臺灣博碩士論文加值系統

本研究旨在探討明挖覆蓋隧道工程中之深開挖對地盤振動傳遞之影響，以台南鐵路地下化計畫C211標段里程UK356+280至UK356+300為研究案例，使用大地工程有限元素軟體PLAXIS 2D，以環境微振與列車運動作為輸入運動進行數值模擬；其中，環境微振係以白噪訊號近似，列車運動是以輪軌作用力與列車行駛經伸縮縫造成之衝擊載重疊加組成。首先，將模擬結果透過頻譜分析展現其振動頻率分佈特性與振幅之變化，並與現地量測之成果比較，以驗證有限元素模型之正確性。結果顯示，數值模擬能重現連續壁完成及槽溝開挖後對高頻振動之隔絕效果，且以水平支撐軸向勁度為標稱值50%之情境最接近現地真實情況。接著，因於深開挖工程中，支撐系統之弱化與工程進度和安全性息息相關，故進一步以衝擊載重為輸入運動，就連續壁與水平支撐之弱化對振動傳遞之影響進行探討。結果顯示，連續壁之弱化對於振動傳遞特性並無明顯之影響；但在水平支撐弱化方面，於水平支撐逐階移除以模擬其完全失效之情境，地盤整體振幅將隨之下降；其中，對X向振動而言，各階水平支撐對其傳遞效果較顯著，而移除支撐於大部分測點振幅下降之頻段以4~8Hz較為明顯；對Z向振動而言，高頻頻段之振幅下降程度大致上較低頻頻段明顯。至於水平支撐勁度逐階弱化(勁度折減)之情境，其振幅下降程度較水平支撐完全失效為小，顯現支撐軸向勁度變化程度之影響。因此，於現地深開挖施工中，若利用衝擊振源引致於開挖面某側引致地盤振動，由開挖面另一側地表振動振動頻譜之變化，將有助於評估水平支撐弱化與否及弱化程度，其有發展成為開挖支撐系統健康檢測技術之潛力。

This research aimed to investigate the influence of deep excavation during the construction of cut and cover tunnel on the propagation of ground vibration, and the Tainan Railway Underground Project was adopted for case study. Numerical simulation was carried out using the finite element software PLAXIS 2D using the ambient vibration and train passing as input motion. Spectrum analysis on the simulation results was performed to examine the variation in spectral content and amplitude of the vibration of concern and was then compare with the results of field measurement to validate the correctness of the finite element model. Results showed that the numerical simulation reproduced the isolation effect on high-frequency vibration from the constructed diaphragm walls and excavated trench. Furthermore, the influence on the propagation of impact-induced vibration from the weakening of the bracing system, which is closely related to the safety of deep excavation, was also investigated. It was found that the weakening of the diaphragm wall was hardly influential, whereas the weakening of struts considerably reduced the vibration amplitudes within certain frequency bands. Therefore, during deep excavation works, impact can be used to induce vibration at one side of the excavation, and the vibration measured at the other side may help to assess the weakening of struts, which has the potential to be serve as a health monitoring technique for the bracing system of deep excavation.

摘要 I
Abstract II
誌謝 V
目錄 VI
圖目錄 IX
表目錄 XIII

第一章 緒論 1
1.1 研究背景與目的 1
1.1.1 研究背景與目的 1
1.2 研究方法與流程 2
1.3 論文架構 4
第二章 文獻回顧 5
2.1 彈性體之應力波傳 5
2.2 鐵路列車通行引致振動之特性 10
2.3 開口槽溝之振動阻隔效果 12
2.4 明挖覆蓋隧道工法 17
2.5 以有限元素法模擬半無限域波傳問題 18
第三章 研究方法與研究案例 21
3.1 PLAXIS 2D軟體介紹 21
3.1.1 軟體基本介紹 21
3.1.2 土壤組成模式 23
3.1.3 雷利阻尼模式 25
3.2 台南鐵路地下化工程與研究場址之簡介 27
3.3 場址土層性質 27
3.4 數值模型及分析參數 29
3.4.1 模型幾何 29
3.4.2 土層參數 30
3.4.3 結構參數 37
3.4.4 施工工序 40
3.5 輸入運動 40
3.5.1 白噪訊號(White noise) 40
3.5.2 列車輪軌作用力 42
3.5.3 列車行經伸縮縫之衝擊 43
3.6 資料處理方法 45
3.6.1 快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT) 45
3.6.2 三分之一倍頻帶頻譜(one-third-octave-banded rms amplitude spectra) 48
第四章 現地量測結果 50
4.1 量測配置 50
4.1.1 量測設備 50
4.2 施工前量測(賴亮妤，2021) 53
4.2.1 量測配置 53
4.2.2 列車通行振動 54
4.3 連續壁完成(賴亮妤，2021) 57
4.3.1 量測配置 57
4.3.2 列車通行振動 58
4.4 槽溝部分開挖(賴亮妤，2021) 61
4.4.1 量測配置 61
4.4.2 列車通行振動 61
4.5 槽溝開挖完成 65
4.5.1 量測配置 65
4.5.2 列車通行振動 65
4.6 列車引致振動之傳遞特性 68
第五章 數值模擬成果 71
5.1 環境微振模擬 71
5.2 列車通行引致振動模擬 74
5.2.1 模擬情境 74
5.2.2 水平支撐軸向勁度採標稱值 76
5.2.3 水平支撐軸向勁度：採標稱值之50% 82
5.2.4 無架設水平支撐狀態 87
5.3 數值模擬與現地量測結果之比較與驗證 92
第六章 深開挖支撐系統弱化對振動傳遞之影響 102
6.1 模擬情境 102
6.2 連續壁弱化之影響 102
6.3 水平支撐弱化之影響 112
6.4 綜合討論 122
第七章 結論與建議 124
7.1 結論 124
7.2 建議 125

參考文獻 126

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