以修正强制变形法分析隧道耐震能力之探讨

提出一种分析隧道耐震能力之拟静态修正强制变形法,此法在包含隧道结构在内之地盘模型边界施加强制之剪应变,监测隧道结构之受力与变形,逐步加大剪应变,直到隧道结构破坏,再将破坏时之剪应变与地动速度进行转换,即可评估隧道之耐震能力。相较于复杂之动力分析方法,此法简单、快速、实用,并具有一定之可靠度,适合工程实务之用。惟应用本分析方法,下列数值要点,需注意并加以探讨;1)地盘领域需取多大;2)施加剪应变的型式与施加速率;3)隧道与地盘接口的影响;4)地盘塑性行为的影响等。首先提出修正强制变形法之分析流程,再与弹性地之圆形隧道解析解进行比较,证明数值分析方法正确无误后,再针对上述数值分析要点摘要研究结果,提出具体建议,以供使用此类分析方法的工程师参考。     

地下掘进之地盘——机械互制与可挖指标研探

地下机械式之掘削效率乃为进度、成本及品控之关键要因,一般工程思考皆多考虑工法与机型对应各类不同地层之"可挖性"作探讨,即针对地质材料选择适应之切削面盘,鲜能再对地盘——机械开挖互制行为作一"适确性"研析,而本研究先由微观之量纲分析及力学尺度探讨并建立指标,运用至巨观推力、扭矩之施工良窳、可挖性及正常施作或异况破坏之分析。机械式掘削接触地质与产生之互制行为相异性极大,故由地质破坏特征作为切削地盘材料之分类,藉此提供该广义式之探讨方针;其次在施工判准所建立之可挖指标上,使用量纲分析方法进行具代表力学行为之因子解析,作为建置指标的依据;再者,应用现场调查以资搜机械式开挖所量测的推进力系数值,进而佐证其适确性,最终完整研析机械式掘削开挖之行为与可挖性指标之应用。     

基于Abaqus生死单元功能的地应力平衡在隧道开挖中的应用

为探究Abaqus数值模拟隧道开挖地应力平衡过程，以某浅埋隧道为研究对象，采用Abaqus软件建立了隧道开挖支护二维模型，结合生死单元功能和自动地应力平衡法，对具有Tie约束的模型进行了地应力平衡，在此基础上，模拟出隧道地表沉降、拱顶沉降和净空收敛位移场，并将模拟结果与实测结果进行了对比。结果表明：地应力平衡效果好，此方法相较于ODB导入法的分步实施有明显优势，还实现了Tie约束与分析步的结合，且数值模拟结果与实测数据吻合良好，该方法可为类似模拟提供参考。     

互层岩体隧道开挖之个别元素法分析

本研究采个别元素法为分析工具,以具键结特性之二维圆盘颗粒进行互层岩体隧道开挖分析.根据本研究建立之互层岩体单压试验模型,在层面倾角由0°变化至90°的条件下,模拟之单压强度与杨氏模数二者与层面倾角之关系,符合前人实验结果.在隧道分析部份,本文先以均质等向线弹性材料之圆形孔洞应力分析进行模式验证,结果显示解析解与数值分析之应力等高线图分布一致.互层岩体隧道分析则是在不考虑衬砌与岩栓等支撑结构的前提下,仅先针对互层倾角的变化与材料力学参数的折减,对圆形开挖断面之影响进行数值模拟与结果探讨.     

应用电子斑点干涉术研探类岩于双刀贯切破坏之行为

回顾机械式隧道掘进工程,考量切削刀头与岩体间互制行为乃至破坏机制之极近域场研探甚少。本研究以双刀式正向楔形贯切破坏试验(normal wedge indentation fracture test)简化仿真实务钻掘工程之多刀楔切削行为为例,并配搭非破坏检测之电子斑点干涉术,探究此项接触互制行为之丛聚、初裂与裂衍等系列破坏特征。于双刀贯压位置下方某深度,采用裂缝开口位移(crack open-ing displacement,COD)作为回馈控制讯号,求得完整峰前、峰后之加载历程,以进行相关破坏演化之观察。受贯压之类岩(rock-like)试体以水泥砂浆行之,于无围压状态下,变化双刀间距作为主要变量,以理析开挖机具群刀互制之力学行为。再者,配合具高精度(微米)且非接触式之实时、全域性观测等优点之电子斑点干涉术,所得结果计可研探:1)峰前延性破坏之弹-塑性发展及脆性破坏时机与方位,亦即峰前变形连续(displacement continuous)之弹-塑性界面往临界发展趋势;及变形不连续(displacement dis-continuous)之初裂与裂缝演化;2)峰后脆性破坏裂缝伸衍之发展。     

ABAQUS接触非线性对隧道开挖变形影响数值模拟

为探究初期支护与围岩在不同接触类型下开挖隧道对围岩变形的影响,以某公路隧道为依托,采用ABAQUS软件建立隧道开挖支护三维模型,分别对初期支护与围岩之间绑定约束及不同摩擦系数的面面接触进行了数值模拟,分析了不同接触条件下围岩变形规律。结果表明：无论特征点的竖向位移还是水平位移,绑定约束均较面面接触小,前者约为后者75%～80%;面面接触时不同的摩擦系数各级位移极差在5 mm以内,尤其在仰拱特征点时各级位移量几乎重合;垂直隧道轴线方向地表沉降值,前者约为后者85%;隧道轴线方向地表沉降值会在第10分析步前后出现反转,开挖之初前者位移小于后者位移,开挖终了时后者位移反超前者位移。该结果可为今后类似隧道数值模拟提供参考。     

浅埋隧道伞型支撑支护力学性能分析

浅埋隧道开挖作业过程中,竖向支撑的支护效果不佳,会导致初期支护变形。针对这一问题,提出了伞型支撑的支护方案:以桑洲岭隧道工程实例为研究背景,获取了工程现场监控量测数据;以工程现场监控量测数据为基础,建立了二维有限元模型;模拟分析了隧道下台阶开挖过程中隧道变形情况,并对比了无支撑、竖向支撑、伞型支撑3种不同支护方案下的地表沉降变化以及初期支护的力学响应规律。研究结果表明,伞型支撑在控制初期支护周边收敛方面效果明显。此研究为该浅埋隧道下台阶开挖设计施工提供参考依据。     

隧道交叉段变形机制之探讨

采经现地量测数据验证之数值分析模式,利用参数分析探讨岩石材料在弹性模式与弹塑性模式下,主隧道于人行聨络横坑开挖期间在交叉段附近产生之变形行为;采用参数包括不同覆岩深度、不同材料强度及不同主应力大小与方向.分析结果显示,随着联络横坑之开挖,隧道交叉段附近之变形,依材料是否已达塑性及主应力大小与方向之不同而有不同之变形趋势;在弹性模式下,主隧道交叉侧之变形随联络横坑之开挖而往开挖方向位移,在弹塑性模式下,则依主应力大小与方向之不同而呈现不同之变形行为,此结果显示,隧道交叉段之变形机制主要受现地主应力大小与方向及塑性区形成两项因素控制,依此机制可解释主隧道交叉段于联络横坑开挖时之变形行为.     

岩溶富水区铁路隧道加厚底板结构施工力学行为研究

为研究岩溶富水区加厚底板+隧底大水沟的新型衬砌结构在开挖过程中的力学行为,利用大型商业有限元软件对中心水沟的开挖工况进行分析计算。结果表明： 1）拱脚以上设置初期支护但底板不封闭时,中心管沟距离掌子面下台阶15 m情况下, Ⅳa型衬砌段和Ⅴa型衬砌段开挖过程中隧道混凝土接近正常使用极限状态,隧道收敛及沉降值均在规范允许范围内,但隧道基底隆起量及塑性区较大; 2）中心管沟每循环开挖长度对隧道变形、基底隆起量及塑性区分布影响较小,隧道封闭时间滞后是主要影响因素; 3）中心水沟与掌子面下台阶距离最大取15 m, 2种衬砌段中心水沟每循环开挖长度取5 m; 4）Ⅴa型衬砌段采用临时支撑约束拱脚水平变形或者对隧底地基进行锚索+注浆加固。     

岩石隧道受震反应之工程影响因子研究

地震发生频繁区域之岩石隧道受震破坏案例已发生多起,其相关研究课题已日渐受重视,惟土层隧道耐震设计已有规范遵循,岩石隧道者者尚缺乏深入探讨。研究采经岩石隧道震后破坏案例及解析解等验证正确性之动态数值分析模式,探讨岩石隧道受震工程影响因子,包括衬砌刚度、衬砌与岩盘互制、围岩加劲及围岩弱化等。由分析结果知,衬砌劲度越大,震波引致最大应力增量正规化值愈大,即震波引致应力增量值愈大,因此隧道衬砌耐震设计不能全以提高劲度为主要方法;隧道衬砌与岩盘互制作用研究结果显示,采用匀滑开挖、防水膜及衬砌与岩盘填补增加滑动性材料等,可减少衬砌受震引致轴向应力增量,达到减震效果;岩石隧道混凝土衬砌外侧之再加厚衬砌与辅助工法等加劲措施,经采用等值劲度模拟分析结果显示,采用如一次支撑及辅助工法提高围岩劲度,将增加衬砌轴向应力,但减少剪应力及挠曲应力;加大加劲范围可减少衬砌轴向应力,但将增加剪应力及挠曲应力;开挖引致的松动区减少围岩劲度,将减少衬砌轴向应力,但增加剪应力及挠曲应力。     

捷运工程近接施工案例探讨

随着台北捷运系统之陆续发展,不论是捷运系统的新建设或其他工程之兴建,近年来常遇到与既有或兴建中之捷运建设近接施工之状况。在计算机软件尚未发展成熟的时代,面对近接施工的课题,往往仅能藉由早期施工所累积的经验进行研析。而今,计算机运算效能日益提升,复杂的土壤结构互制行为已能藉由功能强大的商业软件加以模拟及分析。本文主要探讨近年来捷运工程4种不同类型之近接施工案例,在这些案例中,皆使用数值分析软件进行模拟,并藉由分析之结果研提相关因应措施,其中部分已施工完成之案例,将分析与现场监测结果进行比对,显示二者颇为接近,且保护措施亦达预期之功效。由此可知未来面对复杂之议题,采用数值分析软件进行模拟分析可获得合理之推估。期藉由这些案例初步探讨及研析结果,提供尔后类似案例之参考。     

捷运深开挖地下工程快速工法之创新与研究

台北捷运东门站站体开挖因工期与施工安全性之考量,采调整地下结构施筑之施工步骤,取消原回撑的架设,并以大面积连续侧墙系统模板于侧墙组模作业上,侧墙系统模板高4.5 m,于底板施筑完成后连续拆除第8和9层支撑,直接进行侧墙施工,系统模板拆模后可立即移动至下一区块施作;施工前曾进行数值模拟分析,借以了解拆除第8和9层支撑后底板与第7层支撑的力量是否足以抵挡挡土壁外侧之土压力,同时于侧墙之内外两侧主筋加装钢筋应力计,检核土壤潜变所造成的侧向压力转移至侧墙的应力,并与实际挡土壁之侧向变位进行比对分析反馈,后续上部之中间层与上月台层的结构侧墙皆采用此大面积连续侧墙系统模板且顺利完工,实际施工时程较原工期缩短近7个月左右,期望藉由此案例之介绍,提供工程界未来类似工程设计与施工参考。     

砾石隧道潜盾开挖之颗粒力学数值模拟探讨

砾石材料组成与强度具高度异质性,受力常见分离破坏,重新堆栈后又可回复部分强度,以连体力学模式难以有效描述其行为。研究以颗粒学理论为基础发展的颗粒流数值软件PFC2D建立数值模型,透过仿真现地直剪试验结果,校正颗粒间之颗粒参数,并以颗粒参数转换试验克服尺寸效应对颗粒力学模式的影响,获得具代表性颗粒参数模拟现地开挖,探讨潜盾开挖引致砾石层之沉陷特性。研究结果显示利用颗粒力学数值模拟技术,能更有效模拟砾石层特殊地工特性的隧道行为。     

ADECO-RS工法在隧道洞口浅覆段施工的应用与对策

近年来,随着环境保育观念的提升,减少地表开挖的理念,已逐渐落实在隧道设计及施工实务上。以往,隧道洞口浅覆段采用明挖法,已逐渐被暗挖法直接穿越所取代。即使在地质、地形或环境条件上不尽理想之区段,基于整体路线考量,亦有非采用不可之情形。本文以台湾北部正施工中的双线双车道公路隧道为例,探讨ADECO-RS工法在隧道洞口浅覆进洞的应用与对策。由于该案例位处山凹处,属谷部地形,不仅覆盖极薄,开挖过程中更遭遇到废煤矿碴与多雨的气候,使得降雨所汇集的地表水,不断入渗至隧道内,开挖面自立性极差。几乎非原设计之NATM工法足以因应。但经采取ADECO-RS工法之管幂加劲、土心加固及拱盖培厚等超前约束与加固理念后,勉为通过,其处理经验与心得,希供后续类似案例之参考。     

桃园机场捷运联络通道施工探讨

台湾桃园国际机场联外捷运系统于桃园国际机场路段主要系以潜盾隧道方式通过,全长约7.2 km,共设置7处联络通道,其中最长之CP1联络通道开挖长度约29 m,为目前台湾最长之潜盾隧道联络通道。因其长度较长且邻近有南崁溪经过,对于联络通道之地盘改良、开挖支撑及袪水等均造成不利影响。本文说明CP1联络通道施工过程遭遇问题与解决对策,以提供后续类似工程参考。     

超浅覆盖隧道穿越煤坑段抽坍处理技术

随着环境保育、水土保持观念的提升以及减少对自然条件改变的理念,安全、节能、环保的隧道施工技术,已逐渐落实在隧道设计及施工实务上。以往浅覆盖隧道多以露天明挖,或辅以混凝土盖板保护顶拱再填土覆盖之施工方式,皆为需要大量开挖的施工方法。在减少开挖之因素考量下,舍传统明挖或混凝土覆盖板方式,以先进支撑稳定顶拱之工法,是最常被采用的开挖方式之一。本文探讨台湾北部某开挖中之双孔公路隧道,地形上通过一处长100 m山谷地区,其上方覆土仅20 cm～2 m,同时下方为煤碴堆积及废弃煤坑分布等不利隧道施工之因子。基于节能环保及水土保持因素考量,采用管幂工法通过。由于本案例地质材料除表土、风化岩盘及昔日矿碴外,多雨的气候,使得地表水常年汇流于山谷内,造成隧道开挖遭遇极大的困难,但经数次之抽坍应变处理后,勉为通过,其处理经验与心得,可供后续类似案例之参考。