深開挖工程與鄰近捷運隧道受震反應的三維分析

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劉建志(james liu) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

深開挖工程與鄰近捷運隧道受震反應的三維分析

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摘要(中)

大台北地區曾發生深開挖造成鄰近捷運隧道損壞之案例，而過去在這方面的數值模擬研究也僅限於二維的靜力分開挖分析，因此，本研究採用三維有限元素法除分析深開挖造成鄰近捷運隧道的變位外，並探討在深開挖過程中如果發生地震時深開挖對於鄰近捷運隧道所產生的影響。一般捷運隧道可分為明挖覆蓋隧道及潛盾隧道，因此本研究亦分別對這兩種隧道做討論。結果顯示(1)無論是靜力或動力分析，深開挖對於隧道的傾斜及下沉影響是比較小的，尤其對埋置深度較深的潛盾隧道，其影響更小。(2)明挖覆蓋隧道，因為位置較淺，在較大地震力作用時，所產生的瞬間水平位移大於埋置深度較深的潛盾隧道所產生者。(3)明挖覆蓋隧道受地震力作用後，所產生額外的位移增量，隨地震力的增加而增加。而潛盾隧道則必需受較大的地震力作用才會產生較明顯的位移增量。(4)隧道於靜力分析時，隧道位移不應太接近規範容許值，否則受地震力作用，將很容易超出規範要求。

摘要(英)

In Taipei area there has been reports that the deep excavation performed near the tunnel of Mass Rapid Transit (MRT) System caused the damages to that tunnel. Only two-dimensional static numerical procedure was conducted to investigate such a situation in the past. In this study a three-dimensional finite element procedure is adopted to analyze the displacement of MRT tunnel due to near-by deep excavation and then for each excavation stage the effect of deep excavation on the seismic response of tunnel is investigated. Tunnels studied are open-cut type and shield tunnel. From the parametric studies, it is found that (1) the effect of deep excavation on the settlement and rotation of tunnel is small in static and seismic analyses, especially for the shield tunnel which is in a deeper location;(2) Open-cut tunnel, due to its shallow embedment depth, undergoes larger seismic response than the shield tunnel; (3) The seismic response of open-cut tunnel increases as the depth of excavation increases, while the shield tunnel will have significant increase in displacement only when the earthquake is larger; (4)To avoid the displacement exceeding the safety requirement, it is suggested that the displacement induced by the deep excavation by static analysis should not be very close to the specified value.

關鍵字(中)

★ 深開挖
★ 捷運隧道
★ 地震
★ 有限元素

關鍵字(英)

★ the tunnel of Mass Rapid Transit (MRT) System
★ finite element
★ deep excavation
★ earthquake

論文目次

中文摘要.................................................Ⅰ
英文摘要.................................................Ⅱ
目錄.................................................Ⅲ
表目錄.................................................Ⅶ
圖目錄.................................................Ⅷ
第一章緒論...............................................1
1.1 研究動機..........................................1
1.2 研究目的與方法....................................2
1.3 論文內容..........................................3
第二章文獻回顧...........................................4
2.1 有限元素法深開挖分析..............................4
2.1.1 解壓力的模擬.................................4
2.1.2 土壤非線性行為的模擬.........................5
2.1.3 分析方法.....................................5
2.1.4 土壤參數.....................................6
2.2 深開挖與鄰近隧道互制行為.........................7
2.3 受震反應分析.....................................8
第三章程式說明...........................................9
3.1 深開挖程式理論說明................................9
3.1.1 元素之勁度矩陣推導............................9
3.1.2 彈塑性材料組合矩陣...........................12
3.1.3 降伏準則.....................................14
3.1.4 解壓力的模擬.................................15
3.1.5 支撐的勁度...................................18
3.2 地震力分析程式理論說明...........................18
3.2.1 元素之質量矩陣推導...........................19
3.2.2 整體阻尼矩陣.................................19
3.2.3 黏滯邊界.....................................19
3.3 深開挖分析程式與地震力分析程式之連結.............22
3.3.1 邊界的模擬...................................23
3.3.2 支撐桿件的模擬...............................23
3.3.3 深開挖的模擬.................................24
3.4 分析流程.........................................24
第四章程式驗証..........................................25
4.1 NCUEXCA3D深開挖分析程式驗証.....................25
4.1.1 工程案例說明.................................25
4.1.2 土層狀況.....................................26
4.1.3施工步驟之模擬................................26
4.1.4分析網格建立..................................27
4.1.5有限元素分析使用之參數........................27
4.1.6分析結果與討論................................27
4.2 NCUDYNA3D動力分析程式驗証.......................28
第五章深開挖與鄰近隧道互制行為案例研究..................29
5.1 前言.............................................29
5.2 明挖覆蓋隧道假設案例.............................30
5.2.1隧道水平位移..................................31
5.2.2隧道垂直位移..................................31
5.2.3隧道傾角......................................32
5.3 潛盾隧道假設案例.................................33
5.3.1隧道水平位移..................................33
5.3.2隧道垂直位移..................................34
5.3.3隧道傾角......................................35
第六章結論與建議.........................................36
6.1 結論.............................................36
6.2 建議.............................................37
參考文獻.................................................38
表目錄
表4.1國企大樓開挖作業時程...............................42
表4.2國家企業中心簡化土層狀況表.........................43
表4.3國家企業中心分析時使用之土壤參數...................43
表4.4國家企業中心分析時使用之連續壁材料參數.............44
表4.5國家企業中心分析時使用之支撐勁度與預力.............44
表5.1隧道分析使用之材料參數.............................45
表5.2動力分析使用之參數.................................45
圖目錄
圖3.1 八個節點塊狀元素...................................46
圖3.2 單軸試驗之彈塑性應變硬化行為.......................46
圖3.3 開挖解壓力模擬示意圖...............................47
圖3.4(a) 網格圖與土壤參數................................47
圖3.4(b) 自重所造成的等效節點力..........................48
圖3.4(c) 靜土壓力所造成的等效節點力......................48
圖3.4(d) 由挖除元素算得之解壓力..........................49
圖3.4(e) 由未挖除元素算的之解壓力........................49
圖3.5三維軸力桿件元素...................................49
圖3.6黏滯邊界示意圖.....................................50
圖3.7邊界曳引力示意圖...................................50
圖3.8 深開挖程式分析流程.................................51
圖3.9 地震力分析流.......................................52
圖4.1 國家企業中心位置圖.................................53
圖4.2 國家企業中心監測系統配置圖.........................53
圖4.3 國家企業中心施工程序...............................54
圖4.4 土壤性質及分類.....................................55
圖4.5 有限元素分析網格...................................55
圖4.6(a) 國企I-1傾斜管分析值與觀測值比較...............56
圖4.6(b) 國企I-1傾斜管分析值與觀測值比較...............57
圖4.7(a) 國企I-2傾斜管分析值與觀測值比較...............58
圖4.7(b) 國企I-2傾斜管分析值與觀測值比較...............59
圖4.8 二維動力分析網格...................................60
圖4.9 三維動力分析網格...................................60
圖4.10 三維與二維地震歷時分析比較........................61
圖5.1 指南宮地震記錄.....................................62
圖5.2 深開挖區域扶壁配置與明挖覆蓋道之平面圖.............63
圖5.3 深開挖與明挖覆蓋隧道之剖面圖.......................64
圖5.4 明挖覆蓋隧道瞬間最大水平位移.......................65
圖5.5 明挖覆蓋隧道殘餘水平位移...........................65
圖5.6 明挖覆蓋隧道瞬間最大垂直位移.......................66
圖5.7 明挖覆蓋隧道殘餘垂直位移...........................66
圖5.8 明挖覆蓋隧道瞬間最大傾角...........................67
圖5.9 明挖覆蓋隧道殘餘傾角...............................67
圖5.10 深開挖區域扶壁配置與潛盾隧道之平面圖..............68
圖5.11深開挖與潛盾隧道之剖面圖..........................69
圖5.12 潛盾隧道瞬間最大水平位移..........................70
圖5.13 潛盾隧道殘餘水平位移..............................70
圖5.14 潛盾隧道瞬間最大垂直位移..........................71
圖5.15 潛盾隧道殘餘垂直位移..............................71
圖5.16 潛盾隧道瞬間最大傾角..............................72
圖5.17 潛盾隧道殘餘傾角..................................72

參考文獻

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指導教授

陳慧慈(Huei-Tsyr Chen)

審核日期

2005-7-20

推文