博碩士論文 88322015 詳細資訊




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姓名 吳建儒( Jian-Ru Wu)  查詢紙本館藏   畢業系所 土木工程學系
論文名稱 潛盾隧道開挖面穩定與周圍土壓力之離心模擬
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摘要(中) 潛盾隧道之施工常遭遇的問題包括(1)隧道開挖面之穩定性檢討。(2)施工引致之地表沉陷分布及對建物之影響評估。(3)作用於環片之土壓力大小評估。因此隧道設計者必須考慮隧道開挖時,開挖面之穩定性,並藉以決定施工方式及開挖引致之周圍地盤沉陷問題。盾尾空隙閉合後地盤應力釋放作用在環片上之土壓力大小,用以決定隧道環片之強度及架設時機。
單隧道開挖面穩定試驗結果顯示,在相同覆土深度時,隨著未襯砌長度之增大,單隧道崩潰時之超載係數降低、最大地表沉陷量(dmax)增大。當P/D 時, C/D越大時dmax越大;但當P/D 時, C/D越大時dmax反而越小。另外,在相同C/D之下,平面應變試驗(P/D=∞)之dmax遠大於三維試驗(P/D=0、0.5、1及1.5)之dmax。在相同未襯砌長度時,深徑比越大時其地表沉陷槽寬度也越大。三維破壞機制約在P/D=1.2過渡至平面應變狀態。
襯砌周圍土壓力分布試驗結果顯示,隨著C/D的增加盾尾孔隙閉合後的正規化土壓力分布將趨近於定值且側壁之土壓力最大,將試驗結果與現場資料比較發現有極相似之分布,並由孔隙水壓變化可知當C/D越大其拱化效應越顯著。新挖隧道達大變形前將造成既存隧道近新挖隧道側周圍土壓力有較大影響,且其最終正規化土壓力將隨C/D增加而趨於定值。
摘要(英) The problems a designer often faces on the construction of the shield tunnel in soft ground are:(1) the face stability of a tunnel; (2) influence of the magnitude and extent of surface settlement trough caused by tunneling on the safety of building nearby a tunnel ;(3) estimate of the earth pressure on tunnel segments. A series of 3-D centrifuge tunnel models with cover-to-diameter ratios (C/D) from 1 to 3 and unlined length-to-diameter ratios (P/D) from 0 to 1.5 are used to investigate the failure mechanism of excavated tunnel face and to measure the earth pressure acting on the liner after tail voids closure and on the liner of a existed tunnel due to nearby new tunneling.
The measured overload factor at collapse decreases with an increase of P/D for the tunnel having the same C/D. The maximum surface settlement (dmax) increases with an increase of P/D and it reaches the largest value in the plane strain model (P/D reaches infinite) for the tunnel having the same C/D. dmax increases with increasing C/D in the case of P/D less than or equal to 0.5,however, it decreases with increasing C/D in the case of P/D greater than or equal to 1. In addition, the larger the cover-to-diameter ratio is, the wider the width of settlement trough. Three dimensional failure mechanism will transfer to two dimensional failure mechanism if P/D is greater than 1.2 from the observed profile of displacement vecter before and failure.
The magnitude normalized of earth pressure acting on the segment may become constant distribution state for a deeper tunnel and the maximum normalized earth pressure appear at side walls of a tunnel. The extent of the arching effect in tunnel surrounding becomes obvious for a deeper tunnel from the observation of the change of pore water pressure in the ground. The new tunnel nearby an existed tunnel will increase the earth pressures at the side near to the new tunnel. The magnitude of the normalized earth pressure acting on the existed tunnel will become a constant distribution state for a deeper tunnel.
關鍵字(中) ★ 土壓力
★ 盾尾孔隙閉合
★ 開挖面穩定
★ 未襯砌長度
★ 潛盾隧道
★ 新挖隧道
關鍵字(英)
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 IV
表目錄 ..………………………………………………….VII
圖目錄 ……………………………………………………IX
照片目錄 ……………………………… ….. ……….XVI
符 號 說 明 ……………………………………………...XVII
第一章 緒論
1.1引言 1
1.2研究動機 3
1.3研究架構 4
1.4論文內容 6
第二章 文獻回顧
2.1單隧道開挖面穩定分析8
2.1.1軟地通隧之臨時支撐壓力8
2.1.2隧道模型試驗11
2.1.2.1置於粘土層中的離心隧道模型試驗11
2.1.2.2砂土層中隧道開挖面穩定之離心模型試驗12
2.1.2.3粘土層中隧道開挖面穩定之離心模型試驗14
2.1.2.4潛盾隧道之開挖面穩定分析16
2.1.3開挖面主動破壞之作用力PA(PMIN)16
2.1.4開挖面被動破壞之作用力PP(PMAX)20
2.1.5適當之開挖面作用力之P大小21
2.1.6潛盾機土倉壓力現場資料22
2.2隧道襯砌分析方法23
2.2.1不具環間彎矩分配23
2.2.1.1共同假設23
2.2.1.2平面應變彈性連體模式24
2.2.1.3 橢圓變形連體模式25
2.2.1.4 彈性環模式25
2.2.1.5 土壤彈簧模式26
2.2.1.6 各分析模式間的比較27
2.2.2考慮環間錯齒組立造成彎矩分配28
2.2.2.1整環剛性一致模式28
2.2.2.2土壤彈簧模式29
2.2.3襯砌應力現場資料30
2.3離心機原理30
2.3.1離心模型之基本相似律31
2.3.2離心模型試驗之模型模擬34
第三章 試驗方法
3.1試驗方法 62
3.2試驗儀器及相關設備62
3.2.1地工離心機62
3.2.2模型準備箱63
3.2.3模型試驗箱64
3.2.4其他量測工具65
3.3試體準備與模型製作66
3.3.1重模試體準備66
3.3.2單向度壓密試驗68
3.3.3標線及孔隙水壓計之埋設68
3.3.4模型隧道之製作69
3.4試驗方法與步驟 70
3.5無圍壓縮試驗及含水量量測73
第四章 試驗結果
4.1模型試驗及試驗類別92
4.2土壤強度之標定93
4.3離心模型試驗之重複性94
4.4單隧道開挖面穩定分析95
4.4.1地表沉陷分布型態95
4.4.2單隧道地表沉陷槽分布曲面及等高線圖98
4.4.3開挖面之水平位移99
4.4.4開挖面之水平位移(ΔFACE)與地表最大沉陷量關係(Δ48)100
4.4.5孔隙水壓分布型態101
4.4.6破壞型態與地盤變位102
4.4.7破壞機制理論分析103
4.5單隧道盾尾孔隙閉合後周圍土壓力分布及孔隙水壓分布…………………………………………………………...110
4.5.1盾尾孔隙閉合後周圍土壓力分布110
4.5.2盾尾孔隙閉合引致孔隙水壓變化112
4.6新挖隧道達大變形前對既存隧道影響之試驗114
4.6.1新挖隧道達大變形前對既存隧道土壓力之影響114
4.6.2新挖或後行隧道對既存隧道周圍孔隙水壓之影響116
4.6.3新挖隧道開挖面的水平位移116
第五章 結論與建議
5.1結論186
5.2建議189
參考文獻…………………………………………………………… 191
表 目 錄
表 次 頁 次
___________________________________________________________
表2.1模型試驗類別及破壞時之支撐氣壓,(CHAMBOM(1994))36
表2.2不同之L/D與破壞時支撐氣壓,(CHAMBOM(1994))36
表2.3CN258標潛盾隧道覆土深度與土倉壓力資料37
表2.4彈性環模式應力公式,張亞輝(1990)38
表2.5側向土壓力係數Λ與土壤反力模數K39
表2.6彈性連體模式、橢圓變形模式與土壤彈簧模式所假設的土壓力,DUDDECK (1985) 39
表2.7原型與離心模型其主要物理量與相似性比較,李崇正(1994)40
表3.1中大紅土之基本物理性質74
表3.2離心機機械配件之規格,ACUTRONIC(1993)75
續表3.2 離心機機械配件之規格,ACUTRONIC(1993)76
表3.3操作者桌面控制系統之規格,ACUTRONIC(1993)77
續表3.3 操作者桌面控制系統之規格,ACUTRONIC(1993)78
表4.1 開挖面穩定模型試驗類別及隧道崩潰時之超載係數118
表4.2 雙隧道襯砌應力模型試驗類別119
表4.3 模型試驗試體之含水量及強度性質120
表4.4 模型試驗地表之dC及dMAX121
表4.5 無未襯砌長度時破壞機制理論分析結果122
(A)無未襯砌長度時破壞機制理論分析結果122
(B)無未襯砌長度時破壞機制理論分析結果(修正)122
表4.6 有未襯砌長度時破壞機制理論分析結果123
(A)有未襯砌長度時破壞機制理論分析結果123
(B)有未襯砌長度時破壞機制理論分析結果(修正)123
表4.7 有未襯砌長度(P/D=1.1~P/D=1.3)破壞機制理論分析結果124
圖 目 錄
圖 別 頁 次
圖 2.1 隧道模型模擬方式:(A)半個模型,(B)全個模型41
圖 2.2 潛盾隧道簡化分析圖41
圖 2.3 (1)RUB MODEL, (2)LCPC MODEL,CHAMBON(1994)42
圖 2.4 試驗所用之模型箱及儀器配置圖,CHAMBON(1994)42
圖 2.5 不同支撐氣壓下開挖面之水平位移,CHAMBON(1994)43
圖 2.6 隧道直徑與破壞時支撐氣壓在不同C/D之關係,CHAMBON(1994)43
圖 2.7 C/D=2時隧道周圍土壤之破壞情形,CHAMBON(1994)44
圖 2.8 不同C/D時隧道周圖土壤之破壞情形,CHAMBON(1994)45
圖 2.9 不同支撐氣壓下地表沉陷之變化,CHAMBON(1994)45
圖 2.10 相同深徑比不同L/D時之破壤機制,CHAMBON(1994)46
圖 2.11 C/D=4時支撐氣壓與作用在襯砌上正向應力之變化,CHAMBON (1994)46
圖 2.12 C/D=1.5,P/D=0時隧道破壞之情形,MAIR(1979)47
圖 2.13 C/D=1.5,P/D=0.5時隧道破壞之情形,MAIR(1979)47
圖 2.14 C/D=1.5,P/D=1時隧道破壞之情形,MAIR(1979)48
圖 2.15 C/D=1.5,P/D=2時隧道破壞之情形,MAIR(1979)48
圖 2.16 穩定係數與P/D之關係圖,MAIR(1979)49
圖 2.17 穩定係數與C/D之關係圖,MAIR(1979)49
圖 2.18 隧道破壞上限解與下限解之比較,DAVIS(1980)50
圖 2.19 實驗式求P的方法,何泰源(1990)50
圖 2.20 RANKINE主動土壓求P的方法,何泰源(1990)51
圖 2.21 TERZAGHI鬆動土壓求P的方法,何泰源(1990)51
圖 2.22 對數螺線滑動土塊平衡理論求P的方法,何泰源(1990)52
圖 2.23 平面應變彈性連體模式,DUDDECK(1985)53
圖 2.24 橢圓變形連體模式,張亞輝(1990)53
圖 2.25 彈性環模式,張亞輝(1990)54
圖 2.26 土壤彈簧模式,DUDDECK(1985)54
圖 2.27 彈性連體模式與土壤彈簧模式的最大彎矩變化比較,DUDDECK(1985)55
圖 2.28 彈性連體模式、橢圓變形模式與土壤彈簧模式的最大彎矩變化比較,DUDDECK(1985)55
圖 2.29 無錯齒無螺栓隧道56
圖 2.30 梁-土壤彈簧模式之雙環分析56
圖 2.31 雙環錯齒模式之彎矩分配57
圖 2.32 彎矩和徑向接頭數目、剛度、縱向街頭傳遞能力的關係57
圖 2.33 比利時北部安特衛普省地下捷運土層剖面圖58
圖 2.34 土壓計和水壓計監測分佈點58
圖 2.35 隨時間變化土壓計和水壓計變化情形59
圖 2.36 三個監測斷面監測結果與FEM結果比較59
圖 2.37 1/N縮尺之離心模型座標系統60
圖 2.38 A’元素在局部座標之加速度分量示意圖60
圖 2.39 模型模擬之觀念61
圖 2.40 隧道原型與1/N縮尺之離心模型分別在1G及NG離心力場及有效覆土應力之示意圖61
圖 3.1 中大紅土之粒徑分佈曲線80
圖 3.2 離心機設備配置,ACUTRONIC(1993)81
圖 3.3 中大地工離心機控制及資料收集系統示意圖,林俊雄(1995)82
圖 3.4 自行設計之大型壓密試驗儀,ROWE(1986)83
圖 3.5 自行設計之模型試驗箱,莊孟翰(1996)84
圖 3.6 PDCR81型迷你孔隙水壓計幾何構造圖,陳思宏(1996)85
圖 3.7 量測隧道開挖面水平位移及量測未襯砌段頂拱、仰拱與側壁變形量之儀器85
圖 3.8 既存隧道模型襯砌,林志忠(1998)86
圖 3.9 重模土樣與砂層之放置順序示意圖87
圖 3.10迷你孔隙水壓計之包覆層87
圖 3.11 3D單隧道開挖面穩定之試驗流程88
圖 3.12 3D雙隧道試驗流程示意圖89
圖 3.13 試驗儀器設備安排圖,(1)上視圖、(2)正視圖90
圖 4.1 3DT3及3DT4土壓計與孔隙水壓配置位置示意圖125
圖 4.2 3DT3-1(C/D=2)土壓計與超載係數OF關係126
圖 4.3 3DT4-1(C/D=2)土壓計與超載係數OF關係127
圖 4.4 3DT3-1與3DT4-1最終土壓力比較128
圖 4.5 3DT3-1與3DT4-1盾尾孔隙閉合時周圍孔隙水壓分布比較129
圖 4.6 3DT3-2與3DT4-2最終土壓力比較130
圖 4.7 T3D11地表沉陷、孔隙水壓及開挖面水平位移與OF之關係131
圖 4.8 T3D12地表沉陷、孔隙水壓及開挖面水平位移與OF之關係132
圖 4.9 T3D13地表沉陷、孔隙水壓及開挖面水平位移與OF之關係133
圖 4.10 T3D4(C/D=3,P/D=0)之單隧道地表沉陷槽分布曲面134
圖 4.11 T3D5(C/D=3,P/D=0.5)之單隧道地表沉陷槽分布曲面134
圖 4.12 T3D6(C/D=3,P/D=1.5)之單隧道地表沉陷槽分布曲面135
圖 4.13 T3D11(C/D=3,P/D=1)之單隧道地表沉陷槽分布曲面135
圖 4.14 T3D12(C/D=2,P/D=1)之單隧道地表沉陷槽分布曲面136
圖 4.15 T3D13(C/D=1,P/D=1)之單隧道表沉陷槽分布曲面136
圖 4.16 T3D4(C/D=3,P/D=0)之單隧道地表沉陷等高線分布圖(上視圖)137
圖 4.17 T3D5(C/D=3,P/D=0.5)之單隧道地表沉陷等高線分布圖(上視圖)137
圖 4.18 T3D6(C/D=3,P/D=1.5)之單隧道地表沉陷等高線分布圖(上視圖)138
圖 4.19 T3D11(C/D=3,P/D=1)之單隧道地表沉陷等高線分布圖(上視圖)138
圖 4.20 T3D12(C/D=2,P/D=1)之單隧道地表沉陷等高線分布圖(上視圖)139
圖 4.21 T3D13(C/D=1,P/D=1)之單隧道地表沉陷等高線分布圖(上視圖)139
圖 4.22 不同P/D時深徑比與 之關係140
圖 4.23 相同深徑比不同P/D下開挖面水平變形與(OF)之關係140
圖 4.24 相同P/D不同深徑比下開挖面水平變形、與(OF)之關係141
圖 4.25 相同深徑比不同P/D下(Δ48/ΔFACE)與(OF)之關係141
圖 4.26 相同P/D不同深徑比下(Δ48/ΔFACE)與(OF)之關係142
圖 4.27 T3D11正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係142
圖 4.28 T3D12正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係143
圖 4.29 T3D13正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係143
圖 4.30 T3D11之地盤位移向量場144
圖 4.31 T3D12之地盤位移向量場145
圖 4.32 T3D13之地盤位移向量場146
圖 4.33 無襯砌長度其破壞機制與位移關係圖147
圖 4.34 P/D=0時不同深徑比與超載係數關係148
圖 4.35 有未襯砌段其破壞機制與位移關係圖149
圖 4.36 P/D=0.5時不同深徑比與超載係數關係150
圖 4.37 P/D=1時不同深徑比與超載係數關係151
圖 4.38 P/D=1.5時不同深徑比與超載係數關係152
圖 4.39 P/D=∞時不同深徑比與超載係數關係153
圖 4.40 理論分析值與試驗值在不同C/D時P/D與破壞時超載係數之關係154
圖 4.41 理論分析值與試驗值在不同P/D時深徑比與破壞時超載係數之關係154
圖 4.42 不同深徑比相對移動量(Δ’1/Δ1)與P/D關係155
圖 4.43 MAIR(1979)試驗值與試驗值在不同C/D時P/D與破壞時超載係數之關係155
圖 4.44 MAIR(1979)試驗值與試驗值不同P/D時深徑比與破壞時超載係數之關係156
圖 4.45 3DT2-1(C/D=3)土壓計與OF關係157
圖 4.46 3DT4-1(C/D=2)土壓計與OF關係158
圖 4.47 3DT5-1(C/D=1)土壓計與OF關係159
圖 4.48 模型襯砌與隧道間盾尾孔隙成不均勻分布160
圖 4.49 3DT2-1(C/D=3)最終土壓力分布160
圖 4.50 3DT4-1(C/D=2)最終土壓力分布161
圖 4.51 3DT5-1(C/D=1)最終土壓力分布161
圖 4.52 單隧最終土壓力與深徑比之關係162
圖 4.53 單隧道正規化土壓力與深徑比之關係163
圖 4.54 日本襯砌設計之土壓模式轉成徑向分布(C/D=2)164
圖 4.55 日本土壓模式與試驗之土壓力比較(C/D=2)165
圖 4.56 用二維試驗箱與三維試驗箱試驗之差異166
圖 4.57 RT5T1(C/D=2)與3DT4-1(C/D=2)比較167
圖 4.58 FEM分析結果與試驗3DT2-1(C/D=3)比較168
圖 4.59 3DT2-1(C/D=3)正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係168
圖 4.60 3DT3-1(C/D=2)正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係169
圖 4.61 3DT5-1(C/D=3)正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係169
圖 4.63 不同深徑比之單隧道在相同量測位置(PPT1)之正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係170
圖 4.64 不同深徑比之單隧道在相同量測位置(PPT2)之正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係171
圖 4.65 不同深徑比之單隧道在相同量測位置(PPT3)之正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係171
圖 4.66 不同深徑比之單隧道在相同量測位置(PPT4)之正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係172
圖 4.67 不同深徑比之單隧道地拱效應示意圖173
圖 4.68 其新挖隧道與既存隧道相對位置分布174
圖 4.69 3DT2-2(C/D=3) 當新挖隧道達大變形前所對應的支撐氣壓時既存隧道各位置土壓計變化175
圖 4.70 3DT4-2(C/D=2) 當新挖隧道達大變形前所對應的支撐氣壓時既存隧道各位置土壓計變化175
圖 4.71 3DT5-2(C/D=1) 當新挖隧道達大變形前所對應的支撐氣壓時既存隧道各位置土壓計變化176
圖 4.72 雙隧道正規化土壓力增量與深徑比之關係177
圖 4.73 雙隧道最終土壓力與深徑比之關係178
圖 4.74 雙隧道正規化最終土壓力與深徑比之關係179
圖 4.75 3DT2-2、3DT3-2及3DT5-2正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係180
圖 4.76 不同深徑比之雙隧道在相同量測位置(PPT1)之正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係181
圖 4.77 不同深徑比之雙隧道在相同量測位置(PPT2)之正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係181
圖 4.78 不同深徑比之雙隧道在相同量測位置(PPT3)之正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係182
圖 4.79 不同深徑比之雙隧道在相同量測位置(PPT4)之正規化超額孔隙水壓與超載係數之關係182
圖 4.80 3DT2-2與T3D11開挖面水平位移之比較183
圖 4.81 3DT4-2與T3D12開挖面水平位移之比較183
照 片 目 錄
照片 頁 次
照片4.1 T3D6(C/D=3,P/D=1.5)之地表破壞型態184
照片4.2 T3D4(C/D=3,P/D=0)之隧道縱斷面破壞型態184
照片4.3 T3D5(C/D=3,P/D=0.5)之隧道縱斷面破壞型態185
照片4.4 T3D6(C/D=3,P/D=1.5)之隧道縱斷面破壞型態185
參考文獻 [1]Acutronic, Civil Engineering Centrifuge Model 665-1 Installation Manual 5941E, France (1992).
[2]Acutronic, Geotechnical Centrifuge Model 665-1 Product Description 5933H, France (1993).
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指導教授 李崇正(Chung-Jung Lee) 審核日期 2001-7-13
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