左營鐵路地下化「隧道開挖遭遇之問題及對策」解析(上)

壹、工程說明

高雄鐵路地下化左營計畫,工程範圍為永久軌里程UK397+579~UK401+700之間,即自新左營站大中二路附近至翠華路交叉口,施築永久軌引道後,以明挖覆蓋隧道方式,往南施築單孔雙軌隧道乙座、及左營、內惟二座岸壁式月台車站,於UK401+700葆禎路附近,連接高雄計畫DL01標,路線全長約4.12公里,如圖1。

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圖1 左營計畫工程範圍平面圖

左營計畫臺鐵隧道,UK400+098~129橫交中華一路之左營地下道,由下方穿越,兩者結構體淨距約0.4~0.8m;本段隧道原設計採用管冪工法,該工法係前期地下道之經驗考量而採用,惟基於早期障礙物的發現(如後述),變更採行地下道全封之明挖覆蓋工法(搭配74支切削樁),對本工址各種已知與未知之地下障礙物,進行施工與因應處理。

貳、原設計管冪工法

中華一路為市區重要幹線,交維改道衝擊甚大,且工期較長;又該地下道為76至80年興建,為減少對既有結構影響,原採安全性較高及免地面開挖之管冪工法,後因垂直地改時遭遇障礙物,修正為地下道全封明挖覆蓋工法。管冪(冪:覆蓋器物的布巾),或稱管幕工法(Pipes Roof Method,PRM),主要將圓形鋼管利用反力設備,逐支鑽掘推入土體內;鋼管與鋼管側間以公母榫連結,如圖2,數支鋼管締結組成形如「排笛」之鋼管排面;進而構成橫斷面為ㄇ或口字型之鋼管圍冪,以抵抗周圍土壓,並保護鐵路隧道箱涵結構開挖時的頂拱及側邊,再配合臨時支撐進行分階段開挖;臨時支撐,係在每隔適當距離設置水平及垂直之H型鋼支撐,以控制鋼管變形及避免影響上方結構或路面沉陷。管冪推管區段南北兩端,並以連續壁設置出發井(16.95*12m)及到達井(20.7*10.9m),開挖深度均為21.9m。經承商進行管冪段推管前垂直地改作業,發現地下道下方遺留RC結構物,嗣後經再GPR及水平探測,發現管冪推管上下排及側排管冪推管區,可能殘留RC基樁,恐影響管冪推管作業,影響鐵路地下化整體進度,遂中止管幕工法。

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圖2 臺鐵隧道穿越左營地下道(中華一路)管冪工法剖面配置圖

叁、變更工法明挖覆蓋(含74支切削樁)

前揭管冪工法,雖適用於不同地層之穿越路堤,惟本案因「A.民國63建造之舊群樁障礙均位於現有地下道下方,無法進行探查;B.依實務研判,仍有不明之前該地下道施工後遺留之臨時擋土構造物」等,經多方檢討變更必要,爰修正為地下道全封明挖覆蓋工法,如圖3。

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圖3 地下道全封明挖覆蓋工法及擋土壁切削樁施工

Ø明挖覆蓋工法施工步驟:

全面車道封閉→底板地盤改良→底板導溝切割→頂板結構物打除→切削樁施做→地下道打除→止水樁施做→逐階支撐降挖→隧道結構體施工→地下道結構復原→通車。

一.明挖覆蓋工率分析(最大開挖深度26M,採6階7挖)

1.使用機具:分四區使用8組開挖機具。

a.深度0~5m,兩部0.7m3挖土機;

b.深度5~10m,使用吊車式吊桶,配合三部0.3m3小型挖土機出土;

c.深度10~26m,使用吊車式吊桶,配合三部0.3m3小型挖土機出土;

2.作業時間,10小時/工作天(07:00~17:30)

3.開挖機具作業深度受限於機具臂長、作業空間及投入口尺寸等條件限制,實務上乃依不同開挖深度採用不同開挖機具,俾克服作業空間狹隘與深開挖之困難;另開挖作業需配合支撐分階段逐層開挖,禁止超挖,以避免擋土設施無法抵抗側向土壓力。本案開挖工率如下:

a.深度0~5m,550m3/工作天.組;

b.深度5~10m,450m3/工作天.組;

c.深度10~15m,300m3/工作天.組;

d.深度15~20m,250m3/工作天.組;

e.深度20~26m,200m3/工作天.組;

4.隧道結構:

隧道結構底板、穿堂板、頂板,每結構單元15M,側牆高度6m/層。

a.底板:模板工4人,鋼筋工10人,澆置工6人,小工3人及1領班。

b.穿堂板、頂板:模板工7人,鋼筋工12人,澆置工6人,小工3人及1領班。

c.側牆:模板工6人,鋼筋工10人,澆置工5人,小工3人及1領班。

5.結構工率

a.底板8天/單元。

b.側牆4天/單元(每一昇層)。

c.穿堂板10天/單元。

d.頂板12天/單元。

6.中間柱工率

a.使用機具,反循環鑽機1部、吊車1部、卡車1部、混凝土拌合車2部。

b.每1.5天完成1支中間柱。

Ø切削排樁施工步驟:

一、施工說明

1.將套管壓入土中,一面以錘式抓斗挖掘或以螺旋鑽頭或桶式鑽頭鑽掘,當挖掘地盤時係沿全長設置護套管以保護孔壁。

2.錘式抓斗之展合方式,應根據土層地質來作選擇,遇到地下水時,由於抓斗中土石將會隨地下水流失,因此必需加配取土筒之裝備。遇到大卵石或岩盤,或是任何掘削進尺困難時,原則應使用重錘以外之機具(如鑽堡),將其擊碎後取出,再壓進套管(本案鄰近高密度住宅區,並無使用重錘等,以避免引起地表及建物震動)。

3.在非凝聚性之土壤情況,通常會造成鑽孔周圍之土壤坍陷現象,導致超挖,尤其在地下水位以下之部份更形嚴重,故在鑽掘過程中,應防止鑽頭或抓斗超出套管施工,以免產生不良缺陷。

4.當鑽掘到地下水位時,套管內應灌水,保持在地下水位以上,防止管內會產生砂湧或土湧之現象,或因套管外的壓力過大,而使套管產生變形,在澆置混凝土時,套管難以拔出。

二、施工方法

(一)定位

1.排樁設置之前,需依圖說訂定樁位中心線,標定排樁正確位置,並設立水準點,施工期間隨時檢測高程。排樁之放樣,需考慮樁鑽掘之垂直誤差,及主體開挖時樁之變形,以確保結構體之寬度,在精度要求之內。

2.視需要設置導溝或其他定位措施,以利控制排樁位置及鑽掘方向。

3.施工中需檢測樁位是否偏離並及時調整。

4.樁位附近放置枕木與舖設鋼板,使樁機放置穩固,以免因鋼套管受壓而產生位移。

5.本案擋土排樁之相鄰兩樁,應重疊20±5cm。

(二)鑽掘

1.依鑽掘速度及混凝土硬化時間,排訂樁位施工順序。

2.在放置鋼套管時,檢測鋼套管中心之實際位置是否偏離,若有偏離及時調整。

3.將鋼套管壓入土層中,並隨時檢測其垂直度許可差不得大於1/200。

4.鑽機定位後,先以抓斗挖取上層之土壤後,再用鑽機本身特製之多頭旋轉鑽頭,鑽挖土壤直到設計深度。

5.在鑽挖過程中,一面鑽挖土壤,一面將鋼套管壓入土層中,讓鑽頭的速度不要超過套管外。

6.鑽挖至設計深度後,會同檢測,並以超音波,檢測全樁之孔壁及垂直度,水尺檢測高程。超音波檢測確實定心及定位,由液面下1m處開始記錄檢測結果。(每支樁檢測東西及南北兩向)

(三)鋼柱吊放

1.鋼柱吊放時,需派駐測量人員負責量測及鋼柱校正作業。

2.鋼柱吊放完成後,需妥善固定,以免澆置混凝土時產生移動。

(四)鋼筋籠吊放

1.上節鋼筋籠下端與下節鋼筋籠上端之搭接主筋長度,須採固定長度,並以有色膠帶做記號,以免錯接。

2.主筋搭接每道電銲長度3cm,每隔16cm銲接乙處,主筋搭接完成,隨即銲接外箍筋。

3.鋼筋籠遇變形應即吊起,加以修補校正後,再行放入。

4.鋼筋籠吊放,如中途發現鋼筋籠無法放下時,不得強行壓入,需即吊起,查明原因後,始得進行後續作業。

5.鋼筋籠吊放完成後,藉由枕木或型鋼妥為固定,掛在鋼套管外。

6.限高施作之排樁鋼筋籠,搭配機具,採分段對接方式吊放,倘鋼筋籠因長度太短致搭接無法施作,可提送代替方案(如內置型鋼柱)辦理。

(五)特密管之吊放

1.檢查特密管每個接頭,均能拆卸且水密性良好,管內壁清潔,管底無彎曲,並檢測各支管長度。

2.依鑽掘樁孔之深度配置特密管長度,所有使用特密管長,除了最後三支之長度為調整長度外,其餘管長應均等。管之上端裝有漏斗,下方置鐵製活門、或與管徑同大之橡皮栓塞。當混凝土大量灌入漏斗,迫使活門或橡皮栓塞壓入導管,逼降管內泥漿水,使其從管底溢出,並使樁孔之水不致流入管內,漏斗頂端應加 50mm x
50mm之鋼網,以防堵塞。

3.特密管底離樁孔底約200mm,不宜接觸孔底,以免不慎將孔底土壤礫石等擠入特密管底部,影響混凝土之澆置。

(六)混凝土之澆置

1.到場之混凝土,經坍度檢驗合格後,開始澆置混凝土。

2.澆置混凝土時,避免粒料分離現象,管口最下端,應始終保持在混凝土面以下至少1.5m。

3.每根樁於澆置混凝土時,應藉特密管連續進行,但當中停頓時間,不得超過45分鐘,以便抽取特密管與鋼套管。

4.開始澆置時特密管須離孔底約200mm,澆置中隨時注意特密管應置於樁中央並略為抽動,但不可劇烈搖動,避免泥水混入混凝土;在每車澆置後或拔取特密管前,均應仔細檢測深度並填入記錄表,如發現某車次澆置長度有異時,應即查明原因並列入紀錄。

5.澆置混凝土時,經常保持鋼套管內水位,在地下水位上1m以上高度,沉澱池內出水口應關閉阻塞,逐漸上升之泥水應使用水泵抽出,不得用溢流方式漫流至整個場地。

6.澆置期間,應維持特密管內隨時有足量混凝土供應,以確保澆置作業不致中斷。

7.混凝土澆置完成後,樁頂至地面間之空鑽部分,予以回填。

三、施工注意事項

1.確實規劃澆置車次數量及起管(若一次下料過多起管太晚,會造成整支套管開始初凝,鋼筋籠與套管不易分離,因而浮筋)。

2.管制到場混凝土品質。

3.鋼筋籠加工及搭接位置加強檢視。

4.套管及鋼筋籠垂直度控制加強檢視。

5.第一節套管未起管前之澆置,均應隨時搖管確認筋管分離。

6.若施工淨空受限,致一般全套管機具施工困難時,需配合採降挖、或採限高型機具施工。

7.盡速回填出發井動線,回歸由工班控制滑槽下料(若澆置動線受阻,採用壓送車澆置,下料速度非工班控制,導致管內混凝土壓力過大而擠壓套管)。

8.起管期間,須全程進行軌道沉陷監測及注視軌道異狀。

9.建立SOP,施工人員觀念再教育,加強施工查驗頻率,確保作業安全。

10.臨鐵路沿線施工,加強路基及軌道巡檢。

11.開挖過程中及每一階段開挖完成後,需對切削樁作檢視,若發現排樁品質不良(含垂直度)、或漏水,應立即進行緊急補救、改善措施。

12.每一支樁施工時,需記載開始時間,完成時間、日期、所用材料數量,以及有關事項,並於該樁完成時簽認留存。(待續)

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