台湾雪山隧道主隧道TBM工法

台湾雪山隧道主隧道TBM工法
来源：海峡两岸隧道研讨会
摘要：台湾北宜高速公路雪山隧道长12.9 km，两条直径11.74m的主隧道南下、北上线及一条直径4.8m的导坑，原规划均采用全断面隧道钻掘机(以下简称TBM，Tunnel Boring Machine)钻掘施工。

由于地处板块冲击区地质复杂多变且地下水极为丰沛，不论以钻炸法施工或以TBM钻掘施工，皆极易发生灾变，断面愈大愈危险，必须事前妥善研拟因应方案及选择适当之TBM，提高警觉小心施工，灾害发生时快速应变并谨慎处理，才能将恶劣地质与涌水灾害损伤减至最小，尤其地质构造上，穿越雪山隧道之断层主要分布在南端(头城)约3.6km的范围内，其断层宽度甚至达50m以上，而雪山隧道因考虑环保水资源保护，施工期的排水、洞口设施的腹地、运弃碴料等之因素，业主决定三条隧道均由南洞口(头城端)以TBM发进向北洞口(坪林端)方向开挖，TBM实际所遭遇的恶劣地质及蕴含丰富的地下水量较所预估之状况更为艰巨险恶。

本文叙述雪山主隧道恶劣地质下TBM施工之经验，提供两岸隧道与地下工程界卓参，企盼工程技术与管理，能在恶劣地质困境的考验下，获致进一步的突破与成长。

关键词：隧道钻掘机恶劣地质断层
0 前言
北宜高速公路为促进台湾东部地区经济发展最主要之交通工程，其中第四标工程(坪林头城段)雪山主隧道之开挖施工则是本交通工程成功之关键，且最为艰困的工程。

交通部台湾区国道新建工程局第三区工程处于1993年7月23日与荣民工程股份有限公司签约开工，监造单位为中兴工程顾问股份有限公司。

第五标导坑工程早在两年前(1991年7月15日)即先行开挖施工，唯当北上线TBM于1996年元月底开始发进时导坑TBM仅仅开挖约1.6 km长，且已历经九次受困，因此导坑之主要功能如沿线地质探查数据回馈主坑开挖作业、预先由导坑施作必要之主隧道开挖面地质处理、排水等功能均未发挥，足见雪山隧道工程之艰难，对于主隧道施工而言，相对地增加了许多的困境与风险。

1998年10月世界知名的隧道月刊T&T(Tunnels & Tunneling International)，Shani Wallis为文“台湾坪林隧道百折不挠(Pinglin perseverance in Taiwan)”载曰：「许多人认为坪林隧道不可能建成(This is the tunnel that just can not be built)，但是台湾人却不放弃(But the Taiwanese are not giving up)」，可见坪林(雪山)隧道的艰困众所周知，甚者，英国百科全书British Encyclopedia将本工程列人世界知名的艰难工程“a renowned difficult project in the World”。

北上线主隧道TBM首先于1996年5月1日开始全断面开挖，期间经历了七次受困地质处理，唯不幸总计仅开挖456 m，于1997年12月15日，TBM在里程38K+902处不幸发生抽坍灾变，涌水量750～800 L/s，水压1.8MPa，抽坍掩埋TBM及B/U支持系统100余m，终遭致几乎全毁之命运。

1999年9月，业主国工局报经交通部核定将北上线TBM拆解，全线改采D&B钻炸法施工。

南下线TBM则于1996年8月19日在顶导坑(122m)之保护下开始开挖。

同样地，于1997年7月10日，TBM开挖了654 m，在上新断层附近(里程：38K+858)遭遇极其剪裂破碎之剪裂泥层，致无法继续向前推进。

为考虑南下线TBM安全地通过上新、巴陵、大金面、石牌南、北支等断层，在经业主及监造单位同意下，改采顶导坑及TBM混合工法，在TBM前方先行施作顶导坑，共计1935 m(里程：38K+858～36K+923)。

TBM 整整原地停滞了2年又9个月，于2000年4月1日才重新启动，配合前方顶导坑施作之进度采渐近式开挖掘进。

南下线TBM历经8年半，终于在2005年2月2日上午6时20分开挖至北端钻炸法衔接段的最后1 cm，里程32K+195，完成了全线贯通的艰巨任务，期间共经历了一次尾盾受夹(里程：36K+670)及一次受困地质处理(里程：36K+440)。

南下线TBM全断面开挖长度计3863 m，TBM及D&B(顶导坑)混合工法开挖长度计3453 m，合计TBM总共开挖7316 m，详见表1。

南下线TBM于2004年3月创单月开挖最高纪录360.056m/月，并在2005年2月1日最后一天创单日开挖最高纪录19.528 m/d。

表1 雪山隧道开挖工法及长度
1 地质
雪山隧道位于欧亚大陆板块与菲律宾海板块折皱冲断构造区，覆盖层厚达700余m，雪山隧道沿线地区岩盘性质，由老而新计有始新世之四棱砂岩(SL)、渐新世之干沟层(KK)、粗窟层(TS)、大桶山层(TT)以及中新世之妈冈层(MK)及枋脚层(FC)等六层，开挖初期己确知的断层有石槽(I)、石牌北支(Ⅱ)与南支(Ⅲ)、大金面(Ⅳ)、巴陵(V)、上新(Ⅵ)及金盈断层(Ⅶ)，宽度由10 m至60 m不等，另怀疑是断层的线型有数十条，主要区域性褶皱仅有莺仔濑向斜(A)及倒吊子向斜(B)两条，其它露出于坪林隧道沿线之小折皱构造则多达9条，详如图1。

虽无法确知涌水或渗水之水量与造成施工困扰之确切位置，但下列地区应较具涌水或渗水之潜能：
①断层带或剪裂泥出现之周缘。

②剪裂破碎且弱面含泥之岩体，其中脆硬之四棱砂岩尤其使然。

③向斜轴部附近之破碎岩盘。

图1 雪山隧道沿线地区岩盘性质
雪山隧道南口段依地质调查报告是浑厚的页岩、细至中粒砂岩或薄页岩与石英岩互层，但是因为受到板块冲撞造成扭曲断裂与垂直错动，现地实际地质之节理极为发达，岩质虽好但却非常破碎成拳头大小(10～15 cm)，地下水极为丰沛水路连通，1998年3月业主国工局第5次咨询会议认为坪林主隧道相邻很
近的二座主隧道，其开挖所形成的松弛区，是高度破碎松弛岩体，承受高水压就形同浸在水中松弛的流砂，TBM开挖穿越该区段时，会有如遭逢严重的流砂与流泥。

2 TBM及B/U之设计理念及机械性能
雪山隧道主隧道工程所使用之TBM为双盾身(Double Shield)设计，包含削刀头、前盾、伸缩盾、撑座盾及尾盾。

特性为在岩盘良好地带可使用双盾身模式(Double-shield mode)开挖，以撑座撑住岩盘侧壁提供反作用力，并以伸缩唧筒向前推进开挖，而尾盾经复归(Re-Set)后所腾出之空间能在开挖之同时组装预铸环片。

倘若遇到岩盘松软地带，撑座无法撑住岩盘时，则可改用单盾身模式(Single-shield mode)开挖，届时先将伸缩盾闭合，再以环片唧筒所推动之压力环(Pressure Ring)顶住组装好之环片向前推进开挖。

TBM及B/U之设计为当地质条件允许下该机以每30min1.2m之速度前进时，其推进系统及相关设备具足够能力以配合此前进速度。

切削头转速可视岩盘状况调整自0到4 r/min。

采双盾身模式开挖时，其18支伸缩唧筒(推力唧筒)于压力达35 MPa时所提供之总推力为50 600 kN。

而采单盾身模式开挖时其28支环片唧筒在35MPa的压力下提供总推力78700kN，但相对下应考虑前后盾同时移动时因总重量及长度增加所产生之额外阻力。

削刀头之驱动模块18具在正常开挖之情形下于0.95 r/min，工作压力38.6 MPa，可达到max30000kN·m之扭力，而在脱困模式Brake Out/Jog Mode之情形下，设定在0.25 r/min，工作压力40.5MPa，可达到36 000 kN·m之扭矩。

TBM及其支持系统之主要规格详如表2所示。

表2 雪山主隧道TBM及其支持系统之主要规格
雪山主隧道TBM有许多功能是应雪山隧道地质而设计的，如下所述，诸如单双盾掘进模式与脱困扭矩等，但是对于复杂且多变的地质，仍然无法全般因应，诸如能因应挤压岩体却不能兼顾破碎地质，正如英国营造业研究信息协会CIRIA的统计：“隧道钻掘机绩效不彰的原因是地质多变，很少有例外的”。

(1)为因应隧道钻掘机穿越挤压岩体，可用扩挖削刀增加钻掘直径，提供一挤压变形的扩挖空间。

(2)削刀头的中心可以相对于前盾身的中心，垂直向调整。

(3)削刀头保护盾(或前盾)愈接近开挖面愈好。

(注：因为要扩挖，削刀头无法完全受到保护盾的保护)。

(4)削刀头可变速反转与以油压驱动，达到最高脱困扭矩。

(5)削刀头装有盘式削刀及耙齿，以因应硬岩与软岩交杂地质，这些开挖工具皆可在削刀头的保护下拆换。

(6)削刀头刮板与进碴口的开启与关闭可以调整，控制碴量及大小的流入。

(7)有油压驱动的门，可以控制落碴口的大小，防止泥与水进入盾身或输送带过载当机。

(8)在整个开挖轮进中，扭力的反作用力都可以扭力支撑梁，将其经中折盾传到撑座盾。

(9)尾盾之后，有一多功能钻孔系统，供前进探查与钻灌之用。

(10)采链式输送带可以将泥水由开挖碴中分离出来，集中于盾身的底部，以抽水泵抽除。

(11)当TBM以单双盾身开挖时，撑脚施低压，可以当作稳定座与防止滚动机制。

3 TBM施工遭遇困难及因应对策
雪山主隧道TBM的脱困扭矩36000 kN·m，是当时世界上最大的，但对于破碎岩体土石流的状况仍然无法全面应付，因为若依据Murayama经验公式，土石流中的脱困扭矩需求为69 924kN·m，若依据Atkison 公式，土石流中的脱困扭矩需求为37787 kN·m，两者皆高于36000kN·m。

因北上线TBM仅开挖456 m即遭到抽坍掩埋近全毁之命运，本章节主要系针对南下线TBM开挖所遭遇困难及其因应之对策作一叙述与探讨。

①金盈断层及后续的上新、巴陵、大金面、石牌南、北支断层以顶导坑保护罩穿越，如图2所示，因有施作两侧撑脚座(Gripper pad)，故TBM可以双盾式(Double-shield mode)开挖掘进，3至4环即需背填喷凝土以稳定隧道结构。

撑脚座有纵向悬撑顶导坑保护罩与加强永久结构之作用，并以4支纵向H100支保、地梁及微形桩悬撑顶导坑保护罩。

②金盈断层与上新断层之间之涌水破碎带，预先由导坑施作主隧道TBM航道顶部的同结灌浆地质处理。

③遇到地质不良经固结灌浆改良仍有抽坍时，则必须即刻以喷凝土封面稳定岩体，避免TBM推力造成被动土压力破坏，与松弛带扩大延伸，内部并架设H100支保l临时撑住环片，于TBM穿越后，施作环片外喷凝土干拌料背填与固结灌浆。

图2 顶导坑保护罩
④剪裂泥夹层是TBM的另一克星，往往呈黏性土质交夹着剪裂泥砂(Running Type Ground)，顾名思义，如同浇置用混凝土状，土质瞬间变化导致输送带及TBM削刀头无法因应而当机致无法推进。

又此类剪裂泥层钻孔灌浆不易，地质处理成效不彰。

TBM遭遇此类岩层，处理方式及损耗时间，见仁见智。

一是快速通过，遇有严重抽坍，流砂大量涌进时将TBM之PLC(可程序逻辑控制)更改设定，以低转速0.2 r/min即向前顶住开挖面推进之方式慢慢挺进，唯各项后勤补给支持须源源不绝，机械性能亦须保持最佳状态，否则停机过久即有受困之虞。

另一方式即于前方先行停机进行灌浆处理，惟如前所述，成效不彰亦有失败之可能，且若施灌过程稍有不慎，水泥浆会有包裹住TBM削刀头甚或盾身之风险，须费时清理。

⑤四棱砂岩地层岩质坚硬破碎，单压强度达310MPa，石英含量更超过90％。

因四棱砂岩地层岩质的特性，加上TBM及顶导坑混合工法之技术性，导致南下线TBM削刀头严重磨损，厚达40 mm之特殊耐磨钢板，其外缘局部甚至磨耗到仅剩6 mm厚，前后曾停机3次，加强补焊整修削刀头。

另撑座盾之4片撑座钢板亦因长期承受不均匀甚至高达300 MPa以上之集中应力而变形凹陷，进而挤压G1及G4组环片唧筒致压力环经常变形断裂，经原制造商WIRTH公司重新设计，以45 mm至60mm不等之特殊钢板、焊条空运来台加以整修，包括修理工作坑之施作，总共耗时1个月。

除此之外，原本单纯的切削工具(削刀刀轫)也为了克服及因应四棱砂岩层的千变万化，采购规范先后换了三种，除了刀轫硬度的修改并订定撞击值(Charpy Impact Value)标准，以期同时提高刀轫的韧性，尽量避免削刀异常损坏，耗工耗时又耗成本。

表3显示南下线TBM 削刀损坏拆换纪录。

表3 南下线TBM削刀损坏拆换纪录
注：南下线TBM于sta．36K+158遭遇硬岩盘，石英成份达90％以上，单压强度超过300 MPa，而于sta．35K+830脱离此硬岩盘段，硬岩带长度计328 m，共换削刀计339EA，削刀寿命约0.968 m/cutter。

⑥当TBM遭遇达50 L/s之破碎涌水地带，除了架设环片之临时支保以确保安全之外，更是增添施工的困难性，涌水挟带大量泥沙及碴料自伸缩盾缝隙、进料斗、输送带等四面八方涌进，造成TBM前后盾均堆积大量细砂及碴料导致无法立即组装环片、复归及下一轮进开挖，必须以大批人力铲除积碴，缓慢通过水带。

⑦南下线TBM施工，2004年度全年开挖长度共计2491 m，平均每月开挖AV．207.60m/月，并于2004年3月创单月开挖最高纪录360.056 m/月。

以全世界双盾身尺寸最大的TBM(开挖直径/Boring Dia．11.74m)及前述种种地质、地下水、干扰等因素下，能有如此的成绩实属不易。

表4、图3显示2004年3月份TBM 开挖作业时程统计与各作业的耗时比例。

表4 雪山主隧道南下线TBM开挖作业时程统计(2004年3月份)
图3 各作业耗时比例
4 结语
隧道与地下工程有3D的特性，即肮脏(Dirty)、困难(Difficult)与危险(Dangerous)，但于跨入21世纪后，隧道与地下工程将愈来愈重要，因为地表土地要用在食物生产，都会生活要提升且防止恶化，全球水资源与物质要有效地分配调运；台湾北宜高速公路雪山隧道工程之困难危险及艰巨，是3D之最，举世关注，特殊处很多，但至少有下列四项：1)世界上首次以隧道穿越(欧亚大陆与菲律宾海)板块冲击区；2)世界上最大尺寸的「双盾身」(Double shield)硬岩TBM隧道钻掘机；3)世界上TBM工法采用最长顶导坑的混合工法；4)世界上隧道群最多的隧道工程。

有鉴于此，雪山主隧道TBM施工团队提出长期与恶劣地质涌水搏斗的经历，俾供两岸隧道与地下工程界先进们未来规划与建设之参考。

参考文献：
[1] WALLIS，S．Pinglin perseverance in Taiwan l0～24 Tunnel 7/98．Tunnels & Tunneling International．1998．
[2] 朱正珏，冷耀东．雪山主隧道TBM工法[C]//营建自动化与电子商务研讨会，2000-02：1—11．
冷耀东，谢玉山
(荣民工程股份有限公司，台北)。