隧道前方地质弱带自动化震测系统发展.pdf

1 隧道前方地質弱帶自動化震測系統發展隧道前方地質弱帶自動化震測系統發展 期末研究報告 草稿 期末研究報告 草稿 執行單 位 國立台灣大學土木工程研究所 聯合大地工程顧問股份有限公司 主持人 鄭富書 協同主持人 黃燦輝、蔡道賜、林銘郎、王文禮 研 究 助 理 施心玫、林德松、陳從彬、陳俊超 中華民國八十五年十一月一日 2 隧道前方地質弱帶自動化震測系統發展 期末研究報告 目錄 目錄 ...................................................................................II 表目錄 ..................................................................................... V 圖目錄 ..................................................................................... VII 第一章 前言 .......................................................................... 1 1.1 研究背景 ..................................................................... 1 1.2 研究目的 ..................................................................... 3 1.3 研究方法 ..................................................................... 3 1.4 研究執行 ..................................................................... 4 1.5 本報告內容.................................................................. 4 第二章 震測基本原理 ............................................................ 5 2.1 隧道內震測施測原則 ................................................... 5 2.1.1 施測原理 .............................................................. 5 2.1.2 應用之基本假設與限制......................................... 5 2.2 理論基礎 ..................................................................... 7 2.3 資料處理方法 .............................................................. 7 2.3.1 資料庫整理 .......................................................... 8 2.3.2 波場處理 .............................................................. 8 2.3.3 確定反射面 .......................................................... 8 第三章 隧道內震測施作導則 ................................................14 3.1 隧道內震測儀器設備 ..................................................14 3.2 現場工作內容 .............................................................15 3.2.1 探測前之準備工作 ...............................................15 3.2.2 正式施測 .............................................................17 第四章 各施作隧道之基本地質資料......................................20 3 4.1 A 隧道 .........................................................................20 4.2 B 隧道 .........................................................................21 4.3 C 隧道 .........................................................................23 4.4 D 隧道 .........................................................................27 4.5 E隧道 ..........................................................................27 4.6 F 隧道 .........................................................................32 第五章 國內施作案例之結果及資料彙整...............................47 5.1 探測資料結果 .............................................................47 5.1.1 震測線 A-1 ..........................................................47 5.1.2 震測線 A-2 ..........................................................48 5.1.3 震測線 B-1 ..........................................................49 5.1.4 震測線 B-2 ..........................................................51 5.1.5 震測線 B-3 ..........................................................53 5.1.6 震測線 B-4 ..........................................................55 5.1.7 震測線 C-1 ..........................................................57 5.1.8 震測線 C-2 ..........................................................58 5.1.9 震測線 D-1 ..........................................................59 5.1.10 震測線 E-1.........................................................61 5.1.11 震測線 E-2.........................................................62 5.1.12 震測線 F-1.........................................................64 5.1.13 震測線 F-2.........................................................65 5.1.14 震測線 F-3.........................................................67 5.2 施作經驗 ....................................................................69 第六章 施測結果之驗證 .....................................................126 6.1 A 隧道 .......................................................................126 6.2 B 隧道 .......................................................................127 6.3 C 隧道 .......................................................................127 6.4 D 隧道 .......................................................................128 6.5 F 隧道 .......................................................................129 第七章 電腦程式架構 .........................................................140 7.1 震測資料分析流程 .....................................................140 4 7.1.1 資料庫整理 ........................................................140 7.1.2 波場處理 ............................................................140 7.1.3 評估反射面位置 .................................................141 7.2 新開發軟體技術改進功能 .........................................141 7.2.1 受波器之三維佈置 ..............................................142 7.2.2 質點振動之考量 .................................................142 7.3 新開發軟體程式架構..................................................143 7.3.1 程式架構圖 ........................................................143 第八章 結論與討論 ............................................................148 5 表 目 錄 表 3.1 隧道內震測 TSP-202 系統國外施作實績表 ..................18 表 3.2 炸孔與受波器孔設置之標準參數 ................................16 表 5.1 測線 A-1 之炸孔與受波器的設置參數及位置里程 .......47 表 5.2 測線 A-1 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ...........48 表 5.3 測線 A-2 炸孔與受波器的設置參數及位置里程 ...........48 表 5.4 測線 A-2P 波、S 波波速與動態彈性模數值.................49 表 5.5 測線 B-1 炸孔與受波器的設置參數及位置里程 ...........50 表 5.6 測線 B-1 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ...........51 表 5.7 測線 B-2 炸孔與受波器的設置參數及位置里程 ...........52 表 5.8 測線 B-2 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ...........52 表 5.9 測線 B-3 炸孔與受波器的設置參數及位置里程 ...........53 表 5.10 測線 B-3 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ..........54 表 5.11 測線 B-4 之炸孔與受波器的設置參數及位置里程......55 表 5.12 測線 B-4 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ..........56 表 5.13 測線 C-1 炸孔與受波器的設置參數及位置里程 .........57 表 5.14 測線 C-1 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ..........57 表 5.15 測線 C-2 炸孔與受波器的設置參數及位置里程 .........58 表 5.16 測線 C-2 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ..........59 表 5.17 測線 D-1 之炸孔與受波器的設置參數及位置里程 .....60 表 5.18 測線 D-1 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值..........60 6 表 5.19 測線 E-1 之炸孔與受波器的設置參數及位置里程 ......61 表 5.20 測線 E-1 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ..........61 表 5.21 測線 E-2 之炸孔與受波器的設置參數及位置里程 ......62 表 5.22 測線 E-2 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ..........63 表 5.23 測線 F-1 之炸孔與受波器的設置參數及位置里程 ......64 表 5.24 測線 F-1 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ..........65 表 5.25 測線 F-2 之炸孔與受波器的設置參數及位置里程 ......66 表 5.26 測線 F-2 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ..........66 表 5.27 測線 F-3 之炸孔與受波器的設置參數及位置里程 ......67 表 5.28 測線 F-3 之 P 波、S 波波速與動態彈性模數值 ..........68 表 6.1 D 隧道 TSP 預測及實際隧道開挖狀況比對表 .............131 表 6.2 F 隧道 TSP 預測及實際隧道開挖狀況比對表 .............132 7 圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 目 錄 圖 2.1 隧道內震測法探測原理示意圖 ....................................10 圖 2.2 直接波與反射波之相關位置圖 ....................................11 圖 2.3 資料處理流程圖 .........................................................12 圖 2.4 隧道內震測影像點（IMAGE POINT）分析法 .............13 圖 3.1 隧道內震測系統於隧道內之儀器配置圖......................19 圖 4.1 A 隧道總平面圖 ..........................................................35 圖 4.2 A 隧道地形平面圖 .......................................................36 圖 4.3 A 隧道地質平面圖 .......................................................37 圖 4.4 A 隧道長軸地質剖面圖................................................38 圖 4.5 B 隧道總平面圖 ..........................................................39 圖 4.6 B 隧道地形平面圖 .......................................................40 圖 4.7 B 隧道地質平面圖 .......................................................41 圖 4.8 C 隧道地形平面圖 .......................................................42 圖 4.9 C 隧道沿線之地質縱斷面圖 .........................................43 圖 4.10 D 隧道沿線地質圖 .....................................................44 圖 4.11 E 隧道沿線地質圖 .....................................................45 圖 4.12 F 隧道位置及沿線地質圖 ...........................................46 圖 5.1 測線 A-1 的平面配置圖 ..............................................70 圖 5.2 測線 A-1 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 A） .......................................................71 8 圖 5.3 測線 A-1 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 B） .......................................................72 圖 5.4 測線 A-1 之縱向及水平向的結果展開圖 .....................73 圖 5.5 測線 A-2 的平面配置圖 ..............................................74 圖 5.6 測線 A-2 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 A） .......................................................75 圖 5.7 測線 A-2 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 B） .......................................................76 圖 5.8 測線 A-2 之縱向及水平向的結果展開圖 .....................77 圖 5.9 測線 B-1 的平面配置圖 ..............................................78 圖 5.10 測線 B-1 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 2，象限 A） .....................................................79 圖 5.11 測線 B-1 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 2，象限 B） .....................................................80 圖 5.12 測線 B-1 之縱向及水平向的結果展開圖 ....................81 圖 5.13 測線 B-2 的平面配置圖.............................................82 圖 5.14 測線 B-2 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 A） .....................................................83 圖 5.15 測線 B-2 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 B） .....................................................84 圖 5.16 測線 B-2 之縱向及水平向的結果展開圖 ....................85 圖 5.17 測線 B-3 的平面配置圖.............................................86 9 圖 5.18 測線 B-3 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 A） .....................................................87 圖 5.19 測線 B-3 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 B） .....................................................88 圖 5.20 測線 B-3 之縱向及水平向的結果展開圖 ....................89 圖 5.21 測線 B-4 的平面配置圖.............................................90 圖 5.22 測線 B-4 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 2，象限 A） .....................................................91 圖 5.23 測線 B-4 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 2，象限 B） .....................................................92 圖 5.24 測線 B-4 之縱向及水平向的結果展開圖 ....................93 圖 5.25 測線 C-1 平面配置圖 ................................................94 圖 5.26 線 C-1 反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受波器 2，象限 A） .............................................................95 圖 5.27 測線 C-1 反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受波 器 2，象限 B）.........................................................96 圖 5.28 測線 C-1 縱向及水平向的結果展開圖 .......................97 圖 5.29 測線 C-2 的平面配置圖.............................................98 圖 5.30 測線 C-2 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 2，象限 A） .....................................................99 圖 5.31 測線 C-2 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 2，象限 B） ...................................................100 圖 5.32 測線 C-2 之縱向及水平向的結果展開圖 ..................101 圖 5.33 測線 D-1 的平面配置圖 ..........................................102 10 圖 5.34 測線 D-1 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 A） ...................................................103 圖 5.35 測線 D-1 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 B） ...................................................104 圖 5.36 測線 D-1 之縱向及水平向的結果展開圖..................105 圖 5.37 測線 E-1 的平面配置圖 ...........................................106 圖 5.38 測線 E-1 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 A） ...................................................107 圖 5.39 測線 E-1 之反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受 波器 1，象限 B） ...................................................108 圖 5.40 測線 E-1 之縱向及水平向的結果展開圖 ..................109 圖 5.41 測線 E-2 的平面配置圖 ...........................................110 圖 5.42 測線 E-2 反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受波 器 2，象限 A） ......................................................111 圖 5.43 測線 E-2 反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受波 器 2，象限 B）.......................................................112 圖 5.44 測線 E-2 之縱向及水平向的結果展開圖 ..................113 圖 5.45 測線 F-1 的平面配置圖 ...........................................114 圖 5.46 測線 F-1 反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受波 器 2，象限 A） ......................................................115 圖 5.47 測線 F-1 反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受波 器 2，象限 B）.......................................................116 圖 5.48 測線 F-1 之縱向及水平向的結果展開圖 ..................117 圖 5.49 測線 F-2 平面配置圖...............................................118 11 圖 5.50 測線 F-2 反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受波 器 2，象限 A） ......................................................119 圖 5.51 測線 F-2 反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受波 器 2，象限 B）.......................................................120 圖 5.52 測線 F-2 之縱向及水平向的結果展開圖 ..................121 圖 5.53 測線 F-3 的平面配置圖 ...........................................122 圖 5.54 測線 F-3 反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受波 器 2，象限 A） ......................................................123 圖 5.55 測線 F-3 反射震波對應於隧道空間的相關位置圖（受波 器 2，象限 B）.......................................................124 圖 5.56 測線 F-3 之縱向及水平向的結果展開圖 ..................125 圖 6.1 測線 A 之隧道內震波探測結果與開挖地質比對圖 .....133 圖 6.2 測線 B 之隧道內震波探測結果與開挖地質比對圖 .....134 圖 6.3 測線 C-1 之隧道內震波探測結果與開挖地質比對圖 ..135 圖 6.4 測線 C-2 之隧道內震波探測結果與開挖地質比對圖 ..136 圖 6.5 測線 D 之隧道內震波探測結果與開挖地質比對圖 .....137 圖 6.6 測線 F-1 之隧道內震波探測結果與開挖地質比對圖 ..138 圖 6.7 測線 F-3 之隧道內震波探測結果與開挖地質比對圖 ..139 圖 7.1 TSP 三維量測佈置圖 .................................................145 圖 7.2 震測之徑向、切向解析能力關係圖 ...........................146 圖 7.3 發展中之資料處理程式架構示意圖 ...........................147 12 第一章 前言 1 . 1 研究背景 台灣地處太平洋板塊與歐亞大陸板塊交界，地質構造發 達，多斷層、軟弱岩石、節理與剪裂帶等地質弱帶。這些 地質弱帶常造成隧道施工之障礙，且常導致隧道施工之災 變如崩塌、抽心與擠壓等現象，進而延遲完工與通車時間 並增加可觀之工程費用。 隨著交通需求與國土之開發，隧道工程之數目與困難度 有逐漸增加之趨勢。有鑑於地質弱帶對隧道之施工順利與 否，具有關鍵性之影響；因此隧道施工中能針對開挖面前 方與周圍之地質弱帶，建立一套快速、有效的探測技術， 將可提高隧道施工品質，減少施工災害，更能協助隧道營 建技術朝自動化往前邁進。 國內目前隧道施工，對開挖面前方與周圍之地質狀況之 查明方法可分為二個階段 1 在設計階段，常運用地表 震測及垂直鑽孔獲得地質資料; 2 在施工階段，主要依 據隧道開挖面之地質資料，偶輔以前進鑽孔推測隧道前方 之地質資料。上述方法各有其限制 1 地表震測 - 只能推測地表地層之概況，無法得知隧道 所在之詳細地層資料。 2 垂直鑽孔 - 垂直鑽孔常需鑽入深達數百米，方能達隧 道範圍。費用昂貴且費時，故往往僅有少數幾個鑽孔。 由於各孔之距離頗遠，使得地層之比對與地質弱帶之判 識困難，無法提供足夠之地質結構與地層資料。 3 隧道開面資料 - 雖可提供隧道開面之地質資料，唯對 隧道前方地質資料之預測仍屬不足。 13 4 前 進 鑽 孔 - 前 進 鑽 孔 於 隧 道 施 工 中 施 作 ， 操 作 時 間 長，嚴重影響隧道之施工進度。雖能提供隧道前方之地 質料，唯所獲得之資料均屬於線形分佈，無法提供明確 地質剖面資料。 綜合而言，目前隧道地質資料之獲得不易，所需經費龐 大、資料獲取速度慢不具時效性、所得資料涵蓋範圍小且 判識不易。為了提昇國內隧道營建技術自動化，有需要發 展一套快速、大範圍之地質弱帶探測方法。 國 外 瑞 士 已 發 展 隧 道 震 測 法 TSP; Tunnel Seismic Prediction，可達到快速、大範圍之地質弱帶探測之目的。 此方法每次至少可獲得 1 0 0至 1 5 0公尺長之地質料; 施作 時間約為 2小時 佈設時間約為 1至 2天，但不影響隧道其 他 施 工 ; 適 用 於 各 種 開 挖 工 法 如 鑽 炸 法 或 機 械 開 挖 TBM 。此法曾於木柵隧道試行施作，成效頗佳，值得進 一步引進、推廣並加以改進，以適應台灣地區地質特性與 隧道施工狀況。 國內亦已開始施用震測方法於隧道前方地質探測。梁樾 與魏錦銘註 綜合運用各種地球物理探測方法 HSP、TSP、 電探法及透地雷達等 於地下孔穴與地盤改良之研究，其研 究有下列之具體成果 1 改善震測法之施作技術； 2 透過實際操作，得知震測法之限制為 a 震測法之 解析度有限；與 b 無法測知含水層之存在。 3 震測法與其他方地球物理探法之綜合使用，可清楚地 研判斷層位置、破碎帶寬度、傾角、湧水段及附近地層 註 梁樾，魏錦銘 1 9 9 5 公共工程防災與安全監測- 利用地球物理探 測地下孔穴及地盤改良之研究，研究報告，榮民工程事業管理處。 14 受擾動情形。 震測法雖不能測知含水層，但可測得主要地質弱帶之位 置與寬度 如果大於其鑑別能力 ，為隧道前方地質弱帶之 一 種 基 本 探 測 方 法 ， 如 兼 與 其 他 方 法 如 電 探 法 合 併 使 用，對隧道前方地質弱帶之判釋，將更具準確性與可行性， 實有發展之必要。因此，本研究擬據現有技術與經驗，建 立一套「隧道前方地質弱帶自動化震測系統」，以協助國 內之隧道科技之提昇。 1 . 2 研究目的 有鑑於隧道面前方地質調查的重要性，台灣大學土木工 程研究所與聯合大地工程顧問公司合作進行地球物理方法 應用於隧道內隧道前方探測技術的研究，並採用目前於世 界各國隧道工程中已廣泛使用，由瑞士 Amberg 工程顧問公 司 集團 所研發的隧道內震波探測儀器 TSP-202 系統。 本研究之主要目的在於建立一套 「隧道前方地質弱帶自 動化震測系統」，解決目前隧道營建自動化之技術瓶頸， 以減少隧道營建過程中因為地質條件不清楚而引致之施工 障礙、遲滯與災害。透過引進、推廣及改進隧道前方探測 系統 TSP ，達成快速、大範圍探測之能力，以提昇國內隧 道營建技術之自動化。 1 . 3 研究方法 本研究之方法為首先透過對 TSP-202 系統經驗的累 積，以及國內案例彙整出之資料庫，建立起適用於台灣地 區地質環境之隧道前方震波探測技術，以及隧道施工時所 進行之施作及分