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：σ_L:鋼襯鈑容許彎曲應力；σ_H: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）。

照片1  圓形鋼襯鈑工作井		照片2  橢圓形鋼襯鈑工作井

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K_h=K₀=0.5，但深度大於15m時，土壓力視為定值。（圖2）

P_h＝K_h（γ_m×ｈ+ｑ）   當h≦15m時；

P_h＝P₀                當 h＞15m時；

          其中：

P_h：土壓力；

K_h：側向土壓力係數；

γ_m：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K_h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/。