現在位置首頁 > 博碩士論文 > 詳目
  • 同意授權
論文中文名稱:地下機械開挖之廣義式掘進模型與正規化可挖指數:直線推進為例 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Generalized Cutting Model and Normalized Indices of Cuttability to Underground Mechanical Excavation – Case Studies of Straight Drives [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
畢業學年度:101
出版年度:102
中文姓名:鄭玉鴻
英文姓名:Yuh-Hung Cheng
研究生學號:99428038
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2012-07-18
論文頁數:234
指導教授中文名:陳立憲
指導教授英文名:Li-Hsien Chen
中文關鍵詞:全斷面隧道開挖工法(Tunnel boring machine, TBM)潛盾工法(Shield tunnel)管推工法(Pipe jacking)廣義式(Generalized)貫切(Indentation)量綱分析(Dimensional Analysis)正規化(Normalized)可挖性指標(Index of Cuttability)
英文關鍵詞:Tunnel Boring Machine(TMB)Shield TunnelPipe JackingGeneralizedIndentationDimensional AnalysisNormalizedIndex of Cuttability
論文中文摘要:邇來國內隧道工程真築案例日增,施工方式常採用較安全且自動化之機械式掘削開挖,如山岳隧道、都會捷運、污水下水道等,在台灣地形特徵複雜多變下,施工時或多或少遭遇掘削不力之工程困境,且眾多研究地下開挖安全、穩定評估文獻報告中,機械式之掘削機制之學理研探較少,大多依日本或歐洲等規範及經驗,不必然適合台灣現地概況。
本研究以廣義式地質材料對機械式掘削機具之互制行為作統整分析,先就不同尺度之地下掘進工程(全斷面隧道開挖、潛盾、管推等工法)、工種(土壓式、泥水式、泥濃式)及地質(土、岩、卵礫石)之推力設計演算,以異況警戒之風險管理概念,在正常施工狀況下對整體掘削面盤中各個不同之每一刀頭貫切力進行加總並詳評群刀效應及刀頭磨耗影響,探討直線推力之合力,並設計推力之上、下限,進行廣義式隧道掘進推力系統分析;再者,針對推進力、扭矩及掘削速率之工進關係,利用量綱分析將掘進力系評估影響因子予以正規化,作為正規化工進圖之初步建置,並求取工進橢圓特徵值,作為掘削機制之可挖性指標研探。
綜觀本研究設計推力影響因子及施工異況檢討驗證。首先,設計問題探討單一刀頭貫切力加總與群刀效應之考量,掘進坡度及地下水造成浮力之影響,並以四種不同工程情況(前方阻抗受主動抑或被動側壓推擠、周側阻抗之機身或管身是否被地質包覆密貼與壓密)作為推力上、下限之評估以作為施工風險指標探討;再者,施工問題以國內潛盾隧道及管推工法案例調查,由正規化之掘削速率與推進力系工進圖,求得「工進橢圓特徵值」:〈圓心(O)、面積(A)、長、短軸(ax、by或ay、bx)〉,蓋可依此特徵分別作為研析〈地質群集、工況良窳、可挖變異〉以至於整體適確之探討。
由外業調查分析發現,針對地質材料為卵礫石層為例,在本研究直線推力計算總阻抗上、下限值,分別為3257.65kN及48.7kN,刀頭貫切力比率最大可佔總阻抗之17%;而「工進橢圓特徵值(O, A, a、b)」分別為[O(7.95, 106.53), A = 41.56, ay = 18.57、bx = 6.18]。最後,綜合外業調查將廣義式地質材料特徵之接觸域場貫切力加入推力計算,並提出可挖指標之標準作業程序之建議,應可作為現場推進工況良窳之判別。
論文英文摘要:To speed up construction of mass transit subway and the popularity rate of sewage, Taiwan's underground excavation works, especially for mechanical cutting cases, show an ascendant tendency.
To develop a generalized solution for underground geological-mechanical interaction, this study presents an analytical estimation to deal with different mechanical cutting methods (tunnel boring machine, shield tunnel and pipe jacking), construction types (earth pressure balance, slurry pressure balance, thick-mud), and geological conditions (soil, gravel and rock) by normalizing their total thrust system using dimensional analysis. The case of straight-line thrust is then calculated for either wedge- or conical-typed cutters of tunneling machine. In this unified work, the upper bound and lower bound of trust are highlighted for the warning situations for risk assessment. Meanwhile, in-situ experimental results from shield tunneling and pipe jacking construction were used to examine this model and it shows a nice agreement between both. From this analytical approach, a proposed “oval-shaped cutting ellipsoid”, including its center (O), area (A), and long/short axis (ax/by, or ay/bx), can be used not only to estimate the functionality and efficiency of cutting machine adopted for tunnel project, but also to offer a warning information for inadequate cutting strategy.
The results shows that the total thrust for upper and lower bounds are: 2299.28kN and 267.95kN compared with normal condition in gravel cases respectively, which the resultant contact force from cutters may take up to 84% of total thrust, and 「oval-shaped cutting ellipsoid (O, A, a, b)」were: O (7.95, 106.53), A = 41.56, ay = 18.57、bx = 6.18]. At last, indices of cuttability such as normalized thrust and torque can be used for valuable cutting references during underground mechanical excavation.
論文目次:中文摘要 i
英文摘要 iii
誌 謝 v
目 錄 vi
表目錄 ix
圖目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究範圍與方法 3
1.3 研究內容與架構 4
第二章 文獻回顧 6
2.1 多尺度機械式隧道掘進工程簡述與比較 7
2.2 現今台灣隧道掘進使用推進力評估公式 10
2.3 廣義式機械掘削機制 16
2.3.1 以材料破壞特徵分類 17
2.3.2 掘削機制I:單一刀頭各種不同接觸破壞之影響因子 19
2.3.3 掘削機制II:群刀配置之最適間距 25
2.3.4 掘削機制III:切削面盤整體配置因子之考量 26
2.4 廣義式貫切理論 27
2.4.1 貫切破壞之沿革 27
2.4.2 貫切破壞之理論解 28
2.4.3 刀頭磨耗效應之影響 29
2.5 廣義式掘進之推力理論 31
2.5.1 掘進機前方阻抗 33
2.5.2 掘進機周身阻抗 37
2.5.3 管材周身阻抗 41
2.5.4 掘進力阻抗上/下限評估 42
2.6 量鋼分析與相似性 47
2.6.1 物理量的單位與量綱之關係 47
2.6.2 無量綱參數之轉換 49
2.6.3 量綱分析之應用實例 51
2.7 機械式隧道掘進之分析指標 53
第三章 機械式隧道掘進之可挖性指標研探 57
3.1 機械式隧道掘進物理場概述 57
3.2 機械式隧道掘進因子之量綱分析 58
3.3 機械式隧道掘進可挖性指標建立 61
3.3.1 地質材料之無因次因子 61
3.3.2 掘進力系之無因次因子 62
第四章 機械式推力系統分析及其可挖性指標之實務驗證 64
4.1 研究案例Ⅰ:新北市永和區污水下水道系統第一期支(分)管工程 67
4.1.1 地下掘進工況調查 67
4.1.2 掘進阻抗評估 74
4.1.3 推力探討 82
4.1.4 可挖性指標探討 89
4.2 研究案例Ⅱ:新北市淡水區污水下水道系統工程次幹管第四標 99
4.2.1 地下掘進工況調查 99
4.2.2 掘進阻抗評估 105
4.2.3 推力探討 112
4.2.4 可挖性指標探討 119
4.3 研究案例Ⅲ:臺北都會區大眾捷運系統松山線CG590A區段標工程 129
4.3.1 地下掘進工況調查 131
4.3.2 掘進阻抗評估 134
4.4 多尺度機械式隧道掘進之比對分析 157
4.5 地質材料無因次因子之可挖指標案例探討 165
第五章 結論與建議 167
5.1 結論 167
5.2 建議 169
參考文獻 171
附錄A 地下掘進工法開挖效率現地調查表 175
附錄B Excel之廣義式隧道掘進推力系統分析及其可挖指標總評 186
附錄C 兩物體間之動靜摩擦參考值 224
附錄D 委員意見回覆表 227
符號對照表 230
關鍵詞中英文及縮寫對照表 233
論文參考文獻:[1]日本下水道管渠推進技術協會,推進工法講座-基礎知識編,日本:株式社 ぜケべ,1999。
[2]日本下水道管渠推進技術協會,推進工法講座-工法及法令編,日本:株式社 ぜケべ,1999。
[3]日本下水道管渠推進技術協會,推進工法講座-計算例編,日本:株式社 ぜケべ,2001。
[4]王紹宇,分元素法於接觸破壞之刀磨耗與雙刀效應之模擬暨耦合有限差分法之值初探,碩士蟹,國台科技大學土木工程系,台,2008。
[5]李文權、張玉珍、謝武祥,「富水砂卵礫石地層潛盾推進工程關鍵問題探討」,免開挖工程實務研討會,台北,2009。
[6]巫奇,同步化聲、光非破壞檢測探求類岩材料於雙刀貫切及臨界間距之研析,碩士論文,國立臺北科技大學土木工程系,台北,2009。
[7]吳慶輝,下水道潛盾施工遭遇礫石層案例探討與防災對策研究,碩士論文,國立交通大學工學院專班營建技術與管理組,新竹,2006。
[8]林國龍,廣義式地下掘進之推進力係分析,碩士論文,國立台北科技大學土木工程系,台,2010。
[9]郁修,分元素法於岩石貫破壞試驗之模擬分析,碩士蟹,國台科技大學土木工程系,台,2007。
[10]周允文、許文仁,「大口徑急曲線潛盾隧道施工案例探討」,第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會,台北,2009。
[11]倪至寬、蔡諭璋,「各種型式掘進機於卵礫石層掘進之探討」,臺灣公路工程,第34卷,第5期,2008,第17-33頁。
[12]倪至寬、蔡諭璋,「小管掘進機在各種地盤修正推進方向之效率」,臺灣公路工程,第37卷,第2期,2011,第37-48頁。
[13]胡光宇,複合式非破壞檢測佐探類岩材料於單刀與雙刀貫切之破壞機制,碩士論文,國立台北科技大學土木工程系,台北,2007。
[14]張吉佐等,隧道工程施工技術解說圖冊,臺北市:交通部臺灣區國道新建工程局,2006,第105-109頁。
[15]張廷宇,以物理模型試驗探討卵礫石層粒徑大小對地下管推工程行為之影響,碩士論文,國立中興大學土木工程研究所,台中,2012。
[16]陳拓丞,應用因次分析法於奈米壓痕試驗之理論分析與數值模擬:殘留應力、基材效應與黏彈性質之研究,碩士論文,國立成功大學,臺南,2005。
[17]陳憲、楊巽、林國龍、林郁修、蘇億峰,「廣義式地下掘削機制及應用於卵礫石層管推工法之案例分析」,中國土木水利工程學會會刊,第36卷,第6期,2009,45-56頁。
[18]陳立憲,「台灣下水道推進工程及卵礫石層施工探討」,地下管線免開挖施工技術研討會,台中,2010。
[19]買冠誠,以非破壞光學干涉術研探岩材於斜剪過程之破壞演化,碩士論文,國立台北科技大學土木工程系,台北,2011。
[20]黃和順、何正義、曾慶祺、廖基堯,流體力學Introduction to Fluid Mechanics 全國科技圖書股份有限公司,12-14頁,320-332頁,2005。
[21]奧村機械,「潛盾機設計概要和潛盾施工法技術資料簡報」,2009。
[22]劉瑋,以非破壞耦合試驗研探類岩材料受楔型貫切破壞之側向自由邊界效應,碩士論文,國立台灣科技大學營建工程系,台北,2007。
[23]劉喜祥,下水道工程推進工法遭遇礫石層施工問題探討-以中科污水放管第一標為,碩士論文,逢甲大學土木工程研究所,台中,2008。
[24]楊巽,隧道掘進之土(岩)-機互制與可挖指標研探,碩士論文,國立台北科技大學土木工程系,台北,2010。
[25]壽克堅,「曲線推進工程之數值分析研究」,第五屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會,台北,2006。
[26]壽克堅,「台中市污水下水道免開挖工法評估研究」,第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會,台北,2009。
[27]廖銘洋、卓彥百,「由卵礫石層施工工率談潛盾機之因應」,免開挖工程實務研討會,台北,2011。
[28]廖銘洋,「複合型泥水加壓式潛盾機在海底隧道之應用」,岩石力學與工程學報第30卷第1期,台北,2004。
[29]談慶明,「量綱分析」,中國科學技術大學出版社,2005。
[30]蔡諭璋,不同掘進機在卵礫石層線形控制之研究,碩士論文,國立臺北科技大學土木工程系,臺北,2009。
[31]蔣緯鳴,下水道短管推進力分析,碩士蟹,國立中央大學土木工程研究所,桃園,2006。
[32]藍啟榮、顏君行,「長距離推進在台中卵礫石層中之案例研究」,地工技術第115期,第83-90頁,2008。
[33]顏君行,管推進工程管線與土壤互制行為之分析研究,碩士論文,國立中興大學土木工程系,台中,2006。
[34]蘇億峰,磨耗效應與側向邊界對岩石貫破壞之值模擬,碩士蟹,國台科技大學土木工程系,台,2008。
[35]Barenblatt, G., I., Scaling, Self-similarity, and Intermediate Asymptotics, Cambridge University Press, Cambridge, 1996.
[36]Bridgman, P. W., Dimensional Analysis, Yale University Press, Conn., 1922.
[37]Buckingham, E., On Physically Similar Systems: Illustrations of the Use of Dimensional Equations, Phys. Rev., Vol.4, 1914, pp. 345-376.
[38]Chen, L. H., Failure of Rock under Normal Wedge Indentation, Ph.D. Thesis, University of Minnesota, Minnesota, U.S.A., 2001.
[39]Chen, L. H., Failure of Rock under Normal Wedge Indentation, Ph. D. Thesis, University of Minnesota, U.S.A., 2002.
[40]Chen, L. H. and Labuz, J. F., "Indentation of Rock by Wedge-shaped Tools, " International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol.43, 2006, pp.1023-1033.
[41]Detournay, E., Huang, H. and Alehossein, H., "An Analytical Model for the Indentation of Rocks by Blunt Tools," Rock Mech. and Rock Eng., vol. 33, no. 4, 2000, pp. 267-284.
[42]Huang, H., Damjanac, B. and Detoumay, E., "Normal Wedge Indentation in Rocks with Lateral Confinement," Rock Mechanics and Rock Engineering, vol.31, no.2, 1998, pp.81-94.
[43]Huang, H. and Detoumay, E., "Intrinsic Length Scales in Tool-Rock Interaction" International Journal of Geomechanics, 8, pp. 39-44 (2008).
[44]Ipsen, D. C., Units, Dimensions,and Dimensionless Numbers., New York:McGraw-Hill, 1960.
[45]Langhaar, H. L., Dimensional Analysis and Theory of Models, New York:Wiley, 1951.
[46]Sedor, L. I. , similarity and Dimensional methods in Mechanics 10th Edition , Horida : CRC press , 1993 , pp. 25-38
[47]Thomas Szirtes , APPLIED Dimensional Anysis and modeling New York : McGraw-Hill , 199w
論文全文使用權限:同意授權於2018-02-07起公開