丘琳濱，蕭富元，俞旗文，鄒漢貴，劉俊杰

(1．中興工程顧問社，臺(tái)北;2．水利署南區(qū)水資源局，屏東)

0 引言

臺(tái)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(jìn)行水資源調(diào)度運(yùn)用，乃于2005年正式推動(dòng)曾文水庫(kù)越域引水計(jì)畫。本計(jì)畫系基于臺(tái)灣南部主要河川—高屏溪有豐沛之水資源，但缺乏蓄水設(shè)施，其徑流之利用率僅12%，遠(yuǎn)低于臺(tái)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(tái)灣目前最大庫(kù)容水庫(kù)—曾文水庫(kù)蓄存運(yùn)用。

曾文水庫(kù)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(shè)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(kù)蓄存，如圖1所示。其中東引水隧道則長(zhǎng)約9 628 m，最大巖覆深度達(dá)1 300 m，超過800 m深之長(zhǎng)度亦達(dá)2．9 km，預(yù)估隧道沿線可能遭遇斷層、褶皺、地?zé)?、有害氣體及地下水等困難地質(zhì)挑戰(zhàn)，故自1994年起，至2004年間，針對(duì)上述課題進(jìn)行一系列之探查與評(píng)估，包括衛(wèi)星遙測(cè)影像、地表地質(zhì)踏勘、地電阻探測(cè)、地質(zhì)鉆探、現(xiàn)地及室內(nèi)試驗(yàn)等。在地質(zhì)鉆探部分，整個(gè)計(jì)畫共施作47孔之探查孔，鉆探深度達(dá)7 189 m，其中東引水隧道沿線鉆孔共計(jì)21孔，總鉆孔深度達(dá)4 778 m，西引水隧道共計(jì)18個(gè)鉆孔，總鉆孔深度達(dá)2 171m，與隧道長(zhǎng)度之比值皆超出0．5，高于一般平均標(biāo)準(zhǔn)(臺(tái)灣平均值約為0．18，美國(guó)平均值約為 0．3)［1］，參見圖 2。

自20世紀(jì)70年代起，鉆炸法(D＆B)已廣泛應(yīng)用于臺(tái)灣山岳隧道施工。鉆炸法具較大之施工彈性，因應(yīng)不同地質(zhì)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(jìn)調(diào)整等，故適用于困難或多變之地質(zhì)狀況。但隧道鉆炸法施工速率普遍較慢，臺(tái)灣一般山岳隧道鉆炸之月平均速率在50～60 m，僅少數(shù)個(gè)案單月速率可達(dá)100 m，此緩慢之施工速率對(duì)于長(zhǎng)隧道施工工期影響甚巨，對(duì)于限期完工之工程具甚大之風(fēng)險(xiǎn)，反之TBM施工隧道則具有較佳之掘進(jìn)速率，臺(tái)灣新武界引水隧道曾創(chuàng)下單月659．3 m之最快掘進(jìn)速率紀(jì)錄［2］。因此對(duì)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(kù)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(jìn)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(kù)越域引水計(jì)畫之關(guān)鍵工程，且東引水隧道西段之地質(zhì)較東段為佳，故東引水隧道西段乃采用TBM掘進(jìn)，以縮短工期，至于地質(zhì)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(kù)越域引水計(jì)畫隧道工程位置圖Fig．1 Layout of Twsengwen Reservoir Transbasin Water Diversion Project:tunnel engineering

有關(guān)曾文水庫(kù)越域引水隧道TBM施工段之地質(zhì)狀況、TBM機(jī)型評(píng)估、機(jī)具設(shè)備、前方地質(zhì)支撐研判、實(shí)際施工遭遇問題與因應(yīng)對(duì)策等，茲分述如下。

圖2 曾文水庫(kù)越域引水隧道鉆探總深度與隧道長(zhǎng)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(zhì)

隧道沿線所遭遇之地質(zhì)為臺(tái)灣西部麓山帶中新世之沉積巖層，主要之巖性包括泥質(zhì)塊狀砂巖、頁(yè)巖及砂頁(yè)巖互層等，既有資料顯示巖石單壓強(qiáng)度均未超過200 MPa，輕度變質(zhì)之硬頁(yè)巖僅出現(xiàn)于采鉆炸施工之東引水隧道東段。由于隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，沿線經(jīng)過數(shù)處地質(zhì)構(gòu)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(zhì)縱剖面如圖3所示。

隧道施工可能遭遇之困難地質(zhì)與施工風(fēng)險(xiǎn)已在調(diào)查規(guī)劃階段進(jìn)行詳細(xì)評(píng)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(zhì)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(qiáng)度較高(超過100 MPa)且高巖覆應(yīng)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(gòu)造區(qū)，初步預(yù)估可能出現(xiàn)之瞬間涌水量達(dá)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(jì)錄，規(guī)劃階段多處地質(zhì)探查孔亦曾偵測(cè)到有害氣體(包括 CO及CH4)，顯示有害氣體逸出亦為施工需關(guān)注之課題。

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

2 TBM機(jī)型評(píng)估

2．1 機(jī)型選擇考量

TBM已廣泛應(yīng)用于巖石隧道工程之掘進(jìn)，因應(yīng)不同地層特性，選用不同機(jī)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(jī)型功能比較，亦有許多文獻(xiàn)可參考，例如Barla and Pelizza(2000)［5］及 Shahriar et al．(2008)［6］等。基本上TBM機(jī)型之選擇，需考量之因素甚多，包括地質(zhì)特性與風(fēng)險(xiǎn)、施工場(chǎng)所限制、承包施工經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)能力、成本效益、計(jì)畫施工時(shí)程等，其中地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)仍為關(guān)鍵之因素?；诘刭|(zhì)特性與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，曾文水庫(kù)越域引水隧道之TBM機(jī)型，乃采用泥水加壓?jiǎn)味苁絋BM，其主要評(píng)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(jìn)入TBM，影響施工安全。同時(shí)于TBM內(nèi)再安裝固定式氣體偵測(cè)器，隨時(shí)自動(dòng)監(jiān)控TBM內(nèi)有害氣體濃度，并搭配手持式氣體偵測(cè)器，由施工安全管制人員每天至少4次，偵測(cè)隧道內(nèi)各處死角是否有有害氣體之累積，提高施工安全。

2)對(duì)于開挖面自立性不佳或遭逢地下水滲出時(shí)，TBM機(jī)頭之泥水壓可提供約1．0 MPa之壓力，支撐掘進(jìn)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(nèi)時(shí)，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(shí)，則透過TBM之地質(zhì)探查鉆機(jī)，打設(shè)排水孔，進(jìn)行排水。

4)在遭遇高溫地下水或高地溫梯度時(shí)，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(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)單盾式TBM其推進(jìn)反力來自環(huán)片，在軟弱破碎地層中亦可持續(xù)掘進(jìn)。

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

2．2 TBM機(jī)具設(shè)備

曾文水庫(kù)越域引水隧道所采用之泥水加壓式TBM，其機(jī)頭盾身長(zhǎng)10．77 m，后方支持臺(tái)車總長(zhǎng)約108 m，開挖直徑為6．33 m。開挖面堅(jiān)硬巖層由TBM切削面盤上之6組標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)，體積質(zhì)量愈高之泥水可提供較佳之開挖面穩(wěn)定效果，惟相對(duì)泥水體積質(zhì)量過高，則會(huì)產(chǎn)生泥水輸送困難及輸送泵浦負(fù)荷增加，一般大致將泥水體積質(zhì)量控制于1．05～1．20。至于泥水運(yùn)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(jìn)長(zhǎng)度增加，并于中途安裝送泥泵浦及排泥泵浦，以維持管內(nèi)壓力與流量，另于排泥管前端裝設(shè)1座破碎機(jī)(rock crusher)，粉碎粒徑較大或片狀之巖屑，以避免排泥管堵塞。當(dāng)隧道掘進(jìn)突然遭逢高壓涌水時(shí)，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(xiàng)設(shè)備配置請(qǐng)參見圖5。

2．3 前方地質(zhì)研判與支撐評(píng)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(gè)環(huán)片組成，每個(gè)環(huán)片均設(shè)置1個(gè)抓舉孔，提供組裝機(jī)組立環(huán)片時(shí)抓舉之用。同時(shí)每個(gè)環(huán)片并設(shè)置1～2個(gè)灌漿孔，以作為背填灌漿之用。TBM支撐系統(tǒng)依不同地質(zhì)狀況分為3個(gè)等級(jí)，第1類支撐系采混凝土強(qiáng)度45 MPa之預(yù)鑄環(huán)片，第2類則為混凝土強(qiáng)度63 MPa之預(yù)鑄環(huán)片，第3類則除混凝土強(qiáng)度63 MPa之預(yù)鑄環(huán)片外，并再配合地盤改良工法。

至于開挖面前方地質(zhì)狀況研判與環(huán)片支撐等級(jí)評(píng)定，則藉由裝置于TBM機(jī)頭盾身內(nèi)之油壓鉆堡，進(jìn)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(dòng)紀(jì)錄各項(xiàng)機(jī)械資料，包括鉆堡活塞受壓面積、活塞行程、鉆孔速度、鉆進(jìn)距離、打擊壓力、扭力等。同時(shí)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(jìn)行出水量觀測(cè)與有害氣體偵測(cè)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(zhì)弱帶(如圖7所示)，作為施工因應(yīng)。其中鉆孔能量可以下述公式［7］計(jì)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(yàn)，鉆孔能量Ed與巖體單壓強(qiáng)度 σcm關(guān)系如下［8］:

式中:σcm為巖體單壓強(qiáng)度，C值為待定系數(shù)。由上述關(guān)系式可進(jìn)一步推估開挖面前方巖體強(qiáng)度，作為環(huán)片支撐等級(jí)評(píng)定依據(jù)參考。其中待定系數(shù)C值與鉆掘機(jī)械種類及其他鉆孔施作條件有關(guān)，本工程在TBM施工前，先于隧道鉆炸段進(jìn)行DRISS試鉆，藉由試鉆結(jié)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(píng)估之巖盤單壓強(qiáng)度、巖覆深度及水壓資料，分析計(jì)算選定所需之環(huán)片支撐等級(jí)［9］。

3 施工掘進(jìn)實(shí)務(wù)探討

山岳巖盤隧道采用泥水加壓式TBM施工在臺(tái)灣并非常見，本工程施工前雖已進(jìn)行一系列之評(píng)估與研究，惟由于本土經(jīng)驗(yàn)之缺乏，實(shí)際施工時(shí)仍遭遇許多預(yù)期之外問題。例如TBM面盤切削刀磨耗嚴(yán)重，切削刀頭更換頻繁，影響掘進(jìn)施作。同時(shí)隨隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度增加，排泥管長(zhǎng)度亦隨之增加，排泥管及排泥泵浦受碴料長(zhǎng)期磨耗，需經(jīng)常維修更換，否則易產(chǎn)生爆管問題，同時(shí)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(diào)配控管及開挖掘進(jìn)作業(yè)。整體而言，施工進(jìn)度不如預(yù)期，但截至2009年8月，TBM總掘進(jìn)長(zhǎng)度亦約達(dá)2．7 km，最高月掘進(jìn)速率亦達(dá)396 m。

另2008年9月8日TBM掘進(jìn)至1 078環(huán)時(shí)受困，施工廠商雖嘗試進(jìn)行許多方法，包括注入滑材降低摩擦力、加設(shè)千斤頂增加前進(jìn)推力及調(diào)整掘進(jìn)角度等，惟仍無法使TBM脫困。藉由開啟TBM機(jī)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(zhì)狀況，乃于TBM盾身內(nèi)施作6孔取心鉆探調(diào)查，鉆孔布置如圖8所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)TBM機(jī)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(yè)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(píng)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(kuò)挖工法，其施工步驟概述如下:

1)拆除TBM盾身后方頂端2對(duì)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(jìn)行環(huán)片之切割拆除。

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

3)以硅酸鹽樹脂(Silica Resin)進(jìn)行TBM切削面盤上方松動(dòng)區(qū)固結(jié)灌漿。并對(duì)前方地層施作12 m長(zhǎng)之AGF先撐加固。

4)TBM頂部擴(kuò)挖區(qū)灌漿回填，TBM盾殼則以鋪設(shè)帆布保護(hù)。

5)施作高強(qiáng)度噴凝度(45 MPa)，進(jìn)行拆除環(huán)片之復(fù)原作業(yè)。

6)重新激活TBM，恢復(fù)掘進(jìn)。

本次TBM受困事件，導(dǎo)致近4個(gè)月之工期延誤。為避免類似狀況再度發(fā)生，改善因應(yīng)對(duì)策包括:對(duì)于地質(zhì)不佳段，藉由標(biāo)尺切削刀角度調(diào)整，進(jìn)行5 cm之直徑擴(kuò)挖，并于TBM機(jī)體設(shè)置3組空隙檢測(cè)棒，以量測(cè)機(jī)體外殼表面至巖盤面之距離;另再于盾身內(nèi)加裝13臺(tái)千斤頂，可提供39 000 kN之前進(jìn)推力，增加后之總推力約為原有之1．78倍。

4 結(jié)語(yǔ)

曾文越域引水計(jì)畫之東引水隧道地質(zhì)復(fù)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(yàn)顯示，切削刀之嚴(yán)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(jìn)速率不如預(yù)期之主要因素。各項(xiàng)具體因應(yīng)對(duì)策陸續(xù)被探討與提出，包括切削刀材料品質(zhì)提升、排泥管前端之破碎機(jī)之破碎能力增強(qiáng)、加密排泥管檢查頻率、地質(zhì)不佳段TBM開挖直徑增加、前方地盤改良、TBM前進(jìn)推力增加等。

2009年8月莫拉克臺(tái)風(fēng)重創(chuàng)臺(tái)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(zhǎng)期停工后，TBM應(yīng)已因巖盤擠壓變形而再度受困，如欲恢復(fù)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(yàn)，應(yīng)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(zhì)探查——以曾文越域引水隧道為例［J］．地工技術(shù)，2008(117):47-58．

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

［3］ 中興工程顧問公司．曾文水庫(kù)越域引水工程計(jì)畫——隧道工程補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查試驗(yàn)及評(píng)估報(bào)告［R］．臺(tái)北:經(jīng)濟(jì)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(zhì)之調(diào)查與分析評(píng)估［J］．地工技術(shù)，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(zhì)探查之應(yīng)用［C］//第七屆海峽兩岸隧道與地下工程學(xué)術(shù)及技術(shù)研討會(huì)論文集．大連:巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)地下工程分會(huì)，2008:326-333．