新武界及栗栖溪引水隧道工程TBM开挖工法的施工技术探讨.doc

新武界引水隧道工程TBM開挖工法施工技術探討李鴻洲鄭建和劉欽正台灣電力公司中興工程顧問股份有限公司摘要台灣電力公司『新武界隧道及栗栖溪引水計畫』之隧道總長約15.7公里，其中新武界引水隧道自過河段向下游約7.1公里範圍，採用TBM施工。為瞭解本隧道段之地質情況，曾於該隧道沿線施作四孔長距離地質探查孔，其中包括一長達901.5公尺之水平探查孔；此外，亦沿隧道線施作地球物理探測，以充分掌握隧道沿線之地質。承商（新亞建設˙熊谷組聯合承攬）於充分瞭解隧道地質情況及相關因素後，決定選用開放式（Opentype）機型施工；該機（OpenMainBeamTypeRobbinsModel1610-279）曾有700m/月之鑽進紀錄。且引進「鋼環片支撐工法」俾利通過破碎帶或斷層等惡劣地質，期望搭配此工法可應付台灣地質多變特性。本TBM鑽掘隧道工程於民國89年7月14日正式開挖，預計民國90年11月貫通。本文特介紹本隧道之工程地質調查成果、TBM設備、TBM於本隧道鑽掘施工概況及承商提案採用鋼環片工法通過特殊困難地質之施工實例探討等，供同儕參考。一、前言日月潭為一離槽水庫，其水源主要仰賴現有武界隧道引取武界壩上游濁水溪水量，為台灣電力公司日月潭水力發電系統之中樞，負責供應包括明湖、明潭等五座總裝置容量達277萬千瓦之抽蓄及傳統水力發電廠發電及其周邊鄉鎮所需民生與灌溉之用水；因此須確保其水源，以免國內尖峰用電之供應受阻，亦不致影響附近居民之生活。由於現有武界隧道使用迄今已逾67年，其襯砌混凝土已嚴重龜裂剝落，有崩坍之虞，為避免影響日月潭發電系統之正常運轉，台電決定興建一條新武界引水隧道替代現有之老舊隧道，並將濁水溪上游支流栗栖溪之水源一併引入日月潭統合運用。新武界引水計畫聯結現有武界壩、新建之栗栖壩及日月潭，隧道總長約15.7公里，由四段隧道組成，彼此間以過河拱橋或暗渠相連，工程之佈置如圖一所示。本計畫於可行性研究階段時，由中興工程顧問股份有限公司建議所有隧道均採鑽炸法施工，至基本設計階段時，為考慮達到縮短工期、降低對環境造成之衝擊、減少對隧道勞工之需求量及提昇我國隧道施工水準之目的，自過河橋至暗渠段間約7.7公里長之大部份隧道（約7.1公里）改採TBM施工。 圖一、新武界隧道及栗栖溪引水工程佈置圖二、工程地質2.1地質調查本工程於可行性研究階段及基本設計階段，除了地表地質調查外，所施作之地質調查工作如表一所示。表一、新武界工程地質調查工作數量一覽表調查階段調查地區地質鑽探地球物理震測孔數總鑽深度(m)測線數測線總長度(m)可行性研究D&B工法隧道11420193680基本設計TBM工法隧道42406.525020D&B工法隧道44217056670合計(m)4996.515370註：地質鑽探工作包含相關之岩石力學試驗2.2區域地質本計畫位於台灣中部南投縣魚池鄉及仁愛鄉，地質分區屬中央山脈西翼地質區之雪山山脈帶與脊樑山脈帶之西緣。計畫地區出現之岩層屬始新世至中新世，自東（上游）而西（下游）依序為蘆山層（以板岩為主）、眉溪砂岩（以石英質砂岩為主，夾板岩）、佳陽層（以板岩為主）、達見砂岩（以石英質砂岩為主，夾板岩或硬頁岩）、十八重溪層（以板岩為主，夾變質砂岩）及白冷層（以砂岩為主）。估計隧道通過砂岩段所佔之比例約33%，通過板岩段所佔之比例約67%。 計畫區內出現之主要地質構造為梨山構造、地利斷層及武界斷層。梨山構造之屬性於學術界仍有頗大爭議。依隧道沿線之地質調查結果顯示，栗栖溪引水隧道將穿越梨山構造，構造帶附近可能為密集之褶皺破碎帶及湧水帶。地利斷層及其伴生斷層可能於九族文化村附近與隧道相交，含破碎帶、斷層泥及斷層角礫為主。武界斷層係由航照線型研判而得，斷層附近之地表露頭並未發現擾動之跡象，惟舊武界隧道施工期間曾於該線型附近遭遇湧水，但無遭遇斷層之敘述，研判可能為破碎帶或湧水帶。2.3TBM鑽掘隧道段地質2.3.1隧道沿線地質本TBM鑽掘隧道位於新武界隧道里程Sta.3k+089至10k+354之間，全長約7.3公里，全區並無重大地質構造線通過。其中Sta.3k+089至9k+568間（約佔89%）隧道段穿越佳陽層；Sta.9k+568至10k+354間（約佔11%）隧道段穿越達見砂岩層。其地質特性分述如下，如圖二及表三所示：圖二、TBM工法隧道沿線地質剖面圖表三、TBM工法隧道沿線地層一覽表地層佳陽層達見砂岩岩性描述砂岩或砂質板岩，劈理常呈劇烈褶曲現象及轉折構造砂岩或砂質板岩，劈理常呈劇烈褶曲現象及轉折構造中至粗粒石英砂岩與板岩或硬頁岩薄互層單壓強度(kg/cm2)93~176607~1200152~1705總硬度21~3164~144岩體等級與比例分配---FW3---FW4I:10%,II:16%III:30%,IV:24%V:20%FW5I:15%,II:20%III:25%,IV:30%V:10%I:16%,II:33%III:38%,IV:7%V:6%I:14%,II:28%III:37%,IV:9%V:12%工程地質評估1.本段板岩於風化解壓影響範圍外之岩盤一般均新鮮、堅實且完整。2.Sta.3k+150~3k+750間岩覆較低，隧道可能穿越較風化破碎岩盤。3.Sta.3k+430~3k+500間之震側低速帶研判為擾動破碎帶(FW3)，推估可能與隧道線在Sta.3k+300~3k+400相交，其寬度亦可能較震測所見更寬廣。4.Sta.3k+500(FW4)及Sta.6k+450(FW5)附近為褶皺、破碎帶，具湧水潛勢。5.Sta.5k+700~6k+000及Sta.7k+800~8k+100相應於舊武界隧道第一及第二次補修段，岩盤品質可能較差。6.依據隧道附近地表露頭推估，Sta.6k+900及Sta.7k+200~7k+300間地表岩盤可能有小規模錯動。本段隧道洞口至32公尺均為崩積岩塊，32~250公尺間為中至高度配碎岩盤，具湧水潛勢，其餘岩質多完整、堅實。 1.佳陽層佳陽層之岩性以板岩或砂質板岩為主，偶夾薄層砂岩，板岩劈理發達，劈理面之位態約為N15~60°E/52~70°S，與隧道線（N65°E）斜交，向上游側傾斜，局部呈褶皺扭曲，偶見小型斷層，但延續性均不高。鑽探結果顯示，本段隧道沿線於地表以下約180公尺進入新鮮岩盤，岩質多堅實完整，在隧道高程附近岩盤之RQD值多為80%以上，岩心節理不發達，間距大多1公尺以上，岩心偶有斷裂，亦以沿劈理方向為主，顯示地下岩盤完整。本段隧道Sta.3k+150至3k+750間因岩覆較低（約150至200公尺），岩質可能較風化破碎。Sta.3k+600上方地表發現板岩劈理有劇烈褶皺之現象，岩盤亦呈破碎狀，配合現地地形及附近鑽孔資料推估，隧道可能於Sta.3k+500附近遭遇一褶皺破碎帶及較大之湧水。Sta.6k+400附近地表出露之板岩劈理位態變化甚大，附近鑽孔所得岩心亦有相同之現象，研判隧道將於Sta.6k+450附近穿越一褶皺破碎帶，推估寬度約350公尺。2.達見砂岩層岩性以石英質砂岩及硬頁岩或板岩之薄葉互層為主，局部夾石英砂岩，砂岩與硬頁岩間互相漸變，岩心顯示交錯層理發達，本段隧道Sta.9k+586至10k+176間岩心完整，且愈往上游段岩心品質愈佳。Sta.10k+176至10k+322間岩質風化破碎，Sta.10k+322至10k+354間為含石英質砂岩或板岩之崩積層。砂岩之層面發達，地表露頭之砂岩層面位態為N24°E/58~68°S，與隧道線（N65°E）斜交，向上游側傾斜。隧道沿線之主要節理為區域性節理，位態為N80°E~80°W/70°~80°N，節理間距約5~10公分，延展5~50公分，節理面平整，開口約0.1~0.2公分。2.3.2地質調查成果本隧道段乃於基本設計階段才決定更改路線及施工方法，因此，僅於該階段進行相關之地質調查工作。除了地表地質調查外，尚包括四孔長距離地質鑽探及地球物理震測，如表一所示。其中，地質鑽探之水平孔（TB1-1）鑽孔長度達901.5公尺，其他斜孔之最大鑽長亦達735公尺。前述地質鑽探完成後，均埋設PVC管並量測地下水位（傾斜孔）及地下湧水量（水平孔）。其中，TB1-1孔量得之最大湧水量曾高達1,441公升/分，且持續達半年之久，至本區遇枯水期後方降至60餘公升/分，此先期排水工作對後續之隧道施工亦有正面效益。岩石力學之取樣與試驗工作乃與地質鑽探同時進行，室內試驗由中興工程顧問社大地力學研究中心負責。試驗項目包括單軸試驗、三軸試驗、動靜彈性試驗、直剪試驗、總硬度試驗及岩相分析等。其中，總硬度試驗及岩相分析分別委託美國Dr.Tarkoy及台大地質系施作，重要之試驗結果如表三所示。設計單位（中興公司）及承商（熊谷組）依上述地質調查成果分析及研判後，分別推估本段隧道沿線之岩體分類所佔比例如表四所示。 表三、TBM鑽掘隧道部份岩石力學試驗結果地層種類試驗項目佳陽層達見砂岩層單壓強度(kg/cm2)305~1200429~1705靜彈性波速(m/sec)3476~50723266~5071總硬度21~3164~144石英含量(%)32~4254~87表四、TBM鑽掘隧道沿線岩體分類統計表岩體等級類型ⅠⅡⅢⅣⅤ特殊地質Q值>104~101~41~0.1<0.1RMR值>6564~5756~4443~23<22岩體比例(%)中興公司10213117156熊谷組25.118.532.414.88.11.1三、TBM設備介紹TBM隧道之機型有開放型及密閉型兩種，其隧道混凝土襯砌亦有預鑄及場鑄之別。經中興工程顧問股份有限公司分析地下岩盤條件後，原傾向建議採用開放型TBM，以便適時有效處理地質弱帶；但考慮各廠商特有之施工專長及經驗、符合公平交易之原則，最後提出下列三種方案供投標廠商自行評估及選擇，方案一：採用開放型TBM+場鑄混凝土襯砌；方案二：採用開放型TBM+預鑄混凝土環片襯砌；及方案三：採用密閉型TBM+預鑄混凝土環片襯砌。圖四、TBM機頭剖面圖 本TBM隧道工程包含在主工程之I-B標土木工程中，由新亞建設公司－熊谷組聯合承攬以選案一得標。其中，TBM隧道由日本熊谷組負責施工，熊谷組於進行相當之評估與分析後，最後選定Robbins公司製造之開放型TBM舊品。該TBM為1994年製造，曾於瑞士Lotschberg計畫中完成9.3公里之隧道開挖工作，其後又於香港MTRC-680計畫中，完成1.5公里之隧道開挖。本TBM設備經承商於香港改裝及維護後，TBM機頭之剖面如圖四所示，並於89年4月運抵工地，5月開始組裝，於6月下旬推進至預定開挖位置並進行試運轉，於7月中開始初期開挖，9月初開始全功能開挖。有關本工程與開挖直徑相近之士林頭水隧道與雪山隧道導坑TBM設備要件之比較如表五所示。表五、國內使用TBM設備要件比較表項目新武界引水隧道士林頭水隧道雪山隧道導坑主機機型OpenMainBeamTypeRobbins.1610-279-2OpenMainBeamTypeRobbins.1212-228-2CloseTypeDoubleShield，Robbins總重量380噸160噸720噸機頭直徑6.2m4.53m4.8m機頭長度0~26.84m0~18m11.33~12.83m輔助系統長度26.84~222m18~210m10.8~188m主要軸承三主軸承式滾錐型軸承，90英吋主軸承尺寸：3048mm切輪品牌及尺寸Robbins，17英吋Robbins，17英吋Robbins，17英吋切輪數量443134推力/切輪267kN222kN222.4kN有效最大機頭推力13,000kNat345bars7,200kNat330bars7,560kN開挖機頭馬力2,532hp（1,890kW）（315kWx6vfd）1,072hp（800kW）（200kWx4水冷式電動機）1287hp（960kW）（160kWx6水冷式電動機）開挖機頭最大轉速8.4rpm10.2rpm9.8rpm扭力2,150kN-m779kN-m2,030kN-m鑽掘衝程1.83m1.55m1.5m油壓系統壓力345bars330bars--油壓系統使用電力152Hp（113kW）100Hp（74kW）--輸送機槽帶式輸送機槽帶式輸送機--電動機規格690V,3相,60Hz380V,3相,50Hz--控制系統等用電迴路240V,60Hz220V,50Hz--輸入電力11,400V,60Hz10,000V,3相,50Hz--變電器1,250x2kva(TBM)800x1kva(輔助系統)650x2kva(TBM)250x1kva(輔助系統)-- 四、TBM鑽挖能力預測依據熊谷組所選用之TBM設備性能，本工程依據挪威TBM鑽挖能力預測經驗模式，評估本工程TBM鑽掘隧道之開挖效率，分析之依據資料及分析結果說明如下：4.1依據資料：1.隧道長度：6302M（扣除162M起動段及上游側800M之鑽炸法段，其中，砂岩段605M、板岩段5,697M）2.隧道方向：N65°E3.層面（砂岩）及劈理面﹝板岩﹞位態：N24°E/64°S及N38°E/58°S4.不連續面間距(CM)/破碎等級：10/III（砂岩），20/II（板岩）5.岩盤石英含量(%)：75/砂岩，37/板岩6.TBM直徑/衝程：6.2M/1.5M（雖可達1.83M，承商擬採1.5M）7.TBM切輪直徑/數量：17"/448.推力/切輪：267KN9.切削頭轉速：8.4RPM10.切輪間距/切削頭形狀：70MM/半圓形（本項數據為假設）4.2分析結果：1.基本貫入率(MM/REV)：6.2（砂岩），7.05（板岩）2.淨貫入率(M/HR)：3.12（砂岩），3.55（板岩）3.推估需求扭力/實際裝設扭力（KN-M）：1,660/2,1504.推估需求馬力/實際裝設馬力（KW）：1,460/1,8905.平均切輪壽命(HR/C)：1.94（砂岩），4.38（板岩）6.機械開挖總需時（HR/KM，包括鑽掘、定位、更換切輪、維修及雜項）：723.4（砂岩），586.9（板岩）7.機械利用率(%)：44.31（砂岩），48（板岩）8.預測每週/月之前進速率(M，以101HR/週、4週/月計)：140/560（砂岩），172/688（板岩）9.預測TBM鑽掘隧道完成所需工期：37.4週以上分析結果乃假設承商隧道施工之工程管理良好，未考慮承商施工初期所需之適應期（Learning Period），且開挖過程中未遭遇破碎帶或斷層等地質弱帶而得。按，第一、二項因素與承商之素質有關，甚難事先評估，第三項因素則可依調查所得予以假設或推估，俾使事前之預估與實際情況更為接近。中興工程顧問公司於分析TBM工法之利弊時，曾保守地假設TBM鑽掘隧道全線將遭遇8處地質弱帶，各寬約20m，每處特殊處理之時間約為1個月（以4週計）；另日本熊谷組之地質專家於參考業主提供之相關調查成果後，推估TBM鑽掘隧道施工中可能遭遇5處地質弱帶，其寬度比中興假設者少（約10~20m），若亦假設其平均處理時間為1個月（以4週計），將其攤入隧道施工所需工期後，所得結果如下所示：依中興工程顧問公司假設（8處地質弱帶，假設砂岩段1處、板岩段7處）所得進度約為：砂岩73m/週（292m/月），板岩93m/週（372m/月），總平均進度約為90m/週（364m/月）。依熊谷組假設（5處地質弱帶，皆位處板岩段）所得進度約為：砂岩140m/週（560m/月），板岩107m/週（428m/月），總平均進度為109m/週（436m/月）。五、施工概況5.1支撐型式在TBM工法之支撐設計方面，本工程參考士林頭水隧道工程及雪山隧道導坑工程之施工經驗，經周詳之考慮，將施工中承商可能使用之工法皆儘量列入合約中，以免因辦理工務手續而曠日費時，延誤隧道開挖工作。於較佳岩盤（TypeI~III）中之支撐工係以岩釘、噴凝土及槽型鋼為主，較差岩盤（TypeIV~V）中則以H型鋼或桁型鋼支保為主，如表六所示。TypeI~IV隧道之開挖斷面為6.14m，TypeV隧道之開挖斷面則為6.24m，混凝土襯砌將於隧道開挖完成後採伸縮活動鋼模（TelescopicForm）施作，厚度為30cm，完工後之隧道直徑為5.05m。表六、支撐型式一覽表支撐型式岩釘鋼支保鋼線網噴凝土先撐鋼材ITypeB，L=2.4m視需要——5cm視需要—IITypeA，2支L=2.4mTypeB，3支L=2.4mC100頂拱90°@1.5視需要頂拱90°視需要5cm頂拱及側壁—IIIATypeA，2支L=3mTypeB，5支L=3mC100頂拱90°@1.2視需要頂拱90°8cm頂拱及側壁—IIIB—H100@1.5頂拱90°8cm頂拱及側壁—IV—H100@0.75~1.5頂拱及側壁12cm頂拱及側壁#11，3~5m視需要V—H100@0.75頂拱及側壁15cm頂拱及側壁#11，3~5m視需要 此外，隧道開挖當中，若有需要，得施鑽前進地質探查孔（ProbeDrilling）或長距離地質探查孔（500m以上），亦可選擇施作地球物理震測，俾瞭解開挖面前方之地質情況。遇特殊困難地質時，可依現場實際情況，另採先撐鋼棒、管幕鋼管、化學灌漿、固結灌漿及噴射灌漿等特殊工法搭配前述支撐共同使用，承商亦得依規範規定提出申請，經甲方同意後開挖迂迴導坑處理之。5.2桃芝颱風民國90年7月30日桃芝颱風來襲，木屐欄溪溪水暴漲，土石流淹沒整個TBM工作場、TBM洞口及攔河堰上、下游等河床，估計流入土石、填積約6萬立方公尺。TBM工作場之機電設備及材料亦遭破損而無法使用；TBM洞口幾被土石堵塞，致溪水挾帶污泥灌入，水深超過2公尺，有24工人被困洞內，情況一度相當危急，而聯外道路均遭土石流淹沒，致使魚池鄉消防車（內附橡皮艇等救生設備）無法進入，為救人優先於是緊急動員鏟土機、挖土機、卡車等大型機械先行搶通道路。洞內24人於水深稍退後由洞外救援指揮中心於上午11點38分始將其全部救出，終於化險為夷。大林至暗渠道路因坍方（含噴凝土破壞坍落）及土石流亦造成道路阻斷無法通行，東光下洞口亦遭土石流入，第Ⅳ、Ⅳ-C棄碴場擋土牆趾部之回填土均淹沒在溪流中，日月潭工區因土石流而沖毀監工房、工人宿舍及炸藥庫等。桃芝颱風造成I-B標土木工程災情中以TBM工作面最為嚴重，其中包括TBM工作場淤積土石約達3萬立方公尺，TBM隧道淤積土石亦達1萬立方公尺，積水高度超過2公尺，變壓器開關箱及部分出碴機車頭等各式機電設備及備用零件泡水故障無法使用，所幸TBM未被波及。即使如此，初步估計復舊工作仍需四個月時間。復舊工作於民國90年8月1日保險公司現場勘災後隨即展開，在承包商-新亞建設及熊谷組增加人力物力日夜趕工下，於2個月內完成淤泥清除、加強擋水設施並緊急調用變壓器開關箱等關鍵工作，並提前於民國90年9月底進行TBM試運轉。TBM試運轉後即進行整體系統組件受損情況之檢修、更換，並緊急連繫ROBBINS.公司儘速提供相關零件，使TBM能調整成最佳之狀態，以恢復最大之功率開挖前進。5.3工率分析本工程於89年5月初開始進行TBM組裝，6月下旬開始試運轉，並於7月14日進行初期掘進開挖。初期開挖期間，因油壓及電力系統故障率高，調校耗時，部分零件備料不足，致進度無法展開，89年7月至8月僅開挖154.2公尺，並無豐碩之具體施工成果展現。自89年9月起開始全功能掘進開挖，機具故障率大幅降低，使用率上升至30%以上，如表七及圖五所示。自89年10月19日起隧道進入佳陽板岩層，進度漸入佳境。 經統計TBM施工15個月的進度(至民國90年11月底止，不含民國90年8、9月)，平均月進度為303.9公尺，平均日進度10.8公尺，並在民國89年11月份創下最大月進度659.3公尺。一天24小時的最大日進度是44.3公尺，是於民國90年1月8日達成，以上二項佳績皆是台灣以TBM鑽掘的最佳紀錄。表七、TBM鑽掘功率分析月份掘進長度(m)切削時間(hr)總工作時間(hr)貫入率(m/hr)使用率(%)掘進率(m/hr)工作天(日)開挖天(日)單日最高掘進長度(m)89年7月24.328.95286.50.83910.110.0851685.1089年8月129.9102.515231.26719.600.248282016.2089年9月316.4171.59552.51.84431.060.573252124.0089年10月309.5188.675741.64032.870.539262127.4089年11月659.3285.1610.332.31346.711.080302240.3089年12月356.8187.75611.161.90030.720.584302034.5090年1月453.2184.42481.52.45738.300.941221544.3090年2月58.442.75577.851.3667.400.101281710.5090年3月211.5112.51485.741.88023.160.435262217.0090年4月84.541.5495.332.0368.380.171291915.2090年5月330.6132.42559.932.49723.650.590292428.5090年6月389.3149.34561.912.60726.580.693291634.3090年7月360.6124570.512.90821.740.632291339.0090年8月桃芝颱風災害處理90年9月90年10月346116.26669.252.97617.370.517312628.5090年11月376.4138.08628.252.72621.980.599302432.50累計4406.72005.858083.76---408288-平均303.9--2.19724.810.54528.1419.86-附註：1.隧道之施工率實績係以掘進率來表示，掘進率為貫入率與使用率之乘積，其定義如下：貫入率(公尺/小時)=TBM掘進長度(公尺)/TBM切削時間(小時)使用率(%)=TBM切削時間(小時)/總工作時間(小時)×100掘進率(公尺/小時)=TBM掘進長度(公尺)/總工作時間(小時)2.89.7.3下午02：00TBM起動典禮；TBM起始鑽挖日期：89.7.14；TBM起始里程：10K+190.73.TBM鑽挖單月最快進度：659.3M4.TBM鑽挖單日最快進度：44.30M 圖五、TBM鑽掘進度圖5.4支撐類型之工率統計本隧道於89年10月19日前係於達見砂岩層中進行鑽掘，單日進度最高曾達24.0公尺，單月進度最高曾達316.4公尺，平均月進度198.0公尺。89年10月19日後隧道進入佳陽板岩層，進度漸入佳境，單日進度最高曾達44.3公尺，單月進度最高曾達659.3公尺，平均月進度332.3公尺。各型支撐每月鑽掘長度詳見表八。隧道沿線於達見砂岩所使用之支撐類型主要為第二型，約佔75.44%，於佳陽板岩所使用之支撐類型主要為第三型，約佔89.79%，隧道沿線各類型支撐於不同地層所佔之比例詳見表九。 表八、各型支撐鑽掘長度(m)月開始里程結束里程IIIIIIIVV長度890710191.0010166.70-24.30---24.30890810166.7010036.80-99.2011.2019.50-129.90890910036.809720.4033.00249.1034.30--316.4089109720.409410.50-97.40201.6010.90-309.9089119410.508751.20--656.303.00-659.3089128751.208394.40--331.7025.10-356.8090018394.407941.20--443.104.505.60453.2090027941.207882.80--24.5010.0023.9058.4090037882.807671.30--180.6030.90-211.5090047671.307586.80--68.7515.75-84.5090057586.807256.20--307.6023.00-330.6090067256.206866.90--386.303.00-389.3090076866.906506.30--349.5011.10-360.6090086506.306506.30--0.000.00-0.0090096506.306506.30--0.000.00-0.0090106506.306160.30--299.6035.4011.00346.0090116160.305783.90--329.4047.00-376.4090125783.905742.00--41.90--41.90表九、地層與支撐類型分配表(統計至90年11月底止)長度(公尺)百分比(%)地層名稱IIIIIIIVVIIIIIIIVV達見砂岩3347091.528.505.3075.4414.694.570.00佳陽板岩003532.95361.1540.50.000.0089.799.181.035.5問題檢討1.岩釘：本工程支撐型式之設計中，TYPEA岩釘為摩擦型岩釘，視為臨時性支撐，TYPEB岩釘為預力錨錠型岩釘，視為永久性支撐。承商選用HARDI開縫管摩擦型岩釘，施工簡便快速，可匹配TBM於硬岩中快速開挖之特性與需求，經拔出試驗證明其拉力可達15公噸以上，由於並無相關之耐久性證明，是否可將其認定為永久性岩釘，中外皆有爭議，此點尚待工程界更多之應用實例進一步驗證。2.噴凝土：承商所選用之TBM機型於硬岩中開挖速度極快，然而其所搭配之噴凝土設備卻無法配合，一但要即挖即噴則整體工率大為折損，於支援系統前施噴則對前進開挖有所妨礙，而留在支援系統後施噴不但妨礙前進開挖之出碴亦因通風系統之遮蔽而無法全斷面施噴。建議可採用高效能濕式噴凝土設備，以減少反彈量及塵埃污染並縮短施噴時間，或選用其他效能較佳之噴凝土代用材料（如SUBSHOT、SHOTPATCH 等）以減少噴凝土設計厚度；或於設計時即不將噴凝土視為永久支撐之一部份，以儘量減少噴凝土之施噴厚度。3.快速施工：依現有紀錄，89年11月份工率最高，經分析發現當岩盤為第三類，並以鋼支保及噴凝土為主要支撐型式時，TBM之整體效能最佳，甚至高於第二類岩盤以岩釘及噴凝土為主要支撐型式之施工效能，此點可供爾後類似案例參考，亦即TBM鑽掘隧道之支撐型式應儘量簡化（如由五種類型簡化為三種類型），或者儘量以輕型支保取代岩釘（因岩釘鑽機鑽設範圍受限於TBM機型種類及支援系統之空間佈置），對整體工進將有所助益。4.軟弱地層：90年2~4月間鑽遇較差地層，面向上游開挖面之左下及右上部分有應力集中之現象，曾發生岩盤擠壓入侵及岩楔坍落之情況，此現象與岩楔分析之結果相符合。由於修鑿侵入之岩盤相當費時，致使支撐工施作較為不易，因此進度緩慢，後來於外環切輪加裝墊片以擴大開挖斷面，並儘速施作支撐工以儘早閉合之方式解決通過。六、鋼環片工法本工程契約中針對遭遇斷層、剪裂帶及湧水地層等特殊困難地質均備有相關之處理方法，以供現場選擇使用。其中包括一般常見之管冪灌漿、止水灌漿、固結灌漿、噴射灌漿、先撐鋼材及迂迴導坑等工法。熊谷組依其於香港TaiPo-ButterflyValley引水隧道TBM施工中首次並成功使用之經驗，特引進「鋼環片支撐工法」應用於本工程特殊困難地質之處理中。6.1工法原理本工法施作之基本理念，簡單而言，就是當開放式TBM鑽遇極軟弱地質時隨即裝設鋼環片，使其與TBM機體結合，讓TBM具有類似密閉式盾殼之功能，得以安全且快速地通過該地質弱帶。其施作步驟概述如下：1.當鑽遇極軟弱地質且研判TBM有遭挾埋之可能時，隨即組裝4節鋼環片形成TBM之第二護盾，鋼環片之間以螺栓接合並與TBM連結在一起。2.當TBM前進0.5公尺時，另一鋼環片跟著以螺栓續接先前之最後一節鋼環片，重覆此步驟。亦即額外環片（5~13環）皆在良好岩盤中組裝後拖拉，直至TBM機頭端通過軟弱地質帶進入較好岩盤為止。3.以濃稠之水泥砂漿經由2英吋之灌漿管回填鋼環片後方之空隙。4.切除TBM盾殼與第一節鋼環片間之鋼鍊，留下筒狀鋼環片，TBM繼續前進鑽掘作業。熊谷組表示，本工法之最大優點在於其可快速施工、節省工期。依熊谷組估計，就10公尺寬之斷層帶而言，若採傳統方式處理，恐需耗時10~12週；但若採鋼環片支撐工法施作，僅需20天即可順利通過斷層帶，其中 鋼環片組立及拖行每天可完成1公尺，灌漿工作亦以1公尺/日計算，亦即每公尺斷層將僅使用2天即可通過。兩者所需處理時間之差異甚大，處理時間縮短，自然也使所需成本降低。此外，本工法所使用之鋼環片連接TBM形成第二護盾，工作人員不致暴露在危險之地質弱帶之下，對施工人員之安全較有保障。6.2施作實例90年1月31日，承商於第五類岩盤遭遇頂拱岩楔抽坍情況時，首次自行試用鋼環片工法，共組裝18環(9m)，發現缺失如下：1.鋼環片胴體強度不足，無法承受偏壓，致使嚴重變形。2.鋼環片因併排而產生縱向弱面。3.鋼環片尺寸略大於隧道圓周致安裝困難，甚至最後一片需要裁切並焊接，而於頂拱形成人為弱面，因受頂拱岩壓而使焊道開裂。4.每環接點多達168顆螺栓，不但組裝耗時且易造成應力集中，拖動後易因應力重新分佈而鬆動，須再重新鎖緊。5.GRIPPER撐住鋼環片時易造成鋼環片變形；鋼環片背填灌漿施作困難且品質不佳。6.機頭與鋼環片連結後無法後退，機動性降低而易使TBM遭卡夾。6.3檢討一般隧道開挖之支撐工以噴凝土、岩釘及鋼支保為主，必要時輔以可改良岩盤之灌漿工作，鋼環片工法則為極剛性之支撐工。完全以硬碰硬之方式提供岩盤所需之支撐，既無主動支撐之效果亦無柔性可言。且對於其上方岩楔坍落所產生之空洞難以適當材料予以填塞，背填灌漿易生盲點，若灌漿不慎又有污損機頭之虞。另外，受限於機頭盾殼至Gripper間之距離，本工法無法使用於寬度超過9m之特殊困難地質，且無法應付大量湧水之情況。6.4建議針對TBM開挖工法，隧道於遭遇特殊困難地質時仍應先以取心鑽孔或HSP探查並確認特殊困難地質之範圍及特性，慎選適當之處理方式施工俾有效因應特殊困難地質。七、結語新武界引水工程乃台灣隧道工程界第三個採用TBM施工的案例，現正如火如荼地展開，若本案能順利完成，對台電公司後續之TBM鑽掘隧道（即將動工之和平碧海水力發電計畫頭水隧道及龍門計畫循環冷卻水出水隧道）將可注入強心劑。 TBM開挖工法有提昇工進、降低對環境衝擊、減少勞工需求量及提昇施工技術、減少隧道開挖對圍岩之傷害、可節省支撐量及降低成本等優點，然而施工前之調查、規劃是否完備得宜，施工中之工程管理與應變計畫是否妥善擬定並有效執行則是施工成敗之重要關鍵。對於新工法（如鋼環片工法）、新材料（Hardi岩釘、噴凝土代用材料Subshot及Shotpatch等），事先應有妥善之規劃及準備，尤其相關之工務手續及試驗證明均須齊備，以免實際應用時才發現其缺失而影響施工安全及工進。參考文獻1.張文城（1996），「全斷面隧道鑽掘機（TBM）之規劃、設計與施工」，岩石隧道施工技術研討會，第145~155頁。2.陳嘉男、李慶龍、劉弘祥、周文龍（1997），「鯉魚潭水庫士林水力發電工程頭水隧道TBM簡介與施工概況」，地工技術雜誌，第59期，第51~60頁。3.李明雄、李鴻洲、黃偉光（1998），「新武界引水隧道TBM段深孔地質鑽探工作概述」，1998岩盤工程研討會論文集，第539~548頁。4.中興工程顧問公司（2000），新武界隧道及栗栖溪引水工程地質調查及岩石力學試驗評估報告。5.UNIVERSITYOFTRONDHEIM，NORWAY（1994），「HARDROCKTUNNELBORING」，PROJECTREPORT1-94.。6.台灣電力公司新武界隧道及栗栖溪引水工程第I-B標土木工程承攬契約（1999），第參、肆冊。7.新亞建設-熊谷組（2000），新武界隧道及栗栖溪引水工程第I-B標土木工程，TBM鑽掘隧道施工計畫書。