| □白郁宇／土木技師 正佳營造工程地質顧問 |
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一、前言 TBM鑽掘岩石隧道，對於地質狀況非常敏感，前進速率從1m/月到1500m/月的變化可說與地質狀況有關或TBM無法適應地質狀況，特別是厚層硬岩或穩定性低的岩盤。營造廠在選擇機器及投標時TBM的前進速率預測是關鍵的，由於錯誤或誤判可能會有嚴重的後果，如利潤損失及無法如期完成工程。目前，世界上有很多預測TBM行為的模型，一個有用的及完善的預測模型其所需要的預測成果須要包括單位前進率、切刀的損耗和更換時間、前進速率及成本估算。本文將採用QTBM〔1〕、NTNU〔2〕及Alber〔3〕3種預測模型預測曾文水庫越域引水工程計畫－東引水隧道採用TBM挖掘隧道所需工期及工程所需費用，並進行比較。 二、TBM行為的影響因素 影響TBM行為的因素有地質與地工因素、機械與操作因素及組織因素，詳如表1，由表1可看出數種不同因素間相互的影響。
石英含量豐富的岩石影響切刀的壽命(CLI＝14(SJ/AVS)0.3847〔6〕)，切刀邊沿因磨損造成壓碎岩石的效率降低，經常需要停機更換切刀。孔隙率越大，岩石單壓強度越低，切刀貫入岩石較容易，同時，因為高的掘進速率使得切刀磨損提高，因此，軟而多孔隙但石英含量豐富的岩石對PR有不利的影響。 F/i隨σV( 覆土荷重)/σm(岩盤單壓強度)增加而降低〔7〕，但是厚層岩盤或高應力岩盤會增加掘進困難，所以，須考慮節理間距的影響。較快的貫入的關鍵因素是節理間距、抗張強度及節理面的位態。板岩和片岩抗張強度較低，其弱面位態在某一範圍內容易掘進，在此一範圍外不易掘進。層理(葉理、片理)的傾角越大(層理近垂直)或越小(層理近水平)〔8〕，TBM的PR越小，傾角在40°∼60°(45°+ψ/2)時PR最大，ψ為岩盤內摩擦角。最有影響的構造面(近)平行隧道軸，由於須要較多的支撐或超挖產生的問題，將減少PR及利用率(U)，所以，採用平行於隧道軸向的RQD較能吻合實際的PR，層理(葉理、片理)的走向垂直隧道軸，有利於PR、U及前進速率(AR)。對σC高的岩盤而言，岩盤的破碎程度相當重要〔7〕，因為岩盤完整性佳時切刀不易掘削，緊閉的節理不利於PR〔9〕，如下述Star Mine導坑所遭遇的情形，夾泥之節理有利於PR，但由於夾泥之節理需要支撐，不見得有利於U，所以，節理強度增加(節理面粗糙度評分(Jr)/弱面品質評分(Ja))，PR減少，岩塊大小增加(隧道軸方向岩石品質指標(RQDo)/節理組數評分(Jn))，U增加。 TBM穿過擾動帶地層，如果遇到非剪脹節理或足夠多的節理組數，會發生超挖或需要早期支撐。密閉型TBM無立即設置噴凝土及岩栓的支撐設備，如果機身太長或掘進速率太慢，岩盤曝露的時間過長造成不利的岩盤鬆動，甚至因岩盤自立時間短暫而產生隧道坍塌。開放型TBM的支承力可能損壞隧道壁或造成頂拱岩盤的不穩定，水平應力小於垂直應力時，頂拱和仰拱為受張狀態，增加岩塊掉落的風險。高應力所產生的高圍束應力增加岩盤強度使得掘進本身需要更多的時間。原則上，深埋的TBM隧道潛在問題上類似長鑽孔－潛在的超挖或擠壓。西班牙的Abdalajis隧道遭遇未預期的高濃度瓦斯，瓦斯壓力惡化岩盤，為加強通風(瓦斯濃渡＜10% LEL(Lower Exposive Limit，LEL＝5%(瓦斯體積/空氣體積))及對設置灌漿管幕使得密閉式TBM前進速率大幅降低。隧道開挖面前方存在剪裂帶，可能遭遇突水而伴隨巨大土石流，土石流會危及擠壓隧道的安全，印度Dulhasti計畫的隧道密閉式TBM因此被泥流淹埋。 開放型TBM的行為較密閉型TBM困難評估，岩盤的品質強烈地影響此2種機型的行為。混合開挖面(指隧道開挖由破碎及完整岩體或軟硬不同岩體所組成)亦有不少潛在的問題，尤其是軟硬變化大的開挖面，硬岩塊從軟岩質中掉落下來造成刀盤被卡住、輸送帶的超載及增加振動。隧道不穩定影響支撐需求，過大的變位及岩楔掉落亦產生支承(gripping)問題(開放型TBM)，因此，推進力受到限制及需要輔助系統。地下水(水壓)沖出不連續面或斷層充填物，使超挖惡化和形成煙囪型崩坍，刀盤被卡住及泥流流入機倉內，會使TBM電力操作出問題。Q分類系統的每一參數可反應上述潛在問題的產生。 遇到好的岩盤時，TBM的尺寸越大，其掘進速率越快，但遇到壞的岩盤時，TBM的尺寸越小，其掘進速率越快〔10〕。Star Mine導坑的岩石為石英砂岩，硬、脆、裂隙密集及高應力(類似雪山隧道的四稜砂岩，受剪裂破碎)，PR少於0.12m/hr，岩盤“硬如鋼”〔11〕。高應力引發開挖面岩盤剪裂(二軸應力狀態)，使得法國阿爾卑斯山在Mont Vernis的隧道的PR低於0.18m/hr。高應力與隧道開挖面及壁的穩定在不利的相互作用下，使得切刀的壽命及TBM的利用率困難預測，剝落岩塊對切刀、切削盤及盾殼造成顯著的問題及影響其後的反力座(gripper)。 由於隧道沿線地質的變化，PR有可能從10m/hr降到0.1m/hr，未來TBM的設計要能符合這樣的地質變化，更重要地是要能將現今的AR從7m/hr(澳洲Blue Mountains計畫，隧道開挖直徑4.2m)變到0.003m/hr的範圍，利用探測、良好的岩心取樣及先期處理將變化範圍縮小。 假如岩盤的強度固定，F對PR有很強的影響〔5〕，對高強度的岩盤及低強度的岩盤，F要多大才能對PR有相當顯著的改變〔12〕? 是F大於200kN? TBM穿過斷層破碎帶時(Q≒0.001∼0.01，岩盤自立時間為0)，大的F可提高PR或造成開挖面不穩定？TBM動彈不得或隧道坍塌? F增加同時增加PR，但當QTBM值＜1時岩盤開始出現不穩定，此時操作者須減少F〔1〕，F使得QTBM值≒1時前進速率最大。 三、TBM隧道段地質及地工描述 曾文水庫越域引水工程東引水隧道沿線地質剖面圖詳見圖1。(一) 岩石及岩體性質 1. 岩性
岩體之破碎程度是根據中興顧問(93年)、亞新顧問(87年)、聯合大地(84、86年)之地質調查〔13〕報告及地質力學理論作為研判依據。鑽孔DB-93-04(高中斷層)除斷層擾動帶較為破碎外，岩體弱面為剪裂面及節理，節理面少有擦痕且多數為方解石所充填，只有近地表擾動帶節理有鏽染，RQD統計結果為Uniform分布，平均值為45；DB-93-05(高中斷層與老人溪背斜間)之節理面在不同深度均有鏽染，無鏽染之節理被方解石充填，節理面少有擦痕，RQD統計結果為BetaGeneral分布，平均值73；DB-93-06(老人溪背斜)有40道剪裂面(帶)，剪裂帶夾泥和角礫，多 數節理有擦痕，無擦痕之節理有方解石充填，亦有方解石之解理面有擦痕，RQD統計結果為Triang分布，平均值57,破碎帶RQD統計結果為Triang分布，平均值31，下部岩體較上部岩體佳；DB-93-07(老人溪向斜)有多道剪裂帶，且夾泥或角礫，許多道薄層泥，厚度0.5∼3mm，多數節理有擦痕及夾泥，無擦痕及夾泥之節理有方解石充填，亦有層間滑動及夾泥，上部砂頁岩互層RQD統計結果為Normal分布，平均值32，下部砂岩層RQD統計結果為Normal分布，平均值64，上、下部岩層RQD統計結果為Uniform分布，平均值50。上述4鑽孔所得結果與地質力學理論相吻合〔14〕。 東引水隧道TBM段岩體描述
由於有岩壓問題，岩體分類採用Q分類系統，GSI(地質強度指數)＝9Ln Q’+44〔15〕，其中Q’＝(RQD/Jn)(Jr/Ja)。用統計軟體求出岩石之UCS(岩石單壓強度)、γ(岩石單位重)、孔隙率及石英含量之平均值和標準偏差，由於紅花子層無岩石單壓強度試驗，其UCS取三民頁岩層與長枝坑層之近平均值〔16〕。 岩石
 圖1 曾文水庫越域引水工程東引水隧道地質剖面圖
1. 現地應力 根據鄺寶山(台灣，1993)、Voight(1966a)、Herget(1974、1987)、Worotnicki(1976)、Haimson (1977)、Lindner(1977)、Li(1986)、Pine(1989)、Arjang(1989)、Sugawara(1993)、Hast(1993)、Te(1995)、Lim(1995)及Stephansson(1993)所建議最大水平主應力隨深度變化的線性方程，經計算及統計分析後，靜止側壓係數之平均值及標準偏差詳見圖1。根據鄺寶山公式推估靜止側壓係數為1∼1.3。 2. 地下水 湧水量計算是根據地下水動力學法之公式(洛河敏郎法、大島洋志法、科斯嘉科夫法、日本隧道學會法、Goodman法、一般法)，並經統計分析後，湧水量之平均值及標準偏差詳見圖1。鑽孔DB-93-04、DB-93-05、DB-93-06、DB-93-07均有地下水自孔口湧出，將鑽孔孔徑代入Goodman公式所得湧水量與鑽孔時之湧水量大致吻合。 東引水隧道TBM段湧水量預估
註:雪山隧道TBM因湧水，造成機頭上方及前方抽坍，致使TBM受困無法前進共8次，湧水量0.3∼9m3/min〔17〕。
地溫預測計算採用RIMINI地形數組，沿規劃的隧道軸線以0.5km間距進行，預測結果詳見圖1。地下水的滲透會使岩層的溫度降低，由“熱傳導”預測的溫度與實際量測的溫度之間的偏差值，可用來預測隧道施工時可能遇到的湧水量的大小，偏差值越大，湧水量越大。圖2為井溫量測成果，DB-93-04及DB-93-05井溫在22°∼28°(孔底高層為約800m及1000m，隧  道高程約550m)之間，顯示地下水的補注-流動-排泄流暢。DB-93-06之孔底高程約550m，井溫為36.5°，老人背斜預測岩溫44°，DB-93-07之孔底高程約500m，井溫32.6(EL.550)，老人向斜預測岩溫39°，顯示地下水的補注-流動-排泄不流暢。水平孔DB-93-01孔底井溫30.2°，預測岩溫33°，顯示地下水溫受地表溫度的影響。從老人背斜及向斜之預測岩溫與井溫之差(7°)，高岩覆段預測岩溫47°∼56°應降為40°∼49°。 4. 有害氣體 隧道開挖時瓦斯(有害氣體)的湧出量預估考慮隧道埋深、岩溫、岩層孔隙及隧道開挖前進速率〔18〕。
註：害氣體湧出量＝湧水量×吸收係數×(1＋水壓)，吸收係數與地下水溫有關。
岩體行為評估採用Singh et al(1992)、Goel et al(1995)、Jethwa et al(1984)、Hoek和Marinos(2000)、Chen和Kuo(1997,台灣,Barton (2000))。覆土深度是將地形剖面線形視為機率分布而進行統計分析。 東引水TBM隧道段岩體行為
註：隧道擠壓程度是依Singh et al、Goel et a、Jethwa et al、Hoek Marinos、ChenKuo各自所定之隧道壁面變位大小而定。
四、TBM的性能及施工成本 本研究所採用WIRTH TB630 E/TS雙盾TBM，其刀盤性能如下： 本研究只考慮TBM三班制的勞力成本和相關人事成本，不考慮機具設備及材料成本，其項目如下：  五、預測模型 曾文水庫越域引水工程計畫－東引水隧道總長度9628公尺，隧道開挖直徑約6.5公尺。TBM前進速率預測模型所考的因素(詳附表1、附表2、附表3)及計算公式概述如下，詳細內容請讀者詳閱參考文獻〔1〕、〔2〕、〔3〕。(一) QTBM預測模型 此模型由Barton所發展出來，用來預測TBM的單位前進率及前進速率，根據145個TBM隧道總長超過1000km，包括硬岩、軟岩斷層岩盤及很多極端案例。此模型是根據擴大的岩體分類Q系統及岩體強度與平均切刀推進力的關係，考慮岩石的抗壓(張)強度的組構方位或岩體的構造弱面(如劈理、片理、層理，β)方位的影響、岩石的研磨和非研磨性質與切刀壽命指數(CLI)的關係，亦考慮岩石的孔隙率(n)、石英含量及現地應力，採用隧道軸向的RQDO，岩體單壓強度SIGMAcm=5γQC1/3。由於隧道軸向近似垂直地層走向，傾角在45°上下，採用鑽探所得之RQD為RQDO。切刀推進力使得QTBM接近1時，TBM的AR最大，但是F過大使得QTBM<<1時，岩盤產生不穩定因而造成崩坍、嚴重超挖、支承問題或切削盤夾住(台電碧海水力發電工程第I-B標隧道工程，採用開放型 TBM(short shield)挖掘隧道，岩盤為片麻岩、大理岩及片岩，由於切削盤擾動岩盤造成岩塊掉入操作室及支承問題(筆者與台電鍾宗林分隊長電話中的交談)，TBM陷入兩難，切削盤推進力過大擾動岩盤，切削盤推進力小，不易切削岩盤；雪山隧道TBM開挖進度緩慢的主要原因為破碎性堅硬岩盤，TBM切刀並非真正貫入造成剪力破壞之岩屑，而大部分係切刀撞擊岩塊產生震動造成岩塊節理弱面破壞的重力剝落現象，致超挖太大，開挖碴料產能不穩定，導致碴料輸送系統常因超載故障、切削盤阻力太大轉不動…〔17〕)。 評估結果通過高中斷層(2+300∼2+600)需要586.8月，意味TBM將受困在高中斷層中，須採用類似雪山隧道所採用的補救措施，所以建議0+000∼2+600不採用TBM挖掘隧道。2+600∼9+628所需工期186個月，主要問題在老人背斜及向斜，如果在老人背斜及向斜進行排水(Jw由0.33提高至0.5)或灌漿處理(Jr由1提高至1.5)，所需工期分別為68個月及70個月(詳表2)，就工期及效果而言以排水為佳，故本評估只考慮排水。假設排水鑽孔採用一部HD-190鑽機，最大鑽孔深度50m，鑽孔速率50m/日〔19〕，每次鑽4孔，排水隧道長度1200m，每40m鑽一次排水孔，鑽孔所需時間4月，假設鑽完孔後Jw立即提高至0.5，所以預估工期72月。經排水後勞力成本(詳表3)和相關人事成本(詳表4)由3,582,488,752元降至1,595,897,709元。
表2
 表3 排水後TBM勞力成本試算表  《未完待續》 |
