潛盾隧道襯砌環片之止水設計與實例探討

潛盾隧道之主要防水措施為環片接頭止水，其必須在環片允許之施工錯開量及張開量之情況下，具有抵抗設計水壓的功能，同時兼具施工性及耐久性等。本文探討國內過去實作經驗，提出環片接頭止水之設計方法與流程，並提供設計實例供參考。

WATER PROOFING DESIGN FOR SHIELD TUNNEL SEGMENT LINING
ABSTRACT

The main consideration of shield tunnel water proofing measurement is to prevent water leaking from segment joint. The seal between segments shall resist the water pressure on site under reasonable construction tolerance. The selection of seal shall consider both constructability and durability at the sam e time. A general description about the seal selection in view of past experience is reviewed. A design method for the seal of segment is introduced. In addition, a design example is attached for reference in order to illustrate the design consideration.

壹、 前言

為確保交通順暢、減少噪音及振動等環境問題，都會區的捷運隧道、下水道、輸電洞道等地下管道多採潛盾隧道工法興建。為閃避既有地下結構物，潛盾隧道之埋置深度逐漸變大，設計所須考量之地下水壓亦變大，由於經濟性之考量，除污水下水道因有侵蝕問題，而仍採混凝土內襯砌辦理外，一般交通隧道或地下管道均不設置內襯砌，因此，環片接頭止水係潛盾隧道設計主要課題之一。

潛盾隧道周圍之地下水位較高時，可能由環片的接頭或龜裂處產生滲漏水，隧道內滲水先流入隧道仰拱設置之排水溝內，再採重力流的方式導入隧道內或附近直井內設置之集水坑，輔以泵浦抽排至地面排放。如漏水量大，不僅排水設施之設置容量增大、抽水頻率與電費增加，且漏水易導致環片結構及隧道內附屬設施之劣化，增加維護管理之困擾，隧道漏水量與覆土深度、地層性質之關係詳圖 1 所示。因此，在潛盾隧道之設計理念上應儘量減少漏水，設置必要之防水措施。由過去的施工實績而言，主要之漏水原因在於環片接頭漏水，因此，環片接頭止水設計在提升隧道防水功能上極為重要。本文將探討隧道環片止水條與止水凹槽之設計方法，並提供設計案例供設計與施工之參考。

一、潛盾隧道工法概述

潛盾機挖掘前進後為防止土層崩塌，於開挖完成之坑道內架設支撐，此謂一次襯砌，使用之支撐材料稱為環片 (Segment) 或稱弓形支保，參見圖 2 。環片為潛盾隧道工程中之重要結構，一般均以永久性結構物辦理設計，其強度必須能完全承受地表超載、土壓、水壓等載重，及潛盾機掘進千斤頂之反力，且須考慮運搬、組立等施工載重，以符合安全、經濟及合理設計。

圖 1 潛盾隧道覆土深度與漏水量之關係 ( 引自文獻 1)

圖 2 潛盾隧道斷面 示意圖

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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。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 7~10 分割，中小斷面為 4~6 分割。環片組立以一環為單位，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。另為考量隧道內如有較大量之滲漏水時，須於水中辦理組立作業，因此接頭宜盡量避開設置於隧道仰拱中央附近。

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。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 16~36mm 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。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，間隙太大則容易導致面差過大，並易因施工載重或鄰近施工行為而造成環片裂損、漏水現象。

二、潛盾隧道之防水措施

潛盾隧道之防水係襯砌結構及附屬設施 ( 軌道及機電等 ) 之維護管理上重要課題，潛盾隧道發生漏水之主因如圖 3 所示，包括環境條件、環片結構、止水條、背填灌漿及施工情形等，潛盾隧道漏水情況如照片 1 所示。

潛盾隧道之防水可分成 3 階段考量，第一階段為背填灌漿防水、第二階段為環片接頭防水，第三階段為二次襯砌與防水膜防水，詳圖 4 。其中，第二階段之環片接頭防水為主要防水措施，亦為本文主要探討主題。

圖 3 潛盾隧道發生漏水之主因

照片 1 潛盾隧道內漏水情況 ( 引自文獻 1)

圖 4 潛盾隧道之防水措施

背填灌漿材料雖屬不透水性或透水性極低的材料，但現場施工管控及前後 2 次施灌之相鄰施工縫防水效果均有疑慮，長期而言，易因地震等外力作用而產生龜裂，無法充分達到止水的效果。

 

( 二 ) 環片接頭防水

1. 止水條

止水條為潛盾隧道之主要防水措施，環片的接合面設置止水條凹槽，貼上適當之片型止水條，水壓高的情況可設計 2 道止水條，參閱圖 5 。止水條必須在正常施工可能產生環片開張量及錯開量之情況下，仍具有抵抗設計水壓力之功能，且應具有耐久性及施工性。止水條為軟性材料，容易在搬運及施工過程中損傷，造成日後漏水之原因，因此，止水條安裝作業應在現場之出發工作井附近作業，且儘量在施工前才安裝在環片上。

2 道止水條安裝實例	2 道止水條設計例
圖 5 環片 2 道止水條安裝與設計例

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2. 螺栓孔防水

如採用長螺栓或弧形螺栓時，加設 O 型止水墊圈 ( 又稱眼環 ) ，參見圖 6 ，以增加止水效果。此項止水墊圈之材質通常採水基系 ( 水膨脹性 ) 橡膠，在清水中之體積自由膨脹率最少 200% 。

圖 6 螺栓設計詳圖例

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3. 填縫材

環片接合面在靠隧道內側處設置填縫材凹槽，以防萬一有滲水時填縫止水之用，但滲水如具有一定壓力，則填縫止水效果不佳 ( 參見圖 16 之詳圖 B) 。

( 三 ) 內襯砌及防水膜防水

防水膜之功能在於 (1) 迅速排除環片漏水，以防止環片劣化、 (2) 減少環片與內襯砌之長期拘束，防止內襯砌乾縮龜裂而產生劣化。防水膜厚度以 1.5m m 以上為宜，施工時應注意避免破損而失去防水性，常用之材質有 EVA( 乙烯醋酸脂聚合物、 ECB( 乙烯瀝青聚合物 ) 、 PVC( 聚氯乙烯 ) 及 PE( 聚乙烯 ) 等四種。為提升水密性，內襯砌可採水密性混凝土。詳照片 2 及照片 3 所示

照片 2 設置二次襯砌時之防水膜施工情形	照片 3 設置二次襯砌時之防水膜接合情形

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( 四 ) 灌漿管防水

灌漿管以設有螺牙之灌漿承口及管塞鎖住，管內設逆止閥並以漿液填滿。依過去經驗，亦有沿灌漿管週邊漏水之案例，在水壓特別大之情況下為進一步止水，在灌漿管外週設置一環 O 型緩膨脹橡膠止水環圈之案例，於混凝土產生強度後才產生膨脹作用，發揮止水功能，參見圖 7 。

 

圖 7 灌漿管外週設置一環橡膠止水環圈設計例

( 五 ) 混凝土環片之防水塗裝防水

混凝土環片可採用焦煤環氧樹脂 (Coal Tar Epoxy ，亦稱環氧樹脂柏油漆 ) 或其他材料做為外側防水塗裝，以增加防水效果。

止水條為潛盾隧道之主要防水措施，材料選擇時應充分掌握其材料特性，以達安全與經濟之目的。

一、止水條必須具備之特性

( 一 ) 施工性佳

容易貼附於環片側面，且在組立環片時不易脫落及斷裂。

( 二 ) 維持適當的壓縮應力

止水條之壓縮應力太大時，環片組立時不易鎖緊螺栓，而導致組立精度不佳之原因。反之，壓縮應力太小時，無法抵抗地下水壓而產生漏水。因此，止水條應具有適當的壓縮應力。

( 三 ) 物理耐久性

物理耐久性係物體承受靜態或動態疲勞應力之能力。止水條在完工後長期處於壓縮狀態，施工期間則承受千斤頂推力之反覆作用，止水條必須具有承受上述兩種作用力之耐疲勞性。

橡膠材料具有應力緩合及潛變之特性，長期壓縮下會逐漸失去彈性，且復原性不佳，使接觸面壓應力逐漸降低，以合成橡膠而言，壓應力最大可降低 40% ，目前市面尚未生產完全復原性材料。

動態載重之疲勞來自千斤頂推力及環片組立交互進行所產生之反覆作用力，為了不致對止水條造成塑性破壞，必須檢討止水凹槽形狀與尺寸，以獲得適當之壓應力。

( 四 ) 化學耐久性

止水條 ( 橡膠 ) 之特性包括長期使用下會產生強度降低、硬化或軟化、劣質化後產生膨潤、溶解等狀況。這些特性都是橡膠產生化學變化所致，其主因包括氧化、水、砂、藥品、放射線、金屬及微生物等。水膨脹性止水條之劣化主要原因為橡膠與吸水性樹脂分離，以致功能喪失。

二、止水條之種類

由於止水條係工廠生產之成品，其品質穩定且經室內試驗確認止水效果，因此環片接合面之防水係可靠度較高之防水措施。目前市面上各類止水條之種類如圖 8 所示。

 

圖 8 環片用止水條之種類

一、 潛盾隧道環片接頭止水設計檢討例

目前台北捷運環片標準圖止水條之設計考量，係於 1990 年期間所訂定，當時之環片止水條之施工方式有三種，茲針對其技術背景與設計主要考量說明如下：

( 一 ) 第一種方式係採兩條凸出凹槽之橡膠止水條，利用環片組立時，橡膠止水條互相擠壓產生壓應力以承受工址之水壓力，惟其有產生側向壓力擠壞環片之虞慮。

( 二 ) 第二種方式係採橡膠內有空洞可受擠壓之 GASKET 止水條 ( 詳圖 9) ，則無推擠產生側向壓力擠壞環片之虞慮，此等材質具備悠久之使用實績，在應力緩和及長期耐久上有不錯之評價。其形狀構造及接合處具有帶狀，故於環片施工組合容易且精度高，惟其較水膨脹性止水條比較仍有較厚、止水條凸出止水凹槽甚多，施工時 K 片之止水條容易受推擠而脫落及接觸面壓力亦導致銜接部有所損傷等問題 [ 註：近年來已發展在止水條形狀構造、表面增加滑動材質之表面作為因應對策改善，參見照片 4] 。經查在台北捷運初期路網中，曾有德國 ZUBLIN 公司施作之 CT201A 標及美國 MORRISON KNUDSEN 公司施作之 CH222 標使用 GASKET 系列之止水條 ( 歐美廠商一般較慣常使用 ) 。

圖 9 台北捷運 CT201A 標 GASKET 止水條施工例

止水條種類一般性說明	止水條樣品側視
照片 4 GASKET 止水條改善對策例

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( 三 ) 當年有新發展之水膨脹型高分子橡膠止水條 (Hydroswelling Polymer Rubber) 新材料生產，因而考慮利用水膨脹型止水條吸水膨脹之特性作為環片之止水系統，並將其安排使止水條安置於止水凹槽內而不使其外凸，如此則無上述兩者之問題，此為第三種方式，亦是部分台北捷運環片止水系統所採用之方式，參見圖 10 ，其材料之相關要求如表 1 。初期路網工程中各標實際施作完成之止水條厚度約為 2.5m m ~5mm ，止水條安裝之止水凹槽深度約為 2m m ~3mm ，此與後來之環片標準圖止水條尺寸有較大之出入，經了解逐漸增加止水條厚度與凹槽深度，乃因認為較厚之止水條與高膨脹倍數可提供較佳之止水性。

惟由於止水條並未外凸於止水凹槽，因此在環片組裝時，相鄰兩止水條並未緊迫壓縮而具備止水性，必須在吸水膨脹後才逐步具備止水性。此外，國內有關止水條規範要求之重點在於止水條之膨脹倍數，並未規定止水條所需承受之水壓大小，皆是值得再檢討改進之處所。

 

接 頭 剖 面 詳 圖	止 水 條 詳 圖
圖 10 台北捷運潛盾隧道環片接頭止水設計例

表 1 水膨脹性橡膠止水條之性質

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二、環片接頭止水之設計方法與流程（以 水膨脹型高分子橡膠止水條為例 ）

潛盾隧道襯砌環片接頭止水之設計，係在決定止水凹槽尺寸、止水條尺寸及材料性質等，設計時應分別針對環片之施工性、止水性、密合度等三項進行檢核。環片接頭止水之設計流程如圖 11 所示。

( 一 ) 檢核環片之施工性

1. 為避免影響環片組立，規則型止水條及止水凹槽尺寸必須符合下列條件：

止水條體積 (Aw) ≦ 止水凹槽體積 (Am) ------------------------( 1)

2. 一般橡膠材料之壓縮率 >50% 時，可能達到降伏破壞，因此，止水條在最大壓縮狀態下必須符合下列條件。

止水條壓縮率 <50%------------------ ------------------ -------------( 2)

 

圖 11 環片接頭止水之設計流程 ( 引自文獻 2)

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( 二 ) 檢核環片之止水性

止水條抵抗設計水壓之止水性之設計理念，基本上係引用 GASKET 之密封原理 (packing 理論 ) ，即接觸面壓應力 σ 大於設計水壓 P W 時，則不致產生漏水，詳圖 12 所示，因此止水條之設計條件為 σ ≧ P W ，此項設計方法之妥適性業經國外許多機構之試驗確認，且成為標準設計法。

止水條於施工階段及長期使用階段均須確保充分的止水性，以下分別針對施工階段 ( 短期 ) 及使用階段 ( 長期 ) ，檢討影響接觸面壓應力大小的各項因素及設計條件。

， ( 短期 )--------- ------------------------( 3)

， ( 長期 ) --------------------------------( 4)

 

圖 12 止水條之密封原理

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1. 止水條之初期接觸面壓應力

依日本鐵道車輛工業會對防振橡膠之變形特性建議公式，矩形止水條之初期接觸面壓應力： ( 詳圖 1 3)

------------------------------------------------------( 5)

：壓縮應變量，

：假設體積不可壓縮時之視彈性係數 (kN/mm 2 ) ，

=(4+3.290 I S 2 ) I G

：止水條之壓縮應變量，

m ：考慮止水條尺寸、硬度不一對壓應力影響之材料均勻係數

：考慮短期應力鬆動之有效接觸面壓應力係數

：考慮長期應力鬆動及水膨脹之有效接觸面壓應力係數

：自封作用對接觸面壓應力之增加係數 ( 短期時 )

：自封作用對接觸面壓應力之增加係數 ( 長期時 )

S：止水條之形狀係數，

G ：止水條之剪彈性係數 (KN/mm 2 ) ，

：止水條之硬度

：硬度 50 時之橡膠材料之剪彈性係數 (KN/mm 2 )

 

圖 13 矩形橡膠止水條之接觸變形

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2. 止水條之材料均勻係數 m

實際使用在現場的止水條之尺寸及硬度皆非均一，對於接觸面壓應力產生極大影響。根據東京電力 ( 株 ) 採用相同止水條進行壓縮試驗之統計結果， m( 試驗值 / 式 4.5 之計算值 )=0.65~0.95( 平均 0.8) 。

3. 止水條膨脹性之影響係數 ρ

水膨脹性止水條達到發揮止水性所須之接觸面壓應力大小，會隨時間而變化，其原因在於水膨脹性止水條是否已發揮作用。施工初期，水膨脹性止水條尚未與地下水接觸，或接觸時間很短，接觸面壓應力之計算上無法考慮膨脹壓，根據東京電力 ( 株 ) 試驗之結果， ( 未浸水 )~0.95( 浸水 ) ，長期而言， 。

4. 止水條自封作用 μ

不論水膨脹性止水條或非膨脹性止水條，其接觸面壓應力隨著水壓之增加而變大，此謂止水條的自封作用 (self sealing) 。根據東京電力 ( 株 ) 試驗之結果，施工階段 ( 短期 ) 之 ，由於止水條之性質會隨著時間而劣化，因此，使用階段 ( 長期 ) 不可考慮自封作用， 。

( 三 ) 檢核環片之密合度

止水條之設計上所應考慮環片組立的重點在於螺栓之結合力，此結合力必須將止水條封入凹槽內。且使環片接縫之張開量為 0m m ，以免影響組立精度，以致漏水加鉅。

採用鋼製螺栓盒 ( 短螺栓時 ) ，於螺栓初期鎖緊階段，螺栓盒靠隧道內側先接觸，隨著鎖緊力增大而逐漸閉合，此時，止水條發生之反力 R S 與螺栓鎖緊力 N P ，以螺栓盒靠隧道內側之接觸點為回轉中心，呈力矩平衡狀態 ( 詳圖 14 ) ，因此， --- ---------------- ---------( 6)

採用 RC 螺栓盒 ( 長螺栓 ) 時，隨螺栓之鎖緊，接縫面平行接近而閉合 ( 詳圖 15 ) 。

因此， --------------------------------------------------------( 7)

：張開量 δ 為 0mm 時之壓縮應變，

依上述方式計算獲得將止水條封入凹槽內所須要之正向力 N P ，環片在接縫面所配置螺栓之鎖緊力之總合 (P b ) ，必須滿足下式之條件：

- -------------------------------------------------- --( 8)

：螺栓之有效斷面積 (mm 2 )

n ：螺栓數 ( 支 )

：螺栓之容許張力 (N/mm 2 )

圖 1 4 螺栓鎖緊與張開量之變化模式 ( 短螺栓 )	圖 1 5 螺栓鎖緊與張開量之變化模式 ( 長螺栓 )

潛盾隧道工程是累積諸多施工經驗逐步檢討改進所發展出來之施工法，環片止水之設計與施工亦隨科技進步逐漸演變。就目前所知，各材料供應商產品特性仍有些微差異，相關設計成果宜開放彈性，允許承包商選用所熟悉之工法與材料，並就各材料特性進行些微調整，使完工後之隧道能達到抵擋工址地下水條件之止水功能。