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1、中華技術 G:/fileroot03/2019-523165bccfd-a075-4846-b950-d5597cadde726379e219ec786fb3707299334dd3ea1f.pdf第 1 頁，共 16 頁 豎井開挖支撐設計施工案例探討-台鐵汐止 42 號豎井為例 中華顧問工程司 協理 陳福勝 大地工程部組長 吳文隆 大地工程部 工程師 周坤賢 摘要摘要 南港專案CL320標鐵路地下道工程之汐止段山岳隧道及引道工程，位於汐止市大坑 溪東側屬基隆河中下游河谷地形區，本工程單孔為雙軌鑽掘隧道其開挖面積約108平方 公尺，長度約為1700公尺。因消防、通風、緊急避難以及施工需要，故於
2、山岳隧道台 北端之出口與明挖覆蓋箱型隧道段銜接處以圓形豎井銜接相關界面。因其地質特殊， 地層與結構相關互制機制複雜，故採用ABAQUS進行本計畫之分析。 此通風豎井之直徑為23.9公尺，開挖深度為24公尺，地層出露為第三紀桂竹林層結 構膠結疏鬆之砂岩及產生軟弱泥岩，附近地層位態呈N74E/25SE，地表至地表下 5.2m為表土層及高度風化岩層，5.27.3m為膠結疏鬆砂岩，7.319.7m為破碎灰黑色泥 岩，19.727m為灰黑色砂岩，膠結疏鬆軟弱，2735m為灰黑色泥岩夾薄層砂岩，地下 水位約在地表下78m，岩體品質指標R.Q.D不佳多在25%以下，單壓強度多在10MPa以 下，地表下710
3、m、1415m、3031m之砂岩具有潛在透水層。本工程之開挖因鄰近鐵 道約3.0公尺5.5公尺，對於開挖工程所造成之容許變位要求甚高，故本工程採用直徑 150公分，長度30公尺之全套管切削樁(secant pile wall)密接做為擋土結構物，擋土排樁 之樁間距為120公分，同時配合樁頂壓梁及樁身之環梁作為內支撐系統。因於軟岩中施 作圓形豎井，以切削排樁做為擋土系統。 關鍵字：隧道界面、擋土切削、通風豎井、軟岩。 壹、前言 鐵路地下化工程南港專案對於促進都會區整體發展、改善市區交通行車延滯等均 有顯著效益。長隧道工程為增加工作面以縮短工期或消防逃生等需求，一般皆需進行 垂直工作豎井之開挖。台
4、鐵於汐止段山岳隧道及引道工程(CL302標)，工址平面位置示 意圖如圖1所示。位於大坑溪東側屬基隆河中下游河谷地形區，本工程為單孔雙軌鑽掘 隧道其開挖面積約108平方公尺，長度約為1700公尺，以42號通風豎井與CL303標都市 明挖覆蓋隧道連接，恰為箱型斷面之明挖覆蓋隧道及馬蹄形斷面山岳隧道之銜接處。 由於排水、消防、通風及緊急出口及施工中之交通維持等因素於CL302標隧道之西側設 置永久性豎井。西口豎井為圓筒結構，豎井直徑23.9公尺，開挖深度24公尺，由於上浮 中華技術 G:/fileroot03/2019-523165bccfd-a075-4846-b950-d5597cadde726
5、379e219ec786fb3707299334dd3ea1f.pdf第 2 頁，共 16 頁 力問題，須於底版處之壁體設置剪力榫，且因為連接兩側隧道而有開孔，結構受力行 為複雜，分析採用ABAQUS程式，建立3D模型進行分析。 圖 1 工址平面位置示意圖 本工程因緊臨既有鐵路，以及位於北二高南港連絡道下方，故施工困難度高，相 關之平面位置如圖2所示。本工程之特色為鄰近運作中鐵路施工，最短距離僅3公尺。 同時本豎井為銜接山岳隧道(馬蹄型)與明挖隧道(箱形)界面，有應力集中問題。另因位 於北二高高架橋下施工，相關施工機具高度受限制。 圖 2 平面位置暨相關工程 貳、地形與地質 一、地形一、地形
6、中華技術 G:/fileroot03/2019-523165bccfd-a075-4846-b950-d5597cadde726379e219ec786fb3707299334dd3ea1f.pdf第 3 頁，共 16 頁 本工址位於基隆河南岸，屬於基隆河大坑溪支流流域。基隆河兩側之山嶺大致呈 東北-西南走向，地勢由河谷向兩側逐漸攀升。本工程位於台北盆地邊緣，地理位置屬 台北縣汐止市與台北市交界。本工址位於西部丘陵區之邊緣，東南側為橫科山，標高 90 公尺，屬丘陵斜坡與沖積平原之接觸帶，工址平面位置如圖 1 所示。 二、地質二、地質 工址之地層以第三紀中、上新世砂、頁岩等沉積岩層所組成之地層，
7、包括南莊層 及桂竹林層，與第四紀砂、泥、礫石等未固結材料以及現代沖積層，本工址位於八堵 向斜軸之西北翼，因此沉積岩層主要呈東南傾之單斜構造，工址之區域地質平面圖如 圖3所示。本工址鄰近之斷層對於本工址無直接影響。本工址所之地層剖面圖，如圖4 所示。 區域地質平面圖區域地質平面圖 Qa (沖積層) Qa Mk(桂竹林層) Mcu (南莊層) Mcu Mk 填 土 區 填 土 區 Mk 20 20 Qt (台地堆積層) Qa (沖積層) 5 3 一 一 一 一一一一一 一一一一 一 一 一 一一一一一 一 一 一 一一一一 一 一 一 一一一 一一一一 一一一一 一一一一一一一 一一一 一一一 計
8、畫起點 西洞口 計畫終點 東洞口 N EW S #42豎井 圖 3 區域地質平面圖 以既有之地層資料顯示，此通風豎井之直徑為23.9公尺，開挖深度為24公尺，地層 出露為桂竹林層膠結疏鬆軟弱之砂岩及泥岩，附近地層位態呈N74E/25SE，地表至地 表下5.2m為表土層及高度風化岩層，5.27.3m為膠結疏鬆砂岩，7.319.7m為破碎灰黑 色泥岩，19.727m為灰黑色砂岩，膠結疏鬆軟弱，2735m為灰黑色泥岩夾薄層砂岩， 地下水位約在地表下78m，岩體R.Q.D不佳多在25%以下，單壓強度多在10MPa以下， 地表下710m、1415m、3031m有潛在透水層。依據現場水位觀測井於孔口下15
9、.0至 20.0公尺所做之滲漏試驗，其透水度屬中等。 中華技術 G:/fileroot03/2019-523165bccfd-a075-4846-b950-d5597cadde726379e219ec786fb3707299334dd3ea1f.pdf第 4 頁，共 16 頁 里程(m) 圖4 工址附近地質縱剖面圖 參、豎井型式研析 豎井型式一般可分為圓形及長方形兩種，有關圓形豎井與長方形豎井之各有其優 缺點，一般而言圓形或是多邊形其結構力學行為因無角隅問題作用力較為均勻，且圓 形豎井有拱效應，故較長方型為佳。在擋土壁(連續壁)施築方面，在相同利用空間條件 下，方形之擋土壁(連續壁)長度將比圓
10、形略大，但方型擋土壁(連續壁)施工工率較佳。 在開挖工期與安全支撐方面之比較，圓形因不需架設內支撐系統，故開挖工率較佳， 工期較短。在作業空間方面，方型因架設內支撐及中間柱，故作業空間較圓形狹小。 有關之比較表詳表一所示： 表一 豎井型式比較表 項目圓(多邊)形豎井長方形豎井 結構力學行為佳差 連續壁施築同(長約 80m; 工率稍低)同(長約 100m) 開挖工期與安全佳；快、變位極微差；慢、需支撐系統 作業空間大內撐系統阻礙 連接隧道界面 圓形豎井若與方形隧 道連接須加強界面止 水處理 配筋及組模較複雜 方形豎井與方形隧道 之界面止水較佳 配筋及組模較簡單 本工程在考量相關施工條件及交通維持
11、要求，建議採圓(多邊)形豎井施作。豎井之 平面示意圖如圖5所示： 42 號 豎井 位置 高程 (m) 中華技術 G:/fileroot03/2019-523165bccfd-a075-4846-b950-d5597cadde726379e219ec786fb3707299334dd3ea1f.pdf第 5 頁，共 16 頁 圖5 #42豎井配置平面圖 肆、豎井數值分析 本豎井為圓形結構，且因為連接兩側隧道而有開孔，結構受力行為複雜，分析採 用ABAQUS程式(5.8版)，建立3D模型進行分析。分析說明如下，本豎井數值分析包括 有豎井擋土壁分析及內牆分析。 一、擋土壁數值分析一、擋土壁數值分析
12、其中擋土壁分析採用三維軸對稱橫式，降伏準則使用Mohr-Columb降伏準則，使用 之參數如表二所示。分析網格如圖6所示，分析邊界由050公尺，深度50公尺。 N N N N N N 往台北 往汐止 箱型隧道 山岳隧道 中華技術 G:/fileroot03/2019-523165bccfd-a075-4846-b950-d5597cadde726379e219ec786fb3707299334dd3ea1f.pdf第 6 頁，共 16 頁 圖 6 分析網格 表二 擋土壁分析參數表 參數輸入值 單位密度 (t/m3)1.92 楊氏模數E(t/m2) 5 1065 . 0 凝聚力c(t/m2)15
13、 摩擦角()35 初始孔隙比0.35 初始飽和度(%)100 初始靜止土壓力係數0.5 初始地下水位(m)距地表面0 開挖降水(m)距地表面24 滲透係數(m/sec) 6 105 切削樁混凝土強度(kg/cm2)240 內牆混凝土強度(kg/cm2)240 鋼筋降伏強度(kg/cm2) D19以下 D22以下 2800 4200 中華技術 G:/fileroot03/2019-523165bccfd-a075-4846-b950-d5597cadde726379e219ec786fb3707299334dd3ea1f.pdf第 7 頁，共 16 頁 數值分析步驟如下： 共分為4個步驟，說明如
14、下： 步驟1：初始應力平衡(應變歸零) 步驟2：降水至豎井底部 步驟3：切削樁設置及豎井開挖 步驟4：水位回升至地表 分析結果如圖7、8所示。有關擋土壁分析結果如下說明如下： 1.擋土壁係作為垂直開挖之臨時擋土系統。 2.開挖作業須配合抽降水進行。 3.擋土壁分析所得之正向應力、剪力、變矩進行擋土壁之設計，擋土壁之型式可考 慮使用切削樁或連續壁。 4.壓梁及環梁於數值分析中並不考慮，唯為增加擋土壁之整體勁度以及施工之安全 性，於設計中增加壓梁及環梁。 單位：t/m2 圖 7 開挖後垂直應力等值圖 中華技術 G:/fileroot03/2019-523165bccfd-a075-4846-b95
15、0-d5597cadde726379e219ec786fb3707299334dd3ea1f.pdf第 8 頁，共 16 頁 SF1 SM1 SF2SM2 一一 一一 Pu 一一 一一 Mu 圖 8 開挖後豎井應力分析 二、豎井內牆數值分析二、豎井內牆數值分析 有關豎井內牆應力分析採用ABAQUS 5.8進行，有關側牆及底版採用3D板殼元素 分析，採彈性分析，永久性內牆為鋼筋混凝土牆，厚度為1.2公尺，連接兩側之山岳隧 道(馬蹄型)及明挖覆蓋隧道(V形開口)有應力集中問題。另外豎井內牆屬永久結構物須 考量浮力問題。底部及側邊之土壤彈簧反力係數為kn=9350t/m2 本分析之應力符號說明如圖9
16、所示。其中SF1為局部座標1方向之軸力。SF2為局部 座標2方向之軸力。SF3為局部座標1-2方向之剪力。SM1為局部座標2方向之彎矩。 SM2為局部座標1方向之彎矩。分析所採用強度設計法，其載重組合係依據混凝土工程 設計規範與解說土木401-86所規定，其設計載重U不得小於 HLDU7 . 17 . 14 . 1 其中 D：靜載重，L：活載重，H：土壤側向力或覆土壓力 節點 1 節點 2 節點 3 節點 4 n 1 x 軸投影至表面 2 x y z 圖9 數值分析中殼元素之正值方向示意圖 中華技術 G:/fileroot03/2019-523165bccfd-a075-4846-b950-d5597cadde726379e219ec786fb3707299334dd3ea1f.pdf第 9 頁，共 16 頁 分析結果如圖 1012 所示。其中圖 10 為軸力等值圖，圖 11 為剪力等值圖，圖 12 為彎矩等值圖。 圖 10 內牆軸力等值圖 SF
