節理傾角、地下水及開挖工法對
隧道開挖變形行為影響之探討
指導教授:陳志南博士
研 究 生:龔 台 慶
時 間: 90年12月
論 文 摘 要
隧道是所有營建工程中與地質關係最密切者，而地質條件中又以不連續面和地下水，為隧道施工能否順利進行之主要影響因素。事先掌握隧道線路之地質情況，利用電腦軟體進行數值分析，作為隧道設計和施工之參考依據，已是國內、外隧道工程界之共識和必然的趨勢，亦為成功之要因。本研究以UDEC二維數值分析程式，對北迴鐵路新觀音隧道進行模擬，首先在不同節理傾角且無地下水壓之情形下，探討隧道開挖面之變形行為，其次為比較加入地下水壓後之情況，最後就不同的開挖工法對隧道變形影響加以比較。
分析結果顯示，隧道開挖後之變形行為有以下之特質: (1)當隧道長軸與節理走向平行時，不論是否受地下水壓之影響，小角度的傾角將造成隧道頂拱、仰拱較大之變形量;而大角度之傾角對側壁的影響較大。顯示當與開挖面相切節理之角度愈小，所產生之變形量愈大。(2)當岩層中含有地下水時，開挖面之變形量立即大幅增加。(3)由小導坑逐漸擴挖之方式，確可延緩開挖面之變形時間，惟在相同地質條件下，五種隧道開挖工法開挖隧道，在本模擬條件下(二維平面應變之假設)最終之變形量趨於一致。

Studies of the Displacement Behavior Affecting by Joint Orientation, Ground Water, and Tunneling Method
Thesis Advisor : Chee-Nan Chen
Graduate Student .: Alan Kung
ABSTRACT
Tunneling is the work in civil engineering that surrounding geological condition plays the dominated role. The geological formation and ground water are considered to be two critical factors during tunneling. A sound geological investigation with the aid of proper numerical analysis is the key to a successful tunneling design and construction, and this methodology is also adopted by tunneling industry worldwide. By using a two dimensional UDEC analytical program, this thesis focuses on analyzing tunneling displacement mechanism by using the two dimensional numerical code UDEC. The first study is related to the tunneling displacement with various joint dip angles and no existence of ground water. The second study is added the ground water affection based from the first study. The third study the displacement variation by using five different tunnel construction methods.
Some results are presented finally: (1) When the tunnel’s longitudinal direction is parallel the joint’s strike, the displacement of arch and invert are most affected by smaller joint dip angle no matter how the ground water exists or not. The sidewall displacement will be increase if the dip angle is increased. (2) The displacement of the tunnel significantly increases if ground water exists. (3) Applying the pilot construction method can prolong the displacement process. However, the final tunnel cross sectional displacement of five different tunneling methods will be the same if tunneling in the same geological condition and with two dimensional plane strain assumption.

目 錄
摘 要…………………………………………….…...Ⅰ
ABSTRACT………………………………………….Ⅱ
誌 謝…………………………………………….…...Ⅲ
目 錄……………………………………………........Ⅳ
表 目 錄………………………………………….….Ⅵ
圖 目 錄……………………………………….…….Ⅶ
第一章 緒 論………………………………….…...1
1.1 前 言……………………………….……………..1
1.2 研究動機…………………………….………………..2
1.3 研究內容……………………………….……………..3
第二章 文獻回顧…………………………………....4
2.1 隧道開挖工法…………………………………….…..4
2.2 隧道災害之種類……………………………………...6
2.3 岩體之異向性………………………………………...7
2.4 岩體之破壞型式……………………………………...8
2.5 岩體破壞準則……………………………………….12
2.6 節理參數…………………………………………….18
2.7 隧道數值模擬相關研究…………………………….22
第三章 數值分析背景…………………………….25
3.1 新觀音隧道介紹…………………………………….25
3.2 地質背景…………………………………………….29
第四章 數值分析方法…………..…………...…….32
. 4.1 分析軟體簡介…………………….……..…….……. .32
4.2 UDEC之行為模式…………………………………..37
4.3 程式基本術語之定義…………………………………42
4.4 UDEC程式分析流程………………………………..45
4.5 本研究之分析模式……………………………………48
4.6 岩體及材料參數………………………………………49
4.7 邊界條件………………………………………………51
4.8 初始應力………………………………………………53
4.9 模型不穩定時之處理方法……………………………54
第五章 分析結果與問題探討……………..……......55
5.1 不同節理傾角對隧道開挖之影響…………..……….57
5.2 地下水對隧道開挖之影響…………………..……….77
5.3 不同施工方法對隧道變形之影響………………..….93
第六章 結論與建議…………………………….….122
6.1 結 論………………………………………… …122
6.2 建 議………………………………… …………125
參考文獻……………………………………….…….127
附錄A Bieniawski氏岩體分類法(RMR法)……... 129
附錄B 岩體分類Q法…………………………………132
附錄C 變形曲線………………………………………..136
表 目 錄
. 表 2.1 岩石品質與材料參數之近似關係…………..……,…...19
表 4.1 UDEC塊體組合律模式………………………….….…39
表 4.2 UDEC節理組合律模式……………………………..…42
表 5.1 數值分析結果……………………………………….….59
表 5.2 內空變位測線縮短值………………………………..…68
表 5.3 加入地下水之數值分析結果………………………..…79
表 5.4 加入地下水後內空變位測線縮短值………………..…87
表 5.5 五種隧道開挖工法之變形數據……………………..…94
表 5.6 側壁導坑工法各開挖階段σxx、σyy及K值統計表…114
表 5.7 底導坑工法各開挖階段σxx、σyy及K值統計表……118
表 5.8 上半先進工法各開挖階段σxx、σyy及K值統計表…116
表 5.9 上半環挖工法各開挖階段σxx、σyy及K值統計表…..119
表 5.10 全斷面工法各開挖階段σxx、σyy及K值統計表……121
圖 目 錄
圖 2.1 新奧工法作業流程…………………..……………….….5
圖 2.2 彎矩破壞……………………………………..…………..9
圖 2.3 剪力破壞…………………………………………..……..9
圖 2.4 壓碎破壞…………………………………………..……..9
圖 2.5 直接拉力破壞……………………………………..……..9
圖 2.6 壓碎或壓力破壞………………………………..………..9
圖 2.7 岩盤邊坡破壞型式……………………………..………11
圖 2.8 摩爾破壞包絡線圖……………………………..………13
圖 2.9 岩體內扁平橢圓形裂隙受力示意圖…………..………15
圖 3.1 東部鐵路改善計畫路線示意圖………………..………26
圖 3.2 北迴雙軌工程計畫位置示意圖…………………..……27
圖 3.3 新觀音隧道斷面圖………………………………..……28
圖 3.4 新觀音隧道工作面示意圖………………………..……29
圖 4.1 個別元素法之運算流程示意圖…………………..……35
圖 4.2 網格分割方法示意圖……………………………..……37
圖 4.3 UDEC之柔性塊體邊對邊接觸方式……………..……40
圖 4.4 UDEC模型示意圖………………………………..……43
圖 4.5 UDEC一般運算流程……………………………..……45
圖 4.6 模型邊界條件示意圖……………………………..……52
圖 5.1 本研究網格建立示意圖………………………..………56
圖 5.2 內空變位測線圖…………………………………..……56
圖 5.3 頂拱及仰拱x方向變形比較……………………..……60
圖 5.4 頂拱及仰拱y方向變形比較……………………..……60
圖 5.5 頂、仰拱水平與垂直變位比值…………………..……61
圖 5.6 頂、仰拱水平變位比值與垂直變位比值………..….…61
圖 5.7 頂拱變形正規化曲線…………………..……………… 62
圖 5.8 仰拱變形正規化曲線……………………...…………... 62
圖 5.9 左、右起拱點x方向變形比較…………...……………64
圖 5.10 左、右起拱點y方向變形比較……………………...…64
圖 5.11 左、右起拱點水平與垂直變位比值…….…..…………65
圖 5.12 左、右起拱點水平變位比值與垂直變位比值……...…65
圖 5.13 左起拱點變形正規化曲線……………….…..…………66
圖 5.14 右起拱點變形正規化曲線……………….…..…………66
圖 5.15 內空變位量……………….……………….…..………...68
圖 5.16 內空變位正規化曲線…….……………….…..………...69
圖 5.17 0度傾角之變形及塑性區圖…………..……..………..70
圖 5.18 15度傾角之變形及塑性區圖…………………..………70
圖 5.19 30度傾角之變形及塑性區圖……………………..……71
圖 5.20 45度傾角之變形及塑性區圖…………………..………71
圖 5.21 60度傾角之變形及塑性區圖……………………..……72
圖 5.22 75度傾角之變形及塑性區圖……………………..……72
圖 5.23 90度傾角之變形及塑性區圖…………………..………73
圖 5.24 0度傾角最大主應力等壓線圖………………..………73
圖 5.25 15度傾角最大主應力等壓線圖………………..………74
圖 5.26 30度傾角最大主應力等壓線圖………………..………74
圖 5.27 45度傾角最大主應力等壓線圖………………..………75
圖 5.28 60度傾角最大主應力等壓線圖………………..………75
圖 5.29 75度傾角最大主應力等壓線圖………………..………76
圖 5.30 90度傾角最大主應力等壓線圖………………..………76
圖 5.31 頂拱及仰拱x方向變形比較(加水壓)…………………80
圖 5.32 頂拱及仰拱y方向變形比較(加水壓)……………..…... 80
圖 5.33 頂、仰拱水平與垂直變位比值(加水壓) …………..…...81
圖 5.34 頂、仰拱水平變位與垂直變位比值(加水壓) ……...…..81
圖 5.35 頂拱變形正規化曲線……………………………..……..82
圖 5.36 仰拱變形正規化曲線…………………………..………..82
圖 5.37 左、右起拱點x方向變形比較(加水壓) ………..….…..83
圖 5.38 左、右起拱點y方向變形比較(加水壓) ………...….….84
圖 5.39 左、右起拱點水平與垂直變位比值曲線(加水壓)..…....84
圖 5.40 左、右起拱點水平變位比值與垂直變位比值(加水壓)..85
圖 5.41 左起拱點變形正規化曲線…………………………….....85
圖 5.42 右起拱點變形正規化曲線…………………………….....86
圖 5.43 內空變位量(加水壓)………………………………….….87
圖 5.44 內空變位正規化曲線(加水壓) ……………………….....88
圖 5.45 0度傾角加水壓後之變形及塑性區圖……………..…..89
圖 5.46 15度傾角加水壓後之變形及塑性區圖……………..…..90
圖 5.47 30度傾角加水壓後之變形及塑性區圖……………..…..90
圖 5.48 45度傾角加水壓後之變形及塑性區圖……………..…..91
圖 5.49 60度傾角加水壓後之變形及塑性區圖……………..…..91
圖 5.50 75度傾角加水壓後之變形及塑性區圖……………..…..92
圖 5.51 90度傾角加水壓後之變形及塑性區圖……………..…..92
圖 5.52 側壁導坑工法第一步驟:左導坑開挖及主應力分佈圖…96
圖 5.53 側壁導坑工法第二步驟:右導坑開挖及主應力分佈圖…96
圖 5.54 側壁導坑工法第三步驟:上半及土心開挖及主應力分佈圖
……………………………………………………………97
圖 5.55 側壁導坑工法頂拱、仰拱變形曲線…………………….97
圖 5.56 側壁導坑工法左、右起拱點變形曲線………………….98
圖 5.57 底導坑工法第一步驟:底導坑開挖及主應力分佈圖….…99
圖 5.58 底導坑工法第二步驟:上半斷面開挖及主應力分佈圖….99
圖 5.59 底導坑工法第三步驟:開挖側壁及主應力分佈圖………100
圖 5.60 底導坑工法頂拱、仰拱變形曲線……………………….100
圖 5.61 底導坑工法左、右起拱點變形曲線…………………….101
圖 5.62 上半先進工法第一步驟:上半開挖及主應力分佈圖……102
圖 5.63 上半先進工法第二步驟:下半擴挖及主應力分佈圖……102
圖 5.64 上半先進工法頂拱、仰拱變形曲線………………….…103
圖 5.65 上半先進工法左、右起拱點變形曲線……………..…...103
圖 5.66 上半環挖工法第一步驟:上半環挖及主應力分佈圖……105
圖 5.67 上半環挖工法第二步驟:挖除上半土心及主應力分佈圖
……………………………………………………………105
圖 5.68 上半環挖工法第二步驟:下半開挖及主應力分佈圖…....106
圖 5.69 上半環挖工法頂拱、仰拱變形曲線………………….....106
圖 5.70 上半環挖工法左、右起拱點變形曲線……………….....107
圖 5.71 各種工法頂拱變形曲線………………………………….109
圖 5.72 各種工法仰拱變形曲線……………………………….…109
圖 5.73 各種工法左起拱點變形曲線………………………..…...110
圖 5.74 各種工法右起拱點變形曲線………………………..…...110
圖 5.75 五種工法變形量比較………………………………….....111
圖 5.76 五種工法內空變位比較………………………………. ...112
圖 5.77 五種工法內空變位正規化比較………………………….112
圖 5.78 側壁導坑工法大地平衡後之K值………………..……..115
圖 5.79 側壁導坑工法左側導坑開挖後之K值…………..……..115
圖 5.80 側壁導坑工法兩側導坑開挖後之K值…………..……..115
圖 5.81 側壁導坑工法全斷面開挖後之K值……………..……..115
圖 5.82 底導坑工法大地平衡後之K值………….…………..117
圖 5.83 底導坑工法底導坑開挖後之K值…………………...117
圖 5.84 底導坑工法上半擴挖後之K值………………….…..117
圖 5.85 底導坑工法全斷面開挖後之K值…………………...117
圖 5.86 上半先進工法大地平衡後之K值……………….…..118
圖 5.87 上半先進工法上半開挖後之K值…………………...118
圖 5.88 上半先進工法全斷面開挖後之K值………………...118
圖 5.89 上半環挖工法大地平衡後之K值……………….…..120
圖 5.90 上半環挖工法環挖後之K值………………………...120
圖 5.91 上半環挖工法上半擴挖後之K值……………….…..120
圖 5.92 上半環挖工法全斷面開挖後之K值………………...120
圖 5.93 全斷面工法大地平衡後之K值……………………...121
圖 5.94 全斷面工法開挖後之K值…………………………...121

參 考 文 獻
1．郭俊何，【順向坡開發之工程穩定性探討】，pp.11~23 (2000)。
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