一、關鍵挑戰Challenge

近年來全球氣候變遷劇烈，地表環境受氣候異常變化影響導致各項工程建設(如公路、橋梁等)災害事件頻傳，善用地下空間逐漸成為一個新的發展趨勢，例如利用地下深處進行核廢料長期處置及CO2地下封存、興建海底隧道或山岳隧道以節省交通運距及時間、規劃地下水庫或引水隧道以調度運用水資源等。隧道地下開挖之深度有逐漸增加趨勢，以往深度超過1000公尺以上之案例極為罕見，但目前在國際間則已屬常見，甚至深度超過2000公尺以上之開挖案例亦有所聞。而隨著岩覆深度增加，地下深處之高地應力、高地溫及高水壓等三高環境因子衍生許多特殊困難問題，如硬岩脆性爆裂或剝裂破壞、地質弱帶擠壓大變形、巨量高壓湧水、地熱高溫影響等，造成工程設計與施工難度大幅增加。

臺灣目前地下開挖工程經驗仍集中於淺覆蓋至中等岩覆深度，對於普通等級或完整岩盤在高岩覆應力下所產生之特殊破壞行為，目前之瞭解與掌握均甚為不足。有鑑於此乃規劃進行一系列深部脆硬岩石力學特性研究，並建立適用高岩覆脆硬岩石開挖之數值分析技術與開挖支撐對策探討，提供地下深處隧洞開挖設計與施工參考。
 

二、流程Process

1.  首先蒐集國內外高岩覆隧洞案例與文獻資料，並配合辦理臺灣代表性硬岩(如大理岩、片麻岩等)力學試驗，彙整探討高應力環境下脆硬岩石力學特性，包括脆性剝裂或爆裂破壞、高圍壓應力影響、材料峰後強度弱化特性等。
2.  在瞭解脆硬岩石於高應力環境之力學行為後，進一步建立適用高岩覆隧道數值分析技術，其中彈塑性擠壓變形分析技術，在台灣已屬成熟技術，故本項工作重點，乃著重於脆性破壞分析模擬技術，包括應變軟化材料模式探討、峰後強度弱化力學參數評估、數值分析工具與子程式撰寫等。
3.  對於地下深處高應力所造成之地質弱帶擠壓變形與硬岩脆性破壞問題，僅以支撐方式來穩定隧道，在實務面及經濟面均有其困難，實需輔以其他因應措施，本項技術乃針對各種對策進行其適用條件與成效檢核，例如擴挖預留變形空間設計、被動式支撐工成效、開挖斷面優化、應力釋放孔布設方式等，建立此領域之設計與施工實務。
4.  依據所建立之高岩覆隧道數值分析技術與設計施工實務，規劃一系列各種情境之高岩覆隧道案例，並進行數值分析模擬，據以建立高岩覆隧道數值案例庫，彙整探討高岩覆隧道圍岩力學行為與施工安全評估。
    

三、成果Result

本項技術目前已探討建立高應力岩石開挖破壞特性(圖1)、硬岩脆性破壞峰後強度弱化評估方法(圖2)、強度弱化數值模擬分析技術(圖3)、高岩覆開挖支撐對策實務探討(圖4)。研究所獲得之結果與工程應用包括(詳圖1至圖3)：

圖1 硬岩S-shaped脆性破壞包絡線

圖2 硬岩脆性破壞峰後強度弱化強度評估

圖3 脆硬岩石破壞強度弱化數值模擬分析

圖4 高應力隧道擠壓採用被動式支撐工情形 

四、與其他核心技術關連性

「高岩覆對隧道設計與施工影響評估」與其他核心技術相關性如下：

1. 三維數值模擬分析
2. 隧道湧水及地下水文環境影響評估
3. 地下隧洞開挖穩定性評估
    

五、重要發表文獻

1. Hsiao F.Y. & Chi S.Y. (2013),” Effect of brittle failure on deep underground excavation in eastern Taiwan”, Proceedings of the 18th International Conference on soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris, pp.1711-1714.
2. 蕭富元 (2013)，「高岩覆對隧道設計與施工影響研究」，中興工程，第119期，第87-94頁。
3. Hsiao F.Y., J.C., Chern & Chi S.Y. (2012)，”Post-Peak strength estimation for tunneling in marble”, ARMS7 -7th Asian Rock Mechanics Symposium, Seoul, pp.201-217.
4. 蕭富元、冀樹勇、邵厚潔、林廷彥、汪世輝 (2012)，「臺灣東部硬岩破壞特性與地下開挖穩定問題」，地工技術，第131期，第71-80頁。(地工技術2012年度最佳論文獎)
5.  蕭富元、邵厚潔 (2011)，「硬岩脆性破壞對公路隧道施工安全影響探討」，臺灣公路工程，第37卷，第9期，第2-19頁。
6. 蕭富元、王建力、邵厚潔 (2011)，「深埋脆性岩石力學參數評估與變形特性探討」，岩土力學，第32卷，第109~114頁。(EI 期刊)