灌漿改良機上地盤

桃園國際機場捷運潛盾隧道工程接近機場塔台與航道，因潛盾機掘進時，

必然造成地表沉陷，故施工單位通過敏感區地盤時格外謹慎。除了以採用之背 填灌漿外，在經過航道與塔台附近時，本工程採用機上灌漿工法施作，其主要

目的在潛盾隧道急曲線超挖部充填灌漿以防止地盤沈陷。圖6-16 顯示，機上灌 漿與潛盾機推進時同步進行，其灌漿位置在潛盾機內上方，不同於背填灌漿在 盾尾施作灌漿。在卵礫石層施作機上灌漿可防止卵礫石崩落所造成之空洞，以 減少沉陷發生。本工程潛盾機於未施作機上灌漿所造成沉量陷約為3~10 mm，

潛盾機於航道下方掘進時施作灌漿改良機上地盤後，所造成之沉陷量僅約為 2 mm。

6.8 切刃轉盤磨損

相對於一般土層在卵礫石層地盤之潛盾隧道施工中，切刃盤磨損之狀況嚴 重。在桃園捷運潛盾隧道工程中，1 號潛盾機總共掘進了 1205 m。圖 6-17 虛線 顯示，於面盤中心向外半徑約2.08 m 處（R=3.12 m），切刃盤遭到卵礫石磨損出 現明顯之凹痕。切刃轉盤主要磨損位置與台電六輸潛盾隧道案例相同，其位置皆 約位於離潛盾機中心位置之 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，建議在往後設計面盤時可 加入考量此特殊之切刃盤磨耗行為。表6-1 為 1 號潛盾機預估與實際磨損量之比 較，圖 6-18 顯示，棍子式切刃齒磨損嚴重超出預估範圍，其餘切刃種類皆在預 估之內。

第 七 章

no＝

㏒(d /d )_{2 1}

㏒(P /P )_{2 1}

（7.2 式）

P1：d1（mm）之通過百分比 P1：d1（mm）之通過百分比 no：粒度指數（斜率）

例如圖7-1 中，由大型篩分析結果得 d1=150 mm，d2=300 mm，P1=61.1%，

P2=82.6%，依據（7.2 式）求得此卵礫石土層粒度指數（斜率）no=0.435，代回

（7-1 式）中求得 Dmax=466 mm，此即為計算所推估之最大粒徑，迴歸小於實地 測得之最大粒徑Dmax=497 mm。上述濱田和人（1986）建議預估卵礫石最大粒徑 之方法，仍有待大量現地資料之驗證。

7.2 大顆粒卵石及巨石處理方式

潛盾機開挖面所出現之卵礫石之處理方式有二種，即直接排除（取入）方 式與破碎排除方式。以下分別做說明。

7.2.1 直接排除方式

「直接排除方式」為將出現於開挖面之卵礫石不加以破碎，而直接經由潛 盾機土艙內排土口輸送至機內加以排除之方式。

密閉型潛盾機可處理之卵礫石粒徑大小則視泥水加壓式或土壓平衡式而 異。泥水加壓式潛盾機之排礫方式主要分為泥水艙內排除方式（案例 S2）與排 泥管內排除方式（案例S1,S4）。表7-2 所示，採排泥管內排除方式之潛盾機，依 照不同直徑，對應可排除之卵礫石粒徑大小。另外採泥水加壓式艙內排除方式，

則可排除最大粒徑可達潛盾機外徑之1/9～1/10。

針對土壓平衡式潛盾機螺運機種類與可排除最大粒徑，如表7-3 所示，依照

不同直徑，對應可排除之卵礫石粒徑大小。圖7-2 為土壓平衡式潛盾機帶式（無 軸式）螺運機示意圖。根據國內外案例發現，土壓式潛盾機型以採用帶式（無軸 式）螺運機案例為多（案例E1,E4,E8,E9,E12,E13,E14,E15,E16）。

7.2.2 破碎排除方式

「破碎排除方式」指將開挖面前方出現之卵礫石加以破碎，分解成潛盾機 土艙排土口可排除之粒徑大小加以排除。當卵礫石於開挖面前方（尚未進入潛盾 機內）即予以破碎者，稱為「一次破碎」，通常在面板上裝設滾輪式切刃，在大 卵石尚未進入潛盾機內前即予破碎。如圖7-3 所示，由滾輪切刃在卵時表面產生 破碎與裂痕，再進一步壓碎變成數塊較小卵礫石，最終粉碎解體排入土艙內。圖 7-4 則為切削切刃與滾輪式切刃之種類，分成齒輪型、刃頭植入型與盤型三種。

當卵礫石直接或經一次破碎後排入潛盾機內後，再對卵礫石施予壓力及剪 力使卵礫石破碎之方式，稱為「二次破碎」。圖 7-5 顯示為泥水式潛盾採用機內 碎石機（Crusher），當大顆粒卵礫石經由潛盾機推進排入土艙內，卵礫石在碎石 機內加以破碎後，由攪拌翼排至潛盾機後方出土。

根據國外施工案例，一般泥水加壓式潛盾工法在一次破碎階段即將大粒徑 卵石破碎切割成70~80 mm 左右之尺寸，進入潛盾機內再由碎石機壓碎成 30 mm 左右之粒徑，再由排泥管出碴（案例 S1,S4）。而土壓式潛盾工法通常在一次破 碎後，將大顆粒卵石破碎切割成200～300 mm 左右直接出碴。

7.3 潛盾機切刃轉盤特殊考量

於卵礫石層施工所採用之潛盾機，必須具有切割及破碎大顆粒堅硬卵礫石 之功能，通常必須具備較強之機械能力（例如切刃之抗磨損能力），其規格及設 計考量異於一般之潛盾機。經由國內外施工案例，本研究整理歸納說明如下：

(1) 潛盾機掘進開挖面遭遇卵礫石時，潛盾機需具備切割及刮削卵礫石能力

之切刃轉盤，並於轉盤上裝設切刃與滾輪式切刃等切刃裝置，例如案例 E2,E7,E12,E13,E14,E15,E16）。圖 7-7（a）顯示維修人員可經切刃盤上

之維修人孔到達開挖面，圖7-7（b）維修人員於開挖面維修與更換切刃

及d=731 mm（內側）作為可排除卵礫石之最大粒徑，此切刃盤之開口 率為50%，螺運機則設計直徑 800 mm 為可排除之最大粒徑。

7.4 開挖面穩定處理

圖 7-8 所示，卵礫石層中之大顆粒卵石受切刃盤旋轉推進之影響，使潛盾 機外周之地層因應力釋放及震動而產生鬆動，破壞原本卵礫石排列方式，因而造 成開挖面不穩定。卵礫石層中之細粒料經切刃盤開口迅速排入土艙內，而卵石則 因面板之推擠作用，堆積集中於潛盾機前方，增加潛盾機掘進之困難。

7.4.1 泥水式潛盾機開挖面穩定處理

泥水加壓式潛盾機主要以泥水壓管理與開挖土量管理維持開挖面之穩定，

在卵礫石層施工時，因卵礫石滲透係數甚為高且開挖面如圖7-8 所敘述開挖面地 盤鬆動且持續崩落，導致地盤無法形成泥膜，造成潛盾機開挖面逸失泥水問題。

另外當卵礫石層所含之細料為膠結疏鬆、自立性不佳之砂質土時，由於泥水壓無 法阻擋比重較大之卵礫石崩落，因而導致開挖面不穩定。案例 S5（大阪市地下 儲水池）因卵礫石開挖面逸泥問題而提高泥水比重至 1.3～1.4 左右改善處理，

施工單位另外施作藥液灌漿改良開挖面，降低透水係數防止細粒料流失，增加自 立性防止開挖面卵礫石崩落。案例 S1（川崎市下水道）在潛盾隧道掘進上方覆 土層皆為卵礫石層(延伸至地表)，由於缺乏可形成覆蓋層之不透水層，容易產生 開挖面鬆動及卵礫石崩落之危險，因而全線採用藥液灌漿工法改良開挖地盤，降 低地盤之透水係數（改良至滲透係數小於10^-5 cm/sec），以防止逸泥，維持開挖 面之穩定。

7.4.2 土壓平衡式潛盾機開挖面穩定處理

土壓式潛盾機主要藉由螺運機進行排土量控制，以獲得開挖面穩定所須之 泥土壓及止水性。圖7-9 與圖 4-20 案例 E12（新竹竹科污水下水道）顯示潛盾機 掘進於卵礫石層中，由於螺運機內部卵石、礫石及砂土之顆粒大小不一，不易形 成連續性之土塊，造成空隙產生，使土塊壓縮效果減小，於高壓與透水卵礫石地 帶不易阻止地下水，且容易從螺運機排土口滲出，影響潛盾機開挖面之穩定。施 工單位於土艙與螺運機入土口處添加水泥漿液，減少空隙之產生，降低地下水滲 出同時使排土形成連續性之土塊。

7.5 輔助工法

針對在卵礫石地層潛盾機施工常見採用之輔助工法，以下分成灌漿工法、

冰凍工法與化學藥液灌漿作說明。

7.5.1 灌漿工法

潛盾機之盾尾推離襯砌環片時產生之空隙，須以背填須灌漿材料迅速填 充，其目的在防止地盤沉陷、提高襯砌止水性及使土壓均勻加載於襯砌等。在卵 礫石層中，因潛盾機外周大粒徑卵礫石隨著潛盾機掘進而排入機內，擾動範圍之 土砂持續崩落造成潛盾機外周土層形成較大空隙（見圖7-8 b），導致盾尾空隙較 一般地層為大。根據國內外施工案例，在卵礫石層之背填灌漿量以大於150%作 為管理值，例如案例E16（桃園機場捷運）於卵礫石層灌漿率為 150%，岩盤層 灌漿率則為120%。

案例E12（新竹竹科污水下水道）潛盾機掘進遭遇地層空洞（細粒料流失），

導致路面塌陷之發生（圖4-12 所示），經施工單位檢討後，沿線施作低壓灌漿將 地層空洞部分填滿以防止沉陷再次發生。

案例 E16（桃園機場捷運）潛盾隧道因穿越機場航道下方，為了確保潛盾 施工不造成地表沉陷，影響飛機起降之安全，除了在盾尾施作背填灌漿外，另外 於潛盾機機頭間隙施作機上灌漿輔助工法。

7.5.2 冰凍工法

在卵礫石層中以密閉型潛盾機進行開挖時，開挖面地層之緊密程度(強度) 將影響潛盾機切刃轉盤切割及破碎之效果。當潛盾機切刃轉盤上之切刃切割卵石 時，為使卵石不隨切刃轉盤之轉動，地層必須有足夠之地盤承載力（約大於 5kg/cm²）。案例O1（Tenohji-Benten Giant Sewer）與 S4（大阪地下鐵）因地盤 之承載力不足（孔隙率過大），且卵礫石層滲透係數大，因此施工單位採用冰凍 等工法方式處理，增加地盤之承載力與止水性。

7.5.3 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

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