論文組織

本論文共分六章。第一章為緒論。第二章為文獻回顧，蒐集潛盾工法沿革與 隧道施工導致地表、深層沉陷之相關文獻。第三章為雙曲線模式模擬單一潛盾隧 道施工引致地表沉陷歷時間曲線，以蒐集世界各國案例驗證雙曲線模式之適用 性，並整理得初始沉陷速率 1/a 之建議表與地表最大沉陷量 Smax=1/b 建議表。第 四章以雙曲線模式評估分析潛盾隧道施工監測案例。第五章為以經驗方法估算潛 盾隧道施工引致之深層沉陷，並以國內外監測資料驗證其可行性。第六章則為結 論與建議。

第 二 章 文 獻 回 顧

潛盾隧道施工所引致之地盤變位對於地表結構物、結構基礎及地下管線等 造成潛在威脅，曾有許多學者針對此一問題進行研究。本章將針對潛盾工法之沿 革及施工原理、潛盾機型式、潛盾施工之輔助工法、引致地盤變位的原因、單一 隧道引致地盤變位、地表沉陷歷時曲線以及深層沉陷等相關文獻加以說明。

2.1 潛盾工法之沿革

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潛盾機（矩 形斷面）。初期施工期間困難重重，於1828 年造成了一次嚴重坍方導致機毀人亡 之嚴重挫折，所幸被迫停工七年後再復工，並於1841 年到達對岸工作井，完成 此劃時代之創舉。而隨後於1869 年，英國人 Greathead 等採用其所發明之圓形斷 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，奠定今日潛盾工法之基礎。國內自民國65 年引進潛盾工法（蔡茂生, 1989）

以來，迄今已逾31 年，所使用之潛盾機自最簡單的開放型手挖式潛盾機，至陸 續引進的機械式、泥水加壓式及土壓平衡式等。

2.2 潛盾工法施工原理

潛盾工法是針對強度較弱，自立性較差之土層中開挖隧道一種主要方式。

其原理為利用一較隧道外徑稍大，可向前移動之圓形鋼套筒（即潛盾機）於土層 中挖掘前進，並在設置永久襯砌前，利用盾殼支撐隧道洞口地盤。使在潛盾機內 部，一方面無虞地盤崩坍安全迅速地進行隧道開挖作業，另一方面進行永久襯砌

之組立。由於所有施工均在機殼內完成，無需反覆架設臨時性支撐，在安全性、

便利性及施工速度上皆可大幅提升。朱旭（1984）指出，一般的潛盾施工作業循 環可分為三個階段，如圖2-1 所示：

（1）開挖與掘進：

旋轉潛盾機前方的切刃盤，將土壤切削入機體土倉內，再以螺旋輸送機或 輸泥管將廢土運出同時利用機內的千斤頂，以安裝完成的襯砌作為反力 座，向前推擠前進。

（2）停止挖掘：

開挖約大於一個襯砌的寬度後，切刃盤停止旋轉，並依次收回千斤頂，以 空出的空間作為安裝隧道襯砌環片之用。

（3）安裝襯砌：

以機內之旋轉式襯砌組立機安裝弓型RC 支堡或鐵鑄環片，各片襯砌間以螺 栓相結合，組立成一完整之環片斷面，並準備下一循環。

2.3 潛盾機型式

採用潛盾工法，潛盾機的選擇將直接影響工程成敗。因此欲使潛盾工法能 達到工程所需，且具安全、經濟的原則，須對潛盾機型式、適用性及特點作一了 解，以便找出最合適的施工方式。蔡茂生（1989）依潛盾機的施工方式，將潛盾 機分類並說明如下：

（1）開放式潛盾機（Open shield）：

包括手挖式（Hand mining shield）、半機械式（Semi-mechanical shield）與 機械式（Mechanical shield），如圖 2-2 所示。

（2）擠壓式潛盾機（Blind shield）：

擠壓式潛盾機以機首隔鈑推擠前方土壤，使土壤經隔鈑上方開口進入機 內，如圖2-3 所示。

（3）密閉式潛盾機（Closed shield）：

包括土壓平衡式潛盾機（Earth pressure balance shield，EPB shield）、加泥土 壓平衡式潛盾機（Muddy soil pressure balance shield）與泥水加壓式潛盾機

（Slurry shield），如圖 2-4 至圖 2-6 所示。

2.3.1 各型式潛盾機適用土層

蔡茂生（1985）將潛盾機構造、適用土層及特性整理如表 2-1，對各型式潛 盾機之適用土層以及是否需要輔助工法以表格說明之。朱旭（1984）將潛盾機機 型及其適用土層整理如表 2-2。日立造船株式會社（Hitachi Zosen Corporation, 1990）亦對各型式潛盾機適用土層以圖 2-7 表示之。日本土木學會「隧道標準規 範潛盾篇」（1987）列出潛盾機型式、適用土層及輔助工法關係，如表 2-3。

2.4 潛盾施工之輔助工法

採用潛盾隧道工法施工時，為克服地下水壓維持開挖面之穩定，及避免地 盤變位過大，常需採用輔助工法配合施工，來達成止水或強固地盤之目的。以下 各節將介紹潛盾隧道施工時常用之輔助工法。

2.4.1 壓氣工法

壓氣工法（Compressed-air method）原理方法是利用壓縮空氣注入隧道內 部，以壓縮空氣之壓力抑制地下水壓，阻止地下水滲入開挖面，而維持開挖面的 穩定。一般而言，其適用於孔隙小，細粒料較多，透氣性小及滲透係數較低之地 質狀況。對於工作面地下水的排除，在完善的施工管理下，壓氣工法為可靠的工 法，因壓氣對地下水、環境及地表結構物影響最小，施工中不需先行降水，不受 開挖斷面大小、形狀的限制，亦不會造成先期沉陷，且不會遺留下永久之地下擋 水物。蔡茂生（1985）說明，壓氣工法施工時，需注意防範漏氣、噴發等事故，

並需經常檢測施工範圍之空氣狀況，避免發生施工人員缺氧等事故。進出壓氣施 工區時，四周壓力的快速上升或下降，可能造成人員罹患潛水夫病（The bends），

若未予適當之管制，此輔助工法可能對經常出入壓氣區域之工作人員的健康造成 傷害。

2.4.2 地盤凍結工法

地盤凍結工法（Ground freezing method）係將凍結管（freezing pipe）埋設 在欲處理的土層內，並在管內流通極低溫之冷凍液（如氯化鈣、液態氮等），利 用冷凍液的循環來吸收地盤中的熱能，被凍結的土壤乃是以凍結管為中心呈年輪 狀（同心圓狀）成長，利用相鄰的凍土柱之管列效應，可在地盤中形成任意形狀 及大小的凍土牆，達到支撐外部壓力，以及發揮阻隔地下水的效用。地盤凍結工 法可廣泛應用於各種不同的土質，土壤經凍結後具有相當強度；但值得注意的 是，若需凍結之土壤水分十分稀少，其凍結效果將不理想，因為凍結的主體是水，

所以足夠水分為土壤凍結之必要條件。冷凍工法施作情形如圖2-8 所示，冷凍液 之差異，凍結土層的方法依可分為液態氮（LN2）凍結法和鹽水（brine）凍結法 兩種。

2.4.3 灌漿工法

灌漿工法（Grouting method）係於土層內灌入適當的材料（化學藥液、水泥 漿或黏土液等）填塞土壤顆粒間之空隙，使其結合成一體。灌漿工法除可阻斷地 下水滲流途徑外，亦可提高土壤的強度，減少地盤沉陷量及其影響範圍。灌漿工 法為潛盾隧道施工時最常使用的輔助工法，如潛盾機發進及到達段的保護、隧道 周邊地盤的保護、潛盾隧道穿越鐵路下方的保護、潛盾隧道穿越河川下方的保 護，及潛盾隧道施工沿線之地表建築物的保護等圖2-9。林耀煌（1994）說明，

灌漿材料之分類依材料性質、反應形式、施工方式而異，常用之分類方式，如表

2-4 所示。一般最常用於軟弱地盤隧道工程之灌漿工法，約可概分成藥液灌漿與 高壓噴射灌漿兩大項。

2.4.4 降水工法

為避免地下水滲入隧道之開挖面，在隧道開挖之前，事先以點井或深井將 地下水降低，如圖 2-10 所示，降水工法（Dewatering method）通常適用於透水 性較高之砂質土壤。蔡茂生（1985）指出，抽水時造成土層有效應力改變，可能 對地盤產生壓密作用，造成鄰近地盤下陷，甚至危害鄰近之建築物。必要時，應 併用灌漿工法或遮斷壁工法，阻隔抽水之影響線，以減少其影響。在降水工法之 選擇上，必須考慮之因素如下：

（1）地質構造、透水係數、地下水位分佈等地層基本物理性質；

（2）預估湧水量湧水區範圍；

（3）鄰近地上與地下結構物覆蓋厚度；

（4）周圍地下水利用情形及隧道外排水設施。

2.5 潛盾隧道施工引致地盤變位之原因

潛盾隧道施工所造成的地盤變位，與開挖土壤的種類、選用的潛盾機型式、

潛盾機直徑及開挖深度等，均有密切的關係。Peck（1969）、Schmidt（1974）、

Cording and Hansmire（1975）、Hanya（1977）、Mori and Akagi（1985）、Fang et al.

（1994）等學者，均曾經提出相關的研究成果。綜合各項研究成果，潛盾隧道施 工引致地盤變位的原因，大致可分為以下六大項。

2.5.1 盾尾間隙閉合

潛盾機通過之後，原地盤與襯砌環片外緣所形成之空隙稱為盾尾間隙（Tail void），一般約為 50 到 80 mm。盾尾間隙通常採以背填灌漿（Backfill grouting）

將其填滿，但在環片脫離盾殼保護至施作背填灌漿期間，盾尾間隙呈無支撐狀 態，極易引起周圍地層的應力釋放，造成土壤的彈塑性變形，導致隧道上方及周 圍土壤往此空隙移動。此項為潛盾隧道施工引起地盤變位的最主要原因之一。

Schmidt（1974）假設，若整個盾尾間隙被崩落土壤所填滿，則最大地盤漏 失量可用下式來表示：

( )

V_L % = 200× t （2.1）

式中，

V_L：地盤漏失（以開挖體積的百分比計）

t：盾尾間隙寬度 R：潛盾機半徑

盾尾間隙造成地盤漏失的情形，依土壤之自立時間、土壤暴露於盾尾間隙 之長度及採用之輔助工法（如壓氣工法及灌漿工法）而定。

2.5.2 襯砌變形

隧道襯砌環片組合完成之際，本呈圓環狀，但因作用於環片上方之垂直覆 土壓力通常大於水平土壓力，故略呈扁平狀。尤其在軟弱土層中，因地下水位降 低或土壤受擾動等因素，使黏土產生壓密現象，隧道周圍的黏土層因此發生垂直 向的收縮，進而使襯砌環片產生變形。一般而言，襯砌環片的設計強度均遠大於 所承受之垂直土壓力，故此變形量不致於過大。

2.5.3 潛盾機蛇行或超挖

潛盾隧道於曲線施工時，為使潛盾機可順利轉向，機體一側可能發生土壤 超挖，另一側則可能產生壓縮，導致盾殼周圍土體之空隙擴大而產生地盤漏失。

潛盾隧道於曲線施工時，為使潛盾機可順利轉向，機體一側可能發生土壤 超挖，另一側則可能產生壓縮，導致盾殼周圍土體之空隙擴大而產生地盤漏失。