技師報於85年11月18日土木日創刊 新聞局出版事業登記證局版省報字第48號 | ||||
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日本鋼襯鈑工作井設計方法介紹 江俊謀 技師 鋼襯鈑(Liner Plate)環片具有重量輕組立容易、搬運儲存方便、構材斷面性能優異、施工噪音震動低及可回收再利用等優點,近年大量使用於管線推進工程工作井施築。尤其在交通流量大、地下管線遷移困難、施工範圍受限地區,更能充分發揮其優勢。惟目前國內尚無相關設計規範可供遵循,一般設計圖說僅繪製參考示意圖及規定構材材質,諸多鋼襯鈑工作井設計缺乏結構分析依據。 「他山之石,可以攻錯。」鋼襯鈑施工技術於日本已發展多年,擁有豐富施工實績與經驗,國內鋼襯板產製亦採日規,建議可援引相關規範作為設計依據。爰此,筆者簡要說明日本鋼襯鈑工作井設計方法,提供技師先進參考。 設計方法 日本鋼襯鈑工作井多採容許應力設計法(ASD)進行設計,其原則為工作井構材在工作載重作用下所引致之應力,不得超過設計規範規定之容許應力。日本現行鋼襯鈑工作井構材設計規範容許應力詳表1。 表1 日本設計規範規定之容許應力
註:σL:鋼襯鈑容許彎曲應力;σH:補強構材(加強環、支撐)容許彎曲應力;λ:細長比。
設計步驟流程 鋼襯鈑工作井設計步驟流程詳圖1,各設計步驟主要檢討事項詳表2。 圖1 鋼襯鈑工作井設計步驟流程
表2 設計步驟主要檢討事項
斷面型式選定 推進工程工作井斷面型式選擇,需考量工址場所限制、推進管材尺寸、反力牆大小、推進機具配置、安全作業空間、井內設計構造物、推進方向等因素,決定工作井型式及尺寸。一般鋼襯板工作井分圓形、橢圓形及矩形三種設計型式,其不同點在圓形工作井結構受力較均勻,由壁身拱形效應得以承受側向土壓力(照片1),但橢圓形工作井直線段壁體勁度小,需依地質條件設計擋土支撐,協助抵抗側向土壓力(照片2)。
側向土壓力計算 1. 土壓力:採用日本「道路橋示方書‧同解說VI下部構造編」建議之土壓力計算式,砂質土、黏性土側向土壓力係數Kh=K0=0.5,但深度大於15m時,土壓力視為定值。(圖2) Ph=Kh(γm×h+q) 當h≦15m時; Ph=P0 當 h>15m時; 其中: Ph:土壓力; Kh:側向土壓力係數; γm:土壤單位重; h:地表面下深度; q:地表均佈載重; P0:h=15m時土壓力。 圖2 道路橋示方書土壓分佈示意圖
2. 水壓力:鋼襯鈑工作井由環片組立而成,屬非水密性擋土壁體,分析時一般不考慮水壓力作用。但如工作井設計為水密構造時,則需考慮水壓力作用。 3. 均佈載重:一般建議以q=10kN/m3設計,但工作井外側有施工車輛、機具或緊鄰建築物等超載情況,均佈載重值需特別計算。 補強構材設計 1. 加強環:鋼襯鈑壁體強度如無法承受設計土壓力,可於鋼襯鈑環片間適當間距(最大間距≦2m)設置加強環,增加工作井壁體剛性及抵抗土壓力能力,一般較加大鋼襯鈑斷面版厚經濟。圓形工作井直徑3m以上或開挖深度大於10m時;橢圓形工作井短徑大於4m或開挖深度大於6m時,均建議設置加強環補強壁體結構。 2. 擋土支撐:橢圓形工作井開挖面積較大且受力較圓形不均勻,直線段部分鋼襯鈑壁體勁度小,需設置擋土支撐(採H-200以上規格)抵抗側向土壓力,避免工作井壁體向內側位移變形,導致鄰近地盤沈陷。 輔助工法設計 1. 抽排水工法:鋼襯鈑工作井由環片組立而成,為非水密性之擋土壁體,除於分層開挖組立過程需背填灌漿外,在地下水位高之地層需設計抽排水輔助工法,排除滲入井內之地下水,以免影響推進工程作業施工。 2. 地盤改良工法:鋼襯板工作井施工時,為防止開挖壁面土壤崩落,工作井周邊及底面需設計地盤改良輔助工法,提高土壤自立性及止水性,避免施工過程發生滲水、湧水或上舉現象,確保工作井開挖施工安全。 設計注意事項 1. 工作井四周地盤改良後,雖可降低土壤滲透性、增加凝聚力及穩定性,但改良土體單位體積重量γ及內部摩擦角ψ值與原土壤相同,側向土壓力係數Kh值並未改變,即地盤改良無法減低側向土壓力。 2. 鋼襯鈑工作井使用之鋼襯鈑及加強環一般以新品設計,擋土支撐構材如使用舊品時,需考量材料損耗強度減低之情形,則使用構材斷面係數、斷面積、迴轉半徑等設計參數應適當折減,以符實際狀況。 3. 鋼襯鈑工作井設計公式複雜,目前日本已有軟體程式開發,可直接繪製設計圖及輸出設計計算書,操作方便但售價不低。建議可參照設計軟體計算書例格式,運用EXCEL軟體輸入公式協助計算,亦可簡化設計工作及迅速完成計算書。 本篇文章因篇幅限制,僅對鋼襯鈑工作井設計方法作概略介紹,有關各設計步驟所使用之設計參數與計算公式解說,可參閱日本JFE建材株式會社「ライナープレート技術資料」,網址http://www.jfe-kenzai.co.jp/。 |
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