潜盾隧道环片衬砌之设计方法与设计实例(何泰源)

潛盾隧道環片襯砌之設計方法與設計實例章節目錄一、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21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。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STEELSEGMENT採用CNS2473一般結構用軋鋼料SS41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。22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21。23環片形狀與尺寸環片形狀分為標準形及異形二種，如圖22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22。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。BT異形環片最大寬度。DO隧道外徑。計算隧道中心線之曲線長度。圖21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NM以1112最常用。24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。3K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23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03，混凝土環片05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25，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，則無剪力問題。25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。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，可於一、二次襯砌間舖設防水膜，防水膜厚度以15MM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。27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全性。28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31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，目前大多數問題都賴有限元素法FEM數值分析解決。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31）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。32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32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31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砂質土層或較硬粘土層，若覆蓋厚度較大者，則土層之拱效應較有可能發揮，所以設計計算用垂直土壓力得採用鬆弛區土壓力，詳圖33。A,B,M其中，鬆動區高度M一般土壤內摩擦角度C土壤凝聚力土壤單位体積重量B水平土壓力計算作用於環片兩側之水平方向等分佈載重，其大小係根據垂直土壓力乘以側向土壓係數得之。其中，襯砌環片頂拱中心之水平土壓力襯砌環片底部環片中心之水平土壓力側向土壓係數襯砌環片之外徑M環片內徑中心半徑M根據日本土木學會隧道標準示方書潛盾篇，同解說1996年版側向土壓係數，地盤反力係數與土層性質及標準貫入試驗N值有表31之關係。B水壓力計算A垂直水壓力計算垂直方向水壓視為等分佈載重，襯砌環片上半部頂點採用作用於頂點之靜水壓力；下半部底部採用作用於底部之靜水壓力，其計算公式如下。襯砌環片外周頂點垂直方向水壓力襯砌環片外周底部垂直方向水壓力土層種類KN值範圍極緊密砂質土層壓密黏性土層0350453050緊密砂質土層硬性黏性土層1030中等黏性土層0450550510鬆砂質土層050060010軟弱黏性土層065075005極軟弱黏性土層0750850B水平水壓力計算水平方向水壓視為等變分佈載重，其計算公式如下。襯砌環片外周頂點水平方向水壓力襯砌環片外周底部水平方向水壓力C自重計算襯砌環片自重根據下式計算其中，W隧道縱斷面方向每單位長度襯砌環片重量襯砌環片中心半徑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，以等分佈方式作用襯砌環片，其計算公式如下。垂直方向地盤反力襯砌環片自重反力B水平方向地盤反力水平方向地盤反力與地盤變位有關，水平方向地盤反力與襯砌環片水平上下各之中心角範圍，以水平為頂點之三角形分佈，其計算公式如下襯砌環片單片之彎曲勁度有效率，不同種類環片對應之勁度有效率如表32所示表32襯砌環片勁度有效率環片種類石墨鑄鐵環片09RC環片平板形08RC環片混合式07RC環片箱式2修正慣用計算法考慮接縫效應之彎曲勁度折減，即環狀體之彎曲勁度為彎曲勁度之有效率，。再考慮接縫交錯配置之環間彎矩分配，採折減後之彎曲勁度EI計算所得之斷面力M、N、Q中，考慮彎矩M提昇率，再分配予前後相鄰環狀體，因此設計彎矩採，詳圖34。彎曲力矩之提昇率相鄰襯砌環片彎曲力矩圖中M1係因襯砌環片接縫之拼接組合所造成之彎矩勁度折減以值表示。M2係因襯砌環片前後交錯配置所造成之潛盾隧道整体彎矩能力提高，反應於設計彎矩之提昇率值上。此方法雖已修正前述彎曲勁度不折減之方法，但實務上、值之大小仍無法由理論分析確實掌握，目前皆採經驗或全尺度環片組立試驗結果推估一般採、，惟設計上仍以慣用計算法即、較常採用。A襯砌環片斷面受力計算法A襯砌環片斷面受力計算時，應考慮因接頭存在彎曲勁度之有效率與因互相錯開排列之彎曲力提昇率B設計用斷面力，應以計算上所得之正與負最大彎曲力矩與其位置之軸力組合者為原則。修正慣用計算法及之取值範圍，根據作用於襯砌環片之諸荷重差異可分類如表33及34所示。C慣用設計法襯砌環片斷面應力計算公式，如表35所示。33多鉸接系統模式以鉸接系統模擬環向接縫同一環狀體之片與片間之接縫之方法。由於本鉸接系統屬不穩定結構，必須由周圍地層提供相當程度之反力才可維持結構穩定，因此，較廣泛應用在英國、蘇聯等歐洲國家之良好地層條件。由於台灣及日本之潛盾工法大都應用於軟弱地層，在環片組立過程中、或剛脫離盾尾時，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提供地盤反力，致環狀體仍有產生較大彎矩之疑慮。因此，多鉸接系統模式較不適用於軟弱地層。34樑旋轉彈簧模式以樑模擬環片主體、以旋轉彈簧模擬環向接縫，可同時考慮相鄰兩環以上之樑旋轉彈簧模式之方法，如僅考慮相鄰兩環時，即所謂雙環模式。針對接縫效應，本方法為兼具上述32及33模式特點之折衷方法，當旋轉彈簧模數取無限大時，則等同上述32之方法，當旋轉彈簧模數取零時，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，惟最近電腦科技之進展迅速，早期因工具限制而難以考慮之襯砌環片與地層合併考慮之有限元素法FEM數值分析模式，目前可利用ABAQUS、ANSYS、PLAXIS、FLAC或其他等經多方驗證之專業軟體，在分析計算上已不是件難事。1有限元素法數值分析計算基本假設A潛盾隧道係屬長條形結構，沿著隧道前進方向之應變幾乎為零，故可按考慮二維平面應變問題2DIMENTIONALPLANESTRAIN進行分析計算。B由於隧道襯砌環片係以螺栓連接時，進行有限元素法數值分析計算時，襯砌之勁度應有適當的修正，可參照如MUIRWOOD1975提出之等值剛性法折減I值，詳如63節，評估環片之真實勁度。C地層之應力應變組成律模式為理想彈塑性PERFECTPLASTICITYD地層材料降伏準則莫耳庫倫MOHRCOULOMB或其它降伏準則，如DRUCKERPRAGER，MODIFIEDCAMCLAY等。2土層參數選取土層分佈可能沿隧道而變化，可加以適當之簡化，但應具備充分之代表性。土層參數選取係根據現地地質調查、現地試驗、實驗室試驗結果以及經驗公式等，由有經驗工程師綜合判斷後給出有限元素法數值分析計算時所需參數，常用之估算公式如下剪力模數G及體積變形模數B，則待彈性模數決定後，根據如下之彈性力學理論公式，可推求得剪力模數及體積變形模數。剪力模數體積變形模數常用彈性模數估算公式詳表36，柏松比範圍如表37所示。表33襯砌環片環及取值範圍力學的分類依荷重差異之分類依襯砌環片構造分類所有外力均為已知、地盤反力大小為未知、剛性一致之襯砌環片地盤反力之大小為未知考慮實驗所求之、詳如表624多鉸接系襯砌環片地盤反力之大小為未知襯砌環片接頭視為鉸接具有旋轉彈簧之襯砌環片地盤反力大小為未知襯砌環片接頭視為旋轉彈簧表34試驗室所得之與關係襯砌環片接頭構造A型01030507平板形鋼筋混凝土襯砌環片栓榫註1B型03050306箱形鋼筋混凝土襯砌環片螺栓球狀石墨碳鑄鐵襯砌環片螺栓05070103註1當變小，就有增加之傾向。表35慣用設計法襯砌環片斷面應力計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常用彈性模數估算公式地層性質公式粘土或沉泥沉泥或砂質砂土粘土常用公式其中四捨五入至10之最近倍數飽和砂土正常壓密砂土過壓密砂土粘土質砂沉泥，砂質沉泥或粘土質沉泥軟弱粘土或粘土質沉泥表37柏松比範圍地層性質柏松比通常取值0304飽和粘土0405未飽和粘土0103砂質粘土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及內摩擦角根據試驗室所得結果取值4襯砌環片支撐材料設計參數潛盾隧道襯砌環片一般採用鋼筋混凝土結構支撐，其材料設計參數如下所示。如果使用內撐以補強先行開挖之隧道，內撐結構應併入分析模式考慮。A混凝土材料性質單位重28天抗壓強度彈性模數柏松比B鋼筋高拉力鋼筋G60中碳鋼筋G405襯砌環片設計載重A呆重D包括襯砌環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電聯車活載重。地表車輛載重可參考交通部所頒公路橋梁設計規範有關箱涵之規定，捷運電聯車活載重可參考捷運局所頒佈之相關設計規範。C水壓力潛盾隧道開挖時為取得較大之環片襯砌受力，需取低水位即於地表下，進行數值分析計算。D地震力地下結構物之耐震設計與一般地面結構物不盡相同。地面結構物受地震作用之設計考量，一般依上述外加水平向外力模式考慮；而地下結構物之耐震設計則以地盤受地震波作用下，因地盤之變位而引起地下結構物隨地盤變位而產生之應力及應變而加以設計。一般地下結構物之變位，很接近假設地下結構物不存在時地盤之變位，即所謂自由場之變位，以剪切變位傾角RACKINGANGLE表示，結構物與地盤之作用力等於使地下結構物產生變位之力，即傳統地下結構物受地震作用影響之設計方式。地震所引起之土層剪切變位傾角為其中I為重要係數，VMAX為地表運動最大速度，CSE為隧道所在位置地震之剪力波速，CSE應依量測值而定，若無量測值，下列經驗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；地表運動最大速度VMAX根據台北捷運工程局土木工程設計手冊之地表運動設計波譜，地表運動最大速度，詳如表38。一般剪切變位傾角RACKINGANGLE值介於00020005間表38台北盆地地表最大運動速度範圍堅硬地盤中等地盤軟弱地盤36潛盾隧道開挖施工順序數值模擬1初始應力場在潛盾隧道開挖前，土層已存有初始應力場，其與自重、地下水、地貌及地層構造運動有關，初始應力係由土層自重產生，即垂直應力水平應力式中土層單位重H覆蓋土層深度側向土壓力係數，詳表39。表39側向土壓力係數範圍公式側向土壓力係數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，有限元素法分析計算時亦應配合實際開挖狀況進行數值模擬。由於現場潛盾隧道實際施工前進面係採壓力平衡方式，因此地下水位以下潛盾隧道開挖之前進面沒有內水壓抵抗，數值模擬時需定義開挖前進面之水壓為零，以求得較為保守之環片襯砌受力。3土體漏失率計算襯砌環片受力時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，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生，相當於地層應力得到釋放，襯砌環片受力反而會減少。因此計算襯砌環片受力時，可考慮開挖過程土體在沒有漏失情況進行數值分析計算，以求得較為保守之環片襯砌受力進行設計。4計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係。根據PECK1969研究顯示，施工條件及土層性質對應可能之土層漏失體積比，如表310所示。由於都會區潛盾隧道開挖不允許有較大地表變位發生以免損害既有建物，因此目前國內潛盾隧道開挖考慮盾尾間隙之影響約為78CM，進行地表沉陷對既有建物之影響。盾尾間隙變位78CM對應於之土體漏失率視土層性質而定，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、環片襯砌及接頭設計1主要鋼筋設計依據應力分析的結果，以”柱”設計方法進行主要鋼筋及剪力鋼筋設計，依ACI規範檢核裂縫寬度，設計流程如表41。2施工載重檢核環片從生產脫模後到工地組合完成以至脫離潛盾機尾，其間將分別承受搬運、堆置、千斤頂推力、背填灌漿壓力等施工載重，須逐項針對細部加以核算如表42。3接頭止水凹槽設計環片接頭止水設計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力SW以判別是否可抵抗設計水壓力W，檢核流程如表43。表41環片鋼筋設計流程表42施工載重檢核流程表42施工載重檢核流程五、應用實例捷運潛盾雙孔隧道之土層參數如表51，分析剖面條件如下覆土深242M隧道內徑56M隧道間距115M地表交通荷重50KN/M2隧道內列車輪重30KN表51地層參數層別土層分類深度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寬之預鑄混凝土環片，每環由六片包含K型環片組成，混凝土及鋼筋之材料參數如下1混凝土單位重28天抗壓強度彈性模數柏松比POISSONSRATIO2鋼筋高拉力鋼筋SD42中碳鋼筋SD28依35節所述方法計算得變位傾角000226【環片有效深度折減計算】環片以螺栓組合，分析時輸入之環片厚度D1及彈性模數E1須予修正，其計算方式如下依據ERDMANNJ之理論計算軸力NNNTOPNBEN/2NTOPNBENN環片平均軸力EK土體彈性模數R隧道半徑至環片中心線F環片截面積H覆土深度土壤單位重土壤單位重水中S地表或鄰近結構物載重HW起拱線以上之地下水位高度接頭有效深度計算圖51圖51環片接頭有效深度由1至2多次疊代計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環片本體之慣性矩N一環之環片數目K片不計，且N4A接頭深度B環片寬度D環片厚度E環片彈性模數D1修正後之環片厚度E1修正後之環片彈性模數依上述方法計算得本例之環片厚度D1及彈性模數E1D1216CME1368107KN/M2本斷面分析使用FEM程式PLAXIS，分析網格如圖52，鋼筋設計則採強度設計法。【載重模式及邊界條件】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【分析結果應力圖】非地震狀況圖57應力分佈等值圖圖58變位分佈等值圖圖59隧道襯砌內空變位圖圖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、水壓力所引起之環片應力L地表車輛、隧道內列車活載重所引起之環片應力E地震力所引起之環片應力【環片鋼筋設計】環片鋼筋採柱設計方式，將載重組合結果考慮組裝誤差1CM所造成的額外彎矩點繪於軸力PT彎矩MTM交互影響圖如圖513。由交互影響圖可得設計之軸力及彎矩為MU119TMPU147T鋼筋採柱設計法如下環片寬B100CM環片全深H25CM有效深度D21CM鋼筋保護層D4CM混凝土強度FC450KG/CM2鋼筋降伏強度FY4200KG/CM2混凝土極限應變C0003鋼筋彈性模數ES204106KG/CM21085005FC280/70072907PNPU/1700TMNMU/210TMEMU/PU1235CMEMIN01H25CMCOLUMNDESIGNXBCD/FY/ES00031245CMPB085FC1XBB3471TPN拉力控制XCCD/CFY/ES1275CMPC085FC1XCB3553TPNFSOK4環片螺栓槽孔之補強筋A周向螺栓槽承壓面積A010201/2