地表最大沉陷量 S max =1/b 建議表之比較

Fujita 蒐集自 1965 年至 1982 年，日本國內 94 筆潛盾隧道施工案例之現地監 測資料，依潛盾機型式、土層狀況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2-5 及表 2-6 所示。本研究為蒐集自 1980 年至 2008 年，發表 自國內外世界各國167 筆潛盾隧道施工案例之現地監測資料，建立地表最大沉陷 量 S_max=1/b 建議表，如表 3-12。

本研究建議表的潛盾資料年代為銜接Fujita 之建議表，考慮 Fujita 建議表內 各種條件下所蒐集之案例，普遍不多。本研究為求預估準確性，將案例少於五例 者以及 Smax範圍超過兩個標準誤差之案例，給予刪除。本研究並增加近年來使用 較為頻繁之土壓平衡式潛盾機案例，包括採用輔助工法之案例，彌補Fujita 建議 表內所不足，提供學者或施工單位作為評估參考依據。

將本研究建立之地表最大沉陷量 S_max=1/b 建議表與 Fujita 之地表最大沉陷量 Smax建議表相比，把兩表之 Smax相差值除以 Fujita 建議表之 Smax，得本建議表與 Fujiat 建議表之相差百分比，如表 3-14 所示。可以得知潛盾隧道施工造成之地表 最大沉陷量 Smax在開放式潛盾機中平均小61％、泥水式潛盾機 83％了、土壓平 衡式69％，可以見得近年來潛盾機、隧道施工與輔助工法之進步與成熟。

第 四 章

以雙曲線模式檢核地表沉陷歷時曲線

本章利用蒐集自國內外已完成的，潛盾隧道施工引致隧道中心線地表沉陷歷 時曲線資料，採用第三章雙曲線模式所歸納出之雙曲線參數 a、b 建議表，推估 地表沉陷歷時雙曲線，評估所建議雙曲線模式於預估潛盾隧道施工造成沉陷歷時 曲線之適用性。

本章內容共分為三節。第一節為評估範例，藉此詳細說明預估方法之應用。

第二節介紹世界各國共45 個不同型式潛盾機於不同土層開挖造成之沉陷歷時曲 線與預估曲線之比較。第三節指出本研究建議評估方法的優點與限制。

4.1 評估範例

本節為利用第三章建議之雙曲線參數 a 建議表（表 3-10），及雙曲線參數 b 建議表（表3-12），以雙曲線模式評估愛爾蘭 Limerick 市的 Dock Road Tunnel 潛 盾隧道施工下水道案例，測點標號TA26（Tonkin,2005）測得之沉陷歷時關係。

評估步驟條例說明如下：

《評估範例》

案例編號：ES 31

案例名稱：Limerick Drainage Scheme, Dock Road Tunnel TA26 in Ireland.

隧道中心線深度 Z：11.0 m 隧道直徑 2R：2.82 m

潛盾機型式：土壓平衡式潛盾機（EPB）

開挖土壤種類：砂土層 使用之輔助工法：灌漿工法

《評估步驟》

（1） 依據雙曲線參數 a 建議表（表 3-10），找出使用之潛盾機型式（土壓平衡 式潛盾機），開挖土層條件（砂土層）與採用輔助工法的參數 a 值範圍，

為0.12 ± 0.08 day/mm，可推求出 a 值之上下限分別為 amax = 0.20 day/mm 及 a_min = 0.04 day/mm。

（2） 根據潛盾機型式、開挖土層與輔助工法，由雙曲線參數 b 之建議表（表 3-12），找出 b 值範圍為 0.03 ± 0.01 1/mm，得 b_max = 0.04 1/mm 與 b_min = 0.02 1/mm。

（3） 搭配（amax值與 b_max值）及（a_min值與 b_min值）代入雙曲線模式（2.17），

分別繪圖求出地表沉陷歷時曲線的最大值與最小值，代表預估值之上下 限，如圖4-1 所示。

（4） 將案例所監測之沉陷時間資料，一併繪入圖中，如圖 4-1 所示。

圖中的結果顯示，案例測得之地表沉陷值，均座落於雙曲線上下限的範圍 內，可以看出該潛盾隧道施工品質控制符合預期。此潛盾工程在砂土層開挖，使 用化學灌漿工法加以輔助，有達到預期之效果。由監測沉陷值可發現，在70 天 後沉陷量仍有著些許增加，建議應加長監測時間，以探討地盤長期沉陷行為。

4.2 潛盾隧道施工案例之沉陷時間關係評估

藉由雙曲線模式，本研究4.1 小節介紹如何估算地表沉陷歷時曲線的最大值 與最小值，以評估國內外潛盾工程造成之地表沉陷。本節將依潛盾機型式分類，

探討國內外45 個施工案例造成之沉陷行為。在所蒐集的案例中，開放式與泥水 加壓式潛盾機現在較少被採用，其案例只占全部案例之兩成，近年國內外潛盾隧 道施工，以土壓平衡式潛盾機為施工機具之主流。

4.2.1 開放式潛盾機

在潛盾機盾殼之保護下，開放式潛盾機為以人工或機械至開挖面進行挖掘，

開挖面呈開放狀態，以半月型、面型千斤頂為主要擋土措施，較適用於自立性高 之地盤、硬質黏土及緊密砂層，常須配合壓氣、抽水、灌漿等輔助工法。本文所 評估之案例共5 筆，分別為台北市、埃及開羅與英國的下水道案例。採用開放式 潛盾機的5 個案例，皆使用壓氣工法輔助，以下依圖 4-2（b）案例 OS 9 為例，

進行分析討論。

OS 代表開放式潛盾機（Open shield）於砂土層（sand）開挖。本監測案例 為埃及開羅（Cairo）的下水道開挖（EI-Nahhas et al., 1991），隧道直徑 5.15 m，

隧道中心深度 14 m，開挖土層屬於地下水位以下的尼羅河粉土質砂沖積層

（alluvial Nile silty sand）。隧道施工採取壓氣工法，配合襯砌支撐與背填灌漿加 以輔助。圖4-2（b）顯示，實測之地表沉陷值皆座落於雙曲線預估範圍內偏上方。

以開放式潛盾機施工而言，施工單位將地表沉陷量控制的符合預期，推測這與本 案例施工年代（1991）較新，施工品質較佳有關。圖 4-2（a）至（e）所顯示之 5 個案例，大部份沉陷資料皆落於預測範圍之內。

4.2.2 泥水式潛盾機

泥水加壓式潛盾機為密閉式潛盾機，利用比重大、黏性高之白皂土等材料作 成泥水，以填充地層中之間隙而達安定之效果。並以流體運輸方式用淡水將開挖 地盤之土渣排出，適用儲水性砂層、砂礫層水壓較高之地層。開挖時依地質狀況 調整泥水比重及壓力，可精確的控制開挖土量。由於作用之泥水壓幾乎未改變原 有地盤構造，故其開挖造成地盤變形沉陷現象最小，對輔助工法的需要性最低。

所評估之4 筆案例，分別為英國衛生下水道、日本東京下水道及法國地鐵隧 道，4 個案例皆未使用輔助工法。由圖 4-3（a）至（d）可以看出，除了圖 4-2

（b）案例 SS 2 外，其它案例之實測沉陷值皆落於評估區間之外，且沉陷量有大

有小，缺乏規律性。歸咎其原因應為以泥水式潛盾機施工之案例數太少，樣本空 間太小，使評估範圍不能精準所致。以下對圖4-3（d）之案例 SC 24 進行討論。

SC 代表泥水式（Slurry）潛盾機於黏土層（clay）開挖。本案例為法國 Lyon- Vaise sector 的地下鐵隧道工程，監測點標號為 EX31（Dias and Kastner, 2000），

捷運隧道直徑6.27 m，隧道中心深度 13.6 m，開挖土層灰色黏土為（Grey clay），

使用背填灌漿填滿襯砌與土層間的空隙。如圖4-3（d），圖中可以發現此案例泥 水式潛盾機開挖隧道造成之施工品質相當良好，沉陷量僅在2 mm 左右，但其監 測時間只維持 8 天，應僅為短期地表沉陷。圖 4-3（a）至（d）之監測期限僅 7 天至33 天，缺乏長期沉陷監測資料。

4.2.3 土壓平衡式潛盾機

土壓平衡式潛盾機為密閉式潛盾機，運用切刃盤之切削齒掘削地層，以貫穿 隔鈑之螺旋輸送機，將開挖壤排出。潛盾機掘進時須使開挖面內側與外側之土壓 及水壓保持平衡。砂、砂礫層及其互層均可適用土壓平衡式潛盾機，原則上不需 要以輔助工法維持開挖面之自立性。土壓平衡式潛盾機開挖隧道之案例甚多，本 節將對三種被開挖土層分別討論。

4.2.3.1 土壓平衡式潛盾機開挖砂土層

土壓平衡式潛盾機在砂土層內開挖造成之沉陷時間，評估案例為12 筆，分 別如圖 4-4（a）至（l）所示，其中包含台北捷運、愛爾蘭下水道及高雄捷運的 案例，以下依圖4-4（e）案例 ES 26 為例討論。

ES 代表土壓平衡式（Earth-pressure-balance）潛盾機於砂土層（sand）開挖。

本監測案例為愛爾蘭Limerick 市下水道的船塢路隧道（Dock Road Tunnel），監 測點標號TA18（Tonkin, 2005）。此工程設立多個監測斷面，分別為案例編號 ES 25 至 ES 31，如圖 4-4（d）至（j）。隧道直徑為 2.82 m，隧道中心深度 11 m，由

於開挖土層為砂土層，滲透係數較大，故在開挖前施工單位先以灌漿工法將皂土 漿及水泥漿灌入開挖土層，改良地盤，阻止地下水壓力入侵。施工單位進行局部 的降水工法，並同時監測水壓與地表沉陷值。圖4-4（e）顯示，實測地表沉陷歷 時曲線恰好落在預估區間之中，雖在潛盾機到達測陣時造成些許的地盤隆起，但 此工程施工造成之沉陷控制仍在水準之上。圖4-4（a）至（l），實測沉陷值與預 估沉陷範圍大致符合良好。

4.2.3.2 土壓平衡式潛盾機開挖黏土層

土壓平衡式潛盾機在黏土層內施工案例共12 筆，分別如圖 4-5（a）至（l）

所示，其中包含日本下水道、台北捷運及舊金山捷運的案例，以下依圖4-5（l）

之案例EC 27 為例討論。

EC 代表土壓平衡式潛盾機於黏土層開挖。本監測案例為在日本東京的江東 區（Koto-ku）所做的現地監測試驗 Case C（Komiya et al., 2001），隧道直徑3.0 m，

隧道中心深度14.3 m。實驗目的為在潛盾隧道頂拱上方附近進行灌漿，形成一保 護層，以減少地表沉陷，並於地表與深層安裝監測儀器測陣讀取地表及深層沉陷 值。案例EC 25 至 EC 27 分別顯示不同型式灌漿造成之地表沉陷情形。本例 EC 27 為在離隧道頂拱上方2 m 處注入水泥漿，在隧道上方形成一個內角夾 135 度、厚 度 2 m 的扇形水泥保護層，開挖土層為高塑性、不排水剪力強度高的沖積黏土 層。圖4-5（l）顯示，在土壓平衡式潛盾機盾首到達測點時造成地表隆起，且實 測沉陷值的初始沉陷速率發生時間較評估曲線略晚，推測其原因可能因為水泥改 良土保護層的阻滯，使初始沉陷延緩發生，實測中長期沉陷量仍位於預估範圍內。

4.2.3.3 土壓平衡式潛盾開挖軟弱黏土層

土壓平衡式潛盾機在軟弱黏土層中開挖造成的地表沉陷，如圖 4-6（a）至

（l），大部分案列來自新加坡捷運工程、東京地鐵、美國密爾瓦基下水道、台北

捷運及上海地鐵，以下以圖4-6（d）之案例 EsC 7 為例討論。

EsC 代表土壓平衡式潛盾機於軟弱黏土層開挖。本監測案例是新加坡捷運工 程C301B 區段標的西線（Shirlaw and Copsey, 1987），隧道直徑 5.3 m，隧道中心 深度18.9 m。開挖土層為新加坡軟弱海積黏土（Singapore marine clay），此黏土 因長期處於海面以下，易受到擾動而產生大量壓密沉陷。該區段標使用土壓平衡

EsC 代表土壓平衡式潛盾機於軟弱黏土層開挖。本監測案例是新加坡捷運工 程C301B 區段標的西線（Shirlaw and Copsey, 1987），隧道直徑 5.3 m，隧道中心 深度18.9 m。開挖土層為新加坡軟弱海積黏土（Singapore marine clay），此黏土 因長期處於海面以下，易受到擾動而產生大量壓密沉陷。該區段標使用土壓平衡