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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:薛文城
研究生(外文):Wen-cheng Hsueh
論文名稱:隧道遭遇湧水災害之因應對策與處理工法研究-以新永春隧道為例
論文名稱(外文):The Action Plans and Treatment Methodologies Study for Tunnelling Subjected to Catastrophic Water Inrush ─ A Case Study of New Yung-Chuen Tunnel
指導教授:陳俶季陳俶季引用關係
指導教授(外文):Shuh-gi Chern
學位類別:碩士
校院名稱:國立海洋大學
系所名稱:河海工程學系碩士在職專班
學門:工程學門
學類:河海工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:133
中文關鍵詞:山岳隧道高壓巨量湧水熱瀝青灌漿
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台灣位處於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊衝撞推擠運動之交界帶上,地質構造變動複雜且變化劇烈。於隧道施工中經常發生的各種災變,其規模之巨及處理困難之程度,有時連先進國家之資深隧道工程專家亦感束手無策。由於山岳隧道施工具有高技術、高風險、不確定、時效性、高成本、工作持續循環等工程特性,在施工上常遭遇抽心、落盤、塌陷、擠壓、湧水、地熱及溫泉、岩爆、有害氣體等類型之災害。尤其遭逢高壓巨量地下湧水災害,甚難處理。
本研究藉由蒐集與整理國內外隧道湧水之案例,經彙整歸納隧道湧水發生成因的地質特性與隧道破壞現象,大致可分成:1.地下水豐富且隧道周圍岩體滲透性良好,地下水自隧道四周滲流而入;2.極高的地下水壓透過岩體不連續面或透水性較佳的地層湧入;3.隧道遭遇地下伏流如溶洞、開裂的不連續面或連續性甚佳的破碎帶;4.隧道通過海、湖、江或河等下方等四種類型。並整理具湧水潛能地盤相關的水文地質調查要項包括:隧道地下水主要來水方向調查;隧道圍岩阻水層水文地質邊界調查;斷層與破碎帶調查;岩溶(喀斯特)含水層調查;地熱與地溫調查等,以瞭解產生隧道湧水成因、滲漏途徑與預測隧道湧水量,及作為隧道湧水處理對策之依據。
  湧水的因應對策工法方面,經由蒐集案例採用的工法中,依據各理論背景加以分類,並探討不同湧水地質特性與各種工法的應用成果,歸納出處理隧道湧水之工法,主要可分為排水工法與阻水工法兩類之處理對策。而近年來為因應國內隧道工程在工程地質方面遭遇地質構造變化複雜及地下湧水災害問題,其處理原則則以近灌遠排之理念,採取排水與阻水工法兩者併用之處理對策。
  本研究以新永春隧道工程為實例,回顧規劃設計階段相關的地質調查、因應湧水問題的考量、輔助工法與施工中地質、水文地質調查等設計,並說明遭遇高壓巨量湧水的歷程。再針對湧水災害發生後,工程因應處理對策包括:地表補充地質調查、水平長距離鑽探、路線變更設計、輔助工法等加以整理與探討,顯示由西側迂迴坑施作大口徑排水已具排水洩壓之效。且於國內首度引用熱瀝青灌漿工法為主要之隧道阻水工法,由灌注結果顯示,瀝青材料硬化過程與一般傳統灌漿材料不同,其主要受溫度因素控制,與受時間控制因素之相關性較低。在灌注過程中,灌注熱瀝青所有施灌設備、供料、配合設施等,結合構成一操作系統。因系統之組成元素較多,故任何一環節產生問題,均可能造成整體系統之停滯或失敗。實務操作上亦發生多次因微小問題造成施工困難。熱瀝青灌漿工法於台灣以往未有相關施工及檢測經驗,由該工法之施工過程、施灌成效及檢測成果之相關記錄,未來可建立熱瀝青灌漿力學機制、灌漿技術之移轉及本土化等研究。
  本研究期能藉由湧水案例的整理與施工中實例的探討,完整的探討隧道湧水的調查、評估與因應對策,提供工程界相關的參考。
Taiwan is situated on the junction belt of Philippine Sea plate and Eurasian plate, which subjected to collision and compression activities. The geologic structures are complex and presenting great variations. Therefore, failures occurred frequently during tunnel constructions. Sometimes the magnitude and the extent of the failures were so large that even the most experienced engineers could not resolve the problem. When drilling tunnels through the mountain, it would involve certain engineering features such as advanced techniques, great risks, obscure uncertainties, time efficiencies, high costs, and continuous and cyclic work schedules. During the tunnel construction, failures such as collapsing, rock fall, caving- in, squeezing, water inrush, geothermal, hot spring, rock burst and toxic gases may be encountered. Among these, the most difficult situation is to fight with the massive high-pressured catastrophic inrush of groundwater.
Numerous case histories regarding water inrush problems have been collected and studied herein. The special geologic features that cause the water inrush and the phenomenon of failures induced by the water inrush can be summarized as following: 1. Groundwater intruding into the tunnel from all over the circumferences, for the cases that ample groundwater existing in the highly permeable surrounding rocks. 2. Groundwater with extremely high pressure that penetrates through the discontinuities of rocks or through the permeable strata. 3. Tunnelling encounters underground water flow such as the soluble cavities, openings of discontinuities, or crushed zones. 4. Tunnelling underpasses ocean, lake, river, etc. Some important items in the hydrogeological investigation program, for those grounds with water inrush potential, have been analyzed and classified. This is to further understand the causes of tunnel water inrush and the travelling passages of water to facilitate the prediction of the quantity of water inrush and as the fundamental for the remedial approaches planning. These investigation items include: direction of water flow, boundary of impermeable layer which surrounding the tunnel, fault and crushed zone, acquifer in soluble rock (Karst formation), geothermal and ground temperature.
The treatment methodologies for inrush of water problems can be classified according to the theoretical fundamentals, geologic characteristics and the results of applied methods, as addressed in the collected case histories. They can be split into two major categories, namely water diverting and water stopping methods. In the recent years, in view of the complexity of the ground conditions, the local constructors have used, at the same time, both of the methods to deal with the water inrush problems. This methodology is implemented by applying low pressure grouting for the area near the tunnel excavation face meanwhile diverting the water behind the grouting area.
A practical case, New Yong-Chun tunnel, is studied herein. The results of geological investigation during the planning and design stage, considerations in response to the water inrush problems, supplemental construction methods, results of hydrogeological and geological investigations during tunnelling have been carefully reviewed. A detailed description of encountering the high-pressured catastrophic inrush of water during tunnel construction is also included. In addition, cautious assessment is carried out regarding to the adopted remedial treatments after the massive water inrush occurred, which including the activities of supplemental geological investigations from the ground surface, long-run horizontal drilling, modification in tunnel alignment, and supplemental methodologies. It has indicated that the large dimensional water diversion device constructed at the west side bypass has effectively released the water and its pressure. On the other hand, a grouting work is also performed to hinder the water inflow, by using hot bitumen as the grouting material. Grouting incorporation of the hot bitumen has shown that the hardening processes are different from those of the traditional materials. The temperature rather than the time mainly control the hardening of the bitumen. During the grouting, the equipment, material supply and other necessary accessories would become a unique operation system. Since the system consists of many elements, whenever any of them is not functioning normally it will shut down the whole system. In the studied case, there had been occasions the grouting work could not proceed smoothly only due to certain minor problems. The application of hot bitumen grouting in tunnelling has never been used in Taiwan before. Therefore it is lacking of related experiences and test data. The information collected in this study, including grouting processes, effectiveness of grouting and the test results, may serve as a good reference for future researches on the establishment of the mechanical behaviors, transferring of grouting techniques and issues of localization for the hot bitumen grouting.
The intention of this study is to summarize the related case histories of tunnelling subjected to water inrush problems and to fully search into a practical case regarding the subjects of investigation, assessment, and the action strategies, It is expected that that study would provide useful references
目 錄 頁次
中文摘要...............................................Ⅰ
英文摘要...............................................Ⅲ
目錄...................................................Ⅶ
表目錄.............................................. ⅩⅡ
圖目錄.............................................ⅩⅠⅤ
照片目錄...........................................ⅩⅤⅡ
符號說明...........................................ⅩⅠⅩ
第一章 導論..........................................1-1
1.1前言..............................................1-1
1.2研究動機與目的....................................1-3
1.3研究方法..........................................1-4
1.4論文內容..........................................1-5
第二章 隧道湧水災害案例整理..........................2-1
2.1山岳隧道湧水案例整................................2-1
2.2湧水的地質特性與隧道破壞現象......................2-1
2.3隧道水文地質調查..................................2-9
2.3.1隧道水文地質調查內容.......................... 2-10
2.3.2隧道水文地質調查重點.......................... 2-11
2.3.3隧道水文地質調查工作項目.......................2-13
2.3.4隧道湧水性地盤調查方法.........................2-14
第三章 隧道湧水災害之處理對策........................3-1
3.1排水工法..........................................3-1
3.2阻水工法..........................................3-4
3.3隧道湧水災害之處理原則............................3-9
第四章 新永春隧道之規劃設計、施工與湧水災害簡介......4-1
4.1隧道工程地質概述..................................4-2
4.1.1地形與區域地質..................................4-2
4.1.2地表地質........................................4-4
4.1.3水文地質........................................4-5
4.1.4隧道沿線工程地質特性............................4-8
4.2路線與隧道設計....................................4-9
4.2.1路線............................................4-9
4.2.2隧道設計.......................................4-10
4.3施工概況與湧水災變歷程...........................4-13
4.3.1隧道施工概況...................................4-13
4.3.2湧水災變歷程 ..................................4-14
第五章 新永春隧道湧水災害之因應對策與探討............5-1
5.1災後緊急處理、應變小組成立與工作面重建............5-1
5.1.1災變初期之緊急處理..............................5-1
5.1.2災變處理小組之成立..............................5-1
5.1.3土石清理........................................5-2
5.1.4開闢西側迂迴坑道與線形修正......................5-3
5.2補充地表地質調查、水文調查及成果與研判............5-3
5.2.1補充地表地質調查及成果..........................5-4
5.2.2水文調查及成果..................................5-6
5.2.3地表補充地質調查作業成果初步分析研判與建議......5-8
5.3水平長距離鑽探及成果與研判........................5-9
5.3.1水平長距離鑽探成果..............................5-9
5.3.2地表補充地質調查與水平長距離鑽探綜合研判分析...5-12
5.3.3路線改移方案...................................5-14
5.4潛在災害之釐清與不確定因素之探討與評估...........5-14
5.4.1地工特性之釐清與不確定因素之探討...............5-14
5.4.2地質災害之釐清與不確定因素之探討...............5-15
5.4.3後續隧道施工可能發生災害之評估.................5-16
5.5變更設計理念之考量...............................5-18
5.6高壓湧水段克服工法與相關工程改善措施.............5-19
5.6.1排水降壓處理措施...............................5-19
5.6.2大口徑鑽孔排水降壓成效評估.....................5-19
5.6.3阻水工法之選擇.................................5-21
5.7熱瀝青灌漿工法之處理、結果分析與討論.............5-23
5.7.1熱瀝青灌漿工法概述.............................5-23
5.7.2熱瀝青灌漿特性.................................5-25
5.7.3熱瀝青灌漿之優點...............................5-25
5.7.4鑽灌方式、孔位配置及預定灌漿範圍與數量.........5-26
5.7.5施灌結果.......................................5-27
5.7.6灌漿作業檢討...................................5-28
5.7.7熱瀝青灌漿工法未來展望.........................5-33
第六章 結論與建議....................................6-1
6.1結論..............................................6-1
6.2建議..............................................6-3
參考文獻.............................................6-5
附錄A氚定年之原理與方法..............................A-1
附錄B熱瀝青灌漿工法施工作業流程、工程配置、材料供應以及
鑽灌配合作業.........................................B-1
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