捷運創新精進之設計與施工 - 以新莊線忠孝新生站 CK570A 區段標工程為例 莊建忠 臺北市政府捷運工程局南區工程處第五工務所主任 摘 要 捷運初期路網所累積之工程設計與施工經驗, 增進了許多捷運後續路網之精進作為, 大 臺北都會區民眾對生活品質要求不斷地提升, 對於都會中捷運施工維持龐大交通流量之順 暢 降低施工中對民眾生活品質之影響 如何提高施工安全性及降低在人口稠密市區中施工 的風險, 是捷運後續路網施工之重要課題, 以捷運新莊線忠孝新生站為例分享一些國內首次 採用之施工技術與方法, 以本質安全之精神, 推動捷運創新精進之設計與施工 一 前言 1
臺北都會區捷運系統建設從民國 七十六年起至今已歷經近二十年, 集合 了許多國內 外在規劃 設計 施工 營運等領域的專業人才, 投入捷運建設 行列已有初步成果, 目前營運路網包括 木柵線 淡水線 新店線 中和線 南 港線 板橋線 小南門線 小碧潭支線 及土城線等 ( 如圖一 ), 通車路網總長 76.6 公里, 完成營運車站 69 座, 平常 圖一 臺北都會區大眾捷運系統營運路線圖 日每日搭乘運量旅次達 115 萬人次以上, 總旅運量也突破 25 億人次 由於臺北捷運系統的興 建, 提昇臺北都會區大眾運輸服務, 其工程品質與營運服務普獲各界好評, 目前正積極興建 中之捷運後續路網, 如南港線東延段 內湖線 新莊線 蘆洲線 信義線 松山線及臺灣桃 園國際機場捷運線外, 後續推動規劃捷運第三階段計畫, 包括土城線延伸頂埔段 信義線東 延段 萬大中和樹林線 社子士林北投區域輕軌路網 安坑線 三鶯線 環狀線第二階段及 民生汐止線與北市東側地區南北線等路線 估計至 110 年, 所有規劃中路線均興建完成後, 路網總長將達 280 公里以上, 預測每日運量可達 360 萬人次以上, 屆時捷運系統將成為臺北都 會區民眾不可或缺的大眾運輸工具, 臺北市也將更具國際城市競爭力 由於捷運初期路網所累積之工程設計與施工經驗造就了後續路網興建的效率與品質提 升, 故初期路網之捷運工程與目前加速推動施工中之後續路網無論是設計與施工都有許多明 2
顯的差異, 加上大臺北都會區民眾對生活品質要求的提高, 維持都會中龐大交通流量之順暢, 與降低施工中對民眾生活品質之影響, 更重要的是如何提高施工安全性, 降低在人口稠密市 區中施工的風險, 是捷運後續路網施工之重要課題 本文將以臺北捷運後續路網捷運新莊線臺北市區段 CK570A 區段標 ( 忠孝新生站 ) 為例 與大家工同分享一些國內首次採用之施工技術與方法, 以本質安全之精神, 推動捷運創新精 進之設計與施工 二 新莊線忠孝新生站 CK570A 區段標工程介紹 臺北捷運新莊線為臺北捷運興建中的路線, 屬 於高運量系統, 全線皆為地下化路線 在羅斯福路 與和平東路口與新店線之古亭站相交轉乘, 與蘆洲 支線 中和線三者合為稱橘線 捷運新莊線為中和 線之延伸, 路線自古亭站起, 北經杭州南路轉信義 路 沿信義路 新生南路 松江路 民權東西路, 至大橋國小站分出蘆洲支線 新莊線通過淡水河 後, 路線大致沿台一甲線道路行進, 經過三重 二 圖二 臺北都會區捷運建設願景圖 重疏洪道及新莊, 到終點迴龍站, 全長約 19.7 公里, 均採地下化型式興建, 共設 16 個車站及 1 座機廠 3
初期臺北市端將先通車至忠孝新生站 ( 新莊線與南港線之交會車站 ), 隨後才延伸通車 經東門站 ( 新莊線與信義線之交會車站 ) 至古亭站 ( 新莊線與新店線之交會車站 ) 全線以地 下型式建築, 將分線分段次地興建與通車 新莊線全線完工後將與中和線直通營運 ( 迴龍站 南勢角站 );( 大橋國小站 古亭站 ) 段同時也將與蘆洲支線直通營運, 蘆洲支線則自臺北大橋 西端起, 經三重三和路至蘆洲, 全長 6.4 公里, 共設五個車站及一座機廠 臺北捷運新莊 蘆洲線規劃 設計及施工之計畫時程, 從民國八十三年九月新莊線及蘆 洲支線路線規劃報奉行政院核定, 民國八十四年一月環保署審查通過環境影響評估, 民國八 十四年六月送省都委會審議都市計畫變更, 民國八十六年十一月開始土建細部設計及機電系 統基本設計至民國九十年陸續完成細部設計, 民國八十七年七月財務計畫報奉行政院核定, 民國八十九年八月開始土建施工及機電系統設計製造, 民國九十年前陸續完成用地取得, 預 計民國九十九年蘆洲線全線完工通出至忠孝新生站 ( 如圖二 ) 臺北市政府捷運工程局南區 工程處目前所轄管之工程包含新 莊線市區段及信義線各大區段標 工程 ( 如圖三 ) 新莊線市區段土建工程 : 計 區分新莊線臺北市區段東門站東 端至忠孝新生站 (CK570A) 忠孝 新生站北端至民權西路站 圖三 南區工程處目前所轄管之工程 4
(CK570B) 東起民權西路站西端至大橋國小站 (CK570G) 東門站及其至中正紀念堂站與古 亭站間隧道 (CK570H) 新莊線市區段各區段標工程範圍及現況簡述如下 : (1) 東門站及其至中正紀念堂站與古亭站間隧道 (CK570H) 於 92 年 7 月 1 日開工, 目前進 行東門站車站北側連雲街口連續壁施作, 信義線隧道段下行線掘進及共同管道潛盾機組 裝掘進 (2) 東門站東端至忠孝新生站 (CK570A 區段標 ) 於 91 年 7 月 1 日開工, 目前進行忠孝新生 車站與南港線 BL9 車站介面連續壁敲除, 忠孝新生車站及明挖覆蓋隧道中版施作 北工 作井結構施作, 上 下行線潛盾隧道掘進完成, 進行仰拱 步道施作 連絡通道結構體 完成 (3) 忠孝新生站北端至民權西路站 (CK570B 區段標 ), 於 91 年 6 月 1 日開工, 目前進行各車 站柱 側牆 頂版及站體結構施工以及潛盾隧道之聯絡通道施工 圖四 CK570A 區段標工程範圍 (4) 民權西路站西端至大橋國小站 (CK570G 區段標 ) 於 91 年 8 月動工, 目前進行大橋國小 5
站車站結構體施築 西側廊道拔樁復舊完成, 上下行線潛盾隧道掘進完成, 仰拱步道亦 已完成 新莊線忠孝新生站區段標工程位在忠孝東路與新生南路交口處下方之地下工程 ( 如圖 四 ), 緊鄰臺北科技大學及有 臺北秋葉原 之稱的光華商圈及八德路資訊商圈, 是新莊線與 南港線交會, 地下三層島式車站, 兩站以 T 字型交會 ( 如圖五 ), 將來旅客可以直接在站內換 車, 減少人潮匯集至臺北車站, 對交通的紓解相信有莫大的幫助 本區段標工程於 91 年 7 月 動工, 預定 98 年底完工,99 年底營運通車, 營運通車後藉由轉乘可至南港 板橋 土城 ( 板 南線 ), 新店及中 永和 ( 新店線 中和線 ) 新莊 蘆洲 桃園 ( 新莊線 蘆洲線 ), 運輸效 益大, 可有效減輕臺北車站的轉運壓力 圖五 新莊線忠孝新生站區段標工程範圍 新莊線忠孝新生站區段標工程主要項目及規模包含土木建築工程 ( 車站 橫渡線 潛盾 鑽掘隧道及聯合開發大樓新建工程 ) 車站與隧道水電工程 環境控制系統工程及電扶梯工程 ( 如圖六 ), 簡要分述如下 : 6
圖六 忠孝新生站區段標工程位置 ( 一 ) 土木建築工程 本區段標之土木建築工程包含一個子施工標 1. CK236 土建工程子施工標 (1) 忠孝新生站 O13/BL9 土建工程 忠孝新生站位於新生南路一段, 濟南路至忠孝東路間道路下方, 為一地下三層島式月台 車站 ( 如圖十二 ), 與捷運南港線 BL9 車站呈十字交會 車站長約 170 公尺, 寬度由 26.5 公 尺漸變至 35.4 公尺, 開挖深度約 25.5 公尺, 採用明挖覆蓋半逆打工法施工之箱型結構 ( 如圖 七 ) 7
圖七 新莊線忠孝新生站區段標工程地面配置圖 (2) 橫渡線地下隧道 位於於新生南路一段與濟南路交叉路口, 北端與 O13/BL9 忠孝新生站銜接, 為一明挖 覆蓋隧道, 長約 169 公尺, 寬度由 19.1 公尺漸變至 26.5 公尺, 開挖深度約 25.2 公尺 採用 明挖覆蓋順打工法施工之箱型結構, 橫渡線未來提供電聯車調度使用之地下隧道 ( 如圖八 ) 圖八 忠孝新生站橫渡線未來提供電聯車調度使用 (3) 潛盾鑽掘隧道 西起 CK235 標 O14/R10 東門站東端, 沿信義路往東行後轉北沿新生南路至忠孝新生站 8
(O13/BL9) 止, 為兩條單向潛盾鑽掘隧道 ( 內徑 5.6 公尺 ), 上行線長 831.9 公尺, 下行線長 818.2 公尺, 全長 1650.1 公尺, 兩條潛盾隧道目前已全部鑽掘施工完成 ( 如圖九 圖十三 圖 十四 ) 圖九 新莊線忠孝新生站區段標工程潛盾鑽掘隧道時程及位置圖 (4) 聯合開發大樓新建工程 9
圖十 與捷運忠孝新生站共構之聯合開發大樓 本區段標工程包含一個聯合開發共構基礎工程, 目前已完工交由聯合開發投資人繼 續興建上部大樓工程 聯合開發大樓基地面積約 1,715 平方公尺 ( 沿新生南路一段之面寬 約 28 公尺, 深度約 63 公尺 ), 為地下三層 地上十四層 ( 如圖十 ), 並分為捷運設施與聯 合開發設施兩部分 捷運設施為出入口 A, 位於基地南側, 臨新生南路一段 56 巷 ; 聯 合開發設施之樓層配置 :B1~B3 層為停車場兼防空避難室 機電空間 ; 1 層為商店 出 入口 本標廠商負責地下樓層全部共構之結構體, 而地面層以上之聯合開發大樓結構體及 裝修, 由聯合開發投資人設計施工 10
(5) 二處車站出入口 (B1 B2) 如圖十一 (6) 二座通風井 (X Y) (7) 車站及橫渡線上方之現有塯 公圳雙孔排水箱涵改建 (8) 受施工影響之建築物及結構 體保護 (9) 現有管線 排水設施之保護及 圖十一 新莊線忠孝新生站地面出入口配置圖 暫時或永久性遷移 (10) 交通維持 臨時交通覆蓋版 道路舖面及復舊工程 圖十二 新莊線忠孝新生站區段標工程車站樓層配置圖 2. 區段標附屬工程 除上述主要工程項目外, 其他所有本區段標之附屬及臨時工程如施工設施及臨時控制設 11
施 品質管制 工地清理 地盤改良 ( 含潛盾隧道出發 到達及連絡通道 ) 及建物保護 監 測儀器安裝監測 地質調查 管線保護及拆遷 交通維持 排水 景觀 工地復舊 車站標 誌 設施及裝備 ( 詢問處 ) 安全衛生及環境保護等工程亦應由廠商完成 ( 二 ) 車站與隧道水電工程 CK370A 車站與隧道水電工程之工程範圍包括土木建築工程中固定設施所需之插座 照 明 電力 給排水 消防系統及衛生器具等一般水電設施及工程 ( 三 ) 環境控制系統工程 CK378A 環境控制系統工程之工程範圍包括土木建築工程中固定設施所需之空調 通 風及排煙等環境控制系統 ( 四 ) 電扶梯工程 CK376A 電扶梯工程之工程範圍包括土木建築工程捷運車站所需之電扶梯系統 12
圖十三 新莊線忠孝新生站第一條潛盾隧道已於 95.4 鑽掘完成 圖十四 新莊線忠孝新生站第二條潛盾隧道已於 95.10 鑽掘完成 三 CK570A 創新精進之設計與施工 捷運新莊線 CK570A 忠孝新生站區段標工程, 涵蓋捷運工程的主要典型工法如明挖覆蓋 13
工法 ( 橫渡線 ) 半逆打工法 ( 捷運地下車站 ) 潛盾工法 ( 潛盾隧道 ) 等, 並且捷運工程施工 中多項的高危險工項也都在本區段標工程中出現, 如在已營運之捷運車站中施工 ( 營運車站 之防洪 ) 十字交會車站之連通敲除施工 大範圍之地下結構深開挖 ( 捷運地下車站與橫渡線 隧道 ) 都會中大型排水箱涵遷建 ( 瑠公圳箱涵大規模遷移改建 ) 潛盾隧道在地底下穿越民房 住宅 潛盾隧道未貫穿之到達形式之安全措施及高危險之潛盾堆疊隧道聯絡通道施工等, 為 了在都會中捷運施工維持龐大交通流量之順暢 降低施工中對民眾生活品質之影響 提高施 工安全性及降低在人口稠密市區中施工的風險, 捷運新莊線忠孝新生站經過整體高危險環境 之分析後 ( 如圖十五 ), 採用一些國內首次進行之施工技術與方法, 以本質安全之精神, 推動 捷運創新精進之設計與施工, 其中共有四項全國首創 一項臺北捷運首次引用之安全的特殊 工法, 最主要目的提升施工之品質與安全 14
圖十五 新莊線忠孝新生站區段標工程環境危險分析 3.1 已營運車站施工之防洪措施 新莊線忠孝新生站與南港線營運之忠孝新生站車站十字交會, 故為避免因施工造成營運 車站之危害, 尤其是防洪問題, 故本區段標工程於連通施工前採取嚴密的防洪措施, 即將所 有的介面開口, 以鋼板予以封閉 ( 如圖十六 ), 以杜絕施工中之水患 圖十六 新莊線忠孝新生站與南港線營運車站介面圖 3.2 已營運車站之連續壁敲除 ( 臺北捷運首次引用之工法 ) 新莊線忠孝新生站因與南港線營運車站交會, 施工中為避免影響營運中之安全 ( 如圖十 15
七 ), 抑制施工震動及噪音, 使對營運中車站之影響降至最低, 故本區段標工程首先在台北捷 運引進鑽石鏈鋸切割加勁型鋼連續壁工法 圖十七 新莊線忠孝新生站與南港線營運車站介面關係圖 本工程採用先進最新鑽石鏈鋸切割工法, 施工安全 無震動, 對於要保留的結構部分無 影響 施工過程低噪音 不產生粉塵, 對環境干擾降至最低 施工快速, 有利於相關工程進 度掌控 多樣性的鑽石鏈條, 能應付各種基材, 包括高鋼筋含量的混凝土基材 ( 最高 20~100% steel) 其工作原理是利用鑽石鏈條裝設在預定路徑, 藉由專業鏈鋸切割機的動力引導, 達到 切割鋼筋混凝土的目的 無震動直線切割工藝機械敲鑿 ( 鑿破機 ) 工藝 鑽石鑽排孔工藝 16
切割速度快,1 台專業施工速度快過傳統敲鑿工施工效率和切割機相當於 15-20 台施工速度快, 取決於現場條件藝, 但遠低於專業切割機速度水鑽鑽排孔的速度的速度 施工安全性 經過合理的計畫以及 完善的施工方案組 合, 沒有安全隱患 混凝土碎片飛濺, 大塊混凝土無法解決鑽頭貫穿後鑽頭掉落, 對施工人員和周圍環境內芯大塊混凝土的掉落, 有極大的安全隱患 一般需要對施工人員和周圍環境有 封閉施工場地 安全隱患 對結構影響 切割是一種無損, 無震動的施工方式, 對結構沒有任何的破壞 在鑽孔時對結構沒有震動過多的敲鑿會造成結構的直破壞, 但是排孔工藝一般接破壞和隱性破壞, 極易產生需要後期整平 ( 敲鑿 ), 在裂縫, 對建築物造成長久的損後期處理期間也會對結構壞 造成震動破壞造成隱患 後期修補 無需後期修補, 直接 成型 需要鋼筋剝離工作, 後期整平需要大量後期整平工作工作 環保, 噪 音, 污染 無粉塵, 低噪音 大震動, 大噪音, 大粉塵 大噪音, 震動和粉塵 ( 在後 期整平期間 ) 鑽石鏈鋸切割工法與傳統敲除工法之比較表 17
3.3 瑠公圳箱涵遷建 ( 國內目前在都會中最大之排水箱涵遷建 ) 與半 逆打工法維護環境安全 塯公圳箱涵原係大臺北地區用於農業灌溉用幹線, 隨著時代變遷使得塯公圳逐漸喪失其 原有功能, 轉變為大臺北地區之重要排水幹線 ( 特一號排水幹線 ), 繼續為大臺北地區的人民 服務著 ;CK570A 標工程施工為能維持塯公圳箱涵原有排水功能, 乃採用先建後拆方式, 並 於施工前妥善擬訂一套完整之施工及應變計劃, 以有效控管施工品質並降低在遷建過程中工 區及鄰近住宅受水患之風險 CK570A 標結構工程包括一車站結構及一橫渡線, 與南港線忠 孝新生站呈十字交會, 主體結構為一擴口形狀, 由橫渡線區往車站區擴大, 寬度由 21.1 公尺 漸變至 35.4 公尺, 造成兩區域為配合現有之塯公圳箱涵須採不同工法施工 ; 橫渡線因連續壁 外仍有足夠空間可施築單孔臨時箱涵改水道, 故採明挖覆蓋順打工法 ( 如圖十八 ) 圖十八 新莊線忠孝新生站區段標工程半逆打工法 18
新莊線忠孝新生站車站站體因無空間, 須先施築部份逆打頂版後, 將箱涵施築於頂版上 方, 故採明挖覆蓋半逆打工法施工, 增加工程之複雜性及困難度 由於現有塯公圳箱涵正位 處於本工程之中心線上, 為確保遷建施工期間之原有排水功能, 並避免於防汛期進行縮減流 水斷面積作業, 故配合整體交通維持計畫分三次改道水流完成箱涵遷建之改道作業以恢復原 有塯公圳箱涵之面貌 ( 如圖十九 ), 並拆除單孔臨時箱涵, 完成遷建計畫 工程之整體施工因 配合塯公圳箱涵遷建, 且須確保遷建施工期間之原有排水功能, 故於深開挖前需歷經七次交 通維持改道, 又與一般捷運工程之工期相當, 故具相當之困難度及挑戰性, 實有賴相關監造 人員及廠商通力合作完成艱鉅之任務 圖十九 新莊線忠孝新生站區段標工程塯公圳箱涵遷建圖 3.4 潛盾隧道穿越民房段低沉陷之安全控管 ( 國內首次採用之工法 ) 19
圖二十 忠孝新生站區段標工程潛盾隧道穿越民房段位置圖 捷運新莊線 CK570A 忠孝新生站區段標工程, 潛盾上下行隧道以平行方式由忠孝新生站 出發, 並以曲率半徑 (R = 210 公尺 ) 轉彎, 最後以上下堆疊方式到達捷運交會東門車站, 其 中位於轉彎段上方為高風險之穿越民房段 ( 如圖二十 ), 為達到保護民宅之安全減少隧道通過 之沉陷量, 本工程採用全國首創之低沉陷之安全控管方式 : 增加潛盾機千斤頂 20% ~ 30% 推 力的方式 ( 如圖二十一 ), 提高並穩定維持潛盾機盾首土倉壓力管理值, 結果成效非常良好, 穿越建築物後, 最大之沉陷值為 0.8 公分, 遠小於規範 4 公分之要求 20
圖二十一 潛盾隧道穿越民房段低沉陷與土壓關係圖 圖二十二 潛盾隧道穿越民房段低沉陷與土壓關係圖 經分析後藉由增加潛盾機千斤頂推力的方式, 提高並穩定維持潛盾機盾首土倉壓力管理 值, 減少盾首切刃盤切削原土層時的擾動範圍, 避免被擾動土層發生即時崩落之現象, 並施 21
作同步灌漿及二次灌漿, 以達控制地盤及建築物沉陷之目標 潛盾機千斤頂提高的推力約在 20-30% 之間, 穿越建築物後, 最大之沉陷值為 0.8 公分, 遠小於規範之要求 ( 如圖二十二 ) 3.5 潛盾機嵌入連續壁降低施工風險 ( 國內首次採用之工法 ) 新莊線 CK570A 區段標潛盾隧道由忠孝新生站發進, 經新生南路南行右轉信義路到達東 門站 ( 圖二十三 ), 區段標地層為中等緊密粉土質細砂層與中等堅實粉土質粘土層互層, 為典 型之台北盆地地層特徵 因東門站發包時程較晚, 僅完成連續壁工程, 尚未進行開挖作業 ; 新莊線潛盾隧道上 下堆疊到達連續壁後須棄殼, 再行拆除潛盾機內部設備由隧道運出工作井 一般棄殼作法由 盾首人孔清除土艙內殘土後, 往前擴挖建構臨時擋土牆, 再切除潛盾機盾首及面鈑, 最後從 開挖完成之工作井內, 進行鏡面和臨時擋土牆破除, 完成隧道貫通 圖二十三 潛盾機嵌入東門站連續壁地面位置圖 22
潛盾上 下堆疊隧道, 覆土分別為 13 公尺 24 公尺, 依據鑽探資料顯示地下水位位於 地下 2.5 公尺, 到達段隧道位於松三次層與松五次層之間, 下行線則幾乎完全處於高水壓之 粉砂層中 ; 雖然到達段採用 RJP 三重管高壓灌漿, 但隧道底部深達 30 公尺, 棄殼前之擴挖建 構臨時擋土牆工作, 屬於高風險工項 而進行連續壁和臨時擋土牆破除時, 需面對工作井開 挖過程中壁體變形造成之水路, 是否引起破鏡失敗, 則又是另一高風險工項 因此, 經評估 後以潛盾機直接鑽磨連續壁方式 ( 如圖二十四 圖二十五 ), 降低施工人員出艙擴挖之風險 圖二十四 潛盾機嵌入連續壁位置圖 23
圖二十五 潛盾機嵌入連續壁實測位置圖 3.6 隧道止水專利取得增進隧道品質與安全 ( 國內首創之發明 ) 由於潛盾隧道環片背填灌漿孔, 使用 0 型橡膠環圈, 難免會產生滲漏現象, 使用各式各 樣之橡膠環圈及方法進行止漏, 皆無法達到百分之百止水效果 故本區段標工程團隊為徹底 解決此問題, 經過一個月之水密試驗, 均無再滲漏發生, 自主創新研發出封圈環塞止水裝置, 本項自主創新發明產品其經濟效應, 應該不僅止於 CK570A 標, 它除了可以降低成本, 提昇 品質外, 未來應該是一項可以取代其他傳統止漏方式的實用產品, 於止漏市場可稱得上為一 項革命性產品 可快速 便捷的解決任何相關隧道工程灌漿孔滲漏問題 ( 如圖二十六 ) 24
圖二十六自主創新研發出封圈環塞止水裝置及專利取得 25
四 CK570A 高風險之潛盾堆疊隧道聯絡通道工程案例介紹 4.1 潛盾堆疊隧道聯絡通道工程概述 潛盾工法之發展至今已有百年以上的歷史 臺灣早期引進該工法皆使用於衛生下水道幹 管施工, 且其斷面約在 2 3 公尺之間 自 1987 年臺北捷運工程始引進使用大斷面潛盾隧道 工程之施工 至今已完工通車之潛盾隧道計有中和線 淡水線 新店線 南港線 板橋線與 土城線 臺北都會區人口綢密, 大樓林立, 而老舊房舍則不斷地重新開發改建, 捷運系統不 僅已成為方便的大眾運輸工具, 潛盾隧道位置也要避免損及民眾鄰房安全與開發利益, 使得 潛盾隧道鑽掘工程有愈來愈深之趨勢 堆疊聯絡通道 圖二十七 CK570A 區段標潛盾隧道示意圖 臺北捷運地下潛盾隧道的設計, 參考美國防火協會 (National Fire Potection Association, NFPA) 相關規定, 在兩條主隧道間的適當位置, 設置橫向聯絡通道, 當緊急狀況發生時提供 作為安全逃生通路, 平常時間則兼作維修通道使用 26
堆疊聯絡通道 圖二十八 潛盾隧道示意圖 臺北捷運新莊線 CK570A 區段標潛盾上下行隧道以平行方式由忠孝新生站出發, 並以曲 率半徑 (R = 210 公尺 ) 轉彎, 最後以上下堆疊方式到達捷運交會東門車站, 如圖二十七 ; 堆 疊聯絡通道位於轉彎線上, 覆土深度 24 公尺, 開挖淨深度共 11 公尺, 正上方有大型排水箱 涵 ( 寬 9 公尺 高 3.5 公尺 ), 且與鄰房接近幾乎在鄰房門前下方開挖作業, 聯絡通道位置如 圖二十八 圖二十九 區段標地層為中等緊密粉土質細砂層與中等堅實粉土質粘土層互層, 為典型之臺北盆地地層 ( 圖三十 ) 圖二十九 CK570A 區段標聯絡通道位置示意圖 27
圖三十 地層剖面圖 4.2 CK570A 標 聯絡通道設計與施工之困難點分析 CK570A 區段標聯絡通道位於轉彎段曲率上, 覆土深而且接近鄰房, 形成高低差聯絡通 道型式 ; 一般聯絡通道開挖施工時的輔助措施, 主要為地盤改良灌漿 壓氣工法, 國外則另 有採用冰凍工法之案例, 惟費用相當高昂且需要較大之施工場所 由於本工程為高風險工項, 設計與施工皆面臨挑戰, 包括 : (1) 隧道上下行中心線高程差距 3.5 公尺, 隧道上下行水平中心線距離 11.6 公尺, 分析設計時 須考量聯絡通道樓梯是否符合規範要求 (2) 聯絡通道覆土深達 24 公尺, 地盤改良最深需達 37 公尺, 因此地盤改良之成功與否將成為 降低本案例風險之關鍵 (3) 聯絡通道正上方有大型瑠公圳排水箱涵 ( 寬 9 公尺 高 3.5 公尺 ), 且與鄰房接近, 地盤改 良需考量交通維持計畫, 並於防汛期前完成灌漿及箱涵的復舊工程, 避開對汛期之影響 (4) 堆疊聯絡通道位於轉彎段曲線上, 尤其是隧道上行線潛盾機鑽掘時, 超挖刀超挖側是否造 28
成聯絡通道開挖時的水路, 亦是施工規劃應考慮的重點 (5) 由於隧道上下行高程差問題, 聯絡通道開挖高度達 11 公尺 ( 含集水井 ), 因此聯絡通道開 艙開挖前的試水及補灌皆為關鍵要項之一, 如何將最後階段之止水灌漿完成, 也是提送施 工計畫書時需完整考量的重點 (6) 堆疊聯絡通道與水平聯絡通道開挖方式, 最大不同在於必需評估最佳施工順序, 是由上行 逐層往下行開挖或下行往上行開挖, 何種施工順序風險最低, 對鄰房造成之沉陷最小 4.3 CK570A 標聯絡通道之精進與創新方案 (1) 鑑於國內有許多因聯絡通道施工造成重大意外事故, 故本聯絡通道於施工前以價值工程之 精神重新檢討可否有減少開挖量體之最佳化設計, 研擬減少開挖風險之新方案 : 維持樓梯 級高 18 公分, 級深 28 公分的配置要求, 經方案評估分析後, 聯絡通道分別有樓梯直通式 迴旋梯式與剪刀梯式, 如圖三十一 圖三十二 圖三十三, 最後則採用剪刀梯式聯絡通道 雖然直通式聯絡通道路徑最短, 但考量上行線往下行線緊急逃生時, 極易發生跌落的危 險 ; 而且評估發現平台寬度無法滿足規範要求 迴旋梯式聯絡通道開挖量相當大, 接近 400 立方公尺, 經評估其施工工期長達 150 工作天, 風險相對提高許多 最後則由調整梁 版系統, 聯絡通道配置剪刀梯式樓梯方式, 以求達到降低開挖量體, 縮短施工工期的設計 目標 29
圖三十一 樓梯直通式 圖三十二 迴旋梯式 圖三十三 剪刀梯式 30
(2) 臺灣目前潛盾隧道之地盤改良以採用二重管 JSG 高壓噴射工法居多, 但其施作深度範圍, 依日本 JSG 灌漿協會建議為小於 25 公尺 ; 而本案地盤改良最深需達 37 公尺, 如此深層的 土壤恐較無法達到預期之改良效果, 為使工程能順利進行降低施工風險, 有必要尋求一較 合適的灌漿工法 RJP 工法的基本原理是利用超高壓噴射能量, 將欲改良的地層組織結構破壞, 並將破壞 後產生的破碎土顆粒與注入之硬化材, 混合形成大口徑之改良樁體, 本工法屬三重管灌漿, 較傳統 JSG 二重管多一高壓噴水孔, 係利用三重管鑽桿前端的特製鑽頭鑽孔達到預定深度 後, 由鑽桿前端的上部與下部之噴嘴進行土層切削與灌漿的動作, 兩噴嘴的距離為 500mm, 前端上部的噴嘴利用壓力 200kg/cm2 之水刀合併空氣 ( 壓力為 7~10 kg/cm 2 ) 先行噴射切削形 成直徑較小的導孔, 同時從前端下部使用壓力 400kg/cm 2 之水泥漿和空氣合併進行高壓噴射 ( 圖三十四 ), 而將地盤切削攪拌使其形成改良體, 增加高壓水泥漿與地層之混合膠結性, 提 高地盤之強度及水密性, 在高置換效果下可形成有效樁徑達 Φ2000~Φ3200mm 之大口徑改良 體, 相較於傳統的 JSG 改良工法, 整體施工支數可減少 31
圖三十四 RJP 高壓噴射工法 (3) 由於聯絡通道屬於高風險工項, 地盤改良體厚度計算之安全係數, 採用 Fs=2.0, 經計算後 聯絡通道改良範圍 : 上部厚度 6.4 公尺, 側部厚度 4.5 公尺, 底部厚度 5.4 公尺, 集水井 底部厚度 2.2 公尺, 如附圖三十五 圖三十五 地盤改良剖面圖 32
(4) 地盤改良體施作前, 請廠商提送試灌計畫書, 並依實際之灌漿參數 ( 灌漿壓力 提升速度 ) 漿液配比作現場試灌, 並取樣施作單壓強度試驗及現場透水試驗等效果驗證 經評估後採 用 1.8-2.4 公尺為地盤改良樁徑, 配置 81 支樁, 計有 21 支樁位於瑠公圳排水箱涵上方, 如圖三十六 圖三十七 圖三十六地盤改良樁平面圖 圖三十七地盤改良樁剖面圖 (5) 瑠公圳排水箱涵圍堰灌漿的施工規劃, 除了須配合交維外, 還須配合於非防汛期間施灌 33
圍堰灌漿施工規劃則還須養工處同意 圍堰方式如圖三十八所示 (6) 地盤改良 RJP 工法經現場試樁 以及在 CK570A 標施作之經驗 顯示 RJP 工法於深層土 壤的改良效果 超過 25 公尺 不僅其取樣的單壓強度與完整性皆良好 改良樁體之垂直 度亦較傳統 JSG 二重管灌漿為佳 因此試樁的結果對於灌漿的施工規畫極具評估價值 (7) 綜合聯絡通道土壤地層 開挖理論 RJP 地盤改良工法及現場試樁結果 並考量瑠公圳排 水箱涵下方之灌漿體必須於防汛期間完成的要求 而且堆疊聯絡通道開挖時 除了有高程 差問題外 需評估內支撐 開挖體積高達 250 立方公尺 開挖費時甚長 相對地提高了 風險 因此地盤改良體之規畫與設計考量 則朝著於聯絡通道開挖區四周採用強度型 RJP 地盤改良區 開挖區內土體則俟隧道完成後 由隧道預留灌漿孔施灌二重管化學止水灌 漿 環片則依據止水灌漿需求 從聯絡通道中心前後各四環皆增設灌漿孔 每一環片由 2 灌漿孔增加至 6 灌漿孔 以符合止水灌漿需求 如圖三十九所示 圖三十八 排水箱涵圍堰 34
圖三十九環片增設灌漿孔 (8) 聯絡通道地盤改良體效果驗證方法, 採取兩階段的方式 ;(a) RJP 地盤改良區又以鑽心取 樣及透水試驗二種驗證, 如圖四十 (b) 低壓灌漿驗證則以透水試驗為主, 經灌漿孔試水 後, 若大於規範要求, 再由預留灌漿孔施灌 LW ARON 等止水材料, 合計上下行線總共 補灌 27 孔, 如圖四十一, 補灌完成後, 則再以其他預留灌漿孔確認止水灌漿成效 (9) 因堆疊聯絡通道存在高程差問題, 開挖前經數值分析模擬後, 由上行線往下行線, 分 3 階 段分層開挖, 土體最大變形量約為 1.6 公分, 聯絡通道結構完成後, 再進行最後階段的集 水井開挖, 樓梯則以植筋方式構築 ; 開挖施工之規劃如圖四十二 分析變位圖如圖四十三 所示 本案例聯絡通道地盤改良體, 位於挖空部位土體, 因僅規劃止水灌漿工法, 若改採 由下行線往上行線開挖, 經分析後發現將造成上方土體崩落之現象 堆疊聯絡通道開挖構 築, 則較預定工期提前約 20% 達成, 施工過程及完工之聯絡通道於文後所附之完整施工 過程照片及說明 35
圖四十鑽心取樣 圖四十一低壓灌漿示意圖 36
圖四十二施工之規劃 五 結論 本文以捷運新莊線忠孝新生站潛盾堆疊隧道聯絡通道案例為例, 分享本區段標工程首 次採用之施工技術與方法, 以本質安全之精神, 推動捷運創新精進之設計與施工, 對 37
於在都會中施作高危險之聯絡通道, 如何提高施工安全性及降低在人口稠密市區中施工的風 險, 是本工程所著重之重要努力目標, 經捷運工程團隊不眠不休之努力後順利施工完成, 幾 點卓見提供分享 : (1) 臺北盆地沉積地層特性, 由開挖之改良土體顯示, 超過 25 公尺的原土層經以三重管工法 施作後, 改良效果確實能達到規範要求, 甚至更為良好 (2) 位於排水箱涵下方的地盤改良, 必須顧及防汛期限制之規定 ; 排水箱涵上下版灌漿孔佈 置, 除原設計灌漿孔外, 還需預留驗證孔及補充灌漿孔, 因此排水箱涵上下版之復舊工期, 應以完整面積之上下版考量, 較為合理 (3) 聯絡通道開挖區四周採用強度型地盤改良區, 開挖區內土體化學止水灌漿的施工方式, 由 本案例顯示確實可節省開挖之工期, 但灌漿工法的現場試灌 取樣驗證與開挖前之試水 補充灌漿則需嚴謹規劃施工 (4) 聯絡通道中心前後各四環增設灌漿孔, 每一環片由 2 灌漿孔增加至 6 灌漿孔, 可避免補灌 後無法試水的困擾 ; 另外亦可提供更多角度之灌漿孔, 減少現場環片鑽孔, 而造成環片鋼 筋破壞 (5) 聯絡通道之設計於符合各相關法令之前提下, 儘可能縮小其開挖量體之設計, 並以快挖快 撐之方式, 儘速完成聯絡通道之結構體, 以減少開挖施工期先之不定因素所造成之施工風 險 38
圖四十三分析變位圖 忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程及完工照片如後 39
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 潛盾堆疊隧道聯絡通道施工分四階段施工, 以三層開挖 主結構完 成再施作集水井 潛盾堆疊隧道聯絡通道構造圖 40
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.01 右側隧道 ( 新生南路往南方向 ) 為下行線 左側為上行線聯絡通道由上行線往下行線施作 上行線聯絡通道施工處之防水安全門 聯絡通道防水安全門安裝完成檢測 95.11.17 聯絡通道開挖區補灌試水會勘下行線 ( 第 509 至 516 環 ) 試水八孔 ( 深度 3M) 補灌三 孔 ( 試水量大於 157CC/MIN 補灌工法 ARON-HI) 41
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.02 上行線 ( 第 514 至 521 環 ) 試水十孔 ( 深度 0.5~3M) 補 灌一孔 ( 試水量大於 157CC/MIN 補灌工法 ARON-HI) 相關施工材料機具準備就緒 ( 機具材料分區設置及標示 ) 聯絡通道施工 缺氧作業告示牌 95.11.22 聯絡通道打開安全門鋼環片開始切除 聯絡通道鋼環片由上往下以四分割方式切除 即時影像已配合聯絡通道施工調整鏡頭隨時監控 42
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.03 聯絡通道鋼環片切除後以手動牽引機拆除 鋼環片二分割 ( 上半部 ) 切除後清理及檢視土體 鋼環片切除後壁面改良體狀況及滲漏水檢視 壁面檢視無滲水顯示土壤改良止水效果良好 開挖頂拱面顯示地改效果良好 ( 紅漆為放樣線 ) 上 方白色為 RJP 改良體下半深色部分為 LW 改良體 第一層出土初步作業輸送機出土台車配合作業 43
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.04 第一層第一對至第二對土體開挖 (600MM) 上方白 色為 RJP 改良體深色部分為 LW 改良體 第一層土體開挖以輸送帶出土太空包及電動 台車運送 土體開挖後鋼支保投入進行永久支撐架設 95.11.22 聯絡通道打開安全門鋼環片開始切除 因改良體止水效果良好開挖出土順利 第三對鋼支保及鋼絲網架設完成紅漆為聯絡道 中心點 44
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.05 噴凝土分兩次澆置 ( 左側部分已完成 ) 總厚度超過 15CM 鋼支保及鋼絲網架設完成後進行噴凝土作業 鋼支保及鋼絲網架設完成紅漆為聯絡道中心點 上方白色為 RJP 改良體改良效果十分良好 第一層開挖支撐完成紅色為 200X200 型鋼之水 平支撐第一層內壁垂直面噴凝土總厚度超過 20CM( 增加 5CM) 45
第二層降挖施工右側為輸送帶出土第二層降挖太空包運送情形 忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.06 第二層降挖施工可看到內側第一層壁體已完成 第二層降挖施工 ( 降挖深度 2.4M) 中心線放樣 第二層降挖施工聯絡道中心線放樣作業 聯絡通道施作以 24 小時全天作業工人輪班情形 因地改狀況良好 46
緊急聯絡系統五種開挖出水出砂處理程序印製貼於安全門上提供現場作業人員隨時掌握應變處理 CK570A 聯絡通道施工 95.11.22 開始開挖預定工期 84.5 天預定 96.2.15 前完工 / 含集水井 ) 開挖部分已於 95.12.8 開挖支撐噴凝土完成比預定時程提前 14 天 ( 原定 30 天 ) 忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.07 24 小時作業趕工結構底板 ( 上圖深藍色部分 ) 預定 95.12.14 澆置底板 ( 包括集水井半逆打頂版 ) 第二層降挖施工 ( 降挖深度 2.4M) 右側為輸送帶出土 47
完成第一層及第二層噴凝土厚度超過 15 CM 第三層降挖施工 ( 階梯式降挖分別為 500/886/1835MM) 以三段式輸送帶出土工人於 轉換段疏導石塊堆積 第三層降挖施工以三段式輸送帶出土至上行線 隧道台車 降挖至第三層 挖出完整之下行線隧道環片 ( 深 色部分 ) 中間兩片為下行線之鋼環片 忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.08 潛盾隧道下行線之兩片鋼環片將於全部開挖完成 打開下行線安全門後拆除此鋼環片 完成第三層開挖及噴凝土右側白色部分為上行線潛盾隧道背面之殘餘背填灌漿土體 48
聯絡通道與隧道預埋 200ΦPVC 排水管銜接位 置 ( 紅色圈圈 ) 聯絡通道與上行線隧道預埋 200ΦPVC 排水管 銜接施作 聯絡通道與下行線隧道預埋 200ΦPVC 排水管 銜接施作 下行線隧道預埋排水管銜接施作 忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.09 49
開挖支撐全部完成後打開下行線安全門拆鋼環片 下行線安全門開啟作為結構體施作之主要通道 開挖支撐噴凝土全部完成後延續 24 小時全天作業 搶先進行第一階段底板結構體施作 ( 藍色部份 ) 第三層 ( 底層 ) 集水井半逆打頂版模板 ( 集水井直徑 3M) 止水帶及防水膜施作 開挖支撐噴凝土全部完成後挑高約 7M 於中間橫 撐及永久支撐上鋪設臨時樓板以利進行防水膜施作 忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.10 50
第二層及第一層 ( 頂拱 ) 防水膜施作 水電需求預留孔 : 上行線聯絡通道入口處左上及右上 150Φ 二孔行動電話 (TRTC) 需求預留孔 : 聯絡通道入口處左下及右下 150Φ 二孔機電系統 ( 供電 ) 需求預留孔 : 聯絡通道入口處左下處 65Φ 六孔 聯絡通道入口處四周防水膜熱浸鍍鋅金屬壓條 第一層 ( 頂拱 ) 防水膜施作完成 聯絡通道入口處四周防水膜熱浸鍍鋅金屬壓條安裝檢視 51
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.11 下行線安全門為聯絡通道結構體施作材料機具之主要通道 底版鋼筋組立施工查驗 第三層 ( 底層 ) 集水井半逆打頂版模板 底版鋼筋組立 800X1500MM 集水井水密安全門與門框組銀白色部份為永久結構 紅色部份為臨時水密安全門 52
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.12 底版鋼筋組立集水井水密安全門預留孔 ( 左下 ) 第二層臨時支撐之拆除較困難研擬較快速安全 之方案 集水井水密安全門預留孔與底版鋼筋組立 後方鋁梯提供第二層與第三層之人員上下使用 左下為 800X1500MM 集水井水密安全門預留孔 53
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.13 95.12.15 第一階段結構體 ( 聯絡通道底版 ) 第一階段結構體 ( 聯絡通道底版 ) 鋼筋組立右側為 800X1500MM 集水井水密安全門預留口 側牆內之六支 65 ΦPVC 預埋管為供電標之需求 側牆外之 150ΦPVC 預留管分別為集水井排水管 X 2 電力預留管 X1, 右側為集水井灌漿管 底版之預留管包括九支集水井試水管 ( 鑄鐵管 ) 四支集水井灌漿管 (150ΦPVC 預留管 ) 聯絡通道底版鋼筋組立完成及預留管檢驗 54
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.14 聯絡通道底版完成後進行第一升層牆鋼筋組立 第一升層牆鋼筋組立與樓版梁筋組立 頂拱及頂拱側牆鋼筋箍筋組立 ( 頂拱不受剪力無 箍筋 ) 聯絡通道結構第三階段頂拱側牆鋼筋組立 頂拱及頂拱側牆鋼筋組立完成後進行鋼模板封模 55
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.15 聯絡通道第一升層牆鋼模板封模 頂拱鋼筋組立完成後進行鋼模板封模 頂拱側牆鋼模板前後兩側留有四個方形灌漿口 鋼模板前後兩側留有四個方形灌漿口提供側牆灌漿用 頂拱鋼模板封模完成中間上方留有三個灌漿孔頂拱鋼模板封模完成後進行各方向之支撐作業 56
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.16 頂拱鋼模板封模完成後進行各方向之支撐作業 灌漿管由潛盾工作井上方延伸至下行線聯絡通道口 灌漿管由工作井上方延伸至聯絡通道口總長約 550M 灌漿作業由下行線聯絡通道口進行灌漿 灌漿作業由下行線聯絡通道口進行灌漿 頂拱鋼模板封模完成後進行各方向之支撐作業 57
( 上行線 ) 忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.17 頂拱灌漿由灌漿孔灌入 ( 圖下方 ) 由中間之回漿孔 確認 ( 圖上方為背填灌漿孔 ) 再由背填灌漿孔灌滿 頂拱及頂拱側牆灌漿與背填灌漿完成 頂拱及頂拱側牆灌漿完成二天後打開側牆灌漿口 顯示灌漿成效良好 58
聯絡通道三階段結構體完成後進行拆模作業 忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.18 96.1.9 完成三階段結構體比預定時程提前 16 天預 定 96.1.10 開始進行集水井結構開挖 96.1.9 開始進行集水井開挖區試水作業 59
集水井開挖區試水作業預留九孔選擇四週及中間共五孔進行深度底板面下方 4.5M( 開挖深度 3M) 96.1.9 開始進行集水井開挖區試水作業試水作業完成補灌後進行集水井結構開挖作業集水井開挖預定 7 天結構體施作預定 9 天完成 忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.19 集水井開挖可發現改良體良好 60
從集水井安全門進行開挖作業 集水井開挖區鋼支保搬運 集水井開挖區鋼支保搬運 集水井開挖出土作業 集水井開挖出土可發現改良體良好 忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.20 61
集水井開挖區鋼第一層支保施作 集水井開挖區鋼支保施作 集水井結構鋼筋組立及預留管安裝 集水井結構鋼筋組立預留管安裝 集水井結構鋼筋檢核 集水井結構鋼筋檢核 62
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.21 集水井結構鋼筋組立預留管檢核 集水井結構鋼筋組立預留管檢核 集水井開挖之安全門 集水井預埋爬梯組立 聯絡通道結構完成後安全門拆除 集水井開挖安全門旁預留之灌漿孔 63
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.22 聯絡通道樓板放樣 聯絡通道樓板放樣 聯絡通道樓板澆置 聯絡通道樓板組模殖筋 聯絡通道樓板澆置完成照片 64
忠孝新生站 CK570A 區段標工程潛盾堆疊隧道聯絡通道施工過程 P.23 堆疊聯絡通道完成照片 堆疊聯絡通道完成照片 堆疊聯絡通道完成照片 堆疊聯絡通道完成照片 65