第一章 緒論
1.3 論文組織
本論文共分七章，第一章為緒論。第二章為文獻回顧，蒐集 DOT 潛盾隧道 工法沿革、施工原理、DOT 潛盾機型式與環片構造、隧道施工造成之潛盾機滾 轉及隧道施工導致地表沉陷之相關文獻。第三章為 DOT 潛盾隧道施工案例介 紹，本論文介紹日本千葉縣習志野市菊田川 2 號幹線管渠建設工程及日本名古屋 高速鐵道 4 號線八事南工區建設工程。
第四章介紹桃園國際機場聯外捷運 CA450A 標潛盾隧道工程之地盤反應監 測系統，及單圓雙孔與 DOT 潛盾隧道施工工期比較。第五章對前述測陣獲得之 監測資料進行分析整理，探討 DOT 潛盾隧道施工引致地表沉陷槽，及沉陷與時 間關係。第六章探討 DOT 雙圓潛盾隧道施工造成之最大地表沉陷量 Smax及沉陷 槽寬度參數 i。第七章為結論與建議。
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第二章 文獻回顧
DOT 潛盾隧道施工所引致之地盤變位對於鄰近地表結構物、建物基礎、及 地下管線造成潛在威脅。本章將對 DOT 潛盾隧道工法之沿革、施工原理、潛盾 機型式、環片構造、施工造成之機身滾轉與解決方案、及施工引致之地盤沉陷之 相關文獻加以說明。
2.1 DOT 潛盾隧道工法之沿革
潛盾工法係於西元1818年由法國人Brunnel首先取得發明專利，於1825年英 國倫敦泰晤士河底雙線隧道工程，正式啟用人類有始以來的第一部矩形斷面潛盾 機。於1869年，英國人Greathead等採用其所發明之圓型斷面潛盾機、鐵鑄弓形 支堡及壓氣工法，成功地完成泰晤士河第二條河底鐵路隧道工程，奠定今日單圓 潛盾工法之基礎。
我國自民國65年台北衛生下水道工程引進潛盾工法(蔡茂生, 1989)以來，迄 今已逾35年，所使用之潛盾機自最簡單的開放型手挖式潛盾機至機械式、泥水加 壓式及土壓平衡式潛盾機，對單圓潛盾隧道技術已累積了不少經驗。
隨著地下化可用空間越來越小，潛盾隧道施工由原來的單圓技術發展至雙 圓潛盾隧道，桃園國際機場捷運「三重站至台北車站」段CA450A標，採用雙圓 型潛盾工法，於民國98年12月開始施工穿越淡水河。基於隧道逃生安全需求，傳 統單圓雙孔潛盾隧道必須在淡水河下設置連絡通道，其施工較困難且風險較高，
因此引進DOT潛盾隧道工法，可避免在河底下方開挖三條聯絡通道降低施工風 險。
DOT 潛盾工法 1987 年於日本取得專利，石川島播磨重工業株式會社 (Ishikawajima-Harima Heavy Industries, IHI)製造世界上第一部 DOT 加泥土壓平
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衡式潛盾機，此台 DOT 潛盾機於 1991 年成功地應用在日本廣島 54 號國道系統 工程建設。2002 年中國上海首次使用 DOT 潛盾隧道工法於上海軌道交通八號 線，成為世界上第二個使用 DOT 潛盾隧道工法施工的國家。我國於 2009 年引進 DOT 工法於桃園機場聯外捷運台北三重段工程，該標工程之隧道段已於 99 年 12 月掘進完畢。
2.2 DOT 潛盾隧道工法施工原理
如圖 2-1 所示，CA450A 標使用之潛盾機，於同一開挖平面上，設置兩組各 6 輻之切刃盤，輻條形切刃盤交會處兩組輻條像齒輪般相互吻合，不互相影響運 行。潛盾機掘進時由操作員同步控制，兩組切刃盤以相同速度、相反方向做旋轉 開挖。DOT 潛盾工法施工原理與一般潛盾工法相同，為利用一較隧道外徑稍大、
可向前移動之雙圓型鋼套筒（即潛盾機）於土層中挖掘前進，且在設置永久襯砌 前，利用盾殼支撐隧道洞口地盤。環片脫離潛盾機後，環片支撐地盤外在壓力，
並以環片提供潛盾機向前推進之反力，逐步完成潛盾隧道之構築。
2.3 DOT 潛盾機型式
傳統潛盾機型式從開放式發展至密閉式，密閉式潛盾機（closed shield）包 括土壓平衡式潛盾機（earth-pressure-balance shield, EPB shield）、與泥水式潛盾 機（slurry shield）及雙圓型潛盾機。
至目前為止，於工程建設上被使用的 20 台 DOT 潛盾機，皆為土壓平衡式潛 盾機。此類潛盾機前方設一密閉式土艙，潛盾機掘進時，土砂經切刃盤之取土口 進入土艙，在土艙內注入作泥材，以攪拌器將土渣和作泥材拌和，使其具有流動 性，拌和後之土砂經隔鈑上之取土口，進入連接土艙及機體內部之螺運機(screw conveyor)。當潛盾機掘進時，控制螺運機旋轉之排土速度控制土艙內之泥土壓 力，以土艙壓力平衡開挖面之土壓及水壓。DOT 潛盾機左右切刃盤共用一個排
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土土艙，為提高排土能力，確保切削面左右土壓力平衡及穩定。橫向雙圓型潛盾 機左右各設一套螺運機排土設備。
2.4 DOT 環片構造
如圖2-2所示，DOT潛盾隧道每一環由11片襯砌環片組成，包括A、B、C、
D四種類型環片。圖2-3顯示左右兩邊圓型襯砌部分各由4片A型環片組成，於兩 圓交接處上下設置1片B型(大海鷗)及1片C型(小海鷗)環片，中間柱設置1片D型環 片分隔上下行線隧道。組合襯砌環片時，兩環間之B型及C型環片上下交錯排列，
如此錯縫拼裝環片可避免弱面連續，並增加隧道襯砌勁度。DOT隧道襯砌環片寬 度為1.2 m，厚度為300 mm。DOT潛盾隧道襯砌之環與環間，以單孔的預埋構件 以短直螺栓連接，如圖2-4 (a)所示，片與片間由三孔的預埋構件以短直螺栓連 接，如圖2-4 (b)。Koyama (2003)顯示典型的 DOT潛盾隧道環片與預埋構件的示 意圖，如圖2-5。一般單圓潛盾隧道之襯砌環片形狀分為A、B、K型，環片相互 常以弧形螺栓連接環片，一般環片寬度通常為1.0 m，厚度為250 mm。
2.5 DOT 潛盾隧道施工造成之滾轉
潛盾機施工會造成盾身滾轉之問題，因此對其兩圓心連線平面及高程軸線 須加以控制，DOT 潛盾機施工控制措施與單圓隧道者相似，兩者之間最大差異 在於潛盾機滾轉控制技術。單圓潛盾隧道發生滾轉時，較不會對隧道斷面造成直 接影響，但雙圓潛盾隧道一旦發生滾轉(如圖 2-6)，將影響潛盾機和造成左右環 片的高低差及中間柱傾斜，會使得環片間應力重新分配，潛盾機設備使用困難，
直接對隧道軸線造成影響。因此控制潛盾機滾轉為 DOT 潛盾隧道施工之主要難 題。
張矚(2004)及 Shen et al.(2009)提出，導致 DOT 潛盾隧道滾轉的原因，包含 DOT 潛盾機周圍土體不均勻、DOT 潛盾機於曲線段施工、DOT 潛盾機本身構造
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差異、及施工技術欠佳等。以下分別對上述各項因素探討。
(1) DOT 潛盾機周圍土體不均勻
DOT 潛盾隧道於掘進過程中，由於開挖面土體不均勻，使得切刃盤在切削 土體時，左右切刃盤產生之力矩大小不同，對潛盾機產生力矩差，造成潛盾 機滾轉。此外，承載潛盾機下方土體性質及地基承載力不同，也可能造成潛 盾機滾轉。
(2) DOT 潛盾機於曲線段施工
DOT 潛盾機於曲線段施工時，潛盾機左右兩側受力大小和方向的差異，可 能使潛盾機發生滾轉。此外，切刃盤外側若發生局部超挖現象，盾身亦容易 發生滾轉。
(3) DOT 潛盾機本身構造和設備配置差異
潛盾機於左右環片組立設備的結構不同，通常左邊組立設備僅有懸臂式組裝 機，右邊有懸臂式組裝機及門型式組裝機(組立中間柱 D 環片)，因此造成潛 盾機左右重量不平均，而導致滾轉。
(4) 施工技術欠佳
DOT 潛盾機施工時，因施工人員技術欠佳，導致左右螺運機排土速率不平 衡，多支潛盾千斤頂推力不平衡，環片組裝精度欠佳，皆可能引致潛盾機滾 轉。
針對造成 DOT 潛盾機滾轉問題，張矚(2004)、易永輝與林建華(2008)及 Shen et al.(2009)研究 DOT 潛盾滾轉之修正方法，並介紹控制盾身滾轉問題之各項對 策。
(1) 修正千斤頂
潛盾機配置的數個推力千斤頂(shield jack)側面，配有伸縮功能之修正千斤 頂(correction jack)，如圖 2-7 所示，可調整推力千斤頂伸出之角度，產生縱
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向分力，進行盾體滾轉之修正，如圖 2-8。
(2) 單邊加載環片
掘進時如發生盾體滾轉，則被升高之ㄧ側可利用單邊環片組立機抓取環片，
使一側加載重量，產生反方向之滾轉，降低滾轉之角度，如圖 2-8 所示。
(3) 超挖刀修正
利用切刃盤側面的超挖刀(copy cutter)進行局部超挖(over-excavation)，造成 局部土體鬆弛，降低土體抵抗，減少 DOT 盾體之滾轉角度，如圖 2-9 所示。
(4) 盾撬頂出
圖 2-10 顯示 DOT 盾首斜下方設置之盾撬(shield pry)，盾撬之使用條件，為 潛盾機下方土壤能提供足夠反力。於盾身下陷之ㄧ側，盾撬向外頂出，利用 土體對潛盾機產生之反作用力，修正盾體之滾轉角度。
(5) 控制螺運機出土量
利用左右螺運機排土量差異，於被抬高之一側增加排土速率，使該側土壤鬆 弛，修正滾轉角度。
(6) 背填灌漿
如圖 2-11，當潛盾隧道發生滾轉時，可於環片孔背填灌漿，在地盤與隧道環 片外側之間施加壓力，修正 DOT 隧道滾轉角度。
(7) 切刃盤反向旋轉
潛盾機在掘進過程中，開挖土質不均勻可能造成左右切刃盤承受力矩大小不 同，因此造成潛盾機滾轉。可結合潛盾機的滾轉方向，透過改變切刃盤旋轉 方向，平衡左右切刃盤承受之力矩，達成修正隧道滾轉的目的。
2.6 潛盾隧道施工引致地盤沉陷之原因
潛盾隧道施工所造成之地盤沉陷，與開挖土壤的種類、選用的潛盾機型式、
潛盾機直徑及隧道中心線深度等，均有密切的關係。Peck（1969）、Schmidt
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（1974）、Cording and Hansmire（1975）、Hanya（1977）、Attewell（1981）、Mori and Akagi（1985）、Fang et al.（1994）、Chou and Antonio（2002）、Eric（2006）
等學者，均曾經提出相關的研究成果。綜合上述研究成果，潛盾隧道施工引致地 盤沉陷的原因，可分為以下五大項。
2.6.1 盾尾空隙閉合
潛盾機盾殼通過之後，原地盤與隧道襯砌環片外緣之間所形成之空隙稱為盾 尾空隙（tail void），一般盾尾空隙約為 50 到 80 mm。通常採背填灌漿（backfill grouting）將盾尾空隙填滿，但在環片脫離盾殼保護至施作背填灌漿期間，盾尾 空隙呈無支撐狀態，容易引起周圍地層的應力釋放，造成土壤的彈塑性變形，導 致隧道周圍土壤往此空隙移動。盾尾空隙閉合為潛盾隧道施工引起地盤沉陷的最 主要原因。
Schmidt（1974）假設，若整個盾尾空隙被崩落土壤所填滿，則最大地盤漏
Schmidt（1974）假設，若整個盾尾空隙被崩落土壤所填滿，則最大地盤漏