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 Open type 機 型 施 工 該 機 Open Main Beam Type Robbins Model 1610 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 地 質 鑽 探 地 球 物 理 震 測 調 查 階 段 調 查 地 區 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 11 420 19 3680 TBM 工 法 隧 道 4 2406 5 2 5020基 本 設 計 D B 工 法 隧 道 44 2170 5 6670 合 計 m 4996 5 15370 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 3 TBM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 93 176 607 1200 152 1705 總 硬 度 21 31 64 144 岩 體 等 級 與 比 例 分 配 FW3 FW4 I 10 II 16 III 30 IV 24 V 20 FW5 I 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 1200 429 1705 靜 彈 性 波 速 m sec 3476 5072 3266 5071 總 硬 度 21 31 64 144 石 英 含 量 32 42 54 87 表 四 TBM 鑽 掘 隧 道 沿 線 岩 體 分 類 統 計 表 類 型 Q 值 10 4 10 1 4 1 0 1 65 64 57 56 44 43 23 22 特 殊 地 質 中 興 公 司 10 21 31 17 15 6岩 體 比 例 熊 谷 組 25 1 18 5 32 4 14 8 8 1 1 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 Open Main Beam TypeRobbins 1610 279 2 Open Main Beam TypeRobbins 1212 228 2 Close Type Double Shield Robbins 總 重 量 380 噸 160 噸 720 噸 機 頭 直 徑 6 2m 4 53m 4 8m 機 頭 長 度 0 26 84m 0 18m 11 33 12 83m 輔 助 系 統 長 度 26 84 222m 18 210m 10 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 44 31 34 推 力 切 輪 267kN 222kN 222 4kN 有 效 最 大 機 頭 推 力 13 000kN at 345bars 7 200kN at 330bars 7 560kN 開 挖 機 頭 馬 力 2 532hp 1 890kW 315kW x 6vfd 1 072hp 800kW 200kW x 4 水 冷 式 電 動 機 1287hp 960kW 160kW x 6 水 冷 式 電 動 機 開 挖 機 頭 最 大 轉 速 8 4rpm 10 2rpm 9 8 rpm 扭 力 2 150kN m 779kN m 2 030 kN m 鑽 掘 衝 程 1 83m 1 55m 1 5m 油 壓 系 統 壓 力 345bars 330bars 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 60Hz 380V 3 相 50Hz 控 制 系 統 等 用 電 迴 路 240V 60Hz 220V 50Hz 輸 入 電 力 11 400V 60Hz 10 000V 3 相 50Hz 變 電 器 1 250 x2kva TBM 800 x1kva 輔 助 系 統 650 x2kva TBM 250 x1kva 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 E 3 層 面 砂 岩 及 劈 理 面 板 岩 位 態 N24 E 64 S及 N38 E 58 S 4 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 44 8 推 力 切 輪 267kN 9 切 削 頭 轉 速 8 4rpm 10 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 2 150 4 推 估 需 求 馬 力 實 際 裝 設 馬 力 kW 1 460 1 890 5 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 Type I III 中 之 支 撐 工 係 以 岩 釘 噴 凝 土 及 槽 型 鋼 為 主 較 差 岩 盤 Type IV V 中 則 以 H 型 鋼 或 桁 型 鋼 支 保 為 主 如 表 六 所 示 Type I IV 隧 道 之 開 挖 斷 面 為 6 14m Type V 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 Telescopic Form 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 I Type B L 2 4m視 需 要 5cm視 需 要 II Type A 2 支 L 2 4mType B 3 支 L 2 4m C100 頂 拱 90 1 5 視 需 要 頂 拱 90 視 需 要 5cm頂 拱 及 側 壁 III A Type A 2 支 L 3mType B 5 支 L 3m C100 頂 拱 90 1 2 視 需 要 頂 拱 90 8cm頂 拱 及 側 壁 III B 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 Probe Drilling 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 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 3 28 95 286 5 0 839 10 11 0 085 16 8 5 10 89 年 8 月 129 9 102 51 523 1 267 19 60 0 248 28 20 16 20 89 年 9 月 316 4 171 59 552 5 1 844 31 06 0 573 25 21 24 00 89 年 10 月 309 5 188 67 574 1 640 32 87 0 539 26 21 27 40 89 年 11 月 659 3 285 1 610 33 2 313 46 71 1 080 30 22 40 30 89 年 12 月 356 8 187 75 611 16 1 900 30 72 0 584 30 20 34 50 90 年 1 月 453 2 184 42 481 5 2 457 38 30 0 941 22 15 44 30 90 年 2 月 58 4 42 75 577 85 1 366 7 40 0 101 28 17 10 50 90 年 3 月 211 5 112 51 485 74 1 880 23 16 0 435 26 22 17 00 90 年 4 月 84 5 41 5 495 33 2 036 8 38 0 171 29 19 15 20 90 年 5 月 330 6 132 42 559 93 2 497 23 65 0 590 29 24 28 50 90 年 6 月 389 3 149 34 561 91 2 607 26 58 0 693 29 16 34 30 90 年 7 月 360 6 124 570 51 2 908 21 74 0 632 29 13 39 00 90 年 8 月 90 年 9 月 桃 芝 颱 風 災 害 處 理 90 年 10 月 346 116 26 669 25 2 976 17 37 0 517 31 26 28 50 90 年 11 月 376 4 138 08 628 25 2 726 21 98 0 599 30 24 32 50 累 計 4406 7 2005 85 8083 76 408 288 平 均 303 9 2 197 24 81 0 545 28 14 19 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 00 TBM起 動 典 禮 TBM起 始 鑽 挖 日 期 89 7 14 TBM起 始 里 程 10K 190 7 3 TBM鑽 挖 單 月 最 快 進 度 659 3m 4 TBM鑽 挖 單 日 最 快 進 度 44 30m 新 武 界 隧 道 TBM鑽 挖 月 進 度 圖 24 3 129 9 316 4309 5 356 8 453 2 58 4 211 5 84 5 330 6 389 3360 6 346376 4 659 3 4406 7 平 均 月 進 度303 9m 0 100 200 300 400 500 600 700 800 89年 7 月 89年 8 月 89年 9 月 89年 1 0月 89年 1 1月 89年 1 2月 90年 1 月 90年 2 月 90年 3 月 90年 4 月 90年 5 月 90年 6 月 90年 7 月 90年 8 月 90年 9 月 90年 1 0月 90年 1 1月 鑽掘 長度 M 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 累計 鑽掘 長度 M 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 I II III IV V 長 度 8907 10191 00 10166 70 24 30 24 30 8908 10166 70 10036 80 99 20 11 20 19 50 129 90 8909 10036 80 9720 40 33 00 249 10 34 30 316 40 8910 9720 40 9410 50 97 40 201 60 10 90 309 90 8911 9410 50 8751 20 656 30 3 00 659 30 8912 8751 20 8394 40 331 70 25 10 356 80 9001 8394 40 7941 20 443 10 4 50 5 60 453 20 9002 7941 20 7882 80 24 50 10 00 23 90 58 40 9003 7882 80 7671 30 180 60 30 90 211 50 9004 7671 30 7586 80 68 75 15 75 84 50 9005 7586 80 7256 20 307 60 23 00 330 60 9006 7256 20 6866 90 386 30 3 00 389 30 9007 6866 90 6506 30 349 50 11 10 360 60 9008 6506 30 6506 30 0 00 0 00 0 00 9009 6506 30 6506 30 0 00 0 00 0 00 9010 6506 30 6160 30 299 60 35 40 11 00 346 00 9011 6160 30 5783 90 329 40 47 00 376 40 9012 5783 90 5742 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 I II III IV V I II III IV V 達 見 砂 岩 33 470 91 5 28 5 0 5 30 75 44 14 69 4 57 0 00 佳 陽 板 岩 0 0 3532 95 361 15 40 5 0 00 0 00 89 79 9 18 1 03 5 5 問 題 檢 討 1 岩 釘 本 工 程 支 撐 型 式 之 設 計 中 TYPE A岩 釘 為 摩 擦 型 岩 釘 視 為 臨 時 性 支 撐 TYPE B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 Tai Po Butterfly Valley 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