一、關鍵挑戰Challenge

地下深處岩體具有高地應力、高地溫及高水壓等三高特性。在此三高環境下，隧道及地下開挖工程困難度將大幅提昇。近年來由於施工技術之進步與地下深處空間需求之增加，隧道及地下洞室開挖深度有逐漸增加趨勢。中央山脈綿亙臺灣南北長達三百餘公里，超過3000公尺以上之高山有百餘座，平均高度亦達2500公尺左右，因此未來無論交通或水利等公共建設，高岩覆隧道或洞室開挖工程勢必無法避免。例如現正推動中之蘇花公路山區改善計畫，其中南段中仁隧道之最大岩覆深度即約1100公尺左右。臺灣目前岩盤隧道工程經驗仍集中於中等岩覆至淺覆蓋範圍，隧道設計與施工主要遭遇之問題，係為高度破碎劣級或甚劣岩盤之擠壓變形，對此種地質與應力條件之岩盤，其力學特性與施工對策已有相當掌握與經驗。但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，包括脆性剝離破壞、岩爆及超高應力擠壓變形等，目前之瞭解與掌握均甚為不足。基於上述背景，本研究乃進行關鍵之深部脆性岩石力學特性探討，並建立適用高岩覆脆性岩石開挖之數值分析模擬技術，提供高岩覆隧道工程設計與施工參考。

二、流程Process

1. 首先透過國內外高岩覆隧道案例與文獻資料蒐集，並配合岩石材料力學試驗，彙整探討高岩覆應力下隧道圍岩力學行為特性，包括擠壓變形、脆性破壞、高圍壓應力影響、材料峰後強度弱化特性等。
2. 在探討瞭解高岩覆應力對岩石材料力學特性後，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. 依據所建立之高岩覆隧道數值分析技術，規劃一系列各種狀況之高岩覆隧道案例，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。
4. 利用所建立之案例庫資料與實際工程案例，檢討臺灣現行隧道設計理念，在高岩覆環境下之適用性，並提出高岩覆隧道開挖支撐實務建議。

三、成果Result
重要計畫成果內容與工程應用價值

臺灣目前隧道工程案例經驗與相關技術，仍集中於中等岩覆至淺覆蓋範圍，對於地下深部高岩覆環境下，完整岩盤之力學行為特性、工程設計理念及施工實務對策之掌握度，仍極為缺乏。本研究所獲得之結果與工程應用包括(詳圖1至圖3)：

1. 探討釐清地下深部之完整脆性岩石，雖可承受較大之彈性應變能，但在高岩覆應力作用下，破壞後強度出現大幅弱化特性，故一般慣用峰後強度維持不變之彈塑性(Elastic-Plastic)模式，對於硬岩脆性材料並不適用，應採用可模擬峰後強度弱化之彈脆性(Elastic-Brittle)或應變軟化(Strain-Softening)模式。由地盤反應曲線可知，如仍採用彈塑性模式，可能會低估峰後強度弱化對隧道變形量影響，甚或誤判隧道施工安全。
2. 對於脆性硬岩峰後強度弱化參數評估，目前仍無公認廣泛採用之方法，本研究在檢視各種評估方法後，研提結合岩石破壞理論與材料試驗之強度損失試驗評估法，以實際試驗結果，評估不同圍壓下之強度損失因子β，提供合理實用之參數評估方法。
3. 臺灣由於缺乏高岩覆隧道案例可供類比參考，而國外工程案例則因地質及施工條件之差異，適用性有待檢討，故案例類比法與岩體分類經驗設計法，目前仍無法應用於臺灣高岩覆隧道設計，分析設計法應為主要採用之設計方式。而本研究撰寫建立適用於高岩覆脆性破壞數值分析程式，進一步結合岩石峰後強度弱化參數評估方法，可進行高岩覆隧道開挖模擬分析，可提供高岩覆隧道設計與施工回饋分析之實用工具。
4. 透過高岩覆數值案例庫與實際工程案例檢視，發現對於高岩覆應力所造成之擠壓變形，僅以增強支撐工方式可能仍無法穩定隧道，需進行更多不同考量，包括：(1)開挖方式調整：擴挖預留變形空間、採多階開挖、採圓形斷面形狀等；(2)支撐方式調整：採可伸縮式鋼支保、可伸展式岩栓、噴凝土預留槽溝並裝設併聯筒式可調油壓千斤頂等。

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. GS02－隧道施工專家系統推廣
2. GS0202－隧道湧水及地下水文環境影響評估
3. GS0401－地下隧洞開挖穩定性評估