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）。

將本研究監測數據，繪於 t/S(t)為縱軸，時間 t 為橫軸之圖中，圖 9-2（a）中顯 示監測數據呈現線性關係，利用線性回歸找出線性方程式 Y = 0.0394*X +

0.0922，可得雙曲線參數 a 為 0.0922，參數 b 為 0.0394。將雙 曲線參數 a、b 值，

9.1.3 參數 1/b 之物理意義

9-4（a）所示，圖中顯示本案例監測數據與雙曲線模式吻合頗為良好。圖 9-4（b）

式應用於模擬隧道施工造成卵礫石層地表沉陷歷時曲線之可行性。

9.3 卵礫石地層地表初始沉陷速率探討

如9.1.1 小節所述，雙曲線參數 1/a 之物理意義為當潛盾機盾首通過測點第 一天，潛盾隧道中心線上方所造成之地表沉陷量，共公制單位為（mm/day），1/a 即代表潛盾隧道開挖造成的初始地表沉陷速率。本研究蒐集國內潛盾機遭遇卵礫 石層之施工案例，藉由雙曲線模式模擬地表沉陷歷時關係，得雙曲線參數 a 值共 20 筆數據，將雙曲線參數 a 取其倒數為 1/a，計算出 1/a 值範圍為 11.9 ± 5.2 mm/day。其範圍乃採取多組案例 1/a 值之平均值加減一個標準誤差所得。

圖9-4 至 9-7 顯示，在卵礫石層潛盾施工造成之地表沉陷，大部分在潛盾機 盾首通過後10 天至 30 天之內完成。

第 十 章 結論與建議

本論文依據國內外潛盾隧道施工遭遇卵礫石層地盤之案例，探討潛盾機於高 透水及高強度卵礫石地盤施工之特殊考量，評估潛盾隧道施工遭遇卵礫石地盤引 致之最大地表沉陷量Smax及地表沉陷歷時曲線，並獲得以下之結論與建議。

10.1 結論

（1）為求得卵礫石之最大粒俓，桃園國際機場捷運工程於卵礫石地盤進行地質 調查中，施作大口徑鑽孔調查，以利於設計潛盾機切刃轉盤開口率（開口 尺寸大小）、排除卵礫石螺運機直徑大小尺寸。

（2）在 1979 年至 2009 年潛盾機施工遭遇卵礫石地盤案例中，多數案例（67%）

採用土壓平衡式潛盾機，且螺運機多採用無軸式（絲帶式）輸送切削土體。

其餘21%案例採用泥水式潛盾機施工，12%案例採用開放式潛盾機施工。

（3）當含卵礫石量過高時（卵礫石含量超過 75%），為增加潛盾機開挖面土層之 塑性及流動性，除了加泥材外，亦可採用泡沫工法，利用注入泡沫改善土 體顆粒間之介面行為，吸附在土體顆粒間之氣泡可以降低土體顆粒間之摩 擦力，增加切刃之耐用性與切削土體之流動性。

（4）新竹新工高壓電纜線洞道工程與桃園國際機場捷運工程施工案例皆發現，

潛盾機切刃轉盤嚴重磨損位置皆發生於面盤中心向外約2/3R 處，研判其原 因，卵礫石受切刃盤旋轉切削掘進之影響，導致開挖面上部周圍卵礫石向 下崩落，由於螺運機取土口位於切刃盤中心線之後方，崩落之卵礫石逐漸 向切刃盤中心線集中，並造成切削切刃嚴重磨損。建議在日後設計切刃旋 轉盤時可加入考量此特殊之切刃盤磨耗行為。

（5）於所蒐集之 17 個案例中，潛盾隧道施工遭遇卵礫石地盤造成之最大地表沉

10.2 建議

（1）對於潛盾機於卵礫石地盤施工導致之最大地表沉陷 Smax之預估範圍，本研 究僅對被蒐集到之監測資料進行分析。因此，若施工遭遇之特殊狀況列如 隧道施工造成大型坍孔，沉陷行為和收集案例差異甚大時，即無法資據經 驗公式來評估最大地表沉陷量。

（2）本論文僅探討國內地表沉陷歷時監測資料與雙曲線模式關係，未來可蒐集 更多國外施工沉陷歷時資料進行模擬，以增加案例樣本之多元性。

（3）本論文依據現地沉陷監測結果建立經驗方法，未來研究可考慮利用數值分 析方法加以討論，以進行更全面性之研究。

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