新武界及栗栖溪引水隧道工程TBM开挖工法施工技术探讨.doc

新武界引水隧道工程TBM及D&B開挖工法研討會及現地研討新武界引水隧道工程TBM開挖工法施工技術探討李鴻洲 鄭建和 劉欽正 台灣電力公司 中興工程顧問股份有限公司摘 要台灣電力公司『新武界隧道及栗栖溪引水計畫』之隧道總長約15.7公里，其中新武界引水隧道自過河段向下游約7.1公里範圍，採用TBM施工為瞭解本隧道段之地質情況，曾於該隧道沿線施作四孔長距離地質探查孔，其中包括一長達901.5公尺之水平探查孔；此外，亦沿隧道線施作地球物理探測，以充分掌握隧道沿線之地質承商（新亞建設˙熊谷組聯合承攬）於充分瞭解隧道地質情況及相關因素後，決定選用開放式（Open type）機型施工；該機（Open Main Beam Type Robbins Model 1610-279）曾有700m/月之鑽進紀錄且引進「鋼環片支撐工法」俾利通過破碎帶或斷層等惡劣地質，期望搭配此工法可應付台灣地質多變特性本TBM鑽掘隧道工程於民國89年7月14日正式開挖，預計民國90年11月貫通本文特介紹本隧道之工程地質調查成果、TBM設備、TBM於本隧道鑽掘施工概況及承商提案採用鋼環片工法通過特殊困難地質之施工實例探討等，供同儕參考。

一、前言日月潭為一離槽水庫，其水源主要仰賴現有武界隧道引取武界壩上游濁水溪水量，為台灣電力公司日月潭水力發電系統之中樞，負責供應包括明湖、明潭等五座總裝置容量達277萬千瓦之抽蓄及傳統水力發電廠發電及其周邊鄉鎮所需民生與灌溉之用水；因此須確保其水源，以免國內尖峰用電之供應受阻，亦不致影響附近居民之生活由於現有武界隧道使用迄今已逾67年，其襯砌混凝土已嚴重龜裂剝落，有崩坍之虞，為避免影響日月潭發電系統之正常運轉，台電決定興建一條新武界引水隧道替代現有之老舊隧道，並將濁水溪上游支流栗栖溪之水源一併引入日月潭統合運用新武界引水計畫聯結現有武界壩、新建之栗栖壩及日月潭，隧道總長約15.7公里，由四段隧道組成，彼此間以過河拱橋或暗渠相連，工程之佈置如圖一所示本計畫於可行性研究階段時，由中興工程顧問股份有限公司建議所有隧道均採鑽炸法施工，至基本設計階段時，為考慮達到縮短工期、降低對環境造成之衝擊、減少對隧道勞工之需求量及提昇我國隧道施工水準之目的，自過河橋至暗渠段間約7.7公里長之大部份隧道（約7.1公里）改採TBM施工圖一、新武界隧道及栗栖溪引水工程佈置圖二、工程地質2.1 地質調查本工程於可行性研究階段及基本設計階段，除了地表地質調查外，所施作之地質調查工作如表一所示。

表一、新武界工程地質調查工作數量一覽表調查階段調查地區地 質 鑽 探地 球 物 理 震 測孔數總鑽深度( m )測線數測線總長度( m )可行性研究D&B工法隧道11420193680基本設計TBM工法隧道42406.525020D&B工法隧道44217056670合計( m )4996.515370註：地質鑽探工作包含相關之岩石力學試驗2.2 區域地質本計畫位於台灣中部南投縣魚池鄉及仁愛鄉，地質分區屬中央山脈西翼地質區之雪山山脈帶與脊樑山脈帶之西緣計畫地區出現之岩層屬始新世至中新世，自東（上游）而西（下游）依序為蘆山層（以板岩為主）、眉溪砂岩（以石英質砂岩為主，夾板岩）、佳陽層（以板岩為主）、達見砂岩（以石英質砂岩為主，夾板岩或硬頁岩）、十八重溪層（以板岩為主，夾變質砂岩）及白冷層（以砂岩為主）估計隧道通過砂岩段所佔之比例約33%，通過板岩段所佔之比例約67%計畫區內出現之主要地質構造為梨山構造、地利斷層及武界斷層梨山構造之屬性於學術界仍有頗大爭議依隧道沿線之地質調查結果顯示，栗栖溪引水隧道將穿越梨山構造，構造帶附近可能為密集之褶皺破碎帶及湧水帶地利斷層及其伴生斷層可能於九族文化村附近與隧道相交，含破碎帶、斷層泥及斷層角礫為主。

武界斷層係由航照線型研判而得，斷層附近之地表露頭並未發現擾動之跡象，惟舊武界隧道施工期間曾於該線型附近遭遇湧水，但無遭遇斷層之敘述，研判可能為破碎帶或湧水帶2.3 TBM鑽掘隧道段地質2.3.1 隧道沿線地質本TBM鑽掘隧道位於新武界隧道里程Sta.3k+089至10k+354之間，全長約7.3公里，全區並無重大地質構造線通過其中Sta.3k+089至9k+568間（約佔89%）隧道段穿越佳陽層；Sta.9k+568至10k+354間（約佔11%）隧道段穿越達見砂岩層其地質特性分述如下，如圖二及表三所示：圖二、TBM工法隧道沿線地質剖面圖表三、TBM工法隧道沿線地層一覽表地層佳 陽 層達見砂岩岩性描述砂岩或砂質板岩，劈理常呈劇烈褶曲現象及轉折構造砂岩或砂質板岩，劈理常呈劇烈褶曲現象及轉折構造中至粗粒石英砂岩與板岩或硬頁岩薄互層單壓強度(kg/cm2)93 ~ 176607 ~ 1200152 ~ 1705總硬度21 ~ 3164 ~ 144岩體等級與比例分配---FW3---FW4 I : 10 % , II : 16 %III: 30 % , IV :24 % V: 20 % FW5 I : 15 % ,II : 20 %III: 25 % ,IV :30 % V: 10 % I : 16 % ,II : 33 %III: 38 % ,IV : 7 % V: 6 % I : 14 % ,II : 28 %III: 37 % ,IV : 9 % V: 12 % 工程地質評估1.本段板岩於風化解壓影響範圍外之岩盤一般均新鮮、堅實且完整。

2.Sta.3k+150~3k+750間岩覆較低，隧道可能穿越較風化破碎岩盤3.Sta.3k+430~3k+500間之震側低速帶研判為擾動破碎帶(FW3)，推估可能與隧道線在Sta.3k+300~3k+400相交，其寬度亦可能較震測所見更寬廣4.Sta.3k+500(FW4) 及Sta.6k+450(FW5)附近為褶皺、破碎帶，具湧水潛勢5.Sta.5k+700~6k+000及Sta.7k+800~8k+ 100相應於舊武界隧道第一及第二次補修段，岩盤品質可能較差6.依據隧道附近地表露頭推估，Sta.6k+ 900及Sta.7k+200~7k+300間地表岩盤可能有小規模錯動本段隧道洞口至32公尺均為崩積岩塊，32~250公尺間為中至高度配碎岩盤，具湧水潛勢，其餘岩質多完整、堅實1. 佳陽層佳陽層之岩性以板岩或砂質板岩為主，偶夾薄層砂岩，板岩劈理發達，劈理面之位態約為N15~60°E/52~70°S，與隧道線（N65°E）斜交，向上游側傾斜，局部呈褶皺扭曲，偶見小型斷層，但延續性均不高鑽探結果顯示，本段隧道沿線於地表以下約180公尺進入新鮮岩盤，岩質多堅實完整，在隧道高程附近岩盤之RQD值多為80%以上，岩心節理不發達，間距大多1公尺以上，岩心偶有斷裂，亦以沿劈理方向為主，顯示地下岩盤完整。

本段隧道Sta.3k+150至3k+750間因岩覆較低（約150至200公尺），岩質可能較風化破碎Sta.3k+600上方地表發現板岩劈理有劇烈褶皺之現象，岩盤亦呈破碎狀，配合現地地形及附近鑽孔資料推估，隧道可能於Sta.3k+500附近遭遇一褶皺破碎帶及較大之湧水Sta.6k+400附近地表出露之板岩劈理位態變化甚大，附近鑽孔所得岩心亦有相同之現象，研判隧道將於Sta.6k+450附近穿越一褶皺破碎帶，推估寬度約350公尺2. 達見砂岩層岩性以石英質砂岩及硬頁岩或板岩之薄葉互層為主，局部夾石英砂岩，砂岩與硬頁岩間互相漸變，岩心顯示交錯層理發達，本段隧道Sta.9k+586至10k+176間岩心完整，且愈往上游段岩心品質愈佳Sta.10k+176至10k+322間岩質風化破碎，Sta.10k+322至10k+354間為含石英質砂岩或板岩之崩積層砂岩之層面發達，地表露頭之砂岩層面位態為N24°E/58~68°S，與隧道線（N65°E）斜交，向上游側傾斜隧道沿線之主要節理為區域性節理，位態為N80°E~80°W/70°~80°N，節理間距約5~10公分，延展5~50公分，節理面平整，開口約0.1~0.2公分。

2.3.2 地質調查成果本隧道段乃於基本設計階段才決定更改路線及施工方法，因此，僅於該階段進行相關之地質調查工作除了地表地質調查外，尚包括四孔長距離地質鑽探及地球物理震測，如表一所示其中，地質鑽探之水平孔（TB1-1）鑽孔長度達901.5公尺，其他斜孔之最大鑽長亦達735公尺前述地質鑽探完成後，均埋設PVC管並量測地下水位（傾斜孔）及地下湧水量（水平孔）其中，TB1-1孔量得之最大湧水量曾高達1,441公升/分，且持續達半年之久，至本區遇枯水期後方降至60餘公升/分，此先期排水工作對後續之隧道施工亦有正面效益岩石力學之取樣與試驗工作乃與地質鑽探同時進行，室內試驗由中興工程顧問社大地力學研究中心負責試驗項目包括單軸試驗、三軸試驗、動靜彈性試驗、直剪試驗、總硬度試驗及岩相分析等其中，總硬度試驗及岩相分析分別委託美國Dr. Tarkoy及台大地質系施作，重要之試驗結果如表三所示設計單位（中興公司）及承商（熊谷組）依上述地質調查成果分析及研判後，分別推估本段隧道沿線之岩體分類所佔比例如表四所示表三、TBM鑽掘隧道部份岩石力學試驗結果地層種類試驗項目佳陽層達見砂岩層單壓強度( kg/cm2 )305~1200429~1705靜彈性波速( m/sec )3476~50723266~5071總硬度21~3164~144石英含量( % )32~4254~87表四、TBM鑽掘隧道沿線岩體分類統計表岩體等級類 型ⅠⅡⅢⅣⅤ特殊地質Q值>104~101~41~0.1<0.1RMR值>6564~5756~4443~23<22岩體比例(%)中興公司10213117156熊谷組25.118.532.414.88.11.1三、TBM設備介紹TBM隧道之機型有開放型及密閉型兩種，其隧道混凝土襯砌亦有預鑄及場鑄之別。

經中興工程顧問股份有限公司分析地下岩盤條件後，原傾向建議採用開放型TBM，以便適時有效處理地質弱帶；但考慮各廠商特有之施工專長及經驗、符合公平交易之原則，最後提出下列三種方案供投標廠商自行評估及選擇，方案一：採用開放型TBM+場鑄混凝土襯砌；方案二：採用開放型TBM+預鑄混凝土環片襯砌；及方案三：採用密閉型TBM+預鑄混凝土環片襯砌圖四、TBM機頭剖面圖本TBM隧道工程包含在主工程之I-B標土木工程中，由新亞建設公司－熊谷組聯合承攬以選案一得標其中，TBM隧道由日本熊谷組負責施工，熊谷組於進行相當之評估與分析後，最後選定Robbins公司製造之開放型TBM舊品該TBM為1994年製造，曾於瑞士Lotschberg計畫中完成9.3公里之隧道開挖工作，其後又於香港MTRC-680計畫中，完成1.5公里之隧道開挖本TBM設備經承商於香港改裝及維護後，TBM機頭之剖面如圖四所示，並於89年4月運抵工地，5月開始組裝，於6月下旬推進至預定開挖位置並進行試運轉，於7月中開始初期開挖，9月初開始全功能開挖有關本工程與開挖直徑相近之士林頭水隧道與雪山隧道導坑TBM設備要件之比較如表五所示表五、國內使用TBM。