作者

鄭富書

摘要

為了編這期專輯—岩盤工程，編者回顧了國內有關岩盤工程在地工技術所曾刊登過的文章及國內近年來的重要的岩盤工程進展及思考未來可能的研究方向，選擇了以下的主題，邀請國內對這些問題作過研究或擁有第一手寶貴經驗的先進，請他們在百忙中撰稿，將心得與讀者分享，希望能達到如本期黃燦輝理事長贈言所勉勵的
— 稟承傳統 共創未來。
岩盤中的當地應力是岩盤工程中最重要的岩盤參數之一，在深層岩盤的應力量測方法中，最可行的方法就是水力破裂法，但國內的施測資料與相關經驗確很少，因此情商工研院能源與資源研究所的楊明宗先生等人將國內實測成功的資料與經驗與讀者分享，作為未來岩盤工程研究或工作上參考。
接下來介紹的是岩石力學在岩盤工程的三大應用領域共九篇大作，分別是隧道工程六篇、邊坡工程二篇、基礎工程一篇。
台灣因地質年代輕、且位處板塊衝撞帶，某些岩盤的強度與變形行為迥異於目前國內採行岩體分類法RMR 與Q法起源國家，公共工程委員會因此商請國內從事山岳隧道最有經驗的四大顧問公司及其他學術單位進行長達四年的研究，同時得到國內各相關業主部門的全力配合，將既有的經驗與研究成果結合，研擬發展出一套適用於國內地質環境的岩體分類系統(PCCY-SYSTEM)，作為國內制定隧道支撐設計之依據，此系統已藉由台灣現在正施工或甫完工之隧道監測資料加以驗証通過。這是國內山岳隧道工程界研發的重要成果，由中興工程顧問公司張吉佐先生等人在岩體分類RMR與Q法之延伸一文中從頭道來，讀者必可更深切體會此一岩體分類法之精神所在與重要性。岩盤軟弱是台灣岩盤重要特性之一，在隧道開挖同時，除大家較為熟知的傳統二維監測外，如能採行隧道三維變形行為之資料監測與回饋分析，除對軟弱地盤山岳隧道的施工安全及品質有所幫助外，更可根據不同岩盤的行為特徵預測開挖面前方的地質情況，台灣科技大學彭嚴儒先生與陳堯中教授在隧道三維變形量測資料之展示與應用文章中對此一最新發展作了詳細的介紹。雙孔隧道是目前公路隧道經常遭遇的情況，為了解多層介質中(如台灣常見之砂頁岩互層地質條件)隧道的力學行為，褚炳麟教授等人由自行發展的二維數值分析模式，對隧道之穩定性與變形性加以探討，並以物理模型試驗結果加以檢驗，嚴謹的作法值得學習。張吉佐及劉弘祥先生則是針對已完工通車的蘭潭隧道工程作了詳細的報導，此一隧道具有雙孔、大斷面、淺覆蓋、上有十層高樓民房、且位於膠結不良砂泥層互層之地層，又具高地下水位等諸多困難工程條件，到底用什麼絕招順利完成通過，請讀者仔細參詳，多加體會。李明雄先生等人新武界隧道工程TBM施工技術探討一文，介紹台灣隧道工程首次以TBM貫通案例，此一工程且達到最佳平均月進度(315m)及最大鑽掘長度之新里程碑，讓國人對TBM施工法的相關技術有更深切的認識與信心。傅子仁與薛文城先生的永春隧道高壓巨量湧水災害處理之檢討，報導了國內高壓高湧水量困難地質案例之處理歷程，分享了許多值得未來參考的心得，也讓人體會工程師堅忍不拔、求新求變以期盡力完成使命的一面。
岩盤邊坡工程方面有兩篇文章，分別是成功大學資源工程系王建力教授等人的岩石邊坡穩定問題之斷裂力學分析，以及李彪先生及劉志學先生的新中橫快速道路板岩邊坡破壞與防制之介紹。前者引進一種新的岩盤邊坡分析方法，並以實例加以說明，尤其是在地震力動態作用的條件下，為含有不連續弱面之岩盤邊坡破壞提供一較符合現況的分析方法，十分值得進一步研究與推廣。後者對新中橫快速道路地質狀況及地質調查著墨甚多，點出板岩區公路邊坡設計應注意的事項，可以作為未來設計時參考。
壓軸的大作是古志生教授與李德河教授有關岩盤基椿工程的文章-軟岩鑽掘樁承載力之案例分析，國內重大工程常有使用具高承載力之大口徑樁基礎於軟弱岩盤的案例，由於軟岩之勁度與土壤有很大差別，合理評估與分析基礎承載力來源的方法仍十分缺乏，文章的內容除舉出與國內試樁成果較為相符的評估公式及摩擦阻抗強度值範圍可供實際應用參考外，也揭露有許多有趣而且重要的樁身摩擦現象。

作者

黃燦輝

摘要

人類從事岩盤工程活動歷史悠久；然較為完整之理論基礎在1960年左右方始成形。1963年International Journal of Rock Mechanics and Mining Science(國際岩石力學學會，ISRM發行)在英國創刊；1966年第一屆國際岩石力學會議(International Congress on Rock Mechanics)在葡萄牙里斯本舉行。相較於大地工程其他領域，岩石力學之發展歷史甚短，方四十餘年，為一新興之學科。由於它的新，一方面承襲了傳統力學、土壤力學與地質學之嚴謹基礎；另一方面結合了現代科技與數位資訊之活潑產物，因此常能呈現具挑戰性、多樣化之面貌。
台灣地理條件特殊，山多平地少，岩盤工程活動甚為頻繁，諸如交通工程、發電工程與水利工程等，常涉及大規模之邊坡與隧道工程。近年來，已累積相當多寶貴之工程經驗，淬煉了許多無法取代之技術精華，尤其是因應台灣特殊地質環境而衍生之災害處理技術，都是大地工程史上值得慶喜驕傲之資產。
近年來環保觀念深植人心，生態工法儼然已成為重大工程建設之主流意識。常與青山綠水、美麗國土為伴的大地工作者，是最能實現這些理念的主宰者。因此，如何致力創新研發、落實技術、跨越理論與應用間之鴻溝；如何思考雕塑一件件兼具自然生態與工程功能之偉大作品，乃為當今重要之課題。期共勉之。
本人於民國七十三年八月起，有幸從事大地工程相關之教學與研究工作，七十四年七月第一次在「地工技術」雜誌第十一期發表文章，距今已近二十年。其間伴著「地工技術」共同努力、一起成長，從「菜鳥」贊助人，到「老鳥」董事，心中滿是歡樂與感激。「地工技術」人有著「不藏私、願付出」、「不為己、為地工」之特質，它集合了台灣大地工程界的人才精華與知識結晶，長年來為這塊土地奉獻了心力與智慧。在它的引導下，加速人才累積與迭替，本著良好的產官學與老中青之結構分佈，使老有所司、幼有所長，相信在大地洪流中，它將是處處飄香、充滿氣息，大家心中「永遠的巨人」！

英文篇名

IN-SITU STRESS MEASUREMENT USING HYDRAULIC FRACTURING AND THE USE OF FAILURE CRITERIA

作者

楊明宗、歐陽湘、柳志錫、吳建宏

關鍵字

水力破裂法、現地應力、Hoek-Brown破壞準則

摘要

水力破裂法為一廣為人知的現地應力量測方法，不過在國內仍然少有現地施測的相關經驗與資料，本文藉由在國內進行的一項現地試驗來說明水力破裂法的施測流程與分析方法，而本次試驗結果於238m至430m區間內，其最大水平應力為8.41～14.43MPa，最小水平應力為4.54～9.38MPa，整體而言主應力在西北－東南方向。此外，本文嘗試引進Hoek-Brown破壞準則，探討現地應力的修正方法，以能解析水力破裂法於產生水平裂縫時之現地應力大小。

英文摘要

Hydraulic fracturing is a well-known method to measure the in-situ stress, but the local testing experiences and data are limited in Taiwan. In this paper, an accomplished domestic in-situ test is taken as an example to illustrate the testing process and the analysis method. The testing results show that the local maximum and minimum horizontal stress are 8.41~14.43 MPa and 4.54~9.38 MPa at depths from 238m to 430m, respectively. And the principle stress direction is NW-SE. In addition, the Hoek-Brown failure criteria is adopted to estimate the in-situ stresses when the fracturing cracks would occur horizontally during a test.

英文篇名

EXTENSION OF RMR AND Q-SYSTEM IN TAIWAN

作者

張吉佐、侯秉承、李民政、李怡德、張博翔

關鍵字

岩體分類、隧道工程

摘要

山岳隧道之力學機制相當複雜，隧道支撐設計常以經驗設計法為主，力學分析法為輔。而岩體分類法提供一個簡單快速之評估方法，可將眾多影響隧道穩定性因子納入考量，進而輔助隧道支撐設計，為隧道工程中不可或缺之工具。台灣地區自從1970年代開始大量採用新奧工法以來，多援用南非RMR系統與挪威Q系統進行岩體分類，在累積了幾十年的經驗後，有必要對前述岩體分類的適用性加以重新檢討，並建立適用於本地區的岩體分類系統。
本文先就現行岩體分類系統使用情形加以探討，包括岩盤隧道工程與固結不良地盤隧道工程之應用現況，進而依據地質材料特性，參考地質年代、對水的敏感性以及相關強度特性，將台灣全區之地層劃分為 A、B、C、D 四種岩類（rock type），並據此建立各岩盤類別之岩體分級標準（rock mass classification），作為台灣地區制定隧道支撐系統之依據。

英文摘要

The mechanism of mountainous tunnels is quite complicated. At present, empirical methods are basically used in tunnelling design and analytical or numerical methods are adopted as a supplementation. While using empirical methods, rock mass classification is a vital tool because it embraces many factors that affect the stability of a tunnel. It also provides a simple and useful design means of tunnel supports. Since 1970’s, New Austrian Tunnelling Method (NATM) has been widely used in Taiwan. Moreover, Q-system of Barton et al. and RMR-system of Bieniawski are commonly used to classify the rock mass. However, local geologic characteristics have never been taken into considerations in these systems. It is necessary to review the suitability of these systems and extend them on the basis of the domestic experience accumulated in last several decades.
This paper begins at discussing the applicability of existent rock mass classifications in Taiwan, including the applicability in rock tunnels and unconsolidated weak ground tunnels. Moreover, this paper develops a new classification system, which classifies rock formations in Taiwan into four types: A, B, C and D. The above system is on the basis of local geologic material properties, geologic age, sensitivity to water and relevant strength characteristics. It also formulates the criteria, which are regarded as the bases of designing tunnel-support systems, for rating various rock types in Taiwan.

英文篇名

THE DISPLAY AND APPLICATION OF THE 3-D DEFORMATION DATA OF TUNNELS

作者

彭嚴儒、陳堯中

關鍵字

隧道三維變形、趨勢線、地質變化

摘要

傳統的隧道監測工作僅能測得兩觀測點之相對變位，對於開挖所導致複雜的三向度變形行為，所能提供的預警訊息相當有限，特別在異質性高的地質條件下更為明顯。對此奧地利學者發展一套完整的隧道三維變形回饋分析機制，藉由測點之絕對變位量測，不但能反映開挖面附近之變形行為，亦能根據不同的行為特徵來預判開挖面前方可能的地質情況，因此本文將就國外發展之隧道三維變形量測資料展示方式及其應用原則做一介紹，期望能對提升國內隧道工程之施工安全及品質有所助益。

英文摘要

Traditional tunnel monitoring practice measures the relative displacements between two measuring points. For complex three-dimensional tunnel excavation behavior, it provides limited information about the safety of tunnels, especially under the conditions of highly heterogeneous geology. To meet the demands of tunnel safety, a new scheme of data presentation is developed by Austrian scholars. It could reflect the deformation behavior around the excavation face according to the characteristics of different deformation curves. This paper introduces the methods of presenting the 3-D deformation data and their applications. It is hoped that the safety and quality of tunneling could be improved by applying better monitoring technique in our country.

英文篇名

MECHANICAL BEHAVIOR OF A TWIN- TUNNEL IN MULTI-LAYER FORMATIONS

作者

褚炳麟、張義隆、林永祥、徐松圻

關鍵字

雙孔隧道、多層介質岩層、虛擬應力法

摘要

本文採用邊界元素法中之虛擬應力法(FSM)，並考慮不同介質界面上應力與位移之連續條件，再佐以Hoek & Brown 之岩石破壞準則，建立一套二維數值分析模式，以模擬界面為水平之多層介質雙孔隧道開挖之力學行為。本文並依據各層岩盤之彈性模數比、初始應力大小及側向壓力係數Ko等參數，分別探討多層介質岩盤中，未支撐圓形隧道圍岩之過應力區及應力與變位之影響行為。經由與隧道物理模型試驗結果比較發現，數值解與實驗值相差僅約2~4%，顯示FSM多層介質模式可適切模擬多層岩盤中隧道開挖之力學行為。此外，本文亦發現過應力區會往最小主應力之方向延伸，而變位則會往最大主應力之方向發展。顯示當最大主應力方向平行於隧道排列方向時，隧道之穩定性較佳。

英文摘要

本文採用邊界元素法中之虛擬應力法(FSM)，並考慮不同介質界面上應力與位移之連續條件，再佐以Hoek & Brown 之岩石破壞準則，建立一套二維數值分析模式，以模擬界面為水平之多層介質雙孔隧道開挖之力學行為。本文並依據各層岩盤之彈性模數比、初始應力大小及側向壓力係數Ko等參數，分別探討多層介質岩盤中，未支撐圓形隧道圍岩之過應力區及應力與變位之影響行為。經由與隧道物理模型試驗結果比較發現，數值解與實驗值相差僅約2~4%，顯示FSM多層介質模式可適切模擬多層岩盤中隧道開挖之力學行為。此外，本文亦發現過應力區會往最小主應力之方向延伸，而變位則會往最大主應力之方向發展。顯示當最大主應力方向平行於隧道排列方向時，隧道之穩定性較佳。

英文篇名

TUNNELING IN LOOSELY CEMENTED SAND LAYER / STIFF CLAY- LANTAN TUNNEL

作者

張吉佐、劉弘祥

關鍵字

砂泥層地盤、側導坑工法、鋼纖維噴凝土、桁型鋼支保、管冪鋼管

摘要

蘭潭隧道為典型砂泥層地盤之隧道工程，其位於嘉義市仁義潭與蘭潭間之雙孔各三車道隧道，各孔之長、寬、高分別約1.2km、17m及12.6m，開挖面積約172m2，兩孔中心間距約40m。全線地質狀況可歸類為軟弱泥岩、膠結疏鬆砂層及砂泥岩互層，覆蓋深度約35~80m，地下水位線高於隧道頂拱約10~20m。本隧道開挖範圍大，地質情況甚差且地表有姜母寮村民房。為防止開挖塌陷等問題，除了開挖前於地表以抽水井方式降低砂層地下水位之外，開挖時於開挖面鑽設排水孔進一步排水；開挖時除泥岩採用三台階開挖工法外，均採用雙(單)側導坑開挖工法，另於頂拱及側壁以管冪鋼管或先撐鋼棒作為先撐措施。支撐材料包括鋼纖維噴凝土、岩栓及桁型鋼支保等。隧道全線以鋼筋混凝土襯砌，路面採用混凝土剛性路面設計，均符合安全、舒適之行車要求。

英文摘要

The essential factor to successfully conduct tunneling in loosely cemented sand layer / stiff clay is to sustain the inherent strength of the surrounding rock after excavation. To achieve this goal, an effective support system must be installed timely so as to confine the convergence of the tunnel as much as possible. A successful case history of tunneling in weak ground is presented in this paper. The Lan Tan Motorway Tunnels, with twin tubes and each with three lanes, each tube is about 1.2km long, 17m wide and 12.6m high and excavation area of 172m2. To maintain face stability during tunnel excavation and minimum difficulties during tunneling, the ground water is predrained from a series of wells before excavation and meantime additional horizontal drainage pipes are installed from excavation face during tunneling. The weak ground conditions are excavated using one or two sides gallery method. To stabilize excavation face, further supporting system of using steel pipe roofing or steel bar forepiling is preinstalled over the crown and side walls of the tunnel. The primary supports are mainly used steel fiber reinforced shotcrete, rock bolts and lattice girders.

英文篇名

TBM TUNNELING IN NEW WUCHIEH AND LISHI CREEK DIVERSION TUNNEL PROJECT

作者

李明雄、李鴻洲、李慶龍、鄭建和、黃偉光、劉欽正

關鍵字

引水隧道，隧道鑽掘機（TBM），長距離地質鑽探，鑽掘效率，擠壓性岩盤，施工工率

摘要

台灣電力公司『新武界隧道及栗栖溪引水工程』之隧道總長約16.5公里，其中中游段之引水隧道長約7.8公里，因推估地質均質尚佳且無明顯之剪裂帶或斷層帶存在，並為考慮縮短工期、降低對環境之衝擊、減少勞工需求及提昇台灣隧道工程施工技術等因素，決定採用安全且連續一貫快速作業之隧道鑽掘機（TBM）開挖施工。施工期間，於西元2001年11月份創下659.3m/月之台灣最快鑽掘紀錄，其後雖曾遭遇局部岩盤破碎或異常擠壓等不良地質，以及遭受桃芝颱風之暴雨肆虐成災，然於採取適當應變措施及處理得宜下，TBM終於克服困難並持續順利鑽掘，且於2002年6月7日TBM段隧道順利貫通，完成鑽掘工作，為台灣隧道工程首次以TBM貫通案例，且達到最佳平均月進度（315m/月）及最大鑽掘長度（6,523公尺）之新里程碑。本文簡要說明施工前地質探查、TBM設備與支撐設計、TBM施工，以及鑽掘效率檢討、不良地質處理等，期能提供爾後隧道工程TBM開挖施工參考。

英文摘要

The total tunnels length of the New Wuchieh Diversion Tunnel & Lishi Creek Diversion Project, Taiwan Power Company, is about 16.5 km. Considering the homogeneous rock condition and without obvious disadvantageous geological structures, the middle section 7.8 km long tunnel is excavated by the TBM (Tunnel Boring Machine). TBM tunneling can not only shorten the construction period but also lower the impact of the environments, requiring less labor and improving the tunneling technique of Taiwan. During the working period, a serious earthquake, squeezing grounds and a heavy typhoon had been encountered. With proper measurements and treatments, the excavation of the TBM is very smooth. On June 7th 2002, the tunnel is the first successful break-through of TBM tunneling in Taiwan. The best monthly progress of 659.3m is achieved on November 2000, the best daily progress is achieved on January 3rd 2001. The average monthly progress of 315 m and the length of 6523m became a new milestone of Taiwan. This report briefly introduces the project from planning, design and construction point of view, can be referred for future TBM tunneling.

英文篇名

REVIEW SOLVE MEASURES ABOUT THE NEW YUNG-CHUNG TUNNEL HIGH PRESSURE WATER INGRESS PROBLEM

作者

傅子仁、薛文城

關鍵字

隧道、高壓湧水、水平長距離鑽探、熱瀝青灌漿

摘要

新永春隧道於87年10月發生國內外隧道工程罕見之持續巨量高壓湧水災害，檢討處理過程中，在專案處理工程團隊通力合作，掌握處理流程隨時修正後續之因應措施，始決定下階段因應方案，充分發揮決策彈性處理機制，並引進熱瀝青灌漿工法等技術克服困難，是為處理成功圓滿之主要因素。更以謙卑以對的態度，學習瞭解大地，在互信與共同努力下，終能圓滿達成任務。

英文摘要

In October 1998, during the excavation of New Yung-Chung Tunnel, massive and high-pressured water ingress occurred at the south portal workface. The project has been successfully completed and the measures as implemented for this long-lasting water ingress problem are reviewed and discussed herein. During the remedy work, the task force modified the procedures or methodologies based upon the newly obtained supplemental geologic data and the results of the previous treatment steps. The conducted hot bitumen grouting program, first time in Taiwan, has reduced the hydraulic conductivity of the surrounding formation which is the key point to make the tunnel excavation through the water bearing zone. The team members with humble attitude modified the design corresponding to the changes of the ground conditions and, under mutual trust and well cooperation, completed the most difficult mission at last.

英文篇名

THE STABILITY ANALYSIS OF ROCK SLOPES BY A FRACTURE MECHANICS APPROACH

作者

王建力、葉時青、陳志豪

關鍵字

岩石、邊坡穩定分析、斷裂力學

摘要

本文介紹以斷裂力學分析方法探討岩石邊坡受應力集中效應對岩石邊坡破壞行為方面可提供的解釋機制。本研究利用有限元素程式ANSYS進行岩石邊坡穩定分析，以分析在動力作用下含裂紋岩石邊坡之反應行為。為評估斷裂力學分析方法，本文選取草嶺附近之一邊坡案例分析並比較邊坡穩定分析程式STABL5與ANSYS分析之結果。

英文摘要

A fracture mechanics approach has been proposed in this study to predict rock slope stability mainly caused by stress concentration. A finite element program, ANSYS, has been adopted in this study. The transient analysis module of ANSYS makes it possible to predict the deformation of a rock slope under the dynamic excitations. Sensitivity studies have been carried out. A major rock slope near the Tsao-Ling area as a case study was accordingly investigated. The result using a limit equilibrium program, STABL5, has been compared with the fracture mechanics approach.

英文篇名

AN INTRODUCTION TO SLOPE FAILURE MODE AND PREVENTION IN SLATE AREA OF CENTRAL CROSS-ISLAND EXPRESSWAY

作者

李彪、劉志學

關鍵字

中橫快速道路、板岩、邊坡穩定

摘要

中橫快速道路埔里花蓮段之前段位於板岩區內，有較多之邊坡穩定問題必須加以評估，而邊坡穩定性評估因素，主要包括岩性、岩質、侵蝕作用、斷裂構造及地形等。分析評估建議需包含材料破壞及構造破壞兩種模式。由於地質條件的多變性、不確定性，設計者往往不易掌握適當之地質參數與條件，因此應於規劃階段設計一套完整之作業計畫，有系統的獲取各項評估參數，以及建立適當之邊坡地質模式，以供邊坡穩定分析評估以及設計之用。邊坡破壞的防制在各環節上是緊緊相扣的，而最佳化的第一步仍在於釐清地質條件及可能之破壞模式，如此才能提供適當的參數與地質模型予設計者，進而完成適當的防制措施。

英文摘要

In the Central Cross-Island Expressway between Pule-Hua-lian section, the front part is located on the slate area. So there are many slope stability issues, that need to be evaluated before construction. For stability evaluation, Key factors are lithology, rock mass specialty, erosion, crack structure, topography, and etc. We suggest the stability analysis should include the mechanism of material and structural failure. Due to variable and uncertain geological conditions, the designers are often troubled with selecting appropriate geological parameters. For this reason, we should integrate whole operation plan in planning phase. Then we can obtain each design parameter systematically, and build a suitable model of the border-sloping field. The results can be used to evaluate and design the stability of the border-sloping field. To prevent the slope failure, every steps are tightly linked to influence each other. The first step of optimization is to understand the geologinal condition and the probable failure mechanism. So we can provide suitable parameters and geological model to the designer, and help them accomplish appropriate precautionary measures.

英文篇名

DRILLED SHAFTS BEARING CAPACITY IN SOFT ROCK

作者

古志生、李德河

關鍵字

軟岩、鑽掘樁、樁載重試驗

摘要

我國西部麓山帶有許多上新世與更新世所沉積而成之地層，其岩性以膠結不良砂岩、粉砂岩及泥岩(頁岩)為主。這些岩層之成岩時間較短，岩質膠結不良而岩性軟弱，具有遇水軟化或崩解之特性。重大工程常使用之大口徑樁基礎在此種介於岩石與土壤之特殊地質材料的承載力是相當有趣的研究課題。本文藉由軟岩地層鑽掘樁的樁載重試驗，採用不同的詮釋法評估其軸向極限承載力，並進行軟岩基樁承載行為之探討。分析結果發現樁身阻抗樁所佔之荷重比例隨樁頭變位之變動而遞減，至最大試驗荷重21.22MN時之樁身阻抗約為40%；而且在軟岩層之單位平均樁身阻抗與對應之樁頭變位有關，約介於120kPa至196kPa之間。

英文摘要

In the western foothills of Taiwan, most soft rock strata are sedimentary rocks formed in Pliocene and Pleistocene. As the soft rock was a young formation, the cementation of the rock is quite weak and susceptible to weathering, slaking and erosion. In recent years, many public construction projects took place in the soft rock-rich western Taiwan. The side resistance and end bearing of shaft in soft rock is one of the interesting research subjects. Pile tests results were collected to investigate the drilled shaft bearing capacity in soft rock. The results show that the ratio of friction and test load is the function of pile head settlement, and is about 40% at the maximum test load. Meanwhile, the unit side resistance of pile in soft rock is the function of pile head settlement. The unit side resistance ranges from 120kPa to 196kPa.