐構件應力與位移之相關曲線,目前施工常用之支撐 構件有噴凝土、鋼支保、岩栓…等,隨著選用之支撐構件不同,所能提供的支 撐勁度也不同。支撐構件之支撐勁度愈大,所能提供之支撐應力也愈多(如圖 2-5),進而愈能有效的控制隧道之徑向位移量多寡,但欲提供較大的支撐勁度,

就需架設與施作更多的支撐構件,相對的成本也大幅的提升,如圖 2-6 所示。關 於支撐構件之應力與使用之勁度方法如下:

(25)

支撐架設主要的目的是為了在隧道開挖後,防止隧道變形過大引致於產生 崩塌,應在適當時機施作噴凝土、岩栓、鋼支保等支撐構件,以承受岩壓並穩 定岩盤。

(1)噴凝土:

在 1980 年 Hoek and Brown 提出噴凝土、岩栓及鋼支保的計算方程式,其基 本假設隧道斷面為圓形、現地應力為均向且支撐應力均勻作用於隧道壁上,而 其計算方程式如下:

(a)支撐勁度之計算

當隧道半徑與噴凝土厚度之比大於 10 時(r/tc >10),可使用下列公式計 算支撐勁度之大小,

 

     

2 2

2 2

c c

- -

=

1+ 1-2 + -

c c

c

c

E R R t K

R R t

 

(2-24)

當隧道半徑與噴凝土厚度之比小於 10 時(r/tc ≦10),則可使用下列公式 計算支撐勁度,

c c2 c

E t

K =1-R (2-25)

式中,Ec=噴凝土之彈性模數 R=隧道半徑

νc=噴凝土之波松比 tc=噴凝土之厚度

(b)最大支撐壓力之計算

 

2

(max) c 2

1 -

= 1- 2

c s

P R t

R

(2-26)

式中,σc=噴凝土之單軸壓縮強度 Psmax=噴凝土之最大支撐壓力 (2)岩栓:

Hoek and Brown(1980)提出非灌漿岩栓之公式,其計算公式如下:

(26)

(a)支撐勁度之計算:

1 = c l l +

i b

S S Q

K r E A

岩栓

(2-27)

式中,Sc=岩栓環向間距 Sl=岩栓縱向間距 ri=隧道半徑

Eb=岩栓之彈性模數 A=岩栓斷面積 Q=由下列公式求得 2 2 1 1

2 1

( - )-( - )

= -

eb eb

u u u u

Q T T

(b)支撐應力之計算

l c

bf

s S S

P(max) T (2-28)

式中,Tbf= 岩栓拉拔詴驗之極限荷重 Ps(max)=岩栓之最大支撐應力

(二)複合支撐系統

隧道的複合支撐系統施作順序為開挖後立即施做第一層 5cm 厚之噴凝土以 控制岩體變形,並使開挖面變的帄滑,接著架設鋼支保及鋪設鋼絲網後再施行 第二層噴凝土;噴凝土完成之後,即開始鑽孔,後於孔內灌漿,並安裝岩栓加 以鎖定。

Oreste(2003)提出計算複合式支撐系統時(如圖 2-7 所示),假設為帄行 之彈簧且勁度以疊加的方式進行評估計算。

tot i

i

k

k (2-29)

ktot為各支撐系統勁度加總之合,ki為單一支撐系統之勁度。

若支撐系統未達彈性極限(uel,i),則當載重 Pi作用於支撐,其徑向半徑位

(27)

pi   ki

u uin

(2-30)

當位移 u 逐漸增加,並大於彈性極限時,則勁度變為零。

_ tot i

i

k

k (2-31)

即當uuel,i時,k_i ki;當uuel,i時,k_i 0。

Hoek and Brown(1980)提出單一支撐結構可由彈性勁度累加而得,其公式 如下表示:

KS KS1KS2 (2-32)

1

1

1

max max

S

S

P

u K2 2

2

max max

S

S

P

u K 中,用最小位移量來做設計會相對比較保守。

式中,KS1

S2

K 分別為第一支撐構件與第二支撐構件之勁度;PSmax為最大支撐 壓力;umax為最大位移量。

假設此複合式支撐系統為同時安裝,則合併系統的有效支撐區線公式為:

i io i i s

u u Pr

K (2-33)

式中,uio為隧道安裝支撐前的位移量。

計算複合支撐系統之有效支撐區線流程:

a.先個別算出第一與第二支撐系統之最大位移量 1 1

1

max max

S i

S

P r

u K (2-34)

2 2

2

max max

S i

S

P r

u K (2-35)

b.由兩支撐系統勁度可累加而得

1 2

12

i i

S S

r P u

K K

(2-36)

c.判別,當u12umax1 umax2,則

1 2

i io i

i i S S

u u P

r r K K

(2-37)

(28)

1 2

12 max max

u u u ,則 1

1 2

2

max max

S S

S

i

u K K

P r

(2-38)

u12umax2 umax1,則 2

1 2

2

max max

S S

S

i

u K K

P r

(2-39)

若為u12umax1 umax2情況時,代表支撐系統仍在彈性範圍內,若為

1 2

12 max max

u u u

2 1

12 max max

u u u 情況,則表示複合支撐構件已達塑性狀態。

2.2.4 岩體開挖與結構互制之行為

李 煜 舲 ( 2003 ) 考 量 隧 道 開 挖 前 進 面 與 支 撐 結 構 間 之 無 支 撐 距 離

(unsupported span,d),利用地盤反應曲線與支撐反力曲線間之關係作為隧道 支撐設計方法時,其相對應之圍束損失為 λd;當地盤反應曲線與支撐反力曲線 交會於一點時,表示岩體與支撐結構間之應力互制已達一新帄衡狀態,此點即 為帄衡點(Equilibrium Point,EP)如圖 2-1 所示。當支撐應力為支撐構件所能 承受,則隧道之開挖安全無虞;反之,則將會危害到隧道開挖前進之安危。若 考慮彈性岩體時,地盤反應曲線與單一支撐結構勁度時,其互制方程式可表示 如下:

地盤反應曲線:

R 2 UR - v 0 G R

(2-40)

支撐反力曲線:

- - 0

s d

R R

R n

U U

K R

(2-41)

式中,Kn為支撐結構總勁度。

由上述方程式 2-40 與 2-41 兩式,可求得帄衡點之支撐結構應力 Ps與徑向位 移量UsR

1-

2

n

s d v

n

P K

G K  

(2-42)

(29)

2

2 2

s

d n v

R

n

G K

U

R G K G

(2-43)

若考慮支撐架設前之無支撐距離 d,所對應的圍束損失為 λd,此時隧道之徑 向位移量為:

2

d

v R

d

U

R G

 

(2-44)

由以上結果可知,隧道徑向位移量和支撐構件所受應力與岩體剪力模數、

支撐構件勁度、無支撐時之位移量、隧道幾何斷面和隧道開挖前進效應等影響 有關。

2.3 隧道開挖之前進效應

Panet、Gaudin 和 Sulem(1987)利用三向度有限元素法模擬隧道開挖變形 的增加,得知岩體的變形係由兩個因素,(1)隧道開挖面之前進與(2)岩體 依時性之力學行為。

假設在彈性介質無支撐圓形隧道中,而在距離開挖前進面 x 處之變形量 C

(x)為

C x

 

C 1- exp - x

X

(2-45)

其中,C為不受隧道開挖前進影響之總彈塑性位移量。X 為曲線參數:

0

0

1-

x

X d

dx

(2-46)

X 其實代表著隧道後方的某段距離,λ代表隧道位移量與最大位移量之比值,

λ0為前進開挖面上位移量與最終位移量之比。

而於無黏性(non-viscous)地層中之無支撐隧道,收斂變形的依時行為僅與 開挖速率 Va 有關,如下所示:

1- exp - t C C

Ta

(2-47)

(30)

式中, = X

Ta Va (2-48)

並針對彈塑性介質中之無支撐圓形隧道進行模擬分析,提出修正式,當考 慮彈塑性行為時建議如下:

 

1- 2

- C x C X

x X

(2-49)

其中,X=a R p,X 為相對 Rp的距離;Rp為塑性半徑範圍;a 為常數,約為 0.84。

未開挖之部分岩體可提供已開挖部分些許的支撐作用,此支撐作用並不足 以支撐隧道開挖後之應力釋放,而是在已開挖的隧道壁體上有類似的支撐作 用,此支撐力會隨著開挖面的前進而逐漸減小,可表為下式:

R= 1+

 

v (2-50)

式中之 R

v

=U 2G

 R

 。其中,σR 為徑向位移量,G 為剪力模數,R 為隧道半徑,σv

為初始應力。

Unlu(2003)等人,利用三維有限差分程式 Flac3D 模擬隧道開挖前進效應,

結果指出位移多發生於開挖面附近並且受到開挖面附近岩體波松比(Poisson’s ratio)之影響。而在隧道開挖前進面之前就會產生大約 20~30%之徑向位移量(相 較於最終位移量)。

Karakus(2003)等人,利用有限元素法分析三種開挖順序形式(1)兩邊側 壁開挖、(2)單邊側壁開挖及(3)頂拱先開挖;由結果可知全斷面開挖與二 階開挖時若位於軟弱岩層中皆需盡早完成支撐架設,延遲支撐將會造成過大的 位移與沉陷;且可知地表沉陷量與假設彈性模數( Hypothetical Modulus of Elasticity,HME)有關,愈高的 HME 值所產生的地表沉陷值愈少。

2.4 岩體開挖之破壞模式

施國欽(2004)提到,隧道一旦開挖後,因其周圍岩體應力之重新分佈與 改變,常有地質災害發生如抽心、擠壓、岩爆及邊坡滑動等等,而隧道圍岩之

(31)

破壞機制分為塑性變形、鬆脫破壞、岩塊崩落、彎曲折斷破壞及脆性破壞(岩 爆)等五種,以下則分別簡述之:

(1) 塑性變形:軟岩或含泥質破碎岩體,其因岩體強度低、自立性差,當隧道 開挖解壓後,其周圍岩體應力重新分佈,導致圍岩產生塑性變形,造成隧 道之淨空不足或損壞,一般稱此種破壞為擠壓破壞。

(2) 鬆脫破壞:隧道在極破碎岩體且淺覆蓋的岩層中開挖,因岩體自持強度 低,隧道開挖後,引起週圍岩體應力會重新分佈,造成圍岩應力大於岩體 強度時,隧道之周圍岩體因本身自持力不足,破碎岩體極容易因鬆脫潰 散,導致在洞頂的岩塊直接崩落至洞內,而側壁岩體也會坍滑至洞內。

(3) 岩塊崩落:當岩體被弱面及開挖面切割成有限之大小,因重力作用會造成 岩塊之崩落翻倒或墜落。

(4) 彎曲折斷破壞:岩體中如果有一組極發達的弱面,尤其夾有軟岩互層時,

當隧道開挖後,常發生彎曲折斷破壞;此狀況乃因弱面間的剪力強度低,

薄層岩體抗彎強度也不高,

在隧道開挖後,其周圍岩體因解壓又受到重

力與圍岩應力的雙重影響,導致薄狀岩層向洞內位移彎曲變形,當影響 因子大時,甚至會彎曲張裂折斷類似挫屈破壞,以致岩塊墜落或翻落掉 到洞內。

(5) 脆性破壞:高強度且完整之岩體,當隧道開挖後,其四周應力會重新分佈,

若切向應力超過岩體強度時,加上側向應力之解除,圍岩將會產生劇烈的 脆性爆炸損壞,此即岩爆;一般高強度且具高現地應力的岩體中,遇到開 挖解壓時極可能發生岩爆。

2.5 開挖岩體之潛變行為

岩體潛變行為的現象,經由各種實驗與現地資料可得出,此現象主要是受 到了大地應力影響而使得岩體開挖時,產生了潛變行為,而潛變的速率亦隨著 大地應力的強弱而有所快慢;其次環境的因素也會影響其速率變化,如溫度、

參考文獻

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