公路隧道消防工程設置規範及制度之探討(上)

□謝宇珩／臺北市政府捷運工程局北區工程處 副處長
□何啟誠／臺北市政府捷運工程局北區工程處 助理工程師

一、前言

        卵礫石層在台灣的分布相關廣闊，而其主要分布區域如台北盆地、桃園台地、台中盆地、西南平原等都是人口聚集、產業發達之地，尤其近年來，在政府大力推動下，多項大型的公共工程紛紛採用潛盾施工，如都會區捷運系統、地下維生管線(如衛生下水道系統、自來水幹管、電力及電訊系統等)。而潛盾工程之成敗關鍵在於潛盾機，因此潛盾機的選擇關係重大，但因卵礫石層有其特殊性，致施工時常會遭遇障礙甚至停機，而捷運土城延伸線頂埔段上、下行隧道於出發後分別於90公尺及122公尺發生停機事件，故本文擬就該標採用之潛盾機來探討卵礫石層施工時其開挖設備的選擇及考量因素。

二、基地概況

        CD552區段標的潛盾隧道起於新北市土城區中央路四段與三民路口附近，終於土城線永寧站南端，潛盾隧道上行線長度為1529.416公尺、下行線長度為1528.634公尺，全線覆土深度約12.3~22.3公尺，而地下水位深度在出發端約在地表下11.3~12.5公尺之間，而到達端時之水位已提升至在地表下3.5公尺處。(詳圖1)
        該區地質以回填層、卵礫石層及砂岩層為主，其中回填層位於地表下0.8公尺至3.0公尺之間，平均厚度約1.2公尺，為疏鬆的黃棕色粉質中細砂；而卵礫石層約位於地表下1.5公尺至24.55公尺之間，厚度約20公尺、平均粒徑為30~40公分成極緊密程度，目前已發現的卵礫石最大粒徑可達120公分(詳圖2)，而卵礫石間的填充物為黃棕色至棕黑色粗中細砂；另自地表下20.3公尺至最大鑽孔深度40公尺為灰黑色膠結不完全的砂岩層，該砂岩層經研判係屬桂竹林層，其膠結程度疏鬆，而岩石單壓強度為1~38kgf/cm2之間，RQD均大於95%，岩層尚屬完整。
        本標潛盾隧道通過沿線的土層分布主要可分為三大區域，即發進端(0K+300)至0+850附近將主要遭遇卵礫石層、0K+850~1+750附近將遭遇砂岩層、1k+750~1k+827附近將遭遇粉土質中細砂。

三、頂埔段潛盾機的基本資料

        類型名稱：土壓平衡式(詳圖3)



類型名稱：土壓平衡式(詳圖3)

        潛盾機本體可分為盾首、盾身及盾尾等三部分，其中盾首內為保持開挖面壓力及充滿挖掘土砂及泥水的空間，同時亦為切刃轉盤所挖掘的土砂移送至排碴設備的通道，而該盾首的結構將決定該潛盾機的型式及適合於何種地盤施工；盾身之部分則放置推進千斤頂、切刃軸座、切刃轉盤驅動設備、中折設備及排碴設備等之用，故需考量其空間大小及配置，另該段因支承潛盾機所承受的全載重，故需有足夠的強度與剛度；盾尾部分則配置環片組裝機並於後端設置盾尾封圈。另潛盾機以功能區分為則其組成包含主體、開挖設備、推進設備、環片組裝設備、操作設備及附屬設備等。(詳圖4、5)
        以台灣地區而言，潛盾隧道所經過的地質環境一般都有其複雜性，因此所規劃的潛盾機需具有足以因應地質的強度與剛度外，亦須有耐久性、施工性、安全性以及經濟性，而當潛盾機於卵礫石層施工時之建議則可參閱「潛盾隧道設計及施工準則與解說」中特別留意的應考量事項，如切刃面板側面形狀、切刃裝備(種類、配置、安裝方法)、間隙寬度及長度、切刃扭矩、切刃旋轉速度、超挖設備、是否需要攪拌裝置、排泥管徑、考慮螺旋輸送機型式等排出最大礫石之排土設備、各部位磨耗對策等。
        針對上述所言，本文擬就捷運CD552區段標潛盾機為例，來探討於卵礫石層施工時建議採用的開挖設備：
(一)切刃轉盤(cutter head)
1.切刃轉盤型式
        切刃轉盤的型式需考量地盤條件，依目前工程界較常遇到的地質其所建議採用的型式如圖6；而切刃轉盤的結構則有輪輻型(Spoke)、面板型及構架型，國人一般較常採用的是輪輻型及面板型兩種，而以卵礫石層為例，其處理方式不外乎是採用「破碎」或「抱排」，頂埔段所選用的潛盾機切刃面盤係要求盡量將開口率增大(約66%)，採卵礫石不破碎之情況下將卵礫石直接進入機內排除之設備，以減少切刃磨耗並提升掘進速度，所以採用輪輻式(詳圖3)，但以「抱排」來處理卵礫石時，其開口並不是毫無限制的開放，若潛盾機未設置中間環及限制塊(詳圖7)或無輔助設施(如：破碎機等)之下，當有較大型的卵礫石進入土艙時容易產生閉塞的情形。
2.倇倃聉烤偍烯偢烀2.切刃轉盤前端形狀
        切刃轉盤前端的形狀一般有平面型、半圓型(semi-dome)及圓頂型(full-dome)(如圖8)，其採用的原則需由開挖面的穩定及土質條件等來決定，而一般於卵礫石層施工時建議採用半圓型(semi-dome)或圓頂型切刃轉盤，但因費用有所差異，故國人通常採用半圓型切刃轉盤。
        當採用半圓型切刃轉盤時，其外周設計並非作為增加切刃轉盤的耐磨性之用，而係避免外周面盤不會在第一時間接觸開挖面，進而減少外周所承受的扭力以及降低磨擦力，且可減緩外周的卵礫石因開挖而導致其周遭土層的鬆動。
        頂埔段所採用的切刃轉盤為一般土層所使用的平面型，而該設計其外周受力最大，且切刃之行程亦最長，因此外周切刃齒之磨耗較大且易於掘進過程中與卵礫石發生碰撞而損毀(詳圖9)，故當採用該型式時，於設計階段就需應針對切刃轉盤的外周切刃齒數量、強度及種類(如採用滾輪式切齒等)審慎進行評估。
        現廠商為因應平面型切刃轉盤於卵礫石層施工時之不足，雖於1、2號潛盾機停機整修期間，於其外周加裝3顆滾輪式切齒來部分替代半圓形切刃轉盤的功能，但為減少滾輪式切齒的磨耗及與卵礫石的撞擊(詳圖10)，則建議仍須詳細檢討滾輪式切齒的裝設位置並加裝摩擦焊條，以增加滾輪式切齒的壽命。

3.切刃轉盤支承
        切刃轉盤支承方式的種類有中心軸支承、中間支承、外周支承等方式(詳圖11)，而其特徵如下：
        (1)中心軸支承：以圓形潛盾機盾首中心為單一支承，此一傳動方式軸承最小。但相對的對偏心力矩抵抗力較弱，致容易產生偏心載重，因此使用在大斷面或岩、礫石地層時，其結構設計要慎重考慮。
        (2)外周支承：支承外周為環狀構造，軸承最大。對中小斷面潛盾機而言，偏心力矩最小，盾首中央可運用空間大。但排土位置須提高，容易於周邊造成滯留黏著等現象。
        (3)中間支承：為結合中央、周邊支承之優點，支承為數跟支撐樑連結於中間之軸承上之結構，軸承界於上述兩者之間。
        而上述各支承型式目前係以軸承方式為主，其原因為軸承精度高、軸心振動少、可確保軸封之油封與塵封之機能及摩擦損失少，其驅動方式一般可分為油壓與電動驅動二種，而於卵礫石層或急曲線施工時則建議採用油壓馬達驅動，因該方式對於過負載之適應較佳且轉速可隨意從0至其極限值，因此轉速變化容易，但其油溫之熱能較高；另目前國人常用的電動馬達雖其驅動動能效率佳、噪音與熱能低且若配合使用變頻器之周波數變換亦可無段變速，但因於卵礫石層及急曲線施工時其轉速須隨時調整之下，仍不若油壓馬達來的好用及方便。
        頂埔段所使用的潛盾機支承方式為目前國人較常採用的中間支承，該型式除切刃轉盤支承位置於結構上較為有利，於卵礫石層施作時可承受較大扭力及可作為攪拌棒使用外，其螺運機(Screw Conveyor)可裝設於土倉之底部，土碴則可自然的往重力方向流動，易於控致土艙內的土壓，惟易造成切刃中心段的土壤附著於上及阻塞(詳圖12)。
4.切刃(cutter bit)
        由於掘進開始後切刃齒之改造不易，因此其選擇應針對構造強度、耐久性、機能等進行檢討，基本上切齒配置必須能對開挖面整體進行均勻切削，直徑愈大外周切齒配置愈多，而在設計上以同一軌跡採複數切齒配置，軌跡愈多切齒磨耗壽命愈久，相對成本愈高。
        切刃的種類有齒狀鑽頭、滾輪切刃、先行鑽頭及殼鑽頭等，其中滾輪切刃是國人於卵礫石層施工時最常配置的切齒，惟建議須加設摩擦焊條，以增加其耐磨性及壽命，但該切齒不適用於風化岩層或軟弱地層之掘進工作，而其原因係因該切齒於上述地層施工時無法發揮貫入破碎的的功能，且於風化岩層中掘進時容易產生偏磨耗的情形。
        另切齒的安裝方法，有插榫、螺栓及銲接等安裝方法(詳圖13)，當遇到複合地質、切齒磨耗較大或較長距離之鑽掘時，宜使用裝卸容易的插榫或螺栓安裝，或可於設計階段考量安裝援助切刃(rescue bit)設備、滑座式刀刃(slide)更換設備或中繼切刃設備等，而該切刃設備於更換刀刃時不需構築工作井或施作地盤改良，可大幅降低施工費用及縮短工期。
        頂埔段採用的潛盾機因針對卵礫石層對應之方式僅將卵礫石直接排入土艙，不對卵礫石進行切削及破碎，因此僅選用先行鑽頭(強化、外周)、一般切刃齒及強化先行齒，總軌跡計有23圈，其中一般切刃齒係採複數配置，但強化先行齒之配置除於距潛盾中心約217公分處採單數配置外，其餘部分仍採複述配置，而該配置依據第一次開艙結果，1號機的一般切刃齒磨耗量約為14.8~59.8mm，磨耗單位量為0.261~0.694mm/km、強化先行齒磨耗量為0~11mm，磨耗單位量為0~0.415mm/km(詳圖14)；2號機的一般切刃齒磨耗量17.3~68.3mm，磨耗單位量為0.217~0.392mm/km、強化先行齒磨耗量為0~74mm，磨耗單位量為0~0.460mm/km(詳圖15)。
        由分析圖知1號潛盾機一般切刃齒越接近潛盾中心其磨耗單位量越大，而該情形與機場捷運線的經驗約略相同，然2號機就不明顯，但不論係1號機或2號機其強化先行齒的磨耗量遠小於一般切刃齒，而其原因經研判強化先行齒其設計高度雖較一般切刃齒為高，但數量不多，故當其觸碰到卵礫石時僅有撥的功能，而實際切削則由一般切刃齒負責，因此當一般切刃齒磨耗較大時，強化先行齒與卵礫石接觸下將容易斷裂，因此建議須通過卵礫石層、砂岩層、粉質黏土及粉質砂土等複雜多變的地質時，其切齒的配置需多元化，且建議採用不同的切齒及採高低差配置，以延長切齒壽命，並強化各種不同型式切齒的耐磨性。
        另針對頂埔段採用中央切刃齒(魚尾切刃)之部分，因該設備一般係用礫徑小於30公分以下的卵礫石層以增加掘進過程的拔心作用及進土，但若卵礫石顆粒過大之下，因該設備無法將卵礫石破碎之下將無法達到拔心的功能，且易造成魚尾切刃的損耗(詳圖16)，而為加強其耐磨性，可於該切刃齒上加裝耐磨焊條，但成效仍有限。
5.排碴裝置—螺旋輸送機
        螺旋輸送機的選擇需適合於地盤條件且具有能將挖掘的土砂順暢排出的能力，而其型式大致分為軸式的螺旋輸送機與無軸的帶式螺旋輸送機，其中軸式之螺旋輸送之優點係可脫水及壓縮，故其輸送出的土量與實際開挖量較為符合，而無軸的帶式螺運機其優點為可將排除之礫徑大型化，而該部分依據陳正勳、何泰源、陳福勝先生於卵礫石層潛盾隧道設計考量研析中之研究，當採無軸式輸送機時其可因應之卵石尺寸約為2/3φ(詳表1)，因此於卵礫石層施工時較建議採無軸之帶式螺運機，惟該設施若使用於高壓水層時容易會有噴發的情形。
        頂埔段的潛盾機亦係採用無軸螺旋絲帶式輸送機，其直徑為961MM，其預估最大可通過的礫徑為690mm，而當選用該設備時，建議多加設置開口或加泥注入口，以利螺旋輸送機阻塞時可進行排除作業之用。

五、結論

        潛盾工法已被廣泛運用在地下化工程，其成敗關鍵在於潛盾機的選擇，但因目前國內多台潛盾機因故停機之主因仍在於事前未能詳細進行地質調查，且於潛盾機設計階段未能詳細思考相對應之配套措施所致，再加上施工階段的掘進管理不佳，因此希藉由以往的一些經驗能提供國內潛盾工作者做為後續於卵礫石施工時的潛盾機選擇之參考。