桃園台地紅土礫石層剪力波速剖面模擬及明挖覆蓋隧道受震分析與評估

隨著都市的快速發展，居住人口迅速增加，對大眾運輸的需求也隨之增加。在高度發展的都市中，因地面上的空間有限，因此常把鐵路系統及捷運系統建造於地面下。近幾十年來，臺灣政府在首要都市建設大眾捷運，例如台北捷運、高雄捷運、桃園捷運、台中捷運和台南捷運。而近年來，臺灣鐵路局亦致力於把通過都會區的鐵路地下化，如：台北市、新北市及高雄市。不管是捷運系統或是地下鐵路系統的主要結構是隧道，如今在世界上大型城市的地下存在著錯綜且複雜的地下隧道網絡。根據目前交通部頒布之鐵路明挖覆蓋隧道設計規範，隧道設計變形效應計算應變量需該隧道中心位置所在深度土層之剪力波速，其按規範依工址地表面下30公尺內之土層平均剪力波速V ̅_S30為經驗公式計算而得，進一步計算橫向剪應變量時也會用到C_s參數。自然沉積的地盤非均勻且非均質，若能夠直接瞭解該場址之土壤特性因地制宜，勢必能讓工程師在設計明挖覆蓋隧道耐震時有更好的耐震設計依據。本計畫試驗包括紅土礫石層一般物理性質試驗及力學性質試驗與離心模型振動台試驗，依據現地紅土礫石層粒徑分析試驗結果區分礫石、砂、粉土、黏土含量占比，模型土層材料將使用粉土與礫石均勻混合，以達到與現地相同之土壤單位重。一般物理性質試驗與力學試驗包括粒徑分析試驗、比重試驗、夯實試驗、阿太堡試驗、滲透性試驗及三軸試驗，試驗結果將提供給物理模型及數值模型模擬之用。本計畫共進行5組離心模型動態試驗，試驗箱選用積層版試驗箱以濕搗法製作試體，隧道及連續壁模型按照現場離心縮尺製作，第一部分2組實驗以輸入微小震動(Pre-shaking)探測不同土壤條件之剪力波速，第二部分3組實驗以模擬明挖覆蓋隧道不同施工階段之受震行為。透過離心模型試驗結果加以分析，探討鐵路明挖覆蓋隧道設計規範經驗公式利用剪力波速得到剪應變，並以強制變位法進行明挖覆蓋隧道的耐震設計之合理性。