潛盾隧道急轉彎(R=20m)困難問題之克服(上)

□劉弘祥／中興工程顧問股份有限公司
□連偉智／中興工程顧問股份有限公司
□劉欽正／中興工程顧問股份有限公司
□黃崇仁／中興工程顧問股份有限公司
□郭乃丰／介興、清水聯合承攬
□董錦煌／介興、清水聯合承攬

摘要
        近年來，隨著都市地下結構物的密集化，為減少與現存地面或地下結構物間之干擾等因素，潛盾隧道急轉彎段的施工案例有日漸增加之趨勢。在進行急轉彎段施工時，如採用與正常段相同的方法施工將有困難，必須事先充分掌握急轉彎段的地質條件，並研究該範圍之推進方法、環片規格及超挖量等，採取妥善的因應對策，並配合多樣的輔助工法。本文之工程案例依據其急轉彎段(R=20m)之地質條件，選擇適當潛盾機型及其支援系統，擬妥完整機內灌漿計畫，藉由作泥及漿材之調整因應急轉彎段之施工需求，並介紹多項應用於本工程之輔助工法，包括：1.盾殼外側特殊黏土灌漿；2.背填灌漿；3.微型固定袋。因未由地面施作任何的輔助地盤改良工法，完全不會在地面造成任何的交通不便或環境影響。

一、前言

        潛盾施工作業時，急曲線施工為一項困難技術的問題，需要多樣的輔助工法。一般來說，為了確保在曲線段潛盾機施工時所需的反力，以及防止潛盾機四周因超挖所引發的崩落，都會在曲線段施工區域施作地盤改良。但是施工地區的交通、地下埋設物的狀況及鄰近建築物等之原因，造成從地面進行地盤改良施工的困難度增加。在這樣的情況下，對於能夠安全、確實的達成急曲線的施工，並儘可能的抑止對周邊的環境造成影響之輔助工法的需求，便日漸升高。
        在進行急轉彎段施工時，如採用與正常段相同的方法施工將有困難，必須事先充分掌握急轉彎段的地質條件，並研究該範圍之推進方法、環片規格、超挖量與輔助工法等，採取妥善的因應對策，才能確保急轉彎段的施工安全。期望本工程案例可供未來潛盾隧道施作急轉彎段時之參考。

二、工程案例概述

        「樹德~福營~宏安線161kV地下電纜管路工程」之業主為台電台北供電區營運處，基設監造為林同棪工程顧問公司，統包商為介興-清水聯合承攬，細部設計為中興工程顧問公司。本工程位於新莊市及泰山鄉二行政區，全工區依開挖工法可劃分為四段，其中明挖埋管工法分為兩段，第一段自新#5直井至H1試通孔，總長度約926m；第四段自新#1直井至既有人孔，總長度約761.95m。潛盾洞道工法亦分為兩段，第二段自新#5直井(發進井)至#4直井(到達井)，總長度約1,113.09m；其中第一處急轉彎的半徑R=22m，另第二處急轉彎的半徑R=20m；第二段潛盾洞道行經中正路段時，從捷運新莊線上方3.05m平行通過，該處最小覆土厚度為4.8m，隨即以R=45m急轉彎跨越捷運新莊線進入建福路。第三段自#4直井(發進井)至新#1直井(到達井)，總長度約1,491.33m。全區平縱面圖如圖1所示。
        潛盾隧道內徑為3.2m，預鑄混凝土環片厚度20cm，寬度為100cm(一般段)及75cm(R65m段)兩種型式，如圖2所示；鋼環片(R45m段)分為厚度20cm、寬度50cm，以及厚度18.5cm、寬度30cm兩種型式，如圖3所示，潛盾隧道完工後將作為超高壓電纜延放使用，如圖4所示。變更路線後的新#5直井作為第二段潛盾機之發進井，其座落於中山路的安全島上，考量及早放入潛盾機、施工空間有限及節省經費，開挖方式採用鋼板樁配合五層型鋼內支撐，開挖尺寸為長9.1×寬6.0m，深度10.7m，潛盾機鑽掘完成後，再內襯80cm鋼筋混凝土，完工後將作為電纜通道出入口及進氣口；因#4直井同時作為第二段潛盾機之到達井及第三段潛盾機之發進井，且#4直井旁為既有161kV高壓鐵塔，考量施工安全、施工空間有限、沉箱壁體平整可兼作通風機房、可提供多方向隧道出入口及無需內支撐不影響潛盾機進出直井，故#4直井採用圓形沉箱工法進行開挖，如圖5所示，內徑10m，沉箱壁體厚度1m，深度19.35m，直井完工後將作為通風機房、排氣口及電纜通道出入口；追加的新#2緊急逃生井座落於人行道上，考量施工安全、施工空間有限及減少交通管制時間，採用全套管樁(2,950mm∮)方式進行開挖，井身採用內徑150cm，壁厚20cm之預鑄鋼筋混凝土管連接而成，混凝土管周圍再以混凝土回填，直接座落於潛盾洞道頂拱正上方，井口處束縮成75cm之出口，並加上防水人孔蓋板，總深度9.44m，如圖6所示(中興公司，2006；洪余長等人2009)；變更路線後的新#1直井作為第三段潛盾機之到達井，其座落於塔寮坑溪的廢河道上，地質非常軟弱，地下水位接近地表，考量施工安全及施工進度，採用長方形沉箱工法進行開挖，如圖7所示，內部尺寸為長7.3×寬5.5m，沉箱壁體厚度1m，深度15.26m，直井完工後將作為電纜通道出入口及進氣口。


(一)急轉彎段地形、地質及路線
        本文主要探討第二段潛盾洞道中兩處急轉彎段之施工，第二段潛盾洞道之沿線地表高程約介於EL.+6.35~+7.98m間，變化不大。隧道中心線高程自新#5直井約為EL.+1.88m，發進後採用坡度0.26%向上掘進，至里程約0k+887處隧道中心線高程約為EL.+0.41m，改採用坡度3.02%向下掘進至#4直井，總長度約1,113.09m。
        本工程路線位於淡水河支流大漢溪之西側，在地質上屬台北盆地淡水河流域現代沖積層，由上而下依序為松山層、景美層、新莊層，松山層厚度在40~70m間，主要由粉質細砂(SM)、粉質黏土(CL)及黏質粉土(ML)之互層所構成。第一處急轉彎之簡化地層如表一所示(介興-清水聯合承攬，2005)，而第二處急轉彎之簡化地層如表二所示(介興-清水聯合承攬，2005)。於部分鑽孔曾鑽到流木或腐木，值得注意。沿線地下水位介於GL.-2.7m~6.3m間。
        兩處急轉彎段之基本資料如下：
        1.第一處急轉彎：R=22m，中心線長度20.62m，轉彎角度約53.71，地表高程EL.+7.98m，潛盾中心線高程EL.-1.12m，覆土深度約7.3m，其線形平面圖如圖8所示(中興公司，2006)。

        2.第二處急轉彎：R=20m，中心線長度33.3m，轉彎角度約95.39，地表高程EL.+7.10~+7.35m，潛盾中心線高程EL.-3.97~-4.98m，覆土深度約9.27~10.5m，其線形平面圖如圖9所示(中興公司，2006)。
(二)潛盾機之選擇
        為使在急曲線段轉彎時不致產生困難並達到要求的曲率，要使用機身短並且於機殼的中央部位裝備有轉向機構的潛盾機，藉由操作轉向機構中的千斤頂可使機體從中段彎折，另外在與轉彎方向相反側的千斤頂可由既設的環片或鋼環片取得反力，同時裝備有拉力千斤頂，可強制性的使潛盾機進行轉彎。中折式潛盾機構造示意圖如圖10所示，中折式潛盾機外觀如圖11所示。
        本工程之潛盾機具有下列特點：
        1.因潛盾機的長度直接影響曲線段的施工能力，為降低轉彎半徑與超挖，機體長度必須儘可能縮短，例如，縮短後方盾尾長度、減少盾尾止水封層數量及縮短前方刃口部的長度等。本工程之潛盾機前胴長度2.605m、後胴長度2.875m，潛盾機外徑3.73m，則潛盾機之長度與直徑比(L/D)為5.48/3.73=1.47(一般為0.93~2.23左右)，可施作最小曲線半徑為20m，盾尾裝設2層止水封，機頭前方刃口部長度為785mm。

《未完待續》