博碩士論文 84342004 詳細資訊




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姓名 吳秉儒(Bing-Ru Wu)  查詢紙本館藏   畢業系所 土木工程學系
論文名稱 黏性土層中隧道開挖引致之地盤沉陷及破壞機制
(The ground movements and collapse mechanism induced by tunnelling in clay)
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摘要(中) 摘 要
國內都會區捷運系統及下水道工程興建時,為減少對地面交通的衝擊,常採用隧道工法施工。然而在都會區進行隧道施工,周圍地盤往往有許多鄰近結構及地下維生管線。因此如何預測隧道開挖引致的地盤沉陷,評估其對鄰近結構物及地下維生管線之影響,就成為工程師關心的主要課題。另外,由於都市路權取得困難,上下行隧道通常併行而且相當靠近;因此兩隧道之互制行為及雙隧道開挖對周圍地盤之影響,值得進一步研究。
本研究在平面應變條件下分別以離心模型試驗和有限差分程式FLAC進行隧道開挖解壓變形之模擬,在隧道內施加支撐氣壓以維持隧道初始的穩定,然後逐步解除支撐氣壓來模擬開挖的過程。分別針對單隧道及左右併行雙隧道進行模型試驗及數值分析,藉由改變隧道的埋置深度和兩隧道的中心距離,探討單隧道及雙隧道的破壞機制,以及隧道開挖對周圍地盤變位、土壤應力及孔隙水壓之影響。另外,以15組國內外潛盾施工監測資料進行案例分析,驗證模型試驗和數值分析之預測成效。
根據試驗結果,考慮隧道埋置深度,建立土壤漏失量和地表沉陷之關係;若已知單隧道施工的土壤漏失量,便可由所建議的方法預測單隧道和雙隧道開挖所引致的地表沉陷。至於地下沉陷槽,考慮隧道所在深度,提出地下沉陷槽寬度參數隨著所在深度而遞減的關係式。統計經驗法之應用方面,以常態機率曲線迴歸單隧道地表沉陷槽求得沉陷槽寬度參數,將此沉陷槽寬度參數乘上0.85配合單隧道最大地表沉陷量,以兩個單隧道沉陷槽曲線疊加,可合理預測距徑比為1.5至2之雙隧道地表沉陷槽;對於距徑比大於2之雙隧道,建議直接以單隧道沉陷槽寬度參數配合最大沉陷量疊加。此外,以彈性理論分析隧道周圍地盤之應力變化,由塑性力學之上限理論推導單隧道和雙隧道之地盤破壞機制,和試驗量得之地盤位移方向相符。經過15組國內外潛盾施工監測資料之案例分析,由試驗結果所預測之地表沉陷和監測資料頗為接近,驗證了本研究所提出建議公式之預測成效。
數值分析部份,以FLAC程式建立和離心模型相同邊界條件與材料參數的數值模型,分析單隧道和雙隧道開挖引致的地盤沉陷及土壤應力變化。在隧道破壞前,數值分析所得橫斷面地表沉陷槽分佈型態和試驗量測結果大致接近。根據試驗量測之孔隙水壓反應和數值分析所得之地盤應力變化,繪製地拱效應的作用範圍,並以此解釋隧道周圍地盤應力的轉移機制及兩隧道的互制行為;若是在此作用範圍內有地下結構物,則必須考慮隧道開挖對地下結構物應力增量之影響。由試驗量測、數值分析及塑性理論求得超載係數之下限值與上限值,可用來評估隧道之穩定性。綜合離心模型試驗與數值分析成果,經過與現場監測資料相互驗證之後,提出預測單隧道和雙隧道施工引致地盤沉陷之方法,提供工程應用之參考。
摘要(英) Abstract
In order to reduce the interference with the surface traffic, tunnelling methods have been widely used in the construction of metro and sewage systems in Taipei. However, these tunnels were driven through the ground where structures and lifelines already existed. Therefore, it is very important for engineers to evaluate the impacts of tunnelling on the environment, i.e. the effect of surface settlement on adjacent buildings and the influence of subsurface ground movements on underground pipelines. Besides, because the tunnels in cities are usually driven in limited areas, the down track tunnel and up track tunnel are parallel and very close to each other. Hence, it is necessary to evaluate the settlements induced by parallel tunnelling and the interaction between two tunnels.
In this study, both centrifuge model tests and a finite difference program (FLAC) have been taken in plane strain conditions to investigate the tunnel stability and soil movements for both the single tunnel and parallel tunnels. A series of model tests was performed in centrifugal acceleration of 100g, including the single tunnel with various cover-to-diameter ratio (C/D) and the parallel tunnels with various C/D and distance-to-diameter ratio (d/D). The supporting air pressure was applied inside the tunnels to keep the tunnels in equilibrium during the accelerating stage, and then the supporting pressure was reduced gradually to simulate the process of excavation. From centrifuge modelling and numerical modelling, the ground movements and the changes of soil stresses and pore water pressures could be studied. Besides, 15 field cases of measured surface settlements due to shield tunnelling in Taipei were used to verify the predictions from centrifuge modelling and numerical modelling.
From test results, the relationships of both the volume of ground loss versus the maximum settlement and the burial depth of tunnels versus the width parameter of the settlement trough have been proposed. Since the volume of ground loss could be evaluated prior to tunnel construction and the burial depth was determined in the preliminary design stage, the settlement troughs induced by single tunnelling and parallel tunnelling could be predicted. Using empirical methods, the settlement troughs can be reasonably fit by a Normal Distribution Curve suggested by Peck (1969). By superimposing two curves with a factor of 0.85 times the width parameter fit from the single tunnel, the settlement trough due to parallel tunnelling with d/D less than 2 may be estimated. For the parallel tunnels with d/D greater than 2, the simple superposition of two settlement curves from single tunnel is suggested. Besides, the collapse mechanisms of both single tunnel and parallel tunnels derived from upper bound theorem compared well with the observed ground movements. From 15 case studies in field, the predicted settlements show reasonable agreement with the field data. Hence, the prediction from proposed formula is verified.
In addition, the program FLAC was carried out to solve the whole problem in the same material and boundary conditions as those in centrifuge tests. The surface settlement troughs computed from FLAC show reasonable agreement with results measured from model tests. According the pore water pressures measured from model tests and the soil stresses computed from numerical analysis, the extent of soil arching for single tunnel and parallel tunnels could be defined. It may be adopted to explain the transferring mechanism of soil stresses around tunnels and the interaction between parallel tunnels. If the underground facilities existed within the extent of soil arching, the influence of tunnelling to those structures should be taken into account. Based on test results, numerical modelling and theoretical solutions, the lower bound and upper bound of overload factors are determined for evaluation of tunnel stability. From test results verified by numerical modelling and field measurement, this study may provide reliable predictions of ground movements induced by single tunnelling and parallel tunnelling.
關鍵字(中) ★ 離心模型
★ 隧道
★ 沉陷槽
★ 破壞機制
★ FLAC
關鍵字(英) ★ FLAC
★ collapse mechanism
★ settlement trough
★ centrifuge model
★ tunnel
論文目次 目 錄
摘要 I
目錄 VI
表目錄 …. VIII
圖目錄 .IX
照片目錄 ..XIX
符號說明 XXIII
第一章 緒論 1
1-1 研究動機及目的 1
1-2 研究方法 2
1-3 論文內容 3
第二章 軟地通隧相關研究 7
2-1 離心模型試驗 7
2-1-1 地表沉陷槽寬度 8
2-1-2 頂拱變形與地表沉陷 11
2-1-3 土壤漏失與地表沉陷 13
2-1-4 地下沉陷槽 18
2-1-5 隧道穩定性分析 20
2-1-6 地盤變位 22
2-1-7 孔隙水壓變化 23
2-1-8 量測技術 24
2-2 數值分析 27
2-2-1 潛盾工法施工程序之模擬 27
2-2-2 盾尾孔隙之模擬 29
2-2-2-1 荷重加載模擬盾尾孔隙閉合 31
2-2-2-2 位移加載模擬盾尾孔隙閉合 32
2-2-2-3 間隙參數應用於盾尾孔隙之模擬 34
2-2-3 新奧工法之模擬 39
2-2-4 其他模擬方法及工具 40
2-2-4-1 應力解除因數 41
2-2-4-2 開挖元素 42
2-2-4-3 邊界元素法 42
2-2-4-4 未襯砌隧道之模擬 42
2-2-5 地表及隧道周圍地盤變位 43
2-2-6 應力變化及塑性區 47
2-2-7 孔隙水壓 48
2-3 彈性及塑性理論 50
2-3-1 地盤變位之彈性解 50
2-3-2 隧道周圍應力場 54
2-3-2-1 無限域彈性體單隧道應力分析 54
2-3-2-2 考慮重力之單隧道應力彈性分析 55
2-3-2-3 無限域之雙隧道應力分析 59
2-3-2-4 無限域之孔洞擴張 64
2-3-3 塑性理論 65
2-3-3-1 黏土層隧道之上下限解 65
2-3-3-2 砂土層隧道之上下限解 65
2-4 統計經驗法 67
2-4-1 單隧道沉陷槽 67
2-4-2 雙隧道沉陷槽 70
2-4-3 現場量測資料之分析 71
第三章 離心模型原理 144
3-1 相似定律 144
3-2 模型模擬 148
3-3 尺度效應與尺寸效應 149
3-3-1 顆粒尺寸效應 150
3-3-2 離心加速度場之誤差 150
3-4 離心模擬之優點及限制 152
第四章 儀器設備及試驗方法 163
4-1 儀器設備 163
4-1-1 地工離心機 163
4-1-2 試體壓密儀 164
4-1-3 模型試驗箱 165
4-1-4 相關量測儀器 166
4-2 試體之基本性質及剪力強度特性 167
4-2-1 試驗土樣之臨界狀態參數 167
4-2-2 不排水剪力強度和含水量之關係 168
4-2-3 不排水剪力強度和土壤壓密應力之關係 169
4-2-4 不排水剪力強度和圓錐貫入阻抗之關係 170
4-3 試體準備 171
4-3-1 試體重模 171
4-3-2 單向度壓密 172
4-2-3 量測儀器設置 173
4-4 試驗方法 173
4-4-1 試體再壓密 173
4-4-2 隧道開挖 174
4-4-3 離心隧道模型試驗 174
第五章 未襯砌隧道試驗結果與分析 189
5-1 試體床之剪力強度特性 189
5-2 隧道穩定性 192
5-3 地表沉陷槽 194
5-3-1 最大地表沉陷量與隧道深徑比 194
5-3-2 單隧道沉陷槽 195
5-3-3 雙隧道沉陷槽 197
5-3-4 沉陷槽寬度 199
5-4 土壤漏失與地表沉陷 201
5-4-1 地表沉陷槽體積 201
5-4-2 頂拱變形與地表沉陷 202
5-5 地下土層沉陷分佈型態 204
5-6 地盤變位與破壞機制 207
5-6-1 單隧道破壞機制 207
5-6-2 雙隧道破壞機制 209
5-6-3 地盤變位與破壞機制之比較 213
5-7 孔隙水壓反應與地盤應力變化 215
5-7-1 地盤應力分析 216
5-7-2 孔隙水壓之激發 220
5-7-3 地拱效應 225
5-7-4 雙隧道互制行為 228
5-8 工程應用 230
5-8-1 單隧道地表沉陷槽 232
5-8-2 雙隧道地表沉陷槽 237
5-8-3 地下沉陷槽 239
第六章 未襯砌隧道之數值模擬 322
6-1 數值模型之建立 322
6-2 參數研究 323
6-2-1 不排水剪力強度 324
6-2-2 楊氏模數 324
6-2-3 解壓速率 324
6-3 地表與地下沉陷槽 326
6-4 地盤變位 329
6-5 地盤應力分析 330
6-5-1 塑性區 330
6-5-2 主應力方向 334
6-5-3 應力路徑 335
6-5-4 地拱應力傳遞範圍 339
6-5-4 主應力增量與孔隙水壓反應 342
6-6 隧道穩定性分析 347
6-7 工程應用 350
第七章 結論與建議 400
7-1 結論 400
7-2 建議 404
參考文獻 342
表 目 錄
表2-1 離心模型相關研究內容及主要結論 77
表2-2 數值分析相關研究內容及主要結論 79
表2-3 地表沉陷量之預測值 (Fujita,1982) 84
表3-1 離心模型試驗研究開發歷史 (李崇正,1994) 157
表3-2 原型與離心模型相似性比較 (Ko,1988) 158
表4-1 中央大學地工離心機基本規格 (Acutronic,1995) 176
表4-2 試驗土樣基本物理性質 176
表4-3 試體壓密壓力與壓密係數 177
表5-1 未襯砌隧道模型試驗條件及試體基本材料性質 242
表5-2 未襯砌隧道破壞時之超載係數與最大沉陷量及支撐氣壓解至零時之最大沉陷量 243
表5-3 未襯砌單隧道沉陷槽寬度與張力裂縫位置 243
表5-4 未襯砌隧道破壞時土壤漏失量 244
表5-5 單隧道上限分析結果 244
表5-6 雙隧道上限分析結果 244
表5-7 國內外潛盾施工案例 245
表5-8 台北盆地地盤組成物質柱狀圖 (亞新工程顧問公司,1988) 246
表5-9 台北盆地各土層之土壤基本物理性質 (吳偉特,1979) 247
表5-10 台北盆地各土層之工程性質 (吳偉特,1979) 248
表6-1 未襯砌隧道數值分析所採用之土壤材料性質 354
表6-2 單隧道破壞時超載係數與上下限解 354
表6-3 雙隧道破壞時超載係數與上下限解 354
圖 目 錄
圖1-1 本文之研究架構 5
圖1-2 平面應變離心模型隧道試驗 6
圖2-1 三維模型及其斷面圖 85
圖2-2 三維半圓形隧道模型 86
圖2-3 以常態機率曲線描述地表沉陷槽 (Peck,1969) 87
圖2-4 沉陷槽寬度參數與隧道所在深度之關係 (Atkinson和Potts,1977) 87
圖2-5 沉陷槽寬度參數與隧道所在深度之關係 (Mair等人,1981) 88
圖2-6 以常態機率曲線迴歸地表沉陷槽 (Takemura等人,1990) 88
圖2-7 沉陷槽寬度參數與隧道所在深度之關係 (Takemura等人,1990) 89
圖2-8 隧道深徑比和參數?之關係 (Nomoto等人,1999) 89
圖2-9 頂拱下陷量與地表沉陷量之關係 (Atkinson和Potts,1977) 90
圖2-10 Ss/Sc和C/D之關係 (Atkinson和Potts,1977) 90
圖2-11 正規化地表沉陷和隧道深徑比之關係 (Nomoto等人,1999) 91
圖2-12 土壤漏失量和超載係數之關係 (Clough和Shmidt,1981) 92
圖2-13 先後行隧道開挖所引起周圍地盤之體積變化 (Hansmire和Cording,1984) 93
圖2-14 兩隧道間距和土壤體積變化之關係 (Cording和Hansmire,1975) 94
圖2-15 不同土壤漏失量之正規化地表沉陷槽 (Grant和Taylor, 2000a) 94
圖2-16 地下沉陷槽寬度隨深度變化關係 (Mair等人,1993) 95
圖2-17 地下沉陷槽寬度隨深度變化關係 (Grant和Taylor,2000a) 95
圖2-18 沉陷槽垂直及水平位移分佈型態 (a)模型地下10mm(隧道上方140mm) (b)模型地下30mm(隧道上方120mm) (c)模型地下70mm(隧道上方80mm) (Grant和Taylor,2000a) 96
圖2-19 不排水情況下黏土隧道之破壞機制 (Mair,1978) 97
圖2-20 隧道破壞時之支撐氣壓和上下限解之比較 (Mair,1978) 97
圖2-21 隧道破壞機制 (Takemura等人,1990) 98
圖2-22 地盤變位與破壞機制 (Takemura等人,1990) 98
圖2-23 隧道周圍地盤位移向量 (Grant和Taylor,2000a) 99
圖2-24 隧道周圍最小主應變場 (Kuwano等人,2000) 99
圖2-25 隧道周圍地盤最小主應變變化 (Kuwahara和Yamazaki, 1997) 100
圖2-26 量測與預測之孔隙水壓變化 (Grant和Taylor,2000b) 100
圖2-27 由CCD影像處理技術所量測之三維地表沉陷槽 (Taylor等人,1998) 101
圖2-28 隧道變位計 (Kim等人,1998) 101
圖2-29 有限元素模擬潛盾施工程序 (Finno和Clough,1985) 102
圖2-30 橫斷面分析之有限元素網格及種類 (Finno和Clough,1985) 102
圖2-31 推進壓力與隆起壓力 (Ou和Cherng,1995) 103
圖2-32 三維推進—隆起問題 (Ou和Cherng,1995) 103
圖2-33 推進隆起分析之有限元素網格 (Ou和Cherng,1995) 104
圖2-34 盾尾孔隙分佈型態與閉合向量 (Ou和Cherng,1995) 104
圖2-35 縱斷面及橫斷面平面應變分析網格 (陳堯中等人,1997) 105
圖2-36 潛盾開挖模擬之作用力系統 (Ezzeldine,1999) 106
圖2-37 有限元素分析網格 (方永壽和陳秋宗,1988) 106
圖2-38 潛盾雙隧道之有限元素分析網格 (賴韋中,1995) 106
圖2-39 間隙參數之定義 (Lee等人,1992) 107
圖2-40 開挖面漏失與橫斷面等效土壤漏失 (Lee等人,1992) 108
圖2-41 穩定比和開挖面湧進量之關係 (Lee等人,1992) 108
圖2-42 新奧工法施工程序之有限元素模擬 (Wanninger,1979) 109
圖2-43 有限元素分析網格 (Parreira,1992) 109
圖2-44 新奧工法開挖程序之模擬 (Parreira,1992) 110
圖2-45 以釋放因數模擬隧道開挖 (Bernat等人,1998) 110
圖2-46 以開挖元素模擬潛盾推進 (Komiya等人,1999) 111
圖2-47 預測和實測之縱斷面地盤變位 (Finno和Clough,1985) 111
圖2-48 預測和實測之橫斷面地盤變位 (Finno和Clough,1985) 112
圖2-49 預測和實測之地盤變位向量 (Finno和Clough,1985) 112
圖2-50 隧道中心線地表變位歷時變化 (Finno和Clough,1985) 113
圖2-51 盾尾孔隙閉合引致之隧道周圍地盤變位 (程日晟,1991) 113
圖2-52 盾尾孔隙閉合引致之橫斷面地表及地下沉陷槽 (程日晟,1991) 114
圖2-53 盾尾孔隙閉合造成之地盤變位 (Wang和Chang,1992) 115
圖2-54 盾尾孔隙閉合階段隧道周圍地盤變位 (陳堯中等人,1997) 115
圖2-55 單隧道和雙隧道沉陷槽反曲點之關係 (賴慶和等人,1993) 116
圖2-56 單、雙隧道引致最大地表沉陷之關係 (賴慶和,1993) 116
圖2-57 計算和實測先後行隧道之地表沉陷槽 (Ohta等人,1985) 117
圖2-58 先後行隧道施工造成之地盤垂直與水平變位 (Ohta等人, 1985) 117
圖2-59 盾尾孔隙量變化對地表沉陷之影響 (方永壽和陳秋宗,1988) 118
圖2-60 雙隧道地表沉陷槽 (賴韋中,1995) 118
圖2-61 雙隧道施工引致之地盤變位 (賴韋中,1995) 119
圖2-62 間隙參數分析所得隧道縱斷面沉陷槽 (Lee和Row,1991) 119
圖2-63 開挖面後不同距離之分析與量測沉陷槽 (Lee和Rowe,1991) 120
圖2-64 分析與量測之橫斷面地盤水平變位 (Lee和Rowe,1991) 121
圖2-65 分析與量測隧道上方土壤沉陷隨深度變化 (Lee和Rowe, 1991) 121
圖2-66 隧道(H/R=2)周圍徑向應力與切向應力分佈 (Hoyaux, 1970) 122
圖2-67 隧道位於不同深度之塑性區分佈(Hoyaux,1970) 122
圖2-68 不同支撐氣壓時隧道周圍塑性區分佈 (Mair等人,1981) 123
圖2-69 土壤強度為(a)等向性及(b)異向性之塑性區 (Lee和Rowe,1989) 123
圖2-70 推進隆起及盾尾孔隙閉合階段所激發之剪力強度與孔隙水壓等高線分佈 (Finno和Clough,1985) 124
圖2-71 未襯砌隧道止水與未止水情況下孔隙水壓隨時間因數變化之等高線圖(Samarasekera,1992) 125
圖2-72 未襯砌隧道周圍超額孔隙水壓等高線圖 (Yi等人,1993) 126
圖2-73 隧道受支撐壓力作用之半無限彈性分析 (Szechy,1966) 126
圖2-74 以洩水點模擬土壤漏失之分析步驟 (Sagaseta,1987) 127
圖2-75 彈性無限域中之洩水點 (Sagaseta,1987) 127
圖2-76 軸對稱及平面應變下之洩水點與虛擬出水點(Sagaseta,1987) 128
圖2-77 無限域隧道應力分析之座標系統與應力邊界條件(Matsumoto,1991) 128
圖2-78 重力作用下隧道應力彈性分析之座標系統 (Yamaguti,1929) 129
圖2-79 單隧道應力分析所採用之雙極座標系統 (Mindlin,1940) 129
圖2-80 隧道於半無限域彈性體之三種現地應力狀態 (Mindlin,1940) 130
圖2-81 隧道於無限域彈性體中之現地應力分佈 (Matsumoto, 1991) 130
圖2-82 應用於雙隧道應力分析之雙極座標系統(Matsumoto, 1991) 131
圖2-83 無限域雙隧道應力分析(Matsumoto,1991) 131
圖2-84 無限域孔洞擴張應力分析 (Vesić,1972) 132
圖2-85 隧道穩定性下限分析 (Davis,1980) 132
圖2-86 隧道穩定性上限與下限分析結果 (Davis,1980) 133
圖2-87 下限分析之應力場 (Leca,1990) 134
圖2-88 上限分析之破壞機制 (Leca,1990) 135
圖2-89 沉陷槽寬度參數和隧道深度的關係 (Peck,1969) 136
圖2-90 沉陷槽寬度參數和隧道深度的關係 (Cording,1975) 137
圖2-91 黏土層土壓平衡式潛盾施工引致地表沉陷量測值和Peck -Fujita方法預測值比較 (Fang,1994) 138
圖2-92 開挖推進引致地表沉陷分析之座標系統 (Attewell,1982) 138
圖2-93 累積機率函數 (Attewell,1982) 139
圖2-94 黏土層潛盾雙隧道施工所產生之塑性區範圍 (Fang,1994) 139
圖2-95 台北盆地不同潛盾施工之地表沉陷寬度參數和隧道中心深度之關係(陳秋宗,1988) 140
圖2-96 以Peck-Fujita經驗法預估台北捷運CN254標施工引致之地表沉陷 (蘇起鑫,1991) 140
圖2-97 以Peck-Fujita經驗法疊加預測雙隧道開挖引致之地表沉陷(Fang,1994) 141
圖2-98 台北捷運淡水線CT201A標地表沉陷槽寬度參數和隧道中心深度關係 (張吉佐,1997) 142
圖2-99 台北捷運南港線標雙隧道地表沉陷槽觀測值和預測值比較 (吳國安,1997) 142
圖2-100 台北盆地三個地質分區隧道中心深度和沉陷槽寬度參數之關係 143
圖3-1 1/N縮尺離心模型座標系統 150
圖3-2 隧道原型與1/N縮尺模型分別在1g與Ng之離心力場及覆土應力 151
圖3-3 模型模擬之原理 (Ko,1988) 152
圖3-4 以不同隧道試驗進行模型模擬所量得之地表沉陷槽 (Mair,1981) 152
圖3-5 離心模擬之應力誤差 (Taylor,1995) 153
圖4-1 中央大學地工離心機側視圖 (Acutronic,1995) 178
圖4-2 中央大學地工離心機上視圖 (Acutronic,1995) 178
圖4-3 中央大學地工離心機控制與資料擷取系統示意圖 179
圖4-4 試體壓密箱 180
圖4-5 模型試驗箱立體分解圖 (陳思宏,1996) 181
圖4-6 模型試驗箱背板之有限元素分析網格 (陳思宏,1996) 182
圖4-7 模型試驗箱背板自由端之側向變位 (陳思宏,1996) 182
圖4-8 試驗土樣粒徑分佈圖 183
圖4-9 三軸試驗所得試驗土壤之p-q圖 (林俊雄,1995) 183
圖4-10 圓錐貫入阻抗值和土壤不排水剪力強度之關係 (林俊雄,1995) 184
圖4-11 重模土樣與排水砂層放置示意圖 184
圖4-12 試體各階壓密時間與沉陷量之關係 185
圖4-13 試體各階壓密之壓密係數 185
圖4-14 試驗儀器配置及資料擷取系統 186
圖5-1 試驗Twin6之無圍壓縮試驗結果 249
圖5-2 各試驗試體床不排水剪力強度隨深度變化之關係 249
圖5-3 各試驗試體床不排水剪力強度隨深度變化之關係 250
圖5-4 試驗Test5試體床之含水量與不排水剪力強度隨深度變化 250
圖5-5 試驗Twin6試體床之含水量與不排水剪力強度隨深度變化 251
圖5-6 試驗前後十字片扭剪計和無圍壓縮試驗所得土壤強度比較 251
圖5-7 Test2之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 252
圖5-8 Test3之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 253
圖5-9 Test4之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 254
圖5-10 Test5之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 255
圖5-11 Test6之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 256
圖5-12 Test7之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 257
圖5-13 Test8之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 258
圖5-14 Test9之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 259
圖5-15 Test10之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 260
圖5-16 Test11之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 261
圖5-17 Test12之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 262
圖5-18 Twin1之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 263
圖5-19 Twin2之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 264
圖5-20 Twin3之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 265
圖5-21 Twin4之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 266
圖5-22 Twin5之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 267
圖5-23 Twin6之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 268
圖5-24 Twin8之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 269
圖5-25 Twin9之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 270
圖5-26 Twin10之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 271
圖5-27 Twin11之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 272
圖5-28 Twin12之地表沉陷、孔隙水壓和隧道變形與超載係數關係 273
圖5-29 隧道破壞之定義 274
圖5-30 隧道破壞時之超載係數與深徑比之關係 274
圖5-31 隧道破壞時正規化最大地表沉陷和深徑比之關係 275
圖5-32 支撐氣壓解至零時正規化最大地表沉陷和深徑比之關係 275
圖5-33 單隧道試驗Test8各解壓階段之地表沉陷槽 276
圖5-34 單隧道試驗Test9各解壓階段之地表沉陷槽 276
圖5-35 單隧道試驗Test7各解壓階段之地表沉陷槽 277
圖5-36 雙隧道試驗Twin4各解壓階段之地表沉陷槽和以單隧道試驗Test8沉陷槽之i值疊加結果比較 277
圖5-37 雙隧道試驗Twin4各解壓階段之地表沉陷槽和以單隧道試驗Test8沉陷槽之0.85i值疊加結果比較 278
圖5-38 雙隧道試驗Twin2各解壓階段之地表沉陷槽和以單隧道試驗Test9沉陷槽之0.85i值疊加結果比較 278
圖5-39 雙隧道試驗Twin6各解壓階段之地表沉陷槽和以單隧道試驗Test7沉陷槽之0.85i值疊加結果比較 279
圖5-40 雙隧道試驗Twin12各解壓階段之地表沉陷槽和以單隧道試驗Test9沉陷槽之0.85i值疊加結果比較 279
圖5-41 雙隧道試驗Twin1各解壓階段之地表沉陷槽和以單隧道試驗Test9沉陷槽之0.85i值疊加結果比較 280
圖5-42 雙隧道試驗Twin1各解壓階段之地表沉陷槽和以單隧道試驗Test9沉陷槽之i值疊加結果比較 280
圖5-43 沉陷槽寬度參數和隧道深度之關係 281
圖5-44 單隧道破壞前頂拱變形與地表沉陷之關係 282
圖5-45 雙隧道破壞前頂拱變形與地表沉陷之關係 282
圖5-46 最大地表沉陷和頂拱變形比值隨隧道中心深度比之變化關係 283
圖5-47 土壤漏失量為1%至2%之最大地表沉陷隨著隧道中心深度之變化和台北捷運潛盾施工監測資料比較 283
圖5-48 地下沉陷槽寬度參數隨深度變化關係 284
圖5-49 單隧道破壞機制 285
圖5-50 雙隧道破壞機制(d/D=1.5) 285
圖5-51 單、雙隧道破壞時超載係數和上限解之比較 286
圖5-52 單隧道試驗Test9地盤變位與破壞機制 286
圖5-53 雙隧道試驗Twin5地盤變位與破壞機制 287
圖5-54 雙隧道試驗Twin6地盤變位與破壞機制 287
圖5-55 單隧道試驗Test9地盤位移等高線圖與破壞機制 288
圖5-56 雙隧道試驗Twin5地盤位移等高線圖與破壞機制 288
圖5-57 雙隧道試驗Twin6地盤位移等高線圖與破壞機制 289
圖5-58 隧道周圍地盤應力分析斷面 289
圖5-59 試驗土樣之三軸試驗結果及Henkel孔隙水壓參數?隨軸向應變之變化 (林俊雄,1995) 290
圖5-60 單隧道試驗Test8孔隙水壓量測值與Henkel模式計算值比較 291
圖5-61 單隧道試驗Test9孔隙水壓量測值與Henkel模式計算值比較 292
圖5-62 單隧道試驗Test6孔隙水壓量測值與Henkel模式計算值比較 293
圖5-63 不同深徑比之單隧道在相同位置之正規化超額孔隙水壓 294
圖5-64 不同深徑比之單隧道地拱效應示意圖 295
圖5-65 隧道盾尾孔隙閉合試驗RT4T1之孔隙水壓變化,林建良(1999) 295
圖5-66 不同深徑比之雙隧道在相同位置之正規化超額孔隙水壓 296
圖5-67 不同深徑比之雙隧道地拱效應示意圖 297
圖5-68 深徑比為2之單、雙隧道在相同位置之正規化超額孔隙水壓 299
圖5-69 不同隧道間距在相同位置之正規化超額孔隙水壓 300
圖5-70 雙隧道試驗Twin1之地拱效應示意圖 301
圖5-71 台北盆地工程地質分區圖與本研究工程案例位置 302
圖5-72 台北盆地基一區土壤基本物理性質與地表高程關係圖 303
圖5-73 台北盆地基一區土壤各種強度試驗所得不排水剪力強度與地表高程關係圖 (王獻增,2000) 304
圖5-74 台北盆地淡二區土壤基本物理性質與地表高程關係圖 (王獻增,2000) 305
圖5-75 台北盆地淡二區土壤各種強度試驗所得不排水剪力強度與地表高程關係圖 (王獻增,2000) 306
圖5-76 台北捷運南港線CN258標環片編號153斷面地表沉陷實測值與預測值比較 307
圖5-77 台北捷運南港線CN258標環片編號330斷面地表沉陷實測值與預測值比較 307
圖5-78 台北捷運南港線CN258標環片編號241斷面地表沉陷實測值與預測值比較 308
圖5-79 台北捷運南港線CN258標環片編號346斷面地表沉陷實測值與預測值比較 308
圖5-80 台北捷運南港線CN256標斷面1地表沉陷實測值與預測值比較 309
圖5-81 台北捷運新店線CH218標斷面13地表沉陷實測值與預測值比較 309
圖5-82 台北捷運新店線CH218標斷面14地表沉陷實測值與預測值比較 310
圖5-83 台北捷運新店線CH218標斷面17地表沉陷實測值與預測值比較 310
圖5-84 台北捷運淡水線CT201A標斷面I地表沉陷實測值與預測值比較 311
圖5-85 台北捷運淡水線CH218標斷面AA地表沉陷實測值與預測值比較 311
圖5-86 台北捷運淡水線CH218標斷面BB地表沉陷實測值與預測值比較 312
圖5-87 台北捷運新店線CH221標斷面MC-B-05地表沉陷實測值與預測值比較 312
圖5-88 台北捷運新店線CH221標斷面MC-B-07地表沉陷實測值與預測值比較 313
圖5-89 台北捷運南港線CN254標斷面S2地表沉陷實測值與預測值比較 313
圖5-90 日本地下鐵施工案例B-1單隧道地表沉陷實測值與預測值比較 314
圖5-91 日本地下鐵施工案例B-1雙隧道地表沉陷實測值與預測值比較 314
圖5-92 日本地下鐵施工案例B-1以單隧道之0.85i疊加和實測值比較 315
圖5-93 台北捷運南港線CN254標斷面S2以單隧道之i值疊加和實測值比較 315
圖5-94 台北捷運新店線CH218標斷面AA以單隧道之i值疊加和實測值比較 316
圖5-95 地下沉陷槽計算範例 316
圖5-96 台北捷運南港線CN258標預測之地表和地下沉陷槽 317
圖6-1 數值分析流程 355
圖6-2 單隧道數值模型之邊界條件 356
圖6-3 雙隧道數值模型之邊界條件 356
圖6-4 單隧道深徑比為2之數值分析網格 357
圖6-5 雙隧道深徑比為2之數值分析網格 357
圖6-6 不排水剪力強度和網格幾何形狀不良時支撐氣壓之關係 358
圖6-7 相同支撐氣壓下不排水剪力強度和最大地表沉陷量之關係 358
圖6-8 楊氏模數和網格幾何形狀不良時支撐氣壓之關係 359
圖6-9 相同支撐氣壓下楊氏模數和最大地表沉陷量之關係 359
圖6-10 離心模型與數值分析所得單隧道中心軸之地表沉陷(C/D=1) 360
圖6-11 離心模型與數值分析所得單隧道中心軸之地表沉陷(C/D=2) 360
圖6-12 離心模型與數值分析所得單隧道中心軸之地表沉陷(C/D=3) 361
圖6-13 離心模型與數值分析所得雙隧道對稱軸之地表沉陷(C/D=1) 361
圖6-14 離心模型與數值分析所得雙隧道對稱軸之地表沉陷(C/D=2) 362
圖6-15 離心模型與數值分析所得雙隧道對稱軸之地表沉陷(C/D=3) 362
圖6-16 離心模型與數值分析所得單隧道地表沉陷槽(C/D=1) 363
圖6-17 離心模型與數值分析所得單隧道地表沉陷槽(C/D=2) 363
圖6-18 離心模型與數值分析所得單隧道地表沉陷槽(C/D=3) 364
圖6-19 離心模型與數值分析所得雙隧道地表沉陷槽(C/D=1) 364
圖6-20 離心模型與數值分析所得雙隧道地表沉陷槽(C/D=2) 365
圖6-21 離心模型與數值分析所得雙隧道地表沉陷槽(C/D=3) 365
圖6-22 數值分析所得單隧道地下1.71m沉陷槽(C/D=1) 366
圖6-23 數值分析所得單隧道地下3.83m沉陷槽(C/D=1) 366
圖6-24 數值分析所得單隧道地下5m沉陷槽(C/D=1) 367
圖6-25 數值分析所得雙隧道地下1.71m沉陷槽(C/D=1) 367
圖6-26 數值分析所得雙隧道地下3.83m沉陷槽(C/D=1) 368
圖6-27 數值分析所得雙隧道地下5m沉陷槽(C/D=1) 368
圖6-28 單隧道深徑比為1網格幾何形狀不良時之地盤變位 369
圖6-29 單隧道深徑比為2網格幾何形狀不良時之地盤變位 369
圖6-30 單隧道深徑比為3網格幾何形狀不良時之地盤變位 370
圖6-31 雙隧道深徑比為1網格幾何形狀不良時之地盤變位 370
圖6-32 雙隧道深徑比為2網格幾何形狀不良時之地盤變位 371
圖6-33 雙隧道深徑比為3網格幾何形狀不良時之地盤變位 371
圖6-34 單隧道深徑比為1網格幾何形狀不良時之塑性區範圍 372
圖6-35 單隧道深徑比為2網格幾何形狀不良時之塑性區範圍 372
圖6-36 單隧道深徑比為3網格幾何形狀不良時之塑性區範圍 373
圖6-37 雙隧道深徑比為1網格幾何形狀不良時之塑性區範圍 373
圖6-38 雙隧道深徑比為2網格幾何形狀不良時之塑性區範圍 374
圖6-39 雙隧道深徑比為3網格幾何形狀不良時之塑性區範圍 374
圖6-40 各深徑比單隧道破壞時塑性區與地拱應力傳遞範圍 375
圖6-41 各深徑比雙隧道破壞時塑性區與地拱應力傳遞範圍 376
圖6-42 單隧道深徑比為1網格幾何形狀不良時之地盤主應力方向及地拱應力傳遞範圍 377
圖6-43 單隧道深徑比為2網格幾何形狀不良時之地盤主應力方向地拱應力傳遞範圍 377
圖6-44 單隧道深徑比為3網格幾何形狀不良時之地盤主應力方向及地拱應力傳遞範圍 378
圖6-45 雙隧道深徑比為1網格幾何形狀不良時之地盤主應力方向及地拱應力傳遞範圍 378
圖6-46 雙隧道深徑比為2網格幾何形狀不良時之地盤主應力方向及地拱應力傳遞範圍 379
圖6-47 雙隧道深徑比為3網格幾何形狀不良時之地盤主應力方向及地拱應力傳遞範圍 379
圖6-48 單隧道深徑比為2五個位置之應力路徑及最大主應力方向 380
圖6-49 單隧道深徑比為3五個位置之應力路徑及最大主應力方向 381
圖6-50 雙隧道深徑比為2五個位置之應力路徑及最大主應力方向 382
圖6-51 雙隧道深徑比為3五個位置之應力路徑及最大主應力方向 383
圖6-52 單隧道深徑比為3各深度土壤剪應力比隨著至隧道中心距離之變化 384
圖6-53 單隧道深徑比為3各深度土壤平均應力比隨著至隧道中心距離之變化 385
圖6-54 雙隧道深徑比為3各深度土壤剪應力比隨著至隧道中心距離之變化 386
圖6-55 雙隧道深徑比為3各深度土壤平均應力比隨著至隧道中心距離之變化 387
圖6-56 單隧道不同深徑比之地拱應力傳遞範圍 388
圖6-57 雙隧道不同深徑比之地拱應力傳遞範圍 388
圖6-58 單隧道深徑比為1量測之超額孔隙水壓與計算之主應力增量 389
圖6-59 雙隧道深徑比為1量測之超額孔隙水壓與計算之主應力增量 390
圖6-60 單隧道深徑比為1量測和計算所得超額孔隙水壓比 391
圖6-61 單隧道深徑比為2量測和計算所得超額孔隙水壓比 392
圖6-62 單隧道深徑比為3量測和計算所得超額孔隙水壓比 393
圖6-63 雙隧道深徑比為1量測和計算所得超額孔隙水壓比 394
圖6-64 雙隧道深徑比為2量測和計算所得超額孔隙水壓比 395
圖6-65 雙隧道深徑比為3量測和計算所得超額孔隙水壓比 396
圖6-66 單隧道試驗量測地表沉陷及數值分析所得隧道變形與塑性區面積比隨著超載係數之變化 397
圖6-67 雙隧道試驗量測地表沉陷及數值分析所得隧道變形與塑性區面積比隨著超載係數之變化 398
圖6-68 單隧道破壞時超載係數與上下限解之比較 399
圖6-69 雙隧道破壞時超載係數與上下限解之比較 399
圖6-70 單隧道地拱效應範圍與鄰近結構之關係 400
照 片 目 錄
照片4-1 LVDT和孔隙水壓計及其鑽挖工具 187
照片4-2 模型隧道橡皮膜及隧道變位計 187
照片4-3 隧道離心模型試驗流程 188
照片5-1 十字片扭剪計 318
照片5-2 單隧道試驗Test8(C/D=1)之地表張力裂縫 319
照片5-3 單隧道試驗Test9(C/D=2)之地表張力裂縫 319
照片5-4 單隧道試驗Test9(C/D=2)之地盤變位 320
照片5-5 雙隧道試驗Twin5(C/D=1, d/D=1.5)之地盤變位 320
照片5-6 雙隧道試驗Twin2(C/D=2, d/D=1.5)之地盤變位 321
照片5-7 雙隧道試驗Twin9(C/D=2, d/D=1.5)之地盤變位 321
照片5-8 雙隧道試驗Twin6(C/D=3, d/D=1.5)之地盤變位 322
照片5-9 雙隧道試驗Twin9(C/D=2, d/D=1.5)兩隧道中間之破壞型態 322
參考文獻 參 考 文 獻
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指導教授 李崇正、陳慧慈
(Chung-Jung Lee、Huei-Tsyr Chen)
審核日期 2002-7-6
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