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 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-1 新武界引水隧道工程新武界引水隧道工程 TBM 開挖工法施工技術探討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 摘摘 要要 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。 一一、前前言言 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。 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-2 圖一、新武界隧道及栗栖溪引水工程佈置圖 二二、工工程程地地質質 2.1 地地質質調調查查 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 11420193680 TBM 工法隧道 42406.525020 基本設計 D&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 區區域域地地質質 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%。 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-3 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鑽鑽掘掘隧隧道道段段地地質質 2.3.1 隧隧道道沿沿線線地地質質 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 -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+1503k+750 間岩覆較低，隧道可能穿越較風化破碎岩盤。 3.Sta.3k+4303k+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+3003k+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+7006k+000 及 Sta.7k+8008k+ 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+2007k+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， 32250 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。 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-4 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 N1560E/5270S，與隧道線（ N65E）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 N24E/5868S，與隧道線（ N65E）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 N80E80W/7080N，節理間距約 510 公分，延展 550 公分，節理面平整，開口約0.10.2 公分。 2.3.2 地地質質調調查查成成果果 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 。 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-5 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 ) 30512004291705 靜彈性波速 ( m/sec ) 3476507232665071 總硬度 213164144 石英含量 ( % ) 32425487 表四、TBM 鑽掘隧道沿線岩體分類統計表 類 型 Q 值 104101410.16564575644432322 特殊 地質 中興公司 10213117156 岩體比 例(%)熊谷組 25.118.532.414.88.11.1 三三、TBM 設設備備介介紹紹 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 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-6 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 Type Robbins. 1610-279-2 Open Main Beam Type Robbins.1212-228-2 Close Type Double Shield，Robbins 總重量380 噸160 噸720 噸 機頭直徑 6.2m4.53m4.8m 機頭長度 026.84m018m11.3312.83m 輔助系統長度 26.84222m18210m10.8188m 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 13,000kN at 345bars7,200kN at 330bars7,560kN 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 8.4rpm10.2rpm9.8 rpm 扭力 2,150kN-m779kN-m2,030 kN-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,60Hz 10,000V,3 相, 50Hz - 變電器 1,250x2kva (TBM) 800x1kva (輔助系統 ) 650x2kva (TBM) 250x1kva (輔助系統 ) - 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-7 四四、TBM 鑽鑽挖挖能能力力預預測測 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 依依據據資資料料： 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： N65E 3. 層面（砂岩）及劈理面 板岩位態：N24E/64S及N38E/58S 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 分分析析結結果果： 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 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-8 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 1020m） ，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） 。 五五、施施工工概概況況 5.1 支支撐撐型型式式 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 IIII）中之支撐工 係以岩釘、噴凝土及槽型鋼為主，較差岩盤（Type IVV）中則以 H 型鋼或桁型鋼支 保為主，如 表六所示 。Type IIV 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=2.4m Type 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=3m Type B，5 支 L=3m C100 頂拱 90 1.2 視需要 頂拱 90 8cm 頂拱及側壁 III BH1001.5 頂拱 90 8cm 頂拱及側壁 IV H100 0.751.5 頂拱及側壁 12cm 頂拱及側壁 #11，35m 視需要 VH1000.75 頂拱及側壁 15cm 頂拱及側壁 #11，35m 視需要 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-9 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 桃桃芝芝颱颱風風 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 工工率率分分析析 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 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-10 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 24.328.95286.50.83910.110.0851685.10 89 年 8 月 129.9102.515231.26719.600.248282016.20 89 年 9 月 316.4171.59552.51.84431.060.573252124.00 89 年 10 月 309.5188.675741.64032.870.539262127.40 89 年 11 月 659.3285.1610.332.31346.711.080302240.30 89 年 12 月 356.8187.75611.161.90030.720.584302034.50 90 年 1 月 453.2184.42481.52.45738.300.941221544.30 90 年 2 月 58.442.75577.851.3667.400.101281710.50 90 年 3 月 211.5112.51485.741.88023.160.435262217.00 90 年 4 月 84.541.5495.332.0368.380.171291915.20 90 年 5 月 330.6132.42559.932.49723.650.590292428.50 90 年 6 月 389.3149.34561.912.60726.580.693291634.30 90 年 7 月 360.6124570.512.90821.740.632291339.00 90 年 8 月 90 年 9 月 桃芝颱風災害處理 90 年 10 月 346116.26669.252.97617.370.517312628.50 90 年 11 月 376.4138.08628.252.72621.980.599302432.50 累計 4406.7 2005.85 8083.76-408288- 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 02：00 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 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-11 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 84.5 330.6 389.3 360.6 346 376.4 659.3 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10月 89年11月 89年12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10月 90年11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 支支撐撐類類型型之之工工率率統統計計 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。 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-12 表八、 各型支撐鑽掘長度 (m) 月開始里程結束里程 IIIIIIIVV 長度 890710191.00 10166.70-24.30-24.30 890810166.70 10036.80-99.2011.2019.50-129.90 890910036.809720.4033.00249.1034.30-316.40 89109720.409410.50-97.40201.6010.90-309.90 89119410.508751.20-656.303.00-659.30 89128751.208394.40-331.7025.10-356.80 90018394.407941.20-443.104.505.60453.20 90027941.207882.80-24.5010.0023.9058.40 90037882.807671.30-180.6030.90-211.50 90047671.307586.80-68.7515.75-84.50 90057586.807256.20-307.6023.00-330.60 90067256.206866.90-386.303.00-389.30 90076866.906506.30-349.5011.10-360.60 90086506.306506.30-0.000.00-0.00 90096506.306506.30-0.000.00-0.00 90106506.306160.30-299.6035.4011.00346.00 90116160.305783.90-329.4047.00-376.40 90125783.905742.00-41.90-41.90 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 003532.95361.1540.50.000.0089.799.181.03 5.5 問問題題檢檢討討 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 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-13 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24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。 六六、鋼鋼環環片片工工法法 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 工工法法原原理理 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（ 513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1012 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 新武界引水隧道工程 TBM 及 D&B 開挖工法研討會及現地研討 III-14 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