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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳忠傑
研究生(外文):Chung-Chieh Chen
論文名稱:曲線管推進之物理模型實驗與推進力之分析研究
論文名稱(外文):Physical Modeling of Curved Pipejacking with Study of Driving Force
指導教授:壽克堅壽克堅引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:土木工程學系所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:68
中文關鍵詞:曲線管推進超挖
外文關鍵詞:Curved Pipejackingover-cut
相關次數:
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隨著經濟的起飛,地下工程建設的需求也日亦遽增,但在都會區內人口密集處施工時易對交通造成衝擊影響,再加上如遇到地下障礙物或無法避免的情況發生時,使得傳統的開挖工法如:明挖覆蓋工法已不適用,而需採用非明挖覆蓋工法來進行較為適當,本研究以探討非明挖覆蓋工法中的曲線管推進工法為主。曲線推進施工常因為規劃路線與實際推進路線不一致、面盤阻力過大造成機頭損壞與摩擦阻力過大導致無法順利推進等因素,使得土體側向反力與管材和土體之間的摩擦力探討格外重要。
本文主要分為物理模型實驗及推進力分析兩大部份;物理模型實驗採用兩種不同曲率半徑之曲線管串進行鬆砂管推進實驗,利用模型試驗來模擬現地開挖狀況,配合不同的開挖面盤轉速來模擬推進時的擠壓或超挖情形,並量測推進過程中土體的應力變化情形、地表變位、土體擾動情況以及曲線推進管前方阻抗力值。推進力分析方面,分為靜力分析與推進力計算兩部份,分別用推導的靜力平衡式與經驗公式來探討總推進力與切削面盤阻力之關係,並以物理模型試驗與現地實際工程案例做為運算基礎,進行比較分析探討。
研究結果顯示管串推進過程中,切削面盤轉速與管串推進速度有密切的關係,本研究使用之管串出土平衡點為推進速度1mm/min時,轉速0.5-0.7轉,與推進速度0.5mm/min時,轉速0.3-0.5轉;並由改良後管串得知切削頭的刀頭設計也影響到超挖與否。由實驗中微型土壓力讀數,得知管串於推進過程中對管外側土體造成擠壓,其影響的範圍約在0.25倍管徑內。由靜力平衡推導公式計算工作井推進力,可發現靜力平衡公式之計算值大於經驗公式之計算值,研判為本研究假設管材受土體側向反力之影響,力的分佈為連續性且不發生旋轉太過保守,加入使用滑材計算後,可發現推進力大幅減少。但隨著推進節數的增加,靜力分析計算出的推進力仍較經驗公式計算之推進力大,研判是因為本研究假設推管按既定路線推進,不轉動也不移動下進行推導過於理想保守。
Due to the economy growth and urban development, the demand of underground excavation increases rapidly in Taiwan area. The impact on the traffic and the barriers on the surface makes the open cut unfeasible, which motivate the development and application of No-Dig technology. This research focuses on the Curved Pipe Jacking Method primarily. The curve driving construction often encounters difficulties, such as inconsistent driving route, resistance large than capacity, cutter head damage, and driving blockage. This study explores those problems from the pipe-soil interaction point of view.

This study comprises physical modeling and driving forces analyses. The physical modeling in loose sand adopts two curved pipes with different radii of curvature, location excavation similar conditions, and different advancing rate and rotational speed of cutting face to simulate the blow-out and over-cut behavior for curved pipejacking. Besides, during the driving process, readings were taken for stresses within the soil and on the pipe surface, surface settlement, and reaction force at the cutter head of curved pipe. Based on static equilibrium analysis and the empirical formula, the required driving forces and the total force at the cutter head can be calculated. The results were calibrated by the physics modeling and a practical pipejacking case.
The results of physical modeling show there is a correlation between advancing (driving) rate and rotational speed of cutter head for a stable pipejacking. For the pipe in this study, the relation is rotational speed requires 0.5-0.7 rpm for a driving rate of 1 mm/min, and requires 0.3-0.5 rpm for a driving rate of 0.5 mm/min. Besides, the design of the curved pipes also affects the extent of lateral over-cut. The results of pressure meter reading suggest there is squeezing effect at the outer side of the curved pipe, and the range of influence is approximately 0.25 pipe diameter.
The driving forces calculated by static equilibrium analysis is greater than those obtained by the empirical formula. The reason of this overestimation could be the conservative assumption of the continuous distribution of lateral stresses and not allow the pipe string to rotate. However, the results of the case with lubricants show a significant reduction in driving force requirement, which strongly suggest the necessity of lubricants for curved pipejacking.
目錄
表目錄 I
圖目錄 II
照片目錄 IV
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 2
1.3 研究方法與內容 2
1.4 論文架構 3
第二章 文獻回顧 4
2.1曲線推進工法之概要 4
2.2管推進工程之物理模型實驗 4
2.2.1管推進工程之物理模型實驗之相關文獻 4
2.2.2估算地表沉陷之經驗方法 6
2.3管推進工程推進力之理論 7
第三章 物理模型實驗 9
3.1 相似理論與模型相似性 9
3.1.1模型實驗與模型相似概念[16][17] 9
3.2 材料基本性質 11
3.2.1 單位重及含水量 11
3.2.2 三軸強度值與摩擦角 11
3.2.3 彈性模數、靜止土壓力係數與柏松比 12
3.3實驗設備 12
3.3.1管推進物理模型機 12
3.3.2管推進物理模型機動力裝置WinCon8000 13
3.3.3 曲線推進管串 14
3.3.4 微型土壓計與資料擷取系統 14
3.3.5 應變計 15
3.3.6 雷射斷面掃瞄器 15
3.3.7 其他設備 16
3.4曲線管推進物理模型試驗 16
第四章 推進力分析 18
4.1靜力分析 18
4.1.1第一節管分析 19

4.1.2第m節管分析 25
4.1.3最末節管分析(由推進力求先端阻抗力) 32
4.1.4最末節管分析(由先端阻抗力求推力) 39
4.1.5第一節管分析(由先端阻抗力求推力) 44
4.2經驗公式分析 51
第五章 試驗結果與推進力分析討論 53
5.1物理模型試驗結果與討論 53
5.1.1第一次管推進物理模型試驗結果 53
5.1.2第二次管推進物理模型試驗結果 54
5.1.3第三次管推進物理模型試驗結果 56
5.1.4第四次管推進物理模型試驗結果 58
5.1.5第五次管推進物理模型試驗 59
5.2推進力分析結果與討論 61
5.2.1物理模型之推進力計算 61
5.2.2現地案例之推進力計算 61
5.2.3計算討論 62
5.3推進力之建議-以台中卵礫石層曲線推進為例 62
第六章 結論與建議 64
6.1.結論 64
6.2.討論與建議 65
參考文獻 66













表目錄
表3.1 物理模型與現地案例之相似比較.....................................................69
表3.2 疏鬆砂土之三軸實驗(UUU)結果......................................................69
表3.3 砂土之彈性模數、靜止土壓係數及柏松比.......................................69
表3.4 疏鬆砂土之無圍壓三軸試驗(uuu)結果............................................70
表3.5 管材與土壤界面摩擦性質之小型直剪試驗.....................................71
表3.6 使用之兩組管串內容介紹.................................................................71
表3.7 物理模型試驗總結.............................................................................72
表4.1 不同地質條件之修正係數.................................................................73
表4.2 第一節管解.........................................................................................74
表4.3 第m節管解.........................................................................................75
表4.4 最末節管解(由推進力求先端阻抗力) .............................................77
表4.5 最末節管解(由先端阻抗力求推進力) .............................................78
表4.6 第m節管解(由先端阻抗力求推進力) .............................................79
表4.7 第一節管解(由先端阻抗力求推進力) .............................................81
表5.1 物理模型試驗之推進速率及轉速.....................................................82
表5.2 物理模型試驗三數據.........................................................................82
表5.3 物理模型試驗之地表沉陷變化.........................................................83
表5.4 物理模型試驗原有管串之推進力計算.............................................84
表5.5 滑材摩擦係數.....................................................................................85
表5.6 物理模型靜力分析-先端阻抗力求推進力(單位:kN) ......................85
表5.7 物理模型靜力分析-推進力求先端阻抗力(單位:kN) ......................85
表5.8 現地案例之推進力計算.....................................................................86
表5.9 現地案例之推進力計算比較(單位:kN) ...........................................87
表5.10 案例分析所採用之材料參數.............................................................87
表5.11 先端阻抗力計算-以台中卵礫石層曲線推進為例............................88
表5.12 推進力之建議-以台中卵礫石層曲線推進為例................................89









圖目錄
圖1.1 曲線管推進工法研究流程.................................................................92
圖2.1 管推進過程之土層變形行為圖(修改自Rogers,1994) ....................93
圖2.2 管推進過程中土層鬆動示意圖(修改自Sakurai,1988) ...................94
圖2.3 地表沉陷曲線示意圖(修改自Peck,1969) ........................................94
圖2.4 靜力分析橫剖面圖(Broere and Faassen2007) ..................................95
圖2.5 力矩平衡示意圖(Broere and Faassen2007) ......................................95
圖3.1 不同圍壓下疏鬆砂土之應力應變曲線.............................................96
圖3.2 疏鬆砂土之 應力路徑圖.............................................................96
圖3.3 曲線推進管尺寸示意圖(江奕廷2006) ............................................97
圖3.4 改良後曲線推進管尺寸示意圖.........................................................98
圖4.1 靜力分析之管串分佈圖.....................................................................99
圖4.2 靜力分析各節管...............................................................................100
圖4.3 第一節管橫剖面圖...........................................................................100
圖4.4 管縱剖面圖.......................................................................................101
圖4.5 第一節管側向力P12分佈圖............................................................101
圖4.6 第一節管摩擦力Fr1示意圖............................................................102
圖4.7 第m節管橫剖面圖..........................................................................102
圖4.8 順算第n節管橫剖面圖(由總推力計算先端阻抗力) ....................103
圖4.9 最末節管橫剖面圖...........................................................................103
圖4.10 逆算第一節管橫剖面圖(由先端阻抗力計算總推力) ...................104
圖4.11 曲線推進路線示意圖.......................................................................104
圖4.12 計算分析流程...................................................................................105
圖5.1 曲線管推物理模型試驗之砂箱內部土壓力計預設分布圖(上視圖)(單位:cm) ...................................................................................105
圖5.2 物理模型試驗一 管後方土壓計變化結果.....................................106
圖5.3 物理模型試驗一 管前方P4土壓計變化結果...............................106
圖5.4 物理模型試驗一 地表高程變化(單位:mm) ..................................107
圖5.5 物理模型試驗二 管後方土壓計變化結果.....................................107
圖5.6 物理模型試驗二 管前方P4土壓計變化結果................................108
圖5.7 物理模型試驗二 管外側P1土壓計變化結果................................108
圖5.8 物理模型試驗二 管內側P3土壓計變化結果................................109
圖5.9 物理模型試驗二 地表最終沉陷圖.................................................109
圖5.10 物理模型試驗三 管後方壓力計壓力變化.....................................110
圖5.11 物理模型試驗三 管前方P4壓力計壓力變化................................110
圖5.12 物理模型試驗三 管外側P1壓力計壓力變化................................111
圖5.13 物理模型試驗三 管外側P2壓力計壓力變化................................111
圖5.14 物理模型試驗三 管內側P3壓力計壓力變化................................112
圖5.15 物理模型試驗三 地表最終沉陷圖.................................................112
圖5.16 物理模型試驗四 管後方壓力計壓力變化.....................................113
圖5.17 物理模型試驗四 管前方P4壓力計壓力變化................................113
圖5.18 物理模型試驗四 管外側P1壓力計壓力變化................................114
圖5.19 物理模型試驗四 管外側P2壓力計壓力變化................................114
圖5.20 物理模型試驗四 管內側P3壓力計壓力變化................................115
圖5.21 改良曲線管推物理模型試驗之砂箱內部土壓力計預設分布圖(上視圖)(單位:cm) .................................................................................115
圖5.22 物理模型試驗五 管後方壓力計壓力變化.....................................116
圖5.23 物理模型試驗五 管前方壓力計壓力變化.....................................116
圖5.24 物理模型試驗五 管內部切削面盤後面壓力計壓力變化.............117
圖5.25 物理模型試驗五 管壁體壓力計壓力變化.....................................117
圖5.26 物理模型試驗五 管外側軸向應變讀數.........................................118
圖5.27 物理模型試驗五 管外側縱向應變讀數.........................................118
圖5.28 物理模型試驗五 地表最終沉陷圖.................................................119
圖5.29 第一.二次模型試驗地表沉陷剖面圖..............................................119
圖5.30 第五次模型試驗地表沉陷剖面圖...................................................120



















照片目錄
照片3.1 雲降單位重試驗(江奕廷,2007) ..................................................121
照片3.2 UUU三軸強度試驗儀(江奕廷,2007) .........................................121
照片3.3 管推進物理模型試驗機...............................................................122
照片3.4 管推進模型機動力控制裝置WinCON8000...............................122
照片3.5 曲線推進管實體圖(江奕廷,2007) ..............................................123
照片3.6 曲線管串預先排好之位置(江奕廷,2007) ..................................123
照片3.7 曲線管推進物理模型試驗使用之切削頭(江奕廷,2007) ..........124
照片3.8 改良曲線推進管實體圖...............................................................124
照片3.9 改良曲線管之切削頭...................................................................125
照片3.10 微型壓力計(TML PDA-500KPA) ...............................................125
照片3.11 微型壓力計包覆方式...................................................................126
照片3.12 微型壓力計(紐西蘭製LPX250型) .............................................126
照片3.13 改良管串切削頭後方微型壓力計擺設方式...............................127
照片3.14 改良管串管壁上置入微型壓力計...............................................127
照片3.15 資料擷取系統...............................................................................128
照片3.16 應變計...........................................................................................128
照片3.17 應變計與DT500的轉接器..........................................................129
照片3.18 雷射斷面掃瞄器...........................................................................129
照片3.19 木製隔板(江奕廷,2007) ..............................................................130
照片5.1 第1次管推進物理模型試驗壓力計放置圖...............................130
照片5.2 第1次管推進物理模型試驗後曲線管和壓力計的位置照片....131
照片5.3 第2次管推進物理模型試驗壓力計放置圖...............................131
照片5.4 第2次管推進物理模型試驗後曲線管和壓力計的位置照片....132
照片5.5 第3次管推進物理模型試驗壓力計放置圖...............................132
照片5.6 第3次管推進物理模型試驗後曲線管和壓力計的位置照片....133
照片5.7 第4次管推進物理模型試驗壓力計放置圖...............................133
照片5.8 第4次管推進物理模型試驗後曲線管和壓力計的位置照片...134
照片5.9 第5次管推進物理模型試驗後曲線管和壓力計的位置照片....134
照片5.10 第5次管推進物理模型試驗後曲線管和壓力計的位置照片....135
照片5.11 應變計黏貼位置...........................................................................135
參考文獻
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