潜盾隧道遭遇障碍物之修复作业

收稿日期：２０１０－０６－１２；修回日期：２０１０－０７－２６作者简介：高宗正（１９５４—），台湾台南人，硕士，副局长，主要从事捷运工程工作。

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潜盾隧道遭遇障碍物之修复作业高宗正１，林坤霖２，林聿群１，谢宇珩１，陈敬贤３（１．台北市政府捷运工程局，台湾　台北；２．中兴工程顾问股份有限公司，台湾　台北；３．日商鹿岛营造股份有限公司台湾分公司，台湾　台北）摘要：不论捷运隧道、地铁隧道或都市中之下水道工程，只要是土质地盘，潜盾施工已为目前隧道施工之主流，考虑其施工对于都市生活面之冲击性最小情形下，虽然其造价较高，仍为大部分之土质隧道施工者所采用。

虽然其施工速度便利及快速，然而潜盾施工法最怕遭遇地中障碍物，轻者停机排除障碍物，严重者需进行机首修复，其结果常造成工期延宕，甚或造成隧道线形改线之情形。

本文藉由一实际潜盾机遭遇障碍物之案例，由潜盾机本体之可施工度评估、机体检修至最后修复完成之过程及对地盘及周遭环境之影响评估等过程做一详实报告，以供工程界类似状况之参考。

关键词：潜盾机；潜盾隧道；地下障碍物；地盘改良；冷冻工法；修复作业中图分类号：Ｕ４５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７２－７４１Ｘ（２０１０）增刊１－０２７１－０６ＲｅｐａｉｒＷｏｒｋｏｆＳｈｉｅｌｄＭａｃｈｉｎｅｗｈｅｎＥｎｃｏｕｎｔｅｒｉｎｇＯｂｓｔａｃｌｅｓＫＡＯＣｈｕｎｇｃｈｅｎｇ１，ＬＩＮＫｕｎｌｉｎ２，ＬＩＮＹｕｅｃｈｙｕｎ１，ＳＨＩＥＨＹｅｕｈｅｎ１，ＣＨＥＮＣｈｉｎｇｈｓｉｅｎ３（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＲａｐｉｄＴｒａｎｓｉｔＳｙｓｔｅｍｓ，ＴａｉｐｅｉＣｉｔｙＧｏｖｅｒｎｍｅｎｔ，Ｔａｉｗａｎ；２．ＳｉｎｏｔｅｃｈＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｐｅｉ，Ｔａｉｗａｎ；３．ＴａｉｗａｎＢｒａｎｃｈ，ＫａｊｉｍａＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｐｅｉ，Ｔａｉｗａｎ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＲｅｇａｒｄｌｅｓｓｏｆＭＲＴｔｕｎｎｅｌ，ｓｕｂｗａｙｔｕｎｎｅｌｏｒｓｅｗｅｒｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅｎｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｅａｍｉｎｔｈｅｓｏｉｌｔｙｐｅｇｒｏｕｎｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｃｏｓｔｏｆｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｓｅｘｐｅｎｓｉｖｅ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｓｔｉｌｌｕｓｅｄｉｎｕｒｂａｎｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｂｙｔｈｅｍｏｓｔｃｏｎｔｒａｃｔｏｒｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｍｉｎｉｍｕｍｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｕｒｂａｎｌｉｖｉｎｇ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙｓｐｅａｋｉｎｇ，ｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｓｑｕｉｃｋｉｆｏｂｓｔａｃｌｅｓａｒｅｎｏｔｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ．Ｆｏｒｓｌｉｇｈｔｓｔｕｃｋｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｓｈｉｅｌｄｈａｓｔｏｂｅｓｔｏｐｐｅｄｔｏｒｅｍｏｖｅｏｂｓｔａｃｌｅｓａｎｄｆｏｒｔｈｅｗｏｒｅｓｔｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｈｉｅｌｄｈａｓｔｏｂｅｒｅｐａｉｒｅｄａｎｄｔｈｅｓｃｈｅｄｕｌｅｍａｙｂｅｄｅｌａｙｅｄａｎｄｔｈｅｔｕｎｎｅｌｒｏｕｔｅｍａｙｂｅｃｈａｎｇｅｄ．Ａｃａｓｅｏｆｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｅｎｃｏｕｎｔｅｒｉｎｇｏｂｓｔａｃｌｅｓｉｓｇｉｖｅｎｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｈｉｅｌｄ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｆｒｏｍｓｈｉｅｌｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｔｏｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｕｎｎｅｌｉｎｇｏｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｎｖｉｏｒｎｍｅｎｔａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｍａｙｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅ；ｓｈｉｅｌｄ ｂｏｒｅｄｔｕｎｎｅｌ；ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｏｂｓｔａｃｌｅ；ｇｒｏｕｎｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ；ｇｒｏｕｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｒｅｐａｉｒｗｏｒｋ０　引言潜盾施工作业为都会区土质地盘地下施工作业之首选，虽然其有形的工程经费较高，但因其快速、安全、不妨碍地面活动等优点，因此采用潜盾施工作业所带来的无形价值实是可估计的。

潜盾施工作业虽有甚多好处，潜盾机行经路线的地层分布及地层状况仅能依靠有限的地层钻孔或地球物理探测等点状的资料，来推估潜盾机前方全面性的状况，因此说潜盾施工作业是盲目的并不为过。

潜盾施工作业在大多数的情形下均可安全作业，惟若遭遇地中障碍物时，轻者前端切刃盘受阻，重者切刃齿、转盘甚至驱动马达受损，而需于地中进行潜盾机维修作业，整个过程耗时、耗力、耗费，且工程困难度及风险性高，极易演变成二次灾变。

本文即在以一工程实例描述潜盾机遭遇地中障碍物时，从障碍物型态之判断、潜盾机受损情形之评估至拟定维修方针等一系列决策或分析过程，以供相关类似工程之参考。

１　事件概述某交通工程之地下信道采用潜盾施工法，潜盾机所在深度约在地表下２４～３０．５ｍ，根据地质钻探孔所　第３０卷　增刊１２０１０年８月 隧道建设ＴｕｎｎｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖｏｌ．３０　Ｓｕｐ．１Ａｕｇ．　２０１０推测的潜盾机行经路线地层大致均为粉土黏土及粉土质砂土，地层断面及地下水位分布概况如图１。

图１　潜盾隧道沿线地层及地下水分布概况Ｆｉｇ．１　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｌａｙｅｒａｎｄｗａｔｅｒｔａｂｌｅａｌｏｎｇｓｈｉｅｌｄ－ｂｏｒｅｄｔｕｎｎｅｌ潜盾机发进后依预定计划及进度前进，预计在掘进６０～７０ｍ进行设备转换。

在潜盾机掘进约５４ｍ时开始遭遇不明之障碍物且潜盾机阻力有增加情形，排土管中排出之土壤偶夹有小段铁件，现场工程师在考虑潜盾机推力尚在容许范围内且将进行设备转换，故并未停机检讨，最后于５５ｍ时潜盾机已无法掘进而停机，于检修潜盾机时、在排土管中发现钢筋及一部分潜盾机切刃齿，发现物如图２。

图２　潜盾机排土管排出之钢筋及切刃盘铁件Ｆｉｇ．２　Ｓｔｅｅｌｓａｎｄｐａｒｔｓｏｆｃｕｔｔｅｒｆｒｏｍｓｏｉｌｏｕｔｌｅｔｐｉｐｅｏｆｓｈｉｅｌｄ停机后除一边进行清理及故障状况检点外，另进行障碍物种类之调查，调 结果显示该障碍物为另一新建工程为新建邻近地区之人行地下道施工开挖时所埋设而尚未清理之中间桩，该中间桩系为２５０ｃｍ宽、６０ｃｍ厚、长２８ｍ之连续壁。

经调阅该新建工程之施工图说并套绘潜盾机行进路线后显示，潜盾机大约左上部１／４遭遇壁桩之底部，且行进路线上共将遭遇４支中间桩，潜盾机与中间桩平面位置如图３，潜盾机与中间桩剖面位置如图４，潜盾机与中间桩冲突断面如图５所示。

在潜盾机切刃盘已无法转动，切刃齿损害情形不明之情形下，除需进行潜盾机前方路线中间桩之拔除外，尚需进行潜盾机之检修，两者工作可并行不悖，以缩短停机时间。

因中间桩之拔除作业为另一专题，在此不赘述，本文仅针对潜盾机检修评估作业进行撰述。

２　潜盾机检修作业之考虑有关潜盾机之检修作业，主要系针对日后潜盾机是否可再次进行后续掘进作业做为检讨，而检讨项目大致可区分为２部分，第１部分为机内（即切刃盘后方）设施之检修，第２部分为机首（即土舱、切刃盘及切齿）受损情形之检修。

２．１　机内检修作业机内设备损坏之检修因人员均可到达且随时可拆卸，故检修作业之考虑较为简单，大致上包含螺运机清理，土砂压送泵浦及配管作业等，经详细检修结果，损坏状况轻微，均能在短期内予以修复。

２．２　机首检修作业由于该潜盾机于设备转换后将穿越民房下方，紧接着将进入河床下方，最后于河道区穿越坚硬之地盘改良区而进入工作井内，因此经过多位专家讨论后，分析潜盾机机首可能受损的情况下冒然掘进，若潜盾机于民房区或河道区损坏时，将可能无法进行潜盾机检修作业，此外，若潜盾机切刃齿若受损，亦将无法穿越河道区之地盘改良区，而目前潜盾机停机位置上方恰为空地，因此于现在潜盾机停机位置进行潜盾机之切刃齿检查及更换作业最为恰当。

潜盾机机首检修作业一般有以下２种工法：１）在潜盾机盾首前方地面直接向下进行开挖支撑作业；２）在潜盾机前面实施地盘改良作业防护后由潜盾机前方直接进入开挖面作业。

上述工法在选择时之考虑要件如下：１）对于进行检修作业时作业员的安全；２）对于潜盾机上方周边地盘及民宅之安全；３）对于邻接之上行线隧道之安全。

４）对于检修工程需满足最少工期之要求。

考虑工法１）从地面上直接进行开挖支撑作业之施工时间较长且对于周边交通及邻房之影响也较大，故不予考虑；而方法２）由潜盾机前面实施地盘改良做保护而后由潜盾机前端进入开挖面进行检修对各方面之冲击均较小，故最后选择工法２）作为本次潜盾机机首检修作业。

３　潜盾机机首前方防护作业之考虑由于潜盾机所在之地下水压高达３０ｍ，在此高水压下要实施安全之地盘改良实为非常困难之作业。

因此基于安全考虑必须详加计划及考虑适合之施工方法。

３．１　地盘防护工法之选择地盘改良大致上有以下４种工法可以选择，对于本工程之适用性则概述于后。

１）药液注入工法。

药液注入工法所改良后之改良体强度及止水性的信赖度为４种工法中最低者，因此不适合在高水压之状况下施工。

２）高压喷射搅拌工法。

高压喷射搅拌工法所进行之地盘改良体虽拥有高强度，但止水性可能会有不足之缺点，且在潜盾机下方若进行斜灌，可能会有盲点产生，因此也不适合单独使用。

对于地下３０ｍ之高水压环境下、药液注入工法及高压喷射搅拌工法对于强度及止水性方面对于本案均无法达到百分之百的成效，故若实行前述２种工法，在安全考虑下必须与压气工法并用才可达到安全性之要求。

３）压气工法。

压气工法可单独进行，同时也可与前述之１）及２）工法一起并用进行，然压气工法必须将压力加压至作用于地中土压及水压以上之压力才可确实达到止水效果及保障施工人员之安全，但于其内部之作业人员可能会产生高气压症（潜水员病）之病症。

亦有可能因周边地盘加压而造成压力外泄情形产生，在安全面上有风险存在。

４）冷冻工法。

冷冻工法之改良体强度最高且止水性也最佳、对作业人员进入开挖面最具安全性保障，因此采用冷冻工法对于潜盾机首检修，其前方之地盘防护工最为适合不过。

３．２地盘防护工施工前之设计考虑素分析程序进行地盘冻胀之数值仿真分析，分析模型如图６。

根据数值仿真结果显示，现状地盘如直接施作冷冻工法时将会使地面产生１８ｃｍ之隆起，此地层高膨胀量于地层解冻时，亦将产生高沉陷量，对周围邻房之安全性相当不利，因此有必要先行强化冷冻工法施作范围地盘之强度，若将预定冷冻之地盘先行采水泥系材料灌浆来置换的话，则冻胀所产生之隆起约为２ｃｍ，由此可知于冰冻进行前须先针对地盘加以处理才会抑制地盘之隆起产生，地盘强化前后因地盘冷冻所造成之地盘冻胀量如图７所示。