世界隧道技術的變革及新的管理觀念

☆ 白金瑞 譯 ☆

一、前言

         全世界的隧道工業由於技術的進步、政治的改變、商業行為、公司型態和規模的不同，過去30年對於全世界的隧道工業是一個很有意義的年代。一些技術的進步、案例和成就更具戲劇性，30年前不敢採用隧道來解決問題的地方，今天卻可採用隧道來解決問題，利用新的技術建造巨大的洞室，而襯砌的方法和地層的改良也有戲劇性地進步，穿過很高的地下水壓和高覆土的長隧道，須面對大環境的限制、品質確保和較高的安全要求，甚至需要更多的規範來符合上述要求。
         而業主的期望也在改變，顧問工程師的角色也已經不同，有多種新的字眼上很令人困惑，如D&B、DBFO、BOOT和BOT。
         在過去，顧問工程師有如國王，顧問工程師負責設計和監造，其擁有業主給予無上的權力。現今有工程管理顧問、計劃管理團隊和營建管理團隊等等，彼此爭論改進將會持續一段很長的時間，也可能繞一圈又回到原點。
         其他新的改進樣式包括夥伴（partnering）和逐漸採用爭論審議委員來取代費錢耗時的仲裁，此外，還有不少的會議和優良的隧道期刊並未忘記管理和技術課程，然而我們必須設法制止的地方是利用律師的例子增多，這是把管理責任讓給和天天開挖隧道無關的聽眾或其他的人。

二、過去三十年中所建造的主要隧道

         圖一是不同年代最有名的隧道案件，這些隧道中，有一些如果沒有過去三十年技術的發展與改進是無法完成的。這一類隧道有英法海底隧道、日本青函隧道、丹麥的Storebaelt鐵路隧道、美加邊界的St Clair River隧道、德國的Fourth Elbe公路隧道、加拿大尚在建造中的Niagara Diversion隧道，這些隧道的共同特徵是採用大直徑封閉式或開放式TBM的利用。

圖一 過去30年世界有名的隧道工程

三、新隧道公司

         忽略設計及建造隧道將是一種錯誤。三十年前從事隧道工程的公司，一般大多是名不見經傳的小公司，只參與地方性的工程，今天，大部份的專業隧道公司已經參與大的合約群，有很多是國際性的公司且可以參與很大的工程。
         對於困難的工程為分擔風險，營造廠參加聯合承攬變成越來越普遍，當然，有人可能會因此對以投標方式取得工程的行業有何好處產生爭論，由於是相互競爭的營造廠，但是，我們必須瞭解新技術可以處理困難的工程，業主所要尋找的營造廠是要有足夠的財力來承擔所有可能遭遇的風險。
         顧問工程的業務也有很大的改變，過去小的業務是今天大的國際業務，例如，Mott MacDonald在1969年約有400件業務，今天卻有4500件業務，顧問業務的成長經常有合併和購買發生，有很多過去是專家的顧問為生存被迫朝多樣性發展。

四、技術改變

         隧道工程技術，表面上雖然是平靜的，但變革已很深，可以用以下六個標題來說明：
         (一)隧道鑽掘機(TBM)
         (二)新奧工法(NATM)
         (三)ADECO-RS工法
         (四)地層改良
         (五)隧道襯砌
         (六)隧道開挖工法
1.隧道鑽掘機
         封閉式TBM的出現已經帶來基本的改變，1964年John Bartlett在英國為 Bentonite Tunnelling Machine提出專利以前，TBM只能用在開挖面短期可自立的地層，即岩石及黏土地層，1964年的專利啟開TBM的變革序幕，1960年代中期，日本開始實驗泥水式潛盾機，英國在1970年代早期，德國也在1970年代早期擁有水力盾機，這引起採用泥水式潛盾機開挖隧道的風潮，尤其在日本及德國，漢堡是最早發展泥水式潛盾機的地方，但泥水式潛盾機的受限很就發生，一般限制是潛盾機所要處理地層變化的範圍，一是黏土泥水的分離，一是卵石。所以，在1970年代中期，開始提出土壓式平衡潛盾機，其適用地層範圍更廣。基本上，泥水式潛盾機是利用泥水來平衡開挖面土壓及運送土碴（70/30泥漿/固體），土壓平衡潛盾機是利用機頭前面泥土倉內充滿壓力，一些製造商可製造泥水式及土壓平衡式兩用潛盾機。其他有意義的進步是TBM的尺寸大小，直到1969年直徑超過10公尺的TBM很少，今天，封閉式潛盾機的直徑已超過14公尺，岩石TBM的直徑已超過12公尺。封閉式TBM的出現已相當地減少壓氣式開挖。
2.新奧工法
         新奧工法已經發展了三十年，它是隧道人員的利器。談新奧工法須分兩部份：新奧工法當作隧道開挖理念與新奧工法當作隧道開挖及支撐施工技術。新奧工法當作隧道開挖理念來自岩石隧道，新奧工法當作隧道開挖及支撐施工技術來自土質隧道。新奧工法當作隧道開挖理念有隧道周圍岩盤強度儘可能發揮到最大、容許岩盤變位以達成岩盤強度的發揮等等。新奧工法當作隧道開挖及支撐施工技術有隧道是一連串地被開挖和支撐、開挖程序和開挖面一次開挖的面積大小是可變的、初始支撐採用噴凝土與鋼線網（鋼纖）、鋼支保（輕桁架鋼支保）、地盤補強物（岩栓、先撐鋼管）等等。新奧工法已被用在有名的大的地下洞室開挖，雖然有很多新奧工法的失敗案例，一般是人為的疏失所造成而不是方法本身。
3.ADECO-RS工法
         ADECO-RS工法主要由Lunardi(Consulting Engineers)等義大利隧道工程師所發展出來。新奧工法的基本功績是首次將岩體看成施工材料、利用噴凝土和岩栓對開挖面後方岩盤形成圍束壓力和強調系統計測與岩體變形反應的解釋，然其只專注在開挖面後方岩盤的穩定，產生下面重要的限制：地層的種類和應力—強度條件不完全的和局部的分類系統；在困難的應力—應變條件下利用開挖面前方岩盤所形成的岩心作為穩定手段；提出單獨對開挖面前方岩盤所形成岩心的簡單的圍束技術來穩定隧道；設計與施工界限劃分不清楚；堅信隧道淨空收斂表示隧道不穩定的原因。所以新奧工法在處理低度至中度困難應力—強度條件下隧道開挖是成功的，但面對惡劣的地層，新奧工法顯現出它的限制。ADECO-RS工法克服了新奧工法的限制，在惡劣的地層亦可採全斷面開挖，機械化施工可完全發揮，ADECO-RS工法將是未來的趨勢工法。ADECO-RS工法如圖二所示。

圖二 ADECO-RS工法的力學模型
4.地層改良
         今天隧道施工者有很多工具可用來改良地層，大部份的方法不是新創的，但他們已有明顯的改進：冰凍工法；壓氣工法；灌漿；降水；高壓噴射灌漿；深地層拌合；地中壁；打設岩栓/先撐支撐。有經驗的隧道工程師須選擇適當的補助工法。丹麥的Storebaelt鐵路隧道採用上述8種方法中的5種。冰凍工法已存在很長時間，30年來並沒有明顯改變，但設備有很大的改進。採用壓氣工法的安全性已有改進。補償性灌漿已被廣泛地且更為科學地採用，其使用材料像超微粒水泥、水玻璃、樹脂和聚合樹脂，雖然有些材料會污染環境，採用tubes-a-manchette可改進其灌漿精度和可預測性。
5.隧道襯砌
         現今軟弱土層隧道採用高品質預鑄環片單層襯砌，三十年前多採鑄鐵。環片設計、栓法和墊圈止水法已進步，塗抹樹脂的補強物具有較長的耐久性，岩石隧道內襯砌採單層環片襯砌是另一走向。
6.隧道開挖工法
         過去三十年被採用的新的隧道開挖方法摘要如下：
         (1)開挖面前先行細孔切削後填充混凝土；
         (2)多連孔隧道和大洞室；
         (3)NATM
         (4)封閉式TBM和壓氣使用減少；
         (5)很大直徑的TBM的被採用；
         (6)水力式鑽孔機取代空氣式鑽孔機；
         (7)1970年代巨臂掘屑機問世；
         (8)長且大口徑推進工法；
         (9)微隧道開挖技術；
         (10)改進的昇井法設備；
         (11)新地層改良法；
         (12)單層襯砌混凝土的應用與改進；
         (13)技術改進；
         (14)測量儀器的躍進；
         (15)GPS的利用；
         (16)雷射線的利用；
         (17)計算機系統的採用         (ZEN)；
         (18)電子/計算機應用於TBM的操作；
         (19)改進接合技術；
         (20)改進TBM的刀盤及刀具；
         (21)改進TBM的支援系統；
         (22)良好的通風技術
         (23)ADECO-RS工法

五、新的隧道管理系統

         經由增加的機械化、材料和過程有較好的協調性與整體性、改進安全沒有理由認為隧道技術的進步不會持續，所以我們要尋找還有哪些地方需要改進？策略、組織、資訊交流、工作關係、訓練、心理考量、良好的工作程序的整體性，支援系統(如伙伴關係)，爭議解決和風險降低聯盟等管理系統領域的改進是很有價值的。
         目前，特別是舊的管理系統採用金字塔形的組織和權威式的結構，很多檢核和比對的官僚式作業程序及處理風險的方法趨於保守，很多業主將本質上的風險轉移給承包商，承包商無法控制此風險，但根據合約條文及條件，承包商被迫接受此風險。一件大而複雜的專案其管理、採購和傳遞系統會遇到很多變化和實際狀況，程序變化大小視一國家、文化和個人經驗而定。此外，很多專案業主本身沒有經驗，所以相關的知識和專業受到限制，此時，一般處理方式是業主授權給委任者(顧問公司)，但是這樣會產生決策不正確的環境。
         考慮組織結構的理論基礎與如何做事的關係，這意謂著機械論的牛頓力學觀點所導致二向度金字塔形的組織工作元素所形成的系統須要分解和區隔責任，金字塔形的工作系統可能限制創新、整合、有益的改變及額外的價值。有人提出量子力學和混沌理論在處理事情過程較牛頓力學理論更有效率，混沌系統是穩定的且在較大的邊界範圍內是可預測的，在小的邊界範圍內是不可預測的，除非利用機率來預測。
         考慮如何利用上述相似的理論於複雜的專案的管理系統必須定義專案的特別邊界：開始點、所需輸入、關鍵目標和目的、功能需求、可執行措施。然後對可執行措施須要建立一組織結構，參與者須負局部性的和一般性的責任，鼓勵工作彈性和有創新的能力，深切注意工作和責任在大的格局上。此外還有開放參與的工作環境，具有較少衝突與壓力以改進成果的可能性及學習型組織特性。
         再造工程是一種過程，已成功地應用在工作過程的最佳化及整體化，為了效率，必須強調整個過程的所有元素要生產最後的所要求的結果，這樣的過程在效率、成本和品質上有很明顯的改進。
         伙伴關係、聯盟及專案排列過程其共同特徵是較適合於開放的、更彈性的和互動的管理系統。這些過程尋求定義、確認和溝通專案的基本任務，使專案參與者注意力集中關鍵目標、目的和執行要求，為建立參與者間相互信任與尊敬，必須承認各人的及共有的價值，配合工作團隊、承若和罰則，創造出改進的生產力，以減少成本，改進時程和執行，增進品質和效率，避免或減少衝突、爭議、求償和訴訟。■

參考文獻

1.Alastair R Biggart “A quiet revolution”,May 1999 Tunnels & Tunnelling International。
2.John Reilly “Management concepts and complex projects – the need for an intergrated approach”,February 2001 Tunnels & tunneling Internation。