全斷面隧道開挖及推進之有限元素模擬與分析｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	林家弘 Chia-Hung Lin
論文名稱：	全斷面隧道開挖及推進之有限元素模擬與分析
指導教授：	張瑞宏 Chang, J.H.
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 土木工程學系 Department of Civil Engineering
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	103
中文關鍵詞：	地表沉陷、非均質土層、潛盾機推進、回填灌漿、隧道交叉、平面應變、大地應力
外文關鍵詞：	non-homogeneous soil layers, intersectional tunnel, ground settlement, backfill grouting material, plane strain, earth stress balanced, shield tunneling advance
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本文研究針對全斷面隧道開挖之數值分析與現地量測之地表沉陷結果進行比較，分析時採用ABAQUS有限元素程式作為數值分析工具。研究內容主要可分成二大部份，第一部份針對曼谷MRTA地下鐵計畫中之三維非均質土層單隧道進行分析，分別考慮大地應力平衡、潛盾機推進及襯砌和回填灌漿之作用，對二維及三維問題進行分析，討論各時期地表沉陷及離開挖面遠距離處是否達到平面應變狀態；第二部分為分析北宜高速公路彭山隧道之三維隧道交叉段開挖問題，討論人行聯絡橫坑開挖時造成隧道頂拱沉陷及三維力學行為。
在這二部份中，皆考慮土壤不排水狀況，使用Mohr-Coulomb彈塑性準則，對不同案例分別討論地表沉陷槽曲線、大地應力及位移場之影響趨勢，並將結果與現地觀測數值進行比較驗證。

The objective of this study is comparing the full excavation of ground settlement results from numerical analysis with in-site observation. The program of this numerical analysis is adopting ABAQUS.
The study can be divided into two parts mainly. The first part is in accordance with MRTA project in Bangkok for non-homogeneous soil layers tunnel in analysis, which considering the earth stress balanced, EPB shield tunneling advance, lining and backfill grouting material. In this project, we can use two-dimensional and three-dimensional analysis to observe the results of ground settlement. Furthermore, it may suggest the tunnel facing away from monitoring station may have reached plane strain condition.
Secondly, it is the aim of this project to contemplate on the three-dimensional excavation of intersectional tunnel in Pongshan Tunnel of Taipei-Ilan Expressway. With regard to this, it can make a research on the three-dimensional mechanical behavior for bypass excavation.
In these two parts, Mohr-Coulomb material plasticity criterion is used for undrained behavior of soil. The different cases separately discuss the influence of the earth''s surface trough, earth stress and displacement field. As for the numerical analysis result, they will be compared with the results from in-site observation.

目  錄
中文摘要..........................................I
英文摘要..........................................II
目錄..............................................III
表目錄............................................V
圖目錄............................................VI
第一章  緒    論	1
1.1前言	1
1.2研究動機與目的	2
1.3研究方法	3
1.4論文內容	4
第二章  文獻回顧	5
2.1 現場量測與經驗法	6
2.2 數值分析法	7
第三章 分析方法與模型建立	12
3.1 有限元素法	         12
3.2 MSC/Patran之簡介	13
3.3 ABAQUS/CAE之簡介	14
3.4 單隧道之模型模擬	15
3.4.1二維單隧道模型之數值模擬	15
3.4.2三維單隧道模型之數值模擬	16
3.4.3三維單隧道模型邊界條件及大地應力之模擬	16
3.4.4三維單隧道模型載重施加及模擬推進方式	17
3.4.5三維單隧道模型回填灌漿勁度比(R值)之分析研究	18
3.4.6三維單隧道模型之襯砌彎矩與軸力	18
3.5三維隧道交叉段之模型模擬         	20
3.5.1隧道交叉段模型之數值模擬	20
3.5.2隧道交叉段模型邊界條件及大地應力之模擬	21
3.5.3隧道交叉段模型載重施加及模擬推進方式	22
第四章 模擬結果與討論	47
4.1 數值分析驗證   	47
4.2 非均質土層潛盾開挖模擬結果與討論 	48
4.2.1 二維非均質單隧道開挖之平面應變分析結果討論	48
4.2.2 三維非均質單隧道潛盾開挖分析結果討論	50
4.3 三維隧道交叉段聯絡橫坑開挖模擬結果與討論	56
第五章 結論與建議	  86
5.1結論	86
5.1.1 非均質土層潛盾隧道開挖部分：	86
5.1.2 三維隧道交叉段聯絡橫坑開挖部分：	87
5.2建議	89
5.2.1 非均值土層潛盾隧道開挖部分：	89
5.2.2 三維隧道交叉段聯絡橫坑開挖部分：	89
參考文獻	91
附   錄	95
1模擬潛盾機推進之數值分析方法	95
1.1 模擬步驟詳細說明:	95
2. ABAQUS軟體輸入檔說明	97
表目錄
表3-1 非均質單隧道土壤之材料性質........................22
表3-2　非均質土層之襯砌材料性質.........................23
表3-3　非均質土層之潛盾機材料性質.......................24
表3-4　非均質土層之回填灌漿材料性質.....................24
表3-5　岩體之力學參數表.................................25
表3-6　主隧道之襯砌材料性質.............................26
表3-7　次隧道之襯砌材料性質.............................26
表3-8　回填灌漿材料參數表...............................27
圖目錄
圖3-1 分析流程..........................................28
圖3-2 二維非均質土層單隧道開挖之有限元素網格............29
圖3-3 三維單隧道模型示意圖..............................30
圖3-4 三維單隧道取半示意圖..............................30
圖3-5 三維單隧道潛盾開挖幾何示意圖
(a) 三維單隧道細部斷面示意圖..................................31
(b) 三維單隧道平面幾何尺寸示意圖..............................31
(c) 三維單隧道三維幾何模型尺寸示意圖..........................32
圖3-6三維模型側視圖之邊界條件..........................32
圖3-7 非均質土層隧道推進模擬過程示意圖
(a) 預估推進輪進1m............................................33
(b) 移除潛盾機前端1m土壤元素以及潛盾機末端1m元素............33
(c) 分別將移除的元素置換成潛盾機以及襯砌元素..................34
(d) 當元素轉換完成後即完成潛盾機的推進........................34
圖3-8 選取之襯砌元素側視圖..............................36
圖3-9 第一層襯砌元素示意圖..............................36
圖3-10 襯砌元素節點及積分點示意圖
(a)	元素節點示意圖............................................37
(b)	元素積分點示意圖..........................................37
圖3-11 直角座標轉換極座標角度示意圖.....................38
圖3-12 三維隧道交叉段幾何邊界模型圖.....................39
圖3-13 三維隧道交叉段幾何邊界模型圖.....................39
圖3-14三維隧道交叉段幾何邊界示意圖
(a) 三維隧道交叉段主隧道尺寸圖................................40
(b) 三維隧道交叉段次隧道尺寸圖................................40
(c) 三維隧道交叉段示意圖......................................41
(d) 三維隧道交叉段模型平面側視圖..............................41
(e) 三維隧道交叉段模型平面正視圖..............................42
(f) 三維隧道交叉段幾何模型俯視圖..............................43
圖3-15 三維隧道交叉段模型側視圖之邊界條件...............44
圖3-16三維隧道交叉段開挖推進模擬過程示意圖
(a)三維隧道交叉段模型側視圖...................................45
(b)預估開挖一輪進2m...........................................45
(c)除聯絡橫坑2m岩石元素......................................46
(d)安裝2m襯砌元素............................................46
圖4-1 二維非均質土層單隧道開挖之有限元素網格............54
圖4-2 二維非均質土層單隧道開挖之地表沉陷槽..............54
圖4-3 二維非均質土層單隧道開挖之襯砌及回填灌漿應力分佈圖.55
圖4-4 二維非均質土層單隧道開挖之位移沉陷分佈圖..........55
圖4-5 三維非均質土層單隧道潛盾開挖之前視圖(未開挖)......56
圖4-6 三維非均質土層單隧道潛盾開挖之前視圖(已開挖)......56
圖4-7 三維非均質土層單隧道潛盾開挖之側視圖..............57
圖4-8 三維非均質土層單隧道潛盾開挖之全視圖..............57
圖4-9 回填灌漿勁度比對各土層深度沉陷影響圖..............58
圖4-10 回填灌漿勁度比對最大地表沉陷影響圖【23】.........58
圖4-11 三維潛盾開挖各時期推進過程示意圖
(a) 潛盾機接近且距觀測點8m (Y=-8m) ...........................59
(b) 潛盾機接近且距觀測點6m (Y=-6m) ...........................59
(c) 潛盾機接近且距觀測點2m (Y=-2m) ...........................59
(d) 潛盾機位於觀測點下方 (Y=0m) ...............................59
(e) 潛盾機離開且距觀測點7m (Y=7m) ............................59
(f) 潛盾機離開且距觀測點7m (Y=27m) ............................59
圖4-12 各時期潛盾開挖觀測點之地表沉陷槽 ................60
圖4-13 潛盾機各開挖時期預測之地表沉陷槽
(a) 潛盾開挖觀測點之地表沉陷槽 (Y=-8m)【23】...................61
(b) 潛盾開挖觀測點之地表沉陷槽 (Y=-6m)【23】...................61
(c) 潛盾開挖觀測點之地表沉陷槽 (Y=-2m)【23】...................62
(d) 潛盾開挖觀測點之地表沉陷槽 (Y= 0m)【23】...................62
(e) 潛盾開挖觀測點之地表沉陷槽 (Y= 7m)【23】...................63
(f) 潛盾開挖觀測點之地表沉陷槽 (Y=27m)【23】...................63
圖4-14 潛盾機各開挖時期現地觀測之地表沉陷槽
(a)現地觀測點之地表沉陷槽 (Y= -7.2m)【23】.....................64
(b)現地觀測點之地表沉陷槽 (Y= 0m)【23】........................64
(c)現地觀測點之地表沉陷槽 (Y= 6m)【23】........................65
(d)現地觀測點之地表沉陷槽 (Y= 28.8m)【23】.....................65
圖4-15 隧道縱向開挖中心線之地表沉陷圖....................66
圖4-16 二維及三維模擬潛盾開挖之地表沉陷槽................66
圖4-17 潛盾機各推進過程之應力場分佈圖
(a) 移除潛盾機末端1m潛盾機元素................................67
(b) 安裝襯砌及回填灌漿元素....................................68
(c) 移除前端1m土壤元素........................................69
(d) 安裝1m潛盾機元素..........................................70
圖4-18 三維潛盾開挖推進完成後之位移沉陷分佈圖............71
圖4-19 襯砌正彎矩及軸力示意圖............................77
圖4-20 襯砌彎矩分佈圖....................................77
圖4-21 襯砌軸力分佈圖....................................78
圖4-22 三維隧道交叉段模型平面正視圖......................79
圖4-23 三維隧道交叉段模型平面側視圖......................80
圖4-24 三維隧道交叉段幾何模型全視圖......................81
圖4-25 三維隧道交叉段5號聯絡橫坑頂拱位移變化圖........ ..82
圖4-26 主隧道頂拱位移變化與現地監測之比較圖..............83
圖4-27 三維隧道交叉段應力場分佈圖
(a) 三維隧道交叉段應力場分佈俯視圖.............................84
(b) 三維隧道交叉段應力場分佈正視圖.............................84
圖4-28三維隧道交叉段位移場分佈圖........................85
圖4-29三維隧道交叉段塑性區分佈圖........................85

                                

參考文獻
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