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系統識別號 U0002-1408202017414200
中文論文名稱 處置孔開挖順序對岩柱力學行為之研究
英文論文名稱 Effect of excavation sequence on the mechanical behaviour of rock pillars between deposition holes
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生中文姓名 葉俊麟
研究生英文姓名 Jyun-Lin Ye
電子信箱 a7971639@gmail.com
學號 606380326
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-06-23
論文頁數 140頁
口試委員 指導教授-楊長義
委員-李宏輝
委員-徐文杰
中文關鍵字 岩柱  處置孔  顆粒間應力  顆粒位移 
英文關鍵字 rock pillar  deposition hole  grain contact stress  grain displacement 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 高放核廢料深層地質處置屬於高應力作用問題,其破裂行為是由場址真實的現地主應力大小及母岩強度所控制。埋置核廢料桶的處置坑是在處置隧道向下鑽挖而成,坑與坑間所構成的岩柱極易因開挖所解除側向圍束壓力,致使發生坑壁剝落現象,長期可能因此形成地下水流及核種外釋的通道。
鑒於在處置坑開挖所構成的岩柱區顆粒之應力狀態,可能會因下一個處置坑開挖之應力重整所擾動。因此本文以PFC2D軟體為數值模擬分析工具,利用台灣離島潛在場址母岩實際力學特性與實測現地應力值,並針對台電所規劃之處置隧道與處置孔尺寸與配置距離為依據,探討開挖處置孔所構成之岩柱的力學微觀行為之改變。文中,分別探討於處置隧道段前端及中段,依順序開挖三個處置坑之開挖擾動行為。研究結果獲致以下主要結論:
  (1)處置孔的開挖對整體處置隧道開挖後岩體大範圍應力與位移分布行為影響不大,處置孔之開挖擾動僅發生在處置孔左右以及孔底之局部區域內。(2)於處置隧道之前段或中央段開挖處置孔之擾動行為很類似,惟中央段開挖造成的顆粒應力或變位分布行為較為左右對稱。(3)開挖處置孔所構成的岩柱兩側都會有一呈三角形狀主動土壓力解壓區,解壓區內顆粒間接觸力有減低現象、顆粒鍵結力趨於受張力狀態,岩柱內顆粒皆趨向處置孔移位,在岩柱上段的顆粒變位高於下段。(4)開挖岩柱區內顆粒的變位量,皆受旁邊下一個處置孔開挖擾動之影響而變位更大,但是開挖第三個處置孔之開挖擾動卻不足以跨越去影響到先前已形成的岩柱狀態。(5)處置孔開挖完受地震力影響後隧道口兩端與岩柱底部會均有剪力破壞與張力破壞現象發生,但主要以剪力破壞現象為主。

英文摘要 The stability of deep geological repository is controlled by the magnitude of the in-situ principal stresses and the uni-axial compression strength of intact rock. The canister deposition holes are vertically drilled holes from the floor of deposition tunnel. The stress and displacement behaviors of rock pillars between deposition holes will be altered by the stress redistributed during the next hole drilled.
In this report, we use PFC 2D to model the effect of deposition holes excavation on the rock pillars. The aim is to study the distribution of grain contact stress and grain bonding stress within pillars after drilling deposition holes at the geological condition of site Taiwan.
The main results are drawn as follows: (1) The disturbance of deposition hole excavation is limited around the holes and the rock pillars. (2) A tensile zone formed close to the deposition holes which the grain is taken the tension stress situation. (3) The grains of rock pillar displace toward to the deposition holes and the top end of rock pillar displacement is remarkable. (4) There is no difference on the stress distribution behavior after the hole excavation located at the end side or at the middle of deposition tunnel. (5) The mechanical behavior of rock pillar is affected by the next hole excavation, but the disturbance effect of the third hole does not cross to the first formed pillar.
論文目次 目錄
目錄 I
表目錄 IV
圖目錄 V
第一章 緒論..................................................................................................................1
1.1 研究動機.......................................................................................................1
1.2 本文研究主題...............................................................................................4
1.3 研究目的與方法...........................................................................................7
第二章 文獻回顧........................................................................................................10
2.1 坑道開挖產生之剝落現象.........................................................................10
2.2 發生岩石剝落之應力條件.........................................................................13
2.3 岩石之應力應變曲線所反應的破裂特性.................................................17
2.4 岩石中音射事件發生機制.........................................................................20
第三章 台灣離島潛在場址之地質條件....................................................................22
3.1 我國處置隧道與處置孔之設計尺寸.........................................................22
3.2 我國離島潛在場址實測現地主應力模型.................................................24
3.3 我國離島潛在場址花崗質母岩之巨觀力學性質.....................................25
第四章 PFC顆粒流程式分析介紹............................................................................27
4.1 PFC程式概述...........................................................................................27
4.2 PFC建模步驟...........................................................................................39
第五章 離島潛在場址母岩PFC模型參考案例.......................................................41
5.1 PFC數值模型之參數校正.......................................................................41
5.2 潛在場址花崗質母岩之PFC微觀參數參考案例...................................42
5.3 高應力下開挖處置坑之特殊現象...........................................................43
5.4 本文模擬離島花崗岩單軸壓縮行為之修正...........................................46

第六章 坑道開挖之數值模型建立............................................................................48
6.1 岩體之模型建立.......................................................................................48
6.1.1 模型邊界之決定..............................................................................48
6.1.2 顆粒數之選定..................................................................................50
6.2 大小顆粒交界之檢視...............................................................................51
6.3 坑道開挖之模擬步驟...............................................................................52
6.4 顆粒間接觸力與鍵結力之含義...............................................................57
第七章 處置坑開挖擾動之影響................................................................................59
7.1 於處置隧道前端之處置坑.........................................................................59
7.1.1 顆粒間接觸力....................................................................................59
7.1.2 顆粒間鍵結力....................................................................................67
7.1.3 前端岩柱顆粒之變位........................................................................73
7.2 於處置隧道中段之開挖.............................................................................79
7.2.1 顆粒間接觸力....................................................................................79
7.2.2 顆粒間鍵結力....................................................................................84
7.2.3 中段岩柱顆粒之變位........................................................................89
7.3 開挖順序造成之影響.................................................................................94
7.3.1 於處置隧道前端之顆粒間接觸力....................................................94
7.3.2 於處置隧道前端之顆粒間鍵結力....................................................98
7.3.3 於處置隧道中段之顆粒間接觸力..................................................102
7.3.4 於處置隧道中段之顆粒鍵結力......................................................106
7.3.5 在隧道前端做不同開挖順序時之岩柱之鍵結正向應力比較......110
7.3.6 在隧道中段做不同開挖順序時之岩柱之鍵結正向應力比較......112


第八章 模擬地震外力作用效果............................................................................115
8.1受震後接觸力分佈與顆粒位移...............................................................115
8.2模擬受地震力後之破壞型態...................................................................123
第九章 結論與建議..................................................................................................129
9.1 結論...........................................................................................................129
9.2 建議...........................................................................................................130
參考文獻....................................................................................................................131
附錄A-碩士學位考試口試委員提問與回覆對照表................................................136
附錄B-PFC程式建模參數程式碼.............................................................................138













表目錄

表5.2- 1 離島花崗岩力學微觀參數值之建議輸入參數範圍(reference case) ……43
圖目錄
圖1.1-1 瑞典規劃KBS-3深層地質處置孔道之配置觀念與我國構想.....................1
圖1.1-2 瑞典之KBS-3V 設計觀念將廢料罐垂直放於各自處置孔內....................2
圖1.2-1 處置孔道之受到現地主應力方向相對關係及其它地震應力(Earthquake- induced stress)、熱應力(Thermal-stress)作用..............................................................5
圖1.2-2 處置隧道與其下方之處置孔配置圖與實況照片.........................................6
圖1.2-3 在APSE地下實驗室處置孔壁上段岩石因開挖解壓後之實測剝落區…...7
圖1.3-1 本文之模擬處置坑道開挖研究流程.............................................................8
圖2.1-1 岩石沿主應力方向剝落示意與現地現象………………………………………………..11
圖2.1-2 岩石沿坑道面切向最大主應力方向之剝落現象(Cho, et al., 2015) ………..11
圖2.1-3 瑞典ASPO實驗室礦柱穩定性試驗中造成的輕微岩石剝落現象............12
圖2.1-4 在南非礦坑深層開挖岩釘噴凝土襯砌掉落現象.....................................12
圖2.1-5 中國西康省隧道開挖後之剝落現象...........................................................13
圖2.2-1坑壁邊緣岩石僅承受單一軸應力 作用示意圖......................................14
圖2.2-2 金門花崗岩地區開挖坑道之穩定性評估(楊長義,2015) ……………………….15
圖2.2-3 國外處置坑道剝落深度與集中應力之經驗關係(Martin et al.,2001 ) …….16
圖2.2-4 處置坑道剝落深度與最大切線應力階之經驗關係(Diederichs et al.,2001 ) ………………………………………………………………………………………………………………..17
圖2.3-1 芬蘭Olkiluoto地區偉晶花崗岩及雲母片岩之單軸壓縮應力應變曲線……………………………………………………………………………………………………………………………18
圖2.3-2(a) 初始破裂應力 與破裂損傷應力 定義(Martin & Christiansson, 2009) ……………………………………………………………………………………………………………………..18
圖2.3-2(b) 初始破裂應力 與破裂損傷應力 定義(Martin & Christiansson,2009) ……………………………………………………………………………………………….19
圖2.4-1音射與岩石破壞機制之關係圖(Boyce, 1981) ……………………………………..…21
圖3.1-1 我國高放地質處置場之設施配置初步概念…...........................................22
圖3.1-2 我國處置隧道與處置坑之初步設計與尺寸…………………………………………..23
圖3.2-1金門地區水平最大極最小主應力隨深度之分佈狀況(楊長義,2015) ….24
圖3.3-1 離島地區花崗岩質母岩UCS之深度分布態(楊長義,2015) ……………...26
圖4.1-1 PFC運算時階循環(Itasca, 2004)……………………………………………………………. 28
圖4.1-2 PFC程式球-球與球-牆接觸式關係圖……………………………………………………..28
圖4.1-3 PFC提供的三種數值模式與其所需要的微觀參數(李宏輝,2008) …………31
圖4.1-4 PFC的接觸勁度模式、鍵結模式與滑移模式三者的並存關係圖(Lisjak and Grasselli, 2014) 與平行鍵結模式示意圖(Potyondy and Cunall, 2004;Cho et al. 2007) ………………………………………………………………………………………………………………………32
圖4.1-5 接觸鍵結模式與平行接觸模式之比較與破裂示意圖(Cho et al. 2007) ….35
圖4.1-6 接觸連結模式下顆粒重疊關係圖…………………………………………………………..36
圖4.1-7 顆粒與鍵結系統之力位行為 (Potyondy與Cundall, 2004) ………………….37
圖4.1-8 PFC與FLAC建立離散體-連續體耦合模型….............................................38
圖4.1-9 PFC模擬垂直壓應力作用下所引致的圓形坑道損傷:(a)微觀張力破壞(紅)與剪力破壞(藍)並存;(b)僅微觀張力破壞(紅) (Potyondy and Autio, 2001) …..........39
圖4.2-1 PFC應用於單軸壓縮試驗模擬之建模程序(Potyondy&Cundall, 2004) …………………………………………………………………………………………..…………………………39
圖5.1-1 離島花崗岩單壓應力-應變曲線及彈性模數E參數統計……………………42
圖5.31處置坑開挖後粒間接觸張力(紅色)傳遞及其壓力鏈(force-chain)圖示…44
圖5.32岩石強度劣化為15%後坑壁顆粒接觸轉為張力(紅色)傳遞區增廣現象……………………………………………………………………………………………………………………………45
圖5.4-1 本文模擬獲得之單壓應力-應變曲線結果與吳勁頤(2016)做比對………46
圖5.4-2 本文與吳勁頤(2016)模擬獲得之試體破壞形態比較……………………………..47
圖6.1-1 模擬處置坑道與岩體邊界大小範圍……………………………………………………….48
圖6.1-2 不同邊界尺寸受開挖而應力下降關係…………………………………………………..49圖6.1-3 以43000顆大小顆粒建立模擬岩體模型(範圍250M×200M) ….............50
圖6.2-1由顆粒間接觸力與鍵結力觀察模擬岩體力量之均勻傳遞………………….…51
圖6.3-1 處置孔與岩柱的編號命名示意……………………………………………………………….54
圖6.3-2我國處置隧道與處置孔之配置與幾何尺寸(台電,2010) …………………………55
圖6.3-3 本文所探討開挖處置孔位置之二種區段……………………………………………….56
圖6.4-1 本研究擷取每ㄧ岩柱範圍內顆粒之接觸力示意…………………………………….57
圖6.4-2 顆粒間之接觸力示意……………………………………………………………………………….57
圖6.4-3 顆粒間之鍵結力示意……………………………………………………………………………….58
圖7.1.1-1開挖處置隧道前後前端之顆粒間接觸力圖…………………………………………62
圖7.1.1-2 開挖第一個處置孔後之顆粒間接觸力圖…………………………………………….63
圖7.1.1-3 開挖第1及第2個處置孔後之顆粒間接觸力圖…………………………………64
圖7.1.1-4 依順序開挖第1、2、3處置孔後之顆粒間接觸力圖…………………………65
圖7.1.1-5 開挖h1、h2、h3處置孔所構成岩柱內之顆粒間接觸力狀態比較……66
圖7.1.2-1處置隧道開挖後顆粒間之鍵結力分佈圖……………………………………………..68
圖7.1.2-2處置隧道開挖後顆粒間之鍵結力分佈圖(1孔) …………………………………..69
圖7.1.2-3處置隧道開挖後顆粒間之鍵結力分佈圖(2孔) …………………………………..70
圖7.1.2-4處置隧道開挖後顆粒間之鍵結力分佈圖(3孔) …………………………………..71
圖7.1.2-5 開挖處置孔所構成岩柱內顆粒張力鍵結狀態之比較…………………………72
圖7.1.3-1 於隧道前段依序開挖h1、h2、h3過程中岩柱顆粒位移圖……………….73
圖7.1.3-2 顆粒位移歷時圖…………………………………………………………………………………..74
圖7.1.3-3 前端位移監測點示意圖……………………………………………………………………….76
圖7.1.3-4 P12前端顆粒水平向平均位移……………………………………………………………..77
圖7.1.3-5 P12前端顆粒垂直向平均位移……………………………………………………………..77
圖7.1.3-6 P23前端顆粒水平向平均位移……………………………………………………………..78
圖7.1.3-7 P23前端顆粒水平向平均位移……………………………………………………………..78
圖7.2.1-1 處置隧道中段開挖第一個處置孔後之顆粒間接觸力圖…………………….80
圖7.2.1-2 處置隧道中間開挖第1及第2個處置孔後之顆粒間接觸力圖………….81
圖7.2.1-3 處置隧道中間開挖第1、2、3處置孔後之顆粒間接觸力圖……………..82
圖7.2.1-4 開挖h1及h2及h3處置孔後在P12岩柱內之顆粒應力改變……………83
圖7.2.2-1 處置隧道中間開挖第一個處置孔後之顆粒鍵結力分佈圖…………………85
圖7.2.2-2 處置隧道中間開挖一二號處置坑之顆粒鍵結力分佈圖…………………….86
圖7.2.2-3處置隧道中間開挖一二三號處置坑之顆粒鍵結力分佈圖………………….87
圖7.2.2-4 開挖處置孔所構成岩柱內顆粒之張力鍵結狀態比較…........................88
圖7.2.3-1 於隧道中段依序開挖h1、h2、h3過程中岩柱顆粒位移圖.………………90
圖7.2.3-2 中段位移監測點示意圖……………………………………………………………………….91
圖7.2.3-3 P12中段顆粒水平向平均位移……………………………………………………………..92
圖7.2.3-4 P12中段顆粒垂直向平均位移……………………………………………………………..92
圖7.2.3-5 P23中段顆粒水平向平均位移……………………………………………………………..93
圖7.2.3-6 P23中段顆粒垂直向平均位移……………………………………………………………..94
圖7.3.1-1 開挖h1處置孔後之顆粒間接觸力圖………………………………………………….95
圖7.3.1-2 跳挖h3處置孔後之顆粒間接觸力圖………………………………………………….96
圖7.3.1-3 最後開挖h2處置孔後之顆粒間接觸………………………………………………….96
圖7.3.1-4 跳挖h1、h3、h2處置孔所構成岩柱內之顆粒間接觸力狀態比較……97
圖7.3.2-1 開挖h1處置孔後之顆粒間鍵結力圖………………………………………………….99
圖7.3.2-2 跳挖h3處置孔後之顆粒間鍵結力圖………………………………………………….99
圖7.3.2-3 最後開挖h2處置孔後之顆粒間鍵結力圖………………………………………..100
圖7.3.2-4 跳挖h1、h3、h2處置孔所構成岩柱內之顆粒間鍵結力狀態比較….101
圖7.3.3 -1 開挖h1處置孔後之顆粒間接觸力圖……………………………………………….103
圖7.3.3 -2 跳挖h3處置孔後之顆粒間接觸力圖……………………………………………….103
圖7.3.3 -3 最後開挖h2處置孔後之顆粒間接觸力圖……………………………………....104
圖7.3.3-4 跳挖h1、h3、h2處置孔所構成岩柱內之顆粒間鍵結力狀態比較….105
圖7.3.4-1 開挖h1處置孔後之顆粒間鍵結力圖………………………………………………..107
圖7.3.4-2 跳挖h3處置孔後之顆粒間鍵結力圖………………………………………………..107
圖7.3.4-3 最後開挖h2處置孔後之顆粒間鍵結力圖………………………………………..108
圖7.3.4-4 跳挖h1、h3、h2處置孔所構成岩柱內之顆粒間鍵結力狀態比較….109
圖7.3.5-1 P12在不同開挖順序時對柱的該鍵結正向應力影響…………………………110
圖7.3.5-2 P23在不同開挖順序時對柱的該鍵結正向應力影響…………………………111
圖7.3.5-3 P1在不同開挖順序時對柱的該鍵結正向應力影響…………………………..111
圖7.3.5-4 P3在不同開挖順序時對柱的該鍵結正向應力影響…………………………..112
圖7.3.5-5 P12在不同開挖順序時對柱的該鍵結正向應力影響…………………………113
圖7.3.5-6 P23在不同開挖順序時對柱的該鍵結正向應力影響…………………………113
圖7.3.5-7 P1在不同開挖順序時對柱的該鍵結正向應力影響…………………………..114
圖7.3.5-8 P3在不同開挖順序時對柱的該鍵結正向應力影響…………………………..114
圖8.1-1 SKB在Forsmark地下500m處受M7.0地震在三個主應力方向所產生的地震應力變化………………………………………………………………………………………………………115
圖8.1-2左右兩側地震力作用處之施力球示意圖………………………………………………116
圖8.1-3 由顆粒鍵接觸力觀察受地震力反覆來回作用後之應力變化(a)施力前、b(來回施力1次)、c(來回施力3次) ………………………………………………………………….118
圖8.1-4來回施力一次局部放大(a)1次、(b)3次……………………………………………….119
圖8.1-5隧道右端受地震力後之破壞情形………………………………………………………….120
圖8.1-6 由顆粒接觸力觀察受地震力反覆來回作用後之應力變化局部放大圖(a)施力前、b(來回施力1次)、c(來回施力3次) ………………………………………………….122
圖8.1-7隧道右端受地震力後之破壞情形(顆粒接觸力圖) ……………………………….123
圖8.2-1來回施力1次鍵結破壞示意圖……………………………………………………………..124
圖8.2-2來回施力三次鍵結破壞示意圖……………………………………………………………..125
圖8.2-3施予地震外力鍵結破壞過程分段示意圖………………………………………………128
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