第九章 地表沉陷歷時曲線與雙曲線模式
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。
參考文獻
1. 大亞土壤技術顧問有限公司（2003），“新竹科學工業園區第三期開發工程第 三期給水污水增設工程配合工程之三--放流管線第三階段延伸工程地質鑽 探報告”，民國 91 年。
2. 大森喜三雄、伴邊正裕、高平秀樹、添田伸一（1992），“使用不同切刃機頭 之兩部泥土壓式潛盾機並進行穿越河川”，Tunnel 月刊，日本隧道技術協會。
3. 大倉利武（1989），“高被圧水下大礫混じり洪積礫層を貫く大阪市地下鉄 7 号線京橋シールド”， トンネル地下，Vol.20，No.7，第 49-58 頁。
4. 小型正博（1980），“巨礫(ψ1,000 mm)が点在する礫層の加泥シールド”，土 圧系シールドの可能性と問題点，第81-102 頁。
5. 水上清（1983），“流木の多い粗大礫層での高濃度泥水(加泥式)シールドの 施工”，最近の土圧系シールド(掘進用添加剤併用方式)-技術動向と課題，
第58-71 頁。
6. 介興/清水營造股份有限公司（2008），“竹工超高壓變電所出口 161kv 電纜 線路洞道統包工程潛盾施工計劃書”，民國 97 年 8 月。
7. 介興/清水營造股份有限公司（2008），“竹工超高壓變電所出口 161kv 電纜 線路洞道統包工程潛盾安全觀測系統計劃書”，民國 97 年 5 月。
8. 介興/清水營造股份有限公司（2008），“竹工超高壓變電所出口 161kv 電纜 線路洞道統包工程潛盾洞道發進端與到達端地質改良計劃書”，民國 97 年 9 月。
9. 介興/清水營造股份有限公司（2009），“竹工超高壓變電所出口 161kv 電纜 線路洞道統包工程潛盾施工計劃書”，民國 97 年 8 月。
10. 中華顧問工程司（2000），“新竹科學工業園區第三期開發工程三期給水污水 增設工程配合工程之二放流管線第二階段延伸工程施工計畫書”，民國 89 年
10 月。
24. 台灣世曦工程顧問股份有限公司（2009），“台灣桃園國際機場聯外捷運系統 ルドの開発と施工”，建設機械，Vol.20，No.10，第 85-94 頁。
29. 吳文隆、何泰源、林俊良（1995），“台灣地區卵礫石層之工程特性”，國際
33. 林照順（1992），“以 Peck-Fujita 經驗方法估算潛盾隧道施工所引之地表沉 陷”，碩士論文，國立交通大學土木工程研究所。
34. 林照順（1993），“台北捷運隧道施工引至之地表沉陷（III）”，行政院國家 科學委員會專題研究計劃成果報告，民國82 年 7 月。
35. 林耀煌（1994），“高層建築基礎開挖施工法與設計實例”，長松出版社，台 北，民國83 年 2 月。
36. 林冠州, 柯武德, 江慶堂， (2006)“雙曲線函數、對數函數在一般廢棄物掩 埋構造體沉陷預測之應用”，中華民國第八屆結構工程研討會，pp.1-012。
37. 秋山中禧、宮本和也 (1987)，“土圧系シ一ルドで大礫砂礫層を克服札幌市
線及抗剪強度包絡線”，94 岩盤工程研討會，第 89-100 頁。
污水處理廠污水收集管線工程地質鑽探報告”，民國 92 年 5 月。
67. Attewell, P. B., Farmer, I. W. and Glossop, N. H (1975). “Ground Deformations Resulting from Shield Tunnelling in London Clay.” Canadian Geotechnical Journal, Vol. 11, No. 3, pp. 380-395.
68. Attewell, P. B., Glossop, N. H. and Farmer, I. W. (1976). “Ground Deformations Caused by Tunnelling in a Silty Alluvial Clay.” Ground Engineering, Vol. 11, No.
8, pp. 32-41.
69. Attewell, P. B. (1981). “Engineering Contract, Site Investigation and Surface Movements in Tunneling Works, Soft-Ground Tunneling-Failures and Displacement.” A. A. Balkema, pp. 5-12.
70. Attewell, P. B., Yeates, J. and Selby, A. R. (1986). “Soil Movements Induced by Tunnelling and Their Effects in Pipelines and Structures.” Blackie and Son Ltd., London.
71. Clough, G. W., Baker, W. H. and Mensah-Dwumah, F. (1979). “Ground Control for Soft Ground Tunnel Using Chemical Stabilization – A Case History Review.”
Proc. Rapid Excavation and Tunnelling Conf., Vol.1, pp. 395-415.
72. Clough, G. W. and Schmidt, B. (1981). “Design and Performance of Excavations and Tunnels in Soft Clay.” Soft Clay Engineering, Elsevier Science Ltd., Amsterdam, pp. 569-634.
73. Clough W. G., and Leca,E. (1993). “EPB Shield Tunneling in Mixed Face Conditions. ” Journal of Geotechnical Engineering , ASCE,Vol. 119, No. 10, pp 1640-1656.
74. Cording, E. J. and Hansmire, W. H. (1975). “Displacement around Soft Ground Tunnels.” Proceedings of 6th Pan-American Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering, Buenos Aires, pp. 571-633.
75. Edgers, L., Thompson, D. E., Mooney, J. S. and Yang, Jr. L. W. (1984).
“Movements around Transit Tunnels in Mixed Ground.” International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, Vol. 3, pp.
1351-1359.
76. Fang, Y. S., Lin, S. J. and Lin, J. S, (1993), "Time and Settlement in EPB Shield Tunneling, "Tunnels and Tunneling, November, 1993, pp.26~27.
77. Fang, Y. S., Lin, J. S and Su, C. S. (1994). “An Estimation of Ground Settlement due to Shield Tunnelling by the Peck-Fujita Method.” Canadian Geotechnical Journal, Vol. 31, No. 3, pp. 431-443.
78. Fujita, K. (1982). “Prediction of Settlements by Shield Tunnelling.” Proceedings of International Conference on Soil Mechanics, Vol. 1, pp. 239-246.
79. Hashimoto, K. (1989) “Underground Stormwater Reservoir Saves Osaka form Flooding.” Tunnels and Tunnelling, October, pp. 31-32.
80. Hitachi Zosen Corporation(1990), “Shield Tunneling Menu” Japan.
81. Hwang, R. N. and Moh, Z. C. (2006), “Prediction of Long-Term Settlements Induced by Shield Tunneling”, Journal of GeoEngineering, Volume l., no. 2, pp.
63~70, December, Taipei, Taiwan.
82. Hwang, R.N., Ju, D. H., Tsai, M. S. and Fang, Y. S.（1995）, "Soft Ground Tunneling in Taiwan," Proceedings, US/Taiwan Geotechnical Engineering Collaboration Workshop, Taipei, pp.77-90.
83. Indraratna. B., Wijewardena, L. S. S., and Balasubramaniam, A. S., (1993),
“Large-Scale Triaxial Testing of Greywacke Rockfill”, Geotechnique,43, No.1,pp.37-51.
84. Japan Society of Civil Engineers (1996), “Japanese standard for shield tunneling”, The Third Edition.
85. Kitamura, M. and Ohbayashi, G. (1981). “Shield Tunneling Performance and Behavior of Soft Ground, Osaka, Japan.” Proc., Rapid Excavation and Tunnelling Conf., Vol.1, pp. 201-220.
86. Kobayashi, T., Kitagawa, S., Kubota, I., and Nishimatsu, Y.（1984）, "On The Settlement of Poor Cohesive Soil Ground Caused by Tunnel Driving with Slurry Shield Machine," 土木學會論文集，第 352 號/III-2，pp. 71-77. (In Japanese) 87. Lock, J.(1988). ”Japanese Mole Crunches through 30cm Boulders.” Tunnels and
Tunnelling, May, pp. 41-42.
88. Matheson, G. M. (1986). ”Relationship between Compacted Rockfill Density and Gradation. ” Journal of Geotechical Engineering, ASCE, Vol.112, No12, pp.1119-1124.
89. Mori, A. and Akagi, H. (1985). “Effects of Backfilling at Shield Work in Soft Cohesive Soil.” Proceedings of 11th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, San Francisco, A. A. Balkema, Vol. 3, pp.
1667-1670.
90. O’Reilly, M. P., Riley, M. D., Barratt, D. A. and Johnson, P. E. (1980).
“Comparison of Settlements Resulting from Three Methods of Tunnelling in Loose Cohesionless Soil.” Proceedings of 2nd International Conference on
Ground Movements and Structures, Cardiff, Wales, Pentech Press, London, pp.
359-376.
91. O’Reilly, M. P. and New, G. M. (1982). “Settlements above Tunnels in the United Kingdom: Their Magnitude and Prediction.” Proceedings of Tunnelling ’82, Institution of Mining and Metallurgy, London, pp. 173-181.
92. Peck, R. B. (1969). “Deep Excavation and Tunnelling in Soft Ground.”
(State-of-the-Art Report), Proceedings of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City, pp. 225-290.
93. Schmidt, B. (1974). “Prediction of Settlements due to Tunnelling in Soil: Three Case Histories.” Proceedings of 2nd Rapid Excavation Tunnelling Conference, San Francisco, Vol. 2, pp. 1179-1199.
94. Stephen, J. N., Jon, Y. K., Larry, J. S. and Gregory, E. K. (1996). “Tunneling under Pressure.” Civil Engineering, ASCE, February, pp. 64-67.
95. Sugiyama, T., Hagiwara, T., Nomoto, T., Masaaki, N., Ano, Y., Mair, R. J., Bolton, M. D. and Soga, K. (1999). “Observations of Ground Movements during Tunnel Construction by Slurry Shield Method at the Docklands Light Railway Lewisham Extension-East London.” Soils and Foundations, Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol. 39, No. 3, pp. 99-112.
96. T.William Lambe., Robert V.Whitman. “Soil Mechanics, SI Version.”
表1-1 地表最大沉陷量之預測值（after Fujita, 1982）
（黏土層中之實測值又依沉陷量之大小分成兩類，“ * ”為 Diluvial clays）
Predicted Surface Maximum Settlement and Errors（mm）
Additional
Measures Type of Soil
Open Shield Blind Shield Slurry Shield EPB Shield
Clay 100±30 40±20 40±10 60±25
Clay（*） 200±20 100±25 - 150±35
Clay and Sand 100±30 - 90±30 20±10 Not
Adopted
Sand - - - -
Clay - 30±20 - -
Sand 40±30 - - -
Adopted
Sand（*） 200±50 - - -
表2-1 潛盾機之分類與特性（蔡茂生, 1985）
表2-2 土壤粒徑分佈與潛盾機適用範圍（朱旭, 1984）
密閉式潛盾機
壓 氣 降低水位 壓 氣 灌 漿
Ａ 領 域 ◎ N<5 ◎ △ ○
B 領 域 ◎ △ ○
C 領 域 ○ ○ ○ ◎
D 領 域 ○ ○ △ ◎ ◎
E 領 域 △ ○ ○
F 領 域 △
手挖式、半機械式、機械式潛盾機
泥水加壓式 潛盾機
土壓平衡 式潛盾機
註：◎表示最適用。 ○表示適用。 △表示適用但不經濟
型 式
輔助 工法 粒徑分佈
領 域
卵礫石
單位：mm
表2-3 潛盾機型式與適用土質、輔助工法之關係（日本土木學會, 1987）
表2-5 雙曲線參數 a 值建議表（吳俊德, 2008）
Recommended parameter a (day/mm)
Type of shield machine Additional
methods Type of soil Open shield Slurry shield EPB shield
Sand
_0.06 (2 cases) 0.08 ± 0.04 (13 cases)
Clay
_0.70 ± 0.08 (2 cases) 0.16 ± 0.07 (16 cases) Not
adopted
Soft clay
_0.23 ± 0.15 (4 cases) 0.09 ± 0.06 (18 cases) Sand 0.17 ± 0.12 (2 cases) 0.61 ± 0.18 (2 cases) 0.12 ± 0.08 (9 cases)
Clay
_ _0.58 ± 0.29 (5 cases)
Adopted
Soft clay 0.16 ± 0.03 (2 cases)
_ _P.S.: Additional methods: including Grouting method; Compressed-Air method and Dewatering method
。Soft clay: N< 4 for SPT; Marine clay and Sensitive clay
。表2-6 雙曲線參數 b 值建議表（吳俊德, 2008）
Recommended parameter b (1/mm)
Type of shield machine Additional
methods Type of soil Open shield Slurry shield EPB shield Sand - 0.10 ± 0.05 (14 cases) 0.06 ± 0.04 (29 cases) Clay 0.06 ± 0.03 (9 cases) 0.18 ± 0.08 (20 cases) 0.05 ± 0.02 (27 cases) Not
adopted
Soft clay - - 0.03 ± 0.01 (25 cases)
Sand 0.06 ± 0.03 (7 cases) - 0.03 ± 0.01 (12 cases) Clay 0.04 ± 0.02 (10 cases) - 0.03 ± 0.003 (5 cases) Adopted
Soft clay 0.01 ± 0.004 (9 cases) - -
P.S.: Additional methods: including Grouting method; Compressed-Air method and Dewatering method
。Soft clay: N< 4 for SPT; Marine clay and Sensitive clay
。表3-1 國外卵礫石地盤開放式潛盾機施工案例
Case NO.
工程名稱 工法 D (m) Z (m) L (m) 地質狀況 地表沉陷 (mm) 卵礫石含量 (%)
最大粒徑 (mm)
備註 參考文獻
O1 Tenohji-Benten Giant Sewer
Block 2(Division D), Osaka 手挖式 7.25 16.6~
21.6 35 gravel, sand,clay N.A. 60 N.A. 壓氣、灌漿、
冰凍工法
Kitamura and Ohbayashi
(1981)
O2 Rapid transit tunnels in
Cambridge, Massachusetts 半機械式 7.1 30 4,960 glacial till (boulder,cobble, gravel,dense sand,clay)
1 st < 10.7mm,
2 nd < 15.8 mm 60 N.A. Edgers et al.
(1984)
表3-2 國外卵礫石地盤泥水式潛盾機施工案例
gravel,sand 12 74~87 600
出現浮木、全
Southern trunk scheme, reservoir, Osaka
slurry 10 23 1,900 gravel,sandy soil,stiff clay
< 20 mm
表3-3 國外卵礫石地盤土壓平衡式潛盾機施工案例
boulder,cobble,gravel 10.5 88 400 藥劑灌漿、
機內灌漿設備
秋山中禧及 宮本和也
(1987)
E8 東豐線高速鐵路 EPB 6.56 N.A. 940 boulder,cobble,gravel ,sand
N.A. 62 500 無軸式螺運機 大森喜三雄 (1992)
表3-3 國外卵礫石地盤土壓平衡式潛盾機施工案例(續)
San Diego south bay ocean
outfall
EPB 3.65 50 5,790 San Diego formation
( boulders,cobbles,gravel,little fines ) N.A. 70 910
泡沫、切削齒
表5-1 新工超高壓變電所隧道工程使用潛盾機規格
表6-1 桃園國際機場捷運 1 號潛盾機切刃轉盤磨損統計表
（台灣世曦顧問2009）
切刃磨耗量（ｍｍ） 掘進速度及磨耗係數
棍子式
切刃齒
先行
切刃齒 刮削切刃
平均掘進 速度 (mm/min)
棍子式切刃 磨耗係數
（mm/Km）
總磨耗量（ｍｍ）計劃 40.06 17.7 17.7 2.4 0.052 總磨耗量（ｍｍ）實際 51.67 5.67 3.5 1.7 0.048
容許磨耗量（ｍｍ） 50 40 30
表7-1 國內外遭遇卵礫石潛盾施工案例
O1 Tenohji-Benten Giant Sewer
Block 2(Division D), Osaka 7.25 16.6~21.6 N.A. N.A. 60 N.A. N.A. 壓氣、灌漿、
冰凍工法
Kitamura and Ohbayashi (1981)
O2 Rapid transit tunnels in
Cambridge, Massachusetts 7.1 30 N.A. 15.8 45~65 N.A. N.A. Edgers et al. (1984)
S3 Southern trunk scheme,
England 2.15 18 N.A. N.A. 55 300 N.A. Lock (1988)
England 2.15 18 N.A. N.A. 55 300 N.A. Lock (1988)