Modern/240/1/先撐管羃工法應用於台灣隧道工程實例介紹

先撐管羃工法應用於台灣隧道工程實例介紹
☆劉弘祥 ☆☆郭奇正

關鍵字：洞口、斷層、剪裂帶、卵礫石層、軟弱地盤、先撐管羃工法、先撐鋼管、固結灌漿。

摘要
台灣位處於板塊碰撞交界處，地層年代及地質構造變異性高。近年來大部份隧道工程均位於地層及構造複雜之西部麓山帶、中央山脈帶及雪山山脈帶，因此隧道洞口淺覆蓋段必須面臨岩盤強度不足及偏壓問題；而隧道沿線亦經常遭遇斷層、剪裂帶、卵礫石層及軟弱地盤問題，為克服此種困難地質，除了加強支撐措施之外，另外必須採取各種輔助工法才能順利通過，其中先撐管羃工法是一種較先進而有效的工法，其原理是在未開挖的隧道頂拱部份預先打入一系列先撐鋼管，並施以固結灌漿，使隧道頂拱預先形成一傘狀保護環，俟隧道開挖後，先撐管羃即與鋼支保、岩栓及(鋼纖維)噴凝土形成三度空間支撐系統。本文除了詳細敘述先撐管羃工法應用於隧道施工的情形，並蒐集台灣島內既有之施工案例，及目前施工中的鐵路新觀音隧道與中二高蘭潭隧道之實例，供隧道工程先進們參考。

一、前言
山岳隧道洞口位置選擇因受限於鐵公路線形、環保衝擊及都市發展等條件，致洞口之位置、角度及覆土厚度等均處於非理想狀況，且台灣地質年代較年輕且地層變化多端，隧道開挖過程總會遭遇斷層或軟弱破碎帶，致經常引發災變，因此隧道工程界即試圖發展一套能確實解決上述問題之工法。經查歐洲如義大利及鄰近日本國最近4～5年以NATM工法施工之隧道，即有上百座以隧道先撐管羃工法(Tunnel Forepoling Method-簡稱TFM工法)，做為隧道洞口淺覆蓋段及隧道內遭遇崩積層、剪裂帶、斷層、卵礫石層或軟弱地盤等地層之主要輔助工法；尤其日本地質條件和台灣極為類似，而隧道先撐管羃工法已被日本隧道界廣泛採用，相信未來數年此項工法亦將被台灣隧道工程界普遍採用。

二、先撐管羃工法簡介
先撐管羃工法係於隧道洞口淺覆蓋段或隧道內遭遇崩積層、剪裂帶、斷層、卵礫石層或軟弱地盤等地層，採用正常開挖方法較難通過時，可採用隧道管羃機於隧道頂拱區域鑽設水平孔，埋設先撐鋼管並施以固結灌漿，使隧道頂拱預先形成一管羃強化之傘狀保護環；此構體之抗彎矩及

圖一隧道先撐管幕工法立體透視圖

抗剪力功能可有效承擔局部鬆弛之地盤荷重，適時提供隧道開挖後，而鋼支保、(鋼纖維)噴凝土及岩栓等支撐工尚未施作或發揮作用前空檔所需支撐力，使隧道開挖面得予穩定安全。另外此先撐管羃鋼管可與鋼支保、鋼線網及(鋼纖維)噴凝土等連結在一起，形成格子狀之支撐系統，強化隧道縱剖面及橫剖面兩向之支承勁度，達到三度空間支撐功能，如圖一所示。先撐管羃工法可適用的岩性相當廣泛，包括未固結砂岩、泥岩、卵礫石層、崖錐崩積層及膨脹性岩層等。
(一)先撐管羃工法配合隧道施工順序
採用先撐管羃工法配合隧道施工順序，

圖二先撐管幕工法配合隧道施工順序圖

如圖二所示，其中先撐管羃與隧道上半斷面開挖支撐工係交互施工，先完成一輪次12公尺長之先撐管羃保護區段，隨後於先撐管羃鋼管下方進行隧道上半斷面開挖及支撐工作，當隧道開挖前進約9公尺後，即暫停開挖工作，隨即進行下一輪次先撐管羃施工，因此先撐管羃鋼管重疊長度約3公尺；先撐管羃及隧道上半開挖完成實況，如照片一所示。先撐管羃工法固結與先撐地盤成果，如照片二所示。

       (二)先撐管羃工法施工程序
       先撐管羃工法施工流程，如圖三所示，其施工要項如下:
             1.佈孔、鑽孔及鋼管植入
                   首先在開挖面標示孔位，調整管羃鑽機之前後轉盤中心軸線與隧道起拱線平行，然後伸縮鑽機前後臂，使桁架外擴角達到30～60並對準孔位。接著將管羃鋼管視為套管，採用衝擊偏心鑽頭施鑽，使管羃鋼管與鑽桿併進，當鑽至所需深度時拔出內鑽桿，並將偏心鑽頭一併收回，而管羃鋼管則留置地層內。

照片一先撐管幕工法施工實況

照片二先撐管幕工法固結與先撐式地盤成國

2.封孔及灌漿
每環工作面上所有管羃鋼管安裝完成後，於每支

圖三先撐管幕工法施工流程圖

鋼管內裝設灌漿管及排氣管，而鋼管外端裝設封罩及閥門，接著施做孔口灌漿。若地質情況需要，可變更上述整支鋼管一次灌漿方式，而改採每支鋼管內利用充氣(充水)緊圈，施作孔底逆級灌漿或導管式灌漿。原則上，先從位置最低孔開始灌漿，經灌漿閥注漿於管羃鋼管內，同時排出管內空氣、水與稀漿，待漿液填滿鋼管後，再逐漸加壓以使漿液滲透至鋼管外地盤，達到固結隧道拱圈之效果。

圖四 PG-125管幕機及施工範圍圖

圖五先撐管幕鋼管工法鑽孔示意圖

圖六管幕鋼管封罩與孔眼縱剖面圖

       (三)施工機具、設備及材料
             1.管羃機
                   隧道管羃機有單桁架及雙桁架二類，本文僅介紹適合中型隧道之單桁架管羃機PG-125，如圖四所示。
             2.鑽孔方式
                   鑽桿及套管由一鑽機帶動，鑽桿前端附有一偏心鑽頭，鑽孔用水或氣由鑽桿內流入，而岩屑則由鑽桿與套管之間隙排出，如圖五所示。
             3.管羃鋼管
                   鋼管直徑為∮50～250公厘，厚度為5～20公厘，鋼管上每間隔50～80公分鑽設2～3個灌漿孔眼(距外端管口約2公尺除外)，視需要安裝逆止閥蓋或橡皮環，管口安裝灌漿封罩及灌漿閥門等，如圖六所示。
             4.灌漿材料
                   一般破碎無湧水地盤以波特蘭TYPE I水泥為主，惟亦有因應地質狀況及速凝需求而使用超微粒水泥、皂土水泥、早強速凝水泥、水玻璃系或聚胺酯樹脂系等灌漿材料。

三、台灣隧道先撐管羃工法實例回顧
       先撐管羃工法是於八○年代首先應用於義大利隧道工程，作為隧道洞口及通過斷層或軟弱破碎帶之主要輔助工法，目前已廣泛應用於歐洲及日本等隧道工程。近五年來，台灣隧道工程常因隧道洞口發生災變或隧道沿線遭遇斷層、剪裂帶等發生抽塌而引進先撐管羃工法，但是僅屬初期嘗試或為臨時變更設計，故所採用施工機械、材料與程序等須遷就現有設備或加以改裝而成，如鐵路三義隧道、北二高福德隧道、北二高木柵隧道、北二高新店(II)隧道及北二高中和隧道等。隨後由施工廠商引進正統設備、顧問公司預先納入設計及業主有高度共識下，先撐管羃工法已漸漸成為主要輔助工法，如北二高新店(I)隧道、北二高C303標NO.3隧道、北宜高彭山隧道、鐵路新觀音隧道與武塔隧道及中二高蘭潭隧道等。另值得一提的是台電公司的鯉魚潭士林頭水隧道工程，其下游段是採用開放型TBM開挖隧道，當第五次遭遇特殊困難處理時亦採用先撐管羃工法，不過受制於空間狹小關係，必須先擴挖一工作室並架設二個導架，再以每段均為二公尺的鑽桿、套管及灌漿管連接而成一管羃，隨即進行導管式灌漿法固結破碎岩盤，故以開放型TBM開挖的隧道亦可使用先撐管羃工法。今將台灣較著名使用先撐管羃工法之實例列表說明，如表一所示(郭奇正等1998)。

四、鐵路新觀音隧道及中二高蘭潭隧道先撐管羃工法施工介紹
       本節將詳細說明東部鐵路改善工程局的新觀音隧道及國道新建工程局的中二高蘭潭隧道，目前該兩個隧道仍在施工中，其使用先撐管羃工法之施工情形，如表二所示。由上表可知，雖然此二隧道的開挖斷面積、所處地質狀況及管冪施工方式有所不同，但是其施工成果卻有一共同性，即採用管冪工法可大量減少隧道變形量發生。