Microsoft Word - SGC_final_.doc

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft Word - SGC_final_.doc"

盛赏许
5 years ago
Views:

1 台北市捷運工程之回顧莫若楫亞新工程顧問股份有限公司總經理摘要台北捷運初期路網自 1997 年陸續完成通車以來逐漸成為大台北地區民眾高度依賴的交通工具並有效紓解了尖峰交通時段的地面交通流量對區域交通條件的改善有著重大貢獻捷運初期路網沿線多屬地下隧道段因此於施工期間曾因台北盆地深厚之軟弱土層以及其下具高透水性之景美礫石層等地層之工程特性而面臨各種大地工程問題本文主旨系對台北捷運地下施工作一概述並回顧探討具代表性之大地工程施工災害和解決方案關鍵字 : 捷運地下工程軟土潛盾隧道施工災害 Geotechnical Retrospect of the Taipei Rapid Transit System MOH A-CHIEH ABSTRACT Moh and Associates Inc President Major part of the 88km priority network of the Taipei rapid transit system was completed in stages and started in operation in The residents of the Taipei Metropolis now highly rely on this convenient mode of transportation which effectively eased the surface traffic load as well as improved regional transportation conditions. A major part of the TRTS is underground. Various geotechnical problems were encountered during design and construction due to the existence of extensive soft alluvial subsoils and presence of a highly permeable gravel layer underneath. This paper describes the underground construction of the TRTS and the importance and contribution of the Geotechnical Engineering Specialty Consultant (GESC). Several of the representative geotechnical related failures were reviewed. Keywords: Mass Rapid Transit underground construction soft soil shield tunneling failure 一台北捷運初期路網台北捷運初期路網一共包含六條路線分別為木柵線 ( 含內湖延伸線 ) 淡水線中和線新店線板橋線 ( 含土城延伸線 ) 及南港線等如圖一所示初期路網全長約 88 公里含 77 個車站除了木柵線是屬於中運量系統外其餘各線均為重運量系統本路網沿線約有一半的路段穿行於地下且主要位於軟弱土層中表一為台北捷運初期路網各路線之基本資料至 2 年 3 月為止初期路網全線除了土城延伸線目前正在施工以及內湖延伸線正進行細部設計工作外其餘諸線均在營運之中每日運量約達 9 萬人次在節日曾有 1 萬人次之紀錄自捷運各線絡續通車以來台北市市區的交通獲得大幅改善市民生活品質亦因而提升 1 年 9 月間台北市遭受娜莉颱風侵襲並帶來超

2 過二百年設計防洪期水位之雨量造成台北捷運地下段嚴重進水受損使得其後數個月間地面交通進入黑暗期市民通勤交通之尖峰時段尤其受到影響從另一角度來看此次事件經驗亦充份反映出市民對捷運系統之高度需求和依賴淡水北投內湖松山機場南港土城板橋永和中和木柵新店圖一台北捷運初期路網表一臺北捷運初期路網名稱起訖站全長建造型式通車時間木柵動物園站至中山國中站 1.9 公里高架通車營運木柵線 ( 內湖延伸線 ) 中山國中站至南港經貿園區 14.8 公里地下高架設計中淡水線淡水站至台大醫院站通車 22.8 公里高架平面地下全線通車中和線古亭站至中和南勢角站 5.4 公里地下全線通車新店線台大醫院站至新店市新店站 1.3 公里地下通車南港線西門站至南港昆陽站 1.3 公里地下.12.3 通車府中站至西門站 7. 公里地下板橋線 ( 土城延伸線 ) 土城永寧站至板橋線府中站二台北地質與大地工程特性 5.6 公里地下施工中西門站至新埔站於.8.31 通車台北捷運初期路網位於台北盆地此盆地是約在一萬年前由於板塊運動導致地層下陷而形成

3 由於海水入侵在數千年前仍是一個大湖大漢溪淡水河基隆河及其支流帶來大量的泥沙在湖底累積成數百公尺厚的沉積層由上而下包括松山層景美層新莊層等其中在表面厚達公尺的松山層之工程性質是大地工程相關課題研究的重點如圖二所示松山層有六個次層其中一三及五次層係砂土層二四及六次層係粘土層松山層以下為景美層係礫石層並夾雜粘土層這六個次層在盆地中心區尤為明顯圖三表示在盆地中心善導寺所進行的水壓錐貫入試驗的試驗結果顯示在各層所得之結果明顯不同尤其是水壓計的反應尤為清晰一般而言松山層中進行深開挖時連續壁都相當的厚也相當的深才能減少壁體變形以及阻絕滲流以避免地表沉陷以及因地表沉陷所導致之鄰房損害由於松山層中黏土層的壓縮性很高地下水水位的下降會導致地表沉陷如圖四所示過去景美層中的水壓曾因超抽而大幅下降松山層中的水壓也隨之下降如圖五所示在 19 年代松三層之水頭在地表下 25 至 3 公尺處更早則無資料相信至少也在 35 公尺以下由於松二松四兩層是粘土層壓縮性高在長期的壓密狀態下導致地表顯著沉陷北門一帶的地表沉陷竟達 2.2 公高程公尺高程公尺 ( 西 ) 板橋淡水河台北火車站松山層景美層高程 = 海平面 + 1 公尺 ( 南 ) 新店台北火車站粉質黏土粉質砂土礫石砂岩 km 比例尺圖二凝灰岩頁岩松山層 ( 東 ) 南港粉質黏土 5 粉質砂土礫石 4 砂岩 1 2 3km 3 比例尺 ( 北 ) 北投高程 = 海平面 + 1 公尺台北盆地地層剖析

4 VI () V () IV () III () II () I () 深度 15 公尺 Pore Pressure Tip Resistance Local Friction Response q c MPa f s MPa p w MPa 圖三台北市區水壓錐試驗結果台北捷運施工期間景美層水位 -.4 沉高 9 ( 北門 ) -.8 陷程量預期回升範圍 -1.2 公公尺北門水準點下陷量 -2. 尺年圖四台北市區景美層歷年水位變化及地表沉陷高程公尺 7 台北火車站捷運局水位觀測井資料亞新公司資料景美層松三層水資會八口井資料松五層松三層景美層水資會 228 公園資料年圖五歷年台北市地下水水頭變化

5 尺可謂驚人 ( 吳建民 1967; 吳建民 1968) 以工程眼光來看這沉陷並不是全無是處因為早期的建築大部份是淺基礎或者是筏式基礎而地表沉陷相當均勻所以並未造成太多的困擾反而由於先期壓密作用減少了近年來深開挖時工區附近的地表沉陷除此之外在進行深開挖時地下水也是一個十分重要的考量在捷運工程施工期間發生的災變大都與地下水有關而松山層下的景美礫石層更是幾個大型災變的罪魁禍首景美層中夾雜極厚的礫石層與極厚的粘土層對工程師而言只對最上一層礫石層有興趣此一礫石層厚度不一在台北盆地中心位置其厚度約有 5 公尺由於超抽地下水景美層中的水頭曾經下降超過 4 公尺地表嚴重沉陷在翡翠水庫完成後自來水供應普及而政府也明令限制抽取地下水景美層中的水壓才明顯回升地表沉陷趨緩甚至停止地表不再下沉固然可喜但地下水壓之上升使得開挖之安全性降低不得不慎另外在景美層與松山層之介面處常有沼氣存在這也是格外值得注意之處如眾所周知沼氣不但足以致命如果濃度過高甚至有自爆的危險松山層中有大量流木存在過去在進行深開挖時就常有流木出現在工區而在捷運施工期間也在多個工區挖出巨大流木很幸運地在明挖段流木並未帶來太大的困擾但是流木對隧道工程之影響可就大了在中和線隧道施工時曾因遭遇流木而有致潛盾機動彈不得之情事而在幾次大型災變中固然景美層是罪魁禍首但是流木也是幫凶三台北捷運大地工程專業顧問台北捷運自 1986 年規劃初期即有鑑於初期路網主要均位於台北盆地後續設計和施工均將面臨盆地內軟弱土層所帶來的各方面大地工程問題之挑戰乃聘請專業之工程顧問公司 ( 亞新工程顧問公司 ) 擔任大地工程專業顧問 ( 台北市政府捷運工程局 ) 以協助台北市政府捷運工程局執行捷運工程規劃設計及施工期間之大地工程相關審查督導作業包括 : (1) 大地工程分析評估與建議 ( 及審核 ): 包括規劃設計和施工階段有關大地工程方面必須考慮事項之建議配合需要進行研究分析和評估 (2) 設計階段之文件審查與建議 : 審查細部設計顧問所提送之細部設計及發包文件包含補充地質調查計畫現場試驗設計參數監測計畫及施工方法等 (3) 施工期間承商施工計畫審查施工督導以及監測資料整理分析與建議 : 審查施工之施工計畫如參數選用監測系統配置建物保護地盤改良抽水施工時地面沉陷影響施工災害評估之審核以及相關報告之撰寫其中監測系統方面包括安裝設計之審核安裝督導資料收集及分析將規劃設計及施工時收集有關之大地工程資料如土層資料觀測資料等輸入電腦資料庫中尤其是協助捷運局評估及分析監測資料適時反應狀況承商提供之監測資料如有異常狀況或達警戒值行動值於確定監測資料無誤後立刻通知捷運局工務所或其他指定單位做處理以提供工程施工參考 (4) 發掘施工潛在問題 : 現場踏勘並發掘潛在問題提醒工務所注意 (5) 現場緊急事件處理 : 事件發生時全程參與協助工程師研判狀況並提出建議審查承商之補救措施評估其成效及提出建議 (6) 協助申訴及賠償案件處理 : 在有申訴及仲裁事情發生時協助整理資料以專家身份提出學理上之解釋並以觀測資料佐證 (7) 技術轉移 : 包括地質調查監測系統安裝電腦軟體應用監測資料分析研判工法回饋分析等等

6 四深開挖設計與施工 4.1 設計原則台北捷運系統工程設計所依據之規範及準則主要遵照台北市捷運局頒佈之土木工程設計手冊 (Civil Engineering Design Manual 簡稱 CEDM;DORTS1992) 此設計手冊具有彈性一方面容許參考經審核之他國最新設計準則同時能確保整個捷運系統各個設計標間之均衡性及一致性手冊內關於大地工程設計規範參考依據列有建築技術規則及美國加州公路運輸及 AASHTO 等規範捷運局在手冊內要求細部設計者在設計臨時性與永久性工程時應對現有土層與地下水狀況等地質調查試驗資料作獨立研判解釋以選擇適當之參數如需獲得進一步資料時應擬定現場與試驗室之補充地質調查工作以補充現有之資料另一方面由於捷運系統位於都市及已發展區域內相關之設計安全係數要求較為嚴格 CEDM 於深開挖工程上之要求安全係數綜合如表二所示同時於考慮鄰近結構物對地下結構所導致之超加載重需達每樓層 12KN/m2 在基礎面或至少 5KN/m2 在地表面之載重量在緊鄰捷運地下結構如有空地時亦需考慮日後可能發展所導致之超加載重為考慮鄰近結構物之完整性及安全 CEDM 規定隧道及深開挖施工所導致之鄰近結構物總沉陷量原則上不得超過 25 公厘及不均勻所導致基礎角變動量不超過 1/5 但設計者可根據鄰近結構物之基礎狀況與結構型式訂定可容許之變位量所有開挖深度大於 8 公尺者均設計以連續壁為支撐側牆且大部份係使用雙牆系統壁體厚度範圍由 1 公尺至 1.2 公尺但淡水線中山站因其位於非常惡劣之土層且開挖深度達 26 公尺故其使用之連續壁厚達 1.5 公尺施工時一般壁體單元開挖之寬度為 6 公尺以下以達到穩定性之要求亦曾有嘗試 8 公尺開挖寬度之案例但並未成功最後仍將開挖寬度維持在 6 公尺表二台北捷運系統深開挖設計準則 ( 土木工程設計手冊 1992) 破壞模式安全係數內向屈伏 1.5 塑性隆起 1.5 管湧或上舉 1.25 浮力 : 施工階段 1.3 施工完成深開挖工法台北捷運規劃的初期路網除木柵線及部份淡水線外均為地下工程在站體及地下街區大多採 1. 或 1.2 公尺厚之連續壁為擋土支撐深度達 3 至 5 公尺不等開挖方式包括順打及半逆打兩種大部份之施工標均以順打施工法施作因為順打施工法對於在都會區進行施工所遭遇之交通改道問題較具彈性大部份之站體均於現有道路下施作使用覆蓋鈑之鋪設可以維持原有道路之交通流量覆蓋鈑及其下之支撐通常以 H 型鋼為中間柱予以支承中間柱係以反循環樁之施作方式進行站體及地下街區主要地下結構體之開挖深度介於 16~3 公尺之間表三為各線站體及通風豎井之開挖資料

7 線別淡水線CT2B 民權站 (R16) 順打 ~26. U 2~U3 新店線CH227 新店站 (G1) 順打 U4 南港線松山站 (BL14) 半逆打 U2 中和線南勢角站 (O19) 順打 U3 板橋線CP263 江子翠站 (BL4) 順打 U2 施工標表三台北捷運車站及通風豎井開挖資料 ( 摘自黃南輝等 1999) 車站段站名施工方式長度寬度深度地下層數 CT1G 台北車站 (R13N) 順打 34.1~ ~29.3 U4 CT1F 台北車站 (R13S) 逆打 / 半逆打 U4 台北車站 (BL7) 逆打 ~27.3 U3 CT2A 中山站 (R14) 順打 ~ U 2~U3 民生站 (R15) 順打 U2 CT216B 行控中心順打 ~23. U4 CH218 台大醫院 (R12) 順打 U2 CH219 中正紀念堂站 (G11) 半逆打 U3 CH2 古亭市場站 (G1) 半逆打 U3 CH221 臺電大樓站 (G9) 順打 U2 通風豎井 ( 中和線 ) 順打 26m( 外徑 ) CH222 公館站 (G7) 順打 U2 CH223 萬隆站 (G6) 順打 U2 CH224 景美站 (G5) 順打 U2 CH224 大坪林站 (G4) 順打 U2 CH225 七張站 (G3) 順打 ~15. U1 CH226 新店市公所站 (G2) 順打 ~14.3 U1 CH228 新店機廠順打 U1 CN251 愛國站 (G12 順打 ~ U2 CN252 西門站 (BL6) 順打 U2 CN253A 善導寺站 (BL8) 順打 U2 CN253B MALL 區順打 ~ ~23.4 U2 CN254 新生站 (BL9O13) 半逆打 ~27.43 U2~ U3 CN255 忠孝復興站 (BL1) 半逆打 U2 忠孝敦化站 (BL11) 半逆打 U2 CN256 國父紀念館 (BL12) 半逆打 U2 中山學園地下道順打 ~17. CN256A 車行地下道順打 U1 CN257 市政府站 (BL13) 順打 U2 CN258 後山牌站 (BL15) 半逆打 U2 CN259C 昆陽站 (BL16) 順打 U2 CC275 頂溪站 (O16) 順打 U2 CC276 永安市場站 (O17) 順打 U2 CC277 景安站 (O18) 順打 U3 CC278 中和機廠順打龍山站 (BL5) 順打 U2 CP261 通風井 B 順打 CP262 通風井 A 順打 CP264 新埔站 (BL3) 順打 U2 由於台北盆地的地質太過軟弱過去在興建高樓地下室時損鄰事件層出不窮所以在捷運工

8 程的設計規範中擋土系統的設計除考慮力的平衡之外特別要求設計者限制開挖區附近的地盤變位因此一般而言捷運工程的連續壁厚度較民間工程要厚上公分至 3 公分而且也都有足夠的貫入深度以切斷滲流支撐系統也較一般民間工程所用的支撐更為粗壯而且一律施加預力雖然工程費不免增加但是這錢花得十分值得資料顯示在沒有地盤改良的情況下捷運工地的連續壁側向位移不到過去所量測的 3 分之 1 而配合鄰近建物保護施作地盤改良之區段連續壁側向位移更小有關鄰房保護措施之探討詳下節所述 4.3 鄰房保護措施在台北捷運初期路網中環繞車站站體及明挖覆蓋段的連續壁長度即達 45 公里這還不包括環繞出入口四周的連續壁同時為充份利用都會區有限之土地資源地下工程之施工常受到都會區高度發展之限制使得空間的使用及工程技術受到相當大的挑戰在進行地下工程施工時常有導致鄰近地盤位移或結構物產生沉陷傾斜之情形為防止或緩和開挖面下方地層發生塑性流動之隆起破壞及擋土壁大幅變位行為 ; 通常設計時採下列方式以作為軟弱土層深層開挖輔助支撐穩定設施 : (1) 加強擋土結構勁度或提高支撐預壓力及勁度減少壁體變形 (2) 於基地內地質改良以提高土壤強度增加被動土壓抵抗例如採地中版或是採用作為提供類似內支撐機制之地中樑以減少開挖施工造成之壁體側向位移達到建物保護之目的在台北捷運初期路網施工中常用之軟弱土層深開挖輔助支撐穩定設施一般有下列幾項 : (1) 加大壁體勁度 - 如加大壁厚或採 T 形壁 (2) 加大支撐勁度與預力 - 如增加支撐斷面層數及預壓力 (3) 地中扶壁 (Buttress)- 對改良深度範圍內之土壤等值抗剪參數有提升作用 (4) 地中樑 (Transverse Beam)- 將地中樑視為勁度頗大之地中內支撐 (5) 地中版 (Grouting Raft) 及深層混合地質改良 (W)- 係將地中版視為一改良地層其抗剪力 c 值被動土壓係數 kp 及彈性模數 E 值均高於原狀地層但在沉陷量預估超出結構物之容許值時則需採取額外適當的保護措施常用之建物保護措施主要有地盤灌漿改良及施作阻隔樁等保護工法之擇定需視個別建物狀況周邊環境土層狀況及土層擬增加之強度或勁度等因素綜合考量至於保護成效於不同案例效果不一並配合施工前對各建物概況及受工程影響之分析評估制定不同型式建物沉陷及傾斜之監測管理值 ( 闕河淵等 1996) 圖六及圖七係以南港線 BL14 站為例分析不同整體厚度及有無設置地中版對開挖施工所造成壁體側向位移之比較圖中採 1.2m 厚連續壁及有四公尺厚地中版其開挖所引致之壁體側向位移量僅約為 4 公分而採 1.m 厚連續壁及無設置地中版者其開挖引致之壁體側向位移量則將高達約 12 公分此將對鄰近建物造成過大之沉陷量及角變量經審慎之考量認為本工區建物保護措施較可行之方式為於最終開挖面下採用一有如預先埋設支撐之地中版 (Grouting Raft) 以減少壁體側向變形及開挖區外側之建物沉陷 ( 陳亦耿等 1997) 整體而言台北捷運系統之地下開挖擋土工程由於設計規範要求相當嚴謹且施工承商為避免開挖期間之損鄰糾紛甚至採用較原設計更為安全保守的地質改良措施因此開挖區附近的沈陷也相當小損鄰事件屈指可數五潛盾隧道施工台北捷運其建造型式除木柵線為高架淡水線採地面高架及地下外其餘皆為地下結構在全長總計公里的地下工程中除車站與地下街等設施外行車隧道合計約公里佔隧

9 度公尺4 樓建物 18.3 m 車站出入口 GWL 15. m N = 2-9 連續壁開挖底部 88. m 3 m 3-4 m - ML N = 1 - 地中版圖六地中版施作剖面示意圖壁體水平側向位移量 mm 尺25 地中版深 m 厚連續壁有 1.2m 厚連續壁無地中版 1.m 厚連續壁無地中版圖七分析有無設置地中版之連續壁變位示意圖道全長 68.76% 潛盾工法相較於傳統隧道工法具有施工安全迅速等特性且對地面交通及商業活動等衝擊較小因此被廣泛使用於台北捷運隧道工程中約公里佔行車隧道全長 69.37% 以下就潛盾隧道在台北捷運之應用略作說明有鑑於台北盆地土層中粉土及粉質粘土層之低強度高壓縮性且一般地下水位在地表下.5~5 公尺之間因此在面對高地下水位之軟弱土層及都會區內之施工限制條件時潛盾機型式與設備的選擇尤其突顯其重要性在初期路網中目前已完成有條潛盾隧道一共先後採用了 3 部潛盾機捷運各潛盾隧道施工標選用設備綜整如表四所示可見密閉式潛盾機為台北捷運施工承商的一致選

10 路線別施工標覆土深度 (m) 表四台北捷運潛盾隧道工程各施工標選用設備一覽表 ( 摘自朱旭等 1997) 最小曲率半徑 (m) 最大縱坡度 (%) 選用機型輔助工法切刀型式環片內徑 / 外徑 (m) 環片寬度 / 厚度 (m) 淡水線 CT1A 9~ 土壓平衡加泥型面板式 --/--/-- --/ / /.25 CH ~ 土壓平衡氣泡型輪幅式 6.4/6.1/ / /5.9 1./.25 有有 CH ~ 土壓平衡加泥型輪幅式 7.5/6.95/6.3 --/ /5.9 1./.25 新店線 CH221 8~ 泥水加壓 --- 面板式 7.1/6.95/ / /6.1 1./.25 有 CH222 9~ 土壓平衡加泥型圓頂式 7.77/--/ / /6. 1./.3 CH223 9~ 土壓平衡加泥型輪幅式 --/7.1/ / /5.9.9/.25 CH224 9~ 土壓平衡加泥型圓頂式 --/7.54/ / /5.9.9/.25 CN ~16 3. 土壓平衡加泥型輪幅式 --/6.9/-- --/ /.25 有 CN253B 6~ 土壓平衡加泥型輪幅式 7./--/6.3 --/ /.25 有 CN253A 1~ 土壓平衡加泥型輪幅式 7.4/7./ /6.4 5./6.1 1./.25 南港線 CN254 11~ 土壓平衡加泥型輪幅式 7.4/7./ / /5.9 1./.25 CN ~ 土壓平衡加泥型輪幅式 7.18/6.88/ / /5.9 1./.25 CN257 8~ 土壓平衡加泥型輪幅式 7.4/7./ / /5.9 1./.25 CN258 8~ 土壓平衡加泥型輪幅式 7.16/--/-- 6.5/ /5.9 1./.25 CP261 11~ 土壓平衡加泥型輪幅式 7.22/6.92/ / /5.9 1./.25 有板橋線 CP ~ 土壓平衡加泥型輪幅式 --/7.68/ / /6.1 1./.25 有 CP263 9~ 土壓平衡加泥型輪幅式 7.45/6.95/6.5 --/ /6.1 1./.25 有 CP ~ 土壓平衡加泥型輪幅式 6.27/5.97/ / /6.1 1./.25 有 CC275 11~ 土壓平衡加泥型面板式 6.42/6.9/ / /6.1 1./.25 中和線 CC ~ 土壓平衡加泥型面板式 6.42/6.9/ / /6.1 1./.25 有 CC277 6~ 土壓平衡加泥型面板式 6.42/6.9/ / /6.1 1./.25 有說明 :* 表示潛盾機之鼻尖至盾尾總長度 / 刀盤面至盾尾長度 / 盾身長度 A: 拆解吊運再組立 B: 迴轉 C: 棄殼 # 表示潛盾機之刀盤外徑 / 盾身外徑 X: 膠輪傾卸車 Y: 壓送泵浦 + 排泥管 : 軌道台車 * 長度 (m) # 外徑 (m) 二次灌漿同步背填灌漿設備出土方式 X Y Y Y Y Y Y Y Y X

11 擇與施工安全建物保護及沈陷控制等訴求有直接關係其中除新店線 CH221 標採用泥水加壓式潛盾機外絕大多數承商均採用土壓平衡式潛盾機並輔助加泥或泡沫式工法究其原因施工用地取得不易與經濟考量應為其主要因素除了在新店線曾遇到混合土層造成坍孔的意外之外對潛盾施工而言松山層的地質並不特別困難在中和地區雖然有沼氣的存在由於隧道的送風量加倍而且對沼氣的密度嚴密的監測及採取周延的防範措施並未發生任何氣爆事件地下障礙物的確曾造成幾處坍孔這些障礙物包括地質鑽探時所遺棄的鋼套管流木及過強的地質改良 (Moh and Hwang 1999) 潛盾隧道工法施工所導致隧道上方地面及結構物之沉陷量可藉由諸如加大潛盾機土倉內壓力施作二次灌漿 (secondary grouting) 或遮幕牆 (cut-off walls) 等方式予以減少以此達到建物保護之目的根據實際施工案例顯示不論採用加大潛盾機土倉內之壓力或施作二次灌漿均可明顯減少土壤漏失率 ; 其中採用二次灌漿施作曾導致沉陷槽發生偏移及沉陷槽範圍增大之現象採用遮幕牆施作雖導致遮幕牆內沉陷量之增加但卻明顯降低遮幕牆以外之沉陷量隧道掘進時所導致之地盤沉陷會影響隧道上方及其鄰近建物之安全必須嚴加管控更重要的是必須瞭解導致沉陷之機制以及影響沉陷之因素以期改進施工技術減少沉陷隧道上方之地表沉陷可分為立即沉陷及壓密沉陷前者起因於盾尾孔隙閉合後者起因於超額孔隙水壓之消散理論上壓密沉陷歷時較長遠超過沉陷之量測期甚至超過施工期而在某些土層中壓密沉陷甚至遠較立即沉陷為大因此這兩個不同型態之沉陷有明確區分之必要否則難以建立正確之經驗公式自 Peck(1969) 提出軟弱地盤中因潛盾隧道施工所產生的地表沉陷可以正常化曲線表示後此曲線模式即被廣泛應用以分析地表沉陷槽其方程式為 : 2 X δ = δ max exp (1) 2 2i 其中 δ = 地表沉陷量 δ max = 地表最大沉陷量 ( 通常位於隧道中心上方 ) X= 沉陷點與隧道中心之距離 i= 沉陷槽寬度參數為隧道中心至反曲點水平距離而 va δ max = (2) 2.5i 其中 v= 土壤漏失率 A= 隧道斷面面積理想的沉陷槽如圖八所示在均質土層中沉陷槽理應左右對稱最大沉陷發生在隧道中心正上方除了最大沉陷外土壤漏失率及沉陷槽之寬度參數同是評估隧道施工表現的重要指數土壤漏失率為沉陷槽之面積與隧道斷面面積之比值與最大沉陷量有以下之關係 : 2.5iδ max v = (3) A

12 X 3i i 隧道中心最大曲率 ( 凸曲 ) 2 d δ δ max 2 = dx i 反曲點 ( X = i δ =.6 δ max ) dδ δ 最大斜率 = max.6 2 dx i x δ = c exp 漏失體積 2 2i 2 d δ δ 最大曲率 ( 凹曲 ) Vs = 2πiδ 2 = max dx i max 2 圖八理想化沉陷槽至於壓密沉陷則依下式求得 s = α log(t /1) (4) 式中 s: 為壓密沉陷量 mm α : 為壓密沉陷指數即潛盾機盾首通過後第 1 天與第 1 天沉陷量之差值 mm t: 為潛盾機盾首通過後之時間天圖九至圖十一為位於中和線與新店線四條隧道交錯重疊處之二至四條潛盾隧道施工所導致地表沉陷預測值與量測值比較結果 ( 楊國榮等 1996) 其中預測值為各單潛盾隧道施工所導致之地表沉陷疊加結果由比較結果得知雙潛盾隧道不論為平行或上下重疊配置施工導致之地表沉陷與單潛盾隧道施工所導致地表沉陷之疊加結果相當吻合三條或四條潛盾隧道施工所導致之地表沉陷與單潛盾隧道施工所導致之地表沉陷疊加結果亦相當吻合六景美礫石層之施工災害台北捷運雙層車站的開挖深度在 18 公尺左右而三層交會站開挖深度都在 22 公尺以上幾個通風豎井的開挖深度甚至都超過 3 公尺而且開挖面下方的黏土層厚度不足必須採取特別措施以維持安全如圖十二所示以中和線的通風豎井為例開挖面直達景美層的頂部承商採取將連續壁加深並在底部以灌漿封底形成一個人工栓塞的方式來滿足安全係數的要求 ( 青木建設 / 新亞建設 1991; 楊國榮等 1995) 圖十三及十四表示板橋線的 A 及 B 兩豎井是以降水來達到同樣的目的 ( 黃南輝等 1996) 這兩豎井連續壁的底部都有一層黏土層其作用與圖十二的人工封底相同這三個豎井所採的方案不同所遭遇的困難也不盡相同但均與景美礫石層之高透水性以及豐富含水量有著密切的關係茲分別就中和線通風豎井以及板橋線之 A 通風豎井施工中發生之災變說明如后 6.1 中和線 CH221 標通風豎井施工災害 CH221 標主要連接 CH221 標與 CC275 標之潛盾隧道於施工期間作為此二施工標潛盾隧道出發井之用於營運期間則作為通風與逃生之用上下行潛盾隧道銜接處柔性接頭施工時可能由於周遭地盤止水灌漿改良仍有部份水路存在以及柔性接頭施工因素等於上行隧道已拆除環片處發生湧水位置如圖十五大量土砂與水湧入通風

13 沉陷量公釐距離 m GL. -6.5m 4 2B 1B 觀測值 GL m 預測值 (v=.3%+.8%) GL m 預測值 (v=.7%+1.2%) GL m (a) 斷面 Ⅰ ( 第二條隧道通過後 135 日 ) 距離 m 沉陷量觀測值 GL. -6.5m 4 預測值 (v=.3%+.3%) 公預測值 (v=.9%+.9%) GL m 釐 2A GL m 1A GL m (b) 斷面 Ⅱ ( 第二條隧道通過後 4 日 ) 距離 m 沉陷觀測值 GL. -6.5m 量 4 預測值 (v=.3%+.3%) 預測值 (v=.9%+.9%) 公 GL m 釐 2A GL m 1A GL m (c) 斷面 Ⅲ ( 第二條隧道通過後 7 日 ) 圖九二條潛盾隧道施工所導致預測沉陷槽與實測值比較成果沉陷量公釐距離 m 距離 m 沉陷觀測值 GL. -6.5m 量 GL. -6.5m 4 4 預測值 1B (v=.3%+.3% 觀測值公 1B GL m GL m +.3%) 2A GL m 釐預測值 2A GL m 預測值 (v=.3%+.3%+.3%) (v=.9%+.9% 1A 預測值 1A +.7%) GL m (v=.9%+.9%+.7%) GL m (a) 斷面 Ⅱ ( 第三條隧道通過後 35 日 ) (b) 斷面 Ⅲ ( 第三條隧道通過後 35 日 ) 圖十三條潛盾隧道施工所導致預測沉陷槽與實測值比較成果沉陷量公釐距離 m 觀測值 GL. -6.5m 4 預測值 2B (v=.3%+.3% 1B +.3%+.8%) GL m 2A GL m 預測值 (v=.9%+.9% 1A +.7%+1.2%) GL m (a) 斷面 Ⅱ ( 第四條隧道通過後日 ) 距離 m 沉陷量 GL. -6.5m 4 2B 觀測值公 1B GL m 釐預測值 2A GL m (v=.3%+.3%+.3%+.8%) 預測值 1A GL m (v=.9%+.9%+.7%+1.2%) (b) 斷面 Ⅲ ( 第四條隧道通過後 75 日 ) 圖十一四條潛盾隧道施工所導致預測沉陷槽與實測值比較成果

14 26 m Sungshan Formation Chingmei Gravels (VI) Gravel 95. (V) 91. (IV) 88. (III) (II) (I) RL. 43. m Ring Beam Ring Beam Base Slab Diaphragm Wall (1.2 m Thick) Grouted Slab CJG Grout Pile RL. 98 m RL. 92 m RL m Tunnel 3 m 2 m 圖十二中和線通風豎井封底示意圖 Sungshan Formation VI V IV III II Diaphragm Wall (1.2 m thick) Bottom of Excavation RL m RL. 13. m 88.3 m 77.6 m I Chingmei Gravels IA RL. 53. m 圖十三板橋線通風豎井 A 降水示意圖 RL m Sungshan Formation VI V IV III II Diaphragm Wall (1.2 m thick) Bottom of Excavation RL m 89. m 79.5 m Chingmei Gravels I IA RL. 5.5 m 51.5 m 圖十四板橋線通風豎井 B 降水示意圖

15 連續壁噴凝土 7. 公尺 6.1 公尺永久環片 (25 公分厚 ) 隧道中心高程 EL 公尺假組立環片 ( 已拆除 ) 底版連續壁湧水處圖十五中和線通風豎井災變示意圖豎井內並導致鄰近地表發生嚴重地盤下陷其影響範圍約達 1 公尺有關沉陷影響範圍如圖十六所示承商為防止災情擴大災變發生時於通風豎井內進行填砂與灌水使水位保持在地表下 16 公尺左右以平衡外在景美層內之水壓力在完成各階段應變措施且地盤已漸趨穩定後承商即開始進行復舊隧道復舊作業主要包括 : 1. 受損環片範圍確認與灌漿處理 2. 上行隧道土砂與水清除 3. 下行隧道洞口地盤改良補強 4. 上行隧道洞口處冰凍作業 5. 豎井內土砂與水清除及上行隧道洞口封堵施作 6. 受損環片更換與柔性接頭施工通風井及隧道完成復舊之作業時間造成工期延宕近二年 25 公尺通風豎井下行隧道師大路 ( 往中和 ) 上行隧道 ( 往台北 ) 林口社區 2 公尺湧水處 1 公尺 5 公分沉陷 2 公分因資料有限範圍難以確定兒童交通公園圖十六中和線通風豎井災變沉陷影響範圍

16 6.2 板橋線 A 通風豎井施工災害 CP262 標於 1995 年 7 月 16 日凌晨正在通風豎井 A 之上行隧道到達端進行鏡面破除時發生湧水且夾帶大量砂進入通風井 A 及隧道內造成西側地表最大沉陷達 6 公尺通風井 A 及隧道內各項機具設備 ( 含潛盾機 ) 遭浸水或土砂埋沒以及隧道局部變形受損之事故發生災變的原因頗耐人尋味因為湧水口距景美層尚有公尺 ( 參考圖十七 ) 照理不應該無法止水才是在以冰凍工法將洞口封住井內淤水抽乾後在潛盾機的下方發現一截流木同時在這截梳木附近發現一截塑膠管因此研判這塑膠管是直通景美層的一口已經棄置的抽水井其四周原本應該有空隙讓景美層的水湧入 ( 朱旭等 1997;Ju et al. 1998; Lin et al. 1997) 但是因為在隧道鏡面四周本來就曾經以高壓噴射灌漿工法進行地盤改良 ( 參考圖十七 ) 這空隙理應已經被封閉而且在這兒的地盤改良是以三重管施作 (CJG) 品質相當地好照理改良區不至於被水流淘空因此懷疑塑膠管旁之流木在潛盾機推擠之下攪動了地盤改良區造成水路附近的土砂得以被帶入通風豎井之內終於造成捷運初期路網工程中最嚴重的一次災變本次意外事故影響範圍達 7 公尺有關意外事故所造成沉陷範圍詳圖十八本次意外事故在完成各階段應變措施且地盤已漸趨穩定後承商即開始進行復舊隧道復舊作業主要包括 :1. 擾動地層地質調查 2. 受損狀況探測 3. 通風井 A 鏡面止漏作業 4. 隧道內止漏作業 5. 災區內隧道外側地盤改良 6. 通風井 A 排水 7. 凍結工法 8. 壓氣工法 9. 受損隧道環片復舊通風井及隧道完成復舊之作業時間造成工期延宕近二年 6.3 景美層埋設水壓計造成站區開挖災害在南港線某站體的開挖也因水壓計的埋置而釀成巨大災害 (Moh et al 1997) 該站體係位於台北市中心其開挖斷面及地層概況如圖十九所示站體寬約 23 公尺開挖深度約為 24.5 公尺採明挖配合 8 層內支撐施工法擋土壁則為 1.2 公尺厚 44 公尺深之連續壁最終開挖面至松二層底部之厚度為.5 公尺松二層底部水壓則有 29.5t/m2 抵抗上舉之安全係數為 1.3 事故發生時已開挖至底部且除了站體南端僅打設 PC 外其餘大底已打設完成事故發生主要因為有一支水壓計損壞而重新埋置鑽孔在開挖底部作業之位置如圖十九所示當鑽至 RL.54 松 5 層地下水位松 3 層地下水位 1m 89m 通風井 A 下陷後地面地盤改良 EL.13.m EL.11.5m EL.89.m EL.84.m 潛盾機上行隧道湧水環狀空隙 EL.69.m EL.64.m EL.61.m EL.54.m EL.49.m GM 圖十七板橋線通風豎井 A 災變示意圖公尺時水由鑽孔中湧出並夾帶大量泥砂如圖二十所示承商雖立刻加套管至高程 EL.89 公尺處意圖

17 平衡景美層之水壓但已來不及砂袋也無效果另緊急調度三部灌漿機採 LW(Labile Wasseglas) 灌漿也抑止不住其結果採用 7 萬噸水灌注才能平衡另共計用了 3 立方公尺的 LW 及 24 立方公尺的 CB(Cement-bentonite) 漿才能進行復舊工作本災害復舊作業包括 1. 增加支撐 2. 灌漿 3. 設置隔幕牆 4. 設置小土堤本次災害之復舊工作造成工期延宕近半年 N 湧水處圖十八通風豎井 A 意外事故所造成沉陷範圍示意圖 m 14.5 m 松六層松五層 VI V /ML /ML Strut 89. m 1. m 94. m 松四層 IV /ML. m 松三層 III /ML 松二層松一層 II I /ML 59.4 m.5 m 64.5 m 59.5 m 56.4 m Chingmei Gravels Piezometer 圖十九鑽孔貫穿黏土封底層導致災變

18 West East VI V IV 14.5 m /ML /ML /ML III /ML II I /ML Chingmei Gravels 圖二十災變示意圖參考文獻 Department of Rapid Transit Systems (1992) Civil Engineering Design Manual DORTS Taipei City. Ju D. H. Duann S. W. and Tsai K. H. H. (1998) Ground freezing for restoration of damaged tunnel Proc. 13th Southeast Asian Geotechnical Conference Taipei pp Lin L. S. Ju D. H. and Hwang R. N. (1997) A case study of piping failure associated with shield tunneling Proc. International NO-DIG 97 Taipei pp. 6B-1-1~6B Moh. C. and Hwang R. N. (1999) Geotechnical problems related to design and construction of the Taipei Rapid Transit Systems Keynote Speech Proc. Commemoration of Dr. Sang-Kyu Kim s Retirement Symposium April Seoul South Korea. Moh. C. Ju D. H. and Hwang R. N. (1997) A small hole could become really big Momentous Lecture Proc. 14th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering Hamburg Germany. Peck R. B. (1969) Deep excavation and tunnelling in soft ground Proc. 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering State-of-the Art Report Mexico City pp 台北市政府捷運工程局 () 台北都會區捷運系統中和線工程總報告朱旭楊慕泉段紹緯 (1997) 潛盾施工管理第七屆大地工程學術研究討論會 8 月金山第頁朱旭宮能文馮堯松郭耀程范世亮 (1997) 隧道鏡面湧水搶救及再出發捷運工程軟土隧道案例研討會 7 月台灣科技大學台北第頁吳建民 (1968) 台北盆地地盤沈陷問題之研究土木水利第 4 期第頁青木建設 / 新亞建設 (1991) Basic & Schematic Design Examination for Vent Shaft Slurry Wall 施工報告陳奕耿黃俊青王復國 (1997) 深開挖地中版建物保護案例第七屆大地工程學術研究討論會 8 月金山第 593~ 頁黃南輝張培義王復國簡敏忠 (1999) 台北捷運深開挖經驗近代營建工程研討會系列之三

19 - 土壤深開挖之台北經驗研討會 4 月台灣科技大學台北第 1~36 頁黃南輝許先才林國楨闕河淵 (1996) 降水工法在深開挖之應用深開挖與地下水研討會 4 月台灣科技大學台北第 53- 頁楊國榮黃立煌王勝男 (1995) 台北盆地礫石層深開挖地下水問題國際卵礫石層地下工程研討會 3 月台北第 4-21~4-28 頁楊國榮楊慕泉趙際禮 (1996) 泥水加壓式潛盾機施工導致之地表沉陷探討現代營建第 197/198 期 5/6 月第 29-35/27-31 頁楊國榮趙際禮 (1997) 台北捷運系統新店線 CH221 標通風豎井施工第七屆大地工程學術研究討論會 8 月金山第 117~124 頁闕河淵吳沛軫朱世忠蘇信淵 (1996) 地下工程施工對鄰近建物保護施作時機及成效檢討地工技術第 54 期第 77~86 頁

#4 ~ #5 12 m m m 1. 5 m # m mm m Z4 Z5

#4 ~ #5 12 m m m 1. 5 m # m mm m Z4 Z5 2011 6 6 153 JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY Jun 2011 NO. 6 Ser. 153 1006-2106 2011 06-0014 - 07 300142 ABAQUS 4. 287 mm 6. 651 mm U455. 43 A Analysis of Impact of Shield Tunneling on Displacement