113 專技高考高等考試 大地工程技師(二) 岩石力學與隧道工程及山坡地工程（含水土保持工程） 考古題詳解

核心觀念

坑道開挖會使原有應力重新分布，形成應力集中與應力釋放區。因此，坑道內量得的應力通常是開挖後的局部應力，不能直接視為未受擾動的原地應力。施測時須兼顧測點位置、開挖擾動、岩體條件、儀器安裝及量測方向。

施測注意事項

1. 選擇合適測點 測點應遠離掌子面、坑道交叉口、支撐構件及明顯地質構造；避開鬆動圈、爆破損傷區、節理密集帶及破碎帶，以減少局部擾動影響。宜於不同位置或不同方向安排測點，供比對判讀。

2. 考量開挖造成的應力改變 應記錄測點相對掌子面的位置、開挖方式、支撐時機及施工時間。坑道附近應力已受開挖影響，若要推估未擾動地應力，須搭配適當的應力分析或數值反算，並說明採用的假設。

3. 確認岩體與鑽孔狀況 施測前調查岩性、節理、裂隙、地下水及岩芯狀況；鑽孔方向、孔徑、孔深及孔壁完整性須符合儀器和方法要求。應避免鑽孔偏斜、孔壁崩落、裂隙導水或鑽進造成的額外破壞。

4. 儀器安裝與量測品質 依儀器規定校正並確實安裝，使感測器與孔壁或岩體良好耦合；記錄量測方向、深度、溫度、地下水及施工狀況。施工期間應避免振動、漏水、封孔不良或儀器滑移，並進行重複量測或不同測點交叉檢核。

5. 完整記錄並判讀不確定性 保存原始讀數、儀器校正資料、鑽孔紀錄及現場地質描述。判釋結果時應區分局部應力與原地應力，並說明岩體非均質、裂隙及開挖擾動可能造成的誤差。

解題技巧

作答可按「測點位置、開挖擾動、岩體與鑽孔、儀器安裝、資料判讀」五項整理。此小題重點在說明坑道內量測容易受開挖影響，並提出如何降低及辨識這類影響。

（二）水力破裂法的施測假設條件與限制（15 分）

核心觀念與基本原理

水力破裂法是在鑽孔中以封隔器隔離一小段孔段，注入加壓流體，使孔壁岩石起裂並形成水力裂縫，再由壓力紀錄及裂縫方向推估地應力。

以下以壓縮應力為正，並採常見的垂直鑽孔簡化情況：垂直應力為 $\sigma_v$，水平主應力為最大水平應力 $\sigma_H$ 與最小水平應力 $\sigma_h$，且裂縫沿鑽孔軸向延伸。孔壁破裂位置的環向應力最小值為 $3\sigma_h-\sigma_H$。若岩石抗拉強度為 $T_0$、孔內壓力為 $P$，忽略孔隙壓力與滲流影響時，起裂條件為：

其中 $P_b$ 為初始破裂壓力。裂縫形成後，停止注水並觀察壓力衰減；理想情況下，裂縫閉合壓力 $P_s$ 可估計最小水平主應力：

因此可由上述兩個壓力值估算最大水平主應力：

實務上，初始破裂壓力、再開裂壓力與停注後的閉合或關井壓力所代表的應力資訊並不完全相同，必須依採用的試驗程序及壓力判讀方式說明。初始破裂壓力含有岩石抗拉強度等影響，不能未經修正就直接當成最大主應力。

施測方法

1. 鑽孔與隔離測段 在選定位置鑽設孔洞，確認孔壁及孔段完整後，以封隔器隔離短測段。量測孔內水壓，並確認封隔器密封良好，避免流體沿孔壁或裂隙外漏。

2. 加壓起裂 以受控流量注入水或其他試驗流體，使孔內壓力逐步升高。記錄壓力—時間或壓力—流量曲線；壓力達到起裂條件時，孔壁產生裂縫，曲線通常會出現斜率或壓力變化。

3. 停注與壓力衰減判讀 停止注入後，連續記錄壓力下降情形，以判定裂縫閉合或關井壓力。再加壓可進行再開裂試驗，以觀察既有裂縫重新張開時的壓力反應。

核心觀念

本題考查「軟岩」的定義方式、軟岩材料與岩體的力學及水理特性，以及臺灣常見軟弱地層。軟岩介於土壤與堅硬岩石之間，不能只依岩名判定；其工程行為還受膠結程度、風化、節理與層理、含水狀態及施工擾動影響。

軟岩沒有全球一致、適用所有工程的單一界線。依國際岩石力學學會（ISRM）常用單軸抗壓強度分級，單軸抗壓強度約 $0.25\sim25\ \mathrm{MPa}$ 的岩石涵蓋「極弱岩」至「弱岩」範圍，可作為材料強度的參考。工程上更重要的是整體反應：若岩體在自重、地下水壓或開挖等作用下，產生顯著變形、剪切破壞、軟化或崩解，就應依軟岩的工程行為進行評估與設計。

解題方法

作答時依序說明定義、材料與岩體特性、工程效應，再列舉臺灣地層。需區分「岩石材料」與「岩體」：前者著重試體強度與遇水軟化等性質；後者還要考慮層理、節理、裂隙及風化帶對承載、變形和破壞的控制。

軟岩的特性與工程性質

1. 強度低、變形較大 軟岩的單軸抗壓強度及彈性模數通常低於堅硬岩石；受載後容易產生較大變形，且可能呈現非線性、彈塑性或時間依存變形。應力集中時，岩體可能發生剪切破壞、塑性擠入或局部崩落。

2. 膠結弱，易風化與崩解 常見軟岩包括泥岩、頁岩、粉砂岩及膠結不良的砂岩。顆粒間膠結弱，暴露後容易受乾濕循環、溫度變化及風化作用影響，出現剝落、碎裂或崩解。

3. 含水後強度降低 水可能使岩石膠結物軟化，或使黏土礦物吸水膨潤，造成強度與剛度下降、體積膨脹及透水性改變。開挖面或邊坡遇水後，常伴隨軟化、沖蝕、滑動或泥化；地下水壓也會降低有效應力與抗剪能力。

4. 具時間效應與潛變 在持續應力作用下，軟岩可能逐漸產生潛變與應力鬆弛。隧道開挖後，變形可能隨時間發展，需注意支撐時機、支撐剛度及監測結果。

5. 岩體不連續面影響顯著 層理、節理、裂隙及剪裂帶會形成弱面，控制岩體強度、滲流及破壞方向。薄層軟弱夾層若與坡面或開挖面交切，可能成為順向滑動或局部剪切破壞面。

核心觀念

Bieniawski 的 RMR（Rock Mass Rating）是以岩體調查資料分項評分，再加總為岩體品質指標。以下採用常用的 RMR 1989 版本。基本評分由五項組成，總分為：

其中分別代表完整岩石強度、岩石品質指標 RQD、不連續面間距、不連續面狀況及地下水狀況。再依工程用途與不連續面位態作折減，得到：

位態折減值為零或負值。

評分標準

不連續面狀況的五個分項各自最高 6 分：延續長度小於 1 m 得 6 分、20 m 以上得 0 分；張開度小於 0.1 mm 得 6 分、5 mm 以上得 0 分；極粗糙得 6 分、鏡滑面得 0 分；無填充物得 6 分，厚軟弱填充物得 0 分；未風化得 6 分，高度風化得 0 分。若存在填充物，應以填充物的影響為主，不能再把粗糙度的有利效果重複加分。

岩體等級

完成工程用途折減後，依總分將岩體分為：

臺灣建議使用前提與限制

在臺灣使用 RMR，應先確認岩層、岩體結構及調查尺度適合此分類法。建議將岩體劃分為地質與工程性質相近的分區，使用具代表性的鑽心、露頭與開挖面資料，並依工程目的分別評定；地下水、風化與不連續面資料亦須反映現地及施工期間的實際狀況。

RMR 適合用作岩體分類、初步比較與初步支撐評估，不宜視為完整設計或安全係數。它以有限的分項評分概括複雜岩體，無法充分表達弱面組合、局部破碎帶、尺度效應、應力狀態、施工擾動及水壓變化。

核心觀念

本題考查圓形隧道在遠場均勻應力作用下的 Kirsch 圍岩應力分布。圖中遠場垂直應力為 $\sigma_v=\gamma H$，水平應力為 $\sigma_h=K\sigma_v$。當 $K=1$ 時，遠場應力各向同性：

依圖示公式，徑向應力與切向應力分別為：

題目指定 $\theta=0^\circ$，且 $K=1$，所以 $\sigma_h-\sigma_v=0$，角度項消失。

解題方法與推導

將 $\sigma_h=\sigma_v=\sigma_0$ 代入 Kirsch 公式：

令 $\rho=r/a$，以遠場應力 $\sigma_0=\gamma H$ 正規化，得到：

在隧道壁面 $r=a$，徑向應力為零，切向應力達到遠場應力的兩倍；隨著 $r/a$ 增大，兩者都趨近遠場值 $\gamma H$。

核心觀念

本題考查的是：面對貓空纜車 T16 塔柱所在的邊坡，如何依據邊坡的地形、地質、水文與可能破壞機制，規劃一套能及早發現變形、判斷原因並支援警戒決策的監測系統。

邊坡監測可分為兩類：

• 變位監測：掌握地表與地下的位移、變形方向、速率及滑動深度。
• 環境與致災因子監測：掌握降雨、地下水位及孔隙水壓等變化，協助判斷變位的誘因。

T16 為纜車塔柱邊坡，監測目標不只是確認坡面是否移動，還要判斷變形是否影響塔柱基礎、纜車運轉及下方設施。因此，監測配置須與潛在滑動範圍、滑動方向、地下滑動面及重要保全對象相對應，並兼顧預警時效與資料可靠性。

解題方法：由破壞機制決定監測配置

規劃時先完成地形測繪、地質調查、鑽探與地下水調查，辨識可能的滑動區、滑動方向、滑動面深度及塔柱基礎位置；再依各項監測目的選擇儀器。不能只因儀器容易安裝，就把監測點平均布設在坡面上。

監測元件設置基本原則

1. 依潛在破壞模式布設 須先判定可能是淺層崩滑、深層滑動、局部坍塌或塔基沉陷，再選擇能量測該破壞模式的儀器。若疑似深層滑動，單靠地表測量點不足以判斷滑動深度，應以傾度管等地下監測補足。

2. 監測範圍涵蓋坡頂至坡趾，並包括穩定區 坡頂可掌握張裂與後緣位移，坡中可觀察主要變形區，坡趾可確認隆起、擠出或支撐區變化。穩定區需設控制點，作為判讀坡面測點是否整體移動的基準。

3. 在可能滑動方向及代表性剖面上配置測點 儀器位置應能形成剖面與區域性的判讀資料，便於確認變位方向、變位範圍及空間差異。重要塔柱、道路、排水設施及人員活動區周邊，應納入監測範圍。

4. 以不同原理的儀器交叉驗證 地表測量可反映整體位移，傾度管可反映地下變形深度，水位計及孔隙水壓計可反映水文條件。多種資料合併判讀，可減少單一儀器故障或局部異常造成的誤判。