化學藥液灌漿

由於卵礫石層之高透水性與高水壓，案例中顯示其滲透係數介於10^-1~5×10^-3 cm/sec 之間，加上土層孔隙率過大時，容易造成卵礫石地層自立性不佳，使潛盾 機開挖面不穩定且容易發生滲水狀況。案例S1（川崎市下水道）與 E1（兵庫下 水道）卵礫石層滲透係數分別為1.4~4×10^-1 cm/sec 與 10^-1×10^-2 cm/sec，為了使潛 盾機能順利在此高透水性地層下掘進施工，施工單位採用化學灌漿改良土層，降 低其滲透係數（改良至滲透係數小於10^-5 cm/sec）與增加自立性，使潛盾隧道工 程得以順利完工。

第 八 章

卵礫石地盤潛盾隧道開挖引致之沉陷案例分析

本研究所蒐集到1979 年至 2009 年卵礫石地盤潛盾施工之國內外案例，如表 8-1 至表 8-3 所示。表 8-1 至 8-3 分別蒐集開放式潛盾機 2 案例、泥水式潛盾機 3 案例、及土壓平衡式潛盾機12 案例遭遇卵礫石地盤之 17 個施工案例，其中包括 日本（11 案例）、美國（1 案例）及國內（5 案例）潛盾隧道共 17 組最大地表沉 陷量資料。開挖隧道之功能包含捷運隧道、衛生下水道、地下鐵路、高壓電纜洞 道及地下儲水庫。隧道直徑之範圍為 2.18 至 10.0 m，隧道深度之範圍為 3.8 至 30.0 m。表 8-1 至 8-3 所蒐集之施工案例，除少數特例外，各案例隧道掘進之區 段開挖面含卵礫石量（Gravel Content）皆超過 50%以上。

本研究嘗試建立得到地表最大沉陷量（Smax）與 Fujita（1982）提出在黏土 及砂土內開挖潛盾隧道造成之最大地表沉陷量進行比較。本研究依據各案例監測 資料Smax進行統計分析，建立Smax與地層礫石含量、潛盾機機型、隧道深度（Z）、 隧道直徑（D）之關係，Smax、D 及 Z 之定義如圖 3-1 所示。

8.1 地表最大沉陷量範圍

圖 8-1 為本研究蒐集之潛盾施工造成最大沉陷 Smax與地層卵礫石含量之關係 圖，圖中縱座標為最大地表沉陷量Smax，橫座標為開挖地層之含卵礫石量（%），

橫座標右半部為含卵礫石量50%以上為卵礫石地層範圍，圖中顯示各型式潛盾機 施工在卵礫石層開挖造成之最大地表沉陷量在11~28 mm 之間。隨著卵礫石含量 之升高，Smax略為減小。

Fujita（1982）蒐集自 1965 年至 1982 年，日本國內 94 筆潛盾隧道施工造成 之最大地表沉陷現地監測資料。Fujita 依潛盾機型式、土層狀況（黏土及砂土）

及輔助工法採用與否，建議施工造成之地表最大沉陷量值，如表1-1 所示。圖 8-1

顯示本研究所得潛盾機於卵礫石層內施工造成之Smax僅11~28 mm，明顯小於開 放式潛盾機在黏土層造成之最大地表沉陷範圍200±20 mm，泥水式潛盾機在砂土 與黏土層沉陷量範圍 90±30 mm，及土壓平衡式潛盾機在黏土層沉陷量範圍 150±35 mm，由圖 8-1 發現在卵礫石層潛盾施工造成之地表沉陷為最小，這是因 為卵礫石地層強度高自立性佳，潛盾掘進時造成地表沉陷發生相對其他土層較 小。

本研究將17 筆卵礫石潛盾施工案例之 Smax監測資料，依據潛盾機型式及輔 助工法採用與否，歸納出潛盾機於卵礫石地層內挖面造成最大地表沉陷 Smax 值 建議表（表8-4），例如土壓平衡式潛盾機於卵礫石地層內開挖，若不採用輔助工 法，造成之最大地表沉陷為17±6 mm。表中預測值採取各案例之平均值加減一個 標準誤差（Standard deviation）所得。並將兩個標準差以外之案例予以刪除，以 避免因特殊案例影響地表最大沉陷評估範圍。由於卵礫石內潛盾施工困難，案例 蒐集不易，故表8-4 內之案例數量較為不足，僅供使用者參考。

圖 8-1 地表最大沉陷量顯示各式潛盾機在遭遇卵礫石層施工所導致之地表 最大沉陷量皆不超過28 mm，採用潛盾機形式（開放式潛盾機、泥水加壓式或土 壓平衡式潛盾機）對造成之地表最大沉陷量Smax之影響並不明顯。

表8-4 最大地表沉陷量建議表中，以土壓平衡式潛盾機進行比較，未採用輔 助工法之地表最大沉陷量約在17±6 mm 範圍內，採用輔助工法之地表最大沉陷 量約在16±6 mm 範圍內，採用輔助工法所引致之地表最大沉陷量與未採用輔助 工法並無明顯差異。推測其原因為在卵礫石層潛盾施工本身所造成之沉陷量相較 其他土層為小，因此沉陷量之差異相對不明顯。

8.1.1 卵礫石含量對地表最大沉陷量之影響

圖 8-1 顯示，卵礫石含量與最大地表沉陷 Smax之關係，圖中發現隨著地盤 卵礫石含量增加，地表最大沉陷量呈現略為減少之趨勢。推測其原因可能與卵礫

石特性有關，洪如江（1978）發現，當地盤之卵礫石（粒徑大於 4 號篩，4.75mm）

含量大於75％，此地盤工程特性由大顆粒卵礫石控制，地層剪力強度增加。Lambe and Whitman (1969)與 Matheson（1986）提出當卵礫石含量愈高時，其卵礫石之 尖峰摩擦角ψ越大，隨著摩擦角與剪力強度增加隧道上方土層之拱效應更強烈，

因而減少潛盾施工所造成之地表沉陷。

8.2 最大地表沉陷量分析

表8-1 至表 8-3 顯示開放式潛盾機 2 個 Smax監測值，泥水式潛盾機3 個 Smax

監測值，及土壓平衡式潛盾機12 個 Smax監測值。由於開放式開挖面難以抵擋卵 礫石層內之高地下水壓及高滲透性，為顧及工作人員之安全近年採用開放式潛盾 機於卵礫石層施工案例較少，以採用密閉式（泥水式與土壓式）潛盾機施工案例 居多，因此開放式潛盾機之施工案例將不列入分析範圍，表8-2 至表 8-3 採用共 15 組最大地表沉陷量監測值進行分析。

以下將上述兩種型式潛盾機於卵礫石層施工導致之最大地表沉陷 Smax 與隧 道中心線深度（Z）及隧道直徑（D）之關係進行分析及討論。

8.2.1 隧道中心線深度對地表最大沉陷量之影響

圖8-2 顯示隧道中心線深度 Z 與地表最大沉陷量 Smax之關係，圖中縱座標為 地表最大沉陷量Smax，橫座標為隧道中心線深度Z。由圖 8-2 可知，當隧道覆土 深度逐漸增加10 m 以上時，最大地表沉陷量有逐漸減小之趨勢。潛盾隧道開挖 造成地盤內之應力釋放，隧道上方之覆土層發生拱效應（Arching），當潛盾隧道 開挖對隧道周圍土體造成擾動，隨著隧道深度越大，在拱效應作用下對淺層地盤 之影響相對較少，使深層潛盾施工導致地表沉陷量相對減少。

8.2.2 隧道直徑對地表最大沉陷量之影響

圖8-3 顯示隧道直徑與地表最大沉陷量之關係，圖中縱座標為地表最大沉陷 量Smax，橫座標為隧道直徑D。圖 8-3 顯示，隨著隧道直徑增加，最大地表沉陷 量有增大之趨勢。推測其原因可能為當潛盾隧道開挖面增大，造成周圍體地盤之 擾動區域及震動程度相對較大，因此導致地表沉陷量偏大。如表 8-3 之案例 E3 與E4 顯示，隧道中心線深度 Z 分別為相近之 8.8 m 與 8.7 m，但是兩者隧道直徑 分別為3.08 m 與 7.45 m，施工造成之最大地表沉陷量分別為 11 mm 與 24 mm。

由圖8-3 可以發現，在隧道深度大致相同處，直徑較大潛盾隧道施工造成之地表 沉陷相對偏大。

8.2.3 深徑比對地表最大沉陷量之影響

圖8-4 顯示潛盾隧道深徑比與地表最大沉陷量之關係，圖中縱座標為最大地 表沉陷量Smax對隧道直徑D 正規化之比值（Smax/D），橫座標為隧道中心線深度 Z 對隧道直徑 D 正規化之值 Z/D。由圖 8-4 可知，各案例深徑比介於 1.17 至 3.44 間，圖中隧道深徑比 Z/D 逐漸增加，正規化最大地表沉陷量 Smax/D 有逐漸減小 之趨勢。推測其原因，如8.2.1 小節所述，隨著隧道深度 Z 增大，覆土層厚度增 加，地盤拱效應作用越明顯。

將圖8-4 各案例數據進行線性迴歸，可得到下列線性方程式：

上限範圍：

( Smax/D ) × 100 = 0.78 - 0.12 （Z/D） （8.1）

平均值：

( Smax/D ) × 100 = 0.62 - 0.12 （Z/D） （8.2）

下限範圍：

( Smax/D ) × 100 = 0.46 - 0.12 （Z/D） （8.3）

上式中

Smax = 潛盾隧道與卵礫石地層施工所造成最大地表沉陷

（限制含卵礫石量50%~90%）

D = 隧道外側直徑（限制 D = 2.18~10.0 m）

Z = 隧道中心線深度（限制 Z = 3.8~26.0 m）

圖 8-4 中虛線範圍為各案例最大沉陷量平均值加減一個標準差（Standard deviation）所得。線性回歸線之範圍顯示，多數施工案例造成之 Smax皆落於此範 圍內。由此發現，此範圍可作為遭遇卵礫石潛盾施工預估最大沉陷量範圍之參考。

Smax預估範例：

以表8-3 案例 E2(神奈川下水道左岸幹線 52 工區)為例，得知此案例隧道深 度為Z = 7.8 m，隧道直徑為 D = 4.84 m，代入經驗公式 8.2 式( Smax/D ) × 100 = 0.62 - 0.12 (Z/D)中，求得預估平均最大沉陷量為 Smax = 20.6 mm，其預估沉陷範圍為 12.9~28.3 mm 之間，表 8-3 中此施工案例實際沉陷則為 21 mm，落於預估範圍區 間，符合預期。圖8-4 及公式（8.2）乃基於表 8-3 之資料建立，二者相互符合也 並不令人意外。

由上述案例得知，8-1 至 8-3 經驗公式可作為往後設計者參考之經驗式，當 設計者得知潛盾隧道深度 Z 與隧道直徑 D 時，可依據此經驗式初步預估在卵礫 石地盤潛盾施工造成之最大地表沉陷量Smax。

第 九 章

地表沉陷歷時曲線與雙曲線模式

依據Fang et al.（1993）所建議之方法，本研究嘗試以雙曲線模式（Hyperbolic model ） 模 擬 潛 盾 隧 道 在 卵 礫 石 層 地 層 開 挖 造 成 之 地 表 沉 陷 歷 時 曲 線

（Time-settlement curve）。

如表9-1 所示，本章蒐集國內 2004 年至 2009 年潛盾施工遭遇卵礫石層之案 例，其中包含新竹科學園區第三期之二污水下水道工程、新竹湖口工業區電纜線 洞道工程、新竹工業區超高壓變電所工程、及桃園國際機場捷運工程案例，上述 4 個案例全部採用土壓平衡式潛盾機施工，依據現地監測資料共獲得 20 筆地表 沉陷歷時資料。以下分別介紹為雙曲線模式、以雙曲線模式模擬地表沉陷歷時曲 線及初始沉陷速率分析。

9.1 雙曲線模式介紹

為便於說明單一潛盾隧道施工造成隧道中心上方之地表沉陷，參照圖9-1，

本研究首先定義相關重要參數如下：

D：隧道襯砌外側直徑（D = 2R）

Z：隧道中心線深度

t：潛盾機盾首通過測點後之時間 S(t)：隨時間變化之地表沉陷量

Fang et al.（1993）建議，於凝聚性黏土層內以土壓平衡式潛盾機開挖造成 之沉陷對時間關係，可用雙曲線模式加以描述。簡明同（1998）與吳俊德（2008）

在蒐集國內外潛盾開挖造成之隧道地表沉陷歷時曲線案例，發現雙曲線模式亦可 用來模擬潛盾機在非凝聚性土層內開挖造成之沉陷歷時關係。惟上述案例研究 中，缺乏潛盾卵礫石地層於施工案例。因此本研究依據雙曲線模式，嘗試模擬此

模式在卵礫石層之適用性。依2.6.2 小節所述，以式（2.4）模擬地表沉陷對時間 程，監測點為SM101（Surface Marker）之地表沉陷監測數據（中華顧問 2004）。

模式在卵礫石層之適用性。依2.6.2 小節所述，以式（2.4）模擬地表沉陷對時間 程，監測點為SM101（Surface Marker）之地表沉陷監測數據（中華顧問 2004）。