潛盾機滾轉實測分析

DOT 潛盾機掘進時造成滾轉之原因及滾轉修正方法已於第二章說明，在此 對上海軌道交通八號線 DOT 潛盾隧道翔殷路站至黃興綠地站(以下簡稱此路段) 之潛盾機滾轉角度實測結果及其控制操作方式加以介紹。

圖 3-5 為此路段潛盾機滾轉角度 θ 實測數據，橫軸為環片編號，縱軸為滾轉 角度，定義操作人員從隧道內向前看 DOT 潛盾機順時針滾轉為正，逆時針滾轉 為負。圖中顯示第 110~131 環之滾轉實測，滾轉角度皆介於 0~0.3 度。操作人員 使用修正千斤頂控制滾轉角度，使其 DOT 潛盾機之滾轉角度從-0.29 度慢慢修正 回 0 度。第 407~415 環，DOT 潛盾機滾轉角度皆維持在大約 0.33 度，操作人員 增加左側螺運機之出土速率控制滾轉角度，使其自 θ=0.33°慢慢修正至滾轉角度 為 0 度。第 600~650 環之潛盾機滾轉角度實測資料，於第 624 環滾轉角度已到 θ=

-0.58°，逼近設計可接受之最大極限滾轉量 θ= ±0.6°，操作人員立即運用修正千 斤頂、右側螺運機增加出土速率、及右側加載環片進行滾轉修正，降低潛盾機滾 轉角度，直至隧道中心軸線慢慢恢復至水平。

第 四 章

桃園機場聯外捷運 DOT 潛盾隧道台北三重段工程案例

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「高速 鐵路桃園車站」等交通運輸樞紐，使國際航線與國內交通網路緊密結合。交通部 高速鐵路工程局捷運工程處施作「桃園國際機場聯外捷運系統」。

如圖 4-1 所示，本捷運系統路線起自桃園國際機場第二航廈(A13 站)，往東 經第一航廈(A12 站)，沿線經過桃園縣蘆竹鄉、臺北縣林口鄉、桃園縣龜山鄉、

臺北縣新莊市、泰山鄉、三重市後(A2 站)，進入臺北市臺北車站特定專用區(A1 站)。自第二航站往南經高鐵桃園車站至中壢市環北站(A21 站)，未來預計延伸至 中壢火車站，並採分階段完工通車辦理。

此捷運系統路線全長約 51.03 公里，其中地下段約 10.92 公里，高架段約 40 . 11 公里。沿途共設 22 座車站(含 A14a 站)，其包括 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。工程建設總經費約 1,138.5 億元。

本章將介紹「桃園國際機場聯外捷運系統」台北三重段，CA450A 標 A1 站 至 A2 站間 DOT 潛盾隧道施工案例。此標工程隧道穿越淡水河下方，為避免於 河下設置高風險、施工困難之傳統聯絡通道，台灣首次引進 DOT 潛盾工法施作 隧道，如圖 4-2 及 4-3。以下分別說明工程概述、地質概況、潛盾機介紹、及施 工遭遇之困難及解決方案。

4.1 工程概述

桃園國際機場聯外捷運 CA450A 標台北三重段 DOT 潛盾隧道工程，如圖 4-4 所示，施工路線從忠孝橋三重側之工作井出發，穿越淡水河河床及兩側堤防進入 台北市，至捷運松山線北門站(G14)北端止，隧道全長約為 1,584 m。工程使用斷 面為 Φ 6.42 m  11.62 m 之 DOT 潛盾機，隧道上方覆土厚 7.6~26.0 公尺，隧道

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最大坡度為 4.9 %，最小曲率半徑 R = 280 m。此標工程之業主為台北市政府捷運 工程北區工程處，承包廠商為達欣工程公司與日商清水營造工程公司共同承攬，

設計單位為台灣世曦工程顧問公司，DOT 潛盾機製造商為日本石川島重工業株 式會社(Ishikawajima-Harima Heavy Industries,IHI)。施工時間自民國 98 年 12 月 8 日起，至論文完成時工程仍在進行中。

4.2 地質概況

本案例 DOT 潛盾隧道施工路線均位於台北盆地，盆地內地質均屬第四紀沉 積物以泥或砂礫為主。由上而下地層為松山層、景美層及新莊層，潛盾隧道通過 位置於松山層區，地下水位約位於地表下 3~5 m。達欣/清水營造工程公司(2008) 報告，本工址 DOT 潛盾機通過之地層剖面如圖 4-5，依據鑽探結果，地質概況 可分為以下三個層次：

1. 第一層次：為表土回填層（SF），約於地表下 0~3 m，N 值為 1~5 。 2. 第二層次：為松山層之粉土質黏土層(CL)及粉土質砂層(SM)互層，約於地表

下 3m~50 m，N 值為 2~35。

3. 第三層次：為景美礫石層(GP)，約於 GL : 50 m~54 m 以下，N 值大於 50。

圖 4-5 顯示，本工程之 DOT 潛盾隧道施工，主要於第二層次(松山層)之粉土 質砂與粉土質黏土內進行。

4.3 潛盾機介紹

本工程採用日本石川島重工業株式會社製造之加泥土壓平衡式潛盾機，潛盾 機外徑為Φ 6.42 m  11.62 m。潛盾機千斤頂(shield jack)共32支(上部20支各2,000 kN，下部12支各2,500 kN)。DOT潛盾機左右各設置一組切刃盤，採用輪輻式切 刃轉盤，如圖4-6，一切刃盤內之輪輻軸為6支，其中兩支為輔助用。左右切刃盤 上各設置兩組超挖刀(一組備用)，超挖刃可伸長量為150 mm， 可供曲線段施工

超挖及盾身滾轉修正時使用。DOT潛盾機之盾尾間隙為110 mm，為控制環片脫 出盾殼時盾尾間隙閉合造成之沉陷量，於盾身雙圓重疊處設置同步背填灌漿孔，

分別在上方海鷗部設置兩個(如圖4-7)，及下方海鷗部設置一個，潛盾機向前掘 進，環片脫出盾殼時，同步背填灌漿將環片與地盤之間隙以灌漿液填滿，控制地 盤沉陷量。每環隧道襯砌由11片環片( 8A + 1B + 1C + 1D )以短直螺栓組成，如圖 4-8，環片外徑為Φ 6.20 m  11.40 m，環片厚度為300 mm，寬度為1,200 mm。

4.4 施工遭遇之困難及解決方案

DOT 潛盾隧道施工遭遇主要困難為潛盾機之滾轉問題，造成滾轉的原因、

影響、及控制方法已於第二章文獻回顧中討論。本章對 CA450A 標工程 DOT 潛 盾機滾轉角度進行探討。依據訪談現地工程師之結果，將潛盾機滾轉之控制方式 於論文中說明。CA450A 標 DOT 潛盾隧道施工可能遭遇地層暗藏流木問題，針 對可能發生之流木問題，介紹設計單位之處理對策。最後，本研究對於 CA450A 標 DOT 潛盾隧道之環片組裝遭遇之困難，及地盤沉陷處理對策簡單加以說明。

4.4.1 滾轉實測分析

潛盾機滾轉造成之原因及修正方法已於第二章說明，以下對台灣首次使用 DOT 潛盾隧道工法施工造成之滾轉量及其控制操作方式進行介紹。數據起始自 2009 年 12 月 14 日之第 1 環，截止於 2010 年 6 月 2 日施工的第 537 環。

本研究依據潛盾機掘進日報進行滾轉數據分析，潛盾機滾轉角度實測結果如 圖 4-9，圖中橫軸為環片號數，縱軸為潛盾機滾轉角度，其中定義由操作人員從 隧道內向前看順時針滾轉為正，逆時針滾轉為負，滾轉值超過 0.2 度即需要修正 偏差，設計滾轉極限值為 0.6 度。DOT 潛盾機掘進至目前為止，已使用之滾轉控 制方式包含潛盾機反向旋轉、環片灌漿、超挖刀修正，其中，較常使用之滾轉修 正方式為前述兩項。反向旋轉是潛盾機滾轉時最常使用之修正方式，用於控制些

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微滾轉量。此外，自環片內向外灌漿(如圖 4-10)對於施工上的技術困難度較低，

且較容易控制，故採用率較高。圖 4-9 顯示，自第 86 環開始滾轉角度慢慢增大，

於第 96 環產生-0.25 度滾轉。施工單位採用反向旋轉及環片灌漿方法修正滾轉角 度。此外，第 271 環到 285 環潛盾機滾轉量皆大於 0.3 度，其中第 278 環為圖 4-9 發生之最大滾轉量 0.38 度，施工單位採用反向旋轉、環片灌漿及超挖刀超挖相 互配合，將滾轉角度修正至±0.1 度以內。造成潛盾機滾轉之原因，乃是因為環片 組裝精度欠佳或施工技術尚未純熟，而導致之滾轉，並非因潛盾機於曲線段掘進 側方向超挖造成較大滾轉量。實際上圖中之最大滾轉角度為 0.38 度，明顯小於 設計極限值 0.6 度。

4.4.2 流木處理對策

日本及中國大陸 DOT 潛盾隧道 19 個完工案例尚未遭遇流木問題，但是於台 灣單圓潛盾隧道遭遇流木問題頻繁(朱旭等, 2009)。依過去河床土層存在流木之 狀況，研判 DOT 潛盾機在淡水河過河段可能遭遇流木問題。依據施工計劃書(達 欣/清水建設, 2008)，針對 CA450A 標工程 DOT 潛盾機若遭遇流木之處理方式如 下：

1. 上密集配置鋼製先行切刃齒或一般切齒(如圖 4-11)，以先行切刃齒將流木切 成小段後取出。

2. 若無法以切刃盤切削排除流木，需以作業人員直接排除時，其步驟如圖 4-12 所示。

a. 首以灌漿地盤改良，穩定開挖面。

b. 以壓氣設備壓氣對抗開挖面地下水壓。

c. 將潛盾機盾簷(movable hood)伸出、防止開挖面上方土壤崩落。

d. 作業人員由潛盾機盾首人孔出來，直接將流木取出。

CA450A 標工程 DOT 潛盾機全斷面地盤改良設備，針對處理流木而設置的

特殊裝備如圖 4-13 所示。

1. 切刃盤增設流木切削用各式切齒。

2. 盾首增設地盤改良漿液注入管(潛盾機外周 120 處及土艙 44 處)，以備改良 開挖面土壤。

3. 盾首裝設鑽頭(drill bit)，用鑽頭破碎流木。

依據實地訪談工程師，得知本案例施工遭遇流木頻繁，但皆為小尺寸流木，

如圖 4-14 所示，使用潛盾機切刃盤即可順利切除，尚未遭遇需以作業人員自潛 盾機人孔外出清除流木之狀況。潛盾隧道施工過程中僅遭遇流木堵塞螺運機，以 人工清除後即可繼續向前掘進。

4.4.3 環片組裝遭遇之困難

由於台灣首次引進 DOT 潛盾隧道工法，施工技術尚未達純熟，經由訪談工 程師，本研究將組裝環片時遭遇之困難於此簡單說明如下。

1. DOT 潛盾隧道工法使用之環片間無橡膠質墊片，因此無法均勻傳遞環片間 之受力，環片角落易應力集中，使環片受壓邊緣破碎崩落。

2. 隧道襯砌環片與環片間以短直螺栓組立，可能發生微小誤差，組立 10 片環 片累積之誤差，使大海鷗及小海鷗環片相對位置產生錯位，造成一環最後組 裝之第 11 片中間柱 D 環片因餘留空間不足，無法插入，必須將中間柱環片 上下之材料磨損一些，使能將環片組裝完成。

4.4.4 地盤沉陷處理對策

採用 DOT 潛盾隧道工法施工，除了需考量潛盾機滾轉之控制外，另外需考 量地盤沉陷的控制方式。潛盾施工造成地盤沉陷之原因已於第二章介紹，在此對 CA450A 標設計時擬定之沉陷處理對策進行介紹，並說明實際施工時所選用之控 制方式。設計單位建議之沉陷處理對策為如下五點：

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1. 潛盾機開挖面應維持土壓平衡，使機體前方土壤保持在主動 K_a 至靜止 K_o 間之狀態，即靜止土壓+水壓+20kPa≧土艙壓力≧主動土壓+水壓+ 20kPa。

2. 採用中折式潛盾機，以減少曲線段因潛盾機超挖造成之沉陷。

2. 採用中折式潛盾機，以減少曲線段因潛盾機超挖造成之沉陷。