以大巨蛋與國父紀念館通道為例
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林昆虎／臺北市政府工務局新建工程處 處長 劉家銘／臺北市政府工務局新建工程處 副處長 賴至竑／臺北市政府工務局新建工程處 維護工程科 股長 張建輝／恆康工程顧問股份有限公司 董事長 陳水龍／國立台北科技大學土木工程系 教授 |
| 在軟弱的地質中施作管冪工法，土體變形及地表沉陷是工程成敗的關鍵。因此，分析評估上述兩 因子並符合設計條件要求，是工程中極大的挑戰。本篇案例為忠孝東路地下穿越道新建工程，工程複 雜之處為人行穿越道上方有樹齡超過二十年的白千層及樟樹樹木帶，在綜合考量下，並非採用傳統的 明挖覆蓋法而是選擇採用管冪工法配合箱涵施作構築成人行穿越道。根據分析結果顯示，使用管冪工 法來進行淺層隧道開挖，將可以有效的控制隧 道上方地表的位移量，於各種覆土深度之隧道開挖所引 致之最終沉陷量的差異極小，除此之外，由於受到地下水產生的浮力影響，於隧道開挖時因為隧道重 量逐漸 減輕，將導致隧道緩慢上浮。藉由捷運之垂直變位量得出，於隧道開挖階段，觀測 點之垂直 位移量將隨著覆土深度的增加而增加。而關於各隧道開挖階段時之最大正 彎矩與負彎矩，當隧道開挖 至相同開挖面時，雖然兩種輪進長度的值差異並不大， 但結果顯示若採用較短的輪進長度所產生的彎 矩會較小；此外，結果亦顯示隧道開 挖所產生之彎矩與隧道覆土深度成正比。 |
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一、前言 台灣的工程中，較淺層的箱涵隧道在成本、排水等綜合考量下會採用明挖覆蓋或覆版逆打工法的 方式進行施工，此方法面臨最大的問題是需犧牲上方的交通便利性。因此，大多數的工程為了降低施 工對於交通的衝擊，最終選擇管冪推進工法進行施作。在都會區內的管冪隧道施工，順利施工的首要 目標為降低對地面活動及其他地面下設施與管線的影響。運用管冪工法作為輔助工法已廣泛被工程界 接受，且於公共工程中亦有數個成功的案例。在台北盆地之軟弱的地質中施作管冪工法，土體變形及 地表沉陷是工程成敗的關鍵，因此，分析評估上述兩因子並符合設計條件要求，是工程中極大的挑戰。 本篇之案例為忠孝東路地下穿越道新建工程，現地中預開挖的人行穿越道上方有樹齡超過二十年的白 千層及樟樹樹木帶，在護樹團體積極保護下，本工程採用管冪工法配合箱涵施作構築成人行穿越道， 藉此串聯忠孝東路上及國父紀念館的人流。二、案例簡介 (一)工程概述本工程工址位於國父紀念館正北方側且緊鄰忠孝東路四段南側，其北側地下結構物為捷運板南 線捷運隧道，地上結構物為大巨蛋園區，其西側為光復南路，東側則為逸仙路，工程位置示意如圖 1所示。本次工程之主要目的為藉由施作地下穿越道的方式串聯國父紀念館及大巨蛋園區的人流。 位於忠孝東路正下方和捷運板南線上方，已有當初施作捷運國父紀念館車站時預留之箱涵穿越道。 因此本工程主要項目為施作管冪推進工法及新設箱涵結構構築六米長的地下穿越道連接原先既有 的箱涵，藉此達到連接忠孝東路兩側之國父紀念館及大巨蛋園區，使兩側往返的人流動線上能更加 便利及流暢。本工程亦包含出發井連續壁的施作及到達井鋼板樁的打設及相關機電設施的安置。  圖1 工程位置示意圖 本工程進行現場地質鑽探5個孔，各個鑽孔深度為30公尺，完成總鑽探深度為150公尺，其各鑽 孔之位置平面圖及地層柱狀剖面圖如圖2及圖3所示。於調查深度內本基地地層蓋分成三個層次，由 上至下分別為回填層、粉土質黏土層及粉土質黏土層，各地層之簡化參數表如表1所示。其地層分 佈及工程特性簡述如下: 1.回填層 本層主要為混凝土鋪面、棕灰色至棕褐色粉土質黏土、砂、礫石、雜物所組成，分佈在地表 面至地表下約0.8~1.3公尺間，平均則分佈在地表下0~1.1公尺間，平均厚度約1.1公尺。 2.粉土質黏土層 本層主要為棕黃色粉土質粘所組成，含少量細砂，約分佈在地表下0.8~13公尺至2.6~33公尺 間，平均則分佈在地表下1.1~2.9公尺間，平均厚度約為1.8公尺。 (1)標準貫入試驗N值：4~6，平均值約為5。屬中等稠密土壤。 (2)平均單位重：1.84 t/m3 (3)平均孔隙比：1.03 (4)平均自然含水率(ω)：37% (5)平均液性限度(LL%)：52 (6)平均塑性指數(PI%)：26 3.粉土質黏土層 本層主要為棕灰色至灰色粉土值黏土所組成，含少量貝屑，約分佈在地表下2.6~3.3公尺以下， 平均則分佈在地表下29公尺以下，因最大調查深度尚未貫穿本層，故其平均厚度未知。若依粘土 層軟弱程度(標準貫入試N值)將本層再概分為三個次層，各次層分述如下： A.上層 本次層平均分佈約分佈在地表下2.9~12.0公尺間，平均厚度約為9.1公尺。 (1)標準貫入試驗N值:1~4，平均值約為3。屬極軟弱至軟弱土壤。 (2)平均單位重：1.91 t/m3 (3)平均孔隙比：0.88 (4)平均自然含水率(ω)：31% (5)平均液性限度(LL%)：29 (6)平均塑性指數(PI%)：10 B.中層 本次層平均分佈約分佈在地表下12.0~23.0公尺間，平均厚度約為11.0公尺。 (1)標準貫入試驗N值:4~6，平均值約為5。屬中等稠密土壤。 (2)平均單位重：1.83 t/m3 (3)平均孔隙比：1.06 (4)平均自然含水率(ω)：38% (5)平均液性限度(LL%)：40 (6)平均塑性指數(PI%)：17 C.下層 本次層平均分佈約分佈在地表下23.0公尺以下。 (1)標準貫入試驗N值:6~8，平均值約為7。屬中等稠密土壤。 (2)平均單位重：1.86 t/m3 (3)平均孔隙比：0.98 (4)平均自然含水率(ω)：34% (5)平均液性限度(LL%)：38 (6)平均塑性指數(PI%)：17   圖2 各鑽孔之位置平面圖  圖3 各鑽孔之地層柱狀剖面圖 台北盆地過去由於地下水源之開發而抽取深層礫石及砂層之地下水，使其地下水壓低於靜態之 水壓，且使土層之有效壓力增加而產生壓密沉陷，根據水資會統計民國44年至80年間盆地各處下陷 量所繪製之等值線圖，下陷最嚴重地區累積之下陷量已超過2公尺。自民國65年以後，台北盆地管 制地下水抽取後，地盤沉陷已開始減緩，而深層含水層之水壓雖然尚低於靜態水壓，但已慢慢增加。 根據地質調查期間之地下水位觀測結果，基地地下水位約位於地表下2.8~3.1公尺間，此水位應 為厚黏土層上方之棲止水位。考慮地下水位會隨季節變化而改變，建議基礎分析及擋土結構分析之 設計常時水位為地表面下2.0公尺；另考量暴雨時短期水位上升之影響，建議短期設計最高水位為地 表面。 三、現地樹木保留利用管冪推進工法 在普遍的工程經驗中，若要興建淺埋隧道之相關工程，基於工程成本、時間…等考量，通常會使 用明挖覆蓋的方式建造。但由於此工程之地下廊道上方的白千層及樟樹綠帶具有數十年的樹齡，在樹 保團體強烈表達無法使用樹木移植的方式度過整個工期，因此此工程並未採用明挖覆蓋工法，而是採 用在地下穿越道的南北側施作出發井及到達井，工作井完工後於白千層及樟樹綠帶下方進行管冪推進 工法，爾後施作連穿越道箱涵結構體及構築明挖工區連穿越道結構，目的是防止地面沉陷量過大而傷 及上方之植栽。(一)管冪推進工法 本工程使用管冪規格如表2所示。原設計為外卡榫，母榫進時，裸露於鋼管外側且大於機頭刀 刃切削面積，其榫槽易造成挫曲榫損壞或榫槽內卡進異物(礫石或樹根)，易形成脫榫主因，將導致 工程障礙。因此調整後為內卡榫，母榫調整為鋼管內側，確保不挫曲破壞，榫槽內填充發泡材後， 阻隔異物進入槽內，如入榫順利，將提高推進成功機率，如圖4所示。當所有管冪皆推進完成後，形 成一封閉的矩形，能有效抵抗周圍的土壤壓力，達到開挖時穩定的效果。其排列方式，如圖5所示。   圖4 管冪銜接示意圖  圖5 管冪斷面圖  管冪施工主要是利用推管機將加工過之鋼管穿過土層向預定位置推進，每節鋼管採用滿焊方式 接續，每支鋼管與鋼管之間則利用內接榫方式互相結合，鋼管呈連續排列形成管冪。管冪施工採用 一次工法，即管冪機頭與鋼管同時推進一次施工完成。推進機具會於現場做組裝，如圖14所示。再 將其方向與高程定位後以焊接方式將推進機具固定於施工構台上。前述步驟完成後會將欲推進鋼管 的位置，其連續壁鏡面的部分運用人工切削除，如圖16及圖17所示，將先導管入坑，待高程及位置 確認後依序將鋼管、排泥管及油壓管接續在後方，完成後便開始推進。因出發井後方空間有限，本 工程一支管冪由三節鋼管焊接所組成，在推進過程中需要推墊的輔助，如圖18所示。動力的部分則 依靠千斤頂作用在反力座上的推力推進。推進期間皆以紅外線經緯儀及機身上標靶來進行定位和定 向，紅外線經緯儀會將行進間所測得之數據傳送至控制機箱，現場操作人員會以此為依據，調整機 頭的前進方向及方位，如圖22所示。當單支管冪推進完成後，如圖24所示。運用天車將機頭、排泥 管、千斤頂、標靶吊掛至地表面，由卡車載運推進機具至出發井再接續施作下一根管冪。每根管冪 都依上述的步驟依序施作，共74支。當上排管冪全部施作完成後隔日於鋼管內填充抗壓強度210 kg/cm2的混凝土，如圖25及圖26所示。避免因鋼管為空心結構而引致地表沉陷；鋼管外的背填灌漿 則採用間隔五支管冪的上方插入一支鋼管並進行充填直到漿體回流，如圖28所示，表示已背填完畢， 接續依照上排管冪的做法施作左側及右側管冪，最後再施作下排管冪，將四周的管冪皆推進及填充 完畢後即完成管冪施作的階段，如圖29所示。整個管冪工法的施作流程，如圖30所示。  圖14 組裝完成後之推進系統      圖30 管冪工法施作流程圖 四、現場監測系統概述 為了確保施工期間的安全性，不論是隧道工程或深開挖工程，工程監測是不可或缺的一環。在都 市之工程中，除了工區內的監測外，在工程範圍內也會布設多個觀察點，來監測其變形量。施工期間 之監測資料，可做為鄰近結構物保護措施的依據，以研判是否有增加輔助保護措施之必要性，如有發 生變形或應力有異常增加時，能即時應對及補救。本工程屬於淺覆蓋箱涵開挖，但管冪隧道上方為較無經濟價值的白千層及樟樹群，因此並未對其 進行監測。主要監測內容著重於連續壁工程及捷運板南線之沉陷點，藉此監控連續壁傾斜度及捷運板 南線車道之垂直變位量，避免深開挖時造成損害。 (一)監測儀器介紹 目前用於開挖之觀測系統的項目雖然有許多種類，但不外乎對水、土壤及結構體等進行物理量 的觀測(位移、應力應變、傾斜角度等)。本案例所使用之觀測項目大略可分為三大類，其說明如下: 1.位移或變形的觀測 觀測項目包括擋土結構及土壤側向變形、建築物傾斜度、地表及建築物的沉陷、開挖面底部 隆起及中間柱上浮等項目。本工程用來監測位移的儀器有沉陷觀測點、土中傾度管、傾斜計、連 續壁中傾度管以及隆起桿。 在工址周遭及板南線車道上方皆有設置沉陷觀測點進行觀測，藉以用來觀測施工中是否有發 生較明顯的垂直變為；並於捷運板南線及國父紀念館分別架設傾度儀觀測管進行量測，藉以來觀 測其水平位移量。於基地深開挖前建立初始值，隨著工程進行定期進行觀測及記錄，並與初始值 進行比較，即可得到土層測量位移量，並對大小、速率、方向及最大位移量的位置進行分析。 2.應力或力量的觀測 本工程於擋土支撐材料中架設電子式支撐應變計來監測其支撐軸力，藉此了解支撐系統荷載 及應力分布情況，用以分析支撐系統穩定及安全程度判別依據；並於連續壁鋼筋中設置應變計來 量測其應力變化，校驗檢核結構體之安全度。 3.水壓和水位的觀測 本工程採用水位觀測井及豎管式水壓計來觀測工址內地下水位隨時的水位。水位觀測井主要 來量測地下水位之高程，將所得的水位變化與其他監測資料相互搭配，藉此推測開挖內外側所引 起的行為，用以防範管湧、上舉或砂湧等災害。豎管式水壓計為當地下水進入透水管後，沿豎管 上升；當地下水上升的高度與透水管深度處的水壓平衡後，管內高度及目前位置的孔隙水壓。於 施工期間，當孔隙水壓超過設計值時，可根據量測之壓力數據控制開挖速度，避免危害的發生。 為確保開挖施工過程中的安全及有效掌握現況，於工區周遭設立沉陷觀測點共37處、土中傾度管 共5處、水位觀測井共1處、豎管式水壓計共4處；於擋土支撐方面，電子式支撐應變計共80個；於古蹟 建築本體方面，傾斜計(採黏貼可回復式固定)共4處；於連續壁方面，連續壁中傾度管共4處、連續壁鋼 筋應變計共4處及隆起桿共3處。以上監測儀器平面配置圖如圖所示。 於捷運板南線方面。上行線中，軌道沉陷點共18處36點；下行線，軌道沉陷點18處36點；結構物沉 陷點及結構物傾斜計各為5處。其捷運設施監測儀器平面配置圖如圖所示。  圖31 監測儀器平面配置圖  圖32 捷運設施監測儀器平面配置圖 五、人行穿越道開挖靜態數值分析與成果探討 (一)數值分析流程概述本研究是以三維有限元素軟體PLAXIS 3D進行模擬分析，本章節主要是介紹數值模擬之步驟， 詳細說明如下: 1.模型設定 元素類型採十節點之四面體元素，單位的選擇(長度:m、力:kN、時間:天)，水的單位重假 設為10 KN/m3，模型的尺寸大小透過????????、????????、????????、????????、????????、????????設定模型的範圍。 根據Clough和O'Rourke(1990)研究指出深開挖引致之地表沉陷，透過不同地質條件建議其影 響範圍約在二至三倍的開挖深度，又因主要影響區的範圍約在二至四倍的開挖深度為影響區，故 分析時取四倍開挖深度即可掌握開挖所影響沉陷的範圍。由於本研究在模擬時有考慮到鄰房結構 物的影響，故將東西向(X軸)寬度從出發井東西側各延伸五倍的開挖深度(5D)，南北向(Y軸)從出 發井南側連續壁及到達井北側鋼板樁延伸五倍開挖深度(5D)。模型土壤的深度(Z軸)，依據地質鑽 探報告延伸至地表-55m處。因此整體模型的邊界大小為185 m × 157 m × 60 m，如圖33所示。  圖33 模型幾何圖 本研究之土層採用應變硬化模式(Hardening Soil)進行分析，分別在對應的深度輸入土層的厚 度，並賦予其轉換後的土壤參數及地下水位。 結構體的部分有出發井的連續壁、到達井的鋼板樁、地中壁、軸向支撐、圍囹、管冪結構及 箱涵開挖支撐。以板元素模擬連續壁、鋼板樁、地中壁、箱涵構造及管冪結構；以點對點錨桿模 擬出發井及到達井的軸向支撐；以梁元素模擬出發井及到達井的基地圍囹；以線荷載模擬箱涵開 挖的臨時支撐。 3.管冪工法設置 隧道設計器內的功能包含隧道斷面描繪、岩栓間距配置、隧道材料設置、隧道軌跡設定、隧 道開挖工序，如圖所示。模擬順序為決定隧道幾何斷面，在設定材料及軌跡的配置，最後進行開 挖的工序。水平管冪工法的模擬在PLAXIS 3D的發展尚未成熟，較無相關資訊可參考。因此，本 研究設想三種不同的方法(多段曲線、樁元素、隧道設計器-板元素)後，決定採用隧道設計器搭配 板元素來模擬管冪結構，如圖所示。 4.網格生成 定義完模型的幾何條件及將各土層參數及結構對象皆賦予其材料屬性後，程式會藉由內建的 5個選項(粗糙、粗、中等、細、細緻)及是否加密網格，將幾何模型劃分成數個獨立的有限單元。 因此，依據程式的限制及分析時間長短的考量下，本案例是採用"中等+加密網格"進行劃分，其網 格生成後如圖及圖所示。  圖34 隧道設計器示意圖  圖35 管冪結構示意圖(棕色部分)  圖36 土體劃分網格  圖37 結構劃分網格圖 PLAXIS 3D進行有效應力分析時，其總應力是由土壤的有效應力及水壓力所組成，水壓力的 組成為靜態水壓、滲流水壓及超額孔隙水壓。靜態水壓及滲流水壓可藉由水位差的設定生成，超 額孔隙水壓為在短時間無法排水的狀態下結構體加載所產生，如不涉及水壓的工程，可不用設定 水力條件，即潛水位設定於幾何模型的底部。 6.施工步驟 初始狀態將土壤激活，並於第1步驟將既有結構物及樹木帶激活，於第2步驟將連續壁、鋼板 樁和地中壁激活，於第3步驟激活地盤改良，並將初始變位歸零。步驟4至步驟8則是第一階段至 第五階段的土方開挖及支撐架設，並配合開挖階段調降開挖面的水位。步驟9則因應現地狀況， 將管冪範圍的支撐拆除。步驟10至步驟12為依序施作上排管冪、左排及右排管冪、下排管冪。步 驟13至步驟15則搭配箱涵結構的施作將開挖分為三輪進進行。 7.計算 程式先行計算初始狀態之初始應力及初始應變，初始應力的定義中分為K0法及重力加載法， 前者與後者最大的差別為土層分布、地表面和水位是否為水平；步驟1開始計算前，程式會將位 移重置為零，表示土壤於開挖前的永久變形量永遠為零，接著依序先前設定之施工步驟進行計算。 8.成果分析輸出 如計算成功後方可輸出數值結果，從輸出視窗中選取變形、應力等選項觀察位移量、應力應 變的分布等，輸出成果亦能以色階圖或向量圖的方式呈現，以利設計者觀察整體變化的趨勢。 9.數據統計及分析 將分析結果之各項數據，以運算成果表格方式呈現，並利用視窗系統剪貼功能(Clipboard)將 資料擷取至Excel試算表中計進行排列及儲存，並運用圖表的選項將各點數據串聯起來，繪製相關 的位移圖示。 (二)施工步驟 採用PLAXIS 3D模擬施工步驟，共分成18個分階段施工，如表所示。以探討開挖造成連續壁體 的側向位移、地表沉陷及管冪受力情形，並依分析結果與規範規定數值比較差異，以驗證建構模型 方式及相關參數之正確性。    圖38 地表量測線之剖面圖   圖39 各階段開挖人行穿越道上方的地表沉陷量(斷面高寬比= 0.36) (四)隧道開挖對於管冪結構之安全性分析 結構物發生破壞的情形通常都位於彎矩最大值之處，根據Wael R.Abdellah和Hyung-Sik Yang等 人(2018)的研究指出，淺埋矩形隧道將會於隧道頂部及底部產生應力集中的發生，而此現象將會造 成結構板產生較大的彎矩，其中又以管冪上板為隧道施工中必須特別注意的地方，因此本節將以各 階段彎矩分布來分析管冪上半部分的受力情形，藉以探討隧道於開挖時其上排管冪之彎矩直變化， 以了解其安全性。 表7別表8出各階段人行穿越道開挖時在上排管冪結構所產生的最大正彎矩值與最大負彎矩值。 由表格內的數據可知，關於各階段開挖所產生之最大正彎矩與最大負彎矩，其值與斷面高寬比成相 反關係且非線性遞增。可發現各階段人行穿越道開挖時，最大負彎矩之絕對值與最大正彎矩值基本 上其值相差不大，而人行穿越道完成時所產生的最大正彎矩與最大負彎矩在三個階段中皆為最大， 因此於人行穿越道貫穿時須特別留意。除此之外，人行穿越道的開挖，最大正彎矩都發生在上排管 冪兩側的位置，最大負彎矩都發生在上排管冪的正中央，如圖40，此分析結果與過去學者所進行的 試驗中觀察到的現象相同，因此於工程進行中須特別留意上排管冪的兩側及中央的位置，避免發生 破壞。   圖40 管冪結構彎矩分布情形(斷面高寬比=0.36) 六、結論 本研究使用PLAXIS 3D CE作為模擬軟體，案例以忠孝東路四段地下穿越道新建工程為基礎模型， 中進行淺埋管冪箱涵結構之模擬分析，並設計管冪斷面的高寬比進行延伸模擬，以探討各階段開挖對 於連續壁體的側向位移變化、開挖區域外之地表沉陷、淺埋管冪箱涵結構上方所引致周遭的地表沉陷 及管冪之受力情形，以下為本文之結論。(一)藉由數值分析結果顯示使用管冪工法搭配箱涵結構來構成地下人行穿越道，將能有效控制隧道上 方的地表變位量。地表最終沉陷量皆在2cm以內，亦符合過往的施工經驗。工程中影響沉陷量最大 的因素為人行穿越道的開挖，隧道於開挖前處於原始應力狀態，因土壤挖除後打破此狀態，應力會 逐漸減小，四周圍岩會向內部變形，當支撐施加以後，圍岩與支撐產生相互作用，兩者達到一平衡 狀態，而產生最終的地表沉陷量。 (二)關於地下人行穿越道各階段開挖造成上排管冪承受的最大正彎矩與最大負彎矩，於開挖初始至穿 越道貫通後，在斷面有逐漸增加的現象，正彎矩與負彎矩相差不會太大。最大正彎矩都發生在上排 管冪兩側的位置，最大負彎矩都發生在上排管冪的正中央，於工程進行時需善加留意此三處。在安 全分析上，管冪結構於開挖過程所承受的彎矩並不會達到設計的彎矩。 (三)依據靜態數值分析結果，以結構總位移來看，X向最大側傾量出現於施作第五階開挖及拆除出發井 及到達井第二、三階水平支撐的階段；Y向最大側傾量出現於第三階段連續壁及鋼鈑樁開挖支撐； Z向最大沉陷量出現於出發井及到達井第三階段開挖與支撐及拆除出發井及到達井第二、三階水平 支撐。總位移皆出現於開挖施工階段。 |
