專導要摘要臺灣山區附近常遭遇卵礫石高水位沖刷大等具困難施工之河川環境, 橋梁下部為降低大深度之施工困難度與風險, 通常可考量沉箱工法, 但傳統自重沉箱工程因採超挖沉降方式, 常有超沉突沉沉箱傾斜錯位地盤沉陷等問題發生, 目前雖有各種改善措施, 惟因超挖沉降方式未作改變, 成效受限 ; 本

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怡萧
5 years ago
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(Ko, Wu-Te) 1 台灣世曦工程顧問股份有限公司 / 大地工程部 / 經理 / 周永川 (Chou,Yung-Chuan) 2 台灣世曦工程顧問股份有限公司 / 大地工程部 / 計畫經理 / 邱志榮 (Chiu, Chih-Jung)

1 中華技術專題報導TECHNICAL REPORTS 關鍵詞 (Key Words): 壓氣沉箱 (pneumatic caisson) 壓入沉箱 (press-in anchor caisson) NF 膜 (no friction membrane) 無人化 (un-manned) 高氣壓 (high atmospheric pressure) 潛水夫病 (decompression sickness) 正修科技大學 / 土木與空間資訊系 / 助理教授 / 柯武德 (Ko, Wu-Te) 1 台灣世曦工程顧問股份有限公司 / 大地工程部 / 經理 / 周永川 (Chou,Yung-Chuan) 2 台灣世曦工程顧問股份有限公司 / 大地工程部 / 計畫經理 / 邱志榮 (Chiu, Chih-Jung) 3 台灣世曦工程顧問股份有限公司 / 大地工程部 / 工程師 / 許耀仁 (Hsu, Yao-Jen) 4 台灣世曦工程顧問股份有限公司 / 大地工程部 / 工程師 / 陳姵雯 (Chen, Pei-Wen) No.119 July, 2018

專導要摘要臺灣山區附近常遭遇卵礫石高水位沖刷大等具困難施工之河川環境, 橋梁下部為降低大深度之施工困難度與風險, 通常可考量沉箱工法, 但傳統自重沉箱工程因採超挖沉降方式, 常有超沉突沉沉箱傾斜錯位地盤沉陷等問題發生,

Abstract Geotechnical Evaluation for Caisson and Its Challenges in New Era Abstract Construction of bridge piers under

Due to the great depth and large area construction in such an environment, excavated with caisson is usually adopted

However, traditional caisson often induced sudden sinking, tilt, dislocation, adjacent facility subsidence, etc.

2 專導要摘要臺灣山區附近常遭遇卵礫石高水位沖刷大等具困難施工之河川環境, 橋梁下部為降低大深度之施工困難度與風險, 通常可考量沉箱工法, 但傳統自重沉箱工程因採超挖沉降方式, 常有超沉突沉沉箱傾斜錯位地盤沉陷等問題發生, 目前雖有各種改善措施, 惟因超挖沉降方式未作改變, 成效受限 ; 本文參酌國內外技術案例及執行經驗, 提供大深度與大面積之沉箱設計施工考量注意要項及國外沉箱技術挑戰發展, 期可降低沉箱工程問題, 及提供國內各界參考 Abstract Geotechnical Evaluation for Caisson and Its Challenges in New Era Abstract Construction of bridge piers under gravel riverbed, high water level conditions are very difficult and risky. Due to the great depth and large area construction in such an environment, excavated with caisson is usually adopted to avoid risk. However, traditional caisson often induced sudden sinking, tilt, dislocation, adjacent facility subsidence, etc. problems according to the over-digging sinking. This article will include both of the domestic and foreign 導摘 caisson cases for great depth and large area excavation with advanced technology and important cassion design consideration as reference. 3 專題報No.119 July,

0m=1630m 2 ) 須將 3000T 之基礎深入基岩, 因須深入水下約 13.

3 專題報壹沉箱應用溯源沉箱最早之使用為 1841 年法國的塔利哥 (M.Triger), 因遭遇高水位及卵礫石施工不易問題, 故採用 1m 的鐵製圓形筒配合氣壓式閘門 (Air lock) 提供一約 2kg/cm 2 之氣壓, 以輔助 18m 深之煤礦豎井施工 ; 之後, 此類工法發展為橋梁之深基礎施工, 如美國紐約布魯克林大橋 (Brooklyn Bridge, 工期 14 年,1883 年完工 ), 其橋墩下部 (52.4m 31.0m=1630m 2 ) 須將 3000T 之基礎深入基岩, 因須深入水下約 13.5 及 23m, 故當時採用通氣設備將具壓力之空氣送至開挖面底部以抵抗水壓與土壓, 再由工人配合水密性木製擋板逐步開挖沉降 ( 示意如圖 1), 本歷史性工程雖終究完成, 但有超過 100 名工人因當時輸送之壓力空氣而得了潛水夫病, 因此, 紐約州政府就此案例深入檢討, 而於 1909 年制定並通過了沉箱安全施工法案, 以保障沉箱環境作業之工人健康 ( 於 19 世紀之沉箱發展可詳表 1) 20 世紀, 美國紐約市興建超高層摩天大樓 (Sky-Scraper), 這些超高層建築深度達地下 4~ 5 層, 因基礎需構築位於岩層, 故採用數十個沉箱相互連結並形成一水密性良好的地下圓周壁結構, 再以明挖進行開挖以達岩層, 此類沉箱作為地下周壁之施工方法稱為牆沉箱 (Wall Caisson) 工法 ; 近期沉箱於國內外案例則多用於潛盾發進 / 到達井及橋墩基礎或匯流 / 連通設施地下空間等之大面積大深度設施施築貳沉箱規劃設計與施工之探討沉箱工法具低污染不影響地下水文毋須日夜連續施工可減少擾鄰或降低交通衝擊之友善環境特性, 採擇應依挖掘方式施工場地地盤條件深度對周邊環境影響地下障礙物等因素決定適用方式 ; 國內沉箱普遍應用於橋梁基礎施工, 但近年因施工機械進步, 國內橋梁下部基礎多採用樁基礎形式, 但沉箱因具大口徑之斷面積大特性, 其承載性耐震性佳, 較可避免瞬間破壞與挫曲折斷等問題, 且主體結構在地面施築, 品質易掌控止水性較佳, 特殊狀況較一般基樁適合採用導198 No.119 July, 2018 表 1 十九世紀之沉箱發展項次年代沉箱設施沉箱形式困難性施工方式 ~ (a) Brooklyn Bridge 大橋法國塔利哥構築煤礦豎井法國英國鐵公路橋梁基礎美國布魯克林大橋基礎法國艾菲爾 (Eiffel) 鐵塔基礎 ϕ1m 鐵製圓形筒圓形基樁 (Pneumatic Pile), ϕ=2m 以下 2 座木製擋板沉箱 (52.4m 31.0m) (b) Eiffel Tower ( 來源 :GETTY museum) 圖 1 紐約 Brooklyn Bridge 大橋及巴黎艾菲爾鐵塔之基礎採壓氣沉箱施工高水位及卵礫石深 18m 尺寸大深度深河底面下 13.5/23m 氣壓閘門 ( 氣壓約 2kg/cm 2 ) 壓氣工法壓氣工法 4 座鐵製壓氣沉箱 (15m 6m) 河底面下 10m 壓氣工法

專題報一沉箱適用性及特性比較沉箱工法依施工方式而可區分為自重沉箱壓入沉箱與壓氣沉箱 ( 圖 2), 目前臺灣多採開口式沉箱利用自重下沉施工, 但開口沉箱須在水中開挖, 受限機械性能及水中開挖致其效率較差, 隨挖掘技術進步, 除常見之蛤式或梅花式抓斗外, 於硬質黏土地盤則可併用高壓水刀預先攪拌, 或於岩盤先行預鑽換土, 使在水中開挖之開口沉箱能運用於更多種類之地盤, 參酌日本各類沉箱案例,

4 專題報一沉箱適用性及特性比較沉箱工法依施工方式而可區分為自重沉箱壓入沉箱與壓氣沉箱 ( 圖 2), 目前臺灣多採開口式沉箱利用自重下沉施工, 但開口沉箱須在水中開挖, 受限機械性能及水中開挖致其效率較差, 隨挖掘技術進步, 除常見之蛤式或梅花式抓斗外, 於硬質黏土地盤則可併用高壓水刀預先攪拌, 或於岩盤先行預鑽換土, 使在水中開挖之開口沉箱能運用於更多種類之地盤, 參酌日本各類沉箱案例, 歸納各工法特徵與應用比較如表 2 (a) 自重沉箱 (b) 壓入沉箱 (c) 壓氣沉箱圖 2 各類沉箱施工圖表 2 開口自重沉箱開口壓入沉箱及閉口壓氣沉箱應用建議表 [1] 2 地盤適用性名稱開口自重沉箱開口壓入沉箱預鑄或場鑄場鑄式環片式預鑄式閉口壓氣沉箱內部空間 (m) 3~12 6~20(30) 3~11(13) 2~3(5) 3~30(70) 刃口深度 (m) (70) 30(70) 30(50) 30(70) 適用形狀沖積黏性土圓形矩形 ( 需考量過度下沉對策 ) 洪積黏性土 ( 先行鑽孔 ) 沖積砂質土 ( 需考慮砂湧及沉陷對策 ) 洪積砂質土 ( 同上 ) 砂礫土特性及施工注意要項 ( 需考量減少摩擦力及遇巨石對策 ) 圓形矩形長圓形 ( 同開口自重沉箱 ) ( 先行鑽孔或採設置於刃口部位的掘削機 ) 圓形長圓形圓形矩形圓形矩形長圓形 ( 同開口自重沉箱 ) ( 先行鑽孔 ) ( 先行鑽孔 ) ( 先行鑽孔或採設置於刃口部位的掘削機 ) ( 先行鑽孔 ) ( 先行鑽孔 ) ( 同上 ) ( 同上 ) ( 同上 ) 岩層 ( 先行鑽孔 ) ( 同上 ) ( 同上 ) ( 同上 ) 多為 RC 結構, 因受水中挖掘限制難以設置隔牆且受限於挖掘用桁架臂移動式起重機之作業範圍, 一般在中 ~ 小規模沉箱案例較多沉箱本體為場鑄式, 受限挖掘, 通常於中小規模之沉箱採用進行水中開挖需維持箱體內部水位, 並防止挖削地盤可能引起之隆起砂湧內部有隔間時要注意其下方掘削方式 1:( ) 內為最大實績 2: 適用性 : 採用時須注意 : 需要檢討施工對策 : 適合環片為工廠製作品質穩定, 小規模的工作井採用案例多由於不需在現場製作箱體與養護工作, 因此適用於狹隘地點及緊急施工預鑄節塊品質較穩定, 可應用於狹隘地點以及緊急施工因需搬運單體節塊, 一個單體節塊分割為 2 塊, 可應用至直徑 5m 的沉箱製作 ( 下沉時的震動 ) 開挖時依據底版之地下水位, 採用相對之壓氣, 因此不會影響地盤周邊的地下水位導No.119 July,

5 專題報( 一 ) 自重沉箱 : 在地面上構築鋼筋混凝土形成的筒狀框結構箱體, 以桁架吊臂移動式起重機配戴抓斗進行挖掘沉箱底部地盤土砂, 以自重下沉到達設計所需的支承地層之施工法, 具工期快費用低之優點 ( 二 ) 壓入沉箱 : 在地上構築 RC 箱體或鋼製 /RC 環片或預力混凝土節塊, 而以地錨反力將箱體下降後, 再挖掘沉箱本體內部地盤挖掘採挖斗式機械, 另也可搭配水中挖掘機在沉箱內壁組裝軌道, 利用軌道之水中挖掘機開挖刃口部位地盤 ( 三 ) 壓氣沉箱 ( 閉口沉箱 ): 離開挖面約 2m 處設置壓力艙與進出口區隔之作業室, 在作業室開挖面以壓氣保持作業面乾燥以利挖掘, 再利用自重或灌水沉降箱體二施工問題及對策探討嚴格管控, 以避免開挖地盤發生隆起砂湧, 另為防止沉箱周圍產生空隙或因地盤被牽動造成周邊地盤下沉, 則需採用注入皂土滑材將摩擦消除或構築鋼板樁等遮斷壁方式, 說明如下 : ( 一 ) 自重沉箱 : 採箱體下先進行開挖, 減少刃端抵抗力以利下沉之施工 ( 詳圖 3), 常因地下水位不易管控, 致開挖面土體鬆解崩坍, 此易致週邊地盤沉陷及損鄰此外, 亦有因沉箱下沉受力不均, 常見沉箱垂直度偏移扭曲難以修正超出設計考量之許可偏心量, 且對沉箱節塊接合處將產生額外受力而於變形後破口滲漏另, 當地盤軟弱時, 也易發生箱體因自重大於摩擦與刃口阻力而產生超沉突沉現象靠箱體自重下沉, 但亦常因箱體自重不足, 箱體刃口與箱體間常預留較大摩擦消除縫隙 (friction cutter) 或須採其他減少摩擦阻力對策, 如設置 NF(Nofriction) 膜注入潤滑材等促進材料沉箱下沉開挖, 通常須就內部水位進行 ( 二 ) 壓入沉箱 :1960 年代日本開發以地錨導200 No.119 July, 2018 (a) 自重沉箱圖 3 自重及壓入沉箱挖掘方式 [1] (b) 壓入沉箱

專題報拉拔力作為反力 ( 最大可使用 3,500kN 的大型壓入用千斤頂 ), 將箱體先壓入地盤內, 再於箱體之貫入深度內進行水中開挖 ( 詳圖 3) 之工法, 其具周邊地盤沉陷小優點, 可配合監測與控制油壓壓力沉降箱體為克服沉箱自重不足導致下沉力不足, 此工法也因可在沉箱側壁上任何位置自由的加載荷重, 能精準確實的控制沉箱下沉位置與精度,

曾因人員須於異常氣壓下作業易致潛水夫病之等困境, 工程案例漸減, 國內迄今亦無案例但壓氣沉箱工法適用於各種地盤條件, 沉箱本體為場鑄式, 不受形狀限制 ( 可為不規則形狀或超大尺寸, 圖 4), 可在乾燥的狀態以目視直接確認開挖狀態, 小規模或大規模沉箱構造物皆可採用由於國外無人化挖掘技術之普及,

6 專題報拉拔力作為反力 ( 最大可使用 3,500kN 的大型壓入用千斤頂 ), 將箱體先壓入地盤內, 再於箱體之貫入深度內進行水中開挖 ( 詳圖 3) 之工法, 其具周邊地盤沉陷小優點, 可配合監測與控制油壓壓力沉降箱體為克服沉箱自重不足導致下沉力不足, 此工法也因可在沉箱側壁上任何位置自由的加載荷重, 能精準確實的控制沉箱下沉位置與精度, 除可減低沉箱為下沉所需要自重, 亦能減少沉箱側壁厚度, 陸續也發展使用鋼環片或預鑄鋼筋混凝土環片等薄且自重輕的箱體, 有利縮短場鑄鋼筋混凝土箱體構築期程易於交通維持及都會區運用惟當工址抗拉支承層過深無法有效設置地錨, 或地盤水中開挖效率低, 或沉箱尺寸過大超出挖土吊車桁架長度無法取土時, 則宜考量改採壓氣沉箱工法 ( 三 ) 壓氣沉箱 : 曾因人員須於異常氣壓下作業易致潛水夫病之等困境, 工程案例漸減, 國內迄今亦無案例但壓氣沉箱工法適用於各種地盤條件, 沉箱本體為場鑄式, 不受形狀限制 ( 可為不規則形狀或超大尺寸, 圖 4), 可在乾燥的狀態以目視直接確認開挖狀態, 小規模或大規模沉箱構造物皆可採用由於國外無人化挖掘技術之普及, 壓氣沉箱施工技術已發展出無人化施工技術等精進輔助工法, 如日本東京晴豐 2 號橋下部工程 ( 圖 5) 參沉箱設計與施工之要領一設計重要考量沉箱設計須考量固定載重附加載重 ( 設備載重設備運作載重行駛機械載重等 ) 矩形圓形橢圓形多邊形圖 4 無人壓氣沉箱施工之形狀考量導No.119 July, 圖 5 日本東京晴豐 2 號橋下部工程採壓氣沉箱施工 ( ~2006.9)

7 專題報側壓內水壓溫度變化影響乾燥收縮潛變影響地震載重影響最不利狀態的浮力作用 (F=Wc/U>1.0, 周邊地盤摩擦可忽略不計 ) 沉箱施工時載重 ( 不均勻土壓作業氣壓產生的上揚壓力刃口地盤反力供下沉用的水載重周面摩擦力等 ) 等情境, 三類型沉箱依施工方式, 在設計上各有不同須配套及須留意之考量, 以確保施工性並降低風險, 彙整說明如表 3 沉箱於決定沉箱形狀尺寸後, 需核驗沉箱的下沉與抵抗力關係, 以確保下沉力大於阻力, 其中下沉力包含箱體結構重量及必要之加載, 阻力則來自於作用於基礎之浮力及摩擦力, 如式 (1): W c + W w > U+R 式 (1) 式中, W c : 沉箱重量 (kn) W w : 加載於沉箱之下沉載重 (kn) U: 若為壓氣沉箱, 則為理論氣壓或作業氣壓之上揚壓力 (kn); 若為開口沉箱, 則為作用於基礎的浮力 (kn) R: 沉箱之下沉抵抗力 (kn), 包含周面摩擦力 (R f ) 及刃端抵抗力 (R r ) 一般沉箱周面摩擦應力可參考表 4 表中之值為彙整沉箱未傾斜設置摩擦消除縫隙且下沉狀況較佳者, 實際仍需視情況予以修正, 如採灌注潤滑材 ( 皂土 ) 約可再降低 30% 左右之周面摩擦力表 4 一般沉箱周面摩擦應力考量 (kn/m 2 )[1] 沉箱深度 (m) 土質黏性土砂質土砂礫而不同之沉箱施工方式應採擇其適合之沉降關係及刃口設計, 因沉箱刃口為當沉箱下沉時, 一面需切削地盤內的砂礫, 且一面需貫入的部分, 有可能受到複雜的載重或撞擊, 故其形狀須能易於下沉, 為減少貫入阻力, 一般刃口的尖端部分形狀細小根頭粗大, 呈錐形, 表 3 各式沉箱工法之設計與施工重要考量項目自重沉箱壓入沉箱壓氣沉箱斷面形狀 1. 矩形 : 需注意下沉施工時之穩定, 並防止偏心, 因角隅開挖困難, 長短邊之比例以小於 3:1 為宜 2. 圓形 : 有自體旋轉可能, 下沉摩擦阻力較小多為圓形, 長圓形, 空間小時可採用矩形導202 No.119 July, 2018 刃口設計下沉檢核 W c +W w > U+R f +R r 1. 自重沉箱須強化水平方向的補強刃口, 且內壓與外側的靜水壓之差至少需有 3m 2. 須考量壓入反力對刃口的載重, 而堅實地盤須考量擴大刃口肩部 1. 除沉箱自重 (W c ) 外, 開口沉箱應考量必要之壓重設施 (W w ) 如增加壁厚臨時荷重壓入沉箱則可加計地錨反力, 壓氣沉箱則可考量頂棚底板上方之加水載重 2. 周邊摩擦力 (R f ) 及刃端抵抗力 (R r ) 應視實際開挖情境及下沉促進設施 ( 增設噴氣設備注入潤滑材設置摩擦消除縫隙 ( 刃口部略寬出箱體部 ) 或其他降低摩擦力之設備 ) 之採用與否計算考量, 另詳下述說明 3. 浮力或氣壓上揚壓力 (U), 除下沉過程外, 亦應檢核完成水中混凝土底版後抽排沉箱內積水後, 地下水上浮力對沉箱之影響側壁設計須考量偏心狀態透過千斤頂控制, 維持頂端水平, 偏心較小須考量偏心狀態底板設計特別考量水中混凝土施工, 厚度至少 2m, 將地盤反力傳遞於側壁或隔壁並可納入抗浮若箱體受阻難下沉而擬將刃口底部土體挖除, 俾利箱體下沉此時應評估沉箱周遭地盤之沉陷量及保護鄰近構造物之對策 1. 下沉促進設施之檢討, 包含反力桁架千斤頂地錨等 2. 壓入沉箱可設計較薄側壁, 以壓入力補足自重不足問題頂棚底板, 須加計考量施工狀態之水氣壓 1. 須考量送氣設備容量計算 2. 構築箱體前及開始下沉時, 需先核驗地盤的支承力, 以免產生急遽沉陷

專題報此乃因地盤反力隨著沉箱下沉而遞增, 有防止因急遽下沉而產生的不均勻沉陷傾斜等功效, 刃口設計特殊考量如下 : 二沉箱沉降促進對策 ( 一 ) 下沉力提升對策之反力地錨 ( 一 ) 自重沉箱 : 於刃口附近因保留一部分未開挖, 故表 4 之周面摩擦應力需另加約 10 kn/m 2 之刃端抵抗若箱體受阻難下沉而擬將刃口底部土體挖除, 俾利箱體下沉,

故沉箱外周邊地盤沉陷量小 ( 須另行檢核刃端抵抗力 ) ( 三 ) 壓氣沉箱 : 於開挖刃口尖端底部地層時, 壓氣沉箱之壓氣將水排出, 開挖面尚能維持自立性壓氣沉箱由於刃口尖端底部均開挖, 故設計上無須考慮刃端抵抗力 ( 二 ) 下沉阻力減低對策之 NF 膜於刃口之外沉箱箱體, 以特殊 NF 鋼膜 ( 薄鋼板 ) 密接於箱體外壁與地盤間來減少摩擦力, 詳見圖 7

8 專題報此乃因地盤反力隨著沉箱下沉而遞增, 有防止因急遽下沉而產生的不均勻沉陷傾斜等功效, 刃口設計特殊考量如下 : 二沉箱沉降促進對策 ( 一 ) 下沉力提升對策之反力地錨 ( 一 ) 自重沉箱 : 於刃口附近因保留一部分未開挖, 故表 4 之周面摩擦應力需另加約 10 kn/m 2 之刃端抵抗若箱體受阻難下沉而擬將刃口底部土體挖除, 俾利箱體下沉, 此時應評估沉箱周遭地盤之沉陷量及保護鄰近構造物之對策地錨之施作係為提供油壓千斤頂壓入箱體穩定沉降所需之反力, 考量箱體施壓可能干擾影響地錨, 設計時將地表至開挖箱體底部之地錨範圍考量不提供反力, 視為安全係數之一部分地錨固定端之錨頭拉拔設備如圖 6 圖 6 錨頭拉拔設備 ( 二 ) 壓入沉箱 : 因利用地錨反力將刃口壓入地層中, 於刃口保護擋土下開挖箱體內地盤, 故沉箱外周邊地盤沉陷量小 ( 須另行檢核刃端抵抗力 ) ( 三 ) 壓氣沉箱 : 於開挖刃口尖端底部地層時, 壓氣沉箱之壓氣將水排出, 開挖面尚能維持自立性壓氣沉箱由於刃口尖端底部均開挖, 故設計上無須考慮刃端抵抗力 ( 二 ) 下沉阻力減低對策之 NF 膜於刃口之外沉箱箱體, 以特殊 NF 鋼膜 ( 薄鋼板 ) 密接於箱體外壁與地盤間來減少摩擦力, 詳見圖 7 所示, 並預留噴流口提供必要時可輔以噴射高壓空氣以降低摩擦阻力當箱體定位後, 亦利用噴氣孔進行背填灌漿以固定箱體但沉箱下沉時周面摩擦力之值, 宜根據沉箱周壁的材質下沉通過之地質深度及有否使用下沉促進工法等施工條件, 而做適當計算, 此可參考日本阪神高速道路公團之場鑄樁支承力設計綱要 (1990 年 6 月 ) 進行計算 ( 詳表 5) 修正導No.119 July,

專題報圖 7 沉箱壁體密接 NF 膜示意圖表 5 使用下沉輔助促進工法之周面摩擦應力 (kn/m 2 ) 建議深度 (m) 文獻 1 魚崎濱工區實測值助松工區建議值表 6 沉箱精度標準建議 (NEXCO)[1] 沉箱精度標準量測項目規格值 0~5 2 6 7 8 平面位置 ( 最後 ) 偏心 15cm 以內旋轉 3 以內 5~10 6 6 8 10 10~15 10 10~20

119 July, 2018 為掌握施工中沉箱狀態並供施工管理而宜設適當監測儀器, 一般沉箱可利用雷射測距儀進行下沉量測水平變位量測, 箱體頂部可設置雙向傾斜計深度計, 甚或刃口反力盤壓計, 並銜接至自動化儀器監視, 以控於都會區或近接施工之工程已漸多採壓入沉箱工法, 以克服不同工程課題, 諸如大深度窄小場地高精度需求等, 包括捷運工程電力工程污排水自來水等,

9 專題報圖 7 沉箱壁體密接 NF 膜示意圖表 5 使用下沉輔助促進工法之周面摩擦應力 (kn/m 2 ) 建議深度 (m) 文獻 1 魚崎濱工區實測值助松工區建議值表 6 沉箱精度標準建議 (NEXCO)[1] 沉箱精度標準量測項目規格值 0~ 平面位置 ( 最後 ) 偏心 15cm 以內旋轉 3 以內 5~ ~ ~ ~ 12 10~20 14~17 20 傾斜 ( 最後 ) 計畫高長度平面尺寸 1/100 以下設計值 ±50mm 以內備註 1:NF 工法目錄建議值 NF 膜高壓噴流肆新時代沉箱技術之困難挑戰 ( 三 ) 施工精度確保對策之自動監控系統一臺灣沉箱技術導204 No.119 July, 2018 為掌握施工中沉箱狀態並供施工管理而宜設適當監測儀器, 一般沉箱可利用雷射測距儀進行下沉量測水平變位量測, 箱體頂部可設置雙向傾斜計深度計, 甚或刃口反力盤壓計, 並銜接至自動化儀器監視, 以控於都會區或近接施工之工程已漸多採壓入沉箱工法, 以克服不同工程課題, 諸如大深度窄小場地高精度需求等, 包括捷運工程電力工程污排水自來水等, 國內執行案例擇要彙整如表 7 所示其中臺北捷運蘆洲線制千斤頂壓力而利於箱體穩定沉降及配合水 DL131 標連絡通道豎井, 因沿線道路狹窄, 銜接中挖掘, 減少對周遭地盤擾動日本高速道巷弄多為商業重要據點, 經評估既設管線交路株式会社 (NEXCO) 對於偏心傾斜建議之通衝擊等各項因素, 而在巷道寬度僅有 8.5m 之沉箱精度管理標準可詳表 6, 此標準適用於丁字路口設置工作井 ( 參見圖 8~9) 另, 台電潛開口自重沉箱與壓氣沉箱工法, 而一般之盾電纜洞道之連通井兼通風井, 為儘可能縮小壓入沉箱工法垂直精度宜達 1/300 以內施工範圍以維持幹道交通, 故設計短徑 7m 長

專題報表 7 臺灣壓入沉箱案例 [2] 項次工程名稱 / 工程地點施工廠商數量 1 北捷蘆洲線 CL700A 區段標日商清水營造 1 2 北捷松山線 CG590A 區段標日商前田營造 1 3 高雄中林路污水主幹管管線工程豐源營造 4 台電大林 ~ 高港 345kV 電纜線路工程 ( 第一工區 ) 春原營造 5 大安 ~ 松湖

5 26.4 施工期 2006/08~ 2007/02 2009/10~ 2010/01 26.4 2011/08~ 2013/01 1 15.5 11.5 28.55 2013/09~ 1 25.0 15.5 31.3 2014/04 1 17.0-47.1 1 飛龍公司 1 17.

8 12 2014/05~ 2016 2015/03~ 2015/06 圖 8 北捷沉箱豎井工址圖 10 台電沉箱壓入二國外大面積之沉箱施工壓氣沉箱之歷史已逾 170 年, 近年來由於圖 9 北捷壓入沉箱施工大深度地下結構物之需求增加, 壓氣沉箱施工國外已發展出可預防高氣壓症 ( 潛水夫症 )

10 專題報表 7 臺灣壓入沉箱案例 [2] 項次工程名稱 / 工程地點施工廠商數量 1 北捷蘆洲線 CL700A 區段標日商清水營造 1 2 北捷松山線 CG590A 區段標日商前田營造 1 3 高雄中林路污水主幹管管線工程豐源營造 4 台電大林 ~ 高港 345kV 電纜線路工程 ( 第一工區 ) 春原營造 5 大安 ~ 松湖 345kV 電纜線路工程日商鹿島營造 6 台水三義交流道至三義減壓池 1000m/m 管線工程形狀 2 尺寸 ( 長 ) (m) 6 ( 外徑 ) 3.8 ( 外徑 ) 12.4 ( 外徑 ) 尺寸 ( 寬 ) (m) 4.8 ( 內徑 ) 3 ( 內徑 ) 10 ( 內徑 ) 深度 (m) 施工期 2006/08~ 2007/ /10~ 2010/ /08~ 2013/ /09~ / 飛龍公司 ( 長徑 ) 12 ( 外徑 ) 7 ( 短徑 ) 10 ( 內徑 ) /05~ /03~ 2015/06 圖 8 北捷沉箱豎井工址圖 10 台電沉箱壓入二國外大面積之沉箱施工壓氣沉箱之歷史已逾 170 年, 近年來由於圖 9 北捷壓入沉箱施工大深度地下結構物之需求增加, 壓氣沉箱施工國外已發展出可預防高氣壓症 ( 潛水夫症 ) 之無人化配合遠端遙控施工技術, 包括日本大阪寢屋川 (Osaka Neyagawa) 北部地下河川讚良立坑採無人化壓氣施工 ( 圖 11), 以因應地下結構物之大深度發展, 因應特殊需求於亞洲使用壓氣沉箱導No.119 July, 之大面積工程實績可詳表 8 採用形狀有包括矩徑 17.2m 井深 54.8m 之沉箱豎井, 沉箱刀刃高形或不規則形狀或超大尺寸面積及大深度之度 5.2m, 箱體區分 10 節塊 ( 長約 5.6m) 分別沉降, 壓氣沉箱施築案例, 開挖面積超過 1,000m 2 之施詳圖 10 工案例於日本則已有超過 50 例, 代表者如 1990 年完工之東京彩虹大橋橋墩基礎 ( 達 3,200m 2 以

11 專題報導206 No.119 July, 2018 圖 11 遠端遙控之無人化壓氣沉箱作業示意及日本大阪寢屋川北部地下河川讚良豎井 (Sanra Shaft) 無人化壓氣施工 ( 來源 : 中林建設株式會社 ) 表 8 亞洲使用壓氣沉箱之大面積施工實績 (1962~2012)[3] 項次地點 / 工程用途外徑 (m) 深 (m) 完工備註 1 Tokyo Higashi-Ogu Sewage Facilities 汙水池 62.1x ,837m 2 2 Osaka Neyagawa Sanra Shaft 洪水導流井 40 30~ Korea Youngjong Grand Bridge 橋墩基礎 47x Tokyo Coastal Road Tunnel 隧道通風井 45.0x Kanagawa Tomei Ashigara Bridge 橋墩基礎岩石 6 Tokyo Rainbow Bridge 橋墩基礎 45.1x / 沖積層 7 Main Tower of Tsubasashi Bridge 橋墩基礎 40.1x / Ichikawa Sewer Pumping Plant 汙水井 52.6x Pumping Building of Otagawa Sewer Treatment Plant 汙水井 48.2x Niigata Thermal Power Plant 橋墩基礎 59.0x Omiya Expressway East-West Connection Tunnel 鐵 / 公路隧道 221.5/6 段不詳不詳 12 Nagai River Bridge 橋墩基礎 47.6x 不詳卵礫石上 ) 東京東尾久汙水淨化池(Tokyo Higashi-Ogu Sewage Facilities), 其沉箱面積達 4,837m 2, 為迄今世界最大 (2012 年完工 ) 三國外之大深度高氣壓之無人化施工技術日本於 1980 年代開發於壓氣沉箱作業室頂板安裝軌道, 再於軌道上架設可移動之懸吊式挖掘機, 並由地面上遠端遙控之無人化挖掘技術 ( 詳圖 11); 近年來, 在日本當作業現場氣壓高於 0.176MPa 時, 即須採用無人化挖掘方式施工, 目前大阪柴島 (Kunijima) 之輸水幹管直井開挖則採 0.539Mpa 高氣壓, 沉箱開挖深度達 63.5m, 為迄今世界最深 (2000 年完工 ) 此方面之壓氣沉箱工程實績可詳表 9 新技術應用除了

12 專題報表 9 大深度及高氣壓之壓氣沉箱施工實績 (2006~2016)[3] 項次地點 / 工程氣壓 (MPa) 深 (m) 完工備註 1 Kunijima Water Pipeline Shaft 高氣壓 2 Takasago Water Pipeline Shaft 高氣壓 3 Inabegawabashi Bridge P1~P 高氣壓 4 Meiko Chuo Ohashi Bridge Mikawashima Sewer Main Shaft 高氣壓 6 Sakaebashi Power Cable Line Shaft 高氣壓 7 Kitachiba Water Pipeline Shaft Shin Moritsubashi Bridge 高氣壓 9 Main Tower of Ktushika Harp Bridge Nasagawa Bridge 高氣壓 11 Ogijima Blast Furnace Foundation Ajigawa Water Gate Substructure 大幅度地改善施工環境外, 也得以實現未來進一步達到 100m 之超大深度施工伍結語近期國內都會區常採用壓入沉箱, 因其四潛水夫病預防技術施工可克服於環境交通限制及常見之地盤失穩突沉傾斜等問題, 國外則針對於大面積由於無人化挖掘技術之普及, 人員雖已不及大深度工程應用了無人壓氣沉箱及混和氦氣需在高氣壓環境下挖掘施工, 但仍需於高氣壓之供氧系統設備, 以改善人員施工作業環境, 環境下維修挖掘機, 及拆解挖掘完後的機具撤且已達地下 63.5m 施工深度, 值得國內適當工程出及實施地盤支承力試驗等作業此外, 在之個案參考作業氣壓高於 0.4MPa 之施工環境中, 作業人員除需面臨潛水夫病風險外, 也可能產生氮氣暈眩氧氣中毒等症狀, 雖也可採降低地下水位等輔助工法以降低作業氣壓等對策, 但究竟並參考文獻非解決之道因此在 1980 年末期至 1990 年中期 1. 沉箱設計施工準則, 臺北 : 中華民國開發出混和氦氣之供氧系統設備 (helium mixed 大地工程學會,2017 gases breathing system), 此項技術是將深海潛水技術應用至壓氣沉箱作業, 混合氦氣之供氧系統可減少並排出溶解在人體內的氮氣在日本, 目前只要是作業氣壓高於 0.392MPa 時, 即必須採用混和氦氣之供氧系統設備及專用呼吸 2. Kweishr Li; M.H. Lin; C.S. Chang; Yao- Jen Hsu, Press-In Anchor Caisson Shaft in Taiwan,19th Southeast Asian Geotechnical Conference & 2nd AGSSEA 導No.119 July, 口罩吸入純氧, 以加速排除溶解於體內及肺部 Conference (19SEAGC & 2AGSSEA),Kuala 中的氮氣, 現今這項純氧減壓技術在日本已經 Lumpur,31 May-3 June 2016 是減壓作業之標準程序 3. Koichi Fujita, A remote-control system in the pneumatic caisson method,japan, Shiraishi Corp., 2012

壓入沉箱工法應用說明二壓入沉箱工法特色壓入沉箱工法的特色在於利用在沉箱 (A) 周圍打設的垂直地錨 (B) 提供反作用力, 以拉力鋼棒 (C) 傳遞反作用力至沉箱頂端中空油壓千斤頂 (D), 藉由壓入樑 (E) 配合箱內開挖壓入沉箱, 輔助沉箱下沉 ( 參見圖 1) 施工前可預先檢討土質鑽探資

壓入沉箱工法應用說明二壓入沉箱工法特色壓入沉箱工法的特色在於利用在沉箱 (A) 周圍打設的垂直地錨 (B) 提供反作用力, 以拉力鋼棒 (C) 傳遞反作用力至沉箱頂端中空油壓千斤頂 (D), 藉由壓入樑 (E) 配合箱內開挖壓入沉箱, 輔助沉箱下沉 ( 參見圖 1) 施工前可預先檢討土質鑽探資壓入沉箱工法應用說明椋田浩樹董事長 / 台灣海壓克工程股份有限公司摘要近年來大都會區內, 高樓建築及高架橋與捷運等公共建設參錯林立, 水電, 瓦斯, 下水道及電信等地下公共設施管線的密集度越來越高無論是在地面上或地下, 新建工程興建空間之取得日漸困難, 為避免擾動地盤損壞既有建築物, 施工風險必須充分檢討其安全性新建潛盾隧道時爲取得建設空間, 規劃深度也越來越深施工困難極不易克服, 因此在都市區規劃深開挖工作井時,