近接施工引致潛盾隧道三維變形特性之研究

國立臺灣大學工學院土木工程學系 碩士論文

Department of Civil Engineering College of Engineering National Taiwan University

Master Thesis

近接施工引致潛盾隧道三維變形特性之研究 Study on 3D Deformational Characteristics of Shield Tunnel Caused by Neighboring Construction

吳宗翰 Wu, Zong-Han

指導教授：黃燦輝 博士 王泰典 博士

Advisor: Huang, Tsan-Hwei, Ph.D. Wang, Tai-Tien, Ph.D.

中華民國 101 年 7 月

July, 2012

口試委員會審定書

謝 誌

攻讀碩士兩年來，承蒙恩師 黃燦輝教授的悉心指導，老師善用簡易的譬喻 蘊含深刻的道理，讓學生日後無論為學、為人皆有啟發，而您的恢宏氣度更讓學 生深以黃門為榮。臺北科技大學 王泰典教授帶領學生於治學之道嚴謹前進，於 人生經驗多有傳授，讓學生體悟待人應有之邏輯與處事必要之態度，終身受用無 窮，謹以寥寥數語向二位老師致上最高之敬意與最深之謝忱。並感謝趙振宇教授 與陳正勳博士惠賜寶貴意見，使本文更臻完善。

研究期間蒙中興工程顧問社林金成學長於分析軟體操作經驗的不吝分享及指 導，每一趟自逸仙路返研究室的途中均滿載而歸，衷心感激。林銘郎教授提攜學 生擔任工程地質與應用一課之助教，在無數次的野外中增添地質知識及實做經驗，

銘感在心。並感謝賴彥儒學弟於隧道監測資料整理及繪圖之鼎力相助。

在學期間幸得雅筑、毓港、家吉、立偉、雨璇、佩臻、思緯等博士班學長姐 多所解惑與經驗傳承。感謝地質室的偉哲學長、心凱、斯元、玟菘於碩一時光的 慷慨，讓我在地質室有一席之地共同砥礪。感謝同門的卓翰及瑞慈，並肩走過苦 樂參半的這兩年，並有孟維、治豪、炳勳、珺瑋、宇翔、漢鑫、哲安、紹倫、開 紋、家齊、志信、渝紋、威伯、育祥等大地組同窗、北科學長姐及有喨學弟之相 互扶持與鼓勵，讓研究生活多采多姿。

特別感謝淑苹的包容與陪伴、良賢、永達、宜靜、桂綿、子豪、稚堯、家齊、

健豪、珮如、雅筑、季倫、瑩淳、士哲、俊佑等知己好友之聯繫與勉勵，願情誼 長存。田堯彰教授於平時生活之關心與期勉，五年來的學長弟情，沒齒難忘。

最後，感謝父母養育之恩，自小至大對我的支持與信賴，這是我人生最有價 值的回憶，謝謝乖巧的妹妹在臺南代我為父母分勞解憂。未來，天當棋盤星作子，

地當琵琶路作弦，我將邁開大步，昂首向前。

吳宗翰 謹誌 於 杜鵑花城土木系館 112 室

摘 要

臺北捷運大部分路網為地下潛盾隧道段，隨著捷運路網之普及與土地資源之 短缺，愈來愈多新興結構物之基礎開挖將緊鄰捷運隧道，對列車營運及隧道結構 安全產生威脅。因此，近接施工是近年來大地工程實務上極為重視的新課題。

欲提供捷運隧道之安全預警，須仰賴合適的監測系統。目前針對近接施工，

捷運隧道採用的監測方法多是沿襲真圓度檢測之概念，透過量測隧道環片橫斷面 (in-plane)上數個測點的二維相對變形值，如內空變位、軌道沉陷等，與規範容許 變形值相比，判定是否該採取行動。惟近接施工屬於複雜的三向度問題，故此法 能提供之預警效果有限，實有必要深入探討隧道三維變形特性，方能發展更完善 的監測系統，助於隧道安全評估。

本研究利用三維有限差分程式 FLAC^3D分別建立潛盾隧道及深開挖數值模型，

並依據解析解與案例監測資料與分析結果相互比對，以檢核施工程序之適用性，

最後建立近接施工數值模型。藉由數值途徑可模擬潛盾隧道受近接施工擾動之力 學行為，並依序由隧道全段及特定剖面之觀點，以 in-plane 及 out-of-plane 之分析 角度探討隧道之變位與應力增量狀況。

研究結果顯示：近接施工對潛盾隧道的三維力學行為影響甚大。環片變形方 面，隧道環片中心之偏移量普遍高於隧道徑向變形，縱向變位之存在更凸顯現有 監測方法之不適。藉由臨界破壞線之發展，可明白近接施工引致的隧道破壞潛勢 為一三維分佈情況。隧道應力增量方面，藉由 out-of-plane 分析可知隧道環片於縱 向上之軸力會隨著接近開挖工區而產生受拉或受壓之變化，將對隧道整體結構造 成不利影響。未來宜發展更完善之監測方法，進一步考量隧道縱向之受力情況，

以三維概念進行評估，如此一來隧道安全方有保障。

關鍵字：近接施工、潛盾隧道、三維變形、數值分析

ABSTRACT

Most underground network of Taipei Mass Rapid Transit (MRT) System was composed of shield tunnel. As MRT lines increase and lands decrease in Taipei megalopolis, more and more constructions such as foundation-excavation approach existing shield tunnel closely, and the kind of situations is called neighboring construction. Neighboring construction might threaten the safety of MRT operation and tunnel structure, and therefore has become an issue which is emphasized gradually during these decades.

Conventional tunnel monitoring items are applied popularly in shield tunnel during neighboring construction, such as convergence deformation or railroad settlement, which neglects longitudinal mechanical properties of tunnel. These current methods are established in two-dimensional plane (in-plane). However, neighboring construction is complicated and belongs in three-dimensional phenomenon, thus current methods of tunnel monitoring are inadequate and should be improved.

First of all, this study builds up numerical models of shield tunnel and deep excavation separately by FLAC^3D, and the models have been verified by comparing its calculated results with existing analytical solutions and actual case data. The second, this study combines two models into one model for simulating the responses of a shield tunnel encountering neighboring construction. Based on the neighboring construction model, the three-dimensional deformation and stress increment of whole tunnel and specific profile can be discussed in the views of in-plane analysis as well as out-of-plane analysis.

Results of numerical simulation indicate that neighboring construction has a

tunnel. In the part of segment deformation, the deformation of segment center is more than convergence deformation generally, and there is longitudinal deformation between segments. With the distribution of critical failure line, the potential failure site of shield tunnel which is caused by neighboring construction could be a three-dimensional distribution. In the part of stress increment, as a result of out-of-plane analysis, the longitudinal force of shield tunnel would be compressed or tensile along the axial direction, and the appearance of variation may cause damage to tunnel structure which is fragile. Accordingly, this study recommends that more appropriate tunnel monitoring method should be developed in the future, and it might be a better way to evaluate shield tunnel with three-dimensional concept so that provide early warning for tunnel safety.

Keywords: neighboring construction, shield tunnel, three-dimensional deformation,

目 錄

口試委員會審定書 ...i

謝 誌 ... ii

摘 要 ... iii

ABSTRACT ...iv

目 錄 ...vi

表目錄 ...ix

圖目錄 ... x

第一章 導論 ... 1

1.1 研究背景與目的 ... 1

1.2 研究方法與內容 ... 1

第二章 文獻回顧與隧道案例整理 ... 4

2.1 近接施工之基本觀念 ... 4

2.1.1 種類與特性 ... 4

2.1.2 現行監測方法 ... 5

2.1.3 近接施工引致潛盾隧道受損案例 ... 6

2.2 近接施工之隧道監測案例 ... 8

2.2.1 案例簡介 ... 8

2.2.2 隧道三維變形現象 ... 9

2.3 混凝土之破壞準則 ... 9

2.3.1 Mohr-Coulomb 破壞準則 ... 9

第三章 潛盾隧道與深開挖數值模型之建立與驗證 ... 19

3.1 FLAC^3D程式概述 ... 19

3.2 潛盾隧道數值模型之建立與驗證 ... 19

3.2.1 分析條件之假設 ... 20

3.2.2 參數選用之依據 ... 20

3.2.3 模型驗證 ... 21

3.3 深開挖數值模型之建立與驗證 ... 22

3.3.1 工程案例之說明 ... 22

3.3.2 分析條件之假設 ... 23

3.3.3 參數選用之依據 ... 24

3.3.4 模型驗證 ... 25

第四章 近接施工數值模型之應用與潛盾隧道三維變形特性 ... 42

4.1 近接施工數值模型之建立 ... 42

4.1.1 分析條件之假設 ... 42

4.1.2 參數選用之依據 ... 43

4.2 隧道全段分析結果 ... 44

4.2.1 隧道環片變形 ... 44

4.2.2 隧道環片中心位移 ... 45

4.2.3 應力比 ... 46

4.2.4 綜合討論 ... 48

4.3 隧道特定剖面之變位與應力分析結果 ... 49

4.3.1 變位增量 ... 49

4.3.2 彎矩增量 ... 50

4.3.3 軸力增量 ... 50

4.3.4 剪力增量 ... 51

4.3.5 綜合討論 ... 52

第五章 結論與建議 ... 67

5.1 結論 ... 67

5.2 建議 ... 68

參考文獻 ... 70

附錄 A 潛盾隧道監測資料 ... 73

附錄 B 論文口試



作者簡歷 ... 82

表目錄

表 2.1 近接施工監測項目及監測儀器(修改自胡邵敏等，2009)... 12

表 2.2 捷運設施之監測管理值(修改自廖洪鈞等，2010)... 12

表 3.1 FLAC^3D組成律模型(Itasca Consulting Inc.，2005) ... 26

表 3.2 邊界影響分析時之輸入參數 ... 27

表 3.3 潛盾隧道數值模型之土層參數 ... 27

表 3.4 臺北捷運潛盾隧道工程各施工標選用設備一覽表(修改自朱旭，1997)... 28

表 3.5 支撐環片參數 ... 29

表 3.6 國家企業中心開挖程序(歐章煜，2002)... 30

表 3.7 深開挖數值模型之土層參數 ... 31

表 3.8 連續壁參數 ... 31

表 3.9 開挖支撐參數 ... 32

表 4.1 臺北盆地組成物質垂直分佈概況 ... 54

表 4.2 近接施工數值模型之土層參數 ... 54

表 4.3 連續壁參數 ... 55

表 4.4 開挖支撐參數 ... 55

圖目錄

圖 1.1 研究流程圖 ... 3

圖 2.1 潛盾隧道常見近接施工之種類(改繪自胡邵敏等，2009)... 13

圖 2.2 捷運隧道監測儀器配置示意圖(廖洪鈞等，2010)... 13

圖 2.3 捷運設施之監測儀器佈設範圍(廖洪鈞等，2010)... 14

圖 2.4 真圓度差值計算方式(臺北市捷運工程局土建工程施工技術規範，1992).. 14

圖 2.5 潛盾隧道及鄰近工地平面位置圖(常岐德等，2001)... 15

圖 2.6 潛盾隧道內之滲水情況(松本嘉司，1994)... 15

圖 2.7 近接施工引致潛盾隧道環片漏水現象，尤以環與環之間為劇(聯合大地) . 16 圖 2.8 檢測現場相關構造物平面示意圖(潛盾隧道圓斷面檢測成果資料，2011) .. 16

圖 2.9 隧道環片監測點位佈設圖(潛盾隧道圓斷面檢測成果資料，2011) ... 17

圖 2.10 隧道三維變形示意圖 ... 17

圖 2.11 破壞包絡線為直線之 Mohr-Coulomb 破壞準則(Chen，1982) ... 18

圖 2.12 平面應力狀態(





圖 3.1 FLAC^3D應用顯性有限差分法之運算概念與求解架構(王泰典，2003) ... 33

圖 3.2 不同支撐時機對隧道平均徑向收斂量之影響 ... 34

圖 3.3 不同邊界範圍對隧道開挖分析結果之影響 ... 34

圖 3.4 潛盾隧道三維數值模型分析網格 ... 35

圖 3.5 彈性材料含圓形隧道承受雙軸應力作用示意圖(Kirsch，1898) ... 36

圖 3.6 圓形隧道開挖應力分佈數值分析結果與 Kirsch 解析解之比較 ... 36

圖 3.7 隧道頂拱沉陷之前進面效應(Brady 與 Brown，1985) ... 37

圖 3.9 臺北國家企業中心開挖基地 (a)平面圖 (b)剖面圖(歐章煜，2002) ... 38

圖 3.10 臺北國家企業中心開挖基地土層分佈及土壤基本資料(歐章煜，2002).... 39

圖 3.11 臺北國家企業中心基地深開挖三維數值模型分析網格 ... 39

圖 3.12 臺北國家企業中心各開挖階段連續壁側向位移和數值分析結果 ... 40

圖 4.1 深開挖與潛盾隧道之相對位置剖面圖 ... 55

圖 4.2 近接施工三維數值模型分析網格 ... 56

圖 4.3 本研究使用之三維座標系 ... 56

圖 4.4 徑向變形之定義 ... 57

圖 4.5 不同開挖階段引致的隧道徑向變形量分佈 ... 57

圖 4.6 不同開挖階段引致的隧道縱向變形量分佈 ... 58

圖 4.7 不同開挖階段引致的隧道 x 向位移量分佈 ... 58

圖 4.8 不同開挖階段引致的隧道 z 向位移量分佈 ... 59

圖 4.9 不同開挖階段引致的隧道 y 向位移量分佈 ... 59

圖 4.10 不同開挖階段引致的隧道應力比,_max變化 ... 60

圖 4.11 不同開挖階段引致的隧道臨界破壞角出現位置分佈 ... 60

圖 4.12 不同開挖階段引致的隧道位移、變形一覽圖 ... 61

圖 4.13 不同縱深隧道斷面之 in-plane 變位增量分佈 ... 62

圖 4.14 不同隧道縱深斷面之 out-of-plane 變位增量分佈 ... 63

圖 4.15 不同隧道縱深斷面之 in-plane 彎矩增量分佈 ... 64

圖 4.16 不同隧道縱深斷面之 out-of-plane 彎矩增量分佈 ... 64

圖 4.17 不同隧道縱深斷面之 in-plane 軸力增量分佈 ... 65

圖 4.18 不同隧道縱深斷面之 out-of-plane 軸力增量分佈 ... 65

圖 4.19 不同隧道縱深斷面之 in-plane 剪力增量分佈 ... 66

圖 4.20 不同隧道縱深斷面之 out-of-plane 剪力增量分佈 ... 66

圖 a.1 檢測現場相關構造物平面示意圖(潛盾隧道圓斷面檢測成果資料，2011) .. 73

圖 a.2 隧道環片監測點位佈設圖(潛盾隧道圓斷面檢測成果資料，2011) ... 74

圖 a.3 隧道變位向量圖 ... 75

圖 a.4 隧道 Xdisp 變位分量圖 ... 75

圖 a.5 隧道 Ydisp 變位分量圖 ... 76

圖 a.6 隧道 Zdisp 變位分量圖 ... 76

圖 a.7 變位量值分佈圖 ... 77

圖 a.8 隧道三維變形示意圖 ... 77

圖 a.9 數據處理流程 ... 78

第一章 導論

1.1 研究背景與目的

臺北捷運自 1996 年通車以來，路網陸續建成，迄今(2012 年)營運里程已達 110.1 公里，其中除了文湖線及淡水線有部份路段採地面及高架建設，其餘 78.3 公里為 地下及潛盾隧道段。隨著捷運路網之普及與土地資源之短缺，許多新興民間建築 與公共工程建設勢必緊鄰既有的捷運隧道，其所引致的捷運隧道受損案例時有耳 聞，輕者環片出現裂縫，重者隧道扭曲變形，進而影響隧道結構安全與列車正常 營運。因此，近接施工是近年來大地工程極為重視的新課題。

為避免近接施工行為對潛盾隧道結構體產生變形影響，危及列車行車安全，

通常在相關工程施作時，須對施工影響範圍內之捷運隧道進行監測，以提供必要 的安全預警。現行採用的監測方法乃是藉由安裝在環片上的收斂釘及軌道沉陷點，

分別量測隧道淨空變形及軌道沉陷，來呈現剖面之變形程度，並與規範(大眾捷運 系統兩側禁建限建辦法，2003)規定之容許徑向變形值 20mm 相比較，判定是否該 採取行動。惟此法建立於二維座標平面系統，僅能獲得二維座標相對變形值，然 近接施工引致潛盾隧道的應力變化、環片變形等實屬三維力學行為，若欲探求環 片三維絕對座標之變化，則現行監測方法將存在一定的侷限性。

因此，本研究試圖由三維分析的角度，去探討近接施工引致潛盾隧道於 in-plane 及 out-of-plane 的力學行為，以供未來近接施工安全評估及發展因應新式監測技術 之用。

1.2 研究方法與內容

昔日隧道分析因地質環境因素複雜且受限於數值軟體運算速度，多以二維分 析簡化實際之三維問題，此假設對於單孔或雙孔隧道不考慮縱向應變之狀況尚能 適用，惟近接施工對潛盾隧道產生之應力與應變行為屬複雜的三維問題，此假設 將過於簡化而不全然適用。因此，本研究嘗試以三維有限差分程式 FLAC^3D模擬一

潛盾隧道遭遇近接施工之情境，深入探究其力學行為。

圖 1.1 為研究流程圖。本研究首先彙整近接施工相關文獻。接下來利用三維 有限差分程式 FLAC^3D模擬潛盾隧道逐環開挖之程序，並與 Kirsch(1898)圓形隧道 開挖解析解及 Brady & Brown(1985)前進面效應相互驗證；再藉由一實際深開挖案 例(臺北國家企業中心)作為深開挖模擬程序之檢核；繼而將潛盾隧道與深開挖兩者 結合成為近接施工數值模型。透過該數值模型之分析結果，依序由隧道全段及特 定剖面之觀點，以 in-plane 及 out-of-plane 之分析角度探討降挖過程中引致隧道之 變位情形與應力變化。

本文共分為五章，第一章為導論，介紹本研究之背景、目的、方法與內容。

第二章回顧近接施工等相關文獻，介紹國內常用的潛盾隧道監測方法，並舉 數則案例及檢測結果作為近接施工引致潛盾隧道受損之佐證。並透過整理某一實 際隧道監測資料，闡述近接施工引致潛盾隧道之三維變形現象。最後簡述後續分 析所使用的混凝土破壞準則。

第三章說明數值分析方法，並分別建立潛盾隧道與深開挖數值模型，將分析 結果與解析解及案例監測資料做一驗證檢核，以確保施工模擬程序之正確性。

第四章建立近接施工數值模型，依序由隧道全段及特定剖面之觀點，分別由 in-plane 與 out-of-plane 之角度，將數值分析所得之環片變形及應力變化做一說明 與探討。

第五章總結本研究之重要結論，作一綜合敘述，並提出尚待研究發展之建議。

圖 1.1 研究流程圖

第二章 文獻回顧與隧道案例整理

本章第一部份以既有潛盾隧道為主，針對近接施工之主題進行一系列的說明，

包括基本觀念、種類與特性等。繼而介紹規範標準及現行的隧道監測方法，並舉 數則國內學者專家之研究或檢測成果，作為近接施工引致潛盾隧道受損之佐證。

第二部份藉由一實際隧道監測案例，闡述近接施工引致潛盾隧道之三維變形現象。

第三部份回顧相關的混凝土破壞準則，以作為後續分析之應用。

2.1 近接施工之基本觀念

「近接施工」一詞，亦可稱之為「鄰近施工」，最早出現於 1989 年日本社團 法人地盤工學會(The Japanese Geotechnical Society)編輯的「近接施工」一書，意指 在既有結構物之近距離範圍內施作並將影響原建物之工程。胡邵敏等人(2009)將近 接施工定義為：「新建結構物施工中或完工後所引致地層變形或噪音振動等，預期 對近距離之居民生活、既有建物之安全性及機能性產生不良影響時，先行施以防 範措施，以降低該建物日後所受災損，達到減少建設公害及降低民怨糾紛之目標」。 廖洪鈞等人(2010)於「鄰近工程之設計及施工準則與解說」一書中，定義近接施工 為：「因新設構造物之施工產生周邊地盤之位移，以致有影響既有設施之安全性或 功能性之虞的工程施工」。

近接施工影響一般以都會區工程較為顯著，且多為地下工程。因此，隨著臺 北都會區之高度開發，可預期捷運隧道面臨的近接施工挑戰與日俱增。以下本節 便以潛盾隧道為主，闡述近接施工與其之互制關係及相關監測方法，並舉數則近 接施工引致潛盾隧道受損之案例進行探討。

2.1.1 種類與特性

臺北都會區地底已遍佈長達 78.3 公里的潛盾隧道，未來可能涉及近接施工之 新興地下工程，諸如深開挖、潛盾隧道鑽掘、坡地填挖、基礎施作等，勢必經常 處於毗鄰潛盾隧道之環境，如圖 2.1 所示。因此，近接施工對捷運隧道之營運安

(一) 三維力學問題

近接施工之範圍相較於潛盾隧道為一有限面積之區域，故此過程對潛盾隧道 之影響屬於三維力學問題，不同隧道剖面呈現之力學行為均有差異，不宜等同視 之。再加上潛盾隧道為一由襯砌環片組立之管狀結構，各襯砌環片之間僅靠螺栓 連結，尤其是縱向方向上的隧道環片接頭，其抗彎曲勁度較低，一旦遭遇近接施 工等額外之外力作用，潛盾隧道易於環片與環片之接頭處或螺栓孔附近產生破損，

此為 in-plane 及 out-of-plane 上之複雜三維應力、應變行為。有鑑於此，使用三維 模式分析方能完整呈現近接施工引致潛盾隧道之力學行為。

(二) 施工監測佔要角

為於近接施工過程中，對潛盾隧道之結構安全提出預警，趙際禮與劉育志(2009) 建議應考慮不同施工類型、施工影響範圍之大小及既有隧道脆弱處等因素來配置 適當的監測儀器，一則掌握近接施工之影響，針對潛在危機及早修復；二則可隨 時取得監測資料，作為隧道安全評估並輔助施工管理。因此，監測技術之提昇及 合適監測方法之開發是維護潛盾隧道安全之不二法門。

2.1.2 現行監測方法

在施工影響範圍內之潛盾隧道須佈設適當的監測儀器，以即時掌握隧道結構 之應力與變形發展，惟現場直接量測應力不易，故多以結構變形為主要量測對象。

現行之變形管制標準乃依據民國 92 年 12 月 30 日修正通過之《大眾捷運系統兩側 禁建限建辦法》，規定潛盾隧道之容許變形值以隧道任何方向徑向變形 20mm 為 限。

隨後廖洪鈞等人(2010)於「鄰近工程之設計及施工準則與解說」一書中，建議 潛盾隧道內之監測儀器可配置如圖 2.2。圖中以收斂釘(CB)及軌道沉陷點(SB)為主 要監測儀器，分別量測潛盾隧道之徑向變形與軌道位移，其餘監測項目、內容及 儀器詳見表 2.1。量測結果再與規範容許值進行比較，必要時須採取因應工程對策，

抑制隧道變形於容許值之下，其監測管理值如表 2.2。監測儀器之建議佈設範圍如 圖 2.3 所示。

上述監測方法屬於二維平面上的相對座標監測，乃簡化自隧道真圓度分析之 概念。真圓度分析為台北捷運全線隧道檢測項目之一，常用於判斷潛盾隧道段之 結構變形狀態或穩定程度。真圓度的數值乃依據《台北市捷運工程局土建工程施 工技術規範》所訂定之標準，亦即最大半徑與最小半徑相對於標準半徑差值的計 算模式，如圖 2.4，解算待測橫剖面上約 20 點之相對座標而得。橫剖面真圓度判 斷標準以±0.04 公尺為界限，因此，若某橫剖面真圓度任一正負值超過 0.04 公尺，

則判斷該測量橫剖面真圓度已超過限定標準狀態。

廖洪鈞等人建議之相對變形監測方法應用普及，單一剖面施作迅速效率高，

可於近接施工情況下提供隧道環片受力變化分析所需的定性資料。惟近接施工引 致潛盾隧道之變形實屬三維力學問題，未來值得進一步實施隧道剖面三維絕對座 標高精度測量，或針對真圓度變異較大處實施三維微變監測，取得環片受力變化 分析之量化資料，以掌握更有利的資訊。

2.1.3 近接施工引致潛盾隧道受損案例

近十餘年來，臺北捷運已累積許多近接施工引致捷運設施受損案例，其中影 響較大者為地下潛盾隧道段。以下本小節整理國內學者專家判定潛盾隧道受開挖 影響之案例，依隧道受損案例檢討、數值模擬及隧道結構安全檢測之經驗回顧等 三部份，說明如下：

(一) 隧道受損案例檢討

常岐德等人(2001)探討臺北捷運板南線某段潛盾隧道受損事件發生之原因。該 段潛盾隧道為兩條平行之隧道，內徑為 5.6m，其上方覆土厚度介於 11 至 21m 之 間，屬松山層第四次層。襯砌採用厚 25cm、寬度 1m 之預鑄混凝土環片，環片間 以螺栓相連。自 1995 年 11 月隧道完成掘進後，有兩處深開挖工程分別在距其南 側 12m 和西側進行，如圖 2.5 所示。南側工地開挖區呈長方形，寬度為 46m，深 度達 21m，擋土結構採用厚 1.2m、深 36m 之連續壁，1996 年 8 月開始以逆築工法 施工。西側工地開挖區深度 23.5m，擋土結構為厚度 1.2m、深 35m 之連續壁，採

南側工地開挖期間為保護隧道結構安全，於隧道內、外裝設多項監測儀器，

並定期加以觀測。1988 年 7 月，上行線隧道內變位觀測點及裂縫計之觀測值突然 發生明顯變化，現地勘查後發現上行線隧道內仰拱混凝土與環片有分離現象，由 隧道西端起算，混凝土分離位置在第 6 環至第 70 環之間，最大縫隙約 20mm。經 捷運隧道承商對環片座標進行測量，並與 1996 年 1 月隧道完成後之全段隧道檢測 結果比較，顯示環片有朝向南側工地偏移數公分之現象，隨後再進行複測及詳細 勘查受損情形，顯示上行隧道頂部環片自第 11 環至第 49 環亦出現裂紋情形。

經評估由相關單位提供之監測與施工資料後，常岐德等人研判潛盾隧道之位 移主要受工地開挖施工影響而造成，並建議應裝設適當可靠且精度高的監測儀器，

方能清楚掌握隧道本身的變形量，而確認隧道受近接施工影響的程度。

(二) 數值模擬

王慶麟、蔡榮禎(2002)蒐集臺北捷運中和線及新店線沿線 5 個近接施工案例，

以 Flac 有限差分程式分析案例變形並模擬地盤改良、地中壁或加強擋土支撐等工 法成效。依據監測資料所得結論為，當潛盾隧道位於開挖區下方時，設置地中壁 來減少土壤變形，其效果較灌漿改良為佳。此外，開挖期間對潛盾隧道變形而言，

最為危險。

王建智等人(2002)依據臺北與高雄捷運案例分析結果顯示，深開挖引致鄰近潛 盾隧道的變形行為相當顯著，尤其是臺北的軟弱黏土層更為明顯。因此深開挖工 程施工前必須評估開挖對潛盾隧道的影響，特別是當隧道位置處於開挖工程主要 影響範圍區內的情況。

(三) 隧道結構安全檢測之經驗回顧

洪銘遠等人(2012)於《臺北捷運系統全線隧道維護檢測探討》一文中指出，臺 北捷運系統於 2002 年、2008 年二次隧道檢測結果顯示，局部路段隧道有趨近安全 警戒值之慮，其隧道異狀簡述如下：

1.滲水與白華現象：透過全線隧道周壁影像掃描結果顯示，滲水與白華現象為臺北 捷運系統隧道結構最普遍的異狀，常見於隧道環片區域與明挖覆蓋段、通風豎井 的交接處、或是環片區段環片與環片之間及螺栓孔附近。前者研判係因明挖結構 與隧道結構勁度差異大，受地震(陳正勳等，2011)或列車振動反應不同而造成龜裂，

經年累月形成細微裂縫導致滲水；後者常見於特定的施工區段，推測係因隧道受 近接施工偏壓影響而產生不均勻外力，導致環片與環片間原有之 2mm 厚人造橡膠 襯墊因外力變化而劣化滲水，如圖 2.6 及圖 2.7 所示。

2.真圓度驟降：真圓度的變異為環片受力變化之指標，透過前後二次全線隧道檢測 結果比較獲知，捷運隧道部份斷面真圓度出現變異，檢核 1500 多個斷面，有 34 處超出警戒值，但其中逾 2/3 超出量小於 1cm。真圓度超出警戒值之異常斷面常見 於隧道環片區段與明挖覆蓋區段的交接段附近，約占異常斷面總數的 1/4，可能係 明挖結構與隧道結構行為不同，交接段施工困難度高，加上前述結構勁度差異長 期累積所致。其餘的真圓度異常斷面可能與近接施工、上部載重增加或地表沉陷 有關。

2.2 近接施工之隧道監測案例

為實際瞭解潛盾隧道受近接施工之變形影響程度，本文蒐集臺北捷運松山線 某段潛盾隧道之監測資料，經分析其前後兩期收方座標值，可獲致潛盾隧道之三 維變形行為。詳細資料處理結果如附錄 A 所示。

2.2.1 案例簡介

臺北捷運松山線某段潛盾隧道完工後，有一深開挖工程在其側方進行，如圖 2.8 所示。依據現行法規《大眾捷運系統兩側禁建限建辦法》規定，若於潛盾隧道 兩旁 50m 限建範圍內施作開挖工程，則須對既有隧道進行安全監測。圖 2.8 中藍 色框線所圍區域即是深開挖工區；紅色框線為潛盾隧道，共有 70 環；綠色框線內 為測區兩端佈設的加密控制點。

本案例共有兩期監測資料，分別為 99 年 6 月 7 日與 100 年 2 月 16 日(以下簡 稱為 990607 及 1000216)，經歷天數為 257 日。990607 的資料為每環設置 8 個觀測 點，1000216 的資料為每環設置 7 個觀測點，但具前後期座標的點位僅有 6 個點位，

即圖 2.9 中的 C、D、E、F、G 及 H 點。

2.2.2 隧道三維變形現象

藉由分析此實際案例前後兩期之收方座標值，於三維空間中繪製符合這些資 料的隧道剖面，可將潛盾隧道之三維變形行為繪製如圖 2.10，如此可直觀地觀察 近接施工對潛盾隧道的影響。圖 2.10 中藍色隧道為 990607 之資料點，紅色隧道 為將位移放大 100 倍之 1000216 資料點。該圖顯示於歷時 257 日之期間，潛盾隧 道向開挖工區產生明顯側移及些許上浮之現象，且隧道縱向亦有變位分量產生，

足以說明潛盾隧道的確會因近接施工之開挖解壓影響，而使環片間具拉伸及壓縮 等三維錯動現象。

2.3 混凝土之破壞準則

環片為潛盾隧道之主要組成結構，當潛盾隧道受近接施工之影響而產生偏壓，

導致作用載重變動時，該隧道受力將由環片承擔。環片可依材料性質分為混凝土 環片、鋼環片及石墨鑄鐵環片等，一般捷運隧道多使用混凝土環片，因此隧道異 狀多與混凝土劣化變形有關。以下本節針對常用之混凝土破壞準則做一簡述。

2.3.1 Mohr-Coulomb 破壞準則

Mohr(1900)假設平面上極限剪應力





 

  f 

破壞包絡線

^f   ^

單之 Mohr 包絡線為 Coulomb(1773)提出的直線方程式，如圖 2.11，其方程式為：

tan

   c  

其中c為材料凝聚力，



 



 



 

 



1 1 1

cos sin tan

2       c ^   2     2     ^   

經整理得

1 3

1 sin 1 sin 2 cos c 2 cos c 1

 

 

 

   

若定義

'

2 cos 1 sin

c

f c 

 



'

2 cos 1 sin

t

f c 

 



則式(2.4)可改寫成

3 1

' '

1

t c

f f



 _{ }

(2.7)

其中

f

f





m  f

f

2.3.2 Drucker-Prager 破壞準則

Drucker 與 Prager(1952)指出材料在三維應力空間(

I

 J

1 2 1 2

( , ) 0

f I J   I  J   k

式中

I

  



 



 

 



1

J 

^             ^ 







 

2sin 3 3 sin

 

 



 

6 cos 3 3 sin

k c 

 



表 2.1 近接施工監測項目及監測儀器(修改自胡邵敏等，2009)

項目 監測內容 監測儀器

潛盾隧道

沉陷上浮 水平儀、測微器、水管式沉陷計、桿式伸縮儀 水平變位 經緯儀、測微器

傾斜 測傾計、垂球 應力 應力計、應變計

表 2.2 捷運設施之監測管理值(修改自廖洪鈞等，2010)

監測項目 監測儀器

監測管理值

警戒值 行動值

捷運 設施

結構裂縫 裂縫計 肉眼看得到之裂縫

(山岳隧道除外) 0.3mm

結構沉陷 結構物沉陷點

(量測總沉陷量) 2mm(山岳隧道) 3mm 結構傾斜 傾斜儀或經緯儀

(量測傾斜量)

規範標準值 80%或 設計值 80%之小值

規範標準值 100%

隧道內空變位 收斂釘 (量測徑向變形)

軌道沉陷 軌道沉陷點

垂直或水平總位移 量 8mm，5m 內有 2.5mm 之垂直或側

向扭曲

垂直或水平總位 移量 10mm，5m 內有 3mm 之垂

直或側向扭曲

圖 2.1 潛盾隧道常見近接施工之種類(改繪自胡邵敏等，2009)

圖 2.2 捷運隧道監測儀器配置示意圖(廖洪鈞等，2010)

圖 2.3 捷運設施之監測儀器佈設範圍(廖洪鈞等，2010)

圖 2.4 真圓度差值計算方式(臺北市捷運工程局土建工程施工技術規範，1992)

圖 2.5 潛盾隧道及鄰近工地平面位置圖(常岐德等，2001)

圖 2.6 潛盾隧道內之滲水情況(松本嘉司，1994)

圖 2.7 近接施工引致潛盾隧道環片漏水現象，尤以環與環之間為劇(聯合大地)

圖 2.8 檢測現場相關構造物平面示意圖(潛盾隧道圓斷面檢測成果資料，2011) 工區

圖 2.9 隧道環片監測點位佈設圖(潛盾隧道圓斷面檢測成果資料，2011)

圖 2.10 隧道三維變形示意圖

圖 2.11 破壞包絡線為直線之 Mohr-Coulomb 破壞準則(Chen，1982)

圖 2.12 平面應力狀態(





第三章 潛盾隧道與深開挖數值模型之建立與驗證

欲模擬近接施工毗鄰既有潛盾隧道之情況，首要之務為力求施工模擬程序之 正確性。本章應用有限差分法發展的三維數值程式 FLAC^3D分別建立潛盾隧道及深 開挖數值模型，將分析結果與解析解、案例監測資料等相互驗證，以供第四章建 立近接施工數值模型之基礎。

3.1 FLAC

程式概述

本研究以美國 Itasca Consulting Group, Inc. 所研發之數值分析軟體 FLAC^3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions )3.0 版程式為分析工具。該程 式是利用外顯有限差分法迭代運算元素網格間的不平衡力，直至不平衡力趨近於 零，即穩定狀態下求得分析域內的應力與位移，可用以模擬土壤、岩體或其它材 料與結構物之間的互制行為，其運算概念與求解架構如圖 3.1 所示。

FLAC^3D內建之材料組成律模式(constitutive model)共有 11 種，如零效模式(null model) 可模擬材料移除或土體開挖 的行為；等向性彈性模式(elastic, isotropic model) 可 模 擬 材 料 為 均 質 、 等 向 線 彈 性 的 應 力 應 變 關 係 ； 莫 爾 庫 倫 模 式 (Mohr-Coulomb model)可模擬材料符合莫爾庫倫降伏準則與非諧和流動法則的應 力應變關係等，其適用的代表性材料與應用範圍如表 3.1 所示。另外，FLAC^3D亦 提供一程式開發計算模組，即所謂的 fish，提供使用者自行定義特殊參數、方程式 及組成模式於主程式中運算。

3.2 潛盾隧道數值模型之建立與驗證

本節擬於一均質等向線彈性土層中，逐環開挖圓形隧道並架設支撐環片，建 立潛盾隧道數值模型。首先說明分析過程採用的假設及材料參數來源，繼而透過 分析結果與解析解比較，驗證本潛盾隧道數值模型模擬程序之正確性。

3.2.1 分析條件之假設

(一) 潛盾隧道開挖與支撐時機

本文假設隧道位置於地表下 30.0m 處，隧道半徑為 3.0m，隧道長度為 60.0m，

開挖過程採全斷面逐環開挖。為考慮潛盾施工過程之盾尾間隙，本文比較不同支 撐時機對隧道平均徑向收斂量的影響，分析結果如圖 3.2 所示。一般工程實務上 的盾尾間隙多為 5-10cm，故本文採取當隧道平均徑向收斂量達 8.2cm(即 FLAC^3D 中的 step100)時架設支撐環片，支撐環片寬度為 2.0m。此外，假設隧道周邊土層 特性與未開挖隧道時相同，即不考慮潛盾機鑽掘過程周邊土壤受施工及應力重新 調整之各種影響。最後本文假設地下水位極低，故可忽略水的影響。

(二) 數值網格與邊界條件

隧道開挖將引致隧道周圍應力與應變之重新調整，其影響程度隨距離增加而 逐漸減小。為選擇適當的分析邊界，本文比較數種不同邊界範圍對隧道開挖分析 的影響，分析參數及結果如表 3.2 及圖 3.3 所示。在地表面允許自由沉降，其餘 五個面之法向方向為輥(roller)支承的邊界條件下，當水平(X)邊界範圍達 20 倍開挖 半徑時，隧道周圍平均徑向位移的分析結果與邊界範圍為 60 倍開挖半徑時差異不 及 0.1%，顯示隧道開挖的影響已可忽略。因此，本文將採取 20 倍開挖半徑為潛盾 隧道數值模型之邊界範圍，網格示意圖如圖 3.4 所示。

3.2.2 參數選用之依據

(一) 土壤力學參數

為簡化分析，本隧道模型假設分析範圍內為均質等向性砂土層，採用 Elastic 模式，相關土壤參數如密度(



(二) 支撐環片參數

為 0.25m(朱旭等，1997)，故採環片厚度為 0.25m。此外，潛盾隧道是由螺栓接頭 連接數個環片而成，並非一連續結構，加上片間與環間接頭之抗彎勁度較低，若 採連續結構分析將高估環片之應力，因此本研究參考張吉佐等人(1993)建議將環片 彈性模數乘上一折減因子(



且須承受軸力、剪力及彎曲力矩，故以 FLAC^3D程式提供的殼(Shell)結構元素模擬 之，相關輸入之參數包括構材密度(





3.2.3 模型驗證

由於架設支撐環片後之潛盾隧道力學行為無相關理論公式可供檢核，以下本 小節僅針對無支撐之情況下，於均質等向線彈性材料中進行圓形隧道開挖及隧道 開挖前進面效應之驗證。

(一) 圓形隧道開挖之彈性理論

Kirsch(1898)假設土壤若具均質等向線彈性之特性，則圓形隧道開挖後周圍的 徑向應力





2 2 4

2 2 4

4 3

(1 ) (1 ) cos 2

2 2

h z h z

r

p p a p p a a

r r r

  ^   ^   

2 4

2 4

(1 ) (1 3 ) cos 2

2 2

h z h z

p p a p p a

r r



 ^   ^  

式中

p 為水平初始應力，

p 為垂直初始應力，a 為隧道半徑，r 為距隧道中心







其中，切向應力最大誤差為 4.5%，顯示本隧道模型在無支撐情況下分析的應力，

與均質等向線彈性土壤中圓形隧道開挖的解析解相當接近。

(二) 隧道開挖之前進面效應

Brady 與 Brown(1985)考量在材料為均質線彈性且現地應力為等向性之情況下，

無支撐圓形隧道開挖引致的徑向位移量，將隨著開挖前進面推進而分佈如圖 3.7 所示。圖中

p 為等向現地應力，

r 為隧道半徑，

u 為隧道徑向位移，G 為剪力模

3.3 深開挖數值模型之建立與驗證

本節挑選一施工及監測品質皆相當良好之深開挖案例-臺北國家企業中心 (TNEC)進行三維數值模擬，藉由連續壁體變形分析結果與監測資料進行比對，以 檢核本深開挖數值模型模擬程序之適用性，並將該開挖程序作為後續近接施工數 值模型之依據。

3.3.1 工程案例之說明

本深開挖數值模型採用臺北國家企業中心之基礎開挖作為驗證案例，基地平 面位置及剖面如圖 3.9 所示。該基地長度大致為 60m 至 105m，寬度為 43m，略呈 一梯形。基地採用厚度 0.9m、貫入深度 35.0m 之連續壁作為擋土壁，基礎採逆打 式施工，開挖深度為 19.7m，分七個作業階段進行。支撐系統除了第一階段與第七 階段分別以間距 8.0m 之 H300













(一) 土層分佈狀況

該基地具備完善的現地試驗資料，鑽孔深度均至景美礫石層，並進行標準貫 入試驗(SPT)及圓錐貫入試驗(CPT)等現地與室內試驗，基地土層分佈及土壤基本資 料如圖 3.10 所示，地下水位約在地表下 2.0m 處。

(二) 監測系統配置

該基地基礎施工安全監測配置如圖 3.9，項目包括：連續壁體上土水壓計、鋼 筋計、傾斜觀測管等儀器；基地南側另有許多地面沉陷點、伸縮儀及土壤中傾斜 觀測管。本深開挖數值模型分析結果以圖 3.9 中連續壁體內傾斜觀測管構成之主 要觀測斷面為比較對象。

3.3.2 分析條件之假設

(一) 數值網格與邊界條件

分析時將該基地之幾何形狀假設為 60m



(二) 施工步驟模擬

由於實際開挖的施工程序相當複雜，一般數值分析時會進行適當的簡化。本 模型依據該基地監測資料及施工作業情形，將實際施工步驟加以簡化如下：

A. 開挖前初始應力計算。

B. 基地周圍之連續壁施作

C. 第一階段降水並開挖 (GL











D. 第二階段降水並開挖 (GL





E. 第三階段降水並開挖 (GL





F. 第四階段降水並開挖 (GL





G. 第五階段降水並開挖 (GL





H. 第六階段降水並開挖 (GL











I. 第七階段降水並開挖 (GL



3.3.3 參數選用之依據

(一) 土壤力學參數

依據圖 3.10 可知該基地景美礫石層以上是由粉土質黏土和粉土質砂土組成的 六個次層，採用 Mohr-Coulomb 模式分析；而景美層承載能力良好，故以 Elastic 模式分析，各層輸入之土壤參數如表 3.7 所示。

(二) 連續壁參數

由於連續壁須承受軸向荷重、剪力及彎曲力矩，並與周圍土壤連結，故以 FLAC^3D程式提供的殼(Shell)結構元素模擬之，相關輸入之參數包括構材密度(



彈性模數(E)、波松比(



連續壁的彈性模數取決於混凝土的抗壓強度，根據 ACI 規範的建議，混凝土的 標稱彈性模數(Ec)可由下式決定。

15, 000

c c

E  f

其中

f

EI

即折減係數(R)為 0.6 至 0.8。本研究為反應上述影響，取 R 為 0.75，將連續壁彈性

(三) 開挖支撐參數

由於鋼支撐與樓板為直線段，且須承受軸向荷重、剪力及彎曲力矩，故均以 FLAC^3D程式提供的梁(Beam)結構元素模擬之，相關輸入之參數包括彈性模數(E)、

波松比(



I

I )及極慣性矩(J)，如表 3.9

一般而言，鋼構材之標稱彈性模數(Est)為 2.0



3.3.4 模型驗證

圖 3.12 為第一至第七開挖階段連續壁側向位移監測和數值分析結果之比較，

圖中橫軸為側向位移量，縱軸為連續壁深度。該系列圖顯示在第一至第三開挖階 段時，分析所得之整段壁體側向位移量值普遍較監測資料低；在第四至第七開挖 階段，近開挖面處之壁體側移分析值均較壁體最大實測值來得大，而壁體兩端之 側移分析值卻較實測值小，兩者存有量值上的誤差。推測該誤差之主要原因是土 壤參數設定差異及受支撐時機影響所致。

惟第一階段至第七階段開挖的過程中，壁體兩端點位移量不高，壁體最大側 向位移的位置多出現於近開挖面處，且其量值均隨著開挖深度加深而逐步上升，

此分析現象與實測壁體位移之趨勢一致，顯示本深開挖模型在開挖程序之模擬仍 具有合理性。

表 3.1 FLAC^3D組成律模型(Itasca Consulting Inc.，2005)

Model Representative Material Example Application

null void holes, excavation, region in which

material will be added at later stage

elastic homogeneous, isotropic continuum; linear stress-strain behavior

manufactured materials (e.g., steel) loaded below strength limit;

factor-of-safety calculation

orthotropic elastic materials with three mutually

perpen-dicular planes of elastic symmetry

columnar basalt loaded below strength limit

transversely isotropic elastic

thinly laminated material exhibiting elastic anisotropy (e.g., slate)

laminated materials loaded below strength limit

Drucker-Prager plasticity

limited application; soft clays with low friction

common model for comparison to implicit finite-element programs

Mohr-Coulomb plasticity

loose and cemented granular materials;

soils, rock, concrete

general soil or rock mechanics (e.g., slope stability and underground excavation)

Strain-hardening / softening

Mohr-Coulomb

granular materials that exhibit non-linear material hardening or softening

studies in post-failure (e.g., progressive collapse, yielding pillar, caving)

Ubiquitous-joint thinly laminated material exhibiting strength anisotropy (e.g., slate)

excavation in closely bedded strata

Bilinear strain- hardening / softening ubiquitous-joint

laminated materials that exhibit non-linear material hardening or softening

studies in post-failure of laminated materials

modified cam-clay materials for which deformability and shear strength are a function of volume change

geotechnical construction on clay

表 3.2 邊界影響分析時之輸入參數

表 3.3 潛盾隧道數值模型之土層參數

密度



體積模數 K (MPa) 25.0

剪力模數 G (MPa) 5.4

體積模數 K (MPa) 25.0

剪力模數 G (MPa) 5.4

表 3.4 臺北捷運潛盾隧道工程各施工標選用設備一覽表(修改自朱旭，1997)

路線別 施工標

覆土 深度 (m)

最小 曲率 半徑

(m)

最大 縱坡度

(%)

選用機型 輔助

工法

切刀 形式

*長度 (m)

#外徑 (m)

環片 內徑/外徑

(m)

環片 厚度/寬度

(m)

淡水線 CT201A 9-18 450 3.0 土壓平衡 加泥型 面板式 --/--/-- --/6.09 5.42/6.12 1.00/0.25

新店線

CH218 8.5-21 380 3.0 土壓平衡 氣泡型 輪幅式 6.40/6.10/5.70 6.07/6.05 5.40/5.90 1.00/0.25

CH219 8.5-22 700 3.0 土壓平衡 加泥型 輪幅式 7.50/6.95/6.30 --/6.04 5.40/5.90 1.00/0.25

CH221 8-22 400 3.0 泥水加壓 -- 面板式 7.10/6.95/6.52 --/6.25 5.60/6.10 1.00/0.25

CH222 9-18 300 2.448 土壓平衡 加泥型 圓頂式 7.77/--/-- 6.16/6.12 5.40/6.00 1.00/0.30

CH223 9-15 350 0.2 土壓平衡 加泥型 輪幅式 --/7.10/6.67 6.04/6.04 5.40/5.90 0.90/0.25

CH224 9-16 350 3.0 土壓平衡 加泥型 圓頂式 --/7.54/6.62 --/6.04 5.40/5.90 0.90/0.25

南港線

CN251 9.5-16 200 3.0 土壓平衡 加泥型 輪幅式 --/6.90/-- --/6.25 5.6 1.00/0.25

CN253B 6-11.5 200 3.0 土壓平衡 加泥型 輪幅式 7.20/--/6.03 --/6.24 6.1 1.00/0.25

CN253A 10-12 350 0.74 土壓平衡 加泥型 輪幅式 7.40/7.00/6.63 6.04/6.04 5.60/6.10 1.00/0.25

CN254 11-13 900 0.353 土壓平衡 加泥型 輪幅式 7.40/7.00/6.63 6.04/6.04 5.40/5.90 1.00/0.25

CN256 8.5-12 3,000 1.488 土壓平衡 加泥型 輪幅式 7.18/6.88/6.48 6.07/6.05 5.40/5.90 1.00/0.25

CN257 8-10 1,300 0.759 土壓平衡 加泥型 輪幅式 7.40/7.00/6.63 6.04/6.04 5.40/5.90 1.00/0.25

CN258 8-12 300 0.738 土壓平衡 加泥型 輪幅式 7.16/--/-- 6.05/6.04 5.40/5.90 1.00/0.25

板橋線

CP261 11-25 330 2.985 土壓平衡 加泥型 輪幅式 7.22/6.92/6.52 --/6.25 5.40/5.90 1.00/0.25

CP262 10.5-2 300 2.8 土壓平衡 加泥型 輪幅式 --/7.68/7.37 --/6.24 5.60/6.10 1.00/0.25

CP263 9-10 1,000 3.0 土壓平衡 加泥型 輪幅式 7.45/6.95/6.50 --/6.24 5.60/6.10 1.00/0.25

CP264 10.5-2 280 2.4 土壓平衡 加泥型 輪幅式 6.27/5.97/5.47 6.28/6.28 5.60/6.10 1.00/0.25

中和線

CC275 11-26 300 3.0 土壓平衡 加泥型 面板式 6.42/6.09/5.66 6.27/6.26 5.60/6.10 1.00/0.25

CC276 6.5-22 300 3.5 土壓平衡 加泥型 面板式 6.42/6.09/5.66 6.27/6.26 5.60/6.10 1.00/0.25

CC277 6-22.3 200 3.0 土壓平衡 加泥型 面板式 6.42/6.09/5.66 6.27/6.26 5.60/6.10 1.00/0.25

說明：*表示潛盾機之鼻尖至盾尾總長度/刀盤面至盾尾長度/盾身長度 A：拆解、吊運、再組立 B：迴轉 C：棄殼 #表示潛盾機之刀盤外徑/盾身外徑

表 3.5 支撐環片參數

密度



彈性模數 E (GPa) 32.0

波松比



厚度 t (m) 0.25

表 3.6 國家企業中心開挖程序(歐章煜，2002)

階段 時間(天) 開挖活動

-29~ 安裝開挖外側儀器，包括土壤中傾斜管、伸縮儀、水位觀測井及電子式水壓計。

1~89 構築連續壁(並安裝壁體上土水壓計、鋼筋計及壁體中傾斜觀測管)。

89~147 構築基樁及逆打鋼支柱。

147~155 安裝開挖區內側之水壓計及隆起桿。

1 156~162 開挖至 GL-2.8m。

2 164~169 於 GL-2.0 處架設 H300







3 181~188 開挖至 GL-4.9m。

4A 217 於 GL-3.5m 處構築地下一層樓板(B1F)。

4B 222~238 拆除第一層支撐，並構築地面層樓版及開始上部結構施工。

5 233~255 開挖至 GL-8.6m。

6 279 於 GL-7.1m 處構築地下二層樓板(B2F)。

7 318~337 開挖至 GL-11.8m。

8 352 於 GL-10.3m 處構築地下三層樓板(B3F)。

9 363~378 開挖至 GL-15.2m。

10 400 於 GL-13.7m 處構築地下四層樓板(B4F)。

11A 419~423 中央區開挖至 GL-17.3m。

12A 425~429 於中央區 GL-16.5m 處架設 H400







11B 430~436 兩側邊區開挖至 GL-17.3m。

12B 437~444 於兩側邊區 GL-16.5m 處架設 H400







13 445~460 開挖至 GL-19.7m。

457 完成上部結構 14 464~468 澆鑄基礎底版。

15 506~520 於 GL-17.1m 處構築地下五層樓板(B5F)。

16 528 拆除第二層支撐。

表 3.7 深開挖數值模型之土層參數

深度(m) 土壤類型

K (MPa) G (MPa) c (KPa) 

0-6 CL 20.0 4.3 6.0 0.0

6-16 SM 14.0 6.5 0.0 25.0 16-24 CL 24.0 5.1 8.0 0.0 24-40 SM 23.3 10.8 0.0 25.0 40-48 CL 45.0 9.6 10.0 0.0 48-56 SM 46.7 21.5 0.0 25.0

56-60 GM 95.2 87.0 - -

表 3.8 連續壁參數

密度



彈性模數 E (GPa) 16.3

波松比



厚度 t (m) 0.9

表 3.9 開挖支撐參數

第一層之鋼支撐

彈性模數

E

波松比



橫截面積 A (m²) 0.012

y 軸慣性矩

I

z 軸慣性矩

I (10

極慣性矩 J (10^-4m⁴) 2.72

地下一層至地下四層之樓板

彈性模數

E

波松比



橫截面積 A (m²) 0.15

y 軸慣性矩

I

z 軸慣性矩

I (10

極慣性矩 J (10^-4m⁴) 127.8

第二層之鋼支撐

彈性模數

E

波松比



橫截面積 A (m²) 0.022

y 軸慣性矩

I

z 軸慣性矩

I (10

極慣性矩 J (10^-4m⁴) 8.9

圖 3.1 FLAC^3D應用顯性有限差分法之運算概念與求解架構(王泰典，2003)

圖 3.2 不同支撐時機對隧道平均徑向收斂量之影響

圖 3.4 潛盾隧道三維數值模型分析網格

圖 3.5 彈性材料含圓形隧道承受雙軸應力作用示意圖(Kirsch，1898)

圖 3.6 圓形隧道開挖應力分佈數值分析結果與 Kirsch 解析解之比較

圖 3.7 隧道頂拱沉陷之前進面效應(Brady 與 Brown，1985)

圖 3.8 圓形隧道開挖頂拱沉陷之前進面效應

圖 3.9 臺北國家企業中心開挖基地 (a)平面圖 (b)剖面圖(歐章煜，2002)

圖 3.10 臺北國家企業中心開挖基地土層分佈及土壤基本資料(歐章煜，2002)

圖 3.11 臺北國家企業中心基地深開挖三維數值模型分析網格

圖 3.12 臺北國家企業中心各開挖階段連續壁側向位移和數值分析結果

圖 3.12 臺北國家企業中心各開挖階段連續壁側向位移和數值分析結果 (續)

第四章 近接施工數值模型之應用與潛盾隧道三維變形特性

本章依據第三章所述之模擬程序，建立近接施工數值模型，以模擬潛盾隧道 毗鄰近接施工擾動之情境。並將數值途徑所得之分析結果，透過隧道全段及特定 剖面之觀點，以 in-plane 及 out-of-plane 之角度探討隧道之變位與應力增量狀況。

4.1 近接施工數值模型之建立

本節詳述近接施工數值模型之假設條件，包括相對位置、尺寸邊界，施工步 驟等，並說明參數選取來源。

4.1.1 分析條件之假設

(一) 潛盾隧道概況

本文假設隧道位置於地表下 20.0m 處，隧道半徑為 3.0m，隧道長度為 200m。

開挖過程採全斷面逐環開挖，支撐環片寬度為 4.0m。其餘假設如支撐時機及地下 水位等，同 3.2.1 節所述。

(二) 深開挖概況

本文假設深開挖基地方向與隧道縱向平行，開挖尺寸為 40m



待潛盾隧道鑽掘完成後再動工。擋土設施採厚度 0.6m，貫入深度 20.0m 之連續壁，

開挖深度預計達 12.0m，分三個作業階段進行，降挖過程中均搭配型鋼支撐。深開 挖連續壁與潛盾隧道外緣之淨距為 1.0 倍隧道直徑(6m)，其相對位置剖面圖如圖 4.1 所示。

(三) 數值網格與邊界條件

由前章已知邊界範圍之選定：潛盾隧道宜採 20 倍開挖半徑；深開挖可採 4 倍 以上開挖深度。為降低本模型之邊界效應，水平(X)邊界以深開挖基地右側約 5 倍 開挖深度、潛盾隧道左側 20 倍開挖半徑為界；水平(Y)邊界以深開挖基地前後兩側