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 式潛盾機開挖，比起其他區段標使用開放式潛盾機與新奧工法開挖隧道，此區段 標使用密閉式潛盾機施工，不需藉由輔助工法來穩定地盤。將雙曲線評估模式加 入沉陷監測值，其結果如圖4-6（d），圖中可以看出地表沉陷量均落於預估的範 圍中，大約在潛盾機盾首通過監測斷面10 天後，沉陷量就漸趨於穩定。因為本 案例潛盾西線為第一條施工隧道，本文僅討論單一隧道引致之地表沉陷歷時曲 線，在30 天後為東線潛盾隧道推進開挖，將不列入本文討論範圍。圖 4-6（a）

至（l），現地測得之地表沉陷值大部份皆落於雙曲線模式預估之沉陷範圍內。