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研究生: 欉贊文
Tzan-Wen Tsung
論文名稱: 開挖品質對隧道力學行為之影響探討
Effect of Tunneling Quality on Tunnel Behaviors
指導教授: 陳志南
Chee-Nan Chen
口試委員: 彭桓沂
Huan-Yi Peng
林宏達
H.D Lin
林志森
none
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: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 173
中文關鍵詞: 隧道FLAC3D開挖擾動帶
外文關鍵詞: tunnel, FLAC3D, excavation disturbed zone
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隧道開挖之行為會使原本處於平衡狀態的岩盤,因開挖而失去平衡,經過應力調整與再分配,進而達到新的平衡狀態或破壞。由於大自然中岩盤構造複雜多變,隧道應力調整會受許多因素影響,諸如隧道斷面形狀、地盤好壞、覆蓋深度、側向壓力係數等等,此為本研究之影響因子選項。
本研究利用三維程式FLAC3D分析,考慮圓形隧道斷面(D=8m),於兩種不同覆蓋深度(H=40、300公尺)、三種不同側向壓力係數(K=0.5、1、2)、兩種好壞不同岩盤(RMR=30、70)組合情況下進行數值模擬與工程行為分析。首先就以頂拱處之應力及變位掘進變化,探討影響範圍及應力變位調整最大之關鍵輪進區間,其次利用頂拱上方不同位置之地中應力再調整,探討隧道輪進開挖之影響區域或地拱成形之發展趨勢。另外嘗試模擬隧道鑽炸開挖之周圍岩盤產生損傷之影響,就可能損傷區域之參數數值折減,進行周遭岩盤未損傷及受損傷之應力變形對比。最後針對施工孔洞存在暇疵,就暇疵存在與不存在對周遭岩盤之應力集中進行分析對比。


The stresses of rock surrounding tunnel surface will be redistributed during tunneling and led to equilibrium or instability. These essential responses are relatively complicated due to the nature of complex rock composition, The influence factors related to tunnel’s stress redistribution include tunnel’s shape and cross-section, overburden depth, rock properties, and the coefficient of lateral pressure. This study aims at examine the stress and deformation characteristics of a tunnel with consideration of the influence factors by means of FLAC 3D, a three dimensional finite difference program. In which, an 8 m in diameter circular tunnel is modeled. The tunnel is placed at two different depths of 40 m and 300 m; the rock mass rating (RMR) of 30 and 70 are adopted; and the coefficient of lateral pressure (K) of 0.5, 1, and 2 are used.
The stress and displacement at the roof of the tunnel is firstly considered. The “key cycles” defined as the location where largest variations in the essential responses occur is discussed. Moreover, the vertical stress right above the tunnel’s roof is examined to study its variation and the arching behavior. In addition, the excavation disturbed zone (EDZ) of tunneling induced by the drill and blast method (D&B) is simulated by reducing the strength of the damaged rock mass near excavated surface. The redistributed stress and displacement of EDZ between no damage and damaged rock mass are simulated and compared. Finally, these tunnel’s responses as a result of an empty space behind lining and close to the tunnel’s roof is analyzed.

論文摘要I AbstractIII 誌謝IV 目錄V 表目錄VIII 圖目錄IX 第一章 緒論1 1.1 前言1 1.2 研究動機1 1.3 研究內容2 第二章 文獻回顧3 2.1 圓形隧道開挖彈性理論3 2.2 圓形隧道周圍開挖後塑性行為之影響7 2.3拱效應理論12 2.3.1 Terzaghi隧道開挖後之地拱與岩壓理論12 2.3.2 Protodyakonov之隧道開挖後之地拱與岩壓理論19 第三章 數值分析方法23 3.1 FLAC3D之基本理論架構23 3.1.1 FLAC3D程式之數學模式23 3.1.2 FLAC3D程式之數值方法26 3.2 FLAC3D的基本術語27 3.3 FLAC3D的基本運算程序33 3.4 FLAC3D的組合律模式34 3.5 FLAC3D基本分析步驟38 3.6 本論文之三維數值分析模式41 3.6.1三維數值分析網格建立41 3.6.2數值分析基本假設46 3.6.3材料參數選用之依據47 第四章 單孔隧道之三維分析討論65 4.1 單孔隧道掘進三維數值分析網格65 4.2 三維掘進應力變化曲線70 4.2.1頂拱處三維掘進應力變化曲線70 4.2.2側壁與仰拱處之應力變化曲線73 4.3 不同K值下關鍵輪進之頂拱應力變化比較78 4.4 頂拱上方之垂直應力 再分配探討80 4.4.1頂拱上方垂直應力 再分配曲線(K=1情況)80 4.4.2三種不同K值之 再分配曲線81 4.5 關鍵輪進之垂直應力 再分配曲線特性研究84 4.5.1不同K值情況下頂拱上方應力鬆弛區高度Hu發展84 4.5.2不同深度情況下頂拱上方應力鬆弛區高度Hu發展85 4.6 隧道輪進開挖之三維掘進變位曲線88 4.6.1頂拱處之三維掘進變位曲線88 4.6.2側壁與仰拱處之三維掘進變位曲線89 4.6.3 三種不同K值情況下頂拱處之垂直變位δZ比較92 4.6.4 不同K值之垂直等位移圖分佈94 4.7 隧道輪進開挖引致之塑性區發展96 4.7.1不同覆蓋深度隧道通過好壞不同岩體之塑性區發展96 4.7.2不同K值對塑性區發展之影響比較97 第五章 鑽炸損傷對隧道周圍岩體工程行為之影響99 5.1 鑽炸損傷之數值網格及參數99 5.1.1鑽炸損傷之網格建置99 5.1.2鑽炸損傷數值分析之輸入參數100 5.2 鑽炸損傷之頂拱三維應力變化曲線103 5.3鑽炸損傷對不同K值情況之頂拱三維掘進應力變化曲線105 5.4 鑽炸損傷對頂拱上方岩體垂直應力再分配討論108 5.4.1鑽炸損傷對頂拱上方垂直應力 再分配曲線影響108 5.4.2鑽炸損傷對不同K值情況之垂直應力 再分配曲線比較108 5.5 鑽炸損傷對垂直應力 再分配曲線之特性研究112 5.5.1鑽炸損傷對不同K值情況下應力鬆弛區高度Hu發展112 5.5.2鑽炸損傷對隧道覆蓋深度300公尺之應力鬆弛區高度Hu發展112 5.6 鑽炸損傷對不同K值情況之頂拱垂直變位δZ影響115 5.7 鑽炸損傷對塑性區發展之影響117 第六章 孔洞對隧道工程行為之影響119 6.1 孔洞之數值網格及參數介紹119 6.1.1孔洞形狀之相關研究119 6.1.2孔洞數值分析之網格建立及輸入參數121 6.2 孔洞存在對應力變化之影響探討126 6.2.1無孔洞存在之頂拱三維應力掘進變化曲線126 6.2.2有孔洞存在之頂拱三維應力掘進變化曲線127 6.2.3孔洞存在與否對頂拱三維應力掘進變化曲線之影響比較129 6.2.4長方體孔洞各角隅之應力分析比較132 6.3 孔洞存在對三維掘進變位之影響探討134 6.3.1無孔洞存在之頂拱三維掘進變位曲線134 6.3.2有孔洞存在之頂拱三維掘進變位曲線135 6.3.3孔洞存在與否對頂拱三維掘進變位曲線之影響比較136 6.3.4長方體孔洞各角隅之垂直變位δZ比較139 第七章 結論與建議.141 7.1 結論141 7.2 建議143 參考文獻145 附錄A 頂拱處三維掘進應力變化曲線147 附錄B 關鍵輪進之垂直應力再分配曲線圖153 附錄C 孔洞存在對周圍岩盤最大主應力分佈情形158

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