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
4.5 風險成本評估
台北市捷運局(2008)指出，CA450A 標潛盾隧道因捷運隧道逃生安全需求，
需於淡水河河床下方設置連絡通道，施工難度及風險極高。為確保工程進行之安 全與品質，設計單位進行風險與成本評估，主要結果說明如下。
1. 設計單位參考過去施工經驗，潛盾隧道遭遇流木以盾首灌漿處理，單圓潛盾 隧道工程費為 800 萬元。考量 DOT 潛盾機之處理困難度為單圓潛盾機兩倍 以上，處理流木工程費以 2,000 萬元估算。
2. 鏡面破除若發生地表沉陷或局部滲水，常採用灌漿工法處理，造成成本損 失，單圓隧道以破鏡一處 500 萬元計，DOT 以單圓隧道範圍之兩倍計算，
成本損失為 1,000 萬元。
3. DOT 潛盾機滾轉角度過大造成環片破碎、成本損失，預估修復費用一次 200 萬元。
4. 若於淡水河床下方連絡通道意外塌陷，單圓雙孔隧道流入土砂破壞，設計單 位估算修復成本為 15.0 億元，延誤工期大約 3 年，造成營運損失 14.2 億元，
受隧道塌陷影響利息等成本損失 9.3 億元，意外事件造成總成本增加高達 38.5 億。
上述評估可得知，雖 DOT 潛盾隧道工法於遭遇流木處理、鏡面破除、及滾 轉之風險成本皆較單圓潛盾隧道略高，但若單圓潛盾隧道於河中設置聯絡通道時 隧道塌陷，可能增加風險成本高達 38.5 億。因此設計單位評估結果，採用 DOT 潛盾隧道工法施工可降低風險與成本。
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第 五 章
以經驗方法評估 DOT 潛盾隧道施工引致之沉陷槽
DOT 潛盾隧道工法於 1987 年日本取得專利後，至今共完成 19 個案例。其 中，包括日本 13 個案例、大陸 6 個案例。台灣於 2009 年首次引進 DOT 工法於 桃園機場聯外捷運 CA450A 標台北三重段，2010 年 7 月本論文完成時，工程仍 在進行中。
本研究嘗試將所蒐集之 DOT 潛盾隧道沉陷資料，以二種經驗方法模擬沉陷 槽。第一種經驗方法，根據 Fang et al. (1994)建議之疊加法(superposition method)，
將 DOT 潛盾隧道視為兩平行單圓潛盾隧道獨立引致之沉陷槽疊加，探討其可行 性。第二種方法，依據張統立(2007)之建議以等面積單一圓隧道模擬 DOT 潛盾 隧道施工造成之沉陷。
至目前為止 DOT 潛盾隧道工程案例全世界僅有 20 個，可以蒐集得到之沉陷 槽斷面資料極少，本研究僅能以蒐集到的六筆資料進行初步探討。本章蒐集 DOT 潛盾隧道工程案例，包括日本東京都有明北地區供給管共同管道建設工程、上海 軌道交通八號線翔殷路站至黃興綠地站工程、上海軌道交通六號線第九標工程、
及桃園機場聯外捷運 CA450A 標 DOT 潛盾隧道工程之地表沉陷資料。
5.1 以疊加法評估 DOT 潛盾隧道沉陷槽
Fang et al. (1994)建議以 Peck-Fujita 經驗方法，分別估算單一隧道施工所引 致之地表沉陷曲線範圍，如圖 5-1，再以疊加法(Superposition method) 求出平行 雙隧道潛盾施工引致的地表總沉陷量。
本方法假設 DOT 潛盾隧道施工引致之地表沉陷，可以兩個大小尺寸相等、
不相互影響之單圓潛盾隧道，單獨施工引致之地表沉陷槽相互疊加。依據 DOT
潛盾隧道現地監測資料，可以求出單位長度之地表沉陷槽體積 Vs,DOT，如圖 5-2，
圖中曲線為隧道施工導致之沉陷槽。忽略兩單圓潛盾隧道之互制作用，施工造成 之地盤漏失(ground loss)由左右隧道各負擔 50%，可估出單圓潛盾隧道單位長度 之沉陷槽體積，即為 0.5×Vs,DOT。所謂地盤漏失率即為單位長度沉陷槽體積 Vs
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盾隧道施工案例少，不易於施工前得知單位長度之沉陷槽體積 Vs,DOT，未來可依 據現地施工資料之累積，以 Peck 提出之地盤漏失率 Gl公式求取沉陷槽單位體積 Vs。
G
l= Vs/Vt=As/At (5.1) 其中，Gl 為單位長度內地表沉陷槽體積與隧道開挖體積比值 Vs為單位長度沉陷槽體積(Vs= As ‧1)Vt為單位長度內隧道開挖體積(Vt = At ‧1)
5.2 以等面積單圓隧道評估 DOT 潛盾隧道沉陷槽
張統立(2007)建議，將 DOT 潛盾隧道視為一等面積(equal area)單圓潛盾隧 道，以估算施工引致之地表沉陷槽。如圖 5-5，圖中曲線為 DOT 隧道施工導致 之單位長度沉陷槽體積 Vs,DOT，本研究假設等面積單圓潛盾隧道造成之單位長度 沉陷槽體積亦為 Vs,DOT。
根據圖 2-22，Peck(1969)提出之 Z/2R 與 i/R 之關係，可以求出等面積單圓隧 道造成之沉陷槽寬度係數 i。依據等面積單圓隧道造成之單位長度沉陷槽體積
Vs,DOT，與沉陷槽寬度係數 i 代入(2.2)式，可推估出等面積單圓潛盾造成之最大
地表沉陷 Smax。將求得之 i 及 Smax，代入(2.1)式，即可估算等面積單圓隧道造成 之地表沉陷曲線。
5.2.1 實際案例等面積法沉陷評估
以上海軌道交通六號線第九標工程第 100 環之地表沉陷槽為例，以現地各測 點沉陷量及測點距離，可算出測點間沉陷槽之體積，將各塊體積加總即為單位長 度沉陷槽體積 Vs,DOT = 0.576 m3/m，假設等面積單圓潛盾隧道之單位長度沉陷槽 體積亦為 0.576 m3/m。兩相交之單圓潛盾隧道面積計算如圖 5-6，一單圓直徑
2R=6.52 m，兩圓之寬度為 11.12 m，中心距為 4.6 m。
因 DOT 潛盾隧道左右對稱，故僅計算右側面積，再將結果乘以 2 即可求出 DOT 隧道面積，計算步驟如下：
Step 1：左側單圓面積 Area=πR2 = 3.14×(3.26)2 = 33.37 m2 。
Step 2：將圖中之 QAB 三角形分成上下兩塊，以上半三角形 QAC 為例，已知斜 邊 QA 為半徑 R=3.26 m，底 QC 為中心距一半 0.5×4.6=2.3 m，由三角關 係 cosθ= 2.3/3.26 可求出 θ=45.1°，接著求三角形 QAC 之高 AC 為 2.3×tan45.1° = 2.31 m。三角形 QAB 之面積為 2.31×2.3 = 5.31 m2 。 Step 3：扇形面積為(2θ/360°)×總面積(33.37 m2)=(2×45.1°/360°)×33.37=8.361 m2 。 Step 4：扇形面積-三角形 QAB 面積=1/2 兩圓相交面積= 8.361-5.31=3.051 m2，兩
圓相交面積=3.051×2=6.10 m2。
Step 5：兩單圓面積減相交面積，即為 DOT 隧道面積。33.37×2-6.10 = 60.64。
Step 6：等面積圓 Area=π(Req)2 , Req = (60.64 / π)0.5 = 4.39 m。
此標工程之隧道中心點到地表之深度 Z = 14.36 m，等面積單圓潛盾機直徑 2Req = 8.78 m 故 Z/2Req=1.635，對照圖 2-22，開挖土壤為黏土即可求出 i/Req=1.53(取軟黏土至硬黏土範圍內之平均值)，反曲點 i= 6.72 m。利用等面積 單圓單位長度沉陷體積 Vs= 0.576 m3/m 與反曲點 i= 6.72 m 代入式(2.2)，可求出 地表最大沉陷量 Smax= 0.033 m。將求得之 i=6.72 m 及 Smax=33 mm 代入(2.1)式中，
即可求出以等面積單圓潛盾隧道造成之沉陷槽，如圖 5-4 所示。
5.3 模擬結果
為探討沉陷量以疊加法及等面積法估計 DOT 施工造成沉陷槽之實用性，本 研究將現地監測之地表沉陷資料，與疊加法及等面積法評估結果，繪入同一圖中 以便相互比較，其結果如圖 5-7 至圖 5-11。
圖 5-7 為日本東京都有明北地區共同溝建設工程案例，將現地觀測所得之沉
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陷資料繪於圖中，並與兩種經驗方法評估沉陷槽比較。此案例之 DOT 隧道直徑 達 9.36m，隧道深度達 20.68m，但是日本承包商經驗較為豐富，此案例之地盤漏 失率僅 0.23%，在本研究所收集之 6 個 DOT 沉陷斷面中，此斷面之地盤漏失最 凝聚性土壤內施工，造成之地盤漏失範圍為 0.12%~7.48%，其上限值 7.48%，顯
然大於 DOT 造成之最大地盤漏失 1.19%。
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第 六 章
單圓雙孔與 DOT 潛盾隧道工期與成本比較
土木工程建設主要考量項目不外乎工期、成本、品質、安全四大項，本章將 介紹桃園機場聯外捷運 CA450A 標 DOT 潛盾隧道之工期與成本，並與傳統單圓 雙孔潛盾隧道施工之工期與成本比較。
6.1 工期比較
單圓雙孔潛盾隧道與 DOT 潛盾隧道工法在設備、風險考量、施工技術上差 異甚大，總工期的長短亦不同。為避免兩條隧道發進施工相互干擾，單圓潛盾隧 道第二條隧道初始掘進，須距離第一條隧道初始掘進後大約 50 m 才可開始施工
，而 DOT 潛盾隧道卻是同時掘進上下行線。於下一小節，本研究依據蒐集到兩 種工法之工期資料，進行分析比對。
6.1.1 單圓雙孔潛盾隧道工期評估
單圓潛盾隧道作業工班，國內多採 2 班制之方式日夜施工。廖銘洋(2010)統 計，國內潛盾隧道日曆天平均一天可掘進大約 7 m。依隧道初始或正式掘進、隧 道曲率半徑大小、隧道傾斜坡度、隧道直徑與深度、及遭遇地質狀況不同，造成 之掘進速度快慢亦不同，本論文僅以黏土及砂土地層之施工案例進行分析。如表 6.1，本節將依據所蒐集到之掘進潛盾隧道工期(日曆天)進行平均統整，收集案例 包括台北捷運中和線 CC275 標、CC276 標、CC277 標、南港線 CN257 標、蘆洲 線 CL700A 標、土城線 CD551 標及高雄捷運橘線 CO3 標之單圓潛盾隧道工期。
捷運潛盾隧道初期掘進段，平均一天推進大約 3.7 m，正式掘進段施工速率平均 約為 7.3 m/day，總掘進工率為 6.65 m/day，但分析資料僅 9 筆，可靠性較低。
CA450A 標潛盾隧道工程之初期掘進段即遭遇 4.9%的向下掘進陡坡，若採 用單圓雙孔潛盾施工，設計單位建議初始掘進直線段之施工速率為 2.5 m/day。
CA450A 標之正式掘進包含直線段及 r=280m 之曲線段施工，設計單位建議正式 掘進之施工速率為 6.5 m/day。
6.1.2 DOT 潛盾隧道工期評估
台灣首次採用 DOT 潛盾隧道工法，有關工期資料，本研究引用台北市政府 捷運工程局(2008)，於桃園機場聯外捷運 CA450A 標，設計時評估之工期資料進 行比較。日本潛盾隧道技術協會(2004)對不同直徑之 DOT 潛盾隧道直線段掘進 施工速率進行介紹，如表 6-2，表中初期掘進段之施工速率大約是正式掘進直線 段工率的一半。日本隧道協會(2004)建議，DOT 潛盾隧道於曲線段施工之工率較 慢，曲線段掘進工率可依直線段工率加以修正推算，其估算方式如式(6.1)：
Lc = α × Ls (6.1) 其中 Lc: 曲線段之掘進施工速率(m/day)，
Ls: 直線段之掘進施工速率(m/day) α: 修正係數 (如表 6-3)
表 6.3 所示之曲率半徑 r 與修正係數 α 之關係，可以畫為一圖，如圖 6-1。
圖中日本隧道協會建議之 α 與 r 呈階梯函數(step function)關係，在各階之間 α 值 呈現劇烈變化。本研究建議當曲率半徑 r 介於 60m 至 300m 之間，可採用圖 6-1 所示之連續曲線，決定不同曲率半徑下之修正係數 α。
依據日本隧道協會建議的表 6.2 及表 6.3，本研究建議可以圖 6.2 來估算不同 隧道直徑 2R 的 DOT 潛盾機，於不同曲率半徑 r 狀況下的施工速率。
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桃園機場聯外捷運 CA450A 標之 DOT 潛盾隧道施工，設計單位依據隧道直 徑、隧道曲率半徑、坡度、及每月工作日數等因素納入考量，求得初始掘進段及 正式掘進段之施工速率。
桃園機場聯外捷運 CA450A 標 DOT 潛盾隧道直徑 2R= 6.6 m，由圖 6.2 求得 隧道直線段施工速率 Ls = 6.0 m/day。因 CA450A 標最小曲率半徑為 280 m，由圖 6-1 可得曲線段掘進修正係數 α 為 0.8，將所求得之直線段施工速率 Ls = 6 m/day 與曲線段掘進修正係數 α = 0.8 代入(6.1)式，得到曲線段施工速率 Lc為 4.8 m/day
桃園機場聯外捷運 CA450A 標 DOT 潛盾隧道直徑 2R= 6.6 m，由圖 6.2 求得 隧道直線段施工速率 Ls = 6.0 m/day。因 CA450A 標最小曲率半徑為 280 m，由圖 6-1 可得曲線段掘進修正係數 α 為 0.8，將所求得之直線段施工速率 Ls = 6 m/day 與曲線段掘進修正係數 α = 0.8 代入(6.1)式，得到曲線段施工速率 Lc為 4.8 m/day