高铁桥梁及隧道施工简介.doc

1 高鐵橋樑及隧道施工簡介 葉向陽 台灣高鐵業主駐地辦公室 C210 標主任 摘要 台灣高速鐵路主體工程的興建自公元 2000 年三月起 幾乎是全長 330 公里同時動 工 其中近 80 為高架橋 10 為隧道 為期於公元 2005 年十月份順利通車 不論橋樑 與隧道 均採用了快速安全的施工方式 本文簡單敘述台灣高鐵橋樑與隧道施工方式 壹 前言 台灣高速鐵路計劃由台北至高雄 全長 345 公里 除由台北車站至新莊樹林處之 15 公里由政府興建外 其餘 330 公里全由台灣高速鐵路公司負責興建 全線共分為 12 個土建施工標 經過邀標 議約 議價及決標的程序後 各標均於 2000 年中陸續開始 施工 土建標均採設計施工合一 D B 之合約型式 由土建承商按合約所訂之設計與工程 規範 自行委請顧問公司辦理設計 另再委請獨立審查顧問辦理設計審查工作 表一 即為各土建標承商及其顧問公司之綜整表 由台灣高鐵公司負責興建的 330 公里中 高架橋即有 250 公里 約佔全線之 76 隧道長度為 44 公里 約佔全線之 13 高架橋與隧道之施工於本案中 佔有極重要且 關鍵的角色 本文即就本案各標高橋樑與隧道的施工方法摘要報告 表一 台灣高速鐵路土建工程總攬表 土建 合約 合約範圍 路線長度 公里 承攬承商設計顧問 設計審查 CICE 開始日期預定日期 C21016K 800 28K 08011 280 日商大林組 互助營造 Sinotech TY Lin Muller Hereth Leonardt Andra 全線地質膠結鬆軟且局部地下水位高 而於北段有虎頭坑斷層相交後小角度斜交 且地 下水位較高 影響範圍約達 300 公尺 於此區段施工困難度最大 於淺覆土段以噴射灌 漿改良 而斷層帶則採 12m 管羃施工且以真空抽水降低地下水 並做好工區排水以防止 沉陷 中間段至南洞口的主隧道已於 1 月 26 日貫通 八卦山 C260 為符合工期及安全逃生 採用4 工區 6 個工作面施工 機械開挖 全線幾乎不受地下水影 響 偶有地質鬆軟或地下水 大體而言施工困難度不高且可設計輕型支撐構件 僅少部 份 以管羃支撐 故施工速度極快 曾創下單月 234 公尺之最快開挖速率 而橫坑 B 至南洞 口的主隧道已於 4 月 20 日貫通 3 6 輔助工法於高鐵隧道施工之應用 綜合整理高鐵隧道工程施工所採用之輔助工法 分別就其工法特性 應用時機和 施工實例說明如下表 輔助工法名稱工法說明 應用時機高鐵隧道工程施工實例 AGF 工法 All Ground Fasten 工法說明 採用一般的鑽堡機 在開 挖面頂拱前方打入約 12 5m 長鋼管 單管長 3 2m 間距 30 60cm 管 徑 10 16 11 43cm 範圍 120 145 度 管壁有灌漿孔 灌漿可採水泥系全 管灌漿和 PU 系分段灌漿 固結管壁 間材料 形成支撐拱 應用時機 洞口 淺覆土段 頂拱地 質鬆軟易坍落 防止地表沉陷等 普遍使用於洞口淺覆土段 鑽設長度視覆土 厚度而定 一般約 20 幾米 林口受頂拱崩落影響 有 400 公尺採用此法 期間最初採用水泥系灌漿 後則以 PU 系為 主 選擇原則以灌漿材用量成本 施工時間 和地下水流量等結定 湖口 新苗 頭份四 造橋二及苗栗等因土 質鬆軟及覆土淺而採用 新竹二高則因覆土淺盒控制沉陷而採用 PUIF 工法 Polyurethane Injection Forepoling 工法說明 3m 支撐鋼管 桿端密閉 有灌漿孔 桿頭連結灌漿軟管 採 30 2低壓 A B 兩液瞬間凝結形 成穩固頂拱區 範圍 120 度 間距 30 45cm 應用時機 頂拱薄層鬆軟帶 滲水造 林口和湖口因地下水造成沙泥層流動 造成 超挖或崩落 故以此法形成局部固結 灌漿液凝結時間依地質和地下水調整 約 15 30 秒 2020 1 26 29 成地質流動不穩定 局部破碎帶 曼歇管分段灌 漿工法 工法說明 鑽孔完成後 以 CB 液封 填灌漿 插入曼歇管以 CB 液初期灌 漿 完成數天後 插入 35 50 定距 灌漿內管 以雙 packer 方式注入定 量 約初期灌漿的 2 倍 矽酸溶液 矽酸鈉 硬化劑及水 其膠凝時 間約 60 分鐘 最大壓力約 50 2 初期流量控制 10 15 ltr min 應用時機 特殊地段地盤穩固 增加 土壤強度並降低透水性 此法主要使用於林口豎井 A 及 B 豎井 A 外 環和橫坑主線交叉段 豎井 B 外環 分段灌漿主要採經濟性考慮 使大小孔隙以 不同漿液填補 深井抽水工法 工法說明 鑽設孔徑約 60 至預定 深度 並置入以濾網包覆直徑 35 透水管 安裝完成後依地層特性分別 填入透水粒料或封填層 最後安裝沉 水幫浦及地面配管作業 應用時機 特殊地段 豎井環及主線 交叉段 降低地下水位 減少含水層 流動性 此法主要使用於林口豎井 A B 及南段 湖 口橫坑 B 前後約各 600m 間 林口豎井 A 及 B 之深井主要確保施工期間地 下水長期洩降 林口南段和湖口橫坑 B 間因遭遇流砂層或流 動土層 暫時降水確保主線施工安全 真空抽水工法 工法說明 排水管及井裝設完成後 為提高排水效能 可於端點連結真空 幫浦 利用壓差導引水流由管內流出 應用時機 透水性低之黏土層或卵礫 石層透水路徑不易掌控 林口南段受土砂和礫石影響 水平排水效果 不佳 經採 0 8kg cm2 真空壓力 其效果由 原先 5 ltr min 變成 30 ltr min 苗栗之虎頭坑斷層帶 降水以 AT 管並施以 1 0kg cm2 真空壓力 長距水平導水 工法 工法說明 以鑽堡鑽設 20 80m 長的 水平孔 鑽設期間以桿頭前進速率及 回水研判地質 完成孔作為預排水或 排氣用 應用時機 開挖面前之常態調查 普遍採用於高鐵隧道 通常長度視地質變化 和鑽機能力而定 開挖鏡面穩固 玻璃纖維岩栓 工法 工法說明 依據不同地質先鑽設玻璃 纖維岩栓 裝設灌漿投注入藥劑瞬間 凝結 以達到止水及固結土壤目的 應用時機 開挖面呈流動不穩定時 湖口 12 28m Face nailing 林口 4m 每 1 輪進打設 藉玻璃纖維岩栓與藥劑固結土壤 璃纖維岩 栓於開挖時易於截斷 支保腳擴座或 穩固處理 工法說明 加寬支保翼緣寬度或以噴 凝土加厚 使基礎承載面積變大 應用時機 支保承載不足或沉陷時 普遍採用於高鐵隧道 通常以基腳擴挖噴凝 土或支保加翼緣施做 對承載力不足之補救很有效 支保腳灌漿岩 栓 工法說明 於支保腳打入灌漿岩栓 並注入 PU 藥劑使其膨脹 增加支保 承載力 應用時機 支保承載不足或沉陷時 普遍採用於高鐵隧道 通常以打入灌漿岩栓 施做 注入 PU 藥劑膨脹或高壓灌漿形成支撐樁 臨時仰拱 工法說明 於上半斷面或台階開挖階 段 即用噴凝土將斷面閉合 應用時機 斷面受力擠壓 支保承載 不足或沉陷時 普遍採用於高鐵隧道 鋼絲網之採用視現地條件而定 施做時影響前方工作之持續 覆版工法 頂拱淺覆土 RC 版 工法說明 以 RC 結構先行於頂拱上 方完成 必要時將增加承載基礎或加 勁材 再行覆土回復地表功能 俟隧 湖口於燒碳窩溪段 因緊鄰軍事單位靶區 用此工法可增加施工安全快速 並提供更強 固之永久結構 2020 1 26 30 道開挖時藉覆版保護可安全快速通過 應用時機 減少邊坡開挖範圍和淺覆 土先行安全處理 噴射灌漿工法 工法說明 以各種角度鑽設灌漿孔 灌入高壓空氣 水及水泥漿 撕裂土 壤擴大灌漿範圍 並藉水泥漿凝固土 壤及樁體間連結 達到增加土壤自持 力的成效 應用時機 地盤不穩定或支保承載不 足或沉陷時 湖口因地質因素和坍落區段 普遍使用此法 主要用於頂拱保護及支保腳穩固 頭份一即以三相法改良南口軟弱地質區 新苗於南口管線區亦採用 地表填縫灌漿 處理 工法說明 由地表鑽孔至裂隙或空洞 處 以低壓注入灌漿材 一般會以經 濟目的分階段注入不同灌漿材 通常 此種灌漿不需太高強度 應用時機 填補裂隙或空洞 湖口在橫坑 A 畚箕窩坍落區段 由地表佈設 灌漿孔 注入砂漿等灌漿材 填補孔隙並達 膠結強度 3 7 隧道施工狀況因應對策 收集高鐵隧道施工期間常見之施工狀況 並說明在高鐵施工計劃書中 包商所採 行之因應對策 如下表 施工狀況因應對策補充說明 頂拱坍落 立刻封面處理避免擴大 填縫灌漿 砂漿或低強度混凝土 重新開挖並加強支撐 固結灌漿及小空隙處理 若為支撐破壞 以重型支保加 強 岩體側向坍落或支撐破壞 形成空洞 立刻封面處理避免擴大 填縫灌漿 砂漿或低強度混凝土 重新開挖並加強支撐 固結灌漿及小空隙處理 若為支撐破壞 以重型支保加 強 側向支保腳基礎沉陷 施做拉力岩栓 加厚噴凝土或擴大基腳 支保腳灌漿岩栓 雙側支保腳破壞 施做拉力岩栓 加厚噴凝土或擴大基腳 支保腳灌漿岩栓 水平擠壓變形 施做拉力岩栓 頂拱地質局部入侵 補打拉力岩栓 填縫灌漿 砂漿或低強度混凝土 重新開挖並加強支撐 固結灌漿及小空隙處理 若為支撐破壞 以重型支保加 強 隧道通過瓦斯蘊藏區 探查孔調查及導排 加強通風設施 限制易起火花的機械和線路 定距設置自動監測及警報系統 隧道通過高速公路淺填土 區 預先地盤改良 採用管羃先撐工法 縮小開挖輪徑及斷面 地面沉陷監測及邊坡傾斜儀觀 測 隧道通過建築結構下方 預先地盤改良 採用管羃先撐工法 縮小開挖輪徑及斷面 施工前建物調查和傾度儀安裝 施工中建物和地面沉陷監測 支保於仰拱部位挫屈致頂 補打岩栓若造成入侵則修挖再支撐 2020 1 26 31 拱沉陷 採用重型支保 開挖面前方水及沙泥湧入 先行沙包或版樁阻擋減少砂湧入 立刻封面處理避免擴大 打設洩水孔降低水位 填縫灌漿 砂漿或低強度混凝土 重新開挖並加強支撐 固結灌漿及小空隙處理 先行調查並控制崩塌範圍 配 置適當灌漿管及灌漿材料 流動性砂層與隧道小角度 相交 於隧道內或地表降水 固結灌漿及小空隙處理 採用頂拱管羃先撐工法 若流動砂層厚度太大可考慮導 坑降水或以側導坑開挖加管羃 先撐 隧道開挖造成邊坡或淺覆 土滑移 以輕質混凝土回填表面 從地表固結灌漿 以岩栓或地錨穩固邊坡及加勁土壤 必要時可以 RC 版輔助 鬆軟膠結差地層之大量超 挖 PUIF 先行穩固開挖頂拱 噴凝土完成後背填灌漿 開挖鏡面不穩定流動 封面噴凝土處理 預留土心 鑽設玻璃纖維岩栓並化學灌漿 若不穩定範圍大則需頂拱 AGF 管羃先撐 3 8 高鐵採用之特殊工法及機具 由於高鐵隧道承包商分別來自日本 韓國 德國和台灣 其間融合各國隧道施工 工法 並引進新型施工機具 以下僅將部分相較國內較為特殊之工法及機具 整理如 下表 工法及機具施工效能及說明 小口徑管羃鑽設機可控制 3 7 度仰角鑽設 單管長度可達 12m 定位容易精準 於洞口 施工效率高 高鐵迴龍等隧道均採用 惟若用於隧道內比起一般鑽堡 需有較長擴挖裝設空間 支保架設機可將組立好的支保 桁架或 H 型 直接運至開挖面 機器手臂容易操 控調整定位 免除現場組裝 可節省 30 40 分時間 高鐵林口隧道首 先採用 全迴旋棄渣卡車卡車有第五輪 可於原地 180 度迴轉 減少倒車時間增加安全性 高 鐵林口隧道採用 自動噴漿機高鐵隧道普遍採用濕式噴凝土 自動噴漿機增加作業安全性並減少反 彈量 360 度旋轉軸鑽頭開挖機高鐵八卦山隧道首先採用 利用靈活鑽頭開挖及修挖 減少超挖量及 開挖時間 仰拱棧橋高鐵林口隧道採用 2 套 迴龍 1 套 其主要在仰拱施工時提供獨立動 線攻上半斷及台階使用 並於棧橋下方進行仰拱開挖 噴凝土 防水 膜舖設 鋼筋綁紮 混凝土澆注 尤其對不排水隧道 防水膜完整及 混凝土一次澆注均有益於防水效能 雙側導坑施工法當隧道通過自立性極差的地質或地表容許沉陷極小時 一般可採縮小 開挖寬度及斷面因應 新竹二高通過二高下方淺填方區 地質條件不 佳且地表容許沉陷僅 2cm 故擬以雙側導坑施工 其利用兩組臨時支 撐 支保 玻璃纖維岩栓 噴凝土等 維持開挖時承重 三個開挖斷 面除保持開挖間距且分三階開挖 逐段開挖並逐段拆除臨時支撐 2020 1 26 32 側傾式鏟裝車與中折式棄渣車 支堡架設機 支堡架設機 20