隧道洞口高陡邊坡穩定分析案例探討

2006 岩盤工程研討會論文集 , 台南 

2006 Taiwan Rock Engineering Symposium, Tainan June 26-27 

隧道洞口高陡邊坡穩定分析案例探討 

楊黃政蕭富元俞旗文 

中興工程顧問社大地工程研究中心 

摘要 

本文以員山子分洪隧道進水口洞口高陡邊坡為例 , 由於邊坡開挖過程出現異常變位及支 

撐工受力持續增加情形 , 藉由降挖初期之監測結果及地質記錄 , 推估材料力學參數 , 並進行 

開挖數值模擬分析 , 研判邊坡後續降挖行為 , 對施工包商提出補強方案與施工建議。本案例 

現場後續施工行為與預測分析結果相當一致 , 現場後續施工亦採用本分析結果進行補強 , 順 

利完成施工。顯示施工階段之安全監測、回饋分析與後續施工建議 , 為隧道洞口高邊坡施工 

穩定之必要手段 , 本文之經驗應可作為其他相關工程施工參考。 

關鍵字 : 安全監測、回饋分析。 

一、前言 

受地形影響及隧道進洞位置限制 , 隧道洞口常出現高陡邊坡案例。隧道洞口高陡邊坡之 

施工 , 通常採分階降挖方式 , 逐步降挖至隧道洞口高程後 , 再進行洞口開挖。而洞口高邊坡 

基腳之挖除及進洞施工 , 均將影響邊坡穩定。當護坡保護工支撐力不足時 , 甚易引起邊坡穩 

定問題 , 並影響隧道施工安全。由於隧道洞口邊坡多通過風化岩層或崖錐材料 , 邊坡材料力 

學性質於設計階段不易確切掌握 , 故一般需透過施工階段之安全監測及回饋分析 , 以掌握邊 

坡之穩定性 , 並進行必要之設計修正或補強措施 , 確保施工安全。 

二、分析案例 

2.1 工程概述 

基隆河員山子分洪工程於進水口處設置低型攔河堰 , 攔截基隆河員山子以上 91.2 平方公 

里集水區之部份洪水 , 由側面溢流方式匯入分洪隧道 , 以減少基隆河中、下游洪水期流量 , 

解決基隆河水患問題。進行進水口處攔河堰、側流堰結構物及束縮段等相關工程 ( 參見圖 1), 

由於進水口工區需進行大規模之邊坡降挖施工 , 最大開挖深度為 29 公尺 ( 高程 73 公尺至 44 公 

- 429 -

楊黃政、蕭富元、俞旗文 

隧道洞口高陡邊坡穩定分析案例探討 429-438 

尺 ), 施工採分階降挖方式。 

2.2 地質狀況 

本區邊坡降挖所遭遇之地盤主要為崩積層及風化軟弱岩盤 , 基礎岩盤為中新世大寮層之 

層狀砂岩夾薄層頁岩及砂頁岩互層 , 上覆厚度約 5~30m 之崩積層。根據設計階段室內岩心單 

壓試驗顯示 , 基礎新鮮岩盤岩心強度由 50 至 400kg/cm 2 不等 , 惟現場開挖面可見部分岩盤已 

受中至高度風化 , 岩質已較為軟弱 , 故現場之岩心單壓強度應低於前述之試驗結果 ; 崩積層 

則多含礫石 , 標準貫入試驗 N 值約在 14~18 之間 , 現地岩盤狀況參見圖 2。層面位態約 

N60°E/55°NW, 而邊坡走向大致為南北向 , 故邊坡開挖後非屬順向坡 , 主要節理有二組 , 分 

別約為 N20°~30°W/75°~80°NE、N20°~30°E/75°~85°NW, 現場岩體評分 RMR 值約在 48~60 

之間。 

N 

束縮段 

分洪隧道 

排樁支撐工 

側 

流 

堰 

圖 1 隧道進水口平面佈置圖 

圖 2 進水口邊坡開挖出露之岩盤及崩積層 

2.3 監測結果 

為觀測邊坡之開挖安定性 , 其中設在分洪隧道進水口處邊坡之主要計測儀器為伸縮儀 

E-2、地錨荷重計 L-12 及 L-13 與地表位移觀測點 D-9-1, 其相關位置參見圖 3, 監測結果如 

圖 4~ 圖 6 所示。 

監測結果顯示 , 伸縮儀 E-2 於降挖至高程 47.5 公尺時 , 在 5m、10m、15m 及 20m 等不 

同深度所測得之變位量分別約為 11mm、16mm、26mm 及 30mm, 其中可見 5m 及 10m 深之 

變位量大致已不再增加 , 但 15m 及 20m 深之變位量則持續以相同速率緩慢增加 , 顯示其潛在 

滑動面深度或岩體鬆動範圍約在 10m~15m 之間 ; 同時邊坡在降挖至高程 47.5 公尺後 , 現場 

雖不再降挖施工 , 但伸縮儀 15m 及 20m 深之變位量仍持續增加 , 顯示邊坡岩盤有弱化及潛變 

現象發生。 

同時地錨荷重量之變化趨勢與伸縮儀相似 , 在邊坡停止降挖後 , 亦持續緩步增加 , 分別 

- 430 -



由 80T 及 70T 增加至 83T 及 82T。地表位移觀測點 D-9-1 計測結果亦與上述兩項計測儀器相 

同 , 垂直與水平變位量均約 25mm 左右 , 其後亦持續增加至之 48mm。 

整體而言 , 進水口邊坡變位雖已大致趨緩 , 但監測結果顯示地錨荷重業已偏大 , 同時邊 

坡地盤於開挖解壓後似有持續弱化及潛變趨勢 , 顯示邊坡可能暫處於臨界穩定狀態。由於邊 

坡後續將進行進一步之降挖施工 , 邊坡之變位量及支撐工受力將進一步擴大 , 由以往邊坡施 

工經驗顯示 , 待邊坡產生不穩定 , 發生大規模滑動時 , 欲再以增設支撐工方式穩定邊坡將極 

為困難 , 故降挖前應對進水口邊坡狀況進行瞭解並研擬適當之對策 , 以確保邊坡降挖時之穩 

定性及其長期安定性。 

圖 3 監測儀器安裝位置 

E-2 進水口洞口東側排樁電子式 20M Extensometer 

10.00 

0.00 

E-2(5M) 

E-2(10M) 

E-2(15M) 

E-2(20M) 

Deformation(mm) 

-10.00 

-20.00 

-30.00 

-40.00 

2003/8/27 2003/10/26 2003/12/25 2004/2/23 2004/4/23 2004/6/22 2004/8/21 

Date 

圖 4 伸縮儀 E-2 監測結果 

- 431 -



地錨荷重受力 

50 

40 

X 

Y 

90.0 

L-12 

L-13 

30 

20 

Z 

10 

80.0 

0 

荷重 (Ton) 

70.0 

60.0 

D eform ation(m m ) 

-10 

-20 

-30 

-40 

-50 

-60 

-70 

50.0 

-80 

-90 

40.0 

2003/9/2 2003/11/1 2003/12/31 2004/2/29 2004/4/29 2004/6/28 2004/8/27 

日期 

-100 

2003/9/4 2003/10/4 2003/11/3 2003/12/3 2004/1/2 2004/2/1 2004/3/2 2004/4/1 

Date 

圖 5 地錨荷重計 L-12 及 L-13 監測結果 

圖 6 位移觀測點 D-9-1 監測結果 

三、分析方法 

本次回饋分析採用二維有限差分程式 FLAC 作為分析工具 , 分析斷面參考計測儀器伸縮 

儀 E-2 及地錨荷重計 L-12 及 L-13 所在位置 , 數值分析網格如圖 7 所示。分析之基本假設如 

下 : 

(1) 本段岩盤為彈塑性材料 , 符合莫爾庫倫破壞準則屈服模式。 

(2) 現地假設側向水平應力與垂直應力相等 , 邊坡應力狀態由自重產生。 

(3) 邊坡基礎岩盤強度參數之推估係根據 Hoek (2002) 建議方法。由邊坡岩體評分結果 (RMR 

平均值約為 55) 及岩心單壓強度 ( 取 10MPa), 推估莫爾庫倫破壞包絡線及切取岩盤平均強 

度參數。結果得岩盤凝聚力 c 為 2 kg/cm 2 、摩擦角 φ 為 31°, 如圖 8(a) 所示。 

(4) 邊坡基礎岩盤變形模數之推估則參考中興社岩體變形特性與 RMR 岩體評分值關係之研 

發成果 (SEC/R-GT-97-04), 取岩心材料強度較小之弱岩類 (σ c



JOB TITLE : . 

FLAC (Version 4.00) 

(*10^2) 

1.400 

LEGEND 

1-Mar-04 9:48 

step 14922 

3.464E+00



4.1 施工狀況數值模擬 

四、分析結果與安全評估 

根據上述邊坡地質與施工挖撐狀況進行數值分析 , 首先模擬降挖至高程 47.5 公尺時 , 邊 

坡變位情形及塑性區範圍 , 再將材料力學參數折減為原先之 80%~85%, 以模擬邊坡開挖後之 

持續弱化及潛變行為 , 結果如圖 9 所示。根據坡面上各項計測儀器安裝實測時機 , 將分析結 

果分別與降挖施工及材料弱化兩階段計測值進行比對 , 結果如表 2 所示。由表中可見 E-2 伸 

縮儀及 D-9-1 地表變位量測值與數值分析值均極為接近 , 同時支撐工地錨荷重計 L-12 及 L-13 

之量測值與分析值亦相去不遠 , 顯示邊坡開挖數值分析結果與現場情況大致相同 , 可代表進 

水口邊坡材料參數及現階段降挖施工情形。 

JOB TITLE : . 

(*10^2) 

JOB TITLE : . 

(*10^2) 



LEGEND 

1.000 

LEGEND 

1.100 

5-Mar-04 13:39 

step 80965 

4.760E+01



4.2 後續施工模擬 

為進一步評估在後續降挖至原設計底部高程 (44 公尺 ) 時 , 不同施工方法對邊坡行為之影 

響。首先在不增設支撐工情況下 ( 原方案 ), 直接降挖至最終底部高程 , 降挖後邊坡之變位量 

及塑性區範圍如圖 10 所示。分析結果顯示 , 測點 D-9-1 地表變位水平增量約 11mm、垂直變 

位增量約 16mm 左右 , 而 E-2 伸縮儀 5m、10m 及 15m 深測點之變位量均無明顯增加 , 但 20m 

深測點之變位量則與地表變位增量相近 ( 約 11mm 左右 ), 參見表 3, 顯示其潛在滑動面或岩體 

鬆動範圍可能會由現階段之 10~15m 深擴大至 15~20m 深 , 由圖 11 亦可見降挖後塑性區範圍 

明顯增加至深層處 , 對邊坡安定有極不利之影響。至於地錨荷重增加情形 , 安裝於高處之地 

錨 L-12 (El.69m) 受降挖影響不大 , 但安裝於低處之地錨 L-13 (El.60m) 則受降挖影響甚大 , 荷 

重將增加約 27 噸 , 達 117 噸左右 , 詳見表 3。 

有鑑於在施工過程中停止開挖後支撐工變位及受力持續增加的情況下 , 直接降挖對邊坡 

安定極為不利 , 乃進一步進行降挖前補強方案之探討 , 本研究共提出三種補強方案分析結果 

分述如下 : 

【方案一】邊坡基腳僅以噴凝土封面處 , 增設 3 排 60 噸預力地錨 (L=16m,@ H 4.0m×V 3.0m) 

結果顯示本方案可有效改善邊坡變位及支撐工受力情形 , 降挖後測點 D-9-1 之地表水平及垂 

直變位增量減少為 3mm 及 6mm 左右 , 伸縮儀 20m 深變位增量亦減少為 3mm; 原本荷重大 

幅增加之 L-13 地錨 , 約再增加 8 噸左右 , 增量減少幅度達 70%。降挖後邊坡變位向量圖及塑 

性區範圍參見圖 12 所示 , 塑性區範圍改善情形參見圖 13。 

【方案二】邊坡基腳僅以噴凝土封面處 , 增設 1 排 60 噸預力地錨 (L=20m,@ H 2.0m)。結果 

測點 D-9-1 之地表水平及垂直變位增量約 8mm 及 5mm 左右 , 而伸縮儀 20m 深變位增量約 

5mm;L-13 地錨荷重增量則約 16 噸左右 , 增量減少幅度約為 40%。降挖後邊坡變位向量圖 

及塑性區範圍如圖 14 所示。 

【方案三】考慮現場可施作情況 , 採交錯排列方式增設二排地錨 , 高度約 1.5m, 間距為 

1.5m(L=20m,@ H 1.5m×V 1.5m)。結果測點 D-9-1 之地表水平及垂直變位增量約 5mm 及 3mm 

左右 , 而伸縮儀 20m 深變位增量約 3mm;L-13 地錨荷重增量則約 11 噸左右 , 增量減少幅度 

約為 60%。降挖後邊坡變位向量圖及塑性區範圍如圖 15 及圖 16 所示。 

- 435 -



JOB TITLE : . 

(*10^2) 

JOB TITLE : . 

(*10^2) 


1.050 


LEGEND 

0.950 

LEGEND 

1.200 

12-Mar-04 18:00 

step 95697 

4.534E+01



JOB TITLE : . 

(*10^2) 

JOB TITLE : . 

(*10^2) 


1.050 


1.100 

LEGEND 

0.950 

LEGEND 

15-Mar-04 9:50 

step 90264 

4.534E+01



五、結論與建議 

1. 本文主要係根據員山子分洪隧道進水口邊坡施工地質及監測資料 , 進行回饋分析及後續降 

挖預測分析。數值分析所得之邊坡變位量及地錨荷重與現場監測結果相近 , 顯示本數值模 

擬可反映邊坡地盤條件與施工情形。 

2. 分析結果顯示 , 此邊坡若按原擬方案持續降挖 , 潛在滑動面或岩體鬆動範圍將由 10~15m 

深進一步擴大至 15~20m 深 , 同時安裝於較低處之地錨荷重亦將有大幅度之增加 , 增幅約 

達 27 噸左右 , 顯示邊坡將處於極不利狀態。為安全考量 , 研擬三種補強方案 , 並透過數 

值分析進行補強成效分析。 

3. 現場後續施工採用本分析結果方案三進行補強 , 於再降挖前在邊坡坡腳採噴凝土封面 

處 , 增設預力地錨予以補強 , 順利完成施工。 

參考文獻 

[1]. 陳錦清、俞旗文、蕭富元 , 岩體變形特性與 RMR 岩體評分值關係之研究 ( 專案研究報告 ), 

中興工程顧問社工程研究基金報告 ,SEC/R-GT-97-4(1997)。 

[2]. 陳錦清、俞旗文、蕭富元 , 國內隧道支撐設計適當性與施工方法對隧道行為影響檢討 , 

中興工程顧問社工程研究基金報告 ,SEC/R-GT-97-01(1996)。 

ABSTRACT 

Steep slope could be encountered in tunnel portal area due to limitations of topography or alignment 

design. In such condition, benching down the slope to the portal elevation was often carried out 

prior to the tunnel excavation. The slope stability will be affected during the benching movement 

and the very beginning of tunneling in to the rock face, especially when support works are not 

constructed adequately. The rock masses in steep slope are often significantly weathered and their 

mechanical properties are difficult to evaluate in the design phase. In practice, in-situ monitoring 

and back analysis of monitoring results are usually necessary to evaluate the slope stability, and 

remedial measures can be implemented if required to ensure the safety of slope construction. 

This paper introduces a case history in northern Taiwan. In the case, a steep slope in the inlet portal 

of a flood diversion tunnel was found to suffer excessive deformation and continuously increasing 

loads on installed pre-stressed tendons when the slope was benching down to the tunnel elevation. 

Base on the monitored conditions and detailed geologic survey, back analysis was conducted to 

assess the slope instability and some alternatives remedial measures were studied and recommended. 

Using one of the alternative remedial measure for maintaining the slope stability, the contractor was 

able to control the slope stability and the ensured the tunnel stability later on. 

Keywords: the slope stability, monitoring, back analysis. 

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隧道洞口高陡邊坡穩定分析案例探討

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