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, 利用壓入沉箱工法, 以油壓千斤頂補助沉箱下沉自重不足之難題, 並同時利用其油壓壓入力將沉箱底端基腳先行貫入地盤, 防止地盤崩落並維持內外水壓平衡後, 再進行水中挖掘, 此種方式的施工, 提供工程師一個更安全之作業, 且施工品質良好準確度高, 所需施工空間較小的工法選擇 本文將介紹壓入沉箱工法施工方式並以介紹實績的方式, 介紹在潛盾隧道工作井以外之其他地下結構物之應用範例 一 前言 台灣主要都市區中, 臺北盆地之地質主要以細砂粘土互層之軟弱沖積土層 ( 松山層 ) 以及其下方以礫石為主之景美層形成之地質情況 高雄區域則是以粉砂為主的沖積層形成, 且兩區域地下水位都很高 特別在台北市施工深開挖工作井時常見的狀況是, 地面上施工空間非常狹窄且臨近民房或道路 在這種條件下選擇施工工法時, 一般會避免使用傳統自重式沉箱 因為在軟弱地層難以均勻控制垂直度及位移問題, 且深度沉箱時會有下沉力不足導致 下沉困難現象 且開挖過程中容易產生超控及地盤下陷導致損鄰事件 因此傳統沉箱結構的施工方法逐漸在都市土木消失, 以其它工法取代 目前設計深開挖工作井時主要以連續壁為主 以高雄區域為例由於是砂質地層且水壓高, 沉箱開挖中容易發生砂湧狀況導致周圍地盤下陷, 在結構物鄰近之市區內, 以連續壁施工亦不儘適合 爲確保施工安全, 品質, 進度, 成本等, 壓入沉箱工法應可優先選擇 78
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料計算出沉箱周圍之摩抵抗力, 基腳下方之抗力及沉箱位於地下水位下部分之浮力 總和這三種沉箱下沈抵抗力後, 即可計算出因沉箱自重不足而需借由地錨及千斤頂輔助之壓入力 由於可以預先算出沉箱周圍摩擦力並以足夠壓入力切斷此摩擦力, 結構上壓入沉箱的基腳設計幾乎可以不使用 Friction Cut 這種結構 Friction Cut 是傳統沉箱結構為了降低周圍摩擦力, 設計基腳的外徑大於沉箱壁體外徑的結構設計, 以超挖沉箱周圍的方式降低周圍摩擦力 ( 參見圖 2) 雖然在各種地質影響狀況不同, 但是如果沉箱深度到達一定程度的話, 這個由 Friction Cut 結構引起的外圍超挖足以產生周圍地盤龜裂, 地盤沈陷等狀況因可避免 圖 1 壓入沉箱工法概要圖 圖 2 降低周圍摩擦力示意圖 圖 3 沉箱挖掘方式示意圖 為了防止砂湧及周圍地盤下陷, 壓入沉箱工法之箱內挖掘方式也與傳統沉箱不同 由 ( 圖 3) 可以看出, 壓入沉箱在下沉時可維持基腳前端先行貫入地盤, 防止周圍地盤崩塌進入沉箱內部, 防止周圍地盤下沈 計算時可依不同地質設定基腳貫入深度算出基腳抗力, 並以足夠的壓入力在沉箱下沈時持續維持基腳貫入地盤 79
潛盾隧道設計與施工 壓入沉箱特色應用於實際施工條件之介紹 鄰近施工 施工時沉箱基腳強制貫入地盤且維持內外水壓平衡水中開挖 可有效控制對周圍地盤之影響 接近既有結構時 鐵路 橋樑基礎等 仍可將沉箱結構安全的壓入至所需深度 甚至可利用通行 中的兩座高架橋之間的空隙 進行壓入沉箱工法施工 施工管挖準確精密度極高 如照片 1 至照片 4 照片 1 照片 2 照片 3 照片 4 狹窄空間之施工場地 只需沉箱構築所需場地及開挖機 棄土設備空間即可施工 是適合都市區狹窄施工條件的工法 可降低交通管制範圍 並儘量靠近高架橋橋墩減少對交通的影響 如照片 5 至照片 8 80 照片 5 照片 6 照片 7 照片 8
壓入沉箱工法應用說明 高空限制施工場地 在高架橋下等受上空限制的施工場所 施工規劃時可調整施工基面高程及各構築昇層的高度以 克服困難 如照片 9 至照片 12 照片 9 照片 10 照片 11 照片 12 鋼製環片 在道路下方或需要縮短工期及在狹窄用地施工工作井時 可以用鋼環片工作井替代場鑄混凝土沉 箱 由於鋼環片工作井組裝速度快 鋼環組裝高度可依施工條件變更 最適合在都市區狹窄且施工多 受限的環境施工 由於鋼環片重量輕 壓入時需確保足夠壓入力 壓入沉設 如照片 13 至照片 16 照片 13 照片 14 照片 15 照片 16 81
潛盾隧道設計與施工 三 壓入用地錨 壓入沉箱的施工特色在於先打設垂直地錨, 利用地錨的錨錠力提供壓入力 打設地錨時需注意確保地錨與沉箱的距離, 並向沉箱外側傾斜 1 度左右以確保沉箱沉設時不會壓到地錨, 阻礙沉箱下沉 地錨長度分為固定端與自由端 由於沉箱下沉時周圍土壤可能鬆弛影響地錨錨錠力, 因此地錨固定端需要設在沉箱深度以下, 以確保整個施工過程地錨都能夠提供設計壓入力 ( 詳圖 4) 設計地錨時需檢討地質鑽探資料, 計算沉箱各節下沉時之 1. 浮力 (U),2. 周圍摩擦力 (F),3. 基腳抗力 (Q) 三種下沉抗力之和 (U+F+Q), 減掉 4. 沉箱各節自重 (Wc) 後不足的下沉力就是需要由壓入地錨所提供的壓入力 (P) ( 詳圖 5) 在軟弱地盤施工時, 需確認每節壓入完成時, 壓入力大於下節自重, 以防止沉箱自沉 圖 4 地錨示意圖 圖 5 沉箱刃口深度及下沉抵抗力對應表 82
壓入沉箱工法應用說明 四 壓入沉箱施工順序及施工重點 壓入沉箱施工順序包括打設鋼板樁 地錨 沉箱驅體構築 壓入等步驟 詳如圖 6 所示 打設鋼板樁遮斷影響線 打設地錨 基腳設置 整地 換砂 夯實 全吊式吊車 全吊式吊車 履帶式鑽堡 履帶式吊車 靜壓式鋼板樁打設機 鋪設枕木 鋼板樁 鋼製基腳 地錨 第一節沉箱軀體構築 枕木拆除 第一節壓入挖掘 履帶式吊車 壓入設備 初期挖掘 使用怪手 抽除枕木 第二節壓入挖掘 第二節構築 第三節構築 第三節壓入挖掘 背填灌漿 地盤整平 第四~最後節壓入挖掘構築 履帶式吊車 抓斗 最後節壓入挖掘結束 淤泥處理 灌漿Pump 水箱 空壓機 背填灌漿 空氣吸揚 特密管 鋼削 淤泥 水中混凝土打設 封底 坑內污水抽水排水 底板混凝土 沉箱施工完畢 抽水 壁面清掃 水桶 昇降設備 混凝土幫浦車 混凝土攪拌車 混凝土幫浦車 混凝土攪拌車 浮筒平台 特密管 水中幫浦 水中混凝土 圖 6 壓入沉箱施工順序示意圖 83
潛盾隧道設計與施工 如下 : 上述施工順序, 摘述下列四項施工之重點 1. 打設鋼板樁遮斷影響線 : 雖然壓入沉箱施工時可將周圍地盤的影響 降低, 但是打設鋼板樁可遮斷開挖影響線, 提 供額外地盤保護 另外需要降挖降低施工面時 鋼板樁形成擋土牆 且地錨施工時鋼板樁可防 止挖掘水溢流 圖 7 傾斜計與下沉計 2. 鋪設枕木之意義放置沉箱刃口基腳前須先整地鋪設枕木以 確保基腳水平 沉箱第一節軀體構築後, 枕木 需支撐沉箱自重並平均分散沉箱重量至地盤以 防止自沉 開始壓入前, 平均抽取枕木維持沉 箱垂直度 3. 沉箱軀體構築壓入沉箱軀體構築工程與傳統沉箱工法完 全相同 但由於沉箱下沉力可由地錨及千斤頂 輔助而不需要太依賴沉箱自重, 因此可以減少 沉箱壁體厚度 圖 8 油壓操控動力設備 4. 沉箱壓入挖掘 : 挖掘重點 : 沉箱挖掘時需儘量挖掘刃口基腳旁, 目的在於降低刃口抗力協助降低壓 入力 並且需均勻的挖掘刃口各位 置, 使壓入時沉箱各位置所需之壓 入力平均 適時測量開挖深度避免 超挖 與傳統沉箱集中開挖沉箱內 中心部位, 引起超挖使沉箱下沉的 方式不同 壓入重點 : 壓入時需監控傾斜計, 壓力計及下 沉計所傳送到監控螢幕的資訊, 操 控千斤頂時需隨時保持沉箱頂面的 水平, 使沉箱能夠垂直下沉 ( 圖 7~10) 圖 9 壓入狀況監控螢幕 圖 10 沉箱壁体標高 84
壓入沉箱工法應用說明 五 壓入沉箱施工實績 橋樑基礎工程 沉箱基礎的品質信賴性高 適合做為道路或鐵路之橋樑基礎 河川內的工程因考慮環境問題 主要以便橋及施工平台施工 如照片 17 至照片 18 照片 17 照片 18 沉箱基礎施工面積較小可降低圍堰範圍 施工重機可從便橋上直接施工 沉箱底板支撐面積 大 適合大跨距橋樑基礎 壓入沉箱工法對周圍地盤的影響極小 適合鄰接鐵路線路等對地 盤下沉非常敏感結構物旁建設橋樑基礎時使用 淨水廠 污水處理廠工程 / 災害對策用儲水池 洪水調節池工程 連續壁等工法在工作井深度深或土質不適合狀況下易發生結構物漏水等問題 因為沉箱工法是 在地面上構築的永久結構物 品質信賴性高 因此在大口徑 大深度的採用實績增加中 如照片 19 至照片 22 照片 19 照片 20 照片 21 照片 22 水利工程許多都是大斷面沉箱工程 為克服大斷面沉箱的壓入施工 近年來研發將大斷面鋼 筋埋入沉箱壁体以平衡地錨與千斤頂作用力之 懸臂工法 懸臂工法不需要再沉箱上架設 壓入樑 開挖面不會被壓入樑阻礙 而且壓入沉箱工法不受沉箱斷面大小所限制 85
潛盾隧道設計與施工 潛盾 推進隧道用工作井 人孔工程 都市土木的潛盾工程因為需要避開地下鐵 上下水管道等既有地下結構物 逐漸形成大深度結 構 工作井構築為考慮對周圍的影響及安全性 壓入沉箱工法的採用有增加的趨向 如照片 23 至照 片 24 照片 23 照片 24 鄰接高架橋 壓入沉箱工法可降低對周圍地盤影響 降低損鄰風險 深度大的矩形沉箱 角 落壁體厚 下沉阻力大 適合使用壓入沉箱工法輔助 六 壓入沉箱工法特色總整 適合鄰近施工 擁有豐富施工實績之壓入沉箱工法 其施 沉箱基腳可先行貫入地盤再行開挖 可不 工性及機能性普遍受施工業主的肯定 得到絕 擾動周圍地盤 對地盤及鄰近結構物影響 大的信賴 近年來本工法採用工程也逐漸增加 小 與其它工法比起來也比較環保 是符合現代土 解決軟弱地盤問題 木工程的需求的工法 利用動力油壓千斤頂 可將沉箱強制壓入 當然本工法也還有進步的空間及改善課 地盤 解決軟弱地盤沉箱容易自沉傾斜問 題 比如如何有效採用現場預鑄方式構築沉箱 題 軀體 以更一步提高結構品質並加速工期 但 節省施工空間 與連續壁工法比較時 所需設備規模小 安全性高 由於沉箱斷面尺寸不一 製作預鑄環片模具很 難達到經濟效果 且環片移動及吊裝均需要比 開挖時所使用吊車還能力大的吊車 在日本使 拉力構件 拉力鋼棒 與千斤頂間不會產 用預鑄環片或鋼環片的案例已開始增加 相信 生滑動現象 使用簡單安全性高 在台灣也很快就會開始使用 高精度 高品質 單獨控制各個千斤頂 可控制沉箱位置及 方向 精度高 結構品質上與連續壁比較 永久結構在地面上施工 且無接縫滲漏等 疑慮 經濟性高 可安定控制工期 環保工法 無震動 無噪音對鄰近居民影響小 86 七 結語