第I-B標隧道工程風險評估及通風分析(上)
白金瑞
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一、前言 隧道工程是風險高的工程，國內隧道工程的風險主要由承包商承擔(依合約)，承包商於工程投標前依據風險管理理論，須詳細評估該工程風險(純風險)所在。本文根據地質風險評估結果，預估最樂觀、樂觀及最悲觀完工所需工期，及預估現金流量，並依此選擇投標策略。良好的風險評估可防止減少承包商日後的損失，甚至可避免公司倒閉(尤其是國內的財物不健全的隧道小包)，不作風險評估就不可能有效管理風險。隧道工作面通風良好，可改善工作環境，提高工作效率，所以施工前作好通風分析是必需的。二、工程、地質、地形概述 本工程位於東部花蓮縣境內，係於花蓮縣與宜蘭縣交界之和平南溪河床標高約545公尺處設置混凝土重力壩(南溪壩)乙座，壩後形成一調整池，俾調蓄和平南溪流量；進水口設於壩上流右側，引水經一長約6549公尺之壓力式頭水隧道至和平溪主流河床標高約100公尺處右岸山腹內之地下電廠(碧海電廠)發電；地下電廠內裝設豎軸六噴嘴佩爾頓式水輪發電機組乙部，設計用水量17.0秒立方公尺，設計水頭416.8公尺，裝置容量61200千瓦，發電後尾水仍洩放回和平溪本流。頭水隧道長6524公尺，進水口端897公尺採鑽炸法，其後5453公尺採TBM鑽掘，鑽掘直徑3.7公尺，TBM段地質如圖(一)所示，整理如下：
本工址所在地層屬中央山脈東翼的變質雜岩系，在這變質雜岩中，最主要的弧溝系統可能發生在中生代晚期，太魯閣帶原為古亞洲板塊上位於太平洋側的大陸邊緣，在中生代陸弧互撞時變為靠近陸地的火山岩漿弧，經過變質後成為高溫低壓的變質帶(片岩、片麻岩、大理岩、角閃岩，和少量基性火成岩岩塊組成)。新生代弧溝系統由菲律賓海板塊沿著琉球海溝隱沒到歐亞大陸板塊上的琉球島弧系統下而達成﹝5﹞。在台灣中部及南部，其古應力場之最大主應力方向，自褶皺作用初期到現在，一直保持在約略西北西-－東南東且近水平之情形，圖(二)﹝1﹞。板塊碰撞帶之北端已退縮到花蓮市以南，台灣北部已脫離了直接碰撞之範圍，而台灣中部和南部則正處於正面碰撞之狀態，圖(三)。由前述地質歷史時期構造應力場、晚近地質時期構造應力場及現今構造應力場，頭水隧道軸軸向為東－西向，故本工址所在區域大地構造應力大致與隧道軸向一致，既最大主應力平行於隧道軸，褶皺軸向垂直於隧道軸，地層傾角約40°，傾向與隧道開挖前進方向一致(向西傾)，此有利於隧道開挖。小型褶皺軸及剪裂面走向亦垂直於隧道軸，可能出現的共軛節理有兩類，一類其傾角是垂直的，另一類是低傾角但節理走向垂直隧道軸，還可能之一組主節理，其傾角垂直，走向大致平行於隧道軸。依據設計圖，里程4k+160∼4k+860位於區域性倒轉類向斜軸之西翼，里程4k+860∼5k+060位於區域性倒轉類向斜軸之軸部附近，里程5k+060∼5k+500位於區域性倒轉類向斜軸之東翼，里程5k+500∼6k+070位於區域性倒轉類背斜軸之軸部附近，里程6k+070∼6k+345位於區域性倒轉類背斜軸之東翼，倒轉軸面I、II向西傾。最大覆土厚度約800公尺，位於4k+500附近，里程3k+500∼4k+860，岩性以石英雲母片岩及糜嶺岩(mylonite)為主，糜嶺岩厚度約180公尺(糜嶺岩厚度可達100公尺﹝6﹞)，可能為逆斷層(III)(向西傾)作用過程中所形成的變質岩，TBM鑽挖此段時可能發生圍岩擠壓。0k+000∼4k+160湧水可能達50 l/sec，4K+160∼4K+860岩性為片麻岩為主，節理很發育，岩塊小。4k+860∼5k+060(200公尺)湧水可能達50 l/sec，岩性為片麻岩與大理岩，節理很發育，岩塊小，破碎帶引進地下水可能造成大理岩層溶蝕空洞現象。上述地段可能需鑽探及地質改良。    圖一 隧逆沿線地質描述及岩體分類  圖二 蓬萊造山運動不同階段最大水平主應力 (a) 褶皺初期，(b) 褶皺後期，(c)Ⅱ褶皺完成後，(d)Ⅲ最近  圖三 台灣地區弧－陸碰撞形成過程 三、TBM段數值分析 本分析採用平面問題線彈性分析，分析結果較3D線彈性分析結果來得保守。隧道開挖形狀為圓形，直徑3.7公尺，里程3k+500∼4k+860，岩性以石英雲母片岩、糜嶺岩片麻岩及大理岩為主，最大覆土深度H=800公尺，ρ0=2450kg/m3，σv＝γ0 ×H ＝19.2MPa。本段之岩體品質根據Q岩體分類系統屬很差∼好(very poor∼fair)，Q值介於0.1∼10，岩體變形模數採10Gpa(10000Mpa)﹝7﹞，k＝0.25+7×Eh (0.001+ )＝0.25+7×10×(0.001+ )＝0.41﹝10﹞。根據Hoek建議岩體變形模數介於9∼3Gpa﹝8﹞，k＝0.25+7×Eh (0.001+ )，k介於0.39∼0.3。採k＝0.35，根據線彈性理論﹝9﹞，隧道頂拱壁面的切向應力σθ=σv ×(3×k-1)＝0.96Mpa，隧道側壁壁面的切向應力 σθ=σv×(3-k)＝50.88 Mpa。岩盤單壓強度( )=岩石單壓強度 ，S= ， =0.84×RMR+21，RMR不包含弱面評分修正(表一含弱面評分修正)，S式中的RMR由代替 ，FS= 。石英雲母片岩及糜嶺岩之岩石單壓強度σc=3∼80Mpa，在隧道頂拱壁面FS1= ＝3.13∼83.33，在隧道側壁壁面FS2= ＝0.06∼1.57。如果岩石為片麻岩或大理岩，其岩石單壓強度σc=100∼130Mpa，在隧道頂拱壁面＝104∼135，在隧道側壁壁面＝1.97∼2.56。k1= +0.3。由表一及表二得知k＜0.4，隧道頂拱承受張力，同理k＞2.5，隧道承受張力。如果0.4＜k＜2.5，有利於隧道岩盤穩定。FS1＜1.25屬擠壓岩磐，1.25＜FS1＜2 屬不穩定岩盤(friable)，FS1＞2屬穩定岩盤。
表二
四、TBM段風險評估 根據第二節所述圖(一)，里程4K+160∼6K+345為一區域性倒轉褶皺，倒轉軸面I、II向西傾，其西翼有一逆斷層(III)，其傾向向西傾，如圖(四)所示，此構造現象有違地質力學原理﹝2﹞﹝3﹞﹝4﹞，本工址所在的褶皺、斷層均由板塊擠壓所造成﹝5﹞，所以逆斷層及糜嶺岩層是不存在的，區域性倒轉褶皺值得懷疑。里程0k+897∼4k+160，岩石以石英雲母片岩為主，根據第三節分析，隧道側壁產生擠壓後，沿頂拱產生剪裂破壞﹝11﹞﹝13﹞﹝12﹞，側壁噴凝土承受大的剪力，最大變位發生在頂拱。如果岩盤為片麻岩或大理岩，在隧道側壁壁面σc /σθ＝1.97∼2.56，根據Russenes、Turchaninovr及Hoek岩爆判別法，本工程不會遭遇岩爆，最嚴重情形，只可能有隧道側壁壁面剝落，隧道破壞模式為重力控制模式，既構造弱面控制模式。其他隧道段(里程6k+060∼4k+860)之隧道破壞模式亦為重力控制模式。 圖四 板塊擠壓方向圖 五、TBM段鑽掘速度評估 TBM比鑽掘速度SP(specific penetration) = penetration(P)(cm/h) /﹝rev/min×thrust (MN) per disc﹞，採用ROBINS TBM1013-249，直徑3.84m，thrust為0.245MN，刀盤正常轉速14.6 rev/min，TBM利用率(U)與FS1有關，TBM的鑽進速率A(advance rate)=P×U，每日完成鑽掘長度DA(m)，每月鑽掘天數是22天，則每月鑽掘長度L(m/月)，如表(三)所示，鑽掘完成需9.21個月。大陸秦嶺隧道TBM直徑8.8m，thrust為0.25MN，刀盤正常轉速5.4 rev/min，每月鑽掘天數是30天，TBM利用率38%∼39%，計算結果如表(四)所示，鑽掘完成需15.2個月，經圖(五)直徑修正後，鑽掘完成需10.9個月。
1.精心作好設備維修保養，每日至少強制停機保養6小時； 2.加強對各部位的監測； 3.安排好每日正常維修保養的作業內容，儘量把需停機排除的 故障安排到維修保養時間內一併排除； 4.壓縮換刀、調刀時間，儘量安排在維修保養時間內更換調整。在必須停機更換調整刀具時，要合理安排刀位； 5.提前安排好施工支撐作業的物資、運輸，最大限度減少支撐作業時間； 6.合理選擇TBM鑽掘參數，減少斷面內局部坍塌，儘量使開挖下來的石塊塊度適中，在鑽掘過程中認真對設備監控，及時發現故障及故障點； 7.安排好運輸、卸碴作業、消災停機等車情況； 8.刀圈受圍岩落石沖擊造成刀圈損毀、刀圈磨損消耗大、盤刀軸承漏油、軸承變形； 9.盤刀刃腳形狀要適合所開挖的圍岩，盤刀淬火技術要滿足圍岩特性； 10.合理選擇鑽掘參數是減少刀具消耗的有效措施之一，不同的圍岩要選擇不同的推進力及推進速度，要使刀具處在最佳工作狀態，不欠載、不過載、且負載均勻，使刀具整體合理受力； 11.刀盤要足夠剛度； 12.準確的地質預報是高效施工很重要一環，最少要有開挖面前方50∼100公尺的準確度較高的預報(採用震測法[14])； 13.整體施工方案、施工組織、施工進度、施工支撐、運輸協調、後勤支援協調等，仍應以土建人員為主；而設備管理維修、操作技術、狀態監測、預報停機、油質配件等應以機械人員為主，確保施工需要； 14.TBM是工廠化施工，任何微小故障都會造成全部生產線停頓，採用現代化的管理手段把設備管理好、採用現代化手段跟蹤監測，能準確地找出故障原因； 15.對各工序、技術都要實行表準化； 16.大幅提高操作人員的基本素質，不應再是勞力密集型產業的施工方式，強化職務責任制，改變過去隧道施工“放羊式”粗放管理。 表(五)根據實際的平均鑽掘速度，如果TBM利用率能達到38%∼40%，則每月的開挖進度(m)大致如下﹕
表六 TBM peformance in relation to ground condition at Western Trunk Sewer,Melboune,Australia
表七 Small diameter tunneling projects
表八 Performance of a Jarva Mk12 3.5m dia TBM in four Apline tunnels
六、TBM隧道坍方的型式及特徵 根據數值分析結果，本段隧道破壞模式為重力控制模式，既構造弱面控制模式，其坍方的型式有以下四種：1.斷層破碎帶坍方 這種坍方是由於斷層帶內的碎裂岩、糜嶺岩、擠壓片理化岩石、斷層泥礫等結構較為鬆散的物質在隧道開挖後失穩而形成的坍方，有時坍落物質直接從刀盤護盾上方向下坍泄，甚至將刀盤及護盾的上方塞滿，給坍方處理帶來很大困難。這種坍方可能發生在3k+980-4k+160及4k+860-5k+060。 2.大理岩溶蝕坍方 這種坍方是由於大理岩受到溶蝕形成空洞，鬆散的物質在隧道開挖後失穩而形成的坍方，空洞亦會造成TBM支撐偏心。這種坍方可能發生在3k+980-4k+160。 3.多組節理(3組以上)塌落形成的坍方 這種坍方主要出現在圍岩節理很發育及發育地段。這種坍方可能發生在0k+000-3k+130、3k+130-3k+980、3k+980-4k+160、4k+160-4k+860及4k+860-5k+060。 4.TBM支撐襯墊支撐作用形成的坍方 這種坍方主要發生在隧道兩側TBM支撐襯墊附近節理發育及溶蝕地段。坍方較集中，規模一般不大，但有一定的深度(最大約2公尺)。這種坍方可能發生在0k+000-3k+130、3k+130-3k+980、3k+980-4k+160、4k+160-4k+860及4k+860-5k+060。 5.隧道頂拱剪裂所形成的坍方 這種坍方主要發生在里程0k+897∼4k+160。 <未完待續> | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
