潛盾隧道工法常見問答集--2
潛 盾 機 篇
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地 工 部 專案經理 |
李魁士 |
地工部 經 理 |
陳福勝 |
2.1 潛盾機採用舊品時，規範中應如何規定?考量之重點為何?
答覆：
1. 依日本會計法規及工程計價條件下並不允許採用舊品，除非機具所有權是業主的，如有採用舊品亦多半採用在山岳隧道之TBM機具。日本有家名為「國土機具」之公司，專門搜集棄殼使用過後之千斤頂等設備加以整理，再組裝完成潛盾機後外銷至國外。潛盾機一般在經過約1,000公尺之磨耗後，機具之維修費用會比採用新品時多好幾倍，此點亦必須加以考慮。
2. 潛盾機若採用舊機具而可得標，恐將無人願採用新機具。
3. 另外需考量設計時所考慮之工率、進度等皆為採用新品之狀態，若採用舊品時是否可順利按原工率完成規範所要求之工程等問題。在日本道路公團之山岳隧道，曾有業主購買機具供承商使用之案例，工作完成後下一標的工程設計，是以該舊品進行工率與費用之估算。
2.2 台北捷運機具之費用是分攤在進尺費中，並無另外一筆機具費。如承商採用舊機具，
目前部份標別之規範規定要求承商向原製造商取得修復及支援證明。
答覆：
1. 機具製造廠商與承商的保證書對業主並無絕對的保障，機具製造廠商只要承商提出相對的價錢及合約保證，即可出具證明文件，但對業主並無保障，業主關心的是使用的機具是否能按合約規定完成工作。故依設計時之工率、進尺速度，承商保證能依約完成即可，單價分析中能反應該需求即可，與新舊品機具無關。
2.3 若設計到達處採棄殼處理，並新購盾殼以配合轉進施作另條潛盾隧道，請問新購盾殼
如何規範？是否一定採用新品？
答覆：
1. 潛盾機於施作過程中唯一無法拆卸更換修理之部分為轉動軸心，其餘均可在拆解維修，特別在一些使用舊機具之案例被成功的執行後，很難硬性規定一定需採新品。
2. 惟使用舊品相對機械損壞之機率較高，其對工期衝擊則難以事前評估。如隧道需穿越既有構造物，正巧發生機具故障，對建物安全影響極鉅。
2.4 潛盾機經過行駛棄殼拆解後，於工址重新裝設新殼，其精準度將較原來於工廠組裝時
為差。潛盾機之精準度較差可能會有哪些問題？應如何注意或處理？
答覆：
1. 潛盾機內部零件經過一段距離行駛後，配上按原尺寸之新殼，其可能產生之差異很難掌控。
2. 切削面盤於設計時可將距離之因素考慮進去，面盤不可扭曲變形，另於到達井亦可做必要之檢修，較無問題。舊機與新殼之精密度差異主要在sealing填縫部分，如果地下水位不高時，可能不會有太大之影響。
2.5 土壓平衡式與泥水加壓式之優劣點及工作井作業空間分析？
答覆：
1. 泥土壓式潛盾工法(Earth Pressure Balanced Shield Method)
(1) 所謂泥土壓式潛盾工法，係將加泥材加壓注入開挖面以提高掘削土之止水性並塑造掘削土之塑性及流動性；在同時維持開挖面壓力的狀態下，一方面驅動潛盾機之切削機頭(Cutter head)進行隧道之鑽掘作業。
挖除之砂土經螺運機(Screw conveyor)等機具進行排土作業，再利用各種輸送設備將之運至坑外。
2. 泥土壓式潛盾工法之特點
(1)利用從潛盾機掘削面(Cutter face)注入加泥材之方式，可有效控制開挖面掘削土與加泥材之攪拌效果。
(2)於螺運機排土部裝設特殊之止水裝置，以有效的提高止水性。
(3)由於開挖面和隧道坑內係以隔鈑(Bulkhead)阻隔，因此坑內作業環境良好。
3. 泥土壓式潛盾工法之開挖面穩定法
(1)配合潛盾機之推進速度，從潛盾機面板取土口(Slit)後面之加泥材注入口注入適當之加泥材，則加泥材受到面板迴轉作用之強制性攪拌以及土艙(Chamber)內”拌合土壤”之擠壓，會向開挖面前方滲透而將地盤空隙中之自由水擠出並同時填滿地盤空隙，結果開挖面因而得以維持穩定。
(2)這種在潛盾機面板前方(開挖面)所形成之加泥材滲透區域稱之為「泥膜」。泥膜中之加泥材在不被自由水稀釋之情況下與開挖下來之土砂進行攪拌，而攪拌完成之”拌合土壤”則自取土口被取進土艙內，再以螺運機排出。
(3)另藉由螺運機之迴轉數變換操作可有效控制排土量，並進而掌控土艙內之泥土壓。
4. 泥水壓式潛盾工法(Slurry Shield Method)
(1)泥水壓式潛盾工法係為克服滯水砂層、滯水砂礫層等即使運用如壓氣等各種輔助工法都難以穩定之高水壓崩壞性地盤，而研發之潛盾施工法。
(2)泥水壓式潛盾機係在切削機頭(Cutter head)之後面裝設隔鈑(Bulkhead)，藉由充滿於開挖面與隔鈑間之泥水艙(Chamber)內，較自然水壓稍大之泥水壓來維持開挖面之穩定，而一方面驅動切削機頭進行鑽掘作業。
(3)挖除之土砂經與泥水攪拌後，以流體狀態輸送至坑外之泥水處理場處理。
5. 泥水壓式潛盾工法之特點
(1)除了安全、高效率、無公害、適用地質範圍廣泛之外，且因使用泥水壓維持開挖面穩定之故，無需施作地盤穩定工法。
(2)由於掘削下來之土砂係利用排泥管以流體狀態運出坑外，因此潛盾機內部可利用之空間加大，且坑內作業之安全性亦獲得提昇。
(3)對於海底、河底等特殊施工條件之工程適用性佳。
6. 根據文獻資料，在日本之潛盾隧道工法中，近年來潛盾機採用之趨勢為密閉型佔96.9%、開放型佔2.6%、其他型式佔0.5%。而密閉型中泥水壓式為25.2%、土壓式為71.7%（其中泥土壓式69.8%、土壓式1.9%）。
7. 泥土壓式潛盾工法因須具備泥水處理設備，因而其所需之設備用地需求面積較泥土壓式潛盾工法大。而工作井之配置需視工址條件而定，於必要時可採立體化之安排。
8. 潛盾機應選擇以適合工址條件之機種為優先考量，惟以國內而言，如泥土壓式潛盾工法可行時，其將較泥水壓式潛盾工法經濟。因而泥水壓式潛盾工法目前在國內僅有包括台北捷運CH221施工標在內之少數幾個工程案例，參見照片一。
2.6 針對三重市地區之黏土、砂土互層之沖積土層而言，適合採用土壓平衡式或泥水式
潛盾機?
答覆：
1. 潛盾隧道通過之土層大都屬沉泥質粘土層，施工時所需之皂土或高分子加泥材份量之需求並不多，以採用土壓平衡式潛盾機較為經濟。
2. 水壓力約在10kg/cm2左右，土壓平衡式潛盾機已可因應。
3. 泥水式潛盾機在日本有許多採用之案例，除隧道所經地層地下水壓力大外，因採用土壓平衡式潛盾機時需添加皂土等添加物，其挖出之土壤需以廢棄物處理；而泥水式潛盾機因其廢方在經其附屬設備分離處理後可直接棄置，在日本之價錢有時反而較低。
2.7 有關卵礫石層中施作潛盾工程之適用性如何？
答覆：
1. 在卵礫石層中使用潛盾工法施作隧道，是一件非常困難的事。日本是在反覆的失敗後，才達到目前能夠施工的狀態。
2. 使用壓氣手挖式潛盾工法時，雖然工法本身之問題較少，但如何選擇經濟的、有效地補助工法卻是一件很難的事。
3. 使用密閉型機械式潛盾工法時，問題很大。因此，採取各式各樣的對策，諸如：切刃性能之改良、礫石除去設備等。
4. 地下水壓很大之情況下，如採用土壓系潛盾工法，可能引致螺運機取土口之土砂噴發(blowout)，必須考慮適當之對策。
5. 礫石層中施工之重點在於充分的事前調查，必須詳細調查礫石之量、最大粒徑、粒徑分佈等資料，針對調查結果再來檢討使用明挖工法或手挖式潛盾工法之適用性。
2.8 潛盾隧道之開挖面上方為黏土層，下方為透水性大之緊密礫石層時，施工時為了保持開
挖面之穩定，是否需做何種特別之處理?
答覆：
1. 如採用泥水加壓式潛盾工法時，不需特別採用保護措施(一般僅檢討泥水加壓式及土壓平衡式潛盾工法兩種)。
2. 砂層或礫石層之上部有黏土層時，會有被壓水頭之情況，有關此類之調查資料，必須在設計文件上明白指出。
3. 有受壓水頭存在時，採用泥水加壓式潛盾工法比土壓系潛盾工法佳。
4. 除了潛盾工法之選擇外，並不需特別之對策，但礫石層之礫徑分佈對潛盾機之設計及開挖速度有極大之影饗，設計時必須特別注意。
5. 關鍵課題在於卵礫石層之粒徑大小，粒徑小則較無影響；粒徑大時，不僅潛盾機之製造費用增加，且須視水壓大小、出水量多寡、礫石大小以決定各種補助工法。
2.9 潛盾隧道(直徑約6M)受限於既有地形與路權，其最小轉彎半徑僅R=20M(位於T字道路
上)，且該處隧道之最小覆土僅約1倍直徑，而該處隧道之中心上方為砂質粉土夾火山
灰、偶夾安山角礫岩塊；隧道之中心下方則為安山角礫岩塊夾火山灰之地盤，地下水
位處地表下約2~3M，設計與施工需注意事項? 如未來該隧道直徑可縮小為4M，針對
地盤條件，建議隧道線行作何種調整較佳？
答覆：
1. 施工可行，但很困難。日本有直徑7M、R=15M之成功案例，但該案地質並非安山岩。
2. 於安山角礫岩層中，如R=60M，超挖刃(copy cutter)則可能可於潛盾機旋轉一圈即完成轉彎所需之超挖量。但R=20M，潛盾機之超挖刃(copy cutter)勢必無法旋轉一圈即完成轉彎所需之超挖量，必須經過多圈旋轉後才能完成切削轉彎所需之超挖量，操作十分困難，超挖刃(copy cutter)之設計需要多一點之資料。
3. 角礫岩與火山灰混合比例不均勻，施工時常發生粉狀之充填物被排入隧道內取走，但角礫岩塊留置堆積於潛盾機外之情形。
4. 在地層各種特性中，以最大粒徑最不易推估，而此項資料對選擇潛盾機機型及礫石處理方式最為重要，潛盾機之設計需預知須處理之粒徑，但實務上卻又難以事前準確地預估，在日本通常係以經過鑽探、試坑等調查所得最大尺寸之1.5~3倍作為可能之遭遇之塊石尺寸。以工地附近之開挖露頭照片，角礫岩塊已可能達50cm，如以工地旁之園圃推積塊石則可能達1M以上，如未來施工遇此等情形，潛盾機勢將無法前進而須採停機灌漿後由人員出去清除障礙，因此潛盾機面盤應配置有人孔之裝置。
5. 安山角礫岩塊硬度高，其本身強度可能高達1,000Kg/cm2，超挖刃(copy cutter)切削困難且磨損嚴重，且難以被打碎，宜請製造商提供意見。
6. 超挖部之地盤自立性需檢討。
7. 隧道直徑縮小為4M並不能減少困難度，反而不易解決安山岩塊問題，針對隧道位處角礫層之300M且有R=20M之工程範圍，或許宜檢討明挖覆蓋工法或採NATM山岳隧道+管冪工法之可行性，採NATM工法時，需檢討採用降水及止水灌漿工法。
2.10 隧道直徑4M、總長度約1.8公里，於砂、頁岩互層之南莊層長約1,500M，而位於上述
安山角礫岩塊地層約300M，使用何種潛盾機機型較適宜?施工工率進度如何預估較適
宜?出發工作井之豎井將位於地表下120M之深度，對施工進度之影響為何？應做何種
因應措施？
答覆：
1. 礫岩塊地層是TBM或shield潛盾機最不願意碰到之地盤，如純就長約1,500M砂、頁岩互層之南莊層而言，可以採簡單型之TBM施工，但其要應付安山角礫岩塊地層則有困難，以1,500M而言，使用簡單型之TBM施工應已具經濟性，對於約300M安山角礫岩塊地層，如可取得施工用地，宜考慮採NATM山岳隧道+管幕工法+降止水措施進行施工，其未知之風險較少。
2. 設計與施工注意事項為於砂、頁岩層與角礫岩塊地層之介面以及地形坡度容易聚集大量地下水之區域，地下水之處理方式是注意重點。
3. 如要選用一部機具時，可採兼用型之潛盾機(岩盤應對型)，並於切削盤面上設置人孔，以利岩塊堆積之故障排除。
4. 施工工率應視安山岩塊之狀況研判，一般難以研判推定，在日本通常係於發包文件上作部份之假設條件，諸如以潛盾機應克服之礫岩粒徑，另預估施工可能會遭遇停機而須採取灌漿(或壓氣)再由人員出去潛盾機外清除障礙之費用與時間及可能之次數，以作為合約執行之依據。
5. 針對砂、頁岩層，可以一般之TBM功率預估，而針對角礫岩塊地層，或可考慮採取與NATM施工之功率(如60M/月)去預估。
6. 針對深達120M之岀發工作井，以隧道總長1,800M之平均長度為900M加上120M之輸送長度，必須設置高速捲揚機。有關120M深井輸送效率時可參考相關案例之情形(如八卦山隧道豎井達200多公尺)，至於潛盾機內土渣清運方式則可與潛盾機製造商討論。
7. 針對另一段隧道經過在沖積層中約350M與300M長之角礫岩塊地層中進行6M直徑隧道，應檢討潛盾機開挖面之切削刃bitter與螺旋運輸機之直徑尺寸及是否有中軸而應考慮土碴尺寸及止水性，恐須於不同地層更換不同型式以應對之。
8. 密閉型潛盾機可處理之卵礫石粒徑大小則視泥水加壓或土壓式而異。泥水加壓式潛盾機之排礫方式如表1所示，而其可施工範圍則取決於排泥管徑之大小，依潛盾機直徑不同，可排除之卵礫石粒徑大小如表2所示。惟如採泥水倉內(如旋轉閥)排除方式，可排除最大粒徑可達潛盾機外徑之1/9∼1/10。土壓式潛盾機如採帶式螺運機排除土碴，其可排除之最大粒徑約為螺運機直徑之2/3或潛盾機外徑之1/5∼1/6，如採一般軸式螺運機，則其可排除之最大粒徑約為潛盾機外徑之1/10∼1/14，詳表3及表4所示。採密閉型潛盾機種時，如地層中出現之卵礫石尺寸大於表1、表2及表3之可處理範圍，即須先採一次破碎或二次破碎之方式處理，參見圖一與圖二。
9. 近年來小松機械Komatsu已開發一種搖擺式(非360度旋轉)TBM，或許可以較容易應付角礫岩地層，但細節須洽小松機械。
10. 本案案件特殊，日前洽不同之潛盾機製造商而有較大出入之看法與差異較大之潛盾機型設計成果，但經檢討恐皆仍有再修正之處所。宜明確地提供預估之限制條件，諸如潛盾機應克服之礫岩礫徑，角礫岩可能之分佈假設情形尺寸、頻率、硬度及施工可能會遭遇停機而須採取灌漿再由人員出去潛盾機外清除障礙之人孔與相關設施等要求，潛盾機製造商才能據以評估並設計以獲得較適宜之潛盾機種，同時於合約文件與預算及工期上宜進行巨石等障礙物處理之規劃準備減少合約糾紛。
11. 同樣地本案如果詢問山岳隧道或潛盾隧道工程師，在工法、工程費與工期上可能也會有極大之差異。宜洽詢不同之山岳隧道或潛盾隧道專業工程人員意見及不同之機具製造商看法後，再作綜合性之建議。
2.11 如何決定潛盾機之推力？
答覆：
1. 考慮潛盾機推進時各種抵抗力之總和乘以一安全係數，以決定潛盾機之總推進力，通常可委由製造潛盾機之機械工程師估算。
2. 潛盾機開挖面單位總推力，依潛盾機種而異，機械式潛盾機種大約為70~110t/m2。
3. 比較土壓式及泥水式潛盾機之推力，一般土壓式之推力較大。又小口徑之潛盾機，其單位面積所需之設計推力較大(因小口徑之潛盾機長相對於外徑之比例較大)。
4. 除非如卵礫石層特別之情況外，地下鐵單線隧道斷面之潛盾機，其單位開挖面積之推力大約為100 t/m2左右，推力並不因地盤種類而有急遽變化。
5. 推力之估算公式為F=α*D2，D：潛盾機外徑，α=因土壤狀況而定之係數，一般黏土層α=0.5~1.0，砂層：α=0.8~1.5，詳細資料可向潛盾機製造商查詢。
2.12 潛盾機切割與運輸注意之考量事項為何？
答覆：
1. 應先調查潛盾機抵達高雄港或基隆港之吊運設備能量，吊運設備能量不同將涉及潛盾機切割片數。
2. 運送受運輸道路之轉彎半徑、橋梁承載所限制，必要時需進行橋梁補強，台北捷運C222, C560標已有運輸 130 T潛盾機例。
3. 工地吊放時，原則上應將吊車之腳架安排置放於工作井外之地面上。如工作井外淨空受限(如遇陸橋阻礙)，需採將吊車之腳架置放於工作井內時，可考慮於完成之底板上架設臨時中間樁支撐。另潛盾隧道之施工門型吊車亦可採相同方式辦理。
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