開放式半機械潛盾機 於卵礫石層隧道之應用

-以三義自來水洞道工程為例

台灣世曦中辦處  林清吉  正工程師、鄭嘉仁  土木技師、鄧建華  資深協理

台水中工處  王傳政  處長

一、前言

潛盾施工應用於國內各重大工程其技術已非常純熟，然採開放式半機械潛盾機，則尚為少見。本文將以台灣自來水公司三義潛盾隧道工程為例(圖1)，概述此工程之施工效益、施工中遭遇各種障礙之解決對策，提供未來在類似地層條件工程之參考，期提升國內潛盾隧道工程施工技術。

圖1工程位置平面示意圖

二、潛盾機型選用評估

本潛盾隧道，全長1,416公尺，隧道外徑3.6公尺，全線位於三義水美街道路下方(覆土深約5.5〜26公尺)，沿線地層分布，主要以卵礫石層為主，最大粒徑達60公分以上，如選用密閉式潛盾機面盤進行掘進，施工中可能遭遇大礫石或塊石，造成切削刀刃過度損耗，需經常更換刀刃與維修面盤(以台中地區卵礫石地層施工經驗，約250公尺即需更換與維修一次)，惟考量工程沿線商家民意及無適當位置設置工作井，以進行更換切刃，且本潛盾隧道沿線，位於常時地下水位以上，土石在無地下水干擾時，自立與膠結性良好，遇大礫石可將前方挖斗置換成具破碎功能手臂，將其破碎後運離開挖面，故選用較符實際需求之『開放式半機械潛盾機』施工。

在安全性方面，本開放式半機械潛盾機之盾首刃口，採一斜遮簷並加裝防落石裝置，可確保前方作業人員安全，並於盾首處設置一擋土板，掘進中如有土石抽坍情形，可立即將擋土板張開，以防止抽坍擴大。

在經濟性與施工性方面，本開放式半機械潛盾機與密閉式潛盾機相比較，造價僅約65%，潛盾機製造時間大幅縮短約6個月，隧道開挖期間，搭配預鑄環片組裝，平均掘進長度可達4公尺/每工作天，顯示具相當優勢(詳表1)。

表1 潛盾機型選用比較表

三、施工遭遇障礙與解決對策

1.開挖面大塊石

本潛盾機原設計以排土螺旋桿將土石排出，惟掘進初期，發現大於30公分以上礫石，無法直接以螺旋桿自然排送至後方台車，為利後續掘進工進，遂將排土螺旋桿置換成輸送帶，以加速排土速度兼可輸送較大尺寸之塊石。

掘進一段時間之後又發現，受限於潛盾機設備斷面配置，輸送帶僅能自行輸送粒徑60公分以下塊石，超過60公分以上之巨大塊石，則需輔以下列方式處理：(1)將潛盾機掘進挖斗，換裝成具破碎功能手臂，於挖掘同時將大塊石破碎分解；(2)形狀屬扁長型之塊石，可利用環片組立機旁空間裝設滑軌，吊運滑移至後方台車，無須進行破碎分解；(3)粒徑超過70公分以上之巨石，則輔以人工鑽孔敲打劈裂，再吊運至後方土石台車。藉由以上不同的處理方式，以加速大塊石運離、減少開挖面閒置時間(詳圖2)。

圖2 大粒徑塊石處理方式

2.開挖面抽坍

本潛盾隧道掘進過程中，發生多次土石抽坍，主要原因為：(1)道路下方自來水管漏水；(2)道路側溝破損漏水；(3)穿越地層間阻水層造成湧水，導致開挖面土石崩坍。當發生抽坍時，施工人員先退避至開挖面後方，俟崩坍情形穩定後，即進行擋土封板、支撐及上方土石固結灌漿等作業，以防止抽坍繼續擴大。為能確保鬆散土石得以固結良好，於開挖面前方佈設4至5支自鑽式岩栓(每支長3M)，再進行固結灌漿作業，當固結土石達一定強度後，即可再繼續鑽掘。於整個隧道掘進期間，視開挖面滲水及土石自立性，於必要時重複上述作業，至通過土石穩定之區域。另外，為預先瞭解崩坍處前後區域地層有無空洞情形，減少崩坍後打設岩栓、固結灌漿之時間耗費，輔以透地雷達進行探測(詳圖3)，如發現地盤鬆散則採以低壓灌漿，填充地層中孔隙、強化地盤強度，確保後續潛盾掘進順暢。

圖3 開挖面前方固結灌漿、透地雷達探測成果

3.開挖面滲水

經由前述各次開挖面滲水造成抽坍之施工經驗，研擬預先處理方案，於開挖面前方採地電阻探測地層，如有濕潤區域或散亂分佈阻水層(如凸鏡體等)，則預先採低壓地盤改良灌漿。而針對道路側溝，則全線以CCTV檢視，探查溝底有無破損並進行修補止漏(詳圖4)。

圖4 地電阻探查及CCTV檢視

四、結語

本案為目前國內於卵礫石層採開放式潛盾機施工口徑最大之隧道，施工期間，雖遭遇各項障礙，但經適時滾動檢討採取各種輔助措施，終能順利克服，並於110年2月22日全線貫通(詳圖5)。經統計結果，潛盾掘進時，開挖面如無地下水或較大塊石，單月掘進長度曾達103公尺(平均為4.3公尺/每工作天)；反之若受影響，潛盾掘進長度曾降至單月10公尺，故建議後續於卵礫石地層採用本工法施工時，宜預先探測地層間含水及道路側溝破損情形，預擬袪水或止水灌漿或其他緊急處置方案，以期充分發揮本工法之優勢。

圖5 隧道貫通合影留念