隧道工法的取捨
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當隧道工程脫離了徒手挖鑿的年代,「鑽炸法」便成了隧道施工的主流工法。
即便已邁入施工自動化與機械化的 ... 其配置數量與間距,需依據隧道斷面及沿線地質綜合考量。
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隧道工法的取捨
當隧道工程脫離了徒手挖鑿的年代,「鑽炸法」便成了隧道施工的主流工法。
即便已邁入施工自動化與機械化的今日,利用炸藥開鑿隧道依然是世界各地進行隧道施工規劃時,不可或缺的選項之一;「TBM」(TunnelBoringMachine,隧道鑽掘機),則是19世紀中葉才開發出來的全斷面隧道挖掘機器,可說是人類近代在機械製造工藝上的一次極致展現,它彷彿就像一座小型工廠,幾乎所有和隧道相關的工作,都可在這長度不過一、兩百米的機器中施展開來。
【鑽炸法施工】
所謂鑽炸法,顧名思義即包含「鑽」及「炸」兩項主要元素。
藉由鑽孔埋設炸藥開炸的方式,將地底的隧道一段一段地往彼端推進。
鑽孔之前,需依據地質條件佈設鑽孔位置。
鑽孔作業,目前多採用機械化、俗稱「鑽堡」的大型機具進行作業;開炸之前,須先於孔內埋設炸藥及引爆用的雷管,再透過結線的方式連結所有的起爆藥支以進行開炸。
完成開炸作業後,配合碴料運棄及必要的支撐作業,即完成1個施工循環。
鑽炸法所使用的炸藥藥支 照片來源╱劉弘祥
雪山隧道所使用的雷管 攝影╱張博翔
【TBM施工】
TBM,分為「主機」與「輔助支援系統」兩大部分。
前者長度較短(通常不超過20m),乃位居第一線的主要單元,負責旋轉磨掘前方地盤,並提供全機之動力;後者則是所有後勤支援設備的綜合體,其中掌管TBM作動進退的控制中樞亦位於此。
TBM的鑽掘原理,乃利用主機前方旋轉的切削頭,配合向前徐徐壓迫的推進力,將地盤切削成破碎的小石塊以完成挖掘工作。
挖出的土石利用出碴系統運送至洞外適宜的地點棄置,同時並於已開挖完成的部分施作支撐系統以確保隧道穩定。
【TBM鑽掘推進過程】
Step1反力撐座向外頂住岩盤以提供鑽掘時的反力;穩定座向外伸出,以避免鑽掘時擺震幅度過大。
若岩盤強度不足時,尚可藉由壓力環向後頂住已組裝的環片,輔助提供反力。
Step2鑽掘前進(伸縮盾逐漸出露)。
Step3開挖完成1個衝程。
Step4反力撐座縮回,並將後盾及輔助支援系統向前拉至定位。
Step5壓力環收回,空出的空間即可組裝環片。
如此即完成1個衝程的施工循環。
註:上述解說以雙盾作業模式為例
【小削刀也有大學問!】
削刀,是TBM賴以切削岩盤的工具。
依裝設在切削頭上位置之不同,由內而外大致可分為「中央削刀」、「盤面削刀」與「外緣削刀」3者。
其配置數量與間距,需依據隧道斷面及沿線地質綜合考量。
此外,用以貫入岩壁的削刀緣,依其數目與型式的差異而有不同的設計。
雪山隧道TBM所採用的即如圖所示的「單緣滾盤式削刀」。
至於削刀的材質,多以高硬度的合金鋼製成;其中削刀緣常施以超硬處理,以增加削刀的耐磨性。
1、削刀緣與岩壁接觸點附近產生局部高應力,迫使岩盤產生裂隙。
2、削刀貫入形成槽溝,透過切削頭旋轉所帶動的扭力使岩盤逐漸破壞,裂隙並隨之發展延伸。
3、裂隙迅速擴展至形成破裂面,使岩盤產生片狀剝落。
由於前述兩種工法各具優劣點,對於整體施工的順暢與否及工程的成敗,常牽一髮而動全身。
是故,隧道工法的取捨,有時亦是極為關鍵卻難以抉擇的課題。
最後,經過多方考察、評估並綜合各界的意見後,雪山隧道工程選用了TBM工法作為主要的挖掘方式;鑽炸法只輔助鑽鑿兩端洞口的極小區段。
於是,雪山隧道便成了臺灣第1座使用TBM開挖的隧道。
儘管事後看來,TBM的應用並不如想像中順利;為求工進,鑽炸法反而反客為主。
有部分人也曾質疑當初的決定。
但是,這種問題本來就沒有標準答案,雪山隧道工程畢竟是段歷史的印記。
幸而有雪山隧道的勇敢嘗試,方才開啟了國內隧道施工的新時代;而從挫折中所累積的經驗,則立下了後續其他隧道成功以TBM貫通的根基。
至於雪山隧道本身,終究還是憑藉著鑽炸法和TBM混合並進的方式,成功地達成了貫通的使命!
雪山隧道主坑TBM 攝影╱齊柏林
.切削頭直徑:11.7m
.主機長度:10.9m
.機型:雙盾身之硬岩鑽掘機
.削刀直徑:43.2cm
.削刀總數:80只
.產地:德國
雪山隧道導坑TBM 照片來源╱北宜高速公路興建專輯技術版
.切削頭直徑:4.8m
.主機長度:11.3m
.機型:雙盾身之硬岩鑽掘機
.削刀直徑:43.2cm
.削刀總數:34只
.產地:美國
雪山隧道兩台主坑TBM 攝影╱齊柏林
TBM雖具有自動化、開挖快且環境衝擊小等優勢;不過施工初期需要大面積的組裝腹地,卻是其主要限制。
通常待機具組件運抵工地後,分階段進行TBM組裝,並將已組裝完畢的部分先行進洞,以利後續組裝工作之進行。
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