菲律賓無米樂—安佳越域引水隧道TBM掘進效率回饋分析

王建智

(中興工程顧問股份有限公司，臺北)

0 引言

傳統(tǒng)上對于全斷面隧道鉆掘機(TBM)的掘進速率，以采國際上廣為接受之方式推估，其中著名者有Peter Tarkoy之總硬度法、美國科羅拉多大學(xué)礦冶學(xué)校法、及挪威理工學(xué)院法［1］，于實際運用上，Wang［2］于菲律賓無米樂—安佳越域引水隧道設(shè)計中，以上述挪威理工學(xué)院法配合規(guī)范指定TBM規(guī)格，并結(jié)合循環(huán)作業(yè)時程分析法，推估進度，本文于工程完工后將實際掘進間之進度作為回饋，從而審視該推估方法之可靠性，是為本文之主要意義。

1 計畫概述

1．1 計畫目的

本工程屬第二期安佳供水優(yōu)化發(fā)展計畫，目的為增加安佳水庫對大馬尼拉市的原水供應(yīng)，將位于水庫集水區(qū)外之無米樂河(Umiray River)流入太平洋之多余水源，藉由引水隧道導(dǎo)入水庫集水區(qū)內(nèi)之麻瓜河(Macua River)。

1．2 工程內(nèi)容

總工期1 154 d的工程，內(nèi)容包括:

1)無米樂河畔之引水渠與攔河堰，于干季流量2．5 m3/s，雨季流量 30 m3/s;

2)內(nèi)徑4．3 m 引水主隧道，總長13．1 km，自西向東以0．14%升坡，3條支線隧道連接主隧道與攔河堰;

3)隧道內(nèi)倒吊軌道車;

4)引水隧道麻瓜河出口處小水力發(fā)電廠;

5)11．1 m長34．5 kV架空輸電線路。

工程布置詳圖如1所示。

圖1 工程平面布置圖Fig．1 Plan layout of the project

1．3 地質(zhì)條件

隧道通過區(qū)域為位于高度地震活動范圍之始新世晚期的火山集塊巖，強度約45 MPa，以及隧道起始段(麻瓜河側(cè))之玄武巖(強度達150MPa)，與后段(無米樂河側(cè))之石灰?guī)r(強度約60 MPa)。其間含4處主要斷層剪裂帶，東側(cè)淺覆蓋之石灰?guī)r除覆蓋淺薄外，尚且有石灰?guī)r溶洞。地質(zhì)剖面圖如圖2所示，最高覆蓋達1 200 m。

圖2 地質(zhì)剖面圖Fig．2 Geological profile

2 設(shè)計與施工

2．1 設(shè)計

設(shè)計工作由臺灣的中興工程顧問社領(lǐng)銜，與意大利C．Lotti．及菲律賓當(dāng)?shù)仡檰朌CCD組成顧問團，于1994年完成。

環(huán)片允許采用鋼纖維混凝土或鋼筋混凝土，內(nèi)徑4．3 m，厚度20 cm，片間與環(huán)間以筍槽結(jié)合不設(shè)螺栓，惟上述規(guī)定僅供參考，允許承包商自行設(shè)計(包括強度及相應(yīng)強度及配筋)。與巖盤間背填采小礫石，并于稍后以水泥漿液灌注。

2．2 施工

業(yè)主MWSS(Metropolitan Waterworks and Sewerage System)于1995年11月將本項亞洲開發(fā)銀行集資之工程契約，以14億零9百萬披索發(fā)包于意大利聯(lián)合承攬商GLF-SELI JV，并于1996年1月通知開工。

2．2．1 發(fā)進施工

自開工起始日起，即因土地取得等甲方因素，使工地準備工作遲遲無法動工，至1996年9月16日所有施工許可皆到位。于1997年4月，承包商以短于原定16個月的7個月期間將前置作業(yè)完成，惜因圣嬰現(xiàn)象持續(xù)至1998年10月，使水庫水位低至原訂沿水庫上朔航程23 km，再銜接4．5 km施工便道，用來載運之平底船無法作用。為使延遲不再惡化，承包商改以11 t直升機載送TBM，支持系統(tǒng)、機車頭、環(huán)片鋼模、生產(chǎn)設(shè)備、推土機乃至卡車至西洞口發(fā)進基地，并于1998年2月完成發(fā)進準備作業(yè)，此時已較原定工期晚了6個月，斯時平底船因水位低落仍不能使用，承包商另使用3部1 t直升機載送 TBM削刀、備品、鋼筋、水泥等材料。

2．2．2 施工中遭遇狀況及施工進度

施工中歷經(jīng)多次涌水、抽心坍塌與擠壓夾埋，終于2000年2月18日貫通，為菲律賓首件以TBM鉆掘之隧道，并創(chuàng)下正常掘進期間平均月進度540 m佳績(扣除涌水抽坍與夾埋之停機時間)。

2．2．3 支撐系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)全線采用環(huán)片，承包商采用4片長1．3 m，厚度20 cm之六角型無螺栓接合預(yù)鑄混凝土環(huán)片，較原設(shè)計之1．2 m長，以減少環(huán)片總數(shù)加快進度，契約內(nèi)允許承包商選用鋼筋或鋼纖維加強環(huán)片，承包商基于當(dāng)?shù)厝肆Τ杀镜?，選用鋼筋。于正常巖壓段，每片的鋼筋重量為55 kg(約1 m3混凝土使用62 kg鋼筋)，于預(yù)期高巖壓段，每片的鋼筋重量為110 kg(約1 m3混凝土使用124 kg鋼筋)，環(huán)片構(gòu)造如圖3所示，與巖盤間隙以小礫石填充，并于支持系統(tǒng)后方以水泥漿液灌注礫石，本環(huán)片配合雙盾TBM以2．6 m為一循環(huán)，分4個0．65 m之機械推進沖程與4次的撐座(gripper)復(fù)歸(regrip)，使無論在僅靠撐座施力就足夠提供掘進所需反力之硬巖層或須部分靠頂住環(huán)片以提供反力的軟巖層中，均能一邊掘進一邊安裝環(huán)片。

圖3 環(huán)片示意圖Fig．3 Sketch of segment

2．2．4 涌水、抽坍與夾埋

施工中遭遇多次涌水、夾埋與抽坍，圖4為TBM每周進度與停機原因匯總圖，首次抽坍發(fā)生于里程4K+330處的斷層帶，影響總長度44 m，機頭上方8～10 m碎屑完全掩埋住TBM，抽坍孔洞壁面以噴漿穩(wěn)定，再注以砂漿，破碎段施以樹酯灌漿，并循序以1．8～2．5m輪進先灌后挖，最終再以固結(jié)灌漿穩(wěn)定圍巖，本段充分發(fā)揮雙盾式TBM之優(yōu)勢，以盾尾千斤頂，用超過40 000 kN推進力，頂擠后方環(huán)片前進，本次抽坍總計費時41d。

第2次抽坍發(fā)生于1999年11月，系盾首進入淺覆蓋之石灰?guī)r層中之?dāng)鄬訋В嬞M時68 d，使原訂1999年12月的貫通儀式展延。

1998年10月11日，開挖至5K+508處，自安山巖質(zhì)斑巖與沉積巖夾層間，瞬間涌入600 L/s地下水，水漲升至TBM工作平臺，數(shù)日水勢略減，得以于TBM支持系統(tǒng)加裝兩部抽水機，輔以1支400mm及2支250mm排水管沿隧道兩側(cè)壁直到洞外，后續(xù)更遭遇810 L/s涌水，使排水管延伸至11km，累積涌水所生費時達48d。

1998年12月11日，遭遇涌水后未久，于里程6K+131首次于堅硬玄武巖層中發(fā)生擠壓，因而原設(shè)計預(yù)期之10 cm收斂量所制造之14 cm TBM超挖量已然無法抗衡，幸賴有智能的隧道工班與由雪山隧道記取教訓(xùn)后改良的優(yōu)良TBM設(shè)計，得由尾盾與伸縮盾間利用勻滑開炸將TBM脫困，總計僅耗費31 d處理30 m長擠壓段。

同樣方式也用在1999年3月12日里程8K+016的擠壓段。

最后一次擠壓造成長達175 m隧道，最快擠壓速度于2 h內(nèi)超過37 cm，配合樹酯前進灌漿處理遭遇的土層。

圖4 TBM每周進度與停機原因匯總圖Fig．4 Advance length per week of TBM and its stopping reason

3 掘進效率回饋分析

3．1 TBM機械性能回饋

設(shè)計階段基于成本考量，于招標文件內(nèi)并不排斥承包商使用舊TBM，又期望能在期限內(nèi)完工，因此于招標文件內(nèi)對承包商擬采用之TBM基本性能有所規(guī)定，其規(guī)定如下:

削刀頭功率:1 500 kW

削刀頭轉(zhuǎn)速:9．6 r/min(高速)、4．8 r/min(低速)

削刀頭扭矩:2 238 kN-m(4．8 r/min)、1 119 kN-m(9．6 r/min)

削刀頭推力:8 436 kN

削刀形式:17″后置式

削刀能力:222 kN

主軸承基本動態(tài)耐推能力(Basic Dynamic Thrust Capacity):13 160 kN

輸碴皮帶能力:4．75 m3/min或7．25 t/min

預(yù)期遭遇地質(zhì)及瞬間貫入率如表1所示。

表1 預(yù)期遭遇地質(zhì)及瞬間貫入率［1］Table 1 Expected geological conditions and penetration rate ［1］

承包商經(jīng)自行檢核評估后，將二段式電動馬達提升為變頻式無段變速馬達(0～9 r/min)，削刀頭采用6座315 kW馬達驅(qū)動，亦即將功率提升為1 890 kW，使削刀頭扭力在極速下提供1 300 kN·m，在半速下提供2 600kN·m，均大于規(guī)范要求。其余規(guī)范未規(guī)定而承商所選用之TBM主要規(guī)格有:TBM外徑4 880 mm，前盾8支千斤頂，總推力15 200 kN，尾盾14支千斤頂，總推力25 900kN(極限值40 000kN)，最大推進速度8m/h。

3．2 TBM掘進速率回饋

設(shè)計階段采用國際間極受信賴之University of Trondheim發(fā)展的掘進速率經(jīng)驗式，將全線分為3種圍巖形態(tài)，推算各類圍巖中之月進度，其結(jié)果如表2所示。

表2 掘進速率推算參數(shù)表(實際平均月進度540 m)Table 2 Calculation parameters of advance rate

其中B，C之時貫入率因受限于TBM之削刀頭推進千斤頂速率(10 cm/min)，故時貫入率均采6 m/h。

CLI(Cutter Life Index)為削刀壽命指數(shù)，取決于圍巖之巖性;H為削刀壽命，單位為h，并正比于CLI;Kφ為TBM直徑修正系數(shù);Kmin為圍巖礦物修正系數(shù);K(r/min)為削刀轉(zhuǎn)速修正系數(shù);N為開挖面削刀裝置總數(shù)量，Lh為平均削刀壽命，亦即平均需更換削刀時間，其與上述各參數(shù)之關(guān)系為:

各圍巖中之日進率系依據(jù)每一開挖循環(huán)所需之貫入時間、清理時間、環(huán)片安裝時間(因采用雙盾式TBM，部份安裝環(huán)片時間可與開挖時間重疊)、撐腳(gripper)回復(fù)原位時間，計算得掘進一環(huán)所需時間，加計削刀更換時間(估計每削刀耗時1h)，并以每日2個8 h班，每次交班重疊1 h計算，可得表2所示之日進率，再以每月開挖作業(yè)20 d，可得預(yù)計月進率，如表2最末欄所示。

全線中圍巖A，B，C類之長度分別為1 250，9 850，2 000 m，依上述長度加權(quán)后，正常施工平均月進度為518 m，實際掘進中平均月進度為540 m。

4 結(jié)論

由實際掘進中平均月進度540m，與設(shè)計時推算平均月進度518m相當(dāng)接近，惟因承包商所采用之TBM在性能上略優(yōu)于設(shè)計預(yù)期(例如削刀頭功率由1 500 kW提升為1890kW，千斤頂最大推進速率由6 m/h提升為8 m/h)，故實際月進度略高于推估進度亦屬合理。

顯見采用University of Trondheim發(fā)展的掘進速率經(jīng)驗式計算削刀磨耗量，再結(jié)合循環(huán)作業(yè)時間分析法(cycle time analysis)，可有效推估TBM于北呂宋島類似地質(zhì)中之掘進速率，供爾后于菲律賓國內(nèi)施作TBM隧道之參考。

［1］ Odd Johannessen．Hard Rock Tunnel Boring［M］．Norway:The University of Trondheim，The Norwegian Institute of Technology， The Division ofConstruction Engineering，1988．

［2］ Wang，Jiann-Jyh．Engineers's Construction Plan for the Tunnel of Umiray-Angat Transbasin Project［R］．Philippines:MWSS，1994．