談土艙閉塞-以卵礫石層為例

□卓彥百／大安地工營造有限公司
□何啟誠／臺北市政府捷運工程局北區工程處
□廖銘洋／榮工工程股份有限公司

一、前言

        近二十年來為了使都會區地下空間能做更有效的利用，且為避免影響都市之景觀、生活品質及降低對當地交通的衝擊，因此潛盾工法不斷的被應用於捷運工程及都市地下管線(如汙水下水道、台電特高壓電力系統等)，而目前國內採用潛盾機的主流仍是土壓平衡式之下，其開挖面切削的土體在土艙中是否可成為一種塑性可流動性的狀態，就成為潛盾施工是否成功的關鍵。
        近年來土壓平衡式潛盾機於卵礫石層施工時，常會聽聞發生土艙閉塞而造成潛盾機掘進困難，但因施工人員及操作手的經驗不足，致會誤判為遭遇地下障礙物，而於事後的處理上浪費許多金錢及工期，因此擬藉由本文來說明其發生的原因及後續應有的處理方式，以供未來的施工者作一參考。

二、土艙閉塞的定義

        目前針對土艙閉塞的定義鮮見，以目前筆者所收集的資料中，僅有臺北市政府捷運工程局的「潛盾施工作業手冊」及中國大陸朱佛、張明晶先生於「土壓平衡式盾構施工閉塞問題的發生機理及防治措施研究」中曾對該名詞加以說明，而其定義分述如下：
         (一)臺北市政府捷運工程局的「潛盾施工作業手冊」：當潛盾機無法以正常工作狀態鑽掘，諸如因切刃盤扭力增加、千斤頂推力持續增加或螺旋輸送機無法正常運轉，上述任一狀況持續一段時間無法解除時，則視為土艙閉塞。
         (二)朱佛、張明晶先生：壓力艙閉塞是由於土體成拱使得不能正常出土進而土體壓實充滿壓力艙，而缺乏流塑性的土體又使攪拌翼的阻力上升，加大刀盤扭矩進而引起施工困難。(詳圖1、2)

三、土艙閉塞的形成原因

        潛盾機發生土艙閉塞之狀況依地層不同其所發生的情況也會有所不同，現說明如下：
         (一)一般土層：土艙內土碴含水量低或排水性良好，但於掘進過程中土碴不斷的遭到壓密排水使其流動性不良，進而使土碴在土艙內固結形成閉塞。
        (二)粘性土層：黏性土發生土艙閉塞的情形有兩種，一種係因粘性土壤附著力強易附著於土艙內，進而漸漸累積並充滿土艙內而形成閉塞。一種為因粘性土壤包覆了切刃面盤，使得開挖面土石無法進入土艙而形成閉塞(詳圖3)。
        (三)卵礫石層：因土艙內土碴細粒料不足或流失，形成卵礫石含量過多沈積於土艙內，且因礫石間發生互鎖效應，造成土艙內土碴流動性不良並於形成閉塞，使開挖面土石無法進入(詳圖4)。
        而針對卵礫石層發生土艙閉塞的成因可藉由中央大學物理系及複雜系統中心賈魯強、黎壁賢先生發表的「漫談顆粒體物理」中「堵塞」(Jamming)來說明，因其發現在工業上常會利用漏斗來傳輸顆粒，但往往會發生堵塞狀況(詳圖5)，而一般液體是不會發生類似的現象。其堵塞主要是因為在流動的過程中發生穩定的“拱弧”現象，且藉著壓力的傳遞，把整個顆粒流的壓力變成一個定值，而經研究當粒子尺寸D和漏斗寬度R的比值(R/D)越大，顆粒流堵塞機率越小。

四、土艙閉塞的特徵

        當潛盾機於卵礫石層施工遭遇土艙閉塞時，會因潛盾機的構造不同而會所有差異，但大致上仍可從潛盾機掘進的相關數據、排土狀況等來進行辨別，現說明如下：
        (一)推力：當土艙內卵礫石含量逐漸累積達到一定量後，其彼此間的互鎖效應漸漸產生，使得土艙內的土碴流動性不良且開挖面土石不易進入土艙，因此潛盾機掘進時所需之推力愈來愈大(詳圖4)，而其推力的增加及改變與遭遇障礙物的反應是截然不同的，尤其潛盾機的面盤採用輪輻式時更為明顯。

        (二)扭力：因土艙閉塞形成時，潛盾機的掘進速度會減緩，切刃轉盤扭矩會升高，其原因係土艙內卵礫石間產生互鎖而導致土碴抗剪強度增加所致，尤其潛盾機土艙內設有攪拌棒(翼)時，因攪拌棒(翼)強制攪拌下將導致潛盾機切刃面盤扭力於短時間內急速上升，然若潛盾機無攪拌棒(翼)的設計，則扭力的變化就較不明顯。
        (三)電流值：當潛盾機土艙內設有攪拌棒時，可從其切刃扭力的電流值變化來判斷，因當攪拌棒與卵礫石接觸時，該值會有所變化，甚至當潛盾機發生土艙閉塞而造成掘進困難後，其掘進時的起動電流會較平時大(詳圖7)，而該部分係受土艙內存在異常阻力所造成。
        (四)軸承密封溫度：若軸承密封溫度過高時，將造成密封失效，導致土艙內之泥水砂粒進入軸承，使得軸承損壞及切刃面盤無法轉動之後果。因此一般潛盾機設計會設定一溫度上限值，達到溫度上限值時潛盾機會自動強制停機，作為潛盾機的保護措施。因而此時掘進會變成走走停停，如圖7所示，掘進管理圖形為上下跳動，掘進數據會突然掉到0，此時即為潛盾機自動強制停機。
        (五)排土溫度：當潛盾機掘進出現狀況時，推力及扭力高，速度卻沒增加時，此時切刃面盤與開挖面不斷研磨使得土碴溫度升高。因此藉由排土溫度的管理，可以了解目前開挖面掘進的狀況，當有異常發生時(即排土溫度異常上升時)，可立即採取措施以使排土溫度降低。
        (六)聲音差異：當土艙內充滿土碴而潛盾切刃面盤進行轉動再加上攪拌棒作用下，會使得緊密互鎖的礫石被強制攪拌，因此可於潛盾機內之隔艙壁聽到礫石相互摩擦之聲響。
        (七)排土狀況：當潛盾機掘進出土的卵礫石變少或產生粒料分離狀況時，如：每環的前幾車的土桶內僅有較少卵礫石，而最後一車的土桶多為卵礫石(詳圖8、9)，則該現象已是土艙閉塞的前兆，若廠商未適時處理則土艙內的土石將逐漸累積且愈來愈多，俟潛盾機無法掘進時將螺旋輸送機閘門打開進行探測，則會發現並無任何卵礫石(詳圖10)，而這就表示卵礫石不是堆積在土倉內就是被阻隔在切刃盤外，而其原因就如圖1所示。

五、土艙閉塞的處理方法

        有關土艙閉塞的處理方法的探討，首先須對潛盾機於卵礫石層發生土艙閉塞的原因及過程做一瞭解，以便能採取較適當的方式來處理土艙閉塞的問題。經由前述幾個章節的探討，可以了解到土艙閉塞的發生會有一定的發展過程，並非突然之間就發生土艙閉塞而造成潛盾機掘進困難。
        潛盾機土艙閉塞形成的原因是因為土艙內的礫石太多無法排出，造成礫石間互鎖效應，產生拱效應，使得土石無法掉落到下方，造成螺旋輸送機無法將礫石排出。而土艙內的礫石含量的累積是因種種因素導致礫石無法順利排出，使得土艙內的礫石含量不斷增加，隨著礫石含量的增加，潛盾機掘進的推力及扭力也將隨著不斷的增加，當礫石含量達到一個臨界值時，土艙閉塞即形成，此時潛盾掘進亦將變的十分的困難。因此卵礫石層的土艙閉塞可大致區分為發展階段及形成階段，而卵礫石層土艙閉塞之處理方法在這二個不同的階段，所採取的處理方式亦不相同。
        於發展階段時，為避免土艙閉塞的發生，所須採取的措施為降低土艙內礫石的含量，此一處理方法不需開啟潛盾機土艙。而於形成階段時，土艙內礫石含量已達一臨界值，礫石間的互鎖效應使得土艙內礫石緊密的固結在一起，此時要採用不開艙的處理方式可能已十分困難，因此必須採取開啟潛盾機土艙的方式，以人工清理土艙內礫石。
        一般潛盾機於卵礫石層遭遇土艙閉塞時會先行嘗試以不開倉之方式處理，若仍無法解決之下，才會進行開倉處理。當然處理方式的選擇亦需依潛盾機的構造及磨耗檢知切刃齒的磨耗情形來決定。現在就依這二種處理方式分述如下：
(一)不開艙處理
        根據洪如江先生等(1978)之研究，當卵礫石層之粗料部份(粒徑大於4號篩)含量大於75%，工程特性由粗料控制；若粗料部份小於70%，則其工程特性由粒徑小於4號篩之材料所決定，因此於卵礫石層會以不開艙方式處理土艙閉塞的施作理念便依據該原則來規劃。
        因當土艙內卵礫石含量過多導致閉塞(詳圖11)，即粗料部份(粒徑大於4號篩)含量大於75%，工程特性將由粗料控制，而該部分受限於卵礫石顆粒含量愈高，卵礫石之尖峰抗剪角愈大且愈明顯，變形模數亦相對愈大，對於潛盾機的掘進是有妨礙的，因此若能將潛盾機土艙內卵礫石含量減少，使粗料部份小於70%，則其工程特性將由粒徑小於4號篩之材料來決定，而該部分也容易使土艙內的土碴恢復塑性可流動性，即可使潛盾機再次出發掘進。
        因此不開艙處理的方法為將土艙內卵礫石置換，降低卵礫石含量，增加細粒料含量，而此置換方法需在潛盾機停止狀態下進行，其將置換材料注入土倉的同時利用螺旋輸送機將土艙內卵礫石排出。然此一置換工法能否成功的一個大前提為土艙內之石頭為可被螺運機排出之尺寸，若為較大石頭者，亦需開艙進入破碎。
        1.置換工法須注意事項
        (1)開挖面穩定：須先由土艙內注入置換材料，並建立土壓，待土壓力上升後，才能開始進行置換作業，然而排土過程須確保土壓力之維持，以確保開挖面穩定。
        (2)地下水狀況：須事先將地下水排除，以免排土過程中因地下水進入土艙將細粒料帶出，導致卵礫石仍無法順利排出。
        (3)排土狀況：置換過程中須仔細觀察礫石是否有順利排出，若無，則須適度調整注泥配比及濃度。(詳圖13)
        (4)潛盾機操作：以置換工法進行排土作業，僅能操作螺運機排土作業，盡量避免轉動切刃面盤，因切刃面盤轉動容易擾動開挖面土壤，而造成開挖面土石崩落。
        2.置換材料選擇
        採取置換工法的另一個重點為置換的材料，該材料須考量下列特性：
        (1)止水性：能阻止地下水進入土艙以確保細粒料不因地下水而流失。
        (2)填充性：能順利填充於礫石顆粒之間，並藉由土壓之建立，使卵礫石間互鎖的接觸應力降低。
        (3)顆粒性：所注入之置換材須具有顆粒性以增加細粒料含量，使置換材料可填充於礫石間大孔隙，又不易流失，以利土艙內土壓之建立。
        (4)濃稠性：置換材料的濃稠度需盡量高以利於止水效果並可吸附微小顆粒，使細粒料不易流失。
        因此一般於卵礫石層進行置換工法大多會選用下列之材料：
        A.高分子+皂土+水玻璃。(皂土須具膨脹性)
        B.特殊高分子材料。(泡水後為果凍型態，可支撐礫石)
        C.化學灌漿材料。
        D.粘土礦物系材料。
        而上述材料中效果最好的當屬粘土礦物系材料。
(二)開艙處理
        一般於卵礫石層要進行潛盾機土艙開啟作業前，必須確認二件事，一為地下水狀況，二為開挖面穩定，以避免開艙時，因大量地下水流入將卵礫石層間土砂帶走，造成開挖面不穩定而崩落，因此需採取相對應的輔助工法，如：點井降水、地盤改良及壓氣工法等。在採取相對應的輔助工法後，再來就是如何將潛盾機土艙隔板上的人孔開啟，完成開艙的工作。土艙人孔開啟是一個高風險的作業，因此對於開艙的整個流程及每個步驟都應小心注意。以下就各輔助工法及開艙流程做一簡述：
        1.輔助工法述
        1.(1)深井降水：費用較低，施工期短，但需謹慎評估卵礫石層之透水性(滲透係數)，進而計算可能之出水量，並規劃深水井之配置，以確保地下水位能降至目標高程。
        1.(2)地盤改良：費用較高，施工期長，止水效果好且能增加開挖面穩定性，但地改灌漿也可能包覆潛盾機及切刃面盤，造成切刃面盤無法轉動或潛盾再推進時之困難。因此建議於地盤改良工作進行前，先於潛盾機周身及切刃面盤前方(含土艙內)注入濃泥(加泥材)，以避免懸濁型灌漿材料(水泥系)包覆潛盾機及面盤。
        1.(3)壓氣工法：費用較高，施工期長，止水效果良好，但因卵礫石層孔隙大且都巿地下管線較多，壓氣容易漏失，因此尚需配合其他輔助工法，如地改或開挖面注泥等，使孔隙變小以減少壓氣漏失量。
        1.依據上述三種工法之簡述說明，在此做一列表比較，依地質狀況、施工安全性、施工效率、施工工期等條件比較，來選擇最適的輔助工法。依表1比較結果顯示，目前國內於卵礫石層進行開艙作業通常會採取深井降水作為其首選的輔助工法。
表1 開艙輔助工法比較表
        2.開艙流程及注意事項
        製定一標準作業程序，依此一作業流程來確保開艙作業之安全，如表2所示。
表2 開艙流程及注意事項

        但若須至潛盾機切刃面盤前方作業時，則應注意開挖面穩定狀況，故建議於開挖面增加噴凝土封面或其他相關保護措施(詳圖12)，以確保施工人員安全。

六、結論

        土艙閉塞雖然於卵礫石層中常造成潛盾機掘進時一個障礙，但若能於掘進過程能儘量將開挖面切削的土體在土艙中成為一種塑性可流動性的狀態，再加上良好的施工掘進管理將可大幅降低發生的機率，且若不慎發生時能立即透過有經驗的施工人員妥為規畫及因應，以國內目前之施工水準，短則數天、長者5、6個星期即可迎刃而解並重新出發，因此希藉由本文能讓各位先進對土艙閉塞能更了解，以避免再浪費金錢與工期。

參考文獻

1.臺北市政府捷運工程局(2006年12月版)，「潛盾施工作業手冊」。
2.陸朱佛、張明晶(2004年)，「土壓平衡式盾構施工閉塞問題的發生機理及防治措施研究」，河海大學碩士論文。
3.賈魯強、黎壁賢(2001年8月)，「漫談顆粒體物理」，物理雙月刊(23卷4期)，第503~510頁。
4.洪如江(1978)，「複合土工程特性之初步研究」，台大工程學刊第23期，第1~12頁。