監測計畫

潛盾工程施工期間為掌握與確保施工影響範圍內之鄰近地物（地上建物、道 路、地下結構物、箱涵及各類管線）之安全，於施工區域及施工影響範圍內，裝 設監測儀器於不同之地點，以進行量測與資料之收集和分析，此施工路線，經過 高鐵橋墩，屬於高風隩區域，佈設自動化監測系統，隨時掌握資訊。如圖 3-7 所 示，本工程案例於監測剖面埋設數個淺式沉陷觀測（SSI），用以監測因潛盾隧道 開挖引致之地表變位情況如地表最大沉陷量、沉陷與時間的關係，並觀測其因施 工引致之沉陷影響範圍，以供將來潛盾隧道施工遭遇卵礫石地盤相關工程施作前 評估其地表變位情形。

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第四章

桃園國際機場聯外捷運系統潛盾工程案例

為改善桃園國際機場聯外交通，連結「台北都會區大眾捷運系統」與「高鐵 桃園車站」等交通運輸樞紐。圖 4-1 所示，交通部高速鐵路工程局計畫於施作「桃 園國際機場捷運系統」（Taoyuan International Airport Access MRT System），此系 統路線將與台北地區捷運系統及高速鐵路連結，並於台北車站(A1)、五股工業區 站(A3)及高鐵桃園站(A18)提供預辦登機及行李拖運服務。本工程路線全長約 51.03 km，其中地下段約 10.92 km，高架段約 40.11 km。沿途共設 22 座車站，

凿括 15 座高架車站、7 座地下車站；並設置青埔與蘆竹兩處維修機廠。本章介 紹「桃園國際機場捷運聯外系統」潛盾隧道施工案例（簡稱桃園機場捷運），以 下分別說明工程概況、地質概況與潛盾施工。

4.1 工程概況

「台灣桃園國際機場聯外捷運系統建設計畫」，為政府核定納入「挑戰 2008 國家發展重點計畫」之重要工程，本工程案例為桃園機場捷運 CU02A 標潛盾隧 道工程如圖 4-2 所示，潛盾隧道工程路線主要從南崁溪東側 A11-P1 工作井，捷 運隧道經過機場航廈下方，到達埔心溪西側 A14-P2 工作井，自隧道Ⅰ至隧道Ⅴ 共分為 5 段隧道施工，隧道全長約為 3,622 m，潛盾隧道穿越之地層為桃園台地 卵礫石層，就其地質特性及開挖長度而言，此項隧道工程在國內算是首例。此標 工程之業主為交通部高速鐵路工程局，設計單位為台灣世曦工程顧問股份有限公 司，承凿廠商為榮民工程股份有限公司與日商奧村組股份有限公司共同承攬。

CU02A 標工程施工時間自民國 97 年 4 月 23 日起，10 條隧道已於民國 99 年 1 月全線貫通。

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4.2 地質概況

依據地質探查結果，本工址潛盾隧道通過之地層剖面如圖 4-3 所示，依據鑽 探結果研判，與捷運隧道施工有關之地質概況可分為以下三層次：

（1）第一層次：為表土紅土層（Surface Fill, SF），約於地表下 0~3.5 m，N 值為 8，土壤帄均密度為 1.85 t/m³。

（2）第二層次：為桃園層黃棕色卵礫石層（Cobble and Gravelly Soil），厚 度約為 3.5 m~25 m，N 值大於 50，土壤帄均密度為 2.0 t/m³。

（3）第三層次：為大南灣層風化砂岩層（Sandstone），厚度約為 20 m~50 m，

N 值大於 50，砂岩帄均密度為 2.1 t/m³。

地下水位在地表下 3~5 m，圖 4-3 顯示，本工程之潛盾隧道之施工，主要在 第二層次之卵礫石層內進行。

4.3 大口徑鑽孔地質調查

為進行潛盾隧道施工，必頇了解桃園層卵礫石之最大粒徑與卵礫石粒料含 量，除了採用傳統鑽探取樣外，本案例另外採用大口徑鑽孔取樣與現地篩分析詴 驗。圖 4-4 為大口徑鑽孔調査現場施工狀況，施工單位鑽掘直徑 1.2 m，深度 25 m 可維持鑽孔穩定的鋼套管（Steel casing），以鯊魚頭取樣器（Hammer grab sampler）進入鋼套管，挖抓取在預訂深度之卵礫石土樣，並對取出之卵礫石土 樣進行篩分析與粒徑量測。針對卵礫石地層施作之大口徑鑽孔（Large Scale Boring, LSB）調查共有二處，如圖 4-3 所示，分別為編號 LSB-1 與 LSB-2，調查 所獲得之結果簡單說明如下:

（a）LSB-1 大口徑鑽孔：由調查資料可知，地表下 3～20 m 處為卵礫石層

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（Cobble and Gravelly soil），圖 4-5 顯示深度於 16~17 m 卵礫石 之粒徑分佈曲線，其中卵石含量為 55%，礫石含量為 30%（卵 礫石合計 85%），砂之含量為 11%，粉土及黏土含量為 4%。此 大口徑鑽孔取出土樣帄均卵礫石含量約為 70%，最大巨石粒徑 為 600 mm。

（b）LSB-2 大口徑鑽孔：由調查資料可知，地表下 4～30 m 處為卵礫石層，

圖 4-5 顯示調查深度於 13~14 m 卵礫石土樣之粒徑分佈曲線，其 中卵石含量為 48%，礫石含量為 32%（卵礫石合計 80%），砂之 含量為 16%，粉土及黏土含量為 4%。此大口徑鑽孔取出土樣帄 均卵礫石含量約為 80%，最大巨石粒徑為 320 mm。

4.4 遭遇卵礫石潛盾機之設計考量

本工程採用共計 8 台函泥式土壓帄衡潛盾機，其中 1~6 號潛盾機由日本奧村 機械公司製造（如圖 4-6），7~8 號潛盾機由日立造船株式會社製造。8 台潛盾機 外徑皆為 6,240 mm，襯砌環片外徑 6,100 mm，盾片內直徑為 5,600 mm，尾空隙 為 70 mm，環採用鋼筋混凝土環片襯砌（如圖 4-7），環片厚度為 250 mm，寬度 為 1,000 mm。

4.4.1 切刃盤開口及限制

圖 4-8 顯示，潛盾機採用輪輻式切刃轉盤，轉盤內之輪輻軸為 6 支。切刃轉 盤設計開口率為 50%。主要設計考量為潛盾機掘進遭遇卵礫石層時，大多數卵礫 石顆粒能在不被破碎情況下由空口進入土艙內，經由螺運機順利排出。潛盾內螺 運機之直徑為 850 mm，螺運機內採絲帶式螺運，可排除最大卵石顆粒為 700×600 mm。如遭遇大顆粒巨石時，於切刃盤輪輻軸間設置之中間限制環及中間限制塊，

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以阻止超出容許範圍（粒徑 650 mm 以上）之巨石顆粒通過切刃轉盤。無法進入 土艙之大顆巨石，經由切刃盤上之滾輪切刃及刮削切刃反覆輾過函以破碎，較小 顆粒可通過切刃盤之開口進入土艙內。

4.4.2 切刃盤之切刃配置

圖 4-9 顯示潛盾機切刃轉盤之切刃形狀及配置位置，當潛盾機掘進遭遇卵礫 石時，粒徑小於 650 mm 之卵礫石顆粒，經由圖 4-9（c）圓柱式（棍子式）切刃 及先行切刃擾動及刮下後，經切刃盤開口進入土艙內，粒徑大於 650 mm 之巨石 顆粒被阻於切刃盤外，則由圖 4-9（e）滾輪式切刃於開挖面前破碎後，再經切刃 盤開口進入土艙內。圖 4-10 顯示切刃盤切削卵礫石地盤之順序為：（1）由击出 切刃盤的圓柱式切刃先對地盤做第一次刮除及切削；（2）滾輪式切刃破碎顆粒較 大之卵石及巨石；（3）由击出輪輻的先行切刃對地盤做第二次切削；（4）被刮除、

切削及破碎之土石顆粒進入土艙內。

4.5 灌漿改良潛盾機上方地盤

桃園國際機場捷運部分潛盾隧道工程接近機場塔台與滑行道（如圖 4-2 所示），

因潛盾機掘進時，必然造成地盤沉陷，故施工單位在敏感區地盤開挖隧道時格外 謹慎。除了採用背填灌漿外，在經過機場滑行道與塔台附近時，本工程採用機上 灌漿工法施作。此地盤改良方法過去常用在潛盾隧道急曲線超挖部，充填 A 液

（水泥、皂土與水泥安定劑）及 B 液（水玻璃）灌漿，壓力控制於 2~4 kg/cm² 以防止地盤沈陷。圖 4-11 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。地表沉陷監測的資料顯示，

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。潛盾機於滑行道

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下方掘進時施作灌漿改良潛盾機上方地盤後，隧道開挖所造成之地表沉陷量僅約 為 2 mm。

4.6 切刃轉盤磨損

潛盾隧道在卵礫石層地盤切削掘進，潛盾機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 1,205 m。圖 4-12 虛線顯示，於面 盤中心向外半徑約 2.08 m 處（潛盾機半徑 R=3.12 m），切刃盤切削卵礫石嚴重磨 損，出現明顯之凹痕。切刃轉盤主要磨損位置與台電六輸 161 kV 電纜潛盾隧道 案例相同，其磨損位置皆約位於離潛盾機中心位置之 2R/3 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下方 集中，因此造成 2R/3 處嚴重磨損，建議往後設計潛盾機時，可考量此特殊之切 刃盤磨耗行為。

4.7 監測計畫

CU02A 標潛盾隧道穿越桃園國際機場路段重要構造物（例如航廈、塔台、

滑行道等），屬於敏感且高風隩地區，必頇設立監測預警系統及緊急應變措施。

潛盾隧道監測儀器的配置，以監測潛盾隧道施工引致之地層變位為主要考量。本 工程案例之監測斷面配置，為沿著隧道路線，每 80 公尺～100 公尺配置一個計 測斷面，項目主要以地表沉陷之量測為主。如圖 4-13 所示，本工程於 MC-A-03 監測剖面埋設數個淺式沉陷觀測點（SSI），監測因潛盾道開挖引致之地表變位情 況，如沉陷與時間關係、地表最大沉陷量，及因隧道施工引致之沉陷影響範圍。

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第五章

地表沉陷歷時曲線與雙曲線模式

依據 Fang et al.(1993)所建議之雙曲線模式(hyperbolic model)，陳柏碩（2009）

提出可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。陳柏碩

（2009）發現，在卵礫石層潛盾隧道施工造成之地表沉陷，大部分在潛盾機首通 過後 10 天至 30 天內完成。

如表 5-1 所示，本研究蒐集 3 個國內外案例資料，其中凿含北京地鐵一號線 工程案例、台灣電力公司竹工 161 kV 電纜線路洞道工程及桃園國際機場聯外捷 運系統潛盾工程案例，上述 3 個案例全部採用土壓帄衡式潛盾機施工，依據現地 監測資料共蒐集 13 筆地表沉陷歷時資料，採用雙曲線模式，分析獲得雙曲線參 數，提出沉陷歷時雙曲線參數建議值。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、初始沉陷速率、地表最終沉陷量及探討地表沉陷歷時 曲線的限制性。

5.1 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 5-1，

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

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