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研究生:李佳翰
研究生(外文):Chia-Han Lee
論文名稱:山岳隧道襯砌異狀肇因診斷技術研究
論文名稱(外文):Diagnosing Causes Technology for Lining Anomalies in Mountain Tunnels
指導教授:王泰典
指導教授(外文):Tai-Tien Wang
口試委員:董家鈞翁祖炘陳昭旭林銘郎潘以文黃燦輝張吉佐
口試日期:2013-01-25
學位類別:博士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:工程科技研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:181
中文關鍵詞:山岳隧道隧道檢測襯砌異狀肇因診斷霍氏轉換
外文關鍵詞:Mountain tunneltunnel inspectionlining anomalycauses diagnosishough transform
相關次數:
  • 被引用被引用:5
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既有基礎建設的管理與維護為已開發國家經濟發展達到高峰、建設趨緩後公共工程繼起的重要課題,也是社經資源永續經營的關鍵要務。隧道工程建造費用高、建設工期長,建成之後常為兩地交通運輸的要徑,維護管理作業更顯重要。綜觀國內外山岳隧道結構安全檢測與維護管理相關案例與研究發現,目前山岳隧道於安全檢測作業後,限於隧道力學行為複雜、檢測維修時間緊迫,絕大多數隧道直接評估安全等級或設計簡易修補作業,少有釐清隧道襯砌異狀的可能肇因,以致難以適切評估隧道的安全程度,以及對症下藥擬定回復安全等級、延長服務年限的維修補強設計。實則山岳隧道襯砌異狀種類繁多,其異狀可能受多個肇因交互作用影響,且可能形成外觀型態不一、影響程度不同的異狀,存在高度的複雜性與變異性,亟待研發隧道襯砌異狀肇因診斷技術,以利及早掌握隧道穩定性與服務功能可能的變異,適時進行維修補強等維護管理作業,確保既有公共資產穩定的發揮功效。
本研究首先蒐集國內外山岳隧道結構安全檢測案例,彙整不同隧道功能與襯砌材質之異狀種類,透過襯砌異狀的產狀與空間分佈特性分析,探討確認襯砌異狀肇因案例隧道之襯砌表面裂縫型態,並歸納出8種典型的裂縫型態與其相對應之肇因。其次,應用影像處理技術之霍氏轉換原理,特徵化與數字化典型的裂縫型態,據以建立山岳隧道襯砌異狀肇因診斷流程。最後,利用4個確認襯砌異狀肇因之實際案例隧道,取其襯砌異狀展開圖進行裂縫特徵化與數字化作業,並輔以其他檢測技術與資訊,驗證本研究所開發之山岳隧道襯砌異狀肇因診斷技術之可行性,並回饋建議未來隧道結構安全檢測作業之項目、方法與肇因診斷流程。
研究結果顯示,不同異狀肇因之山岳隧道襯砌表面裂縫型態不同,透過本研究所提裂縫特徵化與數字化技術,可以突顯主要裂縫特徵,透過客觀地擷取裂縫型態比對襯砌異狀肇因與裂縫特徵型態之相互關係,可以邏輯化、科學化進行山岳隧道襯砌異狀肇因診斷作業。本研究由實際案例應用驗證此技術之可行性與未來發展性,提供未來山岳隧道襯砌異狀肇因診斷之利器,以及安全等級評估與維修補強設計之依據。

The management and maintenance of existing infrastructure for developed countries is a subsequently major subject after their public constructions have grown up, which is also an essential issue related with the sustainable management of social resources. Among diverse types of infrastructure, tunnels are characteristics of expense construction costs, long building periods, and once built, usually primary transportation route. The management and maintenance of tunnels are of importance for modern society, and have been put into practice popularly with structural safety inspection. Perhaps due to the complicated tunnel behavior or limited maintenance schedule, most inspected tunnels make use of associated results for safety level assessment only, and relevant repairing design do not take account of the causes of lining anomalies. Without regard to possible causes for lining anomalies, the structural safety assessment may deviate from reality; the repairing design may take the stopgap measures but not perform a permanent cure, resulting in insufficient reinforcement effect. There are numerous appearances of lining anomalies in mountain tunnels, which may affected by specific cause or multiple causes interaction. Methodology and associated technology for diagnosing possible causes accounting for lining anomalies are pending problems which need further research and development.
This study first collects mountain tunnel inspection results and associated investigation reports world wildly. The lining anomalies are compiled and classified according to tunnel usages and building materials. Appearances and spatial distribution of lining anomalies for these tunnels are investigated in depth. Eight typical types of lining cracks are then recognized as confirmed cases with specific causes accounting for lining anomalies. Second, this study establishes an approach for lining anomaly causes diagnosis. Hough Transform principle for image process and associated improvement are adopted to characterize and digitalize the spatial distribution of lining cracks. Third, practical inspection results from four tunnels are used to validate the proposed methodology and developed technology. Finally, suggestions and comments regarding further inspection and maintenance for mountain tunnels are provided.
Results of cases study show that different causes lead to various types of lining cracks. The proposed characterizing and digitalizing technology is capable of highlight major features of lining cracks, and provides excellent reference for diagnosing possible causes. The transform results can be correlated with possible causes for popular distribution of lining cracks. The practical cases validate the proposed technology and its applicability. The proposed methodology and developed technology provides a good tool for future mountain tunnel lining anomalies causes diagnosing, and also be used as a reference for safety level assessment, and maintenance and reinforcement design.

中文摘要 i
英文摘要 iii
誌謝 v
目錄 vi
表目錄 ix
圖目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究方法與流程 2
1.3 論文架構 2
第二章 文獻回顧 5
2.1 山岳隧道襯砌異狀種類 5
2.2 山岳隧道襯砌異狀肇因 8
2.3 隧道襯砌異狀數值分析 10
2.4 隧道襯砌異狀模型試驗 13
2.5 山岳隧道襯砌表面裂縫型態 16
第三章 山岳隧道襯砌異狀種類與特性分析 26
3.1 山岳隧道襯砌異狀案例蒐集 26
3.2 山岳隧道襯砌異狀種類彙整 41
3.2.1 依隧道使用功能(目的)區分 41
3.2.2 依襯砌材質區分 45
3.3 山岳隧道襯砌異狀特性分析 48
第四章 山岳隧道襯砌異狀肇因探討 52
4.1 力學因素 52
4.1.1 邊坡潛移 52
4.1.2 地震 59
4.1.3 擠壓 63
4.1.4 斷層活動 64
4.1.5 地下水壓 66
4.1.6 承載力不足 67
4.2 非力學因素 69
4.2.1 混凝土中性化 69
4.2.2 鋼筋保護層厚度不足 71
4.2.3 混凝土鹼質粒料反應 72
4.2.4 混凝土澆置中斷 73
4.2.5 襯砌背後空洞或襯砌厚度不足 75
4.3 綜合討論 76
第五章 山岳隧道襯砌異狀肇因診斷流程建立 79
5.1 完整隧道安全檢測作業流程與項目 79
5.2 隧道襯砌表面影像與異狀判釋 82
5.2.1 隧道襯砌表面影像 82
5.2.2 隧道襯砌異狀判釋 85
5.3 襯砌裂縫型態特徵化與數字化 86
5.4 其他檢測資訊輔助診斷 95
5.5 襯砌異狀肇因診斷流程建立 97
第六章 襯砌裂縫特徵化與數字化技術精進 99
6.1 霍式轉換基本原理 99
6.2 改良原襯砌裂縫特徵化與數字化技術 101
6.3 襯砌裂縫特徵化與數字化影響因子探討 104
第七章 山岳隧道襯砌異狀肇因診斷技術驗證與應用 114
7.1 襯砌異狀肇因診斷技術驗證 114
7.1.1 案例概述 114
7.1.2 隧道襯砌影像與異狀判釋 116
7.1.3 襯砌裂縫特徵化與數字化分析 118
7.1.4 其他檢測資訊輔助診斷 119
7.1.5 肇因診斷結果與討論 123
7.2 襯砌異狀肇因診斷技術應用 126
7.2.1 縱向裂縫案例 126
7.2.2 環狀裂縫案例 130
7.2.3 斜向裂縫案例 132
第八章 未來隧道檢測作業關鍵課題探討 136
8.1 隧道襯砌影像掃描與異狀判釋 136
8.2 隧道詳細檢測作業 138
8.3 隧道襯砌異狀肇因診斷 149
8.4 隧道安全等級評估與維修補強建議 150
第九章 結論與建議 152
9.1 結論 152
9.2 建議 153
參考文獻 154
附錄 論文口試意見暨回覆 169
作者簡介 175

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