雪山隧道从竖井增辟工作面施工探讨.doc

作者簡介 曾大仁 男 博士 現任國道新建工程局副局長 負責國道公路工程規劃 設計 興建及管理等相關業務 李勝宗 男 碩士 現任國道新建工程局正工程司 專長為隧道工程 黃淮彬 男 學士 現任榮民工程公司北宜施工處組長 專長為隧道工程 雪山隧道從豎井增闢工作面施工探討雪山隧道從豎井增闢工作面施工探討 曾大仁 1 李勝宗1 黃淮彬2 1國道新建工程局 台北 2榮民工程股份有限公司 台北 摘摘 要要 雪山隧道貫穿臺灣東北部雪山山脈 該隧道由兩座主坑及一座導坑所組成 單孔 長度逾12 9km 沿線布設三處通風豎井 由於雪山隧道地質複雜多變 加以全斷面隧道鑽掘 機 TBM 開挖進度不如預期 開工後工程進度一直呈落後狀態 為了縮短工期 工程單位 決定由已開挖完成之二號通風豎井 深度約250m 往水平坑道增闢工作面 藉由聯絡隧道 及斜支坑之貫通 主坑及導坑共增闢10處工作面 總共開挖長度約5 600m 對整體工程進度 之提昇助益頗大 從豎井增闢工作面之隧道開挖 其施工安排 出碴作業 通風排水及緊急 應變措施等均與一般水平隧道開挖不盡相同 本文將作簡要介紹及探討 以供工程界參考 關鍵字 豎井 水平坑道 工作面 聯絡隧道 斜支坑 ADDITIONAL WORKING FACES THROUGH THE SHAFT OF HSUEHSHAN TUNNEL Dar Jen Tseng 1 Shen Chung Lee 1 Huai Bin Huang 2 1Taiwan Area National Expressway Engineering Bureau Taipei 2 RSEA Engineering Corporation Taipei Abstract The Hsuehshan Tunnel passing through the northern end of Hsuehshan Range situates in the northeastern region of Taiwan This 12 9km tunnel consists of 2 main tunnels 1 pilot tunnel and 3 sets of ventilation shafts along the tunnel profile In the beginning of the construction tunnel boring machines TBMs didn t work well due to the heterogeneous geological conditions causing the progress of the project lagging behind schedule To shorten the construction period the Engineers decided to create additional working faces for the horizontal tunnels through the 250m depth ventilation shaft No 2 With the help of the open through of connection tunnels and detour adit 10 working faces with total length of 5 600m through the shaft added to the horizontal tunnel excavation the project progresses had been greatly improved The construction layouts mucking operation ventilation system drainage arrangement and emergency measurements of working faces through the shaft are so different from the ordinary tunnel excavation They are introduced in this paper and will be beneficial to the future project of similar characteristics Keywords shaft horizontal tunnel working face connection tunnel detour adit 1 前前言言 雪山隧道位處臺灣雪山山脈北端 目前 為全世界第五長的公路隧道 沿線地質複雜 地下水豐沛 施工中曾發生多次坍塌湧水等 災變 其中北上線主坑曾因開挖面大量抽坍 2 頁碼統一由籌備處編訂 造成TBM被夾埋損壞 因此改採鑽炸法開挖 導致整體工程進度落後 又雪山隧道受地形 限制 沿線難於適當地點配置適宜長度與坡 度之施工橫坑以增加開挖面 幾經研議後 工程單位決定從已開挖完成之二號豎井增闢 工作面 其施工順序係先由豎井底部打通機 房坑道至北上線主坑 嗣後再由北上線已開 挖區段 藉由斜支坑及人行與車行聯絡隧道 之貫穿 續往導坑及南下線主坑開挖 歷經 4年餘施工期間 總共開挖長度達5 599m 約佔主導坑總長 38 801m 之14 4 對整 體工程進度之提昇及通風排水之改善助益頗 大 二號豎井深度約250m 不僅人員 機具 材料之進出及出碴作業等皆需仰賴捲揚設備 運輸 且工作面所需之通風 輸氣及排水等 管線亦需經由豎井通往地表 豎井底部因施 工之需所架設之工作台及汚水處理設施亦為 以往隧道施工所罕見 由於施工人員深入地 表下作業 為預防異常湧水及火災等突發事 故 本工程嚴謹之緊急逃生警報與監視系統 亦值得爾後類似工程參考 2 雪雪山山隧隧道道工工程程配配置置 雪山隧道北起台北縣坪林鄉 南到宜蘭 縣頭城鎮 長度達12 93km 本隧道是由兩 座主坑及一座導坑所組成 主坑與導坑之開 挖直徑分別約為11 8m與4 8m 於正常段主 坑與導坑中心線距離為30m 但接近洞口段 逐漸縮短至21m 如圖1所示 為了交通需求 通風及緊急逃生等考量 本隧道共配置28座 人行聯絡道 8座車行聯絡道 3處共6座通 風豎井 6座通風機房及6座通風中繼站 其 配置透視圖如圖2 雪山隧道係採加強縱流式通風系統 每 處通風豎井包含進氣井與排氣井各1座 進 排氣井中心線距離為50m 豎井之深度由 238m至501m不等 混凝土襯砌完成後豎井之 內徑分別為6 0m及6 5m 各豎井之尺寸及開 挖方法詳表1 1 3 二二號號豎豎井井增增闢闢工工作作面面施施工工安安排排 3 1 開開挖挖面面配配置置 圖圖2 雪山隧道透視圖雪山隧道透視圖 表表1 雪山隧道豎井基本資料雪山隧道豎井基本資料 豎井別 深度 m 直徑 m 開挖工法 開挖時間 年 月 進氣井 480 226 0 昇井沉挖 混合工法 2003 07 2004 10 1 號 豎 井 排氣井 500 946 0 昇井沉挖 混合工法 2003 06 2004 09 進氣井 237 946 5 沉挖工法 1998 03 1999 11 2 號 豎 井 排氣井 248 666 5 沉挖工法 1998 03 2000 01 進氣井 438 216 0 沉挖工法 1996 02 2002 09 3 號 豎 井 排氣井 458 946 0 沉挖工法 1996 01 2001 08 註 直徑為混凝土襯砌完成後之尺寸 依原設計構想 雪山隧道主坑除了南端 靠洞口段約800m採鑽炸法開挖外 其餘區段 採TBM施工 惟北上線TBM於1997年12月 開挖至里程38k 902時 因遭遇惡劣地質及 750L sec大量湧水 以致TBM遭掩埋損壞 經多方面檢討評估 決定北上線全線改採鑽 炸法施工 由於規劃之鑽炸法進度遠遜於 TBM開挖進度 為剋期於契約規定日期內完 工 乃從已開挖完成之二號豎井往北上線主 坑增闢工作面 1 其動線為從豎井底部打穿 通風機房至北上線主坑 並從北上線主坑分 圖圖1 雪山隧道主坑與導坑斷面配置圖雪山隧道主坑與導坑斷面配置圖 3 別往坪林及頭城向增闢工作面 如圖3之工 作面1 WF1 與工作面2 WF2 導坑自1991年7月開工至2001年底止 從南北兩洞口掘進之開挖長度共6 918m 僅 佔導坑全長 12 942m 之53 5 依當時之 地質資料推估 未開挖區段尚有石槽斷層及 16處較大之剪裂破碎帶 根據以往TBM之開 挖進度及經驗評估 如採原定計畫施工 工 期恐將延宕 因此決定亦由二號豎井增闢工 作面 其安排係從北上線主坑已開挖之里程 32k 844處開闢長62m之斜支坑進入導坑後 隨即分別往北口及南口向開挖 如圖3之工 作面3與工作面4 由於南下線主坑TBM於2002年12月開挖 至里程36k 440再度遭遇不良地質而受困 全線施工進度不如預期 為達如期通車目標 因此決定亦由二號豎井經由北上線主坑及聯 絡道 往南下線主坑進行頂導坑開挖 以利 後續TBM順利掘進 其施工動線係從已開挖 之北上線主坑分別經由 4車行聯絡道 12 及 14人行聯絡道往南下線主坑共增闢6個工 作面 如圖3之工作面5至工作面10 3 2 出出碴碴及及廢廢棄棄土土處處理理 從二號豎井增闢工作面 當初主要目的 為增加北上線主坑施工進度 以縮短工期 事實上北上線主坑以二號豎井為通道所累計 開挖之長度達3 023m 約佔北上線主坑全長 12 942m 之23 4 對雪山隧道整體進度 貢獻頗大 故本文有關施工安排之敘述大多 以北上線主坑為主 北上線主坑出碴之配置如圖4所示 2 開炸完成後之石碴先以大型輪胎裝土機運至 開挖面後方約150m附近之臨時堆碴處 待開 挖面之碴料清理完成後 再以裝土機搭配傾 卸車將臨時堆碴處之碴料運至進氣井底部之 臨時棄碴坑 並於棄碴坑設置轉碴設備及 6m3出碴吊斗一組 以挖土機將碴料裝進轉 碴設備之碴桶 再倒入出碴吊斗 如圖8之A 斷面圖 隨後以高速捲揚設備吊離井外 暫時棄置於井口附近之臨時堆碴場 並配合 圖圖3 二號豎井增闢工作面配置圖二號豎井增闢工作面配置圖 圖圖4 北上線主坑出碴配置圖北上線主坑出碴配置圖 4 頁碼統一由籌備處編訂 井外之挖土機及傾卸車將碴料運送至本隧道 南端之路工段作為路堤填築 3 3 汚汚水水處處理理及及抽抽排排水水系系統統 雪山隧道地下水量豐沛 從二號豎井所 增闢之工作面 其施工中之湧水或廢水須抽 排至井外排放 依規設階段資料推估本區段 將有約600L sec之累積湧水量 惟為考量本 工程抽水系統及汚水處理之負荷 設備能量 以300L sec規劃配置 另施工中則以灌漿或 其他方式將總湧水量儘量挖制在120L sec以 內 以保留應變空間 降低湧水災變以利隧 道開挖 北上線主坑所增闢的兩個工作面中 往 北口向之工作面因係上坡 坡度 1 254 排水方式係採重力式排水 先排至汚水初沉 池 再送往汚水處理設備處理 經處理過後 的水流經沉澱池 再放流至清水池 抽排至 井外 為降低汚水處理設備之負荷 另採清 水分流方式 將開挖面之湧水直接流放至沉 澱池 經沉澱後流放至清水池 如圖5所示 2 至於南口向之工作面因係下坡開挖 開 挖面之汚水及湧水均以抽水泵強制抽至汚水 初沉池及沉澱池 其餘之處理步驟與北口向 之工作面相同 經處理過的水則以4部 8 排水能力5m3 min 全揚程為270m的 渦輪泵 經由2條 12 之耐高壓鋼管抽排 至井外 至於坑道內汚水處理設備之汚泥則 經脫水機壓縮成泥餅後併開挖碴料運棄 為考量主排水系統維修或保養之需 原 先進行豎井開挖時之24部接駁式4 抽水泵 則予以保留 以作為輔助之用 同時為因應 12 耐高壓鋼管的維修與保養 另加裝1 條與之相同管徑之備用鋼管 通過旁通管及 閥與另2條鋼管連接 為預防突發性大量湧 水 渦輪抽水泵均設置於工作台上 工作台 面之高度約高出地面6m 如圖6所示 3 4 通通風風及及輸輸氣氣系系統統 從二號豎井所增闢工作面之開挖期間 因尚未與從南北兩洞口掘進之開挖面相貫通 故所有的通風與輸氣設備均需經由豎井與洞 外相連通 依據相關之規範並經由換氣量之 計算 北上線主坑決定採2組 1 4m之通風 管 分別通往北口向及南口向兩工作面 每 組之通風量約為1500m3 min 足夠正常狀況 下人員機具之取氣量 考量二號豎井之進氣 井主要作為出碴之通道 兩組通風管均安裝 圖圖5 排水平面配置圖排水平面配置圖 圖圖6 渦輪泵配置圖渦輪泵配置圖 5 於排氣井 通風管之材質為聚乙烯 彎頭處 則採用 1 4m之鐵製曲管 2部1500m3 min 之輸風機則置於排氣井口附近 輸風機之進 氣口則加防潮及防異物吸入設備 整體通風 系統之配置如圖7 2 本工程採用鑽炸法施工 且噴凝土為隧 道支撐主要構件 故開挖作業需仰賴空壓機 提供充足壓力之氣體以利施工 為考量隧道 內可能積水 空壓機房及儲氣桶均置於井口 地表面 以兩組4 鋼管輸氣以供開挖面使 用 3 5 出出碴碴及及機機具具 材材料料及及人人員員輸輸送送系系統統 北上線主坑所增闢的兩處工作面 預計 每日約有653m3開挖碴料 鬆方 故出碴 作業甚為繁忙 為利於作業安排及工安方面 考量 決定專以進氣井作為出碴通道 而排 氣井則作為機具及其他材料之進出 兼安置 通風及排水等施工管線 3 5 1 出出碴碴設設備備 安安裝裝於於進進氣氣豎豎井井 暫置於開挖面附近之碴料以輪胎式裝土 機運至進氣井底部之臨時棄碴坑 由位於棄 碴坑之挖土機將碴料裝入轉碴設備之碴桶 再由碴桶卸入容量約6m3之吊斗 圖8 以 節省裝碴時間 並以高速捲揚機將吊斗之碴 料運出井外 位於井口的塔架裝設有翻轉設 備 吊斗沿此裝置翻轉 將碴料從瀉槽卸出 如圖9所示 碴料卸出後再將吊斗捲下至井 底裝碴 完成一循環所需時間約516秒 8分 36秒 2 3 5 2 機機具具及及材材料料輸輸送送 設設備備 安安裝裝於於 排排氣氣 豎豎井井 由於進氣豎井出碴作業忙碌 故機具材 料之進出及風管 水管 氣管等均安置於排 圖圖7 通風系統配置圖通風系統配置圖 圖圖8 進氣井底部臨時棄碴場進氣井底部臨時棄碴場 6 頁碼統一由籌備處編訂 氣豎井 為充分利用有效空間 排氣豎井之 工作台上層平面配置如圖7所示 本工程之噴凝土拌合場設於地表進氣井 井口附近 由拌合場設置輸送帶一組 運送 噴凝土乾拌料至排氣井井口附近 並裝填於 容量約2m3之吊運桶 該吊運桶以平台車運 送至井口 再以捲揚設備降至井底 由待於 井底之輪型裝載機或傾卸車運至開挖面施噴 隧道開挖所需之鋼肋 岩栓 鋼線網等材料 亦經由排氣井輸送 並與噴凝土共用相同的 吊運設備 有關井口附近地表之噴凝土及材 料輸送平面配置如圖10 2 3 5 3 人人員員專專用用吊吊籠籠 二號豎井於進氣井及排氣井各設置一部 人員吊籠 專供人員上下之用 每座人員吊 籠荷重為450kg 約可載運5名人員 鋼索平 均速度約為45m min 來回一趟所需時間為 14分鐘 於70分鐘內約可輸送50人 3 6 坑坑內內工工作作台台 為預留導坑作業空間及施作沉澱池等設 施 本工程於進氣機房及排氣機房分別架設 工作台 進氣機房工作台平面尺寸約6m x 14m 排氣機房因設有沉澱池等汚水處理設 施 工作台之平面尺寸約為35m x1 4m 工 作台由型鋼及鋼鈑所構成 其高度約為6m 工作台下方與導坑接鄰處則施噴20cm 25cm 厚度之噴凝土作為隔牆 如圖6 本工程 之工作台於隧道進行洞台降挖時則予以拆除 4 隧隧道道開開挖挖與與湧湧水水處處理理 由豎井增闢之工作面係採鑽炸法開挖 以輪胎式鑽岩機鑽孔 爆材採硝甘炸藥 並 以MS遲發非電雷管引爆 開炸後之碴料以 輪胎裝土機運至進氣機房之臨時棄碴坑 再 由捲揚設備出碴至井外 本工程僅進行上半 斷面開挖 待上半斷面貫通後 再接續由南 北兩洞口掘進之工作面進行台階及仰拱之降 挖 開挖區段之岩體分類大多屬第 類 其主要支撐構件為噴凝土 鋼線網 岩栓及 鋼肋 於地質不良處再輔以先撐鋼管等支撐 為避免施工中大量湧水引發災變及考量 排水設施之容量 本工程規定於湧水區域須 施以灌漿儘量控制總湧水量在120L sec以內 灌漿係採水玻璃系列化學灌漿 以雙管複合 式灌注 注漿內管採單封塞式 且每1m鎖定 封塞 灌漿步驟採跳孔由內往外施灌 使漿 體交互連結 灌漿壓力介於0 20kg cm2之 間 藥液之膠凝時間約在2 300秒範圍 並 視地質狀況及湧水量大小由工程司指示調整 本工程南口向工作面於通過倒吊子向斜 處 里程約33k 614 時 曾發生大約100m3 之抽坍及80L sec之湧水 由於本工作面係下 坡施工 因此開挖面聚集大量積水 開挖進 度受阻 經施工單位增加抽排水設備及進行 止水灌漿 並以縮小輪進長度及加強隧道支 撐後 始順利通過此地質不良區段 為預防隧道突發性大量湧水 開挖面前 圖圖9 進氣井口之棄碴設備進氣井口之棄碴設備 圖圖10 井口地表面噴凝土及材料輸送平面配置圖井口地表面噴凝土及材料輸送平面配置圖 7 方除鑽設長約20m之探查孔以探測前方之地 質及地下水狀況外 施工中並隨時檢視岩栓 及支撐鋼管鑽孔之出水量 工地工程司並於 每輪進施工前加強開挖面之地質記錄 施工 過程中如遭遇異常大量湧水時 其處理步驟 如圖11所示 2 5 緊緊急急逃逃生生警警報報監監視視系系統統 本工程緊急逃生警報系統係由監視系統 與緊急逃生警報系統兩部分所組成 監視系 統中包含閉路電視 CCTV 設置於開挖 面附近之水位監視系統及設置於隧道內的火 災等緊急事故逃生系統可通過監控中心之自 動控制盤 CP 1 進行監控 此外在主辦公 室內亦設置另一塊自動控制盤 CP 2 可 作為監視工地現場狀況的第二緊急逃生報警 監視系統 本工程緊急逃生警報監視系統之 示意圖如圖12所示 2 5 1 水水位位監監視視系系統統 水位監測系統的檢測器設置於距開挖面 約50m之位置 隨時將檢測數據傳送至監控 中心自動控制盤 自動控制盤依據水位偵測 數據 將指令傳送至頭城向開挖面 下坡 的4列 6 排水管道系統 6 x 8台抽水 泵 控制該系統的水泵運轉 距離開挖面 最近安全範圍內之頂拱架設監視器 並將影 像直接傳送至主控室 此外 當水位監測器 偵測出規定值以上湧水量 異常出水 時即 向緊急逃生報警系統傳送指令 使報警蜂鳴 器及旋轉指示燈發出警訊催促隧道內作業人 員緊急逃生 5 2 緊緊急急逃逃生生警警報報系系統統 為使隧道內作業人員於隧道發生火災等 緊急事故時能迅速逃離現場 北上線主坑及 豎井機房坑道內每隔100m設置帶有紅色指示 燈的緊急按鈕 每隔200m設置一警報蜂鳴器 及旋轉指示燈 隧道內作業人員一旦發現隧 道內發生火災時 立即啟動緊急警報按鈕 該信號立即傳送至自動控制盤 CP 1 啟 動警報蜂鳴器及旋轉警示燈 催促隧道內作 業人員立即逃生 除此之外 隧道內每隔 100m各設置一盞逃生方向指示燈及逃生機具 指示燈 為使逃生及救護能夠迅速進行 防 止運輸車輛事故發生 緊急逃生警報監視系 統的電源由設置於排氣井底部的變電所照明 配電盤提供 本工區共有4部緊急發電機 兩部為1500KVA 一部為500KVA 另外一 部為300KVA 總容量共3800KVA 停電時 主要則由該2部1500KVA發電機 3 1500KVA 3 3KV 提供所需電量 5 3 有有害害氣氣體體監監測測系系統統 每一開挖面附近固定設置瓦斯偵測器 以隨時檢測瓦斯含量 開挖作業前 檢測人 員須攜帶氣體偵測器至工作面進行檢測確認 此時檢測人員另攜帶接在緊急警報系統緊急 迴路末端 靠開挖面 的移動式緊急警報按 鈕 電線長度約100m 若發現情況時 可 立即啟動警報系統 5 4 閉閉路路電電視視系系統統 閉路電視 CCTV 系統是以監視隧道 內的作業情況 以確保人員作業安全 並掌 握機具設備的運轉狀況 北上線主坑共設置 五處監視器 其位置及監視區域如表2 2 6 開開挖挖進進度度統統計計 緊急通報全力抽水 導水分離 止水措施 灌漿 埋設引水管 檢驗成果再次灌漿止水任務完成 暫時撤離 人機 圖圖 11 開挖面大量湧水處理步驟開挖面大量湧水處理步驟 圖圖12 緊急逃生警報監視系統示意圖緊急逃生警報監視系統示意圖 8 頁碼統一由籌備處編訂 二號豎井增闢北上線主坑工作面 自 2000年5月初分為北洞口向及南洞口向二工 作面進行 由於工作面深入地表下250m 且 表表2 監視器設置位置及監視區域監視器設置位置及監視區域 位置編號監視區域 進氣井 底部 No 11 裝設於井內平台上方 向下監視 人籠下降到達點及扶梯狀況 2 向下監視及檢查上下扶梯人員進 出狀況 排氣井 底部 No 21 各種材料裝卸安全監視 2 監視人籠到達及上下扶梯人員進 出狀況 排氣井 底部 No 3監視 8 渦輪抽水泵蓄水池作業 狀況以確保工地不淹水 坪林向 開挖面 No 4監視開挖面作業狀況 頭城向 開挖面 No 5監視開挖面作業狀況 表表3 從從二二號號豎豎井井增增闢闢工工作作面面開開挖挖長長度度統統計計表表 隧道別工作面 完成長 度 m 合計長 度 m 往北洞口 1 489 北上線 主坑往南洞口 1 534 3 023 往北洞口 802 導坑 往南洞口 519 1 321 由 12 人行橫坑往北 口 136 由 12 人行橫坑往南 口 272 由 4 車行橫坑往北口 376 由 4 車行橫坑往南口 230 由 14 人行橫坑往北 口 150 南下線 主坑 由 14 人行橫坑往南 口 91 1 255 總計長度 m 5 599 所有施工動線 如出碴作業 人員材料進出 風管 氣管 水管等皆需經由豎井 施工初 期因設備未臻完善 作業不甚熟稔 加以二 工作面相距太近 故進度較為緩慢 經由機 具設備的