簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 黃祉萍
Jhih-Ping Huang
論文名稱: 擬靜態地下機械開挖之力學機制與適挖指標:直-曲線隧/洞道之設、施應用為例
Quasi-static Cutting Mechanics of Underground Mechanical Excavation and its Suitable Indices: Application to Design and Construction of Straight / Curved Tunnel and Pipeline System
指導教授: 陳堯中
Yao-chung Chen
口試委員: 陳立憲
Li-hsien Chen
高宗正
Chung-cheng Kao
余明山
Ming-shan Yu
陳志南
Chee-nan Chen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 182
中文關鍵詞: 廣義式貫切量綱分析正規化適挖指標巨量資料資料探勘地質預測
外文關鍵詞: Generalized, Indentation, Dimensional analysis, Normalized, Suitable Indices, Big data, Data mining, Geology prediction.
相關次數: 點閱:185下載:1
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 審視相關隧道工程或淨、污水與電力等維生管線洞道與能、資源探勘、掘採等技術,其設計與施工均較乏開挖掘進學理配合之實作評核,地質材料之開挖掘削機制幾乎難有較科學之設計與施工之標準流程,例如綜整掘進機種類共計超過六千多種之開挖面盤配置(日本為例),多只依賴經驗評估設計,各項工法與機型對應各類不同岩-土質地層;多只就「可挖性」作探討,鮮能再對地盤-機械開挖互制行為作一「適確性」研析,如此之地下開挖進度及成本、品控與安全變異頗大,且隨著地質變異性增加而遽增,如雪隧之工程延宕(如四稜砂岩與破碎斷層帶或地下水脈)、維生管線洞道遇變異大之卵礫石層;都會盆地市中心飽和向外拓展常由土壤變岩石等工程。
    本研究嘗試將設計及施工問題作通盤考量,可以符統包制度之要旨。首先由設計課題切入探討於廣義式掘進推力之評估。其中前方與周身阻抗;探討傳統未考慮之刀頭貫切力;及周身阻抗則探討地下水的浮力影響及掘進坡度造成之阻抗,並經異況警戒之風險管理概念,代入不同的情況;模擬分析推力之上/下限值。而施工課題,則利用量綱分析研探可提出接觸力學行為的推進力系及其正規化影響因子,建立廣義式地下機械掘削機制及其適挖性指標作為實務工程之應用,且利用資料探勘尋找適挖指標用於預測地質之可能性。
    實務案例應用上,由現況調查之比對,則以核一、汐止∼松湖345kV地下電纜線路工程及松湖~大安345kV 電纜線路潛盾洞道工程,兩案例進行外業調查,以驗證本研究之適確性。研究發現於設計部分:(1) 案例一之低塑性黏土段,潛盾機推力掘進至0k+398時,已趨近其總推力下限值,即近域場產生主動破壞;而於遠域場可能有地表沈陷之虞、(2) 案例一之砂頁岩互層段,潛盾機推力最大值於1k+342處發生,工地現場此時也因外緣切刃齒磨耗得差不多,挖出來的孔徑與潛盾機盾殼外徑一樣,造成機身遭地層束縛住;施工部分:綜整前人文獻及本研究分析案例,發現不論工種相同與否,只要近似地質材料會群聚在附近,延性材料(土壤)推力指標落在10^1~10^2之間,脆性材料(岩盤)則落在10^0~10^-2之間,延脆複合材料(卵礫石)落在10^-3~10^-1之間。本研究使用WEKA分析得知,利用前後環之差值可以預測約2倍隧道直徑前方地質,兩案例皆有約80%高準確率。


    To improve mass transit construction and the penetration of sewage reticulation, Taiwan's underground excavation works play a critical role. Mechanical excavation projects are increasing with more infrastructure development. However, most of researches emphasis on geotechnical safety or stability without the assessment of efficiency and suitability of the excavation methods. Some of the mechanical excavation systems used are based on studies done in Europe, Japan and elsewhere by foreign manufacturers hence cannot be relied on to give the standards for design and construction in Taiwan as Japan and European experiences are not necessarily appropriate to conditions in Taiwan. Thus to promote the relevant tunneling technology in Taiwan, there is need for more understandings on this topic. This study plan aims at the tunneling excavation with different dig scales. The proposal seeks to establish a novel, general model that considers the vary machines (tunnel boring machine, shield tunnel and pipe jacking ), types (earth pressure balance, slurry pressure balance, thick-mud) and geological cases (soil, gravel and rock) in one unified model to analyze. The straight/curved thrust and torque will be calculated for a blunt/sharp, wedge/cone cutter from global cutting to local dragging/indentation of a tunneling machine respectively.
    This study aims at investigation and application for both design and construction such as turnkey project. For “design period”: Besides the traditional equations, the study examined more key factors: single cutter to doubled-cutters, the axial gradient of tunnel, floating power and different working condition (active or passive earth pressure, machine or pipe touch tight or densification by geological gable). For “construction period”: By using dimensional analysis, the proposed model generalizes geological characteristics corresponding to two types of cutting forces (thrust and torque) to evaluate their excavation progress with penetration rate. Furthermore, the normalizedSuitable Indices: can be used not only to estimate the functionality and efficiency of cutting machine adopted for tunnel project, but also to offer a warning information for inadequate cutting strategy. To obtain feasibility of normalizedSuitable Indices: applied to geological prediction by using data mining.
    This research obtained the following results with two study cases in Taipei:
    Design parts:
    (1) Low plasticity clay from first case studies, thrust has been approaching the lower bound at 0k + 398 m, namely in near field generating active earth pressure failure; and settlement may be happened in the far field.
    (2) Sandstone and shale interbed from first case studies, thrust maximum occurs at 1k + 342 m, the outer cutters due to wear, excavation the aperture and shield machine shell the outer diameter are almost the same, resulting in shield machine were shackled in the underground.
    Construction parts: Combined previous literatures and this research, as long as the approximate geological materials will cluster is closer either: ductile (soil) thrust index between 10^1 to 10^2, brittle materials (rock-like) between 10^0 and 10^-2, composite material (gravel) between 10^-3 and 10^-1.
    Data mining: WEKA analysis showed that the difference rings parameters between previous and now value can be predicted geology about the front of 2 times shield machine diameter, two case studies above 80% high accuracy.

    摘要 I Abstract II 誌謝 IV 目錄 V 表目錄 VIII 圖目錄 XI 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究方法與範圍 4 1.3 研究架構與分章概述 5 第二章 文獻回顧 7 2.1 多尺度機械式隧道掘進工程簡述與比較 8 2.2現今台灣隧道掘進使用推進力評估公式 11 2.3 廣義式機械掘削機制 14 2.3.1 以材料破壞特徵分類 14 2.3.2 機械接觸力學之分類 16 2.3.2.1掘削機制I:單一刀頭各種不同接觸破壞之影響因子 16 2.3.2.2 掘削機制II:群刀配置之最適間距 21 2.3.2.3 掘削機制III:切削面盤整體配置因子之考量 23 2.4廣義式貫切理論 24 2.4.1貫切破壞之沿革 24 2.4.2貫切破壞之理論解 25 2.4.3刀頭磨耗效應之影響 26 2.5量綱分析與相似性 28 2.5.1 物理量的單位與量綱之關係 28 2.5.2 無量綱參數之轉換 30 2.5.3 量綱分析之應用實例 32 2.6機械式隧道掘進之分析指標 34 2.7預測開挖面前方地質之研究 38 第三章 廣義式掘進之理論推力與適挖性指標研探 39 3.1廣義式掘進之推力理論 39 3.1.1掘進機前方阻抗 41 3.1.2掘進機周身阻抗 44 3.1.3管材周身阻抗 48 3.1.4掘進力阻抗下/上限評估 49 3.2 機械式掘削開挖物理場概述 55 3.3 機械式鑽掘開挖因子之量綱分析 56 3.4 適挖性指標之建立 59 3.4.1 地質材料之無因次因子 59 3.4.2 掘進機械力系之無因次因子 60 第四章 理論推力分析及適挖性指標之實務應用 62 4.1 核一、汐止~松湖345KV地下電纜線路土建統包工程 64 4.1.1 分析路段I:低塑性黏土 68 4.1.1.1廣義式理論推力評估 68 4.1.1.2 適挖性指標探討 76 4.1.2 研究路段II:砂頁岩互層 85 4.1.2.1 廣義式理論推力評估 85 4.1.2.2 適挖性指標探討 92 4.2 松湖~大安345KV 電纜線路潛盾洞道統包工程 101 4.2.1 分析路段IV:低塑性黏土 105 4.2.1.1廣義式理論推力評估 105 4.2.1.2 適挖性指標探討 113 4.2.2 研究路段V:沉泥質礫石 122 4.2.2.1 廣義式理論推力評估 122 4.2.2.2 適挖性指標探討 129 4.3 預測地質變異之可能性 138 4.3.1 分析路段III:土-岩-土-岩複合段 138 4.3.2分析路段VI:土-沉泥質礫石之地層變異段 139 4.3.3 地質變異之資料探勘 139 4.3.3.1分析路段III:土-岩-土-岩複合段 139 4.3.3.2分析路段VI:土-沉泥質礫石之地層變異段 141 4.3.4與地質相關之變數 142 4.3.4.1分析路段III:土-岩-土-岩複合段 142 4.3.4.2分析路段VI:土-沉泥質礫石之地層變異段 145 4.3.5開挖面前方兩倍隧道直徑之地質預測 148 4.3.5.1分析路段III:土-岩-土-岩複合段 148 4.3.5.2分析路段VI:土-沉泥質礫石之地層變異段 150 4.4多尺度機械式隧道掘進之比對分析 152 第五章 結論與建議 157 5.1 結論 157 5.2 建議 158 參考文獻 161 附錄A 地下掘進工法開挖效率之現地調查表 165 附錄B 兩物體間之動、靜摩擦參考值 171 附錄C 委員意見回覆表 173 符號對照表 177 關鍵詞中英文及縮寫對照表 181

    [1] IMD, IMD World Competitiveness Yearbook 2015. Switzerland, 2015.
    [2] 內政部營建署,全國污水下水道用戶接管普及率及整體污水處理率統計表, 2016。
    [3] 奧村機械股份有限公司,「潛盾機設計概要和潛盾施工法技術資料簡報」,(產學交流資料,未發表),2009。
    [4] 林國龍,廣義式地下掘進之推進力系分析,碩士,土木與防災研究所,國立臺北科技大學,2010。
    [5] 楊巽,隧道掘進之土(岩)-機互制與可挖指標研探,碩士,土木與防災研究所,國立臺北科技大學,2010。
    [6] 張吉佐等,隧道工程施工技術解說圖冊,交通部臺灣區國道新建工程局,2006,第105-109頁。
    [7] 陳立憲,楊巽,林國龍,林郁修,蘇億峰, 廣義式地下掘削機制及應用於卵礫石層管推工法之案例分析,中國土木水利工程學會會刊,2009。
    [8] Chen, L. H. and Labuz, J. F., "Indentation of Rock by Wedge-shaped Tools," International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol. 43, pp. 1023-1033, 2006.
    [9] H. Huang, Damjanac, B. and Detoumay, E., "Normal Wedge Indentation in Rocks with Lateral Confinement," Rock Mechanics and Rock Engineering, vol. 31, pp. 81-94, 1998.
    [10] B. R. Lawn and M. V. Swain, "Microfracture Beneath Point Indentations in Brittle Solids," Journal of Materials Science, vol. 10, pp. 113-122, 1975.
    [11] P. Ostojic and R. McPherson, "A Review of Indentation Fracture Theory: its Development, Principles and Limitations," International Journal of Fracture, vol. 33, pp. 297-312, 1987.
    [12] 巫奇穎,同步化聲光非破壞檢測研探類岩材料於貫切破壞之群刀效應,碩士,土木與防災研究所,國立臺北科技大學,2009。
    [13] 林郁修,分離元素法於岩石貫切破壞試驗之模擬分析,碩士,土木與防災研究所,國立臺北科技大學,2007。
    [14] Chen, L. H., "Failure of rock under normal wedge indentation," Ph.D., University of Minnesota, Minneapolis, 2001.
    [15] 蘇億峰,磨耗與邊界效應對岩石貫切破壞之數值模擬,碩士,土木與防災研究所,國立臺北科技大學,2008。
    [16] 王紹宇,分離元素法於接觸破壞之刀刃磨耗與雙刀效應之模擬暨耦合有限差分法之數值初探,碩士,土木與防災研究所,國立臺北科技大學,2008。
    [17] L. Mishnaevsky, "Physical Mechanisms of Hard Rock Fragmentation under Mechanical Loading: A Review," International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts, vol. 32, pp. 763-766, 1995.
    [18] H. Alehossein, E. Detournay, and H. Huang, "An Analytical Model for the Indentation of Rocks by Blunt Tools," Rock Mechanics and Rock Engineering, vol. 33, pp. 267-284, 2000.
    [19] 陳拓丞,應用因次分析法於奈米壓痕試驗之理論分析與數值模擬:殘留應力、基材效應與黏彈性質之研究,碩士,機械工程學系碩博士班,國立成功大學,2005。
    [20] E. Buckingham, "On Physically Similar Systems; Illustrations of the Use of Dimensional Equations," Physical Review, vol. 4, pp. 345-376, 10/01/ 1914.
    [21] H. G., "Interactions in Offshore Foundation Design," presented at the 54th Rankine Lecture, Taipei, Taiwan, 2014.
    [22] 彭嚴儒,隧道通過地質界面之三維變形與力學行為探討,博士,營建工程系,國立臺灣科技大學,2005。
    [23] 歐陽偉,下水道推進生產力之研究,碩士,營建工程系,國立臺灣科技大學,2007。
    [24] 吳天瑞,採用混和類神經網路及隱藏馬可夫模式建構可應用於下水道推進專案之地質預測支援系統,博士,營建工程系,國立臺灣科技大學,2011。
    [25] 萬鼎工程服務股份有限公司,「核一、汐止~松湖345kV地下電纜線路土建統包工程潛盾施工計劃書」,(產學交流資料,未發表),2010。
    [26] 萬鼎工程服務股份有限公司,「核一、汐止~松湖345kV 地下電纜線路土建統包工程補充地質調查報告」,(產學交流資料,未發表),2010。
    [27] 萬鼎工程服務股份有限公司,「核一、汐止~松湖345kV 地下電纜線路土建統包工程潛盾機規格說明書」,(產學交流資料,未發表),2010。
    [28] 日商鹿島營造股份有限公司台灣分公司及大陸工程股份有限公司,「松湖~大安、深美~大安345kV電纜線路潛盾洞道暨附屬機電統包工程#3潛盾洞道施工計劃書」,(產學交流資料,未發表),2013。
    [29] 日商鹿島營造股份有限公司台灣分公司及大陸工程股份有限公司,「松湖~大安、深美~大安345kV電纜線路潛盾洞道暨附屬機電統包工程補充地質調查及試驗報告」,(產學交流資料,未發表),2013。
    [30] 日商鹿島營造股份有限公司台灣分公司及大陸工程股份有限公司,「松湖~大安、深美~大安345kV電纜線路潛盾洞道暨附屬機電統包工程#3潛盾機設計製作計畫書」,(產學交流資料,未發表),2014。
    [31] Witten, I.H. and E. Frank, Data Mining: Practical Machine Learning Tools and Techniques: Diane Cerra, 2005.
    [32] Stein et al., “Studies of Interface Friction between Jacking Pipe Materials and Frictional Soils and the Impact on Jacking Forces”, 1989.

    QR CODE