潜盾隧道环片衬砌之设计方法与设计实例(何泰源)

1、潛盾隧道環片襯砌之設計方法與設計實例潛盾隧道環片襯砌之設計方法與設計實例章節目錄章節目錄一、前言二、潛盾隧道環片三、應力分析模式四、環片襯砌及接頭設計五、應用實例【摘要】 本文詳述潛盾隧道環片襯砌種類、組成配置模式、環片接頭、防水措施及灌漿之設計與施工等，並據以提出符合上述施工順序之環片襯砌應力數值模擬分析計算。環片襯砌設計時除根據數值模擬分析計算結果，亦須滿足相關設計規範，為使潛盾隧道環片襯砌設計方法能夠具體表達，本文附有國內常用之潛盾隧道尺寸的設計實例以供設計之參考。 二、潛盾隧道環片二、潛盾隧道環片2.1 環片種類環片種類環片可依使用材料分為混凝土系環片、鋼環片、石墨鑄鐵環片等。(1) 混凝土系環片 混凝土系環片又可分為鋼筋混凝土環片、合成式混凝土環片及預力混凝土環片等 。A. 鋼筋混凝土環片鋼筋混凝土環片可製作任意形狀尺寸、材質均勻，且透水性低，撓性佳且經濟。惟重量較鋼製、鑄鐵製之環片重，抗張力小而施工性亦欠佳。搬運組合時銜接端容易破損。B. 合成式混凝土環片合成式混凝土環片係以鋼料與混凝土組合製作而成，兼有鋼料之強韌性及混凝土之經濟性等特徵，其單價介於鋼環片與鋼筋混凝土環片間

2、。C. 預力混凝土環片預力混凝土環片係以高壓力養護，成為具高彈性之環片，預力混凝土環片重量較鋼筋混凝土環片輕，其優、缺點同鋼筋混凝土環片。(2) 鋼環片鋼環片 (Steel segment) 採用 CNS 2473 一般結構用軋鋼料 SS 41 以上鋼料，或 CNS2947 焊接結構用軋鋼料 SS41 以上鋼料製作而成。鋼環片之鋼料材質均一、強度高、容易搬運、施工性佳、製作精度高等為其特點。惟較其他材質之環片勁度較小、易腐蝕，接頭止水性較差，對大斷面隧道之撓度大為其缺點，台灣地區因鋼料貴，其製造費較鋼筋混凝土環片約高一倍。惟因銲接補強及加工容易，一般常使用於人孔、連接管需開孔補強處或曲線段異形環片製作等。(3) 石墨鑄鐵環片 石墨鑄鐵又稱延性鑄鐵 (Ductile) ，重量較鋼製環片重，強度高，且耐久性、製品精度、防水性、勁度等都非常優良，但製作加工較費時，價格較昂貴。目前台灣仍未曾使用，石墨鑄鐵環片適用於中間人孔及流入管渠直接與潛盾管渠接合時，或隧道穿過建物、鐵道、河川等情況。2.2 環片組成環片組成 隧道每環以數個 A 型環片， 2 個 B 型環片及 1 個 K 型環片分割而成，亦

3、有採數個 A 片加一個 B 片及一個 K 片 ( 單斜 ) 者，惟後者施工性較差。環片之分割數應考慮提高環片製作與組立速度、搬運方便及對滲漏水與結構勁度影響等。環片之分割數目愈少愈好，但應考慮搬運與組立之施工性，一般大斷面為 710 分割，中小斷面為 46 分割。環片組立以一環為單位 ( 環片閉合 ) ，一般由隧道下方中央附近開始，左右依序組立，上部中央附近為最後一片，連結成一環。為考量坑內有滲漏水時須於水中辦理組立作業，接頭不宜設於隧道仰拱中央附近，如圖 2.1 。2.3 環片形狀與尺寸環片形狀與尺寸環片形狀分為標準形及異形二種，如圖 2.2 所示，其尺寸及重量之選定，需適合設計與施工條件，一般環片寬度採 5001,200mm ，環片寬度大即須加長潛盾機，增加曲線施工、偏差修正之難度，寬度太小則增加環與環接頭數目。環片重量過重除增加坑內運搬之作業困難外，且須增大環片組裝機能量，小斷面潛盾隧道如有採用人工組立環片之情形時，每片環片之重量宜在 60kg 以下， K 型環片應在 3040kg ，每片環片應設置直徑 50mm 灌漿孔，並附有管蓋及灌漿管套 (Socket) ，又使用環片組裝機

4、時應考慮吊裝孔。 異形環片使用於改變隧道方向 ( 橫曲線或豎曲線 ) ，即曲線段及修正偏差之施工，其漸變縮量、漸變縮角，依環片寬度、襯砌外徑、隧道曲線半徑、環片之分割數及盾尾空隙等決定，詳圖 2.2 。異形環片以曲線半徑大小分為單側漸縮、兩側漸縮兩種型式，半徑大時採用單側漸縮，半徑小時採用兩側漸縮。曲線段施工或修正偏差時，有單獨使用異形環片或異形環片與標準環片混合使用，一般以標準環片寬度為異形環片最大寬度，其最大漸縮量為小斷面 30mm 、大斷面 50mm 。 異形量 可以下式表示之： R ：計算到隧道中心之曲率半徑。 m ：異形環片數目。n ：標準環片數目。B ：標準環片寬度。B T ：異形環片最大寬度。D o ：隧道外徑。：計算隧道中心線之曲線長度。圖 2.1 環片形狀環片斷面圖由曲線長度、曲率半徑、環片配置量 m 、 n 等訂定合適之 值，一般 n ： m 以 1 ： 11 ： 2 最常用。2.42.4 環片之接頭環片之接頭環片接頭須能滿足設計所定之強度，考量使接頭不發生背填、灌漿液或壓氣洩漏、漏水等情形，於環片接合面設置止水條，螺栓接合面須設置止水墊圈。(1) 螺栓配置環與環間

5、及片與片間續接處，分別採用螺栓以接續環片形成環狀。螺栓直徑一般在 1636mm 之間，螺栓孔尺寸須考慮有足夠的餘裕，以確保螺栓安裝之施工性。(2) 續接處結構 ( 螺栓盒 ) 環片續接處包括片與片間之接頭、環與環間之接頭。續接結構有螺栓、鉸、栓銷、栓等型式，目前以採用螺栓接頭居多。必須考量螺栓和螺栓孔間組合誤差所需之間隙，間隙太小則組立困難，間隙太大則可能因施工載重造成環片開裂導致漏水。(3) K 環片接頭角度 K 環片接頭角度 之計算，可以下式表示之： 雙斜 K 片： 單斜 K 片： 式中，： K 片的中心角。： K 片能插入之必要餘裕角度。接頭角度 大小影響接頭剪力的大小，以小於 13 為宜，其關係式如下： ( 詳圖 2.3)： 接頭剪力N ：環片斷面軸力Q ：環片斷面剪力f ：接頭摩擦係數 ( 鋼環片： 0.3 ，混凝土環片： 0.5)接頭剪力若超過接頭螺栓之抗剪強度，則 K 片將有脫落之危險。通常 較大時， 值亦較大。餘裕角度 一般為 2 5 ，在不影響施工作業下愈小愈好。耐剪性能方面，單斜 K 片效果比雙斜 K 片好，若是採用軸向插入之 K 片代替徑向插入型 K 片，則無剪力

6、問題。2.52.5 縱向肋鈑縱向肋鈑鋼環片隧道施工時，潛盾機千斤頂頂住縱向肋鈑取得反力向前推進，因此，千斤頂中心線應儘量和肋鈑的中心線一致，否則將產生偏心彎矩。通常肋鈑採等間距配置，相鄰兩環片接頭鈑配合鄰環肋鈑設置。一環之總肋鈑數 ( 含接頭鈑 ) 通常是千斤頂數目的倍數。環片組立時，肋鈑 ( 接頭鈑 ) 應形成連續，否則易使主梁和肋鈑變形。肋鈑通常彎成丁字形，若有澆置二次襯砌於鋼環片內，丁字形彎折處容易有空氣滯留形成空隙，需設計排氣孔。2.5 防水防水潛盾隧道防水分三階段考量。第一階段採背填灌漿防水，第二階段採環片接頭防水，第三階段採一次襯砌與二次襯砌間之防水 ( 一般交通隧道不設二次襯砌 ) 。第一階段背填灌漿防水之可靠度較低。第二階段防水為潛盾隧道主要防水措施。環片的接頭設置防水材槽，貼上止水條即可，水壓高的地方可設兩條止水條。另亦可設置填縫材槽作為備用。常用之防水材之材質有兩種，分別為彈性橡膠和水膨脹系橡膠。彈性橡膠為加硫之異丁烯橡膠或氨丁二烯橡膠等合成橡膠系材料，或聚氯脂橡膠的合成樹脂系材料，適用於水壓較低的地層。水膨脹系橡膠防水材由吸水性聚合物和氯丁二烯橡膠或聚氨脂橡膠混合

7、製成，防水效果較好，目前使用以 3 倍膨脹率者居多，防水材槽與未膨脹前防水材的體積比為 1.1 左右。第三階段防水，若因防蝕或其他需求需施作二次襯砌時，可於一、二次襯砌間舖設防水膜，防水膜厚度以 1.5mm 以上為宜，應小心施作以免破損而失去防水性，常用材質有 EVA( 乙烯醋酸脂共聚物 ) 、 ECB( 乙烯瀝青共聚物 ) 、 PVC( 聚氯乙烯 ) 及 PE( 聚乙烯 ) 等四種。二次襯砌可採水密性混凝土，以增加防水效果。2.7 灌漿孔及吊裝孔灌漿孔及吊裝孔(1) 灌漿孔 灌漿孔是環片與土壤間之盾尾孔隙背填灌漿用，灌漿孔一般採用鋼管，孔塞分成塞式或帽式兩種。為防止土砂湧入，灌漿孔內一般均設有逆止閥。孔徑依使用灌漿材料而定，一般採用 50mm 左右。混凝土環片的灌漿孔常兼作為環片的吊點使用，須考量作業之安全性及施工性，以決定灌漿孔的位置、數量、直徑、材質及強度等。另因灌漿孔和混凝土環片兩者間可能因剝離而導致漏水，所以於灌漿孔加一圈狀橡膠止水材以防漏水。(2) 吊裝孔 鋼環片的吊裝孔通常焊接於環片中點附近。混凝土環片則利用灌漿孔作為吊點用，考量灌漿孔可能被拔出，因此設有錨定鋼筋以增加安

8、全性。2.8 塗裝塗裝鋼環片和混凝土環片接頭金屬鐵件在儲存期間施作簡單的防銹、防蝕塗裝。(1) 防蝕、防銹塗裝常用塗裝材料，鋼環片採 tar 環氧樹脂，混凝土環片接頭金屬鐵件採環氧樹脂。(2) 防水塗裝 混凝土環片採用環氧樹脂或其他材料作為防水塗裝用。三、應力分析模式三、應力分析模式潛盾隧道係一種在隧道軸向及環向均有接縫 (Joint) 的地下結構物，由於襯砌環片之結構設計法 ( 應力分析 ) 仍未確立，設計時必須適切地評估襯砌環片結構與地層之互制行為，以達設計之經濟性及合理性。目前襯砌環片結構分析模式可區分為二大類：(1) 載重與地層分別考量。載重與地層分別考量模式係認為地層對於潛盾隧道之作用只是產生作用於襯砌環片之載重，以計算襯砌環片在載重作用下產生之內力及變形。此種分析計算模式，按照各襯砌環片間接合模式假設，可再在細分為如 3.1 節所述之分析計算模式。(2) 載重與地層合併考量。載重與地層合併考量模式係認為地層與潛盾隧道襯砌環片共同構成受力變形之整体，並根據連体力學原理計算襯砌環片與周邊地層之受力及變形。載重與地層合併考量模式由於地下結構物地層性質及邊界變化複雜，目前大多數問題

9、都賴有限元素法 (FEM) 數值分析解決。3.1 載重與地層分別考量之分析方法載重與地層分別考量之分析方法(1) 潛盾隧道襯砌環片組成行為由於構成潛盾隧道之襯砌係由環片 (Segment) 與螺栓 (Bolt) 組合而成之環狀體，其接縫之勁度 ( 尤其彎曲勁度 ) 較單一環片之勁度低、較易產生變形，應考慮接縫效應之彎曲勁度折減，即環狀體之彎曲勁度為 ，其中 定義為彎曲勁度效率，一般而言， 1 。再者由於隧道軸向環與環間之接縫為交錯配置 (Stagger) 安排，根據試驗結果顯示，當隧道環狀體受壓變形，此種軸向環與環間之接縫交錯配置會產生彎矩分配及勁度提昇之效果。彎矩 M 提昇率以 表示，一般而言， 。(2) 襯砌環片之結構分析模式目前根據整環襯砌環片間接合模式之勁度考慮模式，可分為三類（圖 3.1 ）：A. 整環彎曲勁度一致之環樑模式；B. 多鉸接系統模式；C. 樑 - 旋轉彈簧模式。3.23.2 整環彎曲勁度一致之環樑模式整環彎曲勁度一致之環樑模式本模式即日本所謂之慣用計算法及其修正方法，由於自潛盾工法發展初期至今，本模式之使用實績頗多、且設計考量較簡單明確，故日本下水道協會、土木學會、鐵道施設協會、營團地下鐵等單位之設計規範均採用此方法，其主要之考量方式又分為下述二種：(1) 慣用計算法不考慮接縫效應之彎曲勁度折減，組立完成之環狀體與單一環片具有相同之彎曲勁度 EI 。此方法採彈性理論分析，在分析計算上較簡便。慣用計算法襯砌環片之受力狀態，如圖 3.2 所示。慣用計算法土壓力之計算方式有兩種，其一為將水壓力視為土壓力之一部份以合併方式考慮；其二為將水壓力與土壓力予以分開之計算方式等二種。通常黏性土層以適用於前者之合併考慮方式計算，而砂質土層則按後者之分離方式進行計算較恰當。A 土壓力計算a 垂直土壓力計算i. 考慮全覆蓋土壓力情形：淺覆蓋砂質土層 圖 3.1 潛盾隧道襯砌環片之結構分析模式: 垂直土壓力 ( )H: 至襯砌環片外周頂點之覆土層厚度: 至襯砌環片外周頂點之靜水面高度: 地下水位以上土層 單位体積重量( ): 地下水位以下土層 單位体積重量 ( ): 地表上載荷重 ( )ii. 考慮鬆動土壓力之情形：

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