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港 灣 部 正工程師 |
杜振宗 |
港 灣 部 組 長 |
丁金彪 |
港 灣 部 正工程師 |
張富吉 |
棧橋式碼頭為國內各港碼頭結構所常採用之型式，由於其穩定性、抗震性較佳，普遍用於深水碼頭，其座落地點均為砂土地質。而金門塔山電廠卸油碼頭採用棧橋式碼頭構造，主要因為受地到理現況環境限制，座落地點之海床為堅硬之花崗岩盤，上覆單薄之砂土層，基樁打入岩盤內3公尺以上，且基樁數量多達169支，於國內尚屬首例。設計上雖無問題，但於國內尚無施工前例及可用之施工機具，而鄰近國家也僅韓國之電廠碼頭曾於花崗岩上打設基樁，故本金門塔山電廠棧橋碼頭之實例，其施工之過程與問題之克服排解，值得為文研討。
台電金門塔山電廠建設，第一期之#1∼#4部機組於89年6月陸續發電商轉，第二期之#5∼#8部機組預定於91年11月完成發電商轉，其發電機組原規劃使用柴油發電，由於柴油發電成本過高，台電公司於87年8月18日報奉經濟部函准，將柴油發電變更為低硫重油發電，以節省發電成本，估計每月可節省2仟萬元之燃油費用。由於金門料羅港港埠設施及腹地不足以裝卸及貯存重油，且重油因含臘質成份較高，粘滯性較強易凝結，在長途輸送過程須隨時加溫防止凝固，既不安全且不經濟，故台電公司選擇於臨電廠北側海域興建卸油碼頭一座，供6,000DWT級油輪靠泊，並以管線將重油直接壓送至電廠內油槽貯存使用。塔山電廠碼頭位於金門島之西部海域，位置如圖一，碼頭結構型式採鋼管棧橋式，包括聯絡橋長185公尺、卸油平台乙座、靠船樁叢二座、繫船樁叢四座及人行橋等，佈置如圖二，伸入海中約達230公尺。
二、卸油碼頭構造型式選擇與設計
塔山電廠碼頭採用離岸式碼頭，為維持人車通行、管線佈設、維修等需要，以連絡橋與陸地銜接。一般離岸式碼頭構造型式可採棧橋式或沉箱式或鋼板樁圓筒式，須視工址地質情況而定。本塔山電廠碼頭依其配置需要、地質狀況及工址現況環境，以採棧橋式碼頭較為可行；而連絡橋構造型式可分棧橋式、陸堤式（拋石式、板樁重力式、混凝土方塊重力式），本工程之連絡橋構造型式，初期構想為節省工程費用、維護費及耐用年限考量，擬利用塔山電廠取水暗渠工程之拋石式施工圍堰做為連絡橋之一部分，後經研析後，本項構想將造成海岸之變遷及影響電廠取水水質，因而不予考量。後經綜合工址現況環境、電廠需求、地質概況等，連絡橋構造型式以採棧橋式構造為佳。
本塔山電廠碼頭設施工程依據研擬之碼頭、連絡橋構造型式及現況環境、設計規範、設計條件、自然條件等，配置如圖二、圖三、圖四。
本工程工址地層概況特性如下：地層依其特性可概分為2個層次。
(一) 海床沖積層
厚度在3.95∼18.35公尺之間，主要係由粉土質細砂含貝殼所組成。標準貫入試驗N值約在6∼70左右，變化頗巨，大部份在10∼26之間。
(二) 岩層
主要係花崗岩所組成。質地堅硬，色呈黑白色。抗壓強度在758∼1,747kg/cm2之間，平滑節理之摩擦角fm在41∼46度之間，而岩石靜彈性係數在311,300∼590,100kg/cm2之間，包生比在0.17∼0.24左右。工址地層柱狀剖面如圖五所示。
本碼頭工程之鋼管基樁設計為同時兼具抗壓與抗拉拔使用之支承樁，鋼管樁直徑分別為900mmf及1,000mmf，設計短期最大軸壓力為373T，最大拉拔力為213T，最大彎矩373T-M，鋼管與岩盤間容許摩擦力3.14kg/cm2。由於岩盤上之覆土層厚度由0公尺至18.5公尺不等，故需依靠基樁深入岩盤內固結成一體之握裹力，補足基樁表面覆土層之不足。因此，鋼管樁深入花崗岩岩盤內3公尺以上可符需求，並於鋼管基樁下端入岩部分之岩盤切削孔洞，直徑以大於鋼管基樁直徑20公分以上，並填灌以fc'＝310kg/cm2水中膨脹混凝土，將鋼管基樁與岩盤確實固結為一體。為增加鋼管基樁表面與混凝土間之握裹力，鋼管基樁外表面並增焊設棘齒，如圖六；為增加鋼管基樁之勁度，鋼管樁內部並填以fc'＝175kg/cm2混凝土；樁頭3.5公尺長部分，並填以fc'＝280kg/cm2混凝土及鋼筋籠使與棧橋上部結構結合，如圖七。
為達到設計需求，鋼管基樁之施工，首先需於岩盤切削範圍之外圍打設外套管至岩盤表面，阻擋覆土層進入岩盤切削洞內，並將外套管內之砂土等清除乾淨，再以鑽掘機組切削岩盤孔洞，以達到鋼管基樁埋設需要。
三、岩盤打樁工法研析
塔山電廠碼頭工址之岩盤地質屬花崗岩質，礦物組成及硬度分析結果其石英含量37%、長石56%、黑雲母7%，岩石推估摩氏硬度為6∼61/2。如依摩氏硬度長石為6、石英為7，其維氏壓入硬度分別為930kg/mm2、1120kg/mm2，而HRA石英硬度約為87.50。以國內工程於花崗岩上打鑿切削岩體直徑大於1公尺，且深入岩體內達3公尺以上者尚屬首例，同質岩體於亞洲地區之韓國電廠碼頭基樁工程有此實例。對於一般岩盤打鑿切削岩體之施工方法與機具，依目前可考且具實例者計有：鋼劈礫岩盤及卵礫石層打樁工法、鑿擊鑽掘打樁工法、全套管掘樁工法、反循環鑽掘工法等四類，各類施工法之機組設備也因機具製造廠商不同而異，但目的相同，四類工法原理及應用例概略如下：
(一)鋼劈礫岩盤及卵礫石層打樁工法
乃利用鋼管樁前頭銲裝特殊高強度鋼，並利用噴射水流，以振動打樁機把鋼管樁直接貫入岩盤中之施工方法。其基本原理是以噴射水流當作除去鋼樁先端部破碎岩粉之洗淨機能作用，至於岩盤之粉碎(樁的貫入)，是以振動打樁機帶動鋼樁本身擔任穿孔棒任務，直接削挖岩盤面之工法，其特性乃使鋼樁能克服岩盤之Qu值並能穿透為原則。本項工法使用於國內實例，大部份為卵礫石之鋼樁打設，尚可發揮其功能，惟如卵礫石層堅密者，其功率相對減低。對於使用於堅硬岩層之打樁實例，於國內雖有澎湖、金門兩地區之施工實例，惟澎湖地區之工區地質為風化之岩層，且入岩深度較淺僅約2m，故施工尚稱順利；而金門地區之施工例則無法發揮其功能，尚需其他補助工法協助施工，故本項工法使用於堅硬岩層之打樁施工，尚有待進一步突破。
(二)鑿擊鑽掘打樁工法
以鑿擊方式將樁基之堅硬地層或岩層破壞清除，而後將基樁植入之工法，為堅硬地質或岩層打樁最可靠之方法，目前此項打樁工法所發展之施工機具中最具功效者為潛孔鎚鑽，分多鑽頭與單鑽頭，使用上各有利弊，應視地層與岩層之構造而定。一般單鑽頭施工進尺速率較為緩慢，而多鑽頭施工進尺速率較快，一般使用於大口徑樁。國內單鑽頭小口徑(小於50cm者)之潛孔鎚鑽已是非常普遍，使用於鑿井、地錨工程…等，而大口徑之潛孔鎚鑽則尚未引進，惟於國外如香港、韓國、日本已有使用大口徑潛孔鎚鑽施工之實例，綜觀國內外堅硬地層或岩盤打樁之實例，本項工法對於堅硬地層及岩盤打樁之施工提供了較具可行之範例。
(三)全套管掘樁工法
以圓形刨削樁將樁圍之堅硬地層或岩層刨削剝離，再以岩石鑿鯊魚頭，將管內之堅硬地層或岩層破壞清除，最後將基樁植入之工法。國內大口徑基樁之打設，採用全套管掘樁工法施工不在少數，故本項工法提供了堅硬地層打樁工法另一項選擇。依其國內、外施工實例，使用於卵礫石層或間夾岩層較多，專用於厚實堅硬岩層之施工實例則較為少見。
(四)反循環鑽掘工法
使用反循環鑽機裝置岩石螺旋鑽或取岩桶，利用底部極為堅硬之齒狀鑽頭破壞緊密之卵礫石層或岩盤。本項工法，岩石螺旋鑽一般使用於軟岩或單壓強度小於300kg/cm2之岩盤，而取岩桶則使用於硬質或單壓強度大於300kg/cm2之岩盤。岩石螺旋鑽依其構造做為堅硬岩盤之鑽掘可能較難發揮其功能，而取岩桶則與全套管掘樁工法類似。使用反循環鑽掘工法，對於1公尺以上大口徑之岩盤切削鑽掘，其機組國內目前可供應用者可能較難尋覓，且其功效尚待實際施工印證。對於反循環鑽掘工法，德國維爾特(WIRTH)將傳統機組改良為套管頂置岩石鑽樁機套(CASING TOP PILE BORING RIG)，將鑽頭改為碟型鑽頭，成功地克服堅硬岩盤地層之鑽掘，該項鑽掘機具使用於香港九龍車站基礎打樁工程，樁徑1.2m∼2.5m，該施工區域岩盤之抗壓強度超過50MPa，已成功的將樁施打完成。而該公司技術人員也曾至台灣瞭解金門花崗岩打設鋼管樁使用其機組之可行性，僅表示可使用，惟鑽掘進尺速度將較為緩慢，約每小時30cm。
四、本工程岩盤打樁過程
本工程之鋼管基樁施工，依政府採購法規定不得限制承包商之基樁打設施工方法與機具，僅能於圖說特別提示工址之地質狀況，供承包商選擇有利之施工方法與機具。承商提出以三菱全旋回式鑽機MR-200R做為鋼管基樁打設主力施工機組(如照片一)，依據其機具特性，可以切削單軸壓縮強度1,500kg/cm2之轉石，以及單軸壓縮強度達2,300kg/cm2之花崗岩，施工口徑可達f1000mm∼f2000mm，本工程之基樁口徑及花崗岩Qu值正介於其可施打之範圍內。然承包商使用一般土木用鑽頭材質之掘削刀組，其HRA硬度僅在83.0∼89.5之間與花崗岩之HRA硬度相當，於經達一個月餘之施工，僅勉強完成四支基樁，印證全套管掘樁工法之鑽管刀組若使用一般材質，則對於堅硬岩層之施工無法發揮其功能。承商第二次提出以反循環式鑽掘工法為打設基樁，該項反循環式鑽掘工法，一般僅適用於f≦30cm之卵礫石土層或普通砂土層地質，未見用於堅硬岩層之例，故該機組之螺旋鑽頭施工時，柱齒幾全數損毀(如照片二)。承商第三次提出以岩盤切削打樁工法，蓋其工法與第一次之全套管掘樁工法略同，僅增加噴射水流沖洗鑽掘岩面而已，經實際試鑽後，入岩不及1公尺，鑽頭刀組全部脫落毀損，證明本項岩盤切削打樁工法無法應用於花崗岩層。承包商後鑑於本地區岩質之堅硬度及選用之工法、機具均無法達到施工目的，遂接受設計顧問公司原先規劃之施工方法（鑿擊鑽掘工法），並向日本訂購鑿擊鑽掘工法之潛孔錘鑽，投入工地開始打樁作業。
五、鑿擊鑽掘工法應用於花崗岩打設基樁之檢討
鑿擊鑽掘工法施工機具設備中，潛孔鎚鑽(DOWN-THE-HOLE HAMMER)為主要之鑽掘機種之一，使用於本工程鋼管基樁之打設，鑽掘速率正常每小時可達70∼80公分深，尤以本工程工址之花崗岩岩質變異性大，岩面起伏性也大，雖然可以適用，但機組之調適期長，故障率大，鑽頭齒珠損耗率也大。因此，施工成本相對提高、施工工期延長，故針對本工程使用之潛孔鎚鑽機組及影響較顯著相關設備及施工過程檢討如下：
(一)潛孔鎚組
本工程承商所選用雙鑽頭構造，一大一小，且大低小高(如照片三)，與一般多鑽頭均採用相同直徑者，屬構造罕見，為日本廠商設計製造，其效能可鑽掘深入岩層為10公尺以內。據稱為降低鑽鎚組成本之設計，初期設定旋轉速率為12RPM。鎚組經業主及顧問公司評估後，指出將產生偏心效應，不利機組之結構，容易產生破壞，對於鑽掘之垂直度控制，將多所轉嫁於打樁車。實際投入鑽掘施工後，發生鎚組外部結構底鈑之破壞(如照片四)，後經數次之旋轉速率調整並鑽掘，觀察鎚組破壞情況並分析，最後將旋轉速率由12RPM調降至2.5RPM，而鎚組外部結構底鈑由45mm增加至120mm、上蓋鈑中加勁鈑提高至90mm、側鈑由40mm提高至60mm後，鎚組不再故障破壞。由此可知，施工機具之結構，除非該機組已有完成比所欲施工工程更艱困之實績案例，始可確定其可行性，否則需經歷機械性之改善歷程。
(二)鑽頭齒珠
為岩盤進尺之切削物件(如照片五)，其材質硬度與尺寸規格關係工作成果、耐用性、損耗性及成本。本項齒珠採用超硬碳化鎢合金鋼，規格為19mmf，施工時易破碎掉落，造成無法進尺。經數次之施工打設觀察及調整後，其規格尺寸最後採23mmf，破壞掉落之情形已可大幅改善，然再升至24mmf時又呈現不適應，掉落破壞情況又增加，因此鑽頭齒珠之規格、材質、均關係到施工成本與施工進度，甚為重要。
(三)空壓機及空氣接收槽
潛孔鎚鑽一般為汽動式，空氣為其主要動力能源，其氣量、氣壓與潛孔鎚之設計需求及施工流程、鑽掘目標之高低有密切關係，本工程之鑽掘機組初期由於岩盤高程較高，使用五部750 CFM空氣壓縮機（含一部備用）產生之氣量和2m3之空氣接受槽，已足夠帶動機組進行工作；惟岩盤高程漸低，最後須使用2部900CFM及2部880CFM及5部750 CFM共9部（其中一部為備用）之空氣壓縮機，其產生之壓力約為12∼15kg/cm2，其中7∼9 kg/cm2之壓力為打樁機使用，其餘之壓力做岩碴清除之用，並使用5m3之空氣接收槽(如照片六)。故對於鑽機組動力能源系統之計算與籌備，應視為重要之工作項目之一，以免造成工作效率之折減及工作之延遲。
六、施工問題解決方案
本碼頭設施工程之進行，最為困難之處乃施工承包商以商業利益做考量，往往選擇成本低廉而非可靠之施工方法嚐試，對於工址自然環境條件較不重視，並於遭受失敗後「試誤」之理念尤存，茲將施工中發生之不良事件及改進方法略述如下：
1. 全套管工法之鑽樁無法深入進尺至設計鑽掘深度3m，其主因為切削刀硬度材質與岩質相當，且切削刀之角度無法適應花崗岩質，致無法達到目標而撤機。
2. 反循環式鑽掘工法及岩盤切削工法，兩種工法對於本工程岩盤鑽掘無法勝任，業主及顧問公司經評估認為不可行，承包商仍動員進場施鑽失敗，造成資源浪費及施工成本增加，但可使承包商瞭解機具之可適用範圍，及日後類似工程施工機具選擇之借鏡。
3. 鑽掘花崗岩業主及顧問公司建議採鑿擊鑽掘工法，承包商初期難能接受，經全套管工法、反循環式鑽掘工法及岩盤切削工法施工皆失敗後始予以接受，對於鎚組構造型式因無前例可循，復又缺乏經驗，以致所購之鎚組產生結合螺栓之破壞，惟承包商勇於缺失改進補救及增加備用機組，隨時更替，不致造成停工，終致完成此艱鉅打樁工程。
4. 編號AR2-8樁基礎岩洞鑽掘，由於不明之原因造成鑿擊岩層愈深，外套管跟隨傾斜愈大，鑽錘夾卡於外套管，無法繼續施鑽。後經研判覆土層僅約1M厚，可能於岩盤面覆蓋層上存在塊石，外套管著於其上，塊石經鎚打而移動，外套管跟隨移動傾斜。故要求承包商停止施工，並派遣潛水伕入洞底配合機具，清除鬆動塊石，解決傾斜問題。
5. 編號AR4-7樁基礎岩洞鑽掘時，使用之升降平台船四支支承樁坐落之海底面，其中1支坐落之處可能為孤石或較大岩石傾斜面，致鑽掘機組工作時產生之振動力，藉樁腿傳遞至孤石，孤石受振動力而變位，帶動樁腿下部移動而曲折，或樁腿於傾斜面滑動造成曲折，如照片七、照片八，承包商拖回台灣與另一艘同型之升降平台船樁腿換替，費時達10工作天。
七、結論
1. 塔山電廠碼頭設施受限於現況環境，採用棧橋型式，無法採用造價便宜之他種構造型式，應可理解。
2. 棧橋碼頭基樁深入岩盤內，於國內港灣工程雖非首例，但基樁深入花崗岩盤內數量多，且位於無遮蔽之外海中，尚屬首例。於工程規劃、設計及施工等可行性上，顧問公司依例於設計前已做詳細之評估，並諮詢國內外專家及探討國內外類似案例，證實顧問公司工作方法正確。
3. 本工程設計完成後，於招商承攬階段，業主受限於政府採購法之規定，僅可於廣義之直接資格上做適度規範，對於承攬商之施工方法與機具及詳細之資格無法做任何限制。如承攬商缺乏施工經驗與判斷能力時，可能造成施工遲滯與工程興建時程不符之情事。
4. 本棧橋碼頭工程之施工，不以臨時構台做為施工場地，而採用升降平台船，基樁打設鑽掘機組全部置放其上，機動性強，可縮短延遲之工期，為本工程施工最正確選擇。
5. 對於花崗岩之孔洞鑿擊，於本工程施工過程中所產生之問題事項解決方案中，證明潛孔鎚鑽為目前最佳之施工工具，無庸置疑。
6. 工程承攬商囿於成本考量，一再測試各種工法，為本工程施工之最大缺憾。雖可求取施工經驗，但將造成施工成本大幅增加及業主可能之營運損失，應為承攬商殷鑑。
7. 基樁與岩盤之固結採用膨脹水中混凝土，可確保設計之需求，為排除覆土層砂土進入岩洞，使用套管阻隔，工作程序增加，但可免除施工不良之慮，確保工程品質。
8. 本工程碼頭基樁之打設機組，僅潛孔鎚鑽國外採購訂製，其餘之相關機具均於國內籌備組用，無法全套採用潛孔鎚組完整配套機組，可能產生效能上之折損與相關機具之故障，爾後有類似工程時應注意再加研究評估。
9. 大口徑鑿擊鑽掘工法之施工，於國內施工人才欠缺，承攬商雖於施工初期聘請日本專業技術人員支援並技術移轉，但時間短暫，成效尚有待觀察。本次之施工經驗與人才之傳承，承攬商應為妥善運用，以做為本國工程界之傳承。
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