113 年 國立成功大學資源工程學系碩士班甲組《工程地質》

此題旨在探討地質條件對工程建設可能造成的影響。工程地質學的核心便是研究地質環境如何影響工程的設計、施工與營運。

解題思路：
需舉出具體的工程實例，並連結到其背後的地質原因。可以從建築、交通、水利、能源等不同領域的工程項目來思考。

範例說明：

1. 建築物基礎沉陷問題：

   • 工程問題：在某地區興建高樓時，發現部分建築物產生不均勻沉陷，影響結構安全。
   • 地質原因：該地區的土壤屬於軟弱黏土層，承載力低。若基礎設計未考慮到土壤的壓縮性，或未將基礎深入到較堅硬的土層，就容易發生沉陷。此外，若地下水位變動劇烈，也會引起土壤體積變化，進而影響基礎穩定。

2. 山區道路邊坡失穩：

   • 工程問題：在山區開鑿道路時，發生多次邊坡崩塌、滑動，危及行車安全，並造成工程延宕。
   • 地質原因：山區的地層可能破碎、含有軟弱夾層（如泥岩、頁岩）、或存在斷層、節理等不連續面。

此題與第一題類似，但側重點略有不同。第一題強調「地質」如何影響「工程」，而此題則強調「工程」與「地質」之間的相互關係，可能包含工程活動對地質環境的反饋。

解題思路：
思考工程建設過程中，哪些環節會與地質環境互動，並可能引發地質上的問題。

範例說明：

1. 隧道開挖引發的地表變形與建築物損壞：

   • 工程活動：在城市地下進行地鐵隧道開挖。
   • 地質問題：隧道開挖會改變圍岩的應力狀態，可能導致隧道周圍土體或岩體發生變形。若開挖面支撐不足，或穿越軟弱地層、含水層，可能引起上覆地層的沉降，進而損壞地表建築物（如龜裂、傾斜）。

2. 水庫蓄水誘發地震（Reservoir-Induced Seismicity, RIS）：

   • 工程活動：在山谷地區建造大型水庫。

RQD 是 Rock Quality Designation 的縮寫，中文稱為「岩石品質指標」。它是評估岩石完整性（或稱塊度、破碎程度）的一項重要參數，常用於隧道、邊坡、基礎等工程的設計與評估。

RQD 的定義：
RQD 是以岩芯鑽探獲得的岩芯為基礎來計算。其定義為：將取得的岩芯中，長度大於或等於 10 公分（4 英吋）的岩芯總長度，除以鑽孔的總進尺長度，再乘以百分比。
$RQD = \frac{\sum L_{10cm}}{L_{total}} \times 100\%$
其中：

• $L_{10cm}$ 為長度大於或等於 10 公分的完整岩芯段的總長度。
• $L_{total}$ 為鑽孔的總進尺長度。

RQD 的數值高低代表的意涵：
RQD 值直接反映了岩體在鑽探過程中，其塊度（塊體大小）和裂隙發育的程度。數值越高，表示岩體越完整、塊度越大、裂隙越少；數值越低，表示岩體越破碎、塊度越小、裂隙越多。

一般而言，RQD 的等級劃分及其意涵如下：

• RQD > 90%：極佳的岩石品質（Very Good to Excellent）。岩體非常完整，裂隙少，可能為塊狀或巨塊狀結構，適合進行隧道開挖、基礎承載等。

SPT (Standard Penetration Test)，標準貫入試驗，是地盤調查中最常用、最經濟的試驗方法之一，用於評估砂土和軟黏土的相對密度、稠度、承載力及土層的破碎程度。其測試結果（N 值）會受到多種因素的影響。

影響 SPT 測值的因數 (Factors Affecting SPT N-value)：

1. 土的種類與性質 (Soil Type and Properties)：

   • 顆粒級配 (Gradation)：含水量較高的細砂、粉砂，其 N 值會偏低。而含有較多黏土質的砂土，N 值可能偏高。
   • 密實度/稠度 (Density/Consistency)：這是 SPT 主要反映的性質。越密實的砂土或越硬的黏土，N 值越高。
   • 含水量 (Water Content)：過高的含水量會降低砂土的有效應力，可能導致 N 值偏低。

2. 試驗操作與儀器 (Test Procedure and Equipment)：

   • 落錘能量 (Hammer Energy)：落錘的實際能量傳遞效率對 N 值影響很大。標準能量為 60 kg 的重錘從 76 cm 高度自由落下。若能量不足（如採用滑動錘或能量傳遞效率低），N 值會偏低。
   • 錘的自由落下 (Free Fall)：確保錘能自由落下，不受阻礙。
   • 鑽桿的重量與阻尼 (Drill Rod Weight and Damping)：過長的鑽桿或不當的連接可能吸收部分衝擊能量。
   • 取土器的種類與尺寸 (Sampler Type and Size)：標準取土器（Split-spoon sampler）的尺寸和內壁光滑度會影響貫入阻力。
   • 鑽孔的穩定性 (Borehole Stability)：若鑽孔壁不穩定，特別是在砂土中，孔壁塌陷會干擾錘的自由落下或取土器的貫入。
   • 貫入深度 (Penetration Depth)： SPT 試驗通常記錄前 15 cm 的貫入量（作為預貫入），然後記錄後 30 cm 的貫入量。若土層非常硬，難以貫入 30 cm，則記錄實際貫入量（如 10 cm / 15 cm）。

3. 地應力狀態 (In-situ Stress State)：

   • 圍壓 (Confining Pressure)：埋深較大的土層，其圍壓較高，N 值會相對偏高。
   • 有效應力 (Effective Stress)：孔隙水壓力過高會降低有效應力，進而降低 N 值。

地下坑室（如隧道、地鐵、地下電站、礦井等）的開挖是典型的工程地質問題，其成功與否極大程度取決於地質狀況。地質狀況的差異會對開挖的穩定性、施工難度、支護需求、湧水等產生顯著影響。

地質狀況對地下坑室開挖的影響：

1. 岩體/土體的強度與變形特性：

   • 影響：堅硬、完整、高強度的岩體（如花崗岩、石英岩）開挖相對容易，支護需求低，但可能需要爆破；破碎、軟弱的岩體或土體（如泥岩、砂岩、軟弱黏土）強度低，易變形、失穩，需要更強的支護措施，施工難度大。
   • 關鍵參數：單軸抗壓強度 (UCS)、剪脹係數、彈性模數、泊松比。

2. 不連續面（裂隙、節理、斷層、層理）的發育程度與性質：

   • 影響：豐富的不連續面會降低岩體的整體強度，形成潛在的滑動面，增加邊坡失穩或岩塊崩落的風險。斷層帶通常破碎、含泥夾層，滲水性強，施工極為困難，穩定性差。
   • 關鍵參數：裂隙密度、裂隙寬度、裂隙充填物、裂隙張開度、節理面的摩擦角。

3. 圍岩應力狀態：

   • 影響：高應力區域（如深埋隧道）可能發生岩爆（Rockburst），即圍岩突然釋放巨大能量導致岩塊崩裂，對施工安全和支護設計構成嚴重威脅。應力集中也可能導致圍岩壓潰。
   • 關鍵參數：初始地應力（水平應力與垂直應力比值）、岩體強度。

4. 地下水狀況：

   • 影響：
     • 湧水：含水層貫穿開挖面會導致大量湧水，影響施工進度，降低土體/岩體的強度（有效應力降低），甚至引發流砂、塌孔。
     • 水壓力：高水壓力對支護結構造成巨大負荷，若支護失效，可能導致滲漏、坍塌。
     • 水化軟化：某些岩石（如泥岩、雲母含量高的岩石）在水的作用下會發生水化軟化，強度顯著降低。
   • 關鍵參數：水文地質參數（滲透係數、孔隙水壓力）、岩石的水敏感性。

5. 地質構造（褶皺、斷層、傾角）：

   • 影響：傾斜的地層，若開挖面與傾角方向不利，可能導致岩層沿層理或節理滑動。斷層帶的破碎性與滲水性是施工難點。
   • 關鍵參數：地層傾角、斷層走向與傾角。

對策 (Countermeasures)：

針對上述影響，需採取相應的工程地質勘查與對策。

1. 詳細的地質勘查 (Detailed Geological Investigation)：
   • 目的：全面了解影響區的地質條件，包括岩性、岩體完整性、不連續面發育情況、地應力、地下水、地質構造等。

地下水文性質（Hydrogeological Properties）的測量與分析是地下水工程、環境保護、地質災害評估等領域的基礎。當存在數層含水層時，需要分別或綜合地進行勘查與分析。

可用的方法 (Available Methods)：

1. 鑽探與岩芯採取 (Drilling and Core Sampling)：

   • 目的：確定含水層的層數、厚度、埋深、岩性、及與不透水層的界面。
   • 方法：採用不同鑽探工法（如迴轉鑽探、衝擊鑽探）取得岩芯，進行岩性描述、分類，並初步判斷其滲水潛力。

2. 井點試驗 (Borehole Tests)：

   • 單孔試驗 (Single-Well Tests)：
     • 抽水試驗 (Pumping Test)：在一個井中進行抽水，觀測周圍其他井（或同一井內不同層位）的水位變化，以確定含水層的導水係數 (Transmissivity, T)、儲水係數 (Storativity, S)、水力坡度等參數。這是最常用、最可靠的確定水文參數的方法之一。
     • 注水試驗 (Injection Test)：類似抽水試驗，但向井中注水，觀測水位變化。
     • 水位恢復試驗 (Water Level Recovery Test)：抽水停止後，觀測水位回升的速度，也可估算含水層參數。
   • 多孔試驗 (Multi-Well Tests)：
     • 聯測抽水試驗 (Interference Pumping Test)：同時在一個井抽水，在多個周圍井觀測水位，以確定含水層的均質性、各向異性、以及不同含水層之間的連通性。

3. 地下水採樣與水質分析 (Groundwater Sampling and Water Quality Analysis)：

   • 目的：分析地下水的化學成分、同位素組成，以了解水的來源、補給、徑流途徑、滯留時間、以及與圍岩的相互作用。
   • 方法：採用專業採樣器，在不同深度、不同含水層採集水樣，進行化學分析（陽離子、陰離子、總溶解固體 TDS 等）和同位素分析（如 $\delta^{18}O$, $\delta D$, $^{3}H$）。

4. 地球物理探測 (Geophysical Surveys)：

   • 目的：非破壞性地推斷地下地層結構、含水層分布、地下水位、以及潛在的滲漏區。
   • 方法：
     • 電法探測 (Electrical Resistivity Method)：利用不同介質電阻率的差異來推斷地層。含水層的電阻率與水的導電性、孔隙率、飽和度有關。
     • 聲波／地震法 (Seismic Method)：利用地震波在不同介質中的傳播速度差異來推斷地層結構。
     • 探地雷達 (Ground Penetrating Radar, GPR)：適用於淺層探測，可識別地層界面、地下水面。

5. 示蹤試驗 (Tracer Tests)：

   • 目的：直接觀測地下水的流動路徑、流速、以及含水層之間的連通性。