☆黃國立 ☆☆吳大川 ☆☆☆李國榮
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一、前言 隧道潛盾施工方法約起源於西元1818年，首先應用於英國泰晤士河河底隧道工程，初期並不完善，爾後經過不斷改進，漸趨完善，而廣被全世界應用。在日本，隧道潛盾施工方法首先應用於西元1910年國鐵奧羽本線折渡隧道，但並未成功，直至西元1936年國鐵開門隧道，才使用成功，另下水道工程則應用於於西元1962年東京都下水道局石神井川幹線。在台灣，約於西元1979年自日本引進，應用於都市下水道工程，約於西元1987年起廣為台北捷運工程及現為高雄捷運工程使用。二、工程概要 (一)路線概要與施工順序隧道潛盾施工，首先必須就工程之路線研析，確定隧道之掘進長度，並完成施工順序之分割，此對於工作井之設計有密切之關係，也決定了潛盾機之數目及性能需求，例如圖1所示之規劃，二部潛盾機分別由工作井A發進，至工作井B1到達拆解吊離；吊運至工作井C發進，至工作井B2到達，其中一部拆解吊離，另一部到達棄殼，此未棄殼之機組則可至另一潛盾隧道使用。 (二)地質調查 必須就掘進區域之地下地質過去之歷史加以瞭解，例如大高雄之地形及地層之生成，其地質可分成丘陵台地區、沙丘沙嘴區、以及潟湖堆積區等三個主要地質區域。其中丘陵台地區包括台南台地及鳳山台地，而仁愛河及前鎮河流域之沙丘與潟湖地質分區恰位於兩台地之間。此外，在西北側台南台地以北則有後勁溪沙丘與潟湖堆積地質的形成。瞭解地質歷史後，接續蒐集過去已完成之鑽探資料，必要時並實施補充地質調查，蒐集資料之項目包括土質、土層覆蓋厚度、地下水位、土壤N值、最大礫石徑、摩擦角、土壤單位體積重量、承載荷重等，提供大地工程師研判。 另外亦需針對沿線地下水位之變化加以調查，例如高雄市近幾年來水位變化約在1.5m至2.5m之間，而平均地下水位月變化量為1.9m，地下水位由東向西遞減，較高之水位約在小港以東及楠梓地區，地下水位若以基隆平均海水面為準，高雄市地下水位最高達10m以上，往西面水位遞減至-5m，半屏山北側亦有較高之地下水位。 (三)工程數量概估 隧道潛盾必須由施工順序估計潛盾機發進及到達工、預鑄環片所需環數及產生之餘土方數量等工程資料，供後勤作業使用，避免因供料等造成時程延誤，影響施工安全。 隧道潛盾施工需求之材料包括混凝土環片(標準環、異形環)、止水材(水膨脹橡膠止水條、封縫材、水膨脹橡膠止水棒、合成橡膠墊片)、弧形螺栓、反力座、發進台、到達台、背填灌漿材、加泥材、發進鏡面框、到達鏡面框、安全步道、鋼軌、鋼枕、鋼管及風管等等。 (四)施工流程 隧道潛盾之基本施工程序則以圖2表示，後續均有詳細說明。 三、施工機具、材料與設施 (一)潛盾機潛盾機選擇兩項重要因素為週邊施工條件及隧道穿越的地質條件。由於都市工區多位於道路中央，平時交通狀況非常繁忙，另潛盾隧道鑽掘施工區域、設備及材料放置均係利用道路中間帶，所以可利用空間極為狹小，且掘進時發進及到達之需要必須進行地盤改良，因此除必要之建物保護或功能性施工(如聯絡通道)等，應盡量減少沿線路面之輔助施工之條件來選擇潛盾機。另基於隧道穿越的地質條件也決定了潛盾機的設計，例如切削盤、刀頭、鋼板厚度、注入孔位置、攪拌器、電器能量等。 潛盾機為因應不同之土質，亦具有不同之類型，以盾首型式，可分為開口式及密閉式，以開挖方式，則可分為手挖式及機械式，進一部細分，更可分為開口手挖式、密閉手挖式、密閉機械式、密閉泥土壓平衡式及密閉泥水壓平衡式等等。目前較常見者為密閉泥土壓平衡式及密閉泥水壓平衡式，例如高雄捷運CO1區段標即使用密閉泥水壓平衡式潛盾機(示如圖3)。 密閉式潛盾機可區分為泥水壓平衡潛盾機及泥土壓平衡潛盾機。泥水壓平衡潛盾機採用注入泥水平衡土壓，棄土需經三次脫水處理，所以約需施工用地1000~1500M2。泥土壓平衡潛盾機棄土僅需簡單儲存，所需施工用地亦較小。泥水壓平衡潛盾機及泥土壓平衡潛盾機之比較如表一。  圖1 隧道施工順序圖  圖2 隧道潛盾施工流程  圖3 潛盾機示意圖
潛盾機於製造廠完成後，須進行查驗程序，查驗項目包括了下列： 1.材料檢查：檢查供應之材料是否符合規格值，並由鋼品製造廠出具檢查證明書。
隧道潛盾施工所用襯砌環片，除少數如聯絡通道處將使用鋼製襯砌環片，原則上為預鑄混凝土製品，因此本節將以鋼筋混凝土環片為對象，以下所稱潛盾環片均指鋼筋混凝土環片。潛盾環片屬預鑄品，將在工廠內生產並儲存，俟施工需要載運至工區組裝。 預鑄環片之製造程序，需經過管制程序，包括：(1)混凝土產製管理：產製前對使用之材料進行檢驗，合格材料方可使用，所使用之配比設計於產製前應送審核定；(2)混凝土澆置管理：混凝土澆置前，必須進行組立檢查，逐項檢查鋼模緊定、鋼筋籠固定、保護層、預埋件等項目；(3)混凝土養生管理：利用低壓蒸氣養生加速水化，得到較高之早期強度，以利脫模；當脫模強度達到規定值後，進行拆模，依序拆卸鋼模緊定螺栓及預埋件固定螺栓；(4)環片噴塗管理：環片外部表面之塗裝應於預鑄廠內上方有遮蔽之場所施作，於環片表面含水量低於12%在遮雨棚下塗裝；面漆噴塗後，總厚度約於700-1000微米；(5)環片儲存管理：環片層與層之間應舖設枕木，堆疊高度應不超過六層，穩固放置於適當之支承位置上，使其不致在底層環片產生張力而產生裂紋及防止環片邊角及噴塗面受損。(示如圖6) (三)吊車 隧道潛盾施工之吊車約有三類(示如圖7)：(1)地上門型吊車：主要用途為環片之卸貨及吊運至工作井下；(2)地上棄土吊車：主要用途為將隧道鑽掘之廢土吊離工作井，並位移至棄土坑傾倒；(3)工作井內環片吊車：配置於工作井下方，主要用途為將吊運至工作井下之環片吊運至環片台車上，再由電動機關車載運至潛盾機進行組裝。 (四)鏡面工 鏡面框主要作用為連續壁與潛盾機殼或環片間之止水裝置，防止潛盾機進入發進端地盤改良區時發生地下水滲漏，亦可以防止機頭泥水及背填灌漿材料由機殼與環片之間隙滲漏至工作井內。 安裝流程如下(示如圖8)：(1)放樣：連續壁面測量放樣潛盾隧道中心及第一階段連續壁敲除範圍。預定敲除範圍直徑比鏡面框略大100mm；(2)試水：放樣後於潛盾開挖範圍外，上下、左右及潛盾隧道中心選擇適當位置鑽孔至連續壁外，每隔一定距離即停止並測量其流量，鑽孔後靜置24小時並觀察是否漏砂現象，及收集漏水量。每孔有滲漏水量時，則需進行止水灌漿作業；(3)連續壁第一階段敲除：試水試驗核可後，以機械破除方式進行第一階段連續壁敲除，敲除順序由下而上，敲除深度約80~90cm，並保留連續壁外側鋼筋，以保持連續壁擋土作用；(4)鏡面框安裝及固定：連續壁第一階段敲除完成後，進行鏡面框安裝，將鏡面框鋼環圈就定位後，並與連續壁內側鋼筋焊接固定，並於頂部適當位置預留3處透氣管及裝置閥門，作為背填灌漿是否完全之檢視及地盤改良效果不佳之改善；(5)鏡面框混凝土固定：鏡面框安裝完成後，外圍再打設混凝土固定鏡面框；(6)橡膠止水墊圈及逆止絞鏈安裝：俟潛盾機組立前套上橡膠止水環圈及固定鋼環，並鎖上逆止絞鏈，鎖緊螺帽。 (五)發進台架與反力座 發進台主要作用為提供潛盾機組立時與發進時之固定底座。並於潛盾機組立後配合線形調整發進方向並固定之。發進台架設之前，於大底完成面上先鋪設鐵板，並控制水平以利於潛盾機組裝。由於潛盾機組立投入口位於結構體中央，所以潛盾機前半段投入組合後，連同發進台需先行平移就定位，再組合潛盾機後半段，平移就位後，再將潛盾機前後段連接，再以千斤頂調整至正確發進方向。(示如圖9) 初期掘進，由於土壤摩擦力不足以承受潛盾機前進推力，需設立反力座提供必要反力抵抗潛盾機推力。初期掘進時潛盾機推力，以潛盾機殼離開地盤改良區進入土體時，考慮土壓抵抗、機殼及後續設備摩擦抵抗。(示如圖9) 工作平台為工作井底部提供軌道鋪設、電動機關車行走及載運環片之平台，採用離地一米左右之鋼架結構。初期工作平台自反力座後搭起，待初期掘進完成設備轉換後，再搭建隧道口區域，並使工作井軌道與隧道內之軌道相連。初期工作平台亦提供後續台車組裝及預備之場所。(示如圖9) (六)其他設施 配合隧道潛盾施工的設施尚包括(1)通訊、廣播、監視設備；(2)安全走道設備；(3)潛盾自動方向控制設備；(4)有害氣體偵測設備。分述如下： 1.通訊、廣播、監視設備：於工作井上部，底部及潛盾機內設置攝影機，並將影像傳送至工地辦公室，以便工程人員了解工作現場狀況。另於機關車之環片台車尾端設置攝影機，以利機關車駕駛能控制環片台車正確之停車位置，避免環片碰撞損傷。另於工作井上部之環片吊車、棄土吊車、背填灌漿設備等處，工作井底部以及潛盾機內設置話機，提醒施工人員注意。於背填灌漿設備處、環片吊車處及工作井底部則設置廣播喇叭，以便對多數人提出警示或指示。 2.安全走道設備：為使施工人員安全進出隧道，於隧道側邊設置扶手欄杆及走道。扶手欄杆採鋼管，立柱高度約1m，底部連結強力夾與鋼枕結合，頂部用萬向接頭與橫向欄杆連結，走道部份寬約70cm, 鋪設木板以便人員通行。安全走道剖面如圖10所示 3.潛盾自動方向控制設備：為進一步提高施工精度，即時掌握各項施工及潛盾機等數據，採用精確之線形管理系統；系統與潛盾機、背填灌漿等設備之控制盤連結收集所有施工紀錄外，並透過即時測量隨時掌握潛盾機位置、狀態，經電腦重新計算隨時修正掘進軌跡，提供更高可信度及高精確度掘進管理系統。 4.有害氣體偵測設備：潛盾機內設置有害氣體偵測設備，偵測有毒氣體(甲烷,CH4)是否超出容許值及隧道內含氧量是否充足，並隨時提出警示。另一氧化碳濃度另以手持式偵測器偵測。  圖6 潛盾環片製造  圖7  圖8  圖9  圖10 安全走道 |
以上、220V電路在0.2M