都会区捷运潜盾隧道工程灾害防制之探讨高宗正1游澄发2

都會區捷運潛盾隧道工程災害防制之探討高宗正１.　游澄發２1臺北市政府捷運工程局　總工程司2臺北市政府捷運工程局中區工程處　工務所主任摘　要捷運系統在都會區的交通運輸已逐漸扮演相當重要的角色，而施工中為保持原有的交通流量及都市景觀，捷運車站間的銜接多以隧道為主。同時為避免影響地面商業活動以及施工期間可能造成的噪音、震動等公害，潛盾隧道工法為其首選。近年來，都會區潛盾隧道工法在各項建設中的應用日益漸增，同時亦已累積有相當多的工程實例。然而潛盾工程施工時所造成工程災害卻時有所聞，除不可抗力的因素外，工程經驗的累積與傳承未能有系統地彙整是導致工程災害一再重演的主要因素之一。為此，本文採用風險管理過程的架構與觀念，並以捷運工程潛盾施工所發生的工程案例為探討對象，擬建立一套都會區捷運工程隧道施工災害防制的案例庫，以提供爾後潛盾隧道工時之參考。本文首先解析潛盾隧道工程各項作業項目，針對各項作業項目歸納曾發生的工程災害案例，進一步研析各項案例的危害因子，並針對危害因子矩陣組合提出各種不同災害防制措施。案例庫中的災害類型、危害因子以及防制措施可供後續研究人員進行數學推演模型之基礎，藉以判斷在各種不同條件下工程可能發生的災害以及防制措施的建議。關鍵字：風險管理、災害防治、捷運系統、潛盾工程DisasterPreventionoftheUrbanShieldTunnelEngineeringCHUNG-CHENGKAO1.　CHEN-FAYOU２1CENTRALDISTRICTPROJECTOFFICE,TCG.CHIEFENGINEER2CENTRALDISTRICTPROJECTOFFICED.O.R.T.S.,TCG.SITEDIRECTORAbstractTherapidtransitsystemplaysanimportantroleofurbantransportation.Forthereasonsofhavingconvenientcommunicationsandmaintainingthegroundappearances,theshieldtunnelalternativeisoftenadoptedtoconnectstations.Besides,theshieldtunnelapproachcanalsopreventinfluencingtheresidents’livesandcausingnoiseandvibration.However,therearestilldisastersencounteredduringtheconstructionofshieldtunnel.Therefore,thisstudyemploysthestructureandconceptofriskmanagementtodiscusstheoccurreddisastercasesofshieldtunnels.First,webreakdowntheactivitiesofshieldtunnelengineering,andthenwefurtheranalyzethehazardsofeachactivitybyinducingthedisastercases.Finally,weprovidedifferentsuggestingpreventactionsbytheriskmatrix.Keyword:riskmanagement,disasterprevention,rapidtransitsystem,shieldtunnel.作者簡介　高宗正：男，現任總工程司，主要從事捷運工程方面的工作。　　　　　游澄發：男，現任工務所主任，主要從事捷運工程方面的工作。　　　 1.前言台灣地區為興建大眾捷運系統而須進行大規模地下工程，其中捷運潛盾隧道為一般認為須特別加強施工風險管控之工程項目，尤其面臨需穿越都會區已完成之工程路段範圍時，對於工程挑戰更加嚴峻。雖然單孔潛盾隧道施工技術在台灣地區已臻成熟，然而隨著施工環境的複雜性增加，後續路網將面臨更多的工程風險，如穿越橋墩基礎、地中連續壁破除、穿越營運中捷運站體、隧道近接效應、掘進坡度過大、急速轉彎半徑等課題同時併用輔助冷凍工法、壓氣工法及提升地盤改良成效新技術等相關措施，工程災害風險分析所需考量的因素亦隨之複雜。鑑此，本文將以後續捷運路網可能面臨之潛盾隧道施工障礙提出分析，並研析各項重大工程風險、危害因子及防制措施，以作為後續工程推動時之參考。此外，亦提出捷運現行監測系統的改進方向，以茲探討。2.都會區捷運潛盾隧道工程概述都會區捷運系統之潛盾隧道係於兩座車站或明挖覆蓋隧道間施築，其主要結構形式包括主隧道(平行或疊式)與附屬之聯絡通道(含集水井)二部份。主隧道部分採用潛盾機進行鑽掘，依地質土壤狀況可分區分為開放式及密閉式。聯絡通道則俟主隧道施作完成後，採行新奧工法並輔以地盤改良或壓氣工法進行施築。潛盾隧道工程示意如圖1所示，潛盾隧道的施工流程如圖2所示。3.潛盾隧道工程重大災害分析與探討本文除針對傳統工程災害分析的項目，包括：隧道本體、隧道與工作井銜接段、鏡圖1潛盾隧道工程示意圖圖2潛盾隧道工程施工流程示意圖面破除、掘進施工以及聯絡通道等之外，並增列近接效應、隧道坡度、急轉彎曲線、地下基樁與連續壁等障礙物拆除以及潛盾穿越建築物下方等議題進行分析與探討。本文將上述所列各個項目的工程風險狀態彙整如下：3.1隧道本體 隧道本體所可能發生的重大工程災害大致為：隧道橫斷面地盤壓密沉陷以及隧道縱斷面不均勻沉陷。在隧道橫斷面地盤壓密沉陷方面，風險常發生於尚在壓密沉陷中的地盤建造隧道，則隧道位置與其周邊，會在於隧道斷面高度之土壤產生壓密沉陷量。在隧道縱斷面不均勻沉陷方面，風險常發生於在隧道縱斷方向的剛度變化或與良好地盤的境界附近。產生隧道在同ㄧ軟弱地盤中，若地盤正進行壓密沉陷現象，則後續可能產生壓密沉陷量。3.2隧道與工作井銜接段潛盾隧道結構體為鋼筋混泥土環片，環片間以弧形螺栓接合屬柔性結構體，而工作井為站體一部份，屬鋼性構造物，兩種不同種類結構物連接，容易產生相對變位而導致滲水夾砂情事。3.3潛盾機出發與到達鏡面破除在潛盾機出發鏡面破除部分，由於發鏡作業處置不當容易產生鏡面漏水而引發地盤崩塌之危險，故於鏡面破除前須先行試水補灌後，再以小區塊進行拆除臨時擋土牆，同時將組立完成之潛盾機置於後方，若有狀況產生時可直接將潛盾機推入鏡面降低災害。另可在臨接出發口處設置止水封圈，以達到潛盾機盾殼與鏡面完全密封程度。此外，潛盾發進作業應考慮土壤分佈層次、地下水位變化、潛盾機型式、覆土深度等多項條件。若在特殊地質下，可以凍結及壓氣等工法輔助。在潛盾機到達鏡面破除部分，須注意事項與發進作業雷同，唯為確保到達作業安全，一般採用設置隔艙處理，若為棄殼方式則以C型鋼環圈與臨時擋土牆結合。C型鋼環圈示意如圖3所示。圖3C型鋼環圈示意圖3.4潛盾機掘進施工管理在潛盾機掘進施工時，需注意的風險包括：土壓、排泥困難、超挖以及下陷，各項風險及其對策說明如下：n土壓管理：掘進過程中應注意土艙室內土壓值變化，防止土壓值漏失。n排泥困難：於掘進過程中由土艙內排出之土量取ㄧ小部份於現場做簡單之篩分析試驗，作為隨時調整做泥材配比濃度與注入量之依據，避免排泥困難。n超挖：台北捷運潛盾機大部分採泥水加壓式來控制土壓值，藉由出土量之多寡來判斷是否有超挖之現象。n下陷：潛盾機掘進為防止脫離機殼與地層間隙而產生地層下陷情形，潛盾機往前方推進時，以背填材料注入環片外圍與地層間隙，防止二次沉陷，背填漿液向地盤滲透，同時灌漿加壓使得向地盤壓入及超挖等關係，故注入量為計算孔隙量的150％_200％較佳，且背填灌漿具有防止地盤鬆弛下陷、環片漏水及防止隧道蛇行等功效，因此背填灌漿量控管甚為重要。3.5聯絡通道施工聯絡通道係為隧道逃生避難轉換之使用空間，同時兼具隧道集水排水功能，故聯絡通道一般設計位址置於隧道最低點，因採新奧工法方式施策，屬施工高風險作業。依隧道掘進位置可區分為水平式，斜向式及豎井式等類型聯絡通道，其施工之風險因子為：n聯絡通道鏡面拆除。n聯絡通道水平挖掘。(一般皆採用NATM噴漿施工)。n聯絡通道集水井開挖。(考量土壤圍束效應，以圓形結構體設計可減低施工風險)。n豎井式聯絡通道：研擬深開挖所可能衍生之風險，故須審慎評估工法。聯絡通道施％工示意如圖4所示。 圖4聯絡通道施工示意圖3.6近接效應影響近接隧道的位置，無論在水平或上下方向，其淨距若小於後挖隧道的外徑(1D)，則須加以檢討。隧道淨距愈小，所受影響愈大，若淨距小於0.5D時，則應詳加分析討論。近接潛盾隧道的相互影響，依各種施工條件的不同而異，但ㄧ般情形可分析如下：n由於後續潛盾機的推進，使先行隧道被擠壓外移或鬆弛移內。n由於後續潛盾機盾尾通過，使先行隧道被鬆弛移內。n由於後續潛盾機進行背填灌漿，使先行隧道被擠壓外移。n因先行潛盾機引起地盤鬆弛，致後續潛盾機被鬆弛移內。n由於上述影響，會產生環片變形、接頭螺栓變形或斷裂，因而導致漏水及地面下陷等重大工程傷害。近接效應的概念可參考圖5所示的平面圖以及圖6所示的剖面圖。圖5近接效應平面示意圖圖6近接效應剖面示意圖3.7隧道坡度一般隧道設計考量以隧道內之漏水自然流下的平緩坡度為原則，故以0.2%左右以上的坡度為宜。唯若受外再環境影響而超過2%時，則需注意下列因素：n開挖面穩定：陡坡段地盤的土壓及水壓，將隨推進而變化，因此，開挖面的壓力亦須隨之調整。n潛盾機：一般潛盾機由於裝有切刃轉盤的前端部分較重，故上坡時，有將潛盾機下半底部的潛盾推進千斤頂容量加大情形。同時需留意後續台車向後或向前滑逸之情形。n環片：在陡坡段組裝環片時，由於供應至組裝機的空間有限，較難組裝。n背填灌漿：陡坡段時之背填灌漿漿液，宜使用瞬凝性漿液，下坡時、背填灌漿的漿液有回灌開挖面之虞。隧道坡度的概念如圖7所示。3.8急轉彎曲線本項因素容易造成推進反力擠壓環片受力不均勻，產生隧道變形及移動。需要注意的現象包括：n曲率半徑小容易引起盾尾湧水。（超挖不易控制） n超挖量大會造成地盤鬆弛，背填灌漿回灌開挖面，並且會因推進反力降低，使隧道變形。n背填灌漿：在急轉彎曲線施工時，若離開盾尾的環片未能迅速與地盤形成ㄧ體，則無法充分獲得潛盾機推進反力，易使環片變形及隧道移動難以保持設計線型。急轉彎曲線的概念如圖8所示。3.9地下基樁與連續壁等障礙物拆除潛盾隧道掘進路徑中調查出有障礙物阻隔時，若無法先行於地表移除，而需自隧道內拆除時，應慎選其輔助工法，如地盤改良，壓氣工法及考量以潛盾機遮蔽方式進行地中障礙物切割、破碎、搬運等措施。穿越基樁示意如圖9所示，穿越連續壁示意如圖10所示。圖9穿越基樁示意圖圖7隧道坡度示意圖圖8急轉彎曲線示意圖圖10穿越連續壁示意圖3.10潛盾穿越建築物下方潛盾穿越建築物下方若施工管理不當或未作適當保護措施因應，易使上方建物產生沉陷及傾斜，導致建物受損。目前國內引進水平滲透固化灌漿工法，可有效處理建物受外在環境影響而無法採用一般的建物保護措施。穿越建物下方示意如圖11、圖12所示。圖11穿越建物下方示意圖(a)圖12穿越建物下方示意圖(b)本文將上述十項潛盾隧道風險，依風險項目、風險描述、危害因子以及建議的防制措施進行彙整，並以表列的方式呈現如表1所示。 表1潛盾隧道施工重大災害風險分析一覽表風險項目風險描述危害因子防制措施隧道本體1.地盤沉陷2.路面坍塌3.管線破壞4.鄰近建物損壞5.道路阻隔1.土壤壓密2.地質界子不同1.地質調查2.土壤N值測定3.監測數值控管隧道與工作井銜接1.滲水夾砂2.地層下陷3.管線破損4.鄰近建物損壞5.潛盾隧道變形損壞1.擋土連續壁變位2.地盤改良失效1.地盤改良效果驗証2.以C型鋼板接合3.環片與盾殼接合4.土倉排土及漏水確認5.監測數值控管鏡面破除1.鏡面滲水夾砂2.路面沉陷3.管線破損4.鄰近建物損壞5.潛盾隧道變形損壞6.工作井支撐系統損壞1.地下水滲入2.地改成效不佳3.鏡面破除管理成效不佳1.施作隔艙2.試水作業確實3.地盤改良效果驗証4.特殊地形以壓氣或凍結等輔助工法5.監測數值控管潛盾推進1.路面沉陷2.路面隆起3.交通事故4.隧道火災1.未達土壓平衡2.掘進超挖3.背填灌漿不確實4.盾尾止水封圈損壞5.電器設備損壞1.控管出土量與推力2.檢核排泥狀態3.背填灌漿需確實4.電器設備維修確實5.監測數值控管聯絡通道1.地面下陷2.隧道變形3.環片變形受損4.鄰近建物損壞1.壁面滲水夾砂2.地盤改良成效不佳3.湧水1.設置洞口安全門2.試水須確實3.採用鋼環片避免震動4.檢核地改成效5.加強監視控管近接效應1.隧道漏水2.路面沉陷3.鄰近建物損壞4.潛盾隧道變形損壞1.環片破壞2.接合螺栓變形斷裂3.隧道周邊地盤鬆弛1.襯砌補強或地盤改良2.檢核地下應力傳播3.監測數值控管隧道坡度過大1.路面沉陷或隆起2.後續臺車滑動3.環片滲水4.器材設備掉落1.開挖面壓力控制不當2.自然坡度影響3.曲線坡度環片組裝困難4.背填灌漿體積變化5.電池動力車滑動1.審慎開挖土渣量管理2.防擋措施3.環片組裝確認4.灌漿液的品質管理5.後續台車避免使用軌道式轉彎曲線過大1.路面下陷2.環片變形受損3.隧道變形4.推進反力降低1.潛盾盾尾湧水2.超挖量大地盤鬆弛3.背填灌漿液回灌開挖面4.背填灌漿液無法和環片固結1.潛盾機長度須盡量短2.使用中折式潛盾機3.檢視靠模切刃4.使用異形量較大減少寬度之環片5.採用化學灌漿如高壓噴射攪拌等工法6.加強監視控管地下障礙物拆除1.路面下陷2.隧道湧水3.鄰近建物損壞4.環片變形1.鏡面滲水漏砂2.地盤改良成效不佳1.檢討從地上先行拆除2.使用化學灌漿及壓氣等輔助工法3.於鏡面前方採取減少開挖量以穩定開挖面4.選擇潛盾機型式（只有遮掩式）5.加強監測控管潛盾穿越建築物下方1.建物傾斜龜裂2.路面沈陷或隆起1.未達土壓平衡2.背填灌漿不確實3.建物下方地盤鬆動1.建物地盤保護2.滲透固化灌漿(無法於建物下方灌漿時)3.掘進管理4.監測數值控管5.採用同步背填設備，迅速二次背填表1所列的十項風險是一般性的重大工程災害風險，然而根據各個工程特性的不同，風險發生的狀態亦會不同。換言之，表1所列的風險可視為一種查核表，工程管理人員可根據現場的特性判斷各項風險發生的可能性以及嚴重度，再予以風險管制與防制的動作。在風險可能性評估方面，可利用表2所示的可能性尺度表，而在風險嚴重度方面，可利用表3所示的嚴重性尺度表。最後，利用表4所示的風險矩陣表評估該項風險是否需要在採取進一步措施。表2可能性尺度表可能性極為可能有可能不可能極為不可能在本工程會發生在本工程可能會發生在本工程不見得會發生在本工程不會發生表3後果尺度表嚴重度極端的需要各界支援的大區域災損重大的廠商無法自行處理，需藉由鄰近廠商支援中等的廠商可自行處理輕微的廠商可立即處理表4風險矩陣表可能性後果極端的重大的中等的輕微的極為可能1234有可能2345不可能3456極為不可能4567此外，在工程風險管制措施研擬前，可藉由理想解相似度偏好排序技術(TechniqueforOrderPreferencebySimilaritytoanIdealSolution，TOPSIS)等方法，邀請相關領域專家針對該工程之特性，先行評估上述十項風險的優先處理排序，以利於管制該工程高危險性之風險，提供決策者與管理者參考。4.監測系統儀器探討 除施工前的風險分析外，施工中的監測亦是工程災害防制重要的一環。監測系統可監控施工中地盤變動、孔隙水壓、土壤與結構互制行為及周遭鄰近結構物與公用管線等移動變化之參考，監測系統本身並非工程主體之一部分，而是用來獲取觀測結果，做為工程師解讀、研判之依據，必要時採取因應措施，達成預防災害發生之目的。換言之，監測系統在施工期間可提供預警作用，檢討並修正設計參數，同時作為施工方式研擬及檢討，另於設計分析上可將監測資料和原始設計作比對，評估設計是否過於保守，當面臨災變時，提供對策所需之資訊。鑑於公共建設日趨複雜，尤其地下潛盾隧道所面臨之施工障礙因素增多，受限地下可利用空間狹隘，需穿越建物、高密度之運駛車站，所以施工中如何即時掌控及預知風險皆需仰賴精密的監測儀器輔助。唯目前台灣地區公共工程對於監測系統所反應之數值量測、判讀等事項皆以人工作業執行，難以達成即時預警及防範功能。對於監測系統所需發揮的實質效益應予提昇，自動化測讀可藉由監器儀所組合之監測訊號線接至掃描箱，定時自動掃描接收各項監測設備傳送之訊號，將此類訊號經轉換成數位數據送至資料集錄器，蒐集後暫存於記憶卡，由現地工程師將記憶卡資料下載至電腦資料處理系統，進行分析判讀，如此可避免人工量測誤差及時效，可由業主、廠商及顧問公司即時共同研判監測數值對地層變化及建物所產生之影響，可達到即時預警之功能。同時可經由建制龐大的資料庫，藉由迴歸曲線可預判後續監測發展，將有助於決策者對於工法選定的參考依據。所以自動監測推行將有助於潛盾隧道掘進中風險管理重要輔助儀器，於後續相關工程進行時可加以檢視、驗證其設置成效。本文將自動監測與人工監測之比較彙整如表5所示。表5自動監測與人工監測比較一覽表項次內容說明自動監測人工監測1即時預警功能●2監測讀值正確性（人為誤差）●3監測資料回饋分析效益●4監測儀器使用效能●5觀測結果資料彙整●6可預測後續監測發展●7儀器佈設費用●8觀測量用●9不利觀測場所●10儀器維護●11管理值極微小之標的●備註：效果較佳●自動監測儀器示意如圖13、圖14所示。圖13自動監測儀器示意圖(a)圖14自動監測儀器示意圖(b)5.結論都會區施作地下隧道工程因受地下水位變動及地層複雜環境特性，確實承擔甚多未知風險。雖然台灣地區對於潛盾施工技術已臻成熟階段，其相關之風險因子大抵知曉，故對於所可能引發之風險可進行有效管理。唯後續交通路網將面臨地下空間侷促及地面建築物完成後所遺留之地下障礙物未處理問題，所以潛盾隧道施工將遭遇穿越建物基礎、地表深層鑽掘、隧道接近、大坡度、急速轉彎半徑等複雜度高的工程問題，更需進一步探討。鑑此，本文採用風險分析與評估的概念，針對未來潛盾隧道施工各項風險提出初步見解，此外，捷運現況執行的監測系統無法及時預警重大災變發生，主要在於人為判讀精準性及資料得即時性，故經常延誤處理時效，藉由自動監測推展，可改善前述相關缺失，且對災害防治提昇將有正面助益。參考文獻[1]譚志豪，顧承宇，冀樹勇，高憲彰，張玉粦．「地下隧洞群開挖之穩定性與互制效應研究」．第五屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會，A11，頁1-10，2006[2] 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