捷運系統建設中大地工程科技之應用(I)
The Application of Geotechnique to the Construction of Mass Rapid Transit System (I) 計劃編號：NSC89-2211-E-006-052
執行期限：88/08/01∼89/07/31
主 持 人：李德河 成功大學土木系教授
一、中文摘要：(關鍵詞：捷運系統、大地工程科技、
地盤沈陷、災害防治)
近年來，我國捷運工程正篷勃發展，由於其複雜 性相當高，在設計施工中必然會遭遇種種困難。為使 捷運工程施工順利，減少施工引致之災害並提升國內 研究公共工程的科技水準，於是在國科會的推動下組 成產官學一體的研究群，進行為期三年之跨校性的聯 合研究計畫。計畫群之目標則放於「捷運系統建設中 大地工程科技之應用」，並針對捷運沿線地質災害潛 能、捷運隧道、場站開挖引致地下水變動、地盤下陷 及捷運施工之中所產生之廢土處理等項目深入探討，
以作為捷運工程設計及施工參考之用。
英 文 摘 要 ： (Key words : Mass Transit System,
Geotechnique, Ground Subsidence, Hazard Prevention)
Recently, the mass rapid transit (MRT) engineering is being promoted very splendid in Taiwan. However, the design and construction of a MRT are quite complicated and sophisticated, many engineering problems need to be solved immediately and effectively.
In order to assist the promotion of MRT system smoothly and decrease the damage induced by the construction of the system, as well as to grade up the research level of geotechnique in Taiwan, the National Science Council promotes a three years research plan for group study for the MRT Engineering. Many researchers from different universities or colleges are associated with some senior engineers from both the Departments of Mass Rapid Transit of Taipei and Kaohsiung City to perform seven
groups of the important topics related to the geotechnique used in the Mass Transit Engineering.
After performing the group-project, not only the engineering problems created from the construction of Mass Rapid Transit System can be solved, the research level about geotechnique engineering technology can also be improved and progressed. And the results of these projects can be applied on the design and construction of Mass Rapid Transit System in Taiwan.
二、計畫緣由與目的
我國捷運系統之興建正逐漸起步，在台北都會區 完之後，高雄市亦著手進行橘紅二線捷運系統的規劃 與設計，有鑑於台北捷運的工程問題不斷，高雄捷運 工程更受眾人矚目。而在國內有豐富經驗者亦不多的 狀況下，正逢國科會工程處推動「公共工程科技研究」
計畫，於是「捷運工程」便成為專案重點之一。在此 項計畫推動下，乃將國內大地工程學術界充分的研究 人力與捷運工程第一線工程師的經驗結合，藉由產官 學合一的研究計劃，提升國內學術界對大地工程問題 的研究能力以及提升國內興建捷運工程的科技水準。
本計畫主要針對捷運沿線之地質災害潛能、捷運 隧道、場站開挖引致地下水變動、地盤下陷及捷運施 工之中所產生之廢土處理等問題進行探討。由於項目 繁多，故將分成七個研究群組進行研究，而各子計畫 之研究項目分述如下：
一、微音錐在地層探測之應用研究(中央大學土木系
張惠文教授)
二、電子錐在捷運沿線地層調查及液化潛能評估之應 用研究(I)(成功大學土木系 李德河教授)
三、高雄捷運系統工程鳳山至屏東路段之潛在地層災 害特性調查研究(屏東科技大學土木系 蔡光榮 教授)
四、台南捷運綠線路段之潛在地盤災害及其防治方法 之調查研究(成功大學土木系 陳景文教授) 五、台北捷運中和線潛盾隧道施工引致之地盤沈陷
(交通大學土木系 方永壽教授)
六、捷運工程中導溝影響連續壁穩定性之研究(成功 大學土木系 蔡錦松教授)
七、捷運系統中開挖與水位洩降引致之地層變化研究 (I)(中華大學土木系 呂志宗教授)
此整合型計畫之研究人員涵蓋國內六所大專院校 土木科系的教授，以及台北、高雄捷運工程局台灣省 住都處的主管工程師，在執行各項子計畫時，除了可 相互支援、提升水準外，所得成果亦能立即作為捷運 工程之設計與施工之參考。
三、研究成果
3-1 微音錐在地層探測之應用研究
主要之研究方向著重於錐體穩態貫入土層時，伴 隨貫入行為所產生的微震音放射。當圓錐貫入土體 時，由於土壤顆粒在圓錐表面的滾動與滑動、土壤顆 粒之間的滾動、滑動或顆粒破碎而產生了微震音放 射。這些微震音可以利用資料擷取系統加以記錄，並 透過均方根計算及快速傅立葉轉換得到音波訊號的均 方根音壓及頻譜，而這些音波分析的結果與土壤種類 有關。
透過一系列的室內標度槽試驗，本研究已針對計 畫中第一年之目標，包括砂土緊密度、飽和度、覆土 壓力等各項參數與貫入音波間之關係、不同土壤中貫 入音波之變化、以及貫入過程中音波與錐尖阻抗記錄 之比較等等項目進行一初步的研究，並已獲得相當良 好的成果。未來將更深入的針對音波在土層鑑別上的 敏感特性，以及各種不同土樣的音波反應特性進行研 究，期能對微音錐貫入試驗之特性有更進一步的瞭 解，作為日後實際工程應用之參考。
3-2 電子錐在捷運沿線地層調查及液化潛能評估之應 用研究
本研究是藉由電子錐貫入試驗來深入瞭解地層結 構的特性，對於軟弱夾層可完整記錄。在大地工程的 地質調查中，電子錐貫入試驗是一種簡單、快速、可 靠及經濟的調查方法，經由電子錐貫入試驗可求得垂 直連續地層剖面，有助於深入瞭解地層結構的特性。
本年度計畫以高雄捷運紅線經過之左營、楠梓及橋頭 等地，各選擇一處適當地點進行CPT與鑽探之平行調 查，將兩種調查結果進行比對，以檢核國外CPT相關 之應用公式之適用性，並嘗試修正或重新建立適用於 國內都會區之CPT應用公式。
今年度的工作除了完成現場調查工作外，亦完成 土壤分類、N
60、細料含量等之初步比對工作，獲得成 果除了累積捷運紅線地層資料外，並建立了本土化之 CPT 應用經驗式，可供初步評估使用，待累積更多比 對資料後，應可建立更完善之 CPT 應用經驗式。有關 本年度 CPT 應用於液化潛能評估之工作，則持續進行 中，完整報告將於第三年之期末報告呈現。
3-3 高雄捷運系統工程鳳山至屏東路段之潛在土地層 災害特性調查研究
本研究以分年分期方式完成有關鳳山經大寮至屏 東路段沿線各項基本地工環境災害之調查與相關資料 之蒐集及地層災害資料庫系統的建置，最後應用已建 置完成之資料庫系統對沿線之土層液化潛能進行評 估，並引進 GPS/GIS/RS 科技整合技術繪製鳳山至大寮 路段沿線之土層液化潛在危險區域分佈圖，以提供施 工單位設計施工時之參考。綜合本研究之結果，可歸 納出以下幾點結論：
1. GPS/GIS/RS 科技整合應用於高雄捷運系統路廊之 規劃，地下工程之設計施工，潛在地層災害區域之 空間分佈與地工環境災害資料庫系統之建立，有助 於未來整體捷運系統規劃設計與施工養護之管理。
2. 本研究所研發建置之高雄捷運橘線系統鳳山至大寮
（屏東）路段各項基本地工環境資訊圖層與工程屬
性資料庫系統，已足可提供高雄市捷運工程局及相
關施工單位作為未來重要捷運工程設計施工之參考
資訊。
3-4 台南捷運綠線路段之潛在地盤災害調查及其防治 方法研究
本研究針對台南捷運綠線沿線區域進行地工災害 分析，所獲致之結論分述如下：
1. 台南捷運綠線沿線區域之土層主要為現代沖積層，
以砂質粉土、粉土質砂與粉土質黏土為主。
2. 在擋土壁體變形引致地表沉陷方面，沉陷影響範圍 約為開挖深度 2~3.8 倍。
3. 開挖面穩定分析結果可得壁體貫入深度約為開挖深 度之 1.6-1.8 倍左右，而開挖深度為 10 公尺時最易 發生上舉與隆起現象，砂湧分析均為安全。
4. 捷 運 綠 線 沿 線 區 域 液 化 潛 能 評 估 結 果 顯 示 ， 以 G7~G9 站（成功路與海安路交會處附近）區段最易 發生液化，而以 G6~G7 站（開元路至台南火車站附 近）區段最不容易發生液化。
5. 捷運綠線沿線區域液化引致沉陷評估結果顯示，液 化潛能較高地區沉陷量較大， G7~G9 站（成功路與 海安路交會處附近）區段為沿線區域沉陷量較大區 段。
3-5 台北捷運中和線潛盾隧道施工引致之地盤沉陷
本研究蒐集國內外潛盾隧道施工案例予以整理分 析，並與已有之經驗公式及理論模式相比較，並依據 台北捷運中和線 CC277 標潛盾隧道監測資料進行分析 討論，並獲得以下數點結論。
1. 提出於不同土層，在不同隧道深度( Z )使用不同型 式與直徑( D )之潛盾機開挖隧道所造成地表最大沉 陷量之建議範圍，此範圍較Fujita (1982) 僅以開挖 土層、有無輔助工法及潛盾機型式分類而提出之更 為合理。以此結果配合Peck（1969）所建議之沉陷 槽寬度參數（i），能更合理的預估隧道施工造成之 地表沉陷槽。
2. 本研究於分析台北捷運中和線CC277標上下疊架隧 道間開挖引致之地盤沉陷之實測地表沉陷發現，可 分別模擬個別潛盾施工造成之地表沉線，再以疊加 方式預估其總地表沉線槽。而實際監測直接落在預
估沉陷範圍內，顯示本研究所提出經驗方法之適用 性。
3-6 導牆對連續壁槽溝穩定之影響
本研究主要探討連續壁導牆之土壤拱效應，對砂 性土層內連續壁槽溝在穩定液急遽流失之破壞行為，
以及臨界導牆深度對地盤沉陷之影響。研究方法採模 型試驗方式，藉由不同尺寸的槽溝與導牆深度等參 數，改變穩定液與地下水位高度，來觀察其破壞行為。
由模型試驗量測資料參照相關文獻理論分析結果，可 以歸納出下列結論：
1. 由試驗結果可知，臨界導牆深度形成之土拱效應，
使槽溝破壞後，地表無崩落現象且對地表所造成沈 陷量皆在0.4cm內。
2. 臨界導牆深度與槽溝長度、槽溝深度、內摩擦角成 正比，與地下水位成反比。
3. 對於導牆深度達臨界深度的情況，建議考慮導牆因 素之槽溝穩定分析法來進行連續壁槽溝壁面穩定 性之分析。地表沈陷影響範圍則與槽溝開挖深度有 關。
3-7 捷運系統中開挖與水位洩降引致之地層變化研究
本研究依據邊界元素理論，撰寫數值分析計算程 式，據以分析捷運系統在進行地下開挖與抽降水時，
所可能引致的地層變位及水壓變化等資料，並與有限 元素分析軟體與經驗公式之計算結果作比較。為驗證 數值分析結果之可靠性，將進行工程案例探討，以分 析現有之監測數據與數值結果的差異性，使能提供可 靠的地層變化資料。此外，將引用反算法探討地層因 採用灌漿工法補強基礎所引致的地層參數變化，有助 於取得正確的地層參數作數值分析計算。
本計畫利用經驗公式、邊界元素法與有限元素套 裝軟體 ANSYS 等數值分析方法探討潛盾施工所造成 的地表沉陷等行為，而所獲致之成果如下：
1. 所探討之潛盾隧道位於台北盆地淡二區，其地層係
屬於厚度不一之層狀地層，故採用以其厚度對土壤
參數作加權計算的方式，計算所需之地層各項等效
基本力學常數，此方法已證實合理可靠。
2. 與Kirsch理論解比較，兩種不同數值分析方法所計 算出之數值解與Kirsch理論解的誤差皆可控制在合 理範圍內。在相同條件下，邊界元素法所計算出之 結果的誤差較有限元素軟體ANSYS小。
3. 應用邊界元素法與有限元素法探討覆土層厚度對潛 盾開挖所引致地表沉陷的影響，所得出之沉陷趨勢 相似。
4. 與現地監測資料作比較後，可知現地監測所得之最 大地表沉陷量皆落在數值方法所計算出之最大地表 沉陷之變化範圍內。
四、結論
綜合上述各子計劃的研究成果，可歸納出下列幾 點結論﹕
1. 子計畫一已完成建構土層與貫入音波間各項參數之 關係，以利未來更深入針對音波在土層鑑別上的敏 感特性研究。
2. 子計畫二已完成捷運紅線之 CPT 試驗地層資料，並 建立本土化之應用經驗式，除可供初步評估使用，
待累積更多資料後，能建立更完善之 CPT 應用經驗 式。
3. 子計畫三已完成建置高雄捷運橘線系統鳳山至大寮
（屏東）路段各項基本地工環境資訊圖層與工程屬 性資料庫系統。
4. 子計畫四已完成台南捷運捷運綠線沿線區域之地質 狀況調查、並進行液化潛能評估與液化引致沉陷之 分析與防治對策研究。
5. 子計畫五依據捷運中和線之地表沉陷監測資料，建 立適合評估潛盾隧道開挖造成地表沉陷之經驗方 法。
6. 子計畫六已利用模型試驗完成探討連續壁導牆之土 壤拱效應，並探討砂性土層內連續壁槽溝在穩定液 急遽流失之破壞行為與臨界導牆深度對地盤沉陷之 影響研究。
7. 子計畫七已完成開挖與水位洩降引致地層變化之分 析程式開發，並利用反算法建立地層參數的資料。
五、參考文獻
1. 張惠文, “捷運系統建設中大地工程科技之應用(I)—
子計畫(一)微音錐在地層探測之應用研究(I)”, 行政 院國家科學委員會專題計劃成果報告, 2000年7月。
2. 李德河, “捷運系統建設中大地工程科技之應用(I)—
子計畫(二)電子錐在捷運沿線地層調查及液化潛能 評估之應用研究”, 行政院國家科學委員會專題計劃 成果報告, 2000年7月。
3. 蔡光榮, “捷運系統建設中大地工程科技之應用(I)—
子計畫(三)高雄捷運系統工程鳳山至屏東路段之潛 在土地層災害特性調查研究”, 行政院國家科學委員 會專題計劃成果報告, 2000年7月。
4. 陳景文, “捷運系統建設中大地工程科技之應用(I)—
子計畫(四)台南捷運綠線路段之潛在地盤災害調查 及其防治方法研究”, 行政院國家科學委員會專題計 劃成果報告, 2000年7月。
5. 方永壽, “捷運系統建設中大地工程科技之應用(I)—
子計畫(五)台北捷運中和線潛盾隧道施工引致之地 盤沉陷”, 行政院國家科學委員會專題計劃成果報告, 2000年7月。
6. 蔡錦松, “捷運系統建設中大地工程科技之應用(I)—
子計畫(六)導牆對連續壁槽溝穩定之影響”, 行政院 國家科學委員會專題計劃成果報告, 2000年7月。
7. 呂志宗, “捷運系統建設中大地工程科技之應用(I)—
子計畫(七)捷運系統中開挖與水位洩降引致之地層
變化研究”, 行政院國家科學委員會專題計劃成果報
告, 2000年7月。
計 劃 主 持 人 自 我 評 估 表
計劃名稱：捷運系統建設中大地工程科技之應用(I) 計劃編號：NSC89-2211-E-006-052
計劃主持人：李德河 教授
執行機構：國立成功大學土木工程學系
一、完成的成果及創見
1. 完成建構土層與貫入音波間各項參數之關係，以利未來更深入針對音波在土層鑑別 上的敏感特性研究。
2. 完成捷運紅線之 CPT 試驗地層資料，並建立本土化之應用經驗式，除可供初步評 估使用，待累積更多資料後，能建立更完善之 CPT 應用經驗式。
3. 完成建置高雄捷運橘線系統鳳山至大寮（屏東）路段各項基本地工環境資訊圖層與 工程屬性資料庫系統。
4. 完成台南捷運捷運綠線沿線區域之地質狀況調查、並進行液化潛能評估與液化引致 沉陷之分析與防治對策研究。
5. 依據捷運中和線之地表沉陷監測資料，建立適合評估潛盾隧道開挖造成地表沉陷之 經驗方法。
6. 利用模型試驗完成探討連續壁導牆之土壤拱效應，並探討砂性土層內連續壁槽溝在 穩定液急遽流失之破壞行為與臨界導牆深度對地盤沉陷之影響研究。
7. 完成開挖與水位洩降引致地層變化之分析程式開發，並利用反算法建立地層參數的 資料。
二、是否有未完成之項目[說明未完成的項目]
（ ） 是 （ ü ） 否
三、是否具有專利申請之項目[說明可申請之項目]
（ ） 是 （ ） 尚未成熟 （ü ） 否
四、是否有創新或改進之技術推介至產業界，並請列出可推介之業界廠商
（ ）可推介[請說明之]
（ ）尚需繼續研究[請說明之]
（ü ）無
五、建議兩位您認為合適的評審人（以供參考）
林炳森教授、陳榮河教授
