在國際處置高放射性廢棄物的方式，是將核廢料罐深埋在300~1000m高應力環境的地下坑道中，藉由障壁組成有效圍阻遲滯核種的外釋，使輻射強度到達生物圈之前已衰減至可忽略的程度。目前國內台電公司預擬的深層處置場坑道配置與尺寸之設計，採用KBS-3V設計，其處置設計概念係先開挖處置隧道(deposition tunnel)，再在其隧道地面上垂直向下逐一鑽挖深度8m的一系列處置孔(deposition hole)。而深層地質處置設施的力學穩定安全性是由應力在主控(stress-dominated)，其穩定性或破壞與否之關鍵因子是在現地應力(in-situ stress)之大小與方位以及岩石之破壞強度。受高應力作用下，所造成應力釋放與應力調整係屬相互影響，故本研究目的為擬以FLAC2D程式模擬，探討其應力分佈之變化與破裂損傷程度，並針對台灣本土現地應力條件作進一步研究。
    本文主要獲致結論如下: (1)以FLAC分析處置坑道周圍岩體應力分布行為，獲知其關鍵因子為現地應力比K與深度Z，隨著參數K及Z值愈大其應力變化愈顯著。K值主控處置坑道周圍應力等高線分布區之形狀，深度Z則主控開挖平衡後岩體整體應力值之範圍。其中K值主要控制處置坑道發生破壞處，深度Z則控制處置坑道是否破壞以及其破壞範圍；(2)處置坑道開挖分為兩階段開挖，第一階段先挖處置隧道後，在較大現地應力方向之開挖面處附近會呈現低壓力區或張力區，因此當圍岩承受之環境壓力愈大時，愈容易在此處形成損傷破壞區；開挖處置孔後，會因應力重新分配轉移過程，釋放原來應力集中於處置隧道底部之現象，且第一階段開挖時原本在仰拱的破壞會因為第二階段開挖的解壓以及網格移除而消失；(3)坑道破壞型態分為兩種:張力破壞與剪切破壞，張力破壞由張力強度主控，多發生於處置隧道、處置孔的側壁與底面；剪切破壞主要發生在高壓應力集中區，如處置隧道轉角處；(4)影響變形量的最大因素為母岩之楊氏模數E，第一階段處置隧道開挖，最大變形量位置常發生在隧道頂拱處沉陷；第二階段處置孔開挖，最大變形發生在處置孔上段2公尺處，由其詳細數值結果可得，最大位移量與E值呈現反比關係；(5)在較淺的低應力條件下，岩體為彈性的穩定狀態，處置隧道形狀對處置孔影響甚微。但在較深的高應力條件下，可由坑道之破壞判別各形狀之優劣:(a)在方形處置隧道下的處置孔之張力破壞範圍分布最廣，坑道轉角處容易發生剪切破壞 (b)在棚形或拱形處置隧道下的處置孔之張力破壞區域相似，然因棚形之坑道轉角亦易形成剪切破壞，由此判斷拱形處置隧道為處置坑道最佳的選擇。

The international method of disposing of high-level radioactive waste is to bury nuclear waste tanks deep in an underground tunnel with a high stress environment of 300~1000m. The barrier is formed to effectively block and delay the external release of nuclear species, so that the radiation intensity is attenuated before reaching the biosphere To the extent that it can be ignored. At present, the design of the tunnel configuration and size of the deep disposal site pre-planned by the domestic Taiwan Power Company adopts the KBS-3V design. The disposal design concept is to first excavate the disposal tunnel (deposition tunnel), and then drill vertically downwards one by one on the ground of the tunnel A series of deposition holes with a depth of 8m. The mechanical stability and safety of deep geological disposal facilities are controlled by stress (stress-dominated), and the key factors for its stability or failure are the magnitude and orientation of in-situ stress and the destruction of rocks. strength. Under the action of high stress, the resulting stress release and stress adjustment are mutually affected. Therefore, the purpose of this research is to simulate the change of stress distribution and the degree of rupture damage with the FLAC2D program, and to conduct further research on the local in-situ stress conditions in Taiwan.
    The main conclusions obtained in this paper are as follows: (1) Using FLAC to analyze the stress distribution behavior of the rock mass around the disposal tunnel, it is known that the key factors are the in-situ stress ratio K and the depth Z. The greater the value of the parameters K and Z, the more significant the stress changes. The K value mainly controls the shape of the stress contour distribution area around the tunnel, and the depth Z mainly controls the range of the overall stress value of the rock mass after the excavation is balanced. Among them, the K value mainly controls the destruction of the disposal tunnel, and the depth Z controls whether the disposal tunnel is destroyed and its destruction range; (2) The excavation of the disposal tunnel is divided into two stages of excavation. There will be a low pressure zone or a tension zone near the excavation face in the direction of the current in-situ stress. Therefore, when the surrounding rock is subjected to greater environmental pressure, it is easier to form a damage zone here; after the excavation and disposal of the hole, the stress will be renewed. The distribution and transfer process releases the phenomenon that the original stress is concentrated on the bottom of the treatment tunnel, and the damage that was originally in the invert during the first stage of excavation will disappear due to the decompression of the second stage of excavation and removal of the mesh; (3) tunnel damage There are two types: tension failure and shear failure. Tension failure is dominated by tensile strength, which mostly occurs on the sidewall and bottom of the disposal tunnel and disposal hole; shear failure mainly occurs in the high-pressure stress concentration area, such as the corner of the disposal tunnel (4) The largest factor affecting the deformation is the Young's modulus E of the parent rock. The tunnel excavation is dealt with in the first stage, and the position of the largest deformation often occurs at the top of the tunnel. The second stage is the excavation of the disposal hole. The maximum deformation occurs at 2 meters in the upper section of the disposal hole. According to the detailed numerical results, the maximum displacement is inversely proportional to the E value; (5) Under shallow and low stress conditions, the rock mass is in an elastic and stable state. The shape of the disposal tunnel has little effect on the disposal hole. However, under deep and high stress conditions, the advantages and disadvantages of each shape can be judged by the destruction of the tunnel: (a) The tensile damage range of the disposal hole under the square disposal tunnel is the widest, and the corners of the tunnel are prone to shear failure (b) The tension failure area of the disposal hole under the shed-shaped or arch-shaped disposal tunnel is similar, but the corner of the shed-shaped tunnel is also prone to shear failure. Therefore, it is judged that the arch-shaped disposal tunnel is the best choice for the disposal tunnel.

目錄
目錄	I
圖目錄	IV
表目錄	VIII
第一章 緒論	1
1.1 研究動機與目的	1
1.2 研究方法	3
1.3 研究內容	4
第二章 文獻回顧	6
2.1隧道截面幾何形狀	6
2.2改變形狀以提高穩定性	12
2.3形狀與現地應力比的關係	14
2.4 坑道開挖之破壞現象	15
第三章 FLAC數值模型建立	19
3.1 FLAC程式簡介	19
3.1.1 FLAC計算原理	19
3.1.2 FLAC優點	23
3.2 FLAC數值模擬步驟與流程	24
3.3 FLAC處置隧道分析結果之檢核	24
第四章 參數研究	28
4.1處置坑道之模型建構	28
4.1.1模型網格與邊界條件	29
4.1.2處置坑道之形狀與尺寸	30
4.1.3模擬岩體之材料參數	33
4.2 探討K值因素的影響	35
4.2.1 在深度Z=300情況之下	36
4.2.2在深度Z=500情況之下	45
4.2.3 在深度Z=1000情況之下	54
4.3 探討深度因素的影響	64
4.3.1 在K=0.5應力環境之下	64
4.3.2 在K=1應力環境之下	73
4.3.3 在K=2應力環境之下	81
4.4 岩性影響	89
4.4.1 變形性影響(E值)	89
4.4.2改變強度(C值)	94
4.5 本章結論	96
第五章 應用於我國潛在場址之分析	98
5.1金門花崗岩	98
5.1.1金門現地應力環境	98
5.1.2分析結果	100
5.1.3不同岩體材料比較開挖影響	107
5.3 利用不同破壞準則比較開挖影響	113
5.3.1單一坑道	113
5.3.2雙坑道	114
第六章 結論與建議	119
6.1 結論	119
6.2 建議	122
參考文獻	123
附錄A-碩士學位考試口試委員意見表	126


  
圖目錄
圖1.1-1 瑞典SKB公司規劃KBS-3V觀念之處置坑道配置與坑道實況	1
圖1.1-2 處置隧道與處置孔之配置(台電，2017)	1
圖1.1-3 處置隧道與處置孔之幾何尺寸(台電，2017)	2
圖1.1-4 瑞典ASPO實驗室礦柱穩定性試驗中造成的岩體損傷現象	3
圖1.1-5 岩石沿主應力方向剝落示意圖	3
圖1.3-1 研究計畫流程圖	5
圖2.1-1 深隧道圍岩最大主應力數值模擬結果(Xianjie Hao et al.,2014)	7
圖2.1-2 物理模型試驗最大荷載作用下不同斷面隧道內牆破壞(Xianjie Hao et al.,2014)	7
圖2.1-3 深隧道圍岩最小主應力數值模擬結果(Xianjie Hao et al.,2014)	8
圖2.1-4 在開挖後不同截面形狀的隧道內牆破壞位置(Xianjie Hao et al.,2014)	8
圖2.1-5 SKB探討主隧道區各種不同隧道型式之比較優缺點例子	9
圖2.1-6 蛋型隧道與平底馬蹄形型隧道形狀對其下方開挖處置孔壁最大主應力分布的影響	10
圖2.1-7 各種隧道形狀開挖前和開挖後應力分布等高線(Abdellah et al.,2018 )	11
圖2.2-1以主應力平面來表示的片麻岩破壞包絡線(Hoek &Brown, 1981)	12
圖2.2-2 不同形狀洞室圍岩的強度/應力比等值線 (Hoek &Brown, 1981)	13
圖2.3-1 開挖形狀和施加應力比對最大邊界應力之影響(Hoek &Brown, 1981)	15
圖2.4-1圓形開口周圍發現的裂縫類型 (Martin, 1997)	16
圖2.4-2 Äspö 岩柱穩定性實驗(APSE)之處置隧道形狀開挖規劃與實況	17
圖2.4-3 APSE處置孔壁上段因開挖解壓後之實測剝落區	17
圖2.4-4 不同隧道形狀周圍岩體降伏區範圍(Abdellah et al.,2018 )	18
圖3.1-1 FLAC程式計算流程	22
圖3.3-1 單孔隧道周圍應力圖(Hoek & Brown, 1981)	25
圖3.3-2 以FLAC分析隧道周圍應力圖	25
圖3.3-3 以FLAC分析隧道最大/最小主應力等高線圖	26
圖3.3-4 單孔隧道周圍應力圖(Hoek & Brown, 1981)	26
圖3.3-5 以FLAC分析隧道周圍應力圖	27
圖3.3-6 以FLAC分析隧道最大/最小主應力等高線圖	27
圖4-1開挖流程	28
圖4.1.1-1 本研究選用之模型大小及孔道尺度比較	29
圖4.1.1-2 本研究模型邊界設置條件	30
圖4.1.2-1 台灣處置隧道與處置孔之初步設計尺寸(台電公司，2017)	31
圖4.1.2-2 處置隧道與運輸車輛尺寸對應關係(POSIVA，2004)	31
圖4.1.2-3 核廢料桶放置旋轉示意圖(POSIVA，2004)	32
圖4.1.2-4 本文所使用各種形狀處置隧道與處置孔之尺寸(高度一致)	32
圖4.1.3-1 離島花崗岩彈性模數E數據之統計 (吳勁頤，2017)	33
圖4.1.3-2 離島花崗岩之間接張力強度數據統計 (吳勁頤，2017)	34
圖4.1.3-3 離島花崗岩之三軸應力莫耳圓 (趙振宇，2005)	34
圖4.2.1-1 在深度Z=300m下處置隧道之最大主應力分布	37
圖4.2.1-2 在深度Z=300m下置隧道之最小主應力分布	38
圖4.2.1-3 在深度Z=300m下，未開挖階段之主應力向量分布(放大5倍)	39
圖4.2.1-4 在深度Z=300m下處置隧道之主應力向量分布	39
圖4.2.1-5 在K=2時最小主應力分布之張力區(紅圈處)	40
圖4.2.1-6 在深度Z=300m下處置孔之最大主應力分布	42
圖4.2.1-7 在深度Z=300m下處置孔之最小主應力分布	43
圖4.2.2-1 在深度Z=500m下處置隧道之最大主應力分布	46
圖4.2.2-2 在深度Z=500m下處置隧道之最小主應力分布	47
圖4.2.2-3 在深度Z=500m下處置隧道周邊之破壞狀態	48
圖4.2.2-4 在深度Z=500m下處置孔之最大主應力分布	50
圖4.2.2-5 在深度Z=500m下處置孔之最小主應力分布	51
圖4.2.2-6 在深度Z=500m下處置孔周邊之破壞狀態	52
圖4.2.3-1 在深度Z=1000m下處置隧道之最大主應力分布	55
圖4.2.3-2 在深度Z=1000m下處置隧道之最小主應力分布	56
圖4.2.3-3 在深度Z=1000m下處置隧道周邊之破壞狀態	57
圖4.2.3-4 在深度Z=1000m下處置孔之最大主應力分布	59
圖4.2.3-5 在深度Z=1000m下處置孔之最小主應力分布	60
圖4.2.3-6 在深度Z=1000m下處置孔周邊之破壞狀態	61
圖4.3.1-1 在K=0.5下處置隧道之最大主應力分布	65
圖4.3.1-2 在K=0.5下處置隧道之最小主應力分布	66
圖4.3.1-3 在K=0.5下處置隧道周邊之破壞狀態	67
圖4.3.1-4 在K=0.5下處置孔之最大主應力分布	69
圖4.3.1-5 在K=0.5下處置孔之最小主應力分布	70
圖4.3.1-6 在K=0.5下處置孔周邊之破壞狀態	71
圖4.3.2-1 在K=1下處置隧道之最大主應力分布	74
圖4.3.2-2 在K=1下處置隧道之最小主應力分布	75
圖4.3.2-3 在K=1下處置隧道周邊之破壞狀態	76
圖4.3.2-4 在K=1下處置孔之最大主應力分布	77
圖4.3.2-5 在K=1下處置孔之最小主應力分布	78
圖4.3.2-6 在K=1下處置孔周邊之破壞狀態	79
圖4.3.3-1在K=2下處置隧道之最大主應力分布	82
圖4.3.3-2在K=2下處置隧道之最小主應力分布	83
圖4.3.3-3 在K=2下處置隧道周邊之破壞狀態	84
圖4.3.3-4在K=2下處置孔之最大主應力分布	85
圖4.3.3-5在K=2下處置孔之最小主應力分布	86
圖4.3.3-6在K=2下處置孔周邊之破壞狀態	87
圖4.4.1-1 不同E值下處置隧道變形之比較	90
圖4.4.1-2 不同E值下處置隧道之位移向量比較	91
圖4.4.1-3 不同E值下處置坑道變形之比較	92
圖4.4.1-4  E=51 GPa處置坑道之位移向量之比較	93
圖4.4.2-1 不同C值下處置隧道破壞狀態之比較	94
圖4.4.2-2 不同C值下處置孔破壞狀態之比較	95
圖5.1.1-1 金門離島地區水平最大及最小主應力隨深度之分佈狀況(楊長義，2015)	99
圖5.1.1-2處置坑道之現地應力示意圖	99
圖5.1.2-1 金門花崗岩500公尺下處置坑道之最大主應力分布	101
圖5.1.2-2 開挖前後處置孔壁最大主應力之轉變	101
圖5.1.2-3 金門花崗岩500公尺下處置坑道之最小主應力分布	102
圖5.1.2-4 開挖前後處置孔壁最小主應力之轉變	102
圖5.1.2-5 金門花崗岩500公尺下處置坑道之主應力向量分布	103
圖5.1.2-6金門花崗岩在500公尺下處置坑道之破壞狀態(均處在彈性狀態)	103
圖5.1.2-7 金門花崗岩在500公尺下處置坑道位移向量圖之比較	105
圖5.1.2-8開挖處置孔在處置隧道右側通道地板Y方向之位移變化量與總隆起量	105
圖5.1.2-9 第二階段開挖處置孔在側壁X方向位移變化	106
圖5.1.3-1 開挖前後處置孔壁最大主應力之轉變	109
圖5.1.3-2 開挖前後處置孔壁最小主應力之轉變	110
圖5.1.3-3開挖處置孔在處置隧道右側通道地板Y方向之位移變化量與總隆起量	111
圖5.1.3-4 第二階段開挖處置孔在側壁X方向位移變化	112
圖5.3.1-1以不同破壞準則判別處置隧道損傷狀態之比較	113
圖5.3.1-2以不同破壞準則判別處置孔損傷狀態之比較	114
圖5.3.2-1 雙處置坑道開挖順序示意圖	115
圖5.3.2-2 雙處置坑道第二階段最大主應力分布(Hoek-Brown model)	115
圖5.3.2-3 雙處置坑道第三階段應力重整範圍(Hoek-Brown model)	116
圖5.3.2-4 雙處置坑道第四階段應力重整範圍(Hoek-Brown model)	116
圖5.3.2-5 雙處置隧道最大主應力分布之比較(d=25m)	117
圖5.3.2-6 雙處置隧道最小主應力分布之比較(d=25m)	118
  
表目錄
表4.1.3 本文所選用離島花崗岩材料參數	35
表4.2 本節模型各深度施加初始現地應力值(單位:MPa)	35
表4.2.1 在深度300公尺下開挖處置坑道結果之關鍵因子辨別	45
表4.2.2 在深度500公尺下開挖處置坑道結果之關鍵因子辨別	54
表4.2.3 在深度1000公尺下開挖處置坑道結果之關鍵因子辨別	63
表4.3.1 在K=0.5下開挖處置坑道結果之關鍵因子辨別	72
表4.3.2 在K=1下開挖處置坑道結果之關鍵因子辨別	81
表4.3.3 在K=2下開挖處置坑道結果之關鍵因子辨別	88
表4.4.1-1 處置隧道頂拱最大變形量之比較	90
表4.4.1-2處置孔側壁最大變形向量值之比較	93
表5.1.1 臺灣離島潛在場址地區之水力破裂試驗成果(台電，2010)	98
表5.1.3 砂岩材料參數	107
表6.1 FLAC模擬處置孔之張力破壞區(K=2)	120
表6.2 FLAC模擬處置孔之張力破壞區(K=1)	121

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