王建智

(中興工程顧問(wèn)股份有限公司，臺(tái)北)

0 引言

傳統(tǒng)上對(duì)于全斷面隧道鉆掘機(jī)(TBM)的掘進(jìn)速率，以采國(guó)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(guó)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(shí)際運(yùn)用上，Wang［2］于菲律賓無(wú)米樂(lè)—安佳越域引水隧道設(shè)計(jì)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(shí)程分析法，推估進(jìn)度，本文于工程完工后將實(shí)際掘進(jìn)間之進(jìn)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(jì)畫概述

1．1 計(jì)畫目的

本工程屬第二期安佳供水優(yōu)化發(fā)展計(jì)畫，目的為增加安佳水庫(kù)對(duì)大馬尼拉市的原水供應(yīng)，將位于水庫(kù)集水區(qū)外之無(wú)米樂(lè)河(Umiray River)流入太平洋之多余水源，藉由引水隧道導(dǎo)入水庫(kù)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(wú)米樂(lè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)區(qū)域?yàn)槲挥诟叨鹊卣鸹顒?dòng)范圍之始新世晚期的火山集塊巖，強(qiáng)度約45 MPa，以及隧道起始段(麻瓜河側(cè))之玄武巖(強(qiáng)度達(dá)150MPa)，與后段(無(wú)米樂(lè)河側(cè))之石灰?guī)r(強(qiáng)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(dá)1 200 m。

圖2 地質(zhì)剖面圖Fig．2 Geological profile

2 設(shè)計(jì)與施工

2．1 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)工作由臺(tái)灣的中興工程顧問(wèn)社領(lǐng)銜，與意大利C．Lotti．及菲律賓當(dāng)?shù)仡檰?wèn)DCCD組成顧問(wèn)團(tuán)，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(jì)(包括強(qiáng)度及相應(yīng)強(qiáng)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(xiàng)亞洲開發(fā)銀行集資之工程契約，以14億零9百萬(wàn)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(jìn)施工

自開工起始日起，即因土地取得等甲方因素，使工地準(zhǔn)備工作遲遲無(wú)法動(dòng)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(gè)月的7個(gè)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(kù)水位低至原訂沿水庫(kù)上朔航程23 km，再銜接4．5 km施工便道，用來(lái)載運(yùn)之平底船無(wú)法作用。為使延遲不再惡化，承包商改以11 t直升機(jī)載送TBM，支持系統(tǒng)、機(jī)車頭、環(huán)片鋼模、生產(chǎn)設(shè)備、推土機(jī)乃至卡車至西洞口發(fā)進(jìn)基地，并于1998年2月完成發(fā)進(jìn)準(zhǔn)備作業(yè)，此時(shí)已較原定工期晚了6個(gè)月，斯時(shí)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(jī)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(jìn)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(jìn)期間平均月進(jìn)度540 m佳績(jī)(扣除涌水抽坍與夾埋之停機(jī)時(shí)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(zhǎng)1．3 m，厚度20 cm之六角型無(wú)螺栓接合預(yù)鑄混凝土環(huán)片，較原設(shè)計(jì)之1．2 m長(zhǎng)，以減少環(huán)片總數(shù)加快進(jìn)度，契約內(nèi)允許承包商選用鋼筋或鋼纖維加強(qiáng)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(gè)0．65 m之機(jī)械推進(jìn)沖程與4次的撐座(gripper)復(fù)歸(regrip)，使無(wú)論在僅靠撐座施力就足夠提供掘進(jìn)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(jìn)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(jìn)度與停機(jī)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(zhǎng)度44 m，機(jī)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(jìn)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(shì)，以盾尾千斤頂，用超過(guò)40 000 kN推進(jìn)力，頂擠后方環(huán)片前進(jìn)，本次抽坍總計(jì)費(fèi)時(shí)41d。

第2次抽坍發(fā)生于1999年11月，系盾首進(jìn)入淺覆蓋之石灰?guī)r層中之?dāng)鄬訋В?jì)費(fèi)時(shí)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(tái)，數(shù)日水勢(shì)略減，得以于TBM支持系統(tǒng)加裝兩部抽水機(jī)，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(fèi)時(shí)達(dá)48d。

1998年12月11日，遭遇涌水后未久，于里程6K+131首次于堅(jiān)硬玄武巖層中發(fā)生擠壓，因而原設(shè)計(jì)預(yù)期之10 cm收斂量所制造之14 cm TBM超挖量已然無(wú)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(jì)，得由尾盾與伸縮盾間利用勻滑開炸將TBM脫困，總計(jì)僅耗費(fèi)31 d處理30 m長(zhǎng)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(zhǎng)達(dá)175 m隧道，最快擠壓速度于2 h內(nèi)超過(guò)37 cm，配合樹酯前進(jìn)灌漿處理遭遇的土層。

圖4 TBM每周進(jìn)度與停機(jī)原因匯總圖Fig．4 Advance length per week of TBM and its stopping reason

3 掘進(jìn)效率回饋分析

3．1 TBM機(jī)械性能回饋

設(shè)計(jì)階段基于成本考量，于招標(biāo)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(biāo)文件內(nèi)對(duì)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(dòng)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(píng)估后，將二段式電動(dòng)馬達(dá)提升為變頻式無(wú)段變速馬達(dá)(0～9 r/min)，削刀頭采用6座315 kW馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，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(jìn)速度8m/h。

3．2 TBM掘進(jìn)速率回饋

設(shè)計(jì)階段采用國(guó)際間極受信賴之University of Trondheim發(fā)展的掘進(jìn)速率經(jīng)驗(yàn)式，將全線分為3種圍巖形態(tài)，推算各類圍巖中之月進(jìn)度，其結(jié)果如表2所示。

表2 掘進(jìn)速率推算參數(shù)表(實(shí)際平均月進(jìn)度540 m)Table 2 Calculation parameters of advance rate

其中B，C之時(shí)貫入率因受限于TBM之削刀頭推進(jìn)千斤頂速率(10 cm/min)，故時(shí)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(shí)間，其與上述各參數(shù)之關(guān)系為:

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

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

4 結(jié)論

由實(shí)際掘進(jìn)中平均月進(jìn)度540m，與設(shè)計(jì)時(shí)推算平均月進(jìn)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(jì)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(jìn)速率由6 m/h提升為8 m/h)，故實(shí)際月進(jìn)度略高于推估進(jìn)度亦屬合理。

顯見采用University of Trondheim發(fā)展的掘進(jìn)速率經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算削刀磨耗量，再結(jié)合循環(huán)作業(yè)時(shí)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(jìn)速率，供爾后于菲律賓國(guó)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．