泥水加壓式TBM于山岳巖盤隧道施工案例探討

丘琳濱，蕭富元，俞旗文，鄒漢貴，劉俊杰

(1．中興工程顧問社，臺北;2．水利署南區(qū)水資源局，屏東)

0 引言

臺灣南部地區(qū)近年來用水需求日益殷切，為提升供水量及進行水資源調度運用，乃于2005年正式推動曾文水庫越域引水計畫。本計畫系基于臺灣南部主要河川—高屏溪有豐沛之水資源，但缺乏蓄水設施，其徑流之利用率僅12%，遠低于臺灣平均值18%，故乃規(guī)劃將高屏溪主要支流—荖濃溪豐水期(5—10月)余水越域引入臺灣目前最大庫容水庫—曾文水庫蓄存運用。

曾文水庫越域引水工程系于高雄縣桃源鄉(xiāng)勤和村之荖濃溪河段設置攔河堰，攔取豐水期余水，利用東引水隧道、旗山溪跨河工程及西引水隧道，經(jīng)由曾文溪支流—草蘭溪引水至曾文水庫蓄存，如圖1所示。其中東引水隧道則長約9 628 m，最大巖覆深度達1 300 m，超過800 m深之長度亦達2．9 km，預估隧道沿線可能遭遇斷層、褶皺、地熱、有害氣體及地下水等困難地質挑戰(zhàn)，故自1994年起，至2004年間，針對上述課題進行一系列之探查與評估，包括衛(wèi)星遙測影像、地表地質踏勘、地電阻探測、地質鉆探、現(xiàn)地及室內試驗等。在地質鉆探部分，整個計畫共施作47孔之探查孔，鉆探深度達7 189 m，其中東引水隧道沿線鉆孔共計21孔，總鉆孔深度達4 778 m，西引水隧道共計18個鉆孔，總鉆孔深度達2 171m，與隧道長度之比值皆超出0．5，高于一般平均標準(臺灣平均值約為0．18，美國平均值約為 0．3)［1］，參見圖 2。

自20世紀70年代起，鉆炸法(D＆B)已廣泛應用于臺灣山岳隧道施工。鉆炸法具較大之施工彈性，因應不同地質狀況，采用不同開挖與支撐方式，包括采用分階開挖、支撐形式變更、開挖輪進調整等，故適用于困難或多變之地質狀況。但隧道鉆炸法施工速率普遍較慢，臺灣一般山岳隧道鉆炸之月平均速率在50～60 m，僅少數(shù)個案單月速率可達100 m，此緩慢之施工速率對于長隧道施工工期影響甚巨，對于限期完工之工程具甚大之風險，反之TBM施工隧道則具有較佳之掘進速率，臺灣新武界引水隧道曾創(chuàng)下單月659．3 m之最快掘進速率紀錄［2］。因此對于因施工難度高，而采用統(tǒng)包方式，并限期完工之曾文水庫越域引水隧道工程而言，僅采鉆炸施工之適用性偏低，而掘進速率較快之TBM工法，則為工程是否可如期完工之可行解決方案。由于東引水隧道為曾文水庫越域引水計畫之關鍵工程，且東引水隧道西段之地質較東段為佳，故東引水隧道西段乃采用TBM掘進，以縮短工期，至于地質不佳且?guī)r覆較深之東引水東段則仍采施工彈性較大之鉆炸開挖方式。

圖1 曾文水庫越域引水計畫隧道工程位置圖Fig．1 Layout of Twsengwen Reservoir Transbasin Water Diversion Project:tunnel engineering

有關曾文水庫越域引水隧道TBM施工段之地質狀況、TBM機型評估、機具設備、前方地質支撐研判、實際施工遭遇問題與因應對策等，茲分述如下。

圖2 曾文水庫越域引水隧道鉆探總深度與隧道長度比值Fig．2 The length ratio of rock core to the tunnel in Twsengwen Reservoir water diversion tunnel engineering

1 隧道地質

隧道沿線所遭遇之地質為臺灣西部麓山帶中新世之沉積巖層，主要之巖性包括泥質塊狀砂巖、頁巖及砂頁巖互層等，既有資料顯示巖石單壓強度均未超過200 MPa，輕度變質之硬頁巖僅出現(xiàn)于采鉆炸施工之東引水隧道東段。由于隧道長度較長，沿線經(jīng)過數(shù)處地質構造，由東向西分別為荖濃斷層、高中斷層、老人溪背斜、老人溪向斜、旗山斷層、表湖斷層及平溪斷層等，隧道地質縱剖面如圖3所示。

隧道施工可能遭遇之困難地質與施工風險已在調查規(guī)劃階段進行詳細評估，圍巖擠壓變形、地下涌水及有害氣體逸出為隧道施工主要可能遭遇之困難地質問題［3］。其中圍巖擠壓變形可能發(fā)生于斷層破碎帶及高巖覆區(qū)，部分巖石單壓強度較高(超過100 MPa)且高巖覆應力區(qū)亦可能發(fā)生片狀剝離之破壞行為。而地下涌水在東引水隧道西段(即TBM施工段)則主要可能發(fā)生于老人溪向斜及背斜構造區(qū)，初步預估可能出現(xiàn)之瞬間涌水量達70 L/(min·m)［4］。另由于本區(qū)有多處天然氣苗露頭出露及油氣探勘紀錄，規(guī)劃階段多處地質探查孔亦曾偵測到有害氣體(包括 CO及CH4)，顯示有害氣體逸出亦為施工需關注之課題。

圖3 曾文水庫越域引水隧道地質縱剖面圖Fig．3 Longitudinal geological profile of Twsengwen Reservoir water diversion tunnel engineering

2 TBM機型評估

2．1 機型選擇考量

TBM已廣泛應用于巖石隧道工程之掘進，因應不同地層特性，選用不同機型之TBM，包括開放式TBM、密閉單盾式TBM及密閉雙盾式TBM等，至于各種常見TBM機型功能比較，亦有許多文獻可參考，例如Barla and Pelizza(2000)［5］及 Shahriar et al．(2008)［6］等?；旧蟃BM機型之選擇，需考量之因素甚多，包括地質特性與風險、施工場所限制、承包施工經(jīng)驗與專業(yè)能力、成本效益、計畫施工時程等，其中地質風險仍為關鍵之因素。基于地質特性與風險評估，曾文水庫越域引水隧道之TBM機型，乃采用泥水加壓單盾式TBM，其主要評估考量因素如下:

1)泥水加壓式TBM具良好密閉效果，可避免地層中有害氣體突然大量逸出，直接進入TBM，影響施工安全。同時于TBM內再安裝固定式氣體偵測器，隨時自動監(jiān)控TBM內有害氣體濃度，并搭配手持式氣體偵測器，由施工安全管制人員每天至少4次，偵測隧道內各處死角是否有有害氣體之累積，提高施工安全。

2)對于開挖面自立性不佳或遭逢地下水滲出時，TBM機頭之泥水壓可提供約1．0 MPa之壓力，支撐掘進面，持續(xù)施工。

3)開挖倘遭遇大量地下水涌出，涌水量在12 m3/min以內時，可透過泥水循環(huán)系統(tǒng)之排泥管，將涌水直接排出洞外，不影響施工;若涌水量高于上述管控量時，則透過TBM之地質探查鉆機，打設排水孔，進行排水。

4)在遭遇高溫地下水或高地溫梯度時，泥水系統(tǒng)可冷卻降低圍巖溫度。

5)單盾式TBM盾身較短，可降低巖盤擠壓變形夾埋風險。同時單盾式TBM其推進反力來自環(huán)片，在軟弱破碎地層中亦可持續(xù)掘進。

6)本工程隧道洞口有寬廣平臺，除提供門型起重機、環(huán)片暫置及機械設備維修位置外，可再架設組立泥水處理設施(包括泥水拌合槽、過濾器、分離機、污水處理裝置等)。

2．2 TBM機具設備

曾文水庫越域引水隧道所采用之泥水加壓式TBM，其機頭盾身長10．77 m，后方支持臺車總長約108 m，開挖直徑為6．33 m。開挖面堅硬巖層由TBM切削面盤上之6組標尺切削刀(gauge cutter)、23組面切削刀(face cutter)及15組中心切削刀(center cutter)進行粉碎，而軟弱或破碎之地層，則由切削面盤上之45組切削齒刃頭(cutter bit)及12組刮刀(scraper)進行刮除，切削面盤配置如圖4所示。

泥水循環(huán)系統(tǒng)為泥水加壓式TBM之特點，體積質量愈高之泥水可提供較佳之開挖面穩(wěn)定效果，惟相對泥水體積質量過高，則會產(chǎn)生泥水輸送困難及輸送泵浦負荷增加，一般大致將泥水體積質量控制于1．05～1．20。至于泥水運送系統(tǒng)則主要包括直徑30．5 m之送泥管及直徑35．6 m之排泥管，隨隧道掘進長度增加，并于中途安裝送泥泵浦及排泥泵浦，以維持管內壓力與流量，另于排泥管前端裝設1座破碎機(rock crusher)，粉碎粒徑較大或片狀之巖屑，以避免排泥管堵塞。當隧道掘進突然遭逢高壓涌水時，則可開啟緊急泄壓管，緊急排水泄壓，避免排泥管因壓力過大受損。上述各項設備配置請參見圖5。

2．3 前方地質研判與支撐評定

本工程TBM襯砌環(huán)片厚度30 cm，寬度1．5 cm，每環(huán)襯砌由6個環(huán)片組成，每個環(huán)片均設置1個抓舉孔，提供組裝機組立環(huán)片時抓舉之用。同時每個環(huán)片并設置1～2個灌漿孔，以作為背填灌漿之用。TBM支撐系統(tǒng)依不同地質狀況分為3個等級，第1類支撐系采混凝土強度45 MPa之預鑄環(huán)片，第2類則為混凝土強度63 MPa之預鑄環(huán)片，第3類則除混凝土強度63 MPa之預鑄環(huán)片外，并再配合地盤改良工法。

至于開挖面前方地質狀況研判與環(huán)片支撐等級評定，則藉由裝置于TBM機頭盾身內之油壓鉆堡，進行DRISS不取心探查(Drilling Survey System)，參見圖6。每次探查深度以40 cm為原則，并保持6 cm之重疊。DRISS探查過程，儀器自動紀錄各項機械資料，包括鉆堡活塞受壓面積、活塞行程、鉆孔速度、鉆進距離、打擊壓力、扭力等。同時再利用探查所得巖屑，概略研判開挖面前方地層巖性，并于孔口進行出水量觀測與有害氣體偵測等工作。藉由鉆堡所記錄之鉆孔速率、鉆孔反力壓及鉆孔能量等資料研判開挖面前方是否具地質弱帶(如圖7所示)，作為施工因應。其中鉆孔能量可以下述公式［7］計算推估:

式中:Ed為鉆孔能量，J/cm3;Ei為活塞撞擊能量，J，Ei=活塞受壓面積A(cm2)×活塞行程L(m)×打擊壓力 Pp(kgf/cm2) ×9．806 65(J/kg·m);Bpm為活塞撞擊數(shù);Trod為活塞撞擊能量鉆桿損耗系數(shù)=1-(鉆桿連接數(shù)目×1．5%);PR為鉆孔速度，cm/min;AH為鉆孔斷面積，cm2。

另由以往研究及經(jīng)驗，鉆孔能量Ed與巖體單壓強度 σcm關系如下［8］:

式中:σcm為巖體單壓強度，C值為待定系數(shù)。由上述關系式可進一步推估開挖面前方巖體強度，作為環(huán)片支撐等級評定依據(jù)參考。其中待定系數(shù)C值與鉆掘機械種類及其他鉆孔施作條件有關，本工程在TBM施工前，先于隧道鉆炸段進行DRISS試鉆，藉由試鉆結果，推估適用本工址之待定系數(shù) C值為40。經(jīng)由DRISS探查所評估之巖盤單壓強度、巖覆深度及水壓資料，分析計算選定所需之環(huán)片支撐等級［9］。

3 施工掘進實務探討

山岳巖盤隧道采用泥水加壓式TBM施工在臺灣并非常見，本工程施工前雖已進行一系列之評估與研究，惟由于本土經(jīng)驗之缺乏，實際施工時仍遭遇許多預期之外問題。例如TBM面盤切削刀磨耗嚴重，切削刀頭更換頻繁，影響掘進施作。同時隨隧道掘進長度增加，排泥管長度亦隨之增加，排泥管及排泥泵浦受碴料長期磨耗，需經(jīng)常維修更換，否則易產(chǎn)生爆管問題，同時扁平狀巖屑亦常造成排泥系統(tǒng)之堵塞。另開挖面之突發(fā)異常涌水，亦影響TBM泥水之濃度調配控管及開挖掘進作業(yè)。整體而言，施工進度不如預期，但截至2009年8月，TBM總掘進長度亦約達2．7 km，最高月掘進速率亦達396 m。

另2008年9月8日TBM掘進至1 078環(huán)時受困，施工廠商雖嘗試進行許多方法，包括注入滑材降低摩擦力、加設千斤頂增加前進推力及調整掘進角度等，惟仍無法使TBM脫困。藉由開啟TBM機頭泥水隔艙，檢視開挖面狀況后，發(fā)現(xiàn)開挖面前方巖盤已坍落，為充分掌握TBM受困位置周圍地質狀況，乃于TBM盾身內施作6孔取心鉆探調查，鉆孔布置如圖8所示。結果發(fā)現(xiàn)TBM機頭前方已有近約13 m之坍落高度，TBM盾身上方地層主要為砂巖及砂頁巖互層，層面傾角約在35～50°，局部有區(qū)域出現(xiàn)寬約10～20 cm之小剪裂帶，整體以IV、V類巖盤居多(RMR巖體評分40分以下)，間夾較佳之Ⅲ類巖盤。

為克服TBM受困情形，施工廠商乃提出TBM上部擴挖工法，其施工步驟概述如下:

1)拆除TBM盾身后方頂端2對環(huán)片，拆除前先以自鉆式巖栓及灌漿穩(wěn)定上方巖盤，而后進行環(huán)片之切割拆除。

2)以手持式破碎機(Breaker)及小型怪手進行頂部擴挖(如圖9，10所示)，并以H150鋼支保及木矢板進行擴挖段支撐保護，頂部擴挖作業(yè)至TBM泥水隔艙處止，共施作14對支保(每對支保間距0．75 m)。

3)以硅酸鹽樹脂(Silica Resin)進行TBM切削面盤上方松動區(qū)固結灌漿。并對前方地層施作12 m長之AGF先撐加固。

4)TBM頂部擴挖區(qū)灌漿回填，TBM盾殼則以鋪設帆布保護。

5)施作高強度噴凝度(45 MPa)，進行拆除環(huán)片之復原作業(yè)。

6)重新激活TBM，恢復掘進。

本次TBM受困事件，導致近4個月之工期延誤。為避免類似狀況再度發(fā)生，改善因應對策包括:對于地質不佳段，藉由標尺切削刀角度調整，進行5 cm之直徑擴挖，并于TBM機體設置3組空隙檢測棒，以量測機體外殼表面至巖盤面之距離;另再于盾身內加裝13臺千斤頂，可提供39 000 kN之前進推力，增加后之總推力約為原有之1．78倍。

4 結語

曾文越域引水計畫之東引水隧道地質復雜，且?guī)r覆深度超過1 000 m，采泥水加壓式TBM施工具甚高難度之挑戰(zhàn)。根據(jù)施工經(jīng)驗顯示，切削刀之嚴重磨耗、排泥管之堵塞與磨損爆裂，以及巖盤擠壓變形TBM受困等因素為造成掘進速率不如預期之主要因素。各項具體因應對策陸續(xù)被探討與提出，包括切削刀材料品質提升、排泥管前端之破碎機之破碎能力增強、加密排泥管檢查頻率、地質不佳段TBM開挖直徑增加、前方地盤改良、TBM前進推力增加等。

2009年8月莫拉克臺風重創(chuàng)臺灣南部，本工程亦受影響，東引水隧道東口鉆炸段受暴漲溪水灌入，遭土石掩埋，西口TBM施工段，雖幸未受損，但施工道路中斷，目前工程暫緩施工。經(jīng)長期停工后，TBM應已因巖盤擠壓變形而再度受困，如欲恢復施工，TBM脫困方式為另一有待克服之課題。本工程之施工經(jīng)驗，應可提供未來山岳巖盤隧道采用TBM施工參考。

［1］ 楊豐榮，李振誥，蕭富元，等．隧道施工中地質探查——以曾文越域引水隧道為例［J］．地工技術，2008(117):47-58．

［2］ 李明雄，李鴻洲，李慶龍，等．臺灣水利隧道工程TBM開挖首次貫通案例［J］．巖石力學與工程學報，2004，23(Z2)．

［3］ 中興工程顧問公司．曾文水庫越域引水工程計畫——隧道工程補充地質調查試驗及評估報告［R］．臺北:經(jīng)濟部水利署南區(qū)水資源局，2004．

［4］ 楊豐榮，顧承宇，譚志豪，等．曾文越引隧道工程水文地質之調查與分析評估［J］．地工技術，2007(112):69-80．

［5］ Barla，Giovanni，Sebastiano Pelizza．TBM tunneling in difficult ground conditions［C］//Cong．Geoeng 2000:Melbourne，Australia，2000．

［6］ Shahriar，Kourosh，Mostafa Sharifzadeh，et al．Geotechnical risk assessment based approach for rock TBM selection in difficult ground conditions［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2008(23):318-325．

［7］ Yamashita，M．，Koji Ishiyama，Takahiko Yumura，et al．Application of dressing survey system for weak rock with inflow water［C］//31thSymposium for Rock Mechanics．Japanese:［s．n．］，2 000:238-242．

［8］ Yamashita，M．，K．Ishiyama，T．Kimura，et al．Estimation between long-hole drilling data and rock mass strength［C］//61th JAPAN Society of Civil Engineers Annual Meeting．Japanese:［s．n．］，2006: Ⅲ-333．

［9］ 施慶藏，鄭俊升，龜山克裕，等．鉆孔探查系統(tǒng)DRISS于TBM工法隧道前方地質探查之應用［C］//第七屆海峽兩岸隧道與地下工程學術及技術研討會論文集．大連:巖石力學與工程學會地下工程分會，2008:326-333．