一、關鍵挑戰Challenge

傳統隧洞分析因地質狀況複雜不易掌握且受限於數值分析工具之運算速度，故多以二維平面應變分析簡化處理實際的三維問題，此假設對於單孔或多孔隧道不考慮軸向應變之狀況或能適用，惟對於分析隧道交叉段附近力學行為、開挖工作面前進效應、或模擬隧道分階開挖等問題，則此假設過於簡化而不適用。隧道交叉段開挖對圍岩所產生之應力與應變行為係屬複雜的三維問題，國內、外因交叉段應力集中而導致隧道變形過大或支撐損壞的案例相當多。此外，根據國內近年來多條雙孔或三孔隧道之施工案例顯示，於岩盤強度不足或隧道間距不足之條件下，鄰近隧道施工所產生之塑性變形常造成隧道淨空不足、支撐破壞等情況，除影響隧道安定及原設計功能外，支撐工補強及隧道淨空修挖所造成之工期延宕與經費增加，嚴重影響隧道之施工及營運時程，故並行隧道設計時，隧道互制效應之影響亦不容輕忽。針對上述問題，實有必要進行三維數值分析方能清楚掌握隧洞群開挖之力學行為。
本案例為一大規模地下隧洞開挖之案例，隧洞之平面佈置如圖一(a)所示。其中，為增加工作面以縮短工期，通行隧道設計採開放式TBM開挖，而處置橫坑則採鑽炸法配合分階開挖同時進行。通行隧道直徑約12.2m，處置橫坑最大跨徑約17m（詳見圖一(b)、(c)），兩處置橫坑軸心距為63m，共計19條處置橫坑。為評估上述複雜之力學問題，本文採FLAC3D有限差分程式進行隧洞開挖之三維數值分析，茲將其內容敘述於后。

二、流程Process
由於分析場址之障壁成效備受重視，故隧洞開挖對圍岩造成之損傷破壞需特別加以考慮。本文先以解析法與經驗法評估隧道開挖所形成之可能擾動範圍，再以三維數值分析評估於不同支撐能量下岩體開挖所形成之破裂擾動範圍。解析法與經驗法係評估無支撐時之擾動範圍，故其結果可視為數值分析之上限值。
岩體之應力-應變關係採彈-塑性模式（如圖二(a)所示），而降伏函數則採用Mohr-Coulomb準則。隧道開挖對岩體產生之塑性區範圍可參考地盤反應曲線理論予以評估(如圖二(b)所示)，其中R為開挖半徑，Rpl為岩體擾動塑性區半徑，p0為初始應力，pi為設計支撐承力。
岩體強度參數推估係以室內試驗結果作為岩體基本參數之上限值，再依據Hoek等 (2002) 建議之方法透過地質強度指標GSI、岩心係數mi、岩心單壓強度σc及岩覆壓力P0等主要參數，估算場址岩體條件及強度參數值。利用相關之岩體強度參數與上述之解析法、經驗法與數值法可推估通行隧道、處置橫坑及交叉段於輪進開挖而尚未架設支撐時之最大可能擾動區。
本文選定以應力集中效應影響隧洞穩定性最為關鍵之T型交叉段進行三維數值分析，評估通行隧道及處置橫坑相繼開挖時隧洞之穩定性。分析以彈-塑性理論為依據，考慮場址所處位置之岩性、岩盤分類等級、岩覆壓力及設計間距等條件，採三維有限差分軟體FLAC3D進行分析，數值分析網格如圖三(a)、(b)所示，分析區域涵蓋一條通行隧道與一條處置橫坑所構成之交叉段。交叉段數值分析之基本假設為：岩體為完全彈塑性材料，適用莫爾庫倫破壞準則。至於水平應力部分，參考顧承宇等(2004)之建議，取水平與垂直應力比K為1.2。至於岩體變形模數D則以陳錦清等(1997)所建議之經驗圖表予以決定，本場址岩盤屬中等強度變質岩類型，並根據岩體變形模數隨RMR值折減之趨勢初步研判本場址之變形模數D。
另針對並行隧道施工期間，先行開挖隧道之圍岩應力狀態與支撐工受力行為將受到鄰近隧道後續施工之影響，當圍岩與支撐工間之平衡狀態受到干擾，應力將重新調整分布，若應力超過岩石材料的降伏強度，則圍岩將產生塑性變形，造成岩體鬆動區擴展，對隧道安定性產生不利的影響。本案例處置橫坑之跨徑約17m，兩處置橫坑之軸心距為63m，分析所採用之三維數值分析模型與支撐工配置如圖三(c)、(d)所示。根據中興社既有之研究成果（陳錦清、蕭富元，1999）建議之「隧道互制影響研判基準圖」（如圖九），即使在軟弱地質條件下，若並行隧道間距W與隧道跨徑B之比值達5倍以上（即W/B 5），則既有隧道幾乎不受鄰近隧道開挖之影響，隧道互制效應極微。本場址處置橫坑之設計距徑比(W/B)未達5倍，根據初步地質調查資料，本場址岩體多數介於AIII至AIV類岩盤，故需以數值分析方式評估本場址於設計條件下隧道互制效應之影響程度。

三、成果Result
重要計畫成果內容與工程應用價值

1. 本研究根據不同的岩盤分類、岩覆厚度及支撐等級等條件，建立多組三維數值分析模型，並配合隧道安全管理及互制效應研判準則，探討大規模地下隧洞群開挖所遭遇之複雜幾何及力學問題。分析結果及經驗可提供設計者檢核由解析法或經驗法所設計之支撐強度，以確保隧道之安全。
2. 根據三維數值分析結果顯示，隧道交叉段之頂拱變形量受岩體變形模數（彈性變形部分）及莫爾-庫倫強度參數（塑性變形部分）所控制；塑性擾動範圍主要受覆蓋應力大小與岩體強度參數所控制。
3. 並行隧道互制效應分析結果顯示，隧道距徑比W/B>5時，幾無互制效應；若W/B<5則需透過數值分析確認應力與變形之重疊情形，以評估互制效應對圍岩變形及塑性區擴展之影響程度。岩盤強度越低、岩覆越高，則互制效應越顯著。
 

四、與其他核心技術關連性

「地下隧洞開挖穩定性評估」與其他核心技術相關性如下：
1. GS0101－離散破裂面網絡模式分析
2. GS0102－等效孔隙介質模式分析
3. GS0103－水文地質特性調查評估
4. GS0302－岩盤工程熱力-水力-力學耦合分析

五、重要發表文獻

Jin-Ching Chern, Yu-Lin Chang, and Chih-Hao Tan (2005), "Estimation of Deformation Modulus Based on Back Analysis of Monitoring Data in Underground Excavation", International Symposium on Design, Construction and Operation of Long Tunnels, Taipei, Taiwan, pp. 1247-1254.
譚志豪、蕭富元、俞旗文 (2006)，「雪山隧道計測反算分析」，中興工程，第90期，第11-19頁。
譚志豪，顧承宇，冀樹勇，高憲彰，張玉粦 (2006)，「地下隧洞群開挖之穩定性與互制效應研究」，第五屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會，台北，第A11_1-10頁。
陳錦清等（1997），岩體變形特性與RMR岩體評分值關係之研究，中興工程顧問社研究報告。
陳錦清、蕭富元、高憲彰、俞旗文 (1997)，「國內隧道安全管理經驗準則之探討」，中興工程，第54期，第1-10頁。
陳錦清、蕭富元 (1999)，「雙孔隧道互制效應之研究」，中興工程，第65期，第1-18頁。
顧承宇、陳錦清、高憲彰 (2004)，「山岳隧道交叉段三維力學行為研究」，海峽兩岸大地工程研討會論文集，台北，第353-360頁。