潛盾隧道環(huán)片襯砌之設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)實(shí)例(何泰源)

潛盾隧道環(huán)片襯砌之設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)實(shí)例章節(jié)目錄一、前言二、潛盾隧道環(huán)片三、應(yīng)力分析模式四、環(huán)片襯砌及接頭設(shè)計(jì)五、應(yīng)用實(shí)例【摘要】本文詳述潛盾隧道環(huán)片襯砌種類、組成配置模式、環(huán)片接頭、防水措施及灌漿之設(shè)計(jì)與施工等，並據(jù)以提出符合上述施工順序之環(huán)片襯砌應(yīng)力數(shù)值模擬分析計(jì)算。環(huán)片襯砌設(shè)計(jì)時(shí)除根據(jù)數(shù)值模擬分析計(jì)算結(jié)果，亦須滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)範(fàn)，為使?jié)摱芩淼拉h(huán)片襯砌設(shè)計(jì)方法能夠具體表達(dá)，本文附有國內(nèi)常用之潛盾隧道尺寸的設(shè)計(jì)實(shí)例以供設(shè)計(jì)之參考。二、潛盾隧道環(huán)片21環(huán)片種類環(huán)片可依使用材料分為混凝土系環(huán)片、鋼環(huán)片、石墨鑄鐵環(huán)片等。1混凝土系環(huán)片混凝土系環(huán)片又可分為鋼筋混凝土環(huán)片、合成式混凝土環(huán)片及預(yù)力混凝土環(huán)片等。A鋼筋混凝土環(huán)片鋼筋混凝土環(huán)片可製作任意形狀尺寸、材質(zhì)均勻，且透水性低，撓性佳且經(jīng)濟(jì)。惟重量較鋼製、鑄鐵製之環(huán)片重，抗張力小而施工性亦欠佳。搬運(yùn)組合時(shí)銜接端容易破損。B合成式混凝土環(huán)片合成式混凝土環(huán)片係以鋼料與混凝土組合製作而成，兼有鋼料之強(qiáng)韌性及混凝土之經(jīng)濟(jì)性等特徵，其單價(jià)介於鋼環(huán)片與鋼筋混凝土環(huán)片間。C預(yù)力混凝土環(huán)片預(yù)力混凝土環(huán)片係以高壓力養(yǎng)護(hù)，成為具高彈性之環(huán)片，預(yù)力混凝土環(huán)片重量較鋼筋混凝土環(huán)片輕，其優(yōu)、缺點(diǎn)同鋼筋混凝土環(huán)片。2鋼環(huán)片鋼環(huán)片STEELSEGMENT採用CNS2473一般結(jié)構(gòu)用軋鋼料SS41以上鋼料，或CNS2947焊接結(jié)構(gòu)用軋鋼料SS41以上鋼料製作而成。鋼環(huán)片之鋼料材質(zhì)均一、強(qiáng)度高、容易搬運(yùn)、施工性佳、製作精度高等為其特點(diǎn)。惟較其他材質(zhì)之環(huán)片勁度較小、易腐蝕，接頭止水性較差，對(duì)大斷面隧道之撓度大為其缺點(diǎn)，臺(tái)灣地區(qū)因鋼料貴，其製造費(fèi)較鋼筋混凝土環(huán)片約高一倍。惟因銲接補(bǔ)強(qiáng)及加工容易，一般常使用於人孔、連接管需開孔補(bǔ)強(qiáng)處或曲線段異形環(huán)片製作等。3石墨鑄鐵環(huán)片石墨鑄鐵又稱延性鑄鐵DUCTILE，重量較鋼製環(huán)片重，強(qiáng)度高，且耐久性、製品精度、防水性、勁度等都非常優(yōu)良，但製作加工較費(fèi)時(shí)，價(jià)格較昂貴。目前臺(tái)灣仍未曾使用，石墨鑄鐵環(huán)片適用於中間人孔及流入管渠直接與潛盾管渠接合時(shí)，或隧道穿過建物、鐵道、河川等情況。22環(huán)片組成隧道每環(huán)以數(shù)個(gè)A型環(huán)片，2個(gè)B型環(huán)片及1個(gè)K型環(huán)片分割而成，亦有採數(shù)個(gè)A片加一個(gè)B片及一個(gè)K片單斜者，惟後者施工性較差。環(huán)片之分割數(shù)應(yīng)考慮提高環(huán)片製作與組立速度、搬運(yùn)方便及對(duì)滲漏水與結(jié)構(gòu)勁度影響等。環(huán)片之分割數(shù)目愈少愈好，但應(yīng)考慮搬運(yùn)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(huán)片組立以一環(huán)為單位環(huán)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(jié)成一環(huán)。為考量坑內(nèi)有滲漏水時(shí)須於水中辦理組立作業(yè)，接頭不宜設(shè)於隧道仰拱中央附近，如圖21。23環(huán)片形狀與尺寸環(huán)片形狀分為標(biāo)準(zhǔn)形及異形二種，如圖22所示，其尺寸及重量之選定，需適合設(shè)計(jì)與施工條件，一般環(huán)片寬度採5001,200MM，環(huán)片寬度大即須加長潛盾機(jī)，增加曲線施工、偏差修正之難度，寬度太小則增加環(huán)與環(huán)接頭數(shù)目。環(huán)片重量過重除增加坑內(nèi)運(yùn)搬之作業(yè)困難外，且須增大環(huán)片組裝機(jī)能量，小斷面潛盾隧道如有採用人工組立環(huán)片之情形時(shí)，每片環(huán)片之重量宜在60KG以下，K型環(huán)片應(yīng)在3040KG，每片環(huán)片應(yīng)設(shè)置直徑50MM灌漿孔，並附有管蓋及灌漿管套SOCKET，又使用環(huán)片組裝機(jī)時(shí)應(yīng)考慮吊裝孔。異形環(huán)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(huán)片寬度、襯砌外徑、隧道曲線半徑、環(huán)片之分割數(shù)及盾尾空隙等決定，詳圖22。異形環(huán)片以曲線半徑大小分為單側(cè)漸縮、兩側(cè)漸縮兩種型式，半徑大時(shí)採用單側(cè)漸縮，半徑小時(shí)採用兩側(cè)漸縮。曲線段施工或修正偏差時(shí)，有單獨(dú)使用異形環(huán)片或異形環(huán)片與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)片混合使用，一般以標(biāo)準(zhǔn)環(huán)片寬度為異形環(huán)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(jì)算到隧道中心之曲率半徑。M異形環(huán)片數(shù)目。N標(biāo)準(zhǔn)環(huán)片數(shù)目。B標(biāo)準(zhǔn)環(huán)片寬度。BT異形環(huán)片最大寬度。DO隧道外徑。計(jì)算隧道中心線之曲線長度。圖21環(huán)片形狀環(huán)片斷面圖由曲線長度、曲率半徑、環(huán)片配置量M、N等訂定合適之值，一般NM以1112最常用。24環(huán)片之接頭環(huán)片接頭須能滿足設(shè)計(jì)所定之強(qiáng)度，考量使接頭不發(fā)生背填、灌漿液或壓氣洩漏、漏水等情形，於環(huán)片接合面設(shè)置止水條，螺栓接合面須設(shè)置止水墊圈。1螺栓配置環(huán)與環(huán)間及片與片間續(xù)接處，分別採用螺栓以接續(xù)環(huán)片形成環(huán)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(xù)接處結(jié)構(gòu)螺栓盒環(huán)片續(xù)接處包括片與片間之接頭、環(huán)與環(huán)間之接頭。續(xù)接結(jié)構(gòu)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(huán)片開裂導(dǎo)致漏水。3K環(huán)片接頭角度K環(huán)片接頭角度之計(jì)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(guān)係式如下詳圖23接頭剪力N環(huán)片斷面軸力Q環(huán)片斷面剪力F接頭摩擦係數(shù)鋼環(huán)片03，混凝土環(huán)片05接頭剪力若超過接頭螺栓之抗剪強(qiáng)度，則K片將有脫落之危險(xiǎn)。通常較大時(shí)，值亦較大。餘裕角度一般為25，在不影響施工作業(yè)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，則無剪力問題。25縱向肋鈑鋼環(huán)片隧道施工時(shí)，潛盾機(jī)千斤頂頂住縱向肋鈑取得反力向前推進(jìn)，因此，千斤頂中心線應(yīng)儘量和肋鈑的中心線一致，否則將產(chǎn)生偏心彎矩。通常肋鈑採等間距配置，相鄰兩環(huán)片接頭鈑配合鄰環(huán)肋鈑設(shè)置。一環(huán)之總肋鈑數(shù)含接頭鈑通常是千斤頂數(shù)目的倍數(shù)。環(huán)片組立時(shí)，肋鈑接頭鈑應(yīng)形成連續(xù)，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(huán)片內(nèi)，丁字形彎折處容易有空氣滯留形成空隙，需設(shè)計(jì)排氣孔。25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(huán)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(shè)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(huán)片的接頭設(shè)置防水材槽，貼上止水條即可，水壓高的地方可設(shè)兩條止水條。另亦可設(shè)置填縫材槽作為備用。常用之防水材之材質(zhì)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11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(shí)，可於一、二次襯砌間舖設(shè)防水膜，防水膜厚度以15MM以上為宜，應(yīng)小心施作以免破損而失去防水性，常用材質(zhì)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。27灌漿孔及吊裝孔1灌漿孔灌漿孔是環(huán)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(nèi)一般均設(shè)有逆止閥?？讖揭朗褂霉酀{材料而定，一般採用50MM左右?；炷镰h(huán)片的灌漿孔常兼作為環(huán)片的吊點(diǎn)使用，須考量作業(yè)之安全性及施工性，以決定灌漿孔的位置、數(shù)量、直徑、材質(zhì)及強(qiáng)度等。另因灌漿孔和混凝土環(huán)片兩者間可能因剝離而導(dǎo)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(huán)片的吊裝孔通常焊接於環(huán)片中點(diǎn)附近。混凝土環(huán)片則利用灌漿孔作為吊點(diǎn)用，考量灌漿孔可能被拔出，因此設(shè)有錨定鋼筋以增加安全性。28塗裝鋼環(huán)片和混凝土環(huán)片接頭金屬鐵件在儲(chǔ)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(huán)片採TAR環(huán)氧樹脂，混凝土環(huán)片接頭金屬鐵件採環(huán)氧樹脂。2防水塗裝混凝土環(huán)片採用環(huán)氧樹脂或其他材料作為防水塗裝用。三、應(yīng)力分析模式潛盾隧道係一種在隧道軸向及環(huán)向均有接縫JOINT的地下結(jié)構(gòu)物，由於襯砌環(huán)片之結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法應(yīng)力分析仍未確立，設(shè)計(jì)時(shí)必須適切地評(píng)估襯砌環(huán)片結(jié)構(gòu)與地層之互制行為，以達(dá)設(shè)計(jì)之經(jīng)濟(jì)性及合理性。目前襯砌環(huán)片結(jié)構(gòu)分析模式可區(qū)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(rèn)為地層對(duì)於潛盾隧道之作用只是產(chǎn)生作用於襯砌環(huán)片之載重，以計(jì)算襯砌環(huán)片在載重作用下產(chǎn)生之內(nèi)力及變形。此種分析計(jì)算模式，按照各襯砌環(huán)片間接合模式假設(shè)，可再在細(xì)分為如31節(jié)所述之分析計(jì)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(rèn)為地層與潛盾隧道襯砌環(huán)片共同構(gòu)成受力變形之整體，並根據(jù)連體力學(xué)原理計(jì)算襯砌環(huán)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(jié)構(gòu)物地層性質(zhì)及邊界變化複雜，目前大多數(shù)問題都賴有限元素法FEM數(shù)值分析解決。31載重與地層分別考量之分析方法1潛盾隧道襯砌環(huán)片組成行為由於構(gòu)成潛盾隧道之襯砌係由環(huán)片SEGMENT與螺栓BOLT組合而成之環(huán)狀體，其接縫之勁度尤其彎曲勁度較單一環(huán)片之勁度低、較易產(chǎn)生變形，應(yīng)考慮接縫效應(yīng)之彎曲勁度折減，即環(huán)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(huán)與環(huán)間之接縫為交錯(cuò)配置STAGGER安排，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)隧道環(huán)狀體受壓變形，此種軸向環(huán)與環(huán)間之接縫交錯(cuò)配置會(huì)產(chǎn)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(huán)片之結(jié)構(gòu)分析模式目前根據(jù)整環(huán)襯砌環(huán)片間接合模式之勁度考慮模式，可分為三類（圖31）A整環(huán)彎曲勁度一致之環(huán)樑模式；B多鉸接系統(tǒng)模式；C樑旋轉(zhuǎn)彈簧模式。32整環(huán)彎曲勁度一致之環(huán)樑模式本模式即日本所謂之慣用計(jì)算法及其修正方法，由於自潛盾工法發(fā)展初期至今，本模式之使用實(shí)績頗多、且設(shè)計(jì)考量較簡單明確，故日本下水道協(xié)會(huì)、土木學(xué)會(huì)、鐵道施設(shè)協(xié)會(huì)、營團(tuán)地下鐵等單位之設(shè)計(jì)規(guī)範(fàn)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(jì)算法不考慮接縫效應(yīng)之彎曲勁度折減，組立完成之環(huán)狀體與單一環(huán)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(jì)算上較簡便。慣用計(jì)算法襯砌環(huán)片之受力狀態(tài)，如圖32所示。慣用計(jì)算法土壓力之計(jì)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(jì)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(jì)算，而砂質(zhì)土層則按後者之分離方式進(jìn)行計(jì)算較恰當(dāng)。A土壓力計(jì)算A垂直土壓力計(jì)算I考慮全覆蓋土壓力情形淺覆蓋砂質(zhì)土層圖31潛盾隧道襯砌環(huán)片之結(jié)構(gòu)分析模式垂直土壓力H至襯砌環(huán)片外周頂點(diǎn)之覆土層厚度至襯砌環(huán)片外周頂點(diǎn)之靜水面高度地下水位以上土層單位體積重量地下水位以下土層單位體積重量地表上載荷重II考慮鬆動(dòng)土壓力之情形砂質(zhì)土層或較硬粘土層，若覆蓋厚度較大者，則土層之拱效應(yīng)較有可能發(fā)揮，所以設(shè)計(jì)計(jì)算用垂直土壓力得採用鬆弛區(qū)土壓力，詳圖33。A,B,M其中，鬆動(dòng)區(qū)高度M一般土壤內(nèi)摩擦角度C土壤凝聚力土壤單位體積重量B水平土壓力計(jì)算作用於環(huán)片兩側(cè)之水平方向等分佈載重，其大小係根據(jù)垂直土壓力乘以側(cè)向土壓係數(shù)得之。其中，襯砌環(huán)片頂拱中心之水平土壓力襯砌環(huán)片底部環(huán)片中心之水平土壓力側(cè)向土壓係數(shù)襯砌環(huán)片之外徑M環(huán)片內(nèi)徑中心半徑M根據(jù)日本土木學(xué)會(huì)隧道標(biāo)準(zhǔn)示方書潛盾篇，同解說1996年版?zhèn)认蛲翂簜S數(shù)，地盤反力係數(shù)與土層性質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N值有表31之關(guān)係。B水壓力計(jì)算A垂直水壓力計(jì)算垂直方向水壓視為等分佈載重，襯砌環(huán)片上半部頂點(diǎn)採用作用於頂點(diǎn)之靜水壓力；下半部底部採用作用於底部之靜水壓力，其計(jì)算公式如下。襯砌環(huán)片外周頂點(diǎn)垂直方向水壓力襯砌環(huán)片外周底部垂直方向水壓力土層種類KN值範(fàn)圍極緊密砂質(zhì)土層壓密黏性土層0350453050緊密砂質(zhì)土層硬性黏性土層1030中等黏性土層0450550510鬆砂質(zhì)土層050060010軟弱黏性土層065075005極軟弱黏性土層0750850B水平水壓力計(jì)算水平方向水壓視為等變分佈載重，其計(jì)算公式如下。襯砌環(huán)片外周頂點(diǎn)水平方向水壓力襯砌環(huán)片外周底部水平方向水壓力C自重計(jì)算襯砌環(huán)片自重根據(jù)下式計(jì)算其中，W隧道縱斷面方向每單位長度襯砌環(huán)片重量襯砌環(huán)片中心半徑MD地盤反力A垂直方向地盤反力垂直方向地盤反力，與地盤變位無關(guān)，以等分佈方式作用襯砌環(huán)片，其計(jì)算公式如下。垂直方向地盤反力襯砌環(huán)片自重反力B水平方向地盤反力水平方向地盤反力與地盤變位有關(guān)，水平方向地盤反力與襯砌環(huán)片水平上下各之中心角範(fàn)圍，以水平為頂點(diǎn)之三角形分佈，其計(jì)算公式如下襯砌環(huán)片單片之彎曲勁度有效率，不同種類環(huán)片對(duì)應(yīng)之勁度有效率如表32所示表32襯砌環(huán)片勁度有效率環(huán)片種類石墨鑄鐵環(huán)片09RC環(huán)片平板形08RC環(huán)片混合式07RC環(huán)片箱式2修正慣用計(jì)算法考慮接縫效應(yīng)之彎曲勁度折減，即環(huán)狀體之彎曲勁度為彎曲勁度之有效率，。再考慮接縫交錯(cuò)配置之環(huán)間彎矩分配，採折減後之彎曲勁度EI計(jì)算所得之?dāng)嗝媪、N、Q中，考慮彎矩M提昇率，再分配予前後相鄰環(huán)狀體，因此設(shè)計(jì)彎矩採，詳圖34。彎曲力矩之提昇率相鄰襯砌環(huán)片彎曲力矩圖中M1係因襯砌環(huán)片接縫之拼接組合所造成之彎矩勁度折減以值表示。M2係因襯砌環(huán)片前後交錯(cuò)配置所造成之潛盾隧道整體彎矩能力提高，反應(yīng)於設(shè)計(jì)彎矩之提昇率值上。此方法雖已修正前述彎曲勁度不折減之方法，但實(shí)務(wù)上、值之大小仍無法由理論分析確實(shí)掌握，目前皆採經(jīng)驗(yàn)或全尺度環(huán)片組立試驗(yàn)結(jié)果推估一般採、，惟設(shè)計(jì)上仍以慣用計(jì)算法即、較常採用。A襯砌環(huán)片斷面受力計(jì)算法A襯砌環(huán)片斷面受力計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮因接頭存在彎曲勁度之有效率與因互相錯(cuò)開排列之彎曲力提昇率B設(shè)計(jì)用斷面力，應(yīng)以計(jì)算上所得之正與負(fù)最大彎曲力矩與其位置之軸力組合者為原則。修正慣用計(jì)算法及之取值範(fàn)圍，根據(jù)作用於襯砌環(huán)片之諸荷重差異可分類如表33及34所示。C慣用設(shè)計(jì)法襯砌環(huán)片斷面應(yīng)力計(jì)算公式，如表35所示。33多鉸接系統(tǒng)模式以鉸接系統(tǒng)模擬環(huán)向接縫同一環(huán)狀體之片與片間之接縫之方法。由於本鉸接系統(tǒng)屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，必須由周圍地層提供相當(dāng)程度之反力才可維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此，較廣泛應(yīng)用在英國、蘇聯(lián)等歐洲國家之良好地層條件。由於臺(tái)灣及日本之潛盾工法大都應(yīng)用於軟弱地層，在環(huán)片組立過程中、或剛脫離盾尾時(shí)，即使施工中已採用真圓維持器等輔助措施，惟因地層尚無法及時(shí)提供地盤反力，致環(huán)狀體仍有產(chǎn)生較大彎矩之疑慮。因此，多鉸接系統(tǒng)模式較不適用於軟弱地層。34樑旋轉(zhuǎn)彈簧模式以樑模擬環(huán)片主體、以旋轉(zhuǎn)彈簧模擬環(huán)向接縫，可同時(shí)考慮相鄰兩環(huán)以上之樑旋轉(zhuǎn)彈簧模式之方法，如僅考慮相鄰兩環(huán)時(shí)，即所謂雙環(huán)模式。針對(duì)接縫效應(yīng)，本方法為兼具上述32及33模式特點(diǎn)之折衷方法，當(dāng)旋轉(zhuǎn)彈簧模數(shù)取無限大時(shí)，則等同上述32之方法，當(dāng)旋轉(zhuǎn)彈簧模數(shù)取零時(shí)，則等同上述33之方法。35載重與地層合併考量之分析模式載重與地層合併考量之分析模式，雖較麻煩且耗時(shí)，惟最近電腦科技之進(jìn)展迅速，早期因工具限制而難以考慮之襯砌環(huán)片與地層合併考慮之有限元素法FEM數(shù)值分析模式，目前可利用ABAQUS、ANSYS、PLAXIS、FLAC或其他等經(jīng)多方驗(yàn)證之專業(yè)軟體，在分析計(jì)算上已不是件難事。1有限元素法數(shù)值分析計(jì)算基本假設(shè)A潛盾隧道係屬長條形結(jié)構(gòu)，沿著隧道前進(jìn)方向之應(yīng)變幾乎為零，故可按考慮二維平面應(yīng)變問題2DIMENTIONALPLANESTRAIN進(jìn)行分析計(jì)算。B由於隧道襯砌環(huán)片係以螺栓連接時(shí)，進(jìn)行有限元素法數(shù)值分析計(jì)算時(shí)，襯砌之勁度應(yīng)有適當(dāng)?shù)男拚蓞⒄杖鏜UIRWOOD1975提出之等值剛性法折減I值，詳如63節(jié)，評(píng)估環(huán)片之真實(shí)勁度。C地層之應(yīng)力應(yīng)變組成律模式為理想彈塑性PERFECTPLASTICITYD地層材料降伏準(zhǔn)則莫耳庫倫MOHRCOULOMB或其它降伏準(zhǔn)則，如DRUCKERPRAGER，MODIFIEDCAMCLAY等。2土層參數(shù)選取土層分佈可能沿隧道而變化，可加以適當(dāng)之簡化，但應(yīng)具備充分之代表性。土層參數(shù)選取係根據(jù)現(xiàn)地地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)地試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果以及經(jīng)驗(yàn)公式等，由有經(jīng)驗(yàn)工程師綜合判斷後給出有限元素法數(shù)值分析計(jì)算時(shí)所需參數(shù)，常用之估算公式如下剪力模數(shù)G及體積變形模數(shù)B，則待彈性模數(shù)決定後，根據(jù)如下之彈性力學(xué)理論公式，可推求得剪力模數(shù)及體積變形模數(shù)。剪力模數(shù)體積變形模數(shù)常用彈性模數(shù)估算公式詳表36，柏松比範(fàn)圍如表37所示。表33襯砌環(huán)片環(huán)及取值範(fàn)圍力學(xué)的分類依荷重差異之分類依襯砌環(huán)片構(gòu)造分類所有外力均為已知、地盤反力大小為未知、剛性一致之襯砌環(huán)片地盤反力之大小為未知考慮實(shí)驗(yàn)所求之、詳如表624多鉸接系襯砌環(huán)片地盤反力之大小為未知襯砌環(huán)片接頭視為鉸接具有旋轉(zhuǎn)彈簧之襯砌環(huán)片地盤反力大小為未知襯砌環(huán)片接頭視為旋轉(zhuǎn)彈簧表34試驗(yàn)室所得之與關(guān)係襯砌環(huán)片接頭構(gòu)造A型01030507平板形鋼筋混凝土襯砌環(huán)片栓榫註1B型03050306箱形鋼筋混凝土襯砌環(huán)片螺栓球狀石墨碳鑄鐵襯砌環(huán)片螺栓05070103註1當(dāng)變小，就有增加之傾向。表35慣用設(shè)計(jì)法襯砌環(huán)片斷面應(yīng)力計(jì)算公式荷重型式彎矩軸力剪力垂直荷重水平荷重水平三角形荷重水平地盤反力自重G表36常用彈性模數(shù)估算公式地層性質(zhì)公式粘土或沉泥沉泥或砂質(zhì)砂土粘土常用公式其中四捨五入至10之最近倍數(shù)飽和砂土正常壓密砂土過壓密砂土粘土質(zhì)砂沉泥，砂質(zhì)沉泥或粘土質(zhì)沉泥軟弱粘土或粘土質(zhì)沉泥表37柏松比範(fàn)圍地層性質(zhì)柏松比通常取值0304飽和粘土0405未飽和粘土0103砂質(zhì)粘土0203沉泥03035中至緊密砂土0304鬆至中等緊密砂土02035混凝土015鋼0333土層凝聚力C及內(nèi)摩擦角根據(jù)試驗(yàn)室所得結(jié)果取值4襯砌環(huán)片支撐材料設(shè)計(jì)參數(shù)潛盾隧道襯砌環(huán)片一般採用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)支撐，其材料設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示。如果使用內(nèi)撐以補(bǔ)強(qiáng)先行開挖之隧道，內(nèi)撐結(jié)構(gòu)應(yīng)併入分析模式考慮。A混凝土材料性質(zhì)單位重28天抗壓強(qiáng)度彈性模數(shù)柏松比B鋼筋高拉力鋼筋G60中碳鋼筋G405襯砌環(huán)片設(shè)計(jì)載重A呆重D包括襯砌環(huán)片自重及潛盾隧道開挖解壓所造成之地層壓力載重。B活載重L及地表超載包括地表車行活載重及捷運(yùn)電聯(lián)車活載重。地表車輛載重可參考交通部所頒公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)範(fàn)有關(guān)箱涵之規(guī)定，捷運(yùn)電聯(lián)車活載重可參考捷運(yùn)局所頒佈之相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)範(fàn)。C水壓力潛盾隧道開挖時(shí)為取得較大之環(huán)片襯砌受力，需取低水位即於地表下，進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算。D地震力地下結(jié)構(gòu)物之耐震設(shè)計(jì)與一般地面結(jié)構(gòu)物不盡相同。地面結(jié)構(gòu)物受地震作用之設(shè)計(jì)考量，一般依上述外加水平向外力模式考慮；而地下結(jié)構(gòu)物之耐震設(shè)計(jì)則以地盤受地震波作用下，因地盤之變位而引起地下結(jié)構(gòu)物隨地盤變位而產(chǎn)生之應(yīng)力及應(yīng)變而加以設(shè)計(jì)。一般地下結(jié)構(gòu)物之變位，很接近假設(shè)地下結(jié)構(gòu)物不存在時(shí)地盤之變位，即所謂自由場之變位，以剪切變位傾角RACKINGANGLE表示，結(jié)構(gòu)物與地盤之作用力等於使地下結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生變位之力，即傳統(tǒng)地下結(jié)構(gòu)物受地震作用影響之設(shè)計(jì)方式。地震所引起之土層剪切變位傾角為其中I為重要係數(shù)，VMAX為地表運(yùn)動(dòng)最大速度，CSE為隧道所在位置地震之剪力波速，CSE應(yīng)依量測值而定，若無量測值，下列經(jīng)驗(yàn)公式可用來決定地震剪力波速適用於凝聚性土壤；適用於無凝聚性土壤；地表運(yùn)動(dòng)最大速度VMAX根據(jù)臺(tái)北捷運(yùn)工程局土木工程設(shè)計(jì)手冊之地表運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)波譜，地表運(yùn)動(dòng)最大速度，詳如表38。一般剪切變位傾角RACKINGANGLE值介於00020005間表38臺(tái)北盆地地表最大運(yùn)動(dòng)速度範(fàn)圍堅(jiān)硬地盤中等地盤軟弱地盤36潛盾隧道開挖施工順序數(shù)值模擬1初始應(yīng)力場在潛盾隧道開挖前，土層已存有初始應(yīng)力場，其與自重、地下水、地貌及地層構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)，初始應(yīng)力係由土層自重產(chǎn)生，即垂直應(yīng)力水平應(yīng)力式中土層單位重H覆蓋土層深度側(cè)向土壓力係數(shù)，詳表39。表39側(cè)向土壓力係數(shù)範(fàn)圍公式側(cè)向土壓力係數(shù)HOOKSLAWJAKY1948BROOKANDIRELAND1965正常壓密粘土ALPAN1967HOLTZANDKOVACS1981過壓密土層低塑性高塑性2潛盾隧道開挖潛盾隧道係屬全斷面開挖，有限元素法分析計(jì)算時(shí)亦應(yīng)配合實(shí)際開挖狀況進(jìn)行數(shù)值模擬。由於現(xiàn)場潛盾隧道實(shí)際施工前進(jìn)面?zhèn)S採壓力平衡方式，因此地下水位以下潛盾隧道開挖之前進(jìn)面沒有內(nèi)水壓抵抗，數(shù)值模擬時(shí)需定義開挖前進(jìn)面之水壓為零，以求得較為保守之環(huán)片襯砌受力。3土體漏失率計(jì)算襯砌環(huán)片受力時(shí)之漏失率考量潛盾隧道襯砌受力與開挖過程之土體漏失率有關(guān)，土體漏失率愈大，地表沉陷將愈大，但由於有土體漏失引致之地層變位發(fā)生，相當(dāng)於地層應(yīng)力得到釋放，襯砌環(huán)片受力反而會(huì)減少。因此計(jì)算襯砌環(huán)片受力時(shí)，可考慮開挖過程土體在沒有漏失情況進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，以求得較為保守之環(huán)片襯砌受力進(jìn)行設(shè)計(jì)。4計(jì)算地表沉陷之土體漏失率考量潛盾隧道開挖過程之盾尾間隙係影響地表沉陷大小及分佈範(fàn)圍的主要原因詳圖35，盾尾間隙大小與隧道開挖過程之土體漏失率有一致關(guān)係。根據(jù)PECK1969研究顯示，施工條件及土層性質(zhì)對(duì)應(yīng)可能之土層漏失體積比，如表310所示。由於都會(huì)區(qū)潛盾隧道開挖不允許有較大地表變位發(fā)生以免損害既有建物，因此目前國內(nèi)潛盾隧道開挖考慮盾尾間隙之影響約為78CM，進(jìn)行地表沉陷對(duì)既有建物之影響。盾尾間隙變位78CM對(duì)應(yīng)於之土體漏失率視土層性質(zhì)而定，一般約為3左右。圖35地表沉陷槽（摘自PECK,1969）表310施工及土層條件/漏失體積比概估表施工及土層條件漏失體積比良好施工條件良好土層05良好施工條件初等鬆散土層15中等施工條件中等鬆散土層25不良施工條件高度鬆散土層4或更多四、環(huán)片襯砌及接頭設(shè)計(jì)1主要鋼筋設(shè)計(jì)依據(jù)應(yīng)力分析的結(jié)果，以”柱”設(shè)計(jì)方法進(jìn)行主要鋼筋及剪力鋼筋設(shè)計(jì)，依ACI規(guī)範(fàn)檢核裂縫寬度，設(shè)計(jì)流程如表41。2施工載重檢核環(huán)片從生產(chǎn)脫模後到工地組合完成以至脫離潛盾機(jī)尾，其間將分別承受搬運(yùn)、堆置、千斤頂推力、背填灌漿壓力等施工載重，須逐項(xiàng)針對(duì)細(xì)部加以核算如表42。3接頭止水凹槽設(shè)計(jì)環(huán)片接頭止水設(shè)計(jì)要兼顧施工初期之立即性及長期之耐久性，故須檢核凹槽容量AM及止水材料體積ASW，並依止水材料之特性曲線求得壓應(yīng)力SW以判別是否可抵抗設(shè)計(jì)水壓力W，檢核流程如表43。表41環(huán)片鋼筋設(shè)計(jì)流程表42施工載重檢核流程表42施工載重檢核流程五、應(yīng)用實(shí)例捷運(yùn)潛盾雙孔隧道之土層參數(shù)如表51，分析剖面條件如下覆土深242M隧道內(nèi)徑56M隧道間距115M地表交通荷重50KN/M2隧道內(nèi)列車輪重30KN表51地層參數(shù)層別土層分類深度MNT/M3CT/M2KPSUT/M2ET/M21SF0952010284191000032CL974192027392800033SM223152030325543000034CL/ML303222010335974234035CL4015195031515944687045長期地下水面位於地表面下30公尺隧道襯砌採用25CM厚、100CM寬之預(yù)鑄混凝土環(huán)片，每環(huán)由六片包含K型環(huán)片組成，混凝土及鋼筋之材料參數(shù)如下1混凝土單位重28天抗壓強(qiáng)度彈性模數(shù)柏松比POISSONSRATIO2鋼筋高拉力鋼筋SD42中碳鋼筋SD28依35節(jié)所述方法計(jì)算得變位傾角000226【環(huán)片有效深度折減計(jì)算】環(huán)片以螺栓組合，分析時(shí)輸入之環(huán)片厚度D1及彈性模數(shù)E1須予修正，其計(jì)算方式如下依據(jù)ERDMANNJ之理論計(jì)算軸力NNNTOPNBEN/2NTOPNBENN環(huán)片平均軸力EK土體彈性模數(shù)R隧道半徑至環(huán)片中心線F環(huán)片截面積H覆土深度土壤單位重土壤單位重水中S地表或鄰近結(jié)構(gòu)物載重HW起拱線以上之地下水位高度接頭有效深度計(jì)算圖51圖51環(huán)片接頭有效深度由1至2多次疊代計(jì)算可得正確接頭深度AX，代入MUIRWOOD公式求D1及E1IEIJI4/N2BA3D34/N2/12EDBE1D1BE1ED/D1EIEE1D13B/12D1IE有效慣性矩IJ接頭處之慣性矩I環(huán)片本體之慣性矩N一環(huán)之環(huán)片數(shù)目K片不計(jì)，且N4A接頭深度B環(huán)片寬度D環(huán)片厚度E環(huán)片彈性模數(shù)D1修正後之環(huán)片厚度E1修正後之環(huán)片彈性模數(shù)依上述方法計(jì)算得本例之環(huán)片厚度D1及彈性模數(shù)E1D1216CME1368107KN/M2本斷面分析使用FEM程式PLAXIS，分析網(wǎng)格如圖52，鋼筋設(shè)計(jì)則採強(qiáng)度設(shè)計(jì)法?！据d重模式及邊界條件】分析過程施加各種載重之型式如圖53及54所示，邊界條件詳見圖55及56。分析過程施加各種載重之型式如圖53及54所示，邊界條件詳見圖55及56。圖53土壓、水壓、及其他超載圖52分析斷面網(wǎng)格圖54地震力圖55靜力分析邊界條件圖56地震力分析邊界條件【分析結(jié)果應(yīng)力圖】非地震狀況圖57應(yīng)力分佈等值圖圖58變位分佈等值圖圖59隧道襯砌內(nèi)空變位圖圖510襯砌軸力圖圖511襯砌剪力圖圖512襯砌彎矩圖載重組合】114D17L207514D17L187ED包含自重、土壓力、水壓力所引起之環(huán)片應(yīng)力L地表車輛、隧道內(nèi)列車活載重所引起之環(huán)片應(yīng)力E地震力所引起之環(huán)片應(yīng)力【環(huán)片鋼筋設(shè)計(jì)】環(huán)片鋼筋採柱設(shè)計(jì)方式，將載重組合結(jié)果考慮組裝誤差1CM所造成的額外彎矩點(diǎn)繪於軸力PT彎矩MTM交互影響圖如圖513。由交互影響圖可得設(shè)計(jì)之軸力及彎矩為MU119TMPU147T鋼筋採柱設(shè)計(jì)法如下環(huán)片寬B100CM環(huán)片全深H25CM有效深度D21CM鋼筋保護(hù)層D4CM混凝土強(qiáng)度FC450KG/CM2鋼筋降伏強(qiáng)度FY4200KG/CM2混凝土極限應(yīng)變C0003鋼筋彈性模數(shù)ES204106KG/CM21085005FC280/70072907PNPU/1700TMNMU/210TMEMU/PU1235CMEMIN01H25CMCOLUMNDESIGNXBCD/FY/ES00031245CMPB085FC1XBB3471TPN拉力控制XCCD/CFY/ES1275CMPC085FC1XCB3553TPNFSOK4環(huán)片螺栓槽孔之補(bǔ)強(qiáng)筋A(yù)周向螺栓槽承壓面積A010201/2