竖井开挖支撑设计施工案例探讨-台铁汐止42号竖井为例.docx

豎井開挖支撐設計施工案例探討-台鐵汐止42號豎井為例 中華顧問工程司 協理 陳福勝 大地工程部 組長 吳文隆 大地工程部 工程師 周坤賢 前言 圖1 工址平面位置示意圖 本工程因緊臨既有鐵路，以及位於北二高南港連絡道下方，故施工困難度高，相關之平面位置如圖2所示。本工程之特色為鄰近運作中鐵路施工，最短距離僅3公尺。同時本豎井為銜接山岳隧道(馬蹄型)與明挖隧道(箱形)界面，有應力集中問題。另因位於北二高高架橋下施工，相關施工 圖2 平面位置暨相關工程 地形與地質 圖3 區域地質平面圖 豎井型式研析 表一 豎井型式比較表 項 目 圓(多邊)形豎井 形豎井 結構力學行為 佳 差 連續壁施築 同(長約80m; 工率稍低) 同(長約100m) 開挖工期與安全 佳；快、變位極微 差；慢、需支撐系統 作業空間 大 內撐系統阻礙 連接隧道界面 圓形豎井若與方形隧道連接須加強界面止水處理 配筋及組模較複雜 方形豎井與方形隧道之界面止水較佳 配筋及組模較簡單 箱型隧道山岳隧道往汐止往台北 箱型隧道 山岳隧道 往汐止 往台北 豎井數值分析 本豎井為圓形結構，且因為連接兩側隧道而有開孔，結構受力行為複雜，分析採用ABAQUS程式(5.8版)，建立3D模型進行分析。分析說明如下，本豎井數值分析包括有豎井擋土壁分析及內牆分析。 一、擋土壁數值分析 其中擋土壁分析採用三維軸對稱橫式，降伏準則使用Mohr-Columb降伏準則，使用之參數如表二所示。分析網格如圖6所示，分析邊界由0~50公尺，深度50 圖6 分析網格 表二 擋土壁分析參數表 參數 輸入值 單位密度(t/m3) 1.92 楊氏模數E(t/m2) 凝聚力c(t/m2) 15 摩擦角(°) 35 初始孔隙比 0.35 初始飽和度(%) 100 初始靜止土壓力係數 0.5 初始地下水位(m)距地表面 0 開挖降水(m)距地表面 24 滲透係數(m/sec) 切削樁混凝土強度(kg/cm2) 240 內牆混凝土強度(kg/cm2) 240 鋼筋降伏強度(kg/cm2) D19以下 D22以下 2800 4200 數值分析步驟如下： 共分為4個步驟，說明如下： 步驟1：初始應力平衡(應變歸零) 步驟2：降水至豎井底部 步驟3：切削樁設置及豎井開挖 步驟4：水位回升至地表 分析結果如圖7、8所示。有關擋土壁分析結果如下說明如下： 1.擋土壁係作為垂直開挖之臨時擋土系統。 2.開挖作業須配合抽降水進行。 3.擋土壁分析所得之正向應力、剪力、變矩進行擋土壁之設計，擋土壁之型式可考慮使用切削樁或連續壁。 4.壓梁及環梁於數值分析中並不考慮，唯為增加擋土壁之整體勁度以及施工之安全性，於設計中增加壓梁及環梁。 圖7 開挖後垂直應力等值圖 圖8 開挖後豎井應力分析 二、豎井內牆數值分析 有關豎井內牆應力分析採用ABAQUS 5.8進行，有關側牆及底版採用3D板殼元素分析，採彈性分析，永久性內牆為鋼筋混凝土牆，厚度為1.2公尺，連接兩側之山岳隧道(馬蹄型)及明挖覆蓋隧道(V形開口)有應力集中問題。另外豎井內牆屬永久結構物須考量浮力問題。底部及側邊之土壤彈簧反力係數為kn=9350t/m 本分析之應力符號說明如圖9所示。其中SF1為局部座標1方向之軸力。SF2為局部座標2方向之軸力。SF3為局部座標1-2方向之剪力。SM1為局部座標2方向之彎矩。SM2為局部座標1方向之彎矩。分析所採用強度設計法，其載重組合係依據混凝土工程設計規範與解說[土木401-86]所規定，其設計載重U不得小於 其中D：靜載重，L：活載重，H：土壤側向力或覆土壓力 圖9 數值分析中殼元素之正值方向示意圖 分析結果如圖10~12所示。其中圖10為軸力等值圖，圖11為剪力等值圖，圖12為彎矩等值圖。 圖10 內牆軸力等值圖 圖11 內牆剪力等值圖 圖12 內牆彎矩等值圖 開挖擋土支撐設計 本工程之開挖鄰近鐵道約3.0公尺~5.5公尺，故相關之施工安全要求甚高。72支疊接切削樁(全排樁)，樁徑150公分，長度30公尺之排樁密接做為擋土結構物，擋土排樁之樁間距為120公分，因內部不加水平支撐，故使用壓梁及環梁作為內支撐系統，開挖完成後豎井內側設厚度1.2公尺之鋼筋混凝土內牆 箱型隧道 山岳隧道 CL CL 圖13 豎井及排樁平面配置圖 圖14 豎井切削樁細部圖 圖15 切削樁、壓梁及環梁詳圖 豎井施工 圖16 豎井原地面開挖 圖17 導溝以及全套管基樁施工 圖18 全套管基樁挖掘 圖19 全套管基樁鋼筋籠吊放及搭接 圖20 切削樁鋼筋籠製作 圖21 環樑混凝土澆置 圖22 環梁完成照片(93.7.23) 圖23 豎井第一階開挖 圖24 降挖掛網及噴凝土 圖25 豎井底部PC澆置 圖26 豎井開挖監測系統 結論 參考文獻 本