卵碎石层在潜盾隧道开挖中的应用

卵碎石层在潜盾隧道开挖中的应用

0湖北、竹二科各线路台湾资源有限公司（以下简称台电）为提高竹电网的供电能力和供电质量，在新竹县湖口镇创建了一所毛竹三级能源站（以下简称竹工e.s），并从毛竹e.s出发，向南发送161kv铁路经过台湾线以南，与新工、6m、新伦、湖北、竹二科等五个供电站（以下简称d.s）。每个d.s都被放置在161kv电缆的复合线上。由于线路过于集中,传统管线埋设空间不足,必须改以洞道方式布设,另考量该区地质、交通、民情、及道路管理单位要求等因素,采用免开挖之工法进行。本洞道沿线地盘含有冲积层,中坜层,店子湖层及杨梅层4个地层,在台湾西北部为有名的卵砾石层。主要特征是砾石含量为50%～80%,最大砾径达到1m以上,在潜盾工程中相当少见。由于本工程对于台湾经济发展非常重要,又其工程地质为卵砾石层,对潜盾工程施作非常具有挑战性。本文将于后续章节针对掘进过程中,遭遇到掘进困难、切刃盘及切刃齿磨耗、掘进管理值及停机开舱、加泥材等各项管理与探讨逐一说明。1项目总结1.1日商化学造厂第5号:k-449日本工程为办理竹工E/S与D/S间之161kV电缆线路引接工程,工程位置如图1,详细资料如下:工程名称—竹工超高压变电所出口161kV电缆线路洞道统包工程;业主—台湾电力股份有限公司输变电工程处中区施工处;监造单位—中兴工程顾问股份有限公司;统包厂商—介兴营造厂/日商清水营造共同承揽;细部设计—万鼎工程服务股份有限公司;工程地点—自新竹县湖口乡竹工E/S出口之三孔涵洞(台一省道里程约53.5k处),沿台一省道往南至山崎路桥旁之山崎直井(台一省道里程约62k处)间,总长共约8360m;工期—自2007年5月21日至2011年4月9日工程内容:如图2所示。1)直井9处(其中3处设有T型涵洞);2)土压平衡中折式潜盾机;3)潜盾机外径6.7m2台、6.24m2台;4)预铸混凝土环片内径6.0m(厚275mm)、内径5.6m(厚250mm);5)洞道长度,合计约8,360m,共8段洞道;6)覆土深度15～20m;7)洞道坡度0.3%～3.2%;8)最小曲率半径100～150m。1.2地质及地质特征以台湾地区卵砾石地层分布而言,从台北县林口至台中县以南处处可见,其形成原因为造山运动。台湾约600万年前在海面形成岛屿,原因为欧亚板块与菲律宾板块互相推挤,在欧亚板块的前端被急速挤出海面而形成台湾岛屿。这个造山运动的过程也让原是大陆福建省河口的砂岩主体地层在海面上急速隆起,又因受火山运动影响,发生土砂崩落及土石流,在台湾的西北部形成目前的卵砾石层,如图3。计画洞道沿线所经过之地层,大致包括冲积层、中坜层、店子湖层及杨梅层照门段等四层,而经过之地质构造则以湖口断层为主。各地层与构造之特征与影响叙述如下:1)冲积层。本区内各溪流之河床均有现代冲积层分布,其中以头前溪及凤山溪二溪造成之冲积层最为广阔。冲积层主要由砾石、砂及泥组成。其中以砂、泥所占比例较多。2)中坜层。为计画洞道主要钻掘之地层,主要以砾石和上覆1m左右之红土质土壤组成,砾石主要为硅质砂岩,淘选甚差,各种大小粒度之圆形砾石错综混合,排列毫无系统。红土质土壤有时富于砂质。本层中夹有白色黏土层,呈显明的层理。本层一般厚度为20～30m;红土厚度平均约为1m左右。3)店子湖层。主要分布于伯公冈、湖口等台地面,主要由下部的砾石层和上部的红土层组成。砾石直径通常为10～30cm之间,亦有达1m以上者。地层剖面自下而上为表面稍受分解之砾石,向上变为黄棕色黏土矿物和含水之氧化铝及氧化铁所构成。全层厚度约为10～20m,其中红土层之厚度为1～2m。4)杨梅层照门段。本层下伏于中坜层或店子湖层下,主要由砾岩、砂岩及泥岩之互层组成,本段自下而上,砾岩所占比例逐渐增多,砾石主要为中新世沉积岩,其直径大小自数公分至20cm。本段上部之砾岩、砂岩、泥岩常依序自下而上形成颗粒向上渐粗的层序。5)湖口断层。湖口断层以往又称为杨梅南断层,为相对于杨梅北断层而言。湖口断层为逆移盲断层,起自新竹县湖口,迄于桃园县龙冈约呈东北东走向,长约22km,地形特征为一系列向北倾斜的线形崖。此断层受到中坜层堆积物之掩盖,于地表无法直接观察。根据地调所(1998)分类,其为错移阶地堆积物或台地堆积物之断层,属于第二类活动断层。本计画洞道路线于台一线58k+800以东几乎与湖口断层平行或重叠,近断层区域长达6.2km。根据现地观察及搜集邻近公共工程(台湾高铁桃园—新竹段、中山高拓宽工程)、规画设计阶段之钻探资料研判,本计画沿线通过之地层主要以卵砾石层为主,填充料主要为红棕色粉质粘土或黄棕色粉质中细砂,砾石含量约为50%～80%,级配优良,粒径约为5～40cm,地下水位约在地表下2～6m。本区区域地质请参考图4。2援助机和设备的选择2.1齿轮切浆齿的破碎本工程之潜盾机施作主要地层为卵砾石层,基本上是无法避免潜盾机(滚轮)切刃齿磨耗,因此潜盾机在设计时,为要充分了解掘进路线的地盘条件外,也需参考以往相同地质条件的施工案例,期望藉由类似的经验设计适合于此地层条件之潜盾机,期使(滚轮)切刃齿及切刃盘磨损量降低。因卵砾石层透水系数较大,为施工安全及工作性上之考量,故采用土压平衡式潜盾机施工,潜盾机设计主要考量以下几点:1)需具备能使巨大砾石(90cm×80cm以内)进入的切刃盘开口率及螺旋输送机,潜盾机切刃盘之设计尽可能避免将砾石于切刃盘外磨碎,如此方可延长(滚轮)切刃齿及切刃盘的寿命。因此,切刃盘之面盘上除了含有大量的(滚轮)切刃齿外,也尽可能将切刃盘开口率放大,使土砂容易进入土舱内,并避免土舱内土碴固结堵塞面盘开口,此外也需考量螺旋输送机排土砾径,两者为相辅相成之设计。2)卵砾石层中巨大砾石对于潜盾机掘进是严苛的考验,根据经验在螺旋输送机构造上很难直接取出1m以上的砾石;因此,切刃盘除了具备工具切刃齿外,还需装置可破碎巨大砾石的滚轮切刃齿,以利巨大砾石经破碎后较为容易排出。3)将巨大砾石破碎需依靠滚轮切刃齿,但在破碎过程中切刃盘需要高度扭力,充足的动力性能始可将巨大砾石破碎,假使动力不足,将造成切刃盘停止运转甚至烧毁,而延误工期。4)(滚轮)切刃齿为磨耗性物品,需定期检查并更换以达最佳的掘进效果,必要时切刃盘也需做适当的补强。在类似地层的施工经验中得知,潜盾机约掘进150～200m需维修补强(滚轮)切刃齿及切刃盘,而于土舱则应有足够的空间以利进行开舱维修补强作业。针对此地层条件,将潜盾机的需求详细提供给潜盾机制造商,由厂商设计专属此地层条件之潜盾机,并由公司内部审核研讨,及参考其它类似此地层之工程案例,向制造商提出相关意见及要求,最后厂商再次提案,并达到共识;本工程所采用之潜盾机如图5,6所示,主要特色如下所列:1)直径达66cm之滚轮切刃齿,全面盘共22～23颗,如图3.3所示。2)切刃盘上切刃齿共约123颗,如图8所示。3)切刃盘开口率高达55%,如图9所示。4)螺旋输送机为带状式螺旋输送机,排土砾径可达1m,如图10所示。5)切刃盘动力为相同地层及相同直径一般潜盾机的2倍,如图11所示。。6)为因应本工程曲线段洞道,设有中折部(左右可调4.5°,上下可调1°),如图12,13所示。2.2螺旋粉碎机设计为考量减少(滚轮)切刃齿磨耗,尽量不将砾石磨碎而以砾石原状排土,除了开口率极致放大外,切刃盘开口尺寸也需配合螺旋输送机排土尺寸。故螺旋输送机设计选择带状式,舍弃中轴以加大排土功能,但需承担安装精度及维修不便风险。由于螺旋输送机排出的土碴砾径较大,无法使用帮浦压送方式将土碴压送至工作井底部,需安装排土输送带于排土闸门口,藉由排土输送带运转,将土碴带至后续台车旁的土桶,满载后由机关车拖运至工作井底部,门型吊车操作手再将土桶吊运至洞外弃土坑倒土,如图14所示。2.3土框、固结面考虑开挖面与切齿土压平衡式潜盾机开挖时,将挖掘的土石集结后,在开挖面产生与开挖面相当的土水压力,以维持开挖面稳定;此外,需使土碴具有可塑性以防止地下水流入开挖面造成土层压密而使地表产生沉陷,防止流动性及不透水性以使砾石易于排出,避免因土碴缺乏塑性而于排土时产生粒料分离而导致螺旋输送机卡死,无法排土之情形。由于本工程地质主要为卵砾石层,无塑性可言,磨擦角大,必需改变挖掘后土碴性质,以利稳定开挖面及排土,因而需加入适当的加泥材,使得土壤粗细粒料能藉由加泥材之添加,土碴产生黏性及不透水性。此外,为考量减少(滚轮)切刃齿磨耗,故开挖面与(滚轮)切刃齿润滑亦为重点之一。本工程尝试添加矿物系、活性界面剂系及高吸水性树脂系等多种相关加泥材,并与原土壤比较作为改进施工之参考,如图15所示。3施工技术的探讨3.1切刀盘改造的思考本工程严苛的地质条件,使得(滚轮)切刃齿及切刃盘磨损比预期还严重。为解决此一问题,工程人员试图从切刃盘设计上及排土状况找到改善现况的蛛丝马迹。结果发现,排出的砾石粒径都比地质报告及切刃盘最大的开口尺寸小,且掘进过程中切刃盘扭力值亦比预期的大,研判可能是大粒径砾石无法顺利进入土舱,于切刃盘外被磨破为较小粒径后才进入土舱排出,因而造成(滚轮)切刃齿及切刃盘过度磨损。为维持良好的掘进状况,需花费大量维修切刃盘及更换(滚轮)切刃齿费用,对工程确为一笔庞大负担。依据上述观察与研判开始思考如何改善,因所需待开挖洞道还很长,故从改造切刃盘方向着手。开口率太小极有可能是造成大砾石无法进入土舱的原因之一;因此决定将原开口率已有55%之切刃盘,再切除1/12刃盘,最大开口尺寸达2182mm(如图16),而螺旋输送机最大排土粒径仅1000mm,对于施工团队实为一大挑战。改造后的切刃盘于掘进时,切刃盘扭力确实降低很多,掘进速度亦大大的提升及(滚轮)切刃齿磨耗减少,但却因过大粒径的砾石进入土舱,而多次卡于螺旋输送机内,经过不断地调整螺旋输送机旋转方向及使用人力,才将大砾石排出;为求进一步改善,及顾虑切刃盘不对称会导致切刃盘变形,而于再下一次开舱时切除对称之开口(如图17)。经第二次改造后,再观察掘进状况,发觉掘进状况仅与前次改造后大略相同,无再变好或变坏,可能切刃盘的改造已对于此地层达到最佳状态。持续以切刃盘两个大开口的状态下掘进至1155m到达工作井后,发现这样的改造下,会同时切除相同半径上的滚轮切刃齿,导致在相同半径上的砾石无法被破除,砾石在切刃盘磨出一圈明显的凹痕,这是当初在改造切刃盘时的疏忽,潜盾机在中继井再发进前,于此半径位置上加装一颗滚轮切刃齿,藉以弥补此半径圆周无法破除砾石的问题,切刃盘磨损之状况如图18所示。3.2计算每份切刀齿磨耗量卵砾石层造成(滚轮)切刃齿磨损非常严重,故本工程潜盾机已于切刃盘上设置为数较多的(滚轮)切刃齿,但仍需确实掌握(滚轮)切刃齿的磨耗,将切刃盘所受磨耗降到最低,乃利用管控切刃盘扭力值及参考潜盾机原厂提供的磨耗系数,做为初步管理,计算掘进距离及预测开舱更换(滚轮)切刃齿时间。于每次开舱更换(滚轮)切刃齿时,先量测每颗(滚轮)切刃齿磨耗量及记录更换(滚轮)切刃齿厂牌,经过掘进距离与磨耗量的计算,可得到每颗(滚轮)切刃齿之磨耗系数,再将原厂提供数据做为比较,发现实际磨耗系数较原厂预测的低(如图19),研判应是有效地管控切刃盘扭力及添加加泥材润滑的关系,才能将磨耗降至最小。为节省成本,本工程也尝试不同厂牌(滚轮)切刃齿,测得磨耗系数进行比较,可提供作为厂牌选择之依据。为记录(滚轮)切刃齿之实际磨耗量,需先给予每颗单独编号(如图20),制做一张方便现场人员记录的记录表(如图21、22),及同一规格量测工具(如23、24),如此才能明确记载并分析切刃盘上面一百余颗的(滚轮)切刃齿磨耗数据。3.3潜盾机增设切刀盘的必要性以几何潜盾机在掘进距离接近243m时,呈现推力偏高,推速缓慢现象(如图25),经开舱后发现(滚轮)切刃齿磨损严重,更换切刃齿后再掘进,掘进状况仍未见改善。经过工程团队研议后,决定于447.6m处再行开舱,将切刃齿损坏部份更换,并如同3.1节所述改造切刃盘。潜盾机经过此次改造后再掘进时整体状况变佳,推力下降,推速增加,切刃盘扭力呈现平稳。较佳的掘进状况显示将切刃盘改造及(滚轮)切刃齿更新确实有助于掘进状况。因潜盾机处于砾石含量较多的地层,会导致切刃齿磨损较快,则将切刃齿需交换的时间点缩短,于300m左右更换切刃齿,有447.6m修改切刃盘的经验,于755.6m再将切刃齿做更换并再将切刃盘开口,期望对掘进状况有更大的帮助,修改后再掘进,推力却只有些许减少及推速增加,就以这样的状况持续掘进至到达出坑。改造切刃盘及更换(滚轮)切刃齿,对于掘进状况确实有明显的改变,本团队所推测更换(滚轮)切刃齿的时间点及改造切刃盘的决策,可间接证实时间点恰到好处,这宝贵的经验一直是当作此工程的参考指针。3.4土格开舱日率低的施作改进措施本工程因地质关系需频繁地开舱更换(滚轮)切刃齿及修改切刃盘,这些相关工作施工人员必需于土舱内或开挖面施工,危险性相当高,大量的地下水会导致清空的土舱,失去土压力后造成开挖面塌陷,故需改良停机处的土壤,此地层仅适于双环塞灌浆地盘改良。除地面上施作地盘改良外,土舱内土碴清空并开挖面扩挖后,于内部施作喷浆,使用点焊钢丝网吊挂,增加喷浆面劲度(如图26—28),也添加PVC纤维在内,虽已施作地盘改良,但开挖面仍会有些许地下水流入,施作导水工作以利切刃盘修改工作进行。为节省成本又顾及施工人员安全考量