簡介機械化施工之通風直井工程

□劉弘祥／中興工程顧問股份有限公司
□林孟德／台灣電力公司青山施工處
□黃崇仁／中興工程顧問股份有限公司
□李錦浚／台灣電力公司青山施工處

摘要
        為了避免土石及淹水災害再度發生，特別將大甲溪發電廠青山分廠之廠房通風直井向上延伸241m至舊棄碴場，故必須採用管冪鋼管工法及全套管排樁工法克服邊坡不穩定及井口段鬆散碴料的問題；再利用昇井工法完成深井之導孔及擴孔作業，以利後續降挖之碴料經由擴孔倒入底部之連接隧道，加速出碴作業。直井貫通後再以地面門型吊車吊裝鋼模、組立鋼筋、澆置混凝土襯砌及環梁；直井內部安裝預鑄鋼筋混凝土井字梁、電梯及樓梯。

一、引言

        1999年921集集地震及其餘震，導致中部大甲溪兩岸自德基水庫以下至天輪壩間崩坍嚴重，不但造成中橫公路台8線及台8甲線大部份路段中斷，且崩坍土石遇雨變成土石流，大量砂石自山坡沖下並堆積於河床。於2004年7月1日敏督利颱風來襲，其引進的強烈西南氣流，造成自7月2日至7月4日3天內在台灣中南部超過1,000mm之降雨量，此即「72水災」；緊接著2004年8月26日艾利颱風來襲，再次加重青山分廠災情，主要災損包括：
         (一)河床淤積至尾水平壓塔出風口及地下廠房出風道，致使地下廠房及變壓器室等淹水；
         (二)地面式開關場旁河床淤高約15m；
         (三)開關場微波機房及修理工場遭土石掩埋；
         (四)廠區入口青楓橋沖毀；
         (五)尾水出口遭土石埋沒；
         (六)谷關至青山分廠間通達便道中斷。青山分廠布置及災損如圖1所示[1]。
        經審慎考量整體環境，復建工程規劃之原則為「順應自然、尊重自然、不對抗自然」，其基本考慮有下列四點：
         (一)避開大甲溪河床淤積及洪水之影響；
         (二)避開土石流及不穩定邊坡之影響；
         (三)既有土木設施儘可能保留利用，並予以補強以延長使用年限；
         (四)機電設備重新規劃藉以提高發電效率。
        依據「大甲溪發電廠青山分廠復建計畫可行性研究報告」[2] 及「大甲溪發電廠青山分廠復建工程技術服務工作服務建議書」[1]，本復建工程主要工作包括：
1.復建工程
         (1)既有地下廠房之整建、改善及補強；
         (2)新建廠房通風兼緊急逃生直井總長約241m及連接隧道總長約59m，以便發電產生熱氣排放至地表面。
         (3)開關場自原地面式移設至距離既有廠房通道洞口約50m山腹內並更新為SF6 GIS設備；
         (4)既有尾水隧道向下游延長至谷關壩上游左岸約420m處，隧道延長段總長約2,120.5m；
         (5)新建廠區對外聯絡通道，由既有廠房通道向下游延伸至台8線44.1k壩新路口處，隧道總長約5,684m；
         (6)地下廠房區裝設豎軸法蘭西斯式水輪機4部，設計水頭約275m，設計流量共每秒約150m3，總裝置容量約36.8萬瓩等相關工程。
2.配合復建工程，修復或改善青山壩區及附屬結構、發電水路、土石方堆置場、青山壩區清淤及附近上下游崩坍處理、台8甲線施工便道修建、青雲路及青廠路修復等工作。
        大甲溪發電廠青山分廠復建工程平面佈置圖，如圖2所示[1]，由於篇幅有限，本文僅就青山分廠復建工程廠房通風直井之規劃、設計與施工說明如後。廠房通風直井工程的業主及監造單位為台灣電力公司，規劃及設計單位為中興工程顧問股份有限公司，施工單位為互助營造股份有限公司。

二、廠房通風直井之規劃

        新建廠房通風直井，直徑6.0m、深約241m，除供廠房內部排風需求外，並設高速電梯1座及螺旋梯供人員緊急逃生用。
        青山分廠地下廠房位置之岩性主要為厚層石英砂岩層，僅在其西緣之變壓器室有板岩夾層，廠房軸線方向為N71ºW，上下游側各有1條約略平行廠房軸向之斷層，斷層位態(N80ºE／75ºNW及N80ºW／80º～90ºNE)與地層位態(N5ºE／50ºW)幾近垂直，而與主要節理位態(N70ºW／80ºS)接近，其中廠房下游側之斷層帶寬約25m。由於山體表層岩盤之節理受應力解除之影響而開張，此類開張節理有可能因地下水水壓提高，發生水力破裂，增加開口節理之開張度，也會造成滲水量大增。
        由於新建廠房通風直井的深度達241m，最佳的開挖方式是採用昇井工法，其具有快速、安全、環保且易於排水及出碴等優點，惟其應用之先決條件需於底部有已挖通之隧道或橫坑相連，以供施工中更換擴挖鑽頭與出碴之用，且需開設通達便道至直井頂端以利後續施工。基於上述考量，規劃於既有廠房高程El.956.0m處新建連接隧道，並於地表面青雲路旁設置直井洞口，符合昇井工法之要項需求。
        昇井工法的主要流程包含導孔施鑽、擴孔鑽掘及開炸擴挖三大步驟，如圖3所示[3]。

三、通風直井及連接隧道開挖與支撐設計

        本段通風直井採用昇井工法，而連接隧道採用鑽炸開挖工法，其支撐工設計採新奧工法(NATM) 觀念進行開挖及支撐設計，先以類似經驗法擬定各型支撐工配置，再以調查或推估所得之岩體參數為依據，配合現地實際地質條件及以往施工經驗之回饋，若有不足或過量再調整支撐量至最適當為止。
(一)井口段直井開挖與支撐設計
        根據設計階段之1-F-01鑽孔、補充探查之2-F-01、2-F-02、2-F-03、2-F-04、2-F-05、2-F-06鑽孔及承商施工階段#1、#2及#3等鑽探結果，顯示通風直井所在平台其地表覆蓋厚約3.1~22.75m的崩積層，且厚度由C橫洞往南側變淺，研判該平台為原青山分廠C橫洞開挖時將碴料回填於山凹處所填築而成，而目前設計之通風直井位置為堆積層較厚的斜坡處，約15~20m，主要由堆積岩塊夾砂、土所組成。而其下伏基盤主要為厚層石英砂岩偶夾板岩，岩質堅硬，惟因高角度節理發達，岩體較破碎，並具多處剪裂破碎帶。由於通風直井深達241m，為了克服地質與深度等不利因素，設計以管冪鋼管工法及全套管排樁工法克服邊坡不穩定及井口段鬆散碴料的問題，再以昇井工法鑽掘導孔及擴孔，如圖4所示[4]，其施工步驟如下所述：
        1.鑽設下邊坡側管冪鋼管長度24m，每支鋼管中心間距為0.5m，以減少全套管場鑄樁施工時對下邊坡的影響，並作為門型吊車軌道的基礎；
        2.施作全套管場鑄樁，樁徑1.2m，考慮廠商施工精度要求，全環共施作21支樁，亦即每支樁中心間距為1.26m，環內再以H150×150型鋼支保@1.50m內撐；         3.昇井工法的假設工程；
        4.向下施鑽導孔；
        5.向上鑽掘擴孔；
        6.施作井口段鋼筋混凝土井圈；
        7.逐層向下鑽炸開挖及支撐。
(二)通風直井開挖與支撐設計
        通風直井通過之地層以石英砂岩及板岩為主，常用之NGI-Q及RMR定量分類法較適用，因此本直井一般段之岩體依評分區分為5類，據此設計直井5種支撐工，如圖5所示[4]。為了符合現代直井彈性施工新觀念與採用新材料的趨勢，本套設計圖與規範採用許多新措施，主要項目說明如下：
                1.本直井先採用昇井工法向下施鑽導孔及向上鑽掘擴孔，再逐層向下鑽炸開挖及支撐，開挖碴料直接倒入擴孔內，最後由底部的連接隧道運出碴料，可加速直井的開挖的速率；
        2.依現代直井邊施工邊設計(On-going Design)之觀念，配合直井監測系統，甲方工程師可視實際地質情形指示調整各型支撐工之數量、尺寸、位置或採取必要之應變措施；
        3.考慮承包商的自主性與施工習性，於第III及IV類岩盤等級中再分別細分為A類及B類，A類主要支撐材料為岩釘與鋼纖維噴凝土，B類主要支撐材料為桁型鋼支保與鋼纖維噴凝土；
        4.考慮承包商的自主性與施工習性，承包商可選擇最適用的支撐材料型式，例如：岩釘型式應依甲方工程師指示採用SN岩釘、樹脂岩釘、膨脹管岩釘、開縫管岩釘、自鑽式岩釘或玻璃纖維岩釘。鋼纖維噴凝土得依甲方工程師指示，依設計圖厚度對照表，採用噴凝土及鋼線網替代，若採用噴凝土時AB線間距適量調整。鋼支保型式經甲方同意可以H型鋼支保替代桁型鋼支保。先撐鋼材種類應依甲方工程師指示可採用#11先撐鋼棒、40mm∮先撐鋼管、注膠先撐鋼管、自鑽式岩釘或型鋼；
        5.直井監測系統包括收斂儀之水平拉尺(相互垂直方向，可以反射稜鏡替代)，於第IV型及第V型岩體約每20m或依甲方工程師指示設置一處；
        6.直井鑽孔及開挖前後，周圍岩盤視需要照甲方工程師指示實施止水、固結灌漿或鑽設50mm∮排水孔。

四、通風直井及連接隧道開挖與支撐施工

(一)連接隧道開挖與支撐
        連接隧道主要係連接既有地下廠房及新建通風直井，並做為通風直井開挖出碴之管道。連接隧道為一寬5.0m、高5.6m、混凝土襯砌厚度0.4m之倒D形隧道，採用機械式及鑽炸工法開挖，依該處地質條件之岩質指數Q=1~4，隧道支撐類型屬Ⅲ型，即以噴凝土加岩釘做為開挖後支撐材料，各階段開挖情形如下[5]：
        1.洞口交叉段開挖：廠房端洞口交叉段開挖主要以機械開挖工法為主，以避免對既有廠房結構及周圍岩盤造成擾動。惟因本區岩盤為堅硬之石英砂岩，仍須輔以微量炸藥開炸使岩盤破裂，再以挖土機搭配破碎機，鑿挖所需隧道斷面。此方法可有效控制隧道超挖量，並降低對周圍岩盤之擾動，惟施工進度緩慢。待完成每輪進1.2m之開挖後，即以厚度15cm附掛一層鋼線網之噴凝土，搭配L=3.0m@1.2m×1.2m之岩釘做為支撐保護；
        2.一般段及直井交叉段開挖：洞口段開挖完成後即開始進入一般段隧道，開挖採傳統鑽炸工法。本區段為岩質堅硬少有節理裂縫之石英砂岩，採鑽炸工法遠較機械式開挖快速，有效縮短開挖時間。鑽炸工法係以ROC-601鑽機依鑽炸佈孔圖示鑽孔後，再埋設乳膠炸藥及引爆。完成每輪進長度1.2m之開挖後即開始進行支撐保護工。於一般段採10cm厚噴凝土附掛一層鋼線網噴凝土，完成噴凝土後隨即鑽設L=3.0m@1.2m×1.2m之岩釘支撐，於直井交叉段則加強為20cm厚噴凝土附掛2層鋼線網，無大型鋼質支撐材料，以避免影響昇井工法之鑽孔及擴孔作業。
(二)通風直井昇井工法施工
        廠房通風直井井口段原為舊有棄碴場，為了加強施工安全及加速施工進度，首先沿著舊棄碴場的駁崁向下鑽設長度為24m、標稱直徑100mm∮之管冪鋼管，作為保護駁崁之先撐材料。再沿直井周圍向下鑽設長度為18~23m、標稱直徑1.20m∮之全套管場鑄樁如圖6所示，除作為後續降挖作業之先撐及支撐材料外，並提供昇井工法鑽機混凝土基座之基礎，以避免井口段表層覆蓋之回填碴料支承力不足，影響昇井工法導孔施鑽精確度。
        通風直井昇井開挖採用可鑽掘井深達400m之BMC-400型鑽機，導孔削刀鑽頭直徑為270mm∮，擴孔刀頭直徑為1,600mm∮如圖7所示。為提高擴孔挖掘時地盤反力和施工精確度，先於鑽機固定位置鋪設5.6m×4.5m厚度0.4m之混凝土基座，基座下方則連結已先施作完成之直徑1.20m∮基樁，藉以將上方載重直接傳遞至下方堅硬岩盤，有效克服井口段地表支承力不足之問題。通風直井昇井開挖施工步驟如圖8所示[6]。
1.導孔施鑽
        導孔使用270mm∮削刀鑽頭施鑽，掘進時為排出碎屑、冷卻和潤滑刀頭，需灌入皂土漿液。皂土漿液需先浸泡後，暫時儲存在水槽中，再以抽泥泵將其從鑽桿抽送至削刀鑽頭，並依迴水情況適時添加皂土，以保持皂土漿液濃度。鑽孔期間如遇迴水減少或不迴水時，必須立即停止鑽孔，採取必要措施後再行施鑽。
        導孔鑽掘對後續之擴孔有直接影響，因此於刀頭上方先安裝連接一或多個穩定鑽桿，後續約每隔30m安裝一支穩定鑽桿，藉以控制鑽孔之垂直度，並對應地層變化施以適當的荷重掘進，另於孔口架設經緯儀隨時量測垂直度。導孔施鑽中紀錄鑽桿之轉速、壓力、時間、迴水量及地質狀況，作為後續擴孔之參考資料。
        本項導孔作業自2011/2/1開始施鑽，初期0~18m屬地盤改良混凝土地質段，平均每日鑽孔深度約12.7m。其後開始進入岩盤，惟自孔深26m起遭遇節理發達之破碎帶，於深度26.0m~27.5m、35.9m~41.5m及56.2m~62.5m等三區段遭遇破碎軟弱之剪裂帶地質，鑽孔無迴水情形，隨即起桿進行封孔灌漿作業，待漿液硬固後再繼續進行重鑽孔，均順利通過。
        自深度65m以後即開始進入較均質穩定之石英砂岩地質，雖偶夾較破碎頁岩，並不影響導孔施鑽，每日平均鑽孔深度提升至18m以上。之後鑽孔工率隨深度之增加逐漸提高，深度超過130m之後，多屬較均質堅硬之石英砂岩，每日鑽孔深度可達20m以上。至2011/2/18上午11:50貫通完成導孔作業，累計共施作18天，實際鑽孔深度230.7m，平均工率12.8m/日，最快施鑽工率為32.2m/日。經量測水平偏斜2.03m，偏斜率為0.88%。

新建廠房通風直井開挖施工步驟
2.擴孔鑽掘
        導孔施鑽完成後，將鑽桿下降至連接隧道，進行擴孔刀頭1,600mm∮之組裝。擴孔鑽掘前連接隧道頂拱噴凝土及鋼線網需事先鑿除，並將岩面修挖至與擴孔刀頭垂直，以使擴孔刀頭能順利運轉。擴孔是以裝有鑲齒型滾刀的擴孔刀頭反向上升旋轉鑽掘，逐步向井口拉近。為防止擴孔粉塵影響下方地下廠房內之空氣品質，乃由鑽機輸送清水30~50L/min進入孔內以降低粉塵產生。擴孔產生之碴料直接落入下方連接隧道，再以卡車運出至廠房外之棄碴場。
        為隨時掌握鑽掘情況，鑽掘中直井下方同時有作業人員觀察落碴是否有異常，一旦發現有湧水、崩落石塊等狀況，立即與上方操作人員聯絡停止鑽掘，待完成必要之處理後再繼續施工。
        向上擴孔作業自2011/2/19開始進行，初期於底部約100m範圍內區域因均屬岩質堅硬的石英砂岩，擴孔刀頭常遭堅硬破碎岩塊卡住，造成運轉不順暢。且刀頭磨損嚴重，數次停鑽下桿更換刀頭，致進度較為遲緩，平均掘進工率約8.8m/日。隨後進度逐漸恢復正常穩定，直到接近井口約36m開始，因遭遇節理發達之破碎地質帶，為儘量避免孔壁崩坍，遂減緩擴孔速率，至2011/3/12完成擴孔作業。累計實際施作22天，平均掘進工率約10.48m/日，最快工率為21m/日。
3.異常狀況處理
        鑽孔作業時需隨時記錄孔深、地質岩類、迴水等狀況，當遭遇異常湧水、坍孔及地質條件不良無迴水等異常情況時，需立即停止施鑽，收回鑽桿以防止卡桿。當鑽桿全部收回後，再以1:1之水泥砂漿添加速凝劑灌入導孔內，以固結孔壁，而回填灌漿深度範圍則視地質條件決定。灌漿完成待漿液凝固後，再行下桿施鑽。施鑽至回填砂漿區域需放慢下桿的速度，若異常狀況仍未改善時，需立即收桿，再重覆進行砂漿回填作業，以確保導孔施鑽的精確度和品質。
        導孔作業中，於深度26.0m~27.5m無迴水，隨即收桿封孔進行灌漿，漿液回填至離孔口約0.8m，共灌入5.3T之水泥砂漿。其後再繼續進行重鑽時，迴水即恢復正常，順利通過本區段。進行至深度35.9m~41.5m時，又因無迴水進行灌漿回填，共灌入水泥砂漿6.3T，之後重鑽至該區域時，迴水量由0%改善為70%；至深度56.2m~62.5m遭遇破碎軟弱剪裂帶地質，鑽孔無迴水，再回填6.18T之水泥砂漿至離孔口約24m處，待漿液凝固後進行重鑽順利通過。
4.擴(降)挖作業
        完成擴孔鑽掘後，採用鑽炸法擴挖至設計斷面(7.2m∮)。進行本作業前先施作孔口井圈，並安裝一部20T門型吊車，以供直井擴挖施工期間機具材料之吊運。另需製作一直徑5m之工作平台，於進行開挖支撐保護工時，吊放至開挖面，以提供施工人員於此平台上進行作業；鑽設開炸孔及清碴時，需於1.6m之出碴擴孔上，設置擴孔覆蓋板，以防止人員機具掉落，並做為鑽堡機之支撐底座。
        本工程鑽炸工法係採用傘型鑽堡進行鑽孔如圖9所示，每次可多孔同時進行鑽孔(至多6孔)，有效縮短鑽孔時間。各階段施工步驟如下：
         (1)吊入出碴導坑覆蓋板，以傘型鑽堡機進行全斷面開炸孔鑽孔；          (2)裝填炸藥，吊起覆蓋板後進行開炸；
         (3)進行鑿挖及修挖作業；
         (4)將挖土機吊運至井內，清理開挖碴料至出碴擴孔，使碴料落至下方之連接隧道，再由連接隧道運出；
         (5)吊入工作平台，進行支撐保護工。
        通風直井於2011/3/12完成擴孔鑽掘後，後續全斷面之擴挖作業因故遲至2011/6/8始開始進行。於2011/6/16擴挖至深度約10m時，發生1.6m∮擴孔阻塞致無法出碴情形，故改由地面吊車出碴。至2011/8/14通過阻塞處(深度約51m)後，發現該處為破碎軟弱剪裂帶地質，為避免再發生坍孔，影響施工安全，乃採破碎機方式開挖及擴孔出碴，至2011/9/6擴挖至深度約66m通過剪裂帶，之後即以正常傘型鑽堡機開挖及擴孔出碴，至2012/1/3完成通風直井全部240m之開挖及保護工。

五、通風直井混凝土襯砌作業

        通風直井擴挖完成後隨即開始進行混凝土襯砌作業，襯砌區塊分割如圖10所示，施工步驟大致如下：
         (一)先施作直井底版及集水坑；
         (二)由下而上施作直井S1、S2區塊；
         (三)由下而上施作直井與連接隧道銜接段S3~S5區塊；
         (四)配合每3m間距一個環梁，由下而上施作S6~S83區塊。
        直井底部至S5區塊係採木模逐層施作， S6區塊起為標準段，以每環3m往井口S83區塊依序施作。為考量混凝土襯砌面品質、環梁之精確度及工率，標準段採用鋼模施作， 鋼模型式如圖11所示。每一區塊混凝土襯砌施工步驟如下：
        1.排水孔及鋼筋位置測量放樣；
        2.打設排水孔並安裝排水管；
        3.鋼筋及預埋件組立，鋼筋工作平台如圖12 所示；
        4.鋼模測量定位；
        5.混凝土澆置，澆置混凝土吊桶如圖13 所示；
        6.拆、移模及養護。
        通風直井標準段襯砌每模區塊高度3m，施作工率約2模/5天，故標準段襯砌(S6~S83)工期約需200天。混凝土襯砌及環梁完成如圖14所示。

六、結論

        大甲溪發電廠青山分廠復建工程計畫區域為地形陡峭之V字型峽谷地區，颱風豪雨常造成洪水淹漫、爆發土石流、邊坡坍滑、道路中斷等災害，對工程之進展造成延誤，尤其是2004年敏督利颱風及2004年艾利颱風等，均對工區造成嚴重災害，此為復建工程最大之挑戰。今將青山分廠復建工程廠房通風直井之規劃、設計與施工的特色說明如下：
         (一)青山分廠復建工程之規劃採「順應自然，尊重自然，不對抗自然」原則，使復建後能完全避免大甲溪洪水及土石流之影響；
         (二)廠房通風直井井口段為舊棄碴場，為了加強施工安全及加速施工進度，首先沿著舊棄碴場的駁崁向下鑽設管冪鋼管，作為保護駁崁之先撐材料。再沿直井周圍向下鑽設全套管場鑄樁，作為後續降挖作業之先撐及支撐材料；
         (三)由於新建廠房通風直井的深度達241m，最佳的開挖方式是採用昇井工法，其具有快速、安全、環保且易於排水及出碴等優點；
         (四)為了因應廠房通風直井困難地質施工之特性、滿足安全開挖與支撐之要求、彈性施工新觀念與採用新材料的趨勢，設計圖與規範採用許多配合措施，以利工程順利進行；
         (五)通風直井昇井工法鑽機基座之穩定性攸關導孔施鑽精確度，本工程鑽機基座位於舊棄碴場之回填碴料上，地質穩定性不佳，於井口周圍施作全套管機樁後，有效將鑽機基座作用力傳遞至岩盤，確保基座之穩定，使本工程導孔精確度能順利達到偏斜率小於1%之施工規範要求；
         (六)鑽孔中遭遇地質不良致無迴水現象時，採用水泥砂漿添加速凝劑灌入導孔，以回填並固結孔壁，確實為一簡易有效之改善方法。惟若能於導孔施作前，先針對地質不良區域進行地盤改良灌漿，應可改善後續導孔及擴孔鑽掘時湧水、孔壁崩坍、無迴水等異常問題，提升後續鑽掘及擴挖之施工效率及安全；
         (七)本工程鑽炸工法係採用傘型鑽堡進行鑽孔，每次可多孔同時進行鑽孔(至多6孔)，有效縮短鑽孔時間；
         (八)為考量混凝土襯砌面品質、環梁之精確度及工率，標準段採用鋼模施作，並以吊桶澆置混凝土，避免塞管。

參考文獻

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2.中興工程顧問股份有限公司(2006)，「大甲溪發電廠青山分廠復建計畫可行性研究報告」，台灣電力公司電源開發處，台北。
3.中興工程顧問股份有限公司(2006)，「隧道工程施工技術解說圖冊」，台灣區國道新建工程局，台北。
4.中興工程顧問股份有限公司(2010)，「大甲溪發電廠青山分廠復建計畫詳細設計圖」，台灣電力公司，台北。
5.互助營造股份有限公司(2010)，「大甲溪發電廠青山分廠復建計畫廠房連接隧道開挖施工計畫書」，台灣電力公司青山施工處，台中。
6.互助營造股份有限公司(2010)，「大甲溪發電廠青山分廠復建計畫廠房通風直井施工計畫書」，台灣電力公司青山施工處，台中。