2 │中│華│技│術│

236 │No.81│ January, 2009

專題報導

S P E C I A L R E P O R T

SUMMARY摘 要

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專題報導

壹、背景說明

　　除地層條件較佳之情況外，考量施工安

全，一般潛盾工法潛盾機大都採用密閉型，而

密閉型中又以泥水加壓式及土壓平衡式兩種為

主，但因泥水加壓式潛盾機之後續泥水處理設

備龐雜，需較大之施工場地，故土壓平衡式成

為潛盾隧道施工之主力機種，而針對地盤穩定

及地下水問題，土壓式近年又發展出施加作泥

材之泥土壓式。本案例台電161kv地下電纜土

木工程之潛盾機係依地質調查報告進行評估及

設計之泥土壓式潛盾機，其鑽掘設備均具備支

撐開挖面及水壓平衡之能力，即於掘進同時經

由作泥設備將作泥材注入於潛盾機前方之土倉

內，使之與開挖之土砂充分攪拌形成塑性、流

動性及不透水之泥土並充滿土倉，土倉內之泥

土經由千斤頂傳來之推力產生土壓，利用此泥

　　近年來，全球各地都市急速地向三度空間發展，致使都市隧道施工的困難度大幅提

高。於都市興建捷運隧道、下水道、輸電洞道等地下管道工程，為避免與既設地面、地下

結構物或其他管線牴觸，且不影響道路交通、減少噪音及振動等環境問題，多採潛盾隧道

施工法。潛盾隧道施工常因受到地質、地形與環境之影響，必須進行急曲線施工。本文係

針對潛盾大口徑5M隧道於急曲線段(R=80m)之施工案例，探討潛盾隧道為利曲線掘進線形

及施工安全，除了選擇適當潛盾機型及其輔助設備外，對於隧道襯砌結構異型環片規格設

計及配置，潛盾機中折設備及超挖刀之應用，以及掘進測量、背填灌漿等之施工管理，均

須嚴謹控管，以克服施工之困難。

土壓來平衡開挖面之土壓及水壓，並透過土壓

計及開挖控制管理，隨時注意儘量維持「(潛盾

機)泥土壓＝(開挖面)土壓＋水壓」之狀態，以

避免降低地下水位及使地盤下陷控制在最小之

情形。

　　於潛盾隧道掘進，大口徑急曲線施工屬較

困難之技術問題，為了確保曲線段施工之線

形，以及防止潛盾機掘進超挖引起之地面沉

陷，對於施工前之規劃及評估應周詳縝密，並

預先擬訂因應對策，於施工時更應確實嚴謹管

控，方能確保急曲線段之施工安全。以下就本

工程潛盾隧道於急曲線段(R=80m)之施工實務做

一詳細的探討，並期望本案例可供未來潛盾隧

道施作急曲線段時之參考。

關鍵詞：急曲線、中折、超挖、背填灌漿

台灣世曦工程顧問股份有限公司／高雄辦事處／經理／周允文

台灣世曦工程顧問股份有限公司／高雄辦事處／工務所主任／甘瑞典

台灣世曦工程顧問股份有限公司／高雄辦事處／正工程師／ 許文仁

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D=14.55)，因此採用中折設備。當曲率

半徑為80m時，中折設備之中折角度通

常採1.5度，如圖5所示，潛盾機於施作

曲線工程時，必須於曲線內側施行足夠

之超挖，即以幾何學上之曲率中心為

O (R=80m曲率中心點) 時，則只要滿足

OA>OG、OH、OD之條件，潛盾機即能施

行掘進作業。

貳、工程案例概述

　　本文案例為台電161KV地下電纜土木工程，

潛盾機外徑5.65m，隧道開挖斷面外徑5.5m內

徑5.0m，隧道襯砌結構採預鑄混凝土環片厚度

25cm，寬度為100cm(一般段)及75cm(R=80m)

兩種。隧道長度為2019m，隧道平面線形分為

直線及曲率半徑R=80m(3處)、R=120m(3處)、

R=180m(1處)等七處曲線段。工作井採連續壁擋

土支撐，開挖深度為20m，發進井及到達井尺寸

均為17mX12m。

一、工區地形、地質及路線佈置

　　本工程潛盾路線為自直井VS-5發進井出發

掘進施作隧道，其坡度為0.074%，覆土深度

12~13m，經中間直井VS-2至直井VS-1到達後潛

盾機解體運出為止(詳圖1)。本文主要探討之急

曲線段R=80m共三處，第一段及第二段因受限

地權因素，即自直井VS-5發進井前方約10m處急

轉彎穿越台一省道，再急轉彎沿台一省道方向

繼續前進，第三段則由省道急轉彎進入科學園

區內，以避開私有地。工址地層屬濱海平原地

質區，以沖積層為主，基地出露之地層為全新

世之現代沖積層，屬湖泊沉積物及河口灣沉積

物，近地表處主要以粉土與黏土之互層為主，

偶夾砂土層。主要開挖範圍為地面下12~19m之

區域，其地質大多為粉質黏土及粉質細砂。

二、潛盾機之選擇

　　為利本工程潛盾急曲線掘進施工，乃採用

外徑∮5.65m之泥土壓式潛盾機(附中折機構)，

機身長度為7.57m，中折裝置為V型平面式中

折，詳圖2、圖3。

圖2 泥土壓式潛盾機

圖3 中折設備外部

　　推進設備為潛盾千斤頂1650kN＊1650st＊

18支，中折千斤頂為1500kN＊250st＊16支(最

大中折角度左右2.0度，上0.5度)，排泥設備為

螺旋輸送機型式(軸式∮600mm)，切削設備為中

央支撐方式(迴轉扭矩最大3,926 kN-m)，排土閘

門為油壓千斤頂滑動式(矩形480mmX430mm)，

超挖刀設備為油壓千斤頂伸縮方式(超挖量

180mm)，環片組立設備為環形齒輪門型，盾尾

封圈為鋼刷型(3道)，及後續設備(後續台車、操

作室、動力設備)等。潛盾機的開挖機構為外周

具有輪輻型式之切削刃盤，開挖土碴以軸式螺

旋輸送機接管輸送至坑外處理。

(一)潛盾機盾尾部

　　為防止穩定液或背填灌漿滲漏，於

潛盾機盾尾設有三道封圈，如圖4，在

封圈與封圈之間填充黏稠狀止水油灰，

開挖進行中，隨時注意添加補充不足的

油灰；盾殼內面與襯砌環片外緣之間隙

為30mm，於潛盾掘進中，隨時檢測間隙

量變化，以作為掘進線形修正之參考依

據。

(二)潛盾機中折裝置

　　於曲線段隧道施工時，因潛盾機必

須沿著原計畫之曲線線形，可利用中

折設備一面彎曲潛盾機機身一面向前掘

進。潛盾機於曲線段施工時是否採用中

折設備，取決於轉彎(曲率)半徑與隧道

直徑之比值大小(R/D)而定。一般而言(R/

D)＜20之鑽掘隧道潛盾機必須設置中折

設備，而(R/D)＞35則無須設置中折設

備。本工程R＝80m隧道直徑D=5.5m(R/

圖4 潛盾機盾尾部及三道封圈

圖5 中折式潛盾機掘進形態圖

圖1 路線佈置圖

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VS-1

VS-2

VS-3

VS-4

VS-5

R=80m

B0+000~B2+019

R=80m

R=80m

VS-7

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肆、施工技術探討

　　以下針對本工程潛盾線形曲率半徑R=80m

之急曲線施工，如圖9，於掘進管理及各項施工

結果等作一詳細分析探討。

(三)潛盾機超挖刀設備

　　於急曲線段掘進施工時，可利用超

挖刀(如圖6)將轉彎側之土壤挖除，以

利轉彎線形控制。本工程潛盾機配有兩

具超挖刀，其最大超挖量為自潛盾機盾

殼外徑算起180mm，可使用操作盤上

觸控面板調整超挖量，當超挖刀全伸衝

程200mm所需作動時間為7.17秒`，刃

盤轉角度為37.7度，當超挖刀全縮衝程

200mm所需作動時間為4.27秒，刃盤轉

角度為22.5度，進行超挖量之衝程設定

時，應將計測精度誤差值一併列入考慮

後，再行決定之。

三、潛盾隧道環片設計

　　本工程環片之尺寸為外徑φ5,500mm內徑

φ5,000mm、厚度250mm之鋼筋混凝土結構，

fc´=420kg/cm2，共分割成6片（即A型3片, B

型、C型及K型各1片）。為控制急曲線段及防止

侵入鄰近私有地，曲率半徑R=80m之曲線段襯

砌寬度採75公分之異型環片，其餘曲率半徑大

於100m之曲線段均採100公分之異型環片，詳

圖7。

參、輔助工法介紹

　　為填補潛盾隧道掘進所引起之空隙，必需

採取因應措施，以防止地面沉陷及土體崩塌，

本工程採用背填灌漿材料填補，尤其於急曲線

段施工時，除了配合地質條件外，於灌漿量及

灌漿壓力部分，皆需嚴格管控。另為了管控曲

線線形不偏離原規劃路線，本工程設有自動測

量系統，管控測量成果。

一、背填灌漿系統

　　潛盾隧道於施作過程中經常發生地盤下

陷，主要原因是由盾尾間隙所造成，尤其是軟

弱地層，在潛盾掘進的同時盾尾土壤將產生塑

性流動，如未將盾尾間隙灌漿填塞恐造成地盤

下陷，故適當的背填灌漿管理相當重要。

　　本工程背填灌漿系統是在潛盾機掘進前，

先將灌漿管安裝在盾尾部最後一環環片之灌漿

孔上，當灌漿孔脫離盾尾時，即可與掘進作業

同步施作即時背填灌漿。背填灌漿的目的除了

防止地盤下陷及止漏水外，亦可增加環片外側

之土壤強度，保持隧道之正確線形及防止環片

變形。

二、潛盾自動測量系統

　　潛盾機自發進井向前方地層掘進後，必須

掌握潛盾機之位置正確，以確保隧道之中心

線、高程及淨空斷面之真圓度。本工程設有自

動測量管控系統，主要是利用掘進護盾定位系

統與GYVEL系統(即組合旋轉羅盤和水平儀之一

體化系統)連動實行顯示目標位置、收集數據等

工作來管控。而掘進護盾定位系統主要功能為

定位、數據收集及協助測量，在每挖掘50m時

連續計算潛盾機管理座標(X,Y,Z)，並與計畫座標

(X,Y,Z)進行比較，算出偏差量，操作人員及現場

管理人員可以透過潛盾機操作室螢幕之顯示結

果，達到誤差量最小的挖掘控制。本工程於掘

進期間，利用此自動測量系統(詳圖8)隨時掌握

線形的偏差量，並配合每日現場測量複測結果

做比對，以制定掘進指示書作為下一環掘進調

整、修正線形之判斷依據。

圖7　異型環片配置

圖6　潛盾機超挖刀

圖8 自動測量裝置

圖9 急曲線段環片組立完成照片

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一、掘進管理

　　本工程曲率半徑R=80m急曲線段之掘進施

工管理，除了考量異型環片之配置外，有關超

挖刀設定、中折運用、背填灌漿控制及盾尾間

隙檢查等，必須嚴謹管控，方能安全掘進及掌

控線形。

(一)超挖量暨盾尾間隙量

　　潛盾機於曲線段進行掘進時所需之

超挖量及盾尾間隙，將隨著環片外徑之

增大而增加，如圖10所示。

　　 圖10 曲線施工時所需最小間隙表

　　　　

　　本工程於進行R=80m曲線段環片組立作

業時，當環片外徑Ds=5500mm，若環片之寬

度採1000mm、中折角度為1.5度，超挖刀長

度35mm，經計算結果，其開挖面側超挖量為

94.58mm，盾尾間隙量仍可維持在35.76mm，

已比此等級潛盾機所需最小盾尾間隙量25mm

之要求為大，故環片組立作業不致發生問題。

因此，於掘進施工中對盾尾間隙之檢查相當重

要，不僅可以判斷原設定之線形是否偏差過

大，亦可作為下一環掘進修正之參考。

(二)異型環片之配置

　　每一環K片之位置作為方向控制，經

檢討本工程之R=80m曲線段K片之位置，

如圖11及表1所示。可藉由K片位置種類

來計算分配轉彎曲率之方式，達到線形

之控制。

(三)背填灌漿控制

　　一般背填灌漿壓力約3~4kg/cm2，

灌漿量與潛盾沿線之地質狀況有關，當

遇較軟弱之地盤時，必須採用較多之灌

漿量，如圖12，以確保地面不致產生沉

陷。在R=80m曲線段施工時，為利線形

掘進，均使用超挖刀超挖出土。為使背

填灌漿能達到建物保護的目的，背填灌

漿注入量於正常情況下預估以135%之

注入率，經計算每環寬1.0m之環片約為

1.772m3。而R=80m曲線段，因超挖結

果(假設超挖刀凸出量為45mm)，每環寬

1.0m之環片需增加超挖部分之灌漿量約

0.511 m3，經計算每環寬1.0m之環片約

為1.772m3+0.511 m3=2.283 m3。，即增

加28.8%之灌漿量。

　　 圖12　背填灌漿

(四)地面沉陷監測與出土量監控

　　潛盾隧道開挖宜利用適當之儀器，

量測開挖前後地層及鄰近結構物之變

化，以維護潛盾隧道工程及鄰近結構物

之安全。監測資料可作為補強措施、緊

急災害處理及責任鑑定之依據。此外，

藉由監測系統觀測結果經整理歸納及回

饋分析，可瞭解潛盾隧道開挖之安全性

及其與周遭地盤之互制行為，進而修正

設計理論及方法，提升工程技術。本工

程於隧道內設置15處之多點桿式伸縮

儀，並配合收斂釘位置配置，以監控沉

陷變位及隧道環片所受土壓之情形；另

於潛盾掘進沿線上方之道路及周邊地面

上，共設置214點之地表沉陷點，以監控

隧道掘進所引起道路沉陷對現有設施及

交通安全之影響，並採取必要的預防與

補救措施，確保行車安全。

　　

　　

　　於R=80m曲線段施工，因急速轉彎採超挖

刀掘挖，故對於潛盾沿線之地面沉陷及挖掘出

土量，應特別嚴加監控，若遇異常發生時應立

即停止掘進，須經檢討原因及完成改善措施

後，方可再繼續施作。由於本工程施工管理及

控制得宜，並未發生沉陷災害之情形。

二、施工結果分析

　　依據本工程潛盾施工記載之相關數據，就

R=80m曲線段與直線段及R=120m曲線段之水平

偏移量、背填灌漿量及盾尾間隙量之實際變化

情形作一分析。

(一)水平偏移量

　 　 依 規 範 規 定 水 平 偏 移 量 誤 差 為

±100mm，由圖13顯示，三段之水平偏

移量誤差量均符合要求，惟於曲率弧線

中間位置之水平偏移量， R=80m曲線段

最為明顯，R=120m曲線段次之，直線段

最不明顯，故急曲線段在水平方向之控

制較為困難。

圖13 水平偏移量

(二)背填灌漿量

　　由圖14顯示，背填灌漿量與線形

曲率大小並無絕對的關係，R=80m曲線

段若依比率計算灌漿量(即寬75cm改為

0.75m(TL) H V SQR(H^2+V^2) 0'00''00(H) 秒(H) 秒(V) 方向

TL60L1 0.625 0.000 0.625 0'37''30 2250 0 L

TL60L2 0.500 0.365 0.619 0'30''00 1800 1313 LD

TL60L3 0.198 0.594 0.626 0'11''53 713 2138 LD

TL60R3 0.198 0.594 0.626 0'11''53 713 (2138) RU

TL60R2 0.198 0.594 0.626 0'11''53 713 (2138) LU

TL60R1 0.500 0.365 0.619 0'30''00 1800 (1313) LU

表1 異型環片種類表

圖11 K片位置圖

　　 圖12　背填灌漿

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100cm)，則與直線段及R=120mR曲線段

之變化相當，惟圖14之R=120m曲線段因

穿越省道下方，且位於草溝支線舊河床

故地盤較軟弱，為保護地下管線及防止

路面沉陷，已特別加大灌漿，因此背填

灌漿量多寡仍以地質情況為主要考量。

(三)盾尾間隙量

　　若要觀測隧道環片之變形量，除了

以監測儀器量測外，也可以量測盾尾與

環片之間隙量來判斷環片之真圓度變化

情形。依據本工程潛盾施工記載之盾尾

間隙數據，就R=80m曲線段觀測結果，

由圖15顯示， R=80m曲線段之急轉彎

部分間隙量低於最小盾尾間隙量25mm

之要求，因R=80m曲線段係採用0.75m

之環片，故可允許之最小盾尾間隙量約

18mm，因而提高了急轉彎掘進之安全

性。

伍、結語

　　在大口徑R=80m急曲線段潛盾掘進施工，

如果事前對於環片配置計算錯誤、測量錯誤或

掘進修正指示書指示錯誤，會立即反應在環片

上，如受擠壓、表面龜裂、破損、 真圓變形

等現象，進而產生滲漏水，影響隧道安全，故

施工中必須不斷地重複測量，稍有偏離原設計

線形時，應立即修正調整。又因受限於地形限

制，且不得侵入私有土地，在掘進測量頻率方

面需比一般直線段多，尤其每完成全部隧道之

三分之一~二分之一時，可利用真北儀校正檢查

線形是否偏離，以免因連續測量誤差造成線形

偏離過大。

　　為確保潛盾隧道急曲線線形及施工安全，

除了事前對潛盾隧道沿線地質詳細調查、選擇

適當潛盾機外，應依據現地狀況採取有效之輔

助工法，尤其對於隧道襯砌異型環片之規格設

計及配置，潛盾機中折設備及超挖刀之功能應

用，以及掘進測量、背填灌漿等之施工管理，

均須詳加規劃並予以嚴謹控管，方可克服施工

之困難。

參考文獻

1 . 日 本 三 菱 重 工 業 株 式 會 社 （ 2 0 0 6 ） ，

∮5650mm(EPB)泥土壓式中折潛盾機操作說明

書。

2. 日本三菱重工業株式會社（2005），潛盾機

製造規格書∮5650mm泥土壓式潛盾機（第二

版）。

3. 日本土木學會(1996)，「隧道標準規範書畫

(潛盾工法篇)、與解說」。

圖14 背填灌漿量

圖15　盾尾與環片之間隙量