112 年 國立成功大學資源工程學系碩士班甲組《工程地質》

隧道開挖時圍岩變形或破壞的主要原因，可歸納為以下幾點：

1. 應力重分佈 (Stress Redistribution)：

   • 原因：在開挖前，圍岩處於地應力狀態。開挖行為移除了一部分的岩體，導致原有的應力場發生改變。在開挖面周圍，應力會重新分佈，通常會產生應力集中現象，特別是在開挖邊緣、節理或斷層附近。這些集中的應力可能超過圍岩的抗拉強度或抗壓強度，進而導致岩石破裂、變形或崩塌。
   • 說明：例如，水平應力較大的情況下，開挖隧道會導致水平應力在開挖周圍集中，可能引起岩拱的變形或倒塌。

2. 圍岩本身的性質 (Intrinsic Rock Mass Properties)：

   • 原因：圍岩的力學性質，如抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、彈性模數、泊松比等，直接影響其抵抗應力變化的能力。若圍岩本身較軟弱、破碎，或是含有較多的軟弱夾層、節理、斷層等不連續面，則更容易在開挖應力的作用下發生變形或破壞。
   • 說明：例如，在泥岩或頁岩中開挖，其強度較低，容易發生蠕變變形；含有大量節理的岩體，則可能因節理面的滑動而產生塊狀崩落。

3. 地下水影響 (Groundwater Influence)：

   • 原因：地下水的存在會降低圍岩的有效應力，進而降低其強度。水壓作用會對節理面產生推力，增加滑動的可能性。同時，地下水滲入岩體孔隙或節理，可能引起岩石的溶蝕、膨脹（如某些黏土礦物）或風化，進一步削弱岩體強度。
   • 說明：在高水壓區域開挖，若無有效的止水措施，水壓會對開挖面產生極大的壓力，可能導致湧水、抽坍甚至噴砂。

4. 開挖方法與支撐系統不當 (Improper Excavation Method and Support System)：

   • 原因：不合適的開挖方法（如過大的超挖、過快的推進速度）或支撐系統（如支撐間距過大、錨固力不足、襯砌強度不夠）無法及時有效地承受重新分佈的應力，也會導致圍岩變形或破壞。
   • 說明：例如，採用全斷面開挖但支撐延遲，或使用預計承載能力不足的鋼拱支撐，都可能導致開挖面失穩。

處置方法 (Remedial Measures)：

針對上述原因，處置方法可分為預防性措施和事後補救措施：

1. 應力控制與減緩 (Stress Control and Mitigation)：

間接式地下探勘方法（Indirect Geophysical Exploration Methods）是指利用地球物理學原理，透過量測地表或孔口附近的物理參數（如電阻率、磁場、重力場、地震波速等），來推斷地下地質結構、岩性、水文地質條件等的一系列方法。這些方法不直接接觸地下介質，故稱為間接法。

以下列舉三項常用的間接式地下探勘方法，並說明其資料判讀、校正方法與步驟：

1. 電阻率法 (Electrical Resistivity Method)

• 原理：利用電流通過地下的介質時，不同介質的電阻率不同，藉由量測地表施加的電流和電位差，計算出地下各點的視電阻率，進而推斷地下電性結構。
• 資料判讀：
  • 剖面圖與等值線圖：將量測數據轉換為二維或三維的電阻率剖面圖或等值線圖。高電阻率區域通常代表乾燥、堅硬的岩石或岩層，低電阻率區域則可能代表含水層、破碎帶、黏土層或污染區域。
  • 反演模型 (Inversion Modeling)：使用電腦軟體，根據量測數據建立地下電阻率分布模型。通過疊代計算，使模型計算出的電位差與實際量測值之間的誤差最小化，從而獲得更接近真實的地下電阻率結構。
• 校正方法與步驟：
  • 儀器校正：定期檢查儀器的接地電阻、電極接觸狀況，確保量測數據的準確性。
  • 幾何校正：根據採用的電極排列方式（如Wenner, Schlumberger, Dipole-Dipole等），計算出正確的視電阻率值。
  • 環境校正：考慮地表地形、植被、人為干擾（如電線、管線）對量測的影響，必要時進行數據濾波或剔除異常值。
  • 現場驗證：將地球物理探測結果與鑽孔資料、地質圖進行對比，驗證解釋的準確性。如果存在較大差異，則需要調整反演模型或重新進行現場量測。

2. 地震法 (Seismic Method)

• 原理：透過在地表施加地震波（如人工震源，敲擊鋼板、小型炸藥），記錄地震波在地下傳播、反射、折射後到達地表接收器（測線）的時間。不同岩性、結構的地下介質對地震波的傳播速度不同，藉此推斷地下結構。
• 資料判讀：
  • 走時曲線 (Travel-time Curves)：繪製地震波到達各測線的時間-距離圖。從曲線的斜率可以計算出地震波在不同介質中的傳播速度。
  • 速度結構模型：利用正反演技術，建立地下介質的地震波速度分布模型。速度越高的區域通常代表越堅硬、緻密的岩石，速度較低的區域可能代表破碎、軟弱的岩體或含水層。
  • 反射/折射剖面圖：對於地震反射法，可以獲得反映地下界面（如地層界面、斷層）的反射剖面圖；對於地震折射法，則可獲得反映地下速度分層結構的剖面圖。
• 校正方法與步驟：
  • 儀器校正：校準地震儀器的靈敏度、記錄時間精度。

工程地質圖（Engineering Geological Map）是一種專門的地圖，它不僅顯示地表的地理特徵，更重要的是標示出影響工程建設的各種地質資訊。與傳統的地質圖相比，工程地質圖更加側重於地質體的工程性質、潛在的工程地質問題以及對工程建設的影響。

工程地質圖的主要內容與特徵包括：

1. 地質單元劃分：

   • 岩性與地層：標示出不同種類的岩石（如砂岩、頁岩、花崗岩、安山岩等）及其年代。
   • 地質構造：繪製斷層、褶皺、節理、裂隙等構造的分布，標示其產狀（傾向、傾角）。
   • 第四紀地層與鬆散堆積物：詳細標示沖積層、坡積層、崩積層、火山灰、黏土等鬆散堆積物的分布、厚度、工程性質。

2. 工程地質單元 (Engineering Geological Units)：

   • 這是工程地質圖的核心。地質單元不僅是基於岩性、年代，更重要的是基於其工程性質。例如，將同一岩性的不同風化程度、破碎程度或含水量的區域劃分為不同的工程地質單元。
   • 每個工程地質單元都會有相應的圖例說明，詳細描述其工程性質，如：
     • 強度：抗壓強度、抗剪強度。
     • 變形參數：彈性模數、泊松比、剪脹性。
     • 滲透性：導水係數、滲透係數。
     • 穩定性：對邊坡滑動、沉陷、崩塌等的潛在風險。
     • 其他特性：膨脹性、可壓縮性、溶蝕性、風化程度等。

此題考驗對工程地質中野外調查數據（特別是節理或斷層資料）的判讀能力，以及如何利用這些數據評估邊坡穩定性。題目提供的圖示為一個立體投影圖（Stereographic Projection），常用於分析岩體不連續面的產狀。

圖示說明與意義 (Interpretation of the Stereographic Projection Data):

圖中顯示了三個主要元素：

1. 黑色圓點（實心點）：代表量測到的節理或斷層的產狀 (Pole)。極點的投影位置反映了該不連續面的傾角和傾向。通常，節理面的法線（Normal）會投影到極點的位置。
2. 大圓線 (Great Circles)：代表量測到的節理或斷層的面 (Plane)。大圓線的走向與節理面的走向平行，其圓心到邊緣的距離代表了傾角的大小。
3. 箭頭 (Arrows)：圖中標示了 "N", "S", "E", "W"，代表地理方位。還有 "Cleavage" 指示了某種劈理的方向。圖中也標示了 "Joint 1" 和 "Joint 2"，分別代表兩組主要的節理。

這些資料展示的意義在於：

• 量化不連續面的空間關係：透過極點投影，可以直觀地了解大量節理或斷層的空間分布規律，避免了單純記錄產狀的繁瑣。
• 識別主要構造面：通過觀察極點的聚集程度，可以識別出主要的節理或斷層群。
• 分析岩體塊體行為：極點和對應的大圓線可以幫助分析岩體是否容易發生滑動、滾落或楔形破壞。
• 評估邊坡穩定性：將坡面的產狀與岩體內不連續面的產狀進行對比，是評估邊坡穩定性的關鍵步驟。

地層位態研判 (Deducing Stratigraphy Orientation):

雖然題目中直接顯示的是節理（Joint 1, Joint 2）和劈理（Cleavage）的投影，但它們的產狀與地層的產狀往往有密切關聯。

• 節理的形成：節理通常是岩石在應力作用下產生的裂隙，其產狀可能與地層的原始結構面（如層理）或後期的構造活動有關。
• 劈理 (Cleavage)：劈理是變質岩或某些沉積岩中常見的平面構造，其產狀通常與岩石的整體層理或變形方向一致。如果圖中的 "Cleavage" 代表了地層的層理或主要劈理方向，那麼我們可以推斷地層的位態。
• 推斷步驟：
  1. 識別主要結構面：觀察圖中極點的聚集區域，找出主要的節理群（如 Joint 1, Joint 2）和劈理。
  2. 從極點推算面：對於每個極點，可以大致推算出其對應的節理面的傾向和傾角。
  3. 從劈理推斷地層：如果 "Cleavage" 代表地層的層理，則其大圓線的走向和傾角就直接代表了地層的走向和傾角。
  4. 綜合分析：若無直接標示層理，可結合節理的產狀，分析節理是否平行於或與地層層理有特定關係。例如，若節理面與地層層理大致平行，則節理面的產狀可近似代表地層的產狀。

坡地安定性研判 (Assessing Slope Stability):

坡地安定性評估，特別是當存在不連續面時，主要依賴於不連續面與坡面的相對關係，以及不連續面的產狀。常用的方法包括：

1. 滑動面分析 (Sliding Plane Analysis)：
   • 判斷標準：
     • 傾角：節理面或斷層面的傾角（$\phi_p$）必須大於岩石的內摩擦角（$\phi$）才能發生滑動。
     • 傾向：節理面的傾向（Strike）必須與坡面的傾向相近，且傾角必須小於坡面的傾角。
   • 圖示應用：
     • 坡面產狀：首先需要知道坡面的產狀（傾向和傾角）。假設坡面產狀為 $S_p$。
     • 節理產狀：圖中已給出節理（Joint 1, Joint 2）和劈理的極點投影。我們需要將這些極點轉換回節理面的傾向和傾角。
     • 判別潛在滑動面：

災害潛勢（Hazard Potential）評估，是指對特定區域在未來可能遭受某種災害（如地震、洪水、山崩、土石流、地層下陷等）的機率、強度及影響範圍進行評估的過程。其目的是為了預警、防災規劃、土地利用管理及風險評估。

災害潛勢評估方法 (Methods for Hazard Potential Assessment)

災害潛勢的評估方法多樣，通常結合了地質、地理、氣象、水文、社會經濟等多學科的知識，並可分為以下幾類：

1. 歷史災害分析法 (Historical Hazard Analysis)：

   • 方法：收集和分析歷史上該區域發生的災害記錄，包括災害類型、發生時間、影響範圍、強度、損失等。
   • 數據：歷史災害目錄、歷史文獻記載、古籍、地方誌、新聞報導、照片、口述歷史等。
   • 結果：估計未來發生類似災害的頻率（如百年一遇、千年一遇）和可能的強度。
   • 可能誤差：歷史記錄可能不完整、不準確；現代社會的土地利用變化可能改變災害的發生條件；過去的強度不一定代表未來的最大強度。

2. 地質與地貌分析法 (Geological and Geomorphological Analysis)：

   • 方法：結合野外地質調查、遙感影像判讀、GIS分析，識別與特定災害相關的地質條件和地貌特徵。
   • 數據：
     • 地質：岩性、地層、斷層、褶皺、土壤類型、土壤物理力學性質（強度、滲透性）、地下水位、地下水流向。
     • 地貌：坡度、坡向、坡形、高程、河流密度、流域面積、地形起伏度。
     • 遙感與GIS：衛星影像、航空照片、DEM（數字高程模型）、地質圖、土壤圖、土地利用圖、水系圖。
   • 結果：繪製地質災害（如滑坡、崩塌、地震斷層帶、液化潛勢區）或地貌相關災害（如洪水淹沒區、土石流潛勢區）的空間分布圖。
   • 可能誤差：地質條件的複雜性導致勘查不夠全面；遙感影像的分辨率和精度限制；模型簡化可能導致結果偏差。

3. 儀器觀測與監測法 (Instrumental Observation and Monitoring)：

   • 方法：利用各種地球物理、水文氣象儀器，長期監測與災害相關的物理參數。
   • 數據：
     • 地震：地震儀記錄的地震活動、震源參數。
     • 地變：GPS、全站儀、InSAR（干涉合成孔徑雷達）監測地表變形。
     • 水文氣象：雨量計、水位計、流量計、風速儀、溫濕度計等氣象數據。
     • 地質：孔隙水壓力計、應力計、位移計等。
   • 結果：建立時間序列數據，分析參數變化趨勢，建立預警模型，估計未來災害發生的閾值。
   • 可能誤差：儀器故障、維護不當、數據採集密度不足、站點布局不合理、模型參數設定不當。

山崩（Landslide），廣義上是指斜坡上的岩土體在重力作用下，整體或分散地發生突然下滑的現象。它是一個複雜的地質災害，涉及多種因素。

一、山崩的種類 (Types of Landslides)

根據岩土體的移動方式、介質類型和形態，山崩可分為多種類型，常見的分類如下：

1. 滑動型 (Slides)：

   • 特點：岩土體沿一個或多個清晰的滑動面整體移動。
   • 細分：
     • 岩質滑動 (Rock Slides)：滑動體為岩石，常沿節理、斷層或層理面滑動。
     • 土質滑動 (Debris Slides / Earth Slides)：滑動體為土壤或風化岩石。
     • 土塊流 (Debris Flows)：滑動體為鬆散的土、砂、石塊，在水的作用下產生高速流動，常沿著河道或溝谷發生。
     • 圓弧形滑動 (Rotational Slides)：滑動面呈圓弧形，滑動體像一個整體繞著一個軸心旋轉下滑，常發生在較厚的黏性土層中。
     • 平面滑動 (Translational Slides)：滑動面近似平面，沿著傾角較小的結構面（如節理、層理）滑動。

2. 流動型 (Flows)：

   • 特點：岩土體像黏稠液體一樣流動，移動速度較快，變形複雜。
   • 細分：
     • 土流 (Earthflows)：由黏性土構成，移動緩慢，形狀不規則。
     • 泥石流 (Debris Flows)：如上所述，流速快，具有很大的破壞力。
     • 岩屑流 (Rock Avalanches)：由鬆散岩塊構成，移動速度極快，距離遠。

3. 傾倒型 (Topples)：

   • 特點：岩塊或土塊沿著一個較陡的結構面（如節理、斷層）或基岩面發生向前或向側方傾倒。

4. 崩塌型 (Falls)：

   • 特點：岩土體從高陡斜坡上突然脫離，自由下落或滾落。
   • 常見於：懸崖、陡峭的岩石邊坡。

二、山崩的成因 (Causes of Landslides)

山崩的發生通常是多種因素共同作用的結果，主要可分為內在因素（觸發因素）和外在因素（誘發因素）。

1. 內在因素 (Intrinsic Factors)：

   • 坡度與坡形：陡峭的坡度提供了較大的重力分量，易於滑動。
   • 地質條件：
     • 岩性：軟弱、易風化、膨脹性或滲透性差的岩土（如黏土、頁岩、風化岩石）更容易失穩。
     • 構造：節理、斷層、層理等不連續面的存在，提供了潛在的滑動面，並影響岩體的整體強度。
     • 地層結構：順向坡（層理或節理傾向與坡面傾向一致且傾角小於坡面傾角）是最危險的地質構造。
   • 地下水：地下水滲入岩土體，會增加孔隙水壓力，降低岩土體的有效應力，從而減小抗剪強度。同時，水也會對節理面產生推力，加速滑動。

2. 外在因素/誘發因素 (Extrinsic/Triggering Factors)：

   • 降雨：長時間的降雨或強降雨是誘發山崩最常見的原因。雨水滲入岩土體，增加飽和度，提高孔隙水壓力，降低強度。
   • 地震：地震的震動會產生動力荷載，瞬間降低岩土體的強度，並可能使原本穩定的坡體失穩。
   • 人類活動：
     • 坡體改造：道路開挖、建築物基礎開挖、採礦、坡地開發等，改變了坡體的應力狀態和穩定性。
     • 水體影響：水庫蓄水、河流沖刷坡腳、不當的排水等，都會影響坡體的穩定。
     • 振動：工程爆破、交通振動等。
   • 其他因素：冰雪融水、火山活動、植被破壞（減少了對土壤的固持作用）等。

三、山崩的危險度劃分 (Classification of Landslide Hazard Risk)

山崩的危險度劃分是基於對山崩發生頻率、影響範圍、強度以及潛在損失的評估。通常會劃分為不同的等級，如高、中、低危險區。

1. 評估指標：
   • 地質條件：岩性、構造、坡度、坡形、順向坡情況。
   • 水文氣象條件：降雨強度、地下水位、排水狀況。
   • 歷史災害記錄：過去的滑坡發生頻率和規模。
   • 人類活動影響：工程活動對坡體的干擾程度。