曾文水库越域引水计画隧道TBM工程

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1、曾文水庫越域引水計畫隧道TBM工程困難地質處理陳昭旭1陳奎秀21國立成功大學資源工程學系，教授2中興工程顧問股份有限公司，工程師摘要隨著山岳隧道功能需求與施工的演進，在隧道開挖之工法中，已有大斷面、自動化之高功率機具發展。但台地質複雜多變，且隧道工程中採用TBM（全斷面隧道鑽掘機）於山岳隧道內的案例不多，目前成功更僅有2例，如在地質惡劣段未及時正確研判與處理，即會造成TBM鑽掘夾埋或湧水受困狀況，影響隧道工進與安全。本文將以TBM鑽掘的曾文水庫越域引水工程案例，來探討說明該案例遭遇崩落性岩盤時，所做的相關處理方法，以供日後類似工程之參考。前

2、言有關TBM（全斷面隧道鑽掘機）工程在台灣山岳隧道成功案例中並不多，原因於台灣地質多變複雜，不易掌握前方正確地質狀況，尤其以密閉形式機型，更會因無法直接目視前方開挖面地質條件來判斷，在有限條件下，只能以TBM機械數據及TBM前方地質探查來做判斷、分析，因此如何掌握開挖的地質性質，以有限的地質資料來進行最有效率的鑽掘，以最迅速且最有效的輔助工法來進行處理各種特殊地質狀況，提升掘進效率，是格外的重要。曾文水庫越域引水計畫隧道TBM工程案例TBM工程簡介本文曾文水庫越域引水隧道工程，全長14388.6m，含東引水隧道及西引水隧道。其中東隧道西段採用

3、TBM隧道工法。東隧道西段採用TBM隧道工法，內徑5.46公尺之圓形斷面機型以單盾型泥水加壓式TBM來掘進，主要功能設備為掘進系(TBM)、泥水循環系統、環片組裝系統、材料輸送系統、灌漿系統及前進地質探查鑽孔，預計規劃掘進長度為4~6km。工程平面配置圖TBM設備圖工程地質東隧道西段地質以砂岩及地質頁岩為主，前方2km將遭遇老人溪向斜與老人溪背斜。此地帶可能會遭遇大量湧水及有害氣體湧現。經過褶曲段後，約4km處隧道將通過高岩覆地層，其最深岩覆約1,300m，極可能遭遇擠壓性地盤及高地溫狀況。TBM受困TBM受困原因分析本段TBM工程，發生主要

4、原因於在掘進1622.5m之長度時，發現前後盾身遭岩盤外力影響遭束縮而無法推進，在以50000kN之最大總推力推進下，仍無法使TBM推進，檢查後發現切削面盤並並無被岩盤夾埋，是可以動作，但盾身卻無法向前推進，後續採取將盾身外圍以高壓水沖洗、灌注滑材、調整中折角度、調整前撐後撐千斤頂、追加千斤頂等多種方式進行脫困，但仍無法使TBM脫困掘進。據推測研判為前胴及後胴摩擦力過大所造成的。為了減輕摩擦力，檢討後決定使用上部擴挖的方式、以導坑開挖至切削刀頭上部的方式來解決TBM受困之情形。TBM受困區域之地質分析TBM在受遇受困位置後前方開挖面地質狀況，

5、發現是砂岩及頁岩互層，且頁岩表面呈現出破碎狀態，層面位態於開挖方向為往前傾斜（與水平方向交角40°方向），且確認到開挖面有崩落情形。且TBM與岩盤間隙狀況也已無間隙，切削刀頭周圍及前後盾身已全部被破碎岩盤所覆蓋及填塞，因此最後在開挖面確認中，研判為軟硬岩盤相互夾層且破碎產生岩盤磨擦力大於機體摩擦力，造成TBM掘進時摩擦力過大，而無法掘進。TBM上部擴挖開挖施工由於TBM遭遇束縮無法推進後，怕機體停留時間過久，造成切削刀盤及機身遭受更嚴重的擠壓。為了減少摩擦力，本案針對上部擴挖的方式、以側導坑開挖至切削刀頭上部的方式等施工方法進行了檢討，決定以

6、上部擴挖方式來解決TBM受困問題。一、準備工作1、作業平台之整備2、環片岩栓的打設作業及環片拆除作業3、TBM週邊地質調查(於TBM周圍取岩心)1、作業平台之整備2、環片岩栓的打設作業及環片拆除作業為補強未拆除之環片斷面的穩定性，使用岩栓(補強來穩定環片的支撐性)3、TBM週邊地質調查(於TBM周圍取岩心)為了解TBM無法掘進之原因以及掌握上部擴挖施作時的岩盤安定性之目的，將依下圖所示在機體上部週邊實施各種地質調查(取岩心20～10m)，以掌握包括前方開挖面在內的TBM機體週邊之地質狀況。二、漸變段及標準段開挖及支保作業1、漸變段及標準段開挖

7、2、先撐工法作業3、TBM再掘進之開挖面保護對策4、上部擴挖回填作業五、結語此次TBM受困事故是事前無預料之情況下發生的，經過機體周邊的地質調查、分析資料所得到的結論，主要原因為機體摩擦力急遽上升所造成的，為岩盤崩弱及碴料阻塞空隙處，而使開挖空隙的效果減少，造成大於機體過高之摩擦力，但是對於在短時間內摩擦力急遽增加之現象，應該也無因岩盤的較大荷重作用所造成的可能性。有此案例可知，山岳隧道所不確定因素是很多無法預期的，在其他案例的TBM在遭遇不良地質後，有許多是耗費了幾個月的時間在進行對策及處理，如此的耗費是很可觀的，此次案例雖以3個月的時間得

8、以順利成功完成脫困處理，但如何避免本案TBM未來可能遭遇到地質條件不良之向斜、背斜及高岩覆段等特殊地質，且不同地質因應對策及規模、工期皆有極大的差異，所以須審慎評估