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W12魚雷車軌道道床局部湧泥改善研究
李維峰
台灣營建研究院防災科技組組長
黃亦敏
台灣營建研究院防災科技組助理研究員
陳景文
國立成功大學土木工程系教授
摘要
中國鋼鐵公司高雄煉鋼廠廠區內，魚雷車軌道道床因使用時間已歷十數年，而且現有魚雷車載重已遠超過原始設計載重，因而多處軌道道床發生局部湧泥（pumping）現象，進而引發軌道不均勻沈陷或扭曲變形，嚴重影響行車安全，而廠區鐵道運輸作業也將因維修頻率增加而有所延窒。本計畫將針對湧泥狀況，利用地工加勁材料進行改善，對地工合成材料的加勁原理及方式作一說明，並針對地工加勁材在軌道工程應用上進行分析，配合現地試驗段的實際應用結果，對軌道道床局部湧泥問題提出解決方案，提供未來中鋼公司對廠區內他處軌道道床發生相同情形時，可以依本計畫建議方式自行修復，希望藉此達到節省人力、物力，延長使用年限，並且降低維修頻率的目的。
Abstract
The rail roads of the largest steel manufacturer, in Taiwan, have been in operation for ten more years, which afford mainly the transportation of furnace liquid steel. The rails bear very heavy shuttle cars, each weighs 500 to 800 tons in full. Due to the extremely excessive load and frequently cyclic loading, serious pumping problems had appeared along the rails, causing aggressive ground settlements and distortion of rails. To solve the problem, geosynthetics is used to provide functions of separation and reinforcement. The principles and methods of geosynthetics are discussed in this paper, followed by testing section design, monitoring results and analysis. Results show that the performance of geosynthetics is effective in treating the pumping problem.
一、前言
中國鋼鐵公司高雄煉鋼廠廠區內，魚雷車軌道道床因使用時間已歷十數年，而且現有魚雷車載重已遠超過原始設計載重，因而多處軌道道床發生局部湧泥（pumping）現象，進而引發軌道不均勻沈陷或扭曲變形，嚴重影響行車安全，而廠區鐵道運輸作業也將因維修頻率增加而有所延窒。
經現場會勘結果，本院提供整治與未來防範意見，初步結論如下：
1、道床結構因已迄使用年限，原有礫石已大量沈陷至粘土層，造成道床承載力因礫石層厚度減少而降低。
2、因魚雷車行駛造成之超額反覆載重造成道床下方粘土層孔隙水壓上升，致使細粒料沿礫石孔隙湧出。
根據上述勘察結果，擬對現地設計使用地工合成材料加勁道床，亦即於道床設計中加入地工合成材料之使用，地工合成材料之功用除可增加道床之承載能力外，並能隔離粘土層與礫石層避免細粒料上升並且幫助排水，降低激發孔隙水壓。
本計畫將針對地工合成材料的加勁原理及方式作一說明，並針對地工加勁材在軌道工程應用上進行分析，配合現地試驗段的實際應用結果，對中鋼公司軌道道床局部湧泥問題提出解決方案，及使用地工合成材料的設計方式和規劃步驟，提供未來中鋼公司對廠區內他處軌道道床發生相同情形時，可以依本計畫建議方式自行修復，希望藉此達到節省人力、物力，延長使用年限，並且降低維修頻率的目的。
二、現地狀況概述
本計畫依勘查結果，與中鋼公司承辦單位選定中鋼廠區東南方的魚雷車軌道（共三軌），進行本研究計畫。該區域因魚雷車負重大，在長期反覆荷重下，造成地下細料噴湧的情形，在軌道旁常會形成有如火山口狀的噴泥口，在乾燥後形成黃色泥塊，如圖2.1～2.2所示。
圖2.1 軌道旁湧泥情形
圖2.2 軌道間湧泥情形
除可明顯發現有湧泥噴出的情形外，在軌道間的道碴上，也可以發現湧泥污染的情形，如圖2.3所示。
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圖2.3 湧泥污染道碴
在勘察過程中，發現當魚雷車由軌道上經過時，由於魚雷車的重量，使得軌道下陷，待魚雷車通過後又恢復原樣，如此反覆荷重的加壓、解除下，可能形成地表下水壓的上升，而使得細粒料湧出，污染級配層及道碴。此外，在軌道與一般路面交接處，柏油路面均有下陷的情形，愈靠近鐵軌愈明顯，推測其下方基層土壤已有沈陷，表示部份礫粒可能已向下入侵至細料層。
經由勘察後，現場情況有湧泥現象，道碴遭污染，路面下陷及軌道受力不均的情形，需要進行維護以維持行車的安全。
三、地質調查結果與分析
本工程地質調查工作之項目可分為現場調查及室內試驗，現場調查分為鑽孔、試坑及震測其數量如下。
表3.1 鑽探作業項目及統計表
孔號
鑽探深度
SPT次數
劈管取樣數
薄管數
BH-1
15.00
10
10
2
OW-1
10.00
1
1
0
OW-2
10.00
1
1
0
合計
35.00
12
12
2
BH-1採旋轉式並取樣；OW-1及OW-2採水沖式不取樣僅為埋設水壓計之用，而於施工過程一並了解其地層分布狀況。
表3.2 試坑作業項目
試坑編號
開挖深度(M)
TP-1
1.70
TP-2
1.65
TP-1位於測線編號L3處；TP-2位於測線編號L4處。
表3.3 震測作業項目
測線編號
測線長度(M)
L1
16.5
L2
16.5
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L3
16.5
L4
16.5
L5
16.5
L6
34.5
L7
34.5
L8
34.5
L9
34.5
合計
220.5
本工程將採震測折射法，並將其結果配合鑽探之結果予以評估並繪製地層之厚度分布圖以作為試鋪時評估之用。
表3.4 實驗室試驗統計表
類 別
試驗項目
數量(組)
規範方法
土壤
一般物理性質試驗
1.單位重
2.顆粒分析
12
12
ASTM D421
本工程之地質調查結果分為三部份加以說明並依所得之結果作一初步之推論。
3.1現地鑽探結果
由現場鑽探之結果可得到廠區之道碴厚度約為70公分，其下至3.6公尺為黃棕色之粉質黏土，於粉質黏土至鑽探深度以內為灰色粉質黏土至粉質細砂。
參考中鋼原始軌道設計圖，其下方設計含有（由下往上）爐石礫粒層、級配層及道碴層，合計厚度共約1 m。但由現場採集湧泥物質分析，其屬於棕黃色粉質粘土，對照鑽探結果柱狀圖（BH-1），得知棕黃色粘土層分佈在地表下約2~4 m處，厚約2 m；若由軌道旁的兩次鑽孔記錄（OW-1及OW-2）比較，發現棕黃色粉質粘土約在地表下1～4 m處，由此研判，軌道湧泥的物質應屬於棕黃色粉質粘土，其分佈為地表下約1~4 m處，厚約2.5 m，但可能因為反覆荷重的影響，已向上污染至地表下0.8 m處，且有湧出地面的情形。圖3.1為鑽探取出土壤情形。
圖3.1 土樣取出－棕黃色粉質粘土
現場開挖之兩試坑其結果分述如下（圖3.2）：
TP-1：其地表下70公分為道碴之後為黃棕色之粉質黏土。其粉質黏土已有部分受湧泥(或管湧)作用侵入至上層之道碴層。為其侵入之界線較為整齊。其侵入之厚度約為20公分。
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TP-2：其地表下70公分為道碴之後為黃棕色之粉質黏土。其粉質黏土亦有部分受湧泥(或管湧)作用侵入至上層之道碴層。但其侵入之界線較為混亂。
(a) 試驗坑開挖，下方棕黃色粘土有上湧情形。
(b) 級配料向下侵入及細料向上污染
圖3.2 級配料及棕黃色粉質粘土污染情形
3.2現地震測結果
本次折射震波探測共計施測9條，分別標示為L-1～L-9，其中L-1～L-5為橫跨熔一線、熔二線及熔三線佈置，每條測線間距24公尺，受波器間距1.5公尺，每條施測16.5公尺，L-6～L-9為平行鐵軌，位於熔一線及熔二線之間施測，測線相連，受波器間距1.5公尺，每條施測34.5公尺，總共施測長度220.5公尺，圖3.3～圖3.11為其速度層剖面圖，由本次分析結果，本基地測線範圍內道碴厚度約4.2~12.2公尺，速度層的變化為反應地層組成材料、風化程度及膠結程度的不同，茲將本次探測之結果詳列如下。
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震測結果顯示，其道碴含級配層的厚度平均約1 m，與原始設計相符，但在不同斷面時，其道碴含級配層的厚度迭有變化，並非如原始設計皆在地表下1 m處，表示下方土壤有不同比例的向上湧情形，或是上方級配層有向下侵入的狀況。
圖3.3 L-1測線速度層剖面圖圖3.4 L-2測線速度層剖面圖
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圖3.5 L-3測線速度層剖面圖圖3.6 L-4測線速度層剖面圖
圖3.7 L-5測線速度層剖面圖圖3.8 L-6測線速度層剖面圖
圖3.9 L-7測線速度層剖面圖圖3.10 L-8測線速度層剖面圖
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圖3.11 L-9測線速度層剖面圖
3.3調查結果分析
本調查工程經鑽探、試坑及震測之結果，其地表下之道碴厚約70~100公分，下層則為灰色之黏土層。下層黏土層長期受魚雷車重量所造成之水壓，使黏土層污染上層道碴之情形相當嚴重但在TP-1其污染之且整齊約向上污染20公分，TP-2其污染之範圍線較為凌亂且其最大之污染厚度達50公分。於試鋪時此一因素需加以考量。調查之地下水位約位於地表下3.5公尺其平時應在試鋪開挖面之下方。
四、試驗段舖設規劃與設計
4.1地工合成材料工程特性
地工合成材於料的主要功用可以分為六大部份：過濾、排水、隔離、加勁、阻留、保護等六項。自1990年起地工合成材於料即在歐美等地被廣泛地運用於路面工程中，主要應用地工合成材料的隔離（Separation）與加勁（Reinforcing）功能。
地工合成材料應用在路面工程（公路），或是鐵道工程，可以統一稱為粒料基層/底層的應用，皆是針對路面或軌道面下方的粒料基層/底層提供隔離、加勁及排水的功能。依據美國聯邦公路局（Federal Highway Administration, FHWA）的研究指出，使用地工合成材料在處理路面的粒料基層/底層，具有下列優點：
1、減少傳佈至底層的應力，並防止基層粒料侵入底層。
2、防止底層的細粒料上湧至基層。
3、防止基層受到污染，而使粒料喪失原本提供排水的功能。
4、減少不合適底層土壤的挖除厚度。
5、減少粒粒層厚度。
6、在基層舖築工程中，減少對底層的擾動。
7、提供底層強度發展。
8、減少路面或軌道的差異沈陷，有助於路面或軌道的完整性。
9、減少維修次數及延長路面或軌道使用壽命。
4.1.1隔離功能（含過濾與阻留）
所謂隔離是藉由地工織物（不織布或織布）的阻留（Retention）與過濾（Filtration）功能阻絕路基層的礫料陷入因車轍反覆荷重激發超額孔隙水壓而逐漸軟弱的底層，並且也阻止底層的細粒料隨超額孔隙水壓上昇污染基層而降低其承載能力（如圖4.1）。
圖4.1 地工合成材料隔離功用
隔離功能的主要機制可以參考圖4.2所示，包含兩部份：防止下方細粒料上湧至上方級配層，也防止上方級配層侵入下方細料層。其中圖4.2(a)所示為底層的細粒料，因為上部的反覆載重或是地下水壓力變化的影響，向上湧入上方級配層的空隙中，形成下方細粒「污染」上層級配層的現象，如此會導致底層的細粒逐漸填滿級配層的孔隙，影響級配層原有的排水功能；如果在其界面置入地工合成材料，則可以有效防止細料的上湧污染。另一方面，圖4.2(b)則是上方級配層侵入細料層的情形，如此會造成級配層的下陷，會造成路面或軌道的不均勻沈陷，對路面或軌道形成破壞，影響行車安全；同樣的，在二層界面間置入地工合成材料，可以有效改善級配礫粒侵入細料層的情況。防止上方級配層侵入下方細料層，稱之為「阻留」；而防止下方細料上湧污染級配層，稱之為「過濾」，這二項功能都是地工合成材料隔離功能的發揮。
(a) 細料層上湧污染級配層的機制，及應用地工合成材料改善成效。
(b) 級配層向下侵入細料層的機制，及應用地工合成材料改善成效。
圖4.2 地工合成材料隔離功能機制
4.1.2加勁功能
而地工合成材料的路面加勁原理是於鋪面或路基層中舖設具高抗張強度的地工合成材料（織布或格網）提供額外的側向阻抗，藉以分散車轍的集中荷重，並阻止承載破壞的發生（如圖4.3）。
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圖4.3 分散車轍荷重
地工合成材料的加勁機制可由圖4.4～4.5說明。一般來說，地工合成材料的加勁功能，主要在路面或軌道的下方基層內，設置地工合成材料，藉由地工合材料的抗張能力，提供基層土壤的橫向束制力，減少基層因為上方車輪或軌道的壓力，造成地面的下陷。由圖4.4說明，當路面上方車輪或軌道往下傳遞力量時，會在側向引起向外擴張的移動，這股移動會連帶引起基層向二側移動，而使上方土層產生垂直方向的應變，而使得路面或軌道下陷，形成所謂的車轍。若在基層中舖設地工合成材料，則會使力量傳遞到地工合成材料時，其側向擴張的力量會拉伸地工合成材料，而造成地工合成材料產生張力，抵抗因車輪或軌道所產生的側向力，對基層提供束制作用，而減少基層的側向移動。圖4.4及4.5中所示單位應力塊受力情況，即說明在地工合成材料上下方不同的受力情形，下方的應力塊，其剪應力減少，即是地工合成材料提供側向束制所致。地工合成材料除可以置於基層與底層的界面外，也可以置於基層中間，如圖4.5所示。由於地工合成材料可以提供額外束制，也就是加勁功能，故可以有效減少基層的厚度，即可達到原厚度所需的承載力。
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加勁材料 減少σv，εv增加σh，減少εh減少σv，εv減少剪力τ 基層 底層 (-)(+)加勁材料張力應變
圖4.4 地工合成材料加勁原理：設置於基層與底層界面
減少σv，εv增加σh，減少εh減少σv，εv減少剪力τ 基層 底層
加勁材料
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圖4.5 地工合成材料加勁原理：設置於基層中
對於加勁功能的展現，可以舉一例說明；Broms（Broms, B. B., “Triaxial Tests with Fabric-Reinfored Soil”, 1977）利用三軸試驗，來檢驗地工合成材料的加勁表現及地工合成材料舖置位置的影響。圖4.6為三軸剪力試驗的結果，其中曲線1表示沒有使用地工合成材料的剪力強度變化，可將其視為基準線。曲線2表示當地工合成材料置於試體頂端或底部時的剪力變化，由曲線2與曲線1比較可以得知，曲線2的地工合成材料配置並沒有增加試體的剪力強度，表示試體抗剪強度沒有提昇，地工合成材料並沒有有效提供加勁功能。此現象是由於地工合成材料的位置，在傳統三軸試驗下，是處於試體的非作用區域，顯示地工合成材料放置錯誤，無法提供任何效益。
然而，若將地工合成材料置於試體的中間位置，或是試體的1/3處，如曲線3及曲線4，試驗結果所顯示出的加勁效果就很明顯。曲線3及曲線4的配置方式，剛好利用地工合成材料穿過可能剪動的破壞面，提高試體的抗剪能力，而達到加勁的效果。如圖4.6中所示，曲線4的雙層配置方式（位於試體1/3處）明顯較曲線3的配置方式（位於試體中央）效果為佳。
（a）緊密砂，21 kPa圍壓狀態（b）緊密砂，210 kPa圍壓狀態
圖4.6 地工合成材料不同放置位置之三軸試驗結果
綜上所述，地工合成材料的工程特性，主要發揮其隔離與加勁的功能，一是防止基層與底層的級配料與細粒料的污染，一是提供基層土壤的側向束制力，減少上方路面或軌道的沈陷。所以應用地工合成材料，其隔離與加勁功能主要的效益在於
1、延長使用年限：防止細粒料造成的污染及級配料的侵入，並有效提高基層的側向束制力，對於路面或軌道工程而言，可以減少定期維修的次數，節省維修經費，進而延長路基的使用年限（如圖4.7）。
2、節省粒料的使用：由於地工合成材料的加勁功能，能有效減少因上部載重所引起的側向變位，並增加土壤的側向束制力，故可以減少基層厚度，節省粒料的使用，而達到相同的承載力要求（如圖4.8）。
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圖4.7 延長使用年限
圖4.8 節省礫料
4.2試驗段規劃
試驗段規劃重點如下：
（1）規劃共四處試驗段（對照試驗段以及試驗段A B C），每段長度為20公尺，各試驗段間並有10公尺長之緩衝區以避免不同加勁道床設計相互影響評估結果（如圖4.9）。
試驗段A
緩衝區
試驗段B
緩衝區
試驗段C
緩衝區
對照試驗段
（試驗段D）
20m
10m
20m
10m
20m
10m
20m - 12 -
圖4.9 試驗段規劃
（2）對照試驗段與緩衝區將依原道床設計重新施工，但緩衝區段將於底層與基層間加鋪地工織物隔離不同土層。
（3）試驗段ABC主要的規劃考量在檢核使用道渣和基層加勁。與基底層隔離對節省材料（減少基層厚度）與延長使用年限（同一時間內變形量之減少）的效益，實際設計規劃將於彙整相關資料後再中鋼公司提出詳細設計規劃，包括加勁與隔離材料的選擇（材料強度與律料性質），基層厚度與基層加勁位置等。
（4）各試驗段亦將規劃監測系統、監測地下水壓變化、地表變形量。
（5）監測期滿，將對試驗段進行局部開挖，實際評估地工合成材料的成效，例如隔離材料阻塞程度、加勁材變形與損傷程度等。
基層與底層隔離
（Separation） 軌道 枕木 道碴 基層（承載層）底層基層加勁 Subase Reinforcement） 道碴加勁 （Ballast Reinforcement）
4.3試驗段設計方式
試驗段設計主要考慮為現地土壤性質及可採用地工合成材料性質。現地土壤性質則分別考量級配料的粒徑大小及底層下方土壤的顆粒大小。地工合成材料性質則考量地工格網的網眼大小、張力強度，而地工織物則考量其孔隙大小及透水性質。
經參考相關文獻(White Paper II)發現其寬度一般為枕木長度之兩倍，至於埋設深度大多位於基層底部其成效較佳，而加勁材之強度則尚無較明顯之理論予以支持，但經數十組相關研究發現其以Tanser之產品效果較佳，故本研究將採用Tanser SS30-G型之地工格網為試驗材料。
本計畫考量現地工程施工簡化，及由於軌道下方各處的污染程度不同，決定在開挖至統一深度後，預先舖上一砂層，除提供一平整面利於舖設地工合成材料外，也有助於過濾下方粘土質細料。其設計流程簡述如下：
1、對於現地土壤顆料分析後，決定所需砂層的粒徑大小。本計畫擬採用通過#40～#100間之中細砂，其D85＝#40（0.425 mm），舖設厚度最少為10 cm。
2、選定砂層粒徑後，選定合適之地工合成材料。本計畫擬採用地工格網與地工織物相結合為一種材料的合成地工材料，其地工格網網眼為39 mm，地工織物有效孔隙為0.125 mm。圖4.10為選定材料的說明。
Tensar SS30-G Composite
Polymer
Polypropylene
Roll width
m
3.8
Roll length
m
50
Roll weight
kg
106
SS30 geogrid component
QC strength Tult
kN/m
30.0
Load at 2% strain
kN/m
10.5
Load at 5% strain
kN/m
21.0
Approx strain at Tult
%
10.5
Junction strength
%
95
Minimum carbon black
%
2
Unit weight
kg/m2
0.33
Geotextile component
Puncture resistance (CBR)
N
>1500
Effective opening size
μm
125
Permeability
m/s
0.135
Unit weight
kg/m2
0.16
圖4.10 本計畫採用材料說明
3、依試驗段配置不同的地工合成材料組合，詳如圖4.11。
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軟弱路基
道碴層
級配層
砂層
級配層
砂層
Tensar SS30G
道碴層
軟弱路基
Tensar SS30G
試驗段A
試驗段B
砂層
級配層
道碴層
軟弱路基
軟弱路基
道碴層
軟性格網
級配層
地工織物
砂層
試驗段C
試驗段D－對照試驗段
圖4.11 試驗段設計斷面圖
4.4監測系統規劃
本工程之監測系統由既有文獻及預期效果，了解其考慮因素，故本工程之儀器建議使用水壓計及地表沉陷計。水壓計其主要目的在於了解平時地下水壓之分佈及魚雷車經過後所激發之超額孔隙水壓大小。地表沉陷計則在了解其舖設之結果經改良後其道碴之穩定度及變化情形。其設置之位置一處位於對照試驗區，另一處位於試驗段B區。
五、試驗段施工
試驗段施工依第六章規劃設計方式，於中鋼公司廠區內選定試驗鐵道路段，進行試驗段開挖施工，及地工合成材料舖設，並安裝沈陷盤，進行沈陷量監測，各階段施工過程及注意事項簡述如後。
5.1現地開挖與舖設砂層
現地開挖採用機械開挖，如圖5.1及圖5.2。開挖深度依原試驗段規劃為1.1公尺，挖除原鐵道設計的道碴層及級配層。由圖5.2所示，開挖後的地面上相當泥濘，表示地表下方土層的含水量相當高，參考鑽探結果，下方為黃色粉質黏土層，為一不排水層，與開挖現況相符。
在現地開挖的過程中，需要配合管線的保護及遷移，另外試驗段現場旁為排水溝，在開挖中也要避免破壞排水溝壁。開挖中發現在試驗段B及試驗段C的下方有疑似混凝土塊及涵管，這在原設計圖面上並沒有標示，應為事後工程所作，為避免影響本計畫的研究結果，該處已規劃為緩衝段，減少其對試驗段結果之影響。
圖5.1 現地開挖圖5.2 開挖面整理
圖5.3及圖5.4為現地開挖後，試驗段A及試驗段B二側土層剖面的情形，由圖中可以明顯看出，土層剖面可概分為道碴層及級配層，有被下方軟弱黏土污染的情形。試驗段C及試驗段D之開挖斷面，也有相同情況。
圖5.3 開挖斷面－試驗段A
圖5.4 開挖斷面－試驗段B
圖5.5為開挖完後，將細砂層利用施工機具進行舖設，舖設厚度依設計為10公分，砂層舖設目的，除可協助土壤排水外，主要為提供後續地工材料舖設時的工作面，有利於地工材料的舖設。
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圖5.5 砂層舖設完成
5.2地工合成材料舖設
5.2.1一般舖設與搭接
地工合成材料的舖設相當簡單，將材料運抵工地現場後，由工作人員將整捆材料直接抬至試驗段現場，如圖5.6，依照試驗規劃，將不同材料放置在各別的試驗段地面上，然後工作人員將地工材料一端固定（請幾位工作人員直接站立），其餘人員則一字排開（如圖5.7），同時將地工材料向外推舖。在推舖過程中，要注意方向，避免偏差歪斜，可隨時修正方向，將地工材料拉回正確位置。
在試驗段B舖設過程中，因遇有混凝土塊，故在舖設地工材料時，依現地狀況將遭遇混凝土塊部份切除，使地工材料能完全舖平試驗段地面，如圖5.8所示。
本計畫中試驗段A及試驗段B使用複合式地工材料，試驗段C為軟式地工格網配合不織布，待整捆地工材料推舖完成後，需檢視是否有拉平，儘量避免有皺摺的情形（如圖5.9）。其中試驗段A設計為舖設二層複合式地工材料，除位於級配層與底層土壤間外，尚舖設於道碴層與級配層間，舖設方法與前述相同。
圖5.6 運送地工材料圖5.7 試驗段A舖設地工材料
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圖5.8 切除不必要地工合成材料圖5.9 舖設不織布（試驗段C）
在試驗C的舖設中，因為此段地工材料使用為軟式格網，其尺寸無4公尺寬（試驗段寬度），故需二段2公尺寬材料互相搭接，圖5.10為試驗段C軟式格網的舖設情形，在本計畫中，共使用了三段2公尺寬的軟式格網，其中一段則作為搭接用材料，直接覆舖於下方軟式格網上，依設計要求，互相重疊部份至少為50公分以上。
圖5.10 軟式格網舖設（左）及搭接（右）
5.2.2施工注意事項
在舖設地工合成材料完成後，進行級配層土料的回填。級配層回填為利用砂石車將級配料堆置於試驗段D（即對照試驗段），採用推土機將級配料向試驗段A方向推舖，在此一過程中，施工上需注意以下幾點事項：
1、推土機避免直接與地工材料接觸：此即避免推土機直接在地工材料面上滾壓、行走，需藉由級配料覆蓋後，機器在級配層上方行走施工，如圖5.11所示。
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圖5.11 回填級配
2、避免地工材料發生皺摺、分開：在推土機推舖級配料時，很容易發生地工材料皺摺，甚至向二側分開的情形，尤其在軟式格網上進行級配料回填時，如圖5.12所示。皺摺情形主要因為推土機器的行進方向所影響，所以，若發生此種情形，可以採用二種方式，依現場情況交互使用，分別為A型式及U型式。A型式（圖5.13）即指推土方向由中間開始，再推向二側，而U型式（圖5.14）則由二側開始，再向中間推土，二種方法可視現場情況而定，通常需由在場監工人員指示推土機操作手進行。一般對軟式格網採用U型式操作方式，例如本計畫試驗段C，而硬式格網可採用A型式，如本計畫試驗段A及B。不同推舖方式主要目的為能有效拉伸及整平地工材料，以發揮地工材料的特性。
圖5.12 表面皺摺、分開
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圖5.13 A型式舖築法圖5.14 U型式舖築法
5.3沈陷計設置
本計畫依試驗規劃，在各試驗段埋設沈陷計，每試驗段埋設五個，沈陷計底座為40x40平方公分正方形，中央鋼桿為60公分，計畫埋設位置為道碴層與級配層之間，在完成道碴層埋設後，中央鋼桿將突出地面約10公分，以利後續監測計畫量測斷面沈陷量之用。圖5.15至圖5.17為沈陷計施工中及完工後之情形。
圖5.15 沈陷計近觀圖5.16 沈陷計裝置
圖5.17 道碴層完工後之沈陷計
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六、監測結果與分析
本計畫依試驗規劃進行沈陷計量測及水壓計量測，自91年10月底完成試驗段舖設及鐵道安裝後，開始進行監測，監測頻率為每週進行一次沈陷量測，而水壓計量測採隨機方式量測。
6.1沈陷量監測結果
6.1.1試驗段橫斷面沈陷量
圖6.1至圖6.4為試驗段斷面沈陷量量測結果，由圖中曲線趨勢來看，試驗段斷面皆有沈陷的情況。-40-35-30-25-20-15-10-50-2-1012水平位置 m沈陷量 mmSec A-1Sec A-2Sec A-3Sec A-4Sec A-5Sec A-6Sec A-7Sec A-8
3
5
2
4
1
圖6.1 試驗段A沈陷量
由圖6.1，試驗段A的沈陷量相當一致，在每週監測的結果中，以軌道下方點位及軌道中央點位沈陷量較大，原因為上方為魚雷車經過所致。其中以點位2沈陷最大，平均最大沈陷約18 mm。
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-40-35-30-25-20-15-10-50-2-1.5-1-0.500.511.52水平位置 m沈陷量 mmSec B-1Sec B-2Sec B-3Sec B-4Sec B-5Sec B-6Sec B-7Sec B-8
3
5
2
4
1
圖6.2 試驗段B沈陷量
圖6.2為試驗段B沈陷量觀測結果，由圖中可以看出，試驗段B的沈陷量以二側軌道下方的點位4、5二點沈陷較大，應與軌道在上方經過有關，其最大平均沈陷量約為20mm。-40-35-30-25-20-15-10-50-2-1.5-1-0.500.511.52水平位置 m沈陷量 mmSec C-1Sec C-2Sec C-3Sec C-4Sec C-5Sec C-6Sec C-7Sec C-8
3
5
2
4
1
圖6.3 試驗段C沈陷量
圖6.3為試驗段C的監測結果，結果顯示點位1、4、5的沈陷較大，與上方為軌道經過有關，平均最大沈陷量約為25mm。而另由圖中曲線趨勢判斷，在試驗段C中有向熔二線沈陷的情況（點位1、4），恐怕有軌道傾斜的隱憂，需要密切注意。
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-40-35-30-25-20-15-10-50-2-1012水平位置 m沈陷量 mmSec D-1Sec D-2Sec D-3Sec D-4Sec D-5Sec D-6Sec D-7Sec D-8
3
5
2
4
1
圖6.4 試驗段D沈陷量
圖6.4為試驗段中對照段的沈陷量監測結果，此段並沒有舖設地工合成材料。由結果曲線趨勢中看出，對照段在點位5的沈陷量最多也最大，相對於其他點位量測值，對照段的軌道沈陷量並不一致，有向一側傾斜的情況，需要特別注意。
6.1.2試驗段縱斷面沈陷量
圖6.5至圖6.9為各試驗段相同點位量測結果，可以藉由相同點位的沈陷量關係，了解試驗段縱斷面的沈陷變化。
圖6.5為點位1的沈陷量測結果，由圖中可以看出，在試驗段C的沈陷量為最大，表示試驗段C在靠熔二線側的部份，有較大沈陷量，與圖6.3比較，可以發現相同的情況，顯示試驗段C確有向熔二線傾斜的趨勢。-40-35-30-25-20-15-10-50-100102030405060708090100水平位置 m沈陷量 mmSec 1-2Sec 1-3Sec 1-4Sec 1-5Sec 1-6Sec 1-7Sec 1-8
Sec A
Sec B
Sec C
Sec D
圖6.5 點位1沈陷量監測結果
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圖6.6為點2，亦即軌道中心點位的量測結果，由圖中結果顯示，軌道中心線的縱斷面沈陷量相當一致，沒有特別偏差的情形發生，但仍是有沈陷的情況。-40-35-30-25-20-15-10-50-100102030405060708090100水平位置 m沈陷量 mmSec 2-2Sec 2-3Sec 2-4Sec 2-5Sec 2-6Sec 2-7Sec 2-8
Sec A
Sec B
Sec C
Sec D
圖6.6 點位2沈陷量監測結果
圖6.7為點位4沈陷量觀測結果，點位4為軌道一側下方的監測點。圖中曲線顯示，點位4的沈陷量在各試驗段中相當一致，沒有特別偏差情況出現，最大平均沈陷量約為20mm。-40-35-30-25-20-15-10-50-100102030405060708090100水平位置 m沈陷量 mmSec 4-2Sec 4-3Sec 4-4Sec 4-5Sec 4-6Sec 4-7Sec 4-8
Sec D
Sec A
Sec B
Sec C
圖6.7 點位4沈陷量監測結果
圖6.8為點位5的沈陷量觀測結果，點位5為軌道一側下方的監測點。圖中曲線顯示，點位5的沈陷量以在對照段（Sec. D）的沈陷量最大，而以試驗段A沈陷量最小，顯示出地工合成材料加勁的效果，符合原規劃預測。
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-40-35-30-25-20-15-10-50-100102030405060708090100水平位置 m沈陷量 mmSec 5-2Sec 5-3Sec 5-4Sec 5-5Sec 5-6Sec 5-7Sec 5-8
Sec A
Sec B
Sec C
Sec D
圖6.8 點位5沈陷量監測結果
圖6.9為點位3，亦即試驗段靠排水溝側的點位，由圖中顯示，點位3在試驗段A及B二段沈陷量最大，在試驗段C沈陷量最小，表示試驗段在排水溝側地表有起伏情形，以試驗段C為高點，向其他試驗段傾斜，其最大平均沈陷量約為15 mm。-40-35-30-25-20-15-10-50-100102030405060708090100水平位置 m沈陷量 mmSec 3-2Sec 3-3Sec 3-4Sec 3-5Sec 3-6Sec 3-7Sec 3-8
Sec A
Sec B
Sec C
Sec D
圖6.9 點位3沈陷量監測結果
6.2水壓監測結果
本試驗計畫中，規劃埋設二支水壓計，量測水壓變化。圖6.10為其中埋置10公尺深的水壓計變化值。水壓變化以水頭高表示，單為為公尺。圖6.10為水壓計自動計讀裝置，每10秒讀取一次資料，在放置一天後之水壓變化。由圖中可以明顯看出，水壓有跳動的情形，在常水壓力下（約水頭高6.10公尺），若上方有魚雷車經過，則水壓計在魚雷車經過後，讀數會突然增加，平均水壓約為6.5公尺，較常時水壓高約50公分，表示魚雷車會造成約50公分的水頭壓力差。由於地表下
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10公尺處為細砂層，增加的水壓力會向四週消散，但細砂層上方為黏土層，相對砂層為不透水層，若水壓無法即時消散，可能會導致水壓力向上沖，而帶動黏土向上層侵入，而魚雷車往覆為固定頻率，在此反覆載重影響下，極有可能造成湧泥現象。此為試驗段施工前，軌道湧泥的最可能原因。5.966.16.26.36.46.56.66.7010002000300040005000TimeWater Pressure10m
圖6.10 水壓計量測結果（10m）
6.3監測結果分析
由圖6.1至圖6.9的監測結果中，可以比較出使用地工合成材料試驗段（Sec. A、B、C）其沈陷量較未使用地工合成材料試驗段（Sec. D）為小，顯示地工合成材料加勁效果確實發揮。
本計畫主要為改善軌道湧泥現象，並減少地表沈陷量，因此，將各試驗段的軌道量測點－點位2、4、5（分另表示軌道中央及兩側）的沈陷量，求其平均，作為代表軌道在魚雷車反覆載重下的沈陷量變化，如圖6.11。由圖中結果可以看出，試驗段A、B、C的沈陷量均約小於對照段，且其沈陷曲線有呈現趨於平緩的情形，而對照段的沈陷量則有持續增加的趨勢，且在監測的過程中，試驗段並無管湧現象發生。現因監測資料僅有十一週，尚未顯示出其間的重大變化，但可以預估若再經過約半年，其差異應更明顯。-40-35-30-25-20-15-10-50012345678時間-週沈陷量 mmSec ASec BSec CSec D
圖6.11 各試驗段點位2、4、5平均沈陷量
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在各試驗段的比較中，同樣使用地工合成材料來次行改善，試驗段C的表現較試驗段A略佳，與原規劃預想不同。試驗段A在二處使用加勁材料，而試驗段C則在一處使用，其中的差異可能起因於材料的抗張強度，試驗段A採用為複合式加勁材料，為硬式格網，抗張強度為30 kN/m，而試驗段C採用為軟式格網，抗張強度為150 kN/m，其強度差距為5倍。另一個要考慮的因素為現地狀況，試驗段A及試驗段B在地工合成材料舖設完畢未回填級配料前，現地地表已有積水情形，顯示此兩試驗段的地工合成材料有可能浸在水中，其現地狀況較試驗段C為差，但在防止沈陷量的表現上，並不亞於試驗段C。
總括來比較，地工合成材料在防止地表沈陷的成效上，確有發揮其加勁功能，若能長期監測沈陷量，應更能突顯此一差距。而地工合成材料的選擇上，考慮成效及價格，可以考慮採用單層複合材料（硬式格網），或是使用軟式高強度地工格網。
七、結論
本計畫案執行完成，依據地工合成材料應用情形，及配合監測計畫結果，歸納出以下幾點結論：
1、地工合成材料應用在處理軟弱土層時，可以充份發揮其隔離及加勁功能，提供軌道下方土層額外承載力，並防止細料土壤污染級配層及道碴層。
2、試驗段的設計方式，均能有效減少軌道的沈陷，並防止湧泥現象產生。
3、不同的地工合成材料配置方式，可以因應現地狀況，選擇不同的配置方法及地工材料，達到預期改良目的。
4、由監測結果顯示，在地工合成材料的表現上，其材料的強度大小與型式，對改良成果具相當大的影響。本研究計畫中的材料，不論軟式或是複式材料，均可考慮作為軌道湧泥改善的應用材料。
5、由於本計畫研究期程所限，監測期並不能完全反應出改良的成效，建議後續應持續監測，期間至少為二年，俾使成效判斷能更加準確與客觀。
謝誌
本研究承中鋼公司委託研究，尤其蒙中鋼公司呂威璋工程師、鐵路課謝錫毅股長支持指導，郭勝雄顧問、賴世屏技師給予計畫寶貴意見，及成功大學王聖昌先生、吳玲玲小姐熱心協助監測，謹此誌謝。
參考文獻
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2. T. Allan Haliburton, (1980) “Use of Geotechnical Fabric in Railroad Operations”, AAR Technical Center, Chicago, Illinois.
3. Robert D. Holtz and William D. Kovacs (1981), “An Introduction To Geotechnical Engineering”, Prentice Hall, New Jersey.