Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 全斷面隧道鑽掘機

2007年6月15日 星期五

全斷面隧道鑽掘機


b94611009 楊子羲


在工程界上,台灣也有一些有名的案件,雪山隧道就是其中之一
雪山隧道是亞洲第二長的公路隧道,在世界上也是第六長的,而且雪山山脈的施工困難度相當的高,還因此讓這件工程列入了大英百科全書
而這件工程的中要角色,也就是我要介紹的主題-全斷面隧道鑽掘機
以下是維基百科的資料:

全斷面隧道鑽掘機

全斷面隧道鑽掘機的正面照片。
全斷面隧道鑽掘機的正面照片。

全斷面隧道鑽掘機,又稱為全斷面鑽掘機TBM(Tunnel Boring Machine的簡稱),是專門用在開鑿隧道的大型機具。該機具具有一次開挖完成隧道的特色,從開挖、推進、撐開全由該機具完成,開挖速度是傳統 鑽炸工法的5倍。然而該機具完全無法模組化,只能依照開挖隧道的直徑訂作,因此購買價格動輒上億元。

全斷面隧道鑽掘機於1956年誕生,設計者為Charles Wilson。但真正的應用直至數十年後的 英法海底隧道工程中運用到。



下面的內容是我節選自國工局的雪山隧道的報告


隧道鑚掘機(Tunnel Boring Machine,簡稱TBM)工法,人類利用此種隧道開挖方法已經有一段極長之時間,在國外不僅施工實績極佳,且亦廣泛用於長隧道之開挖,雪山隧道長達 12.9 公里,係國道 5 號高速公路(北宜高速公路)關鍵性之工程,設計時考量環境保護因素、工程進度、費用及技術可行性等,決定 使用並引進TBM工法,雖然在施工中遭遇大量之地下水及堅硬破碎之地質情況下,使工程進度一度延滯,部分區段受限於地質或工期之因素改採鑚炸法施工,
使TBM工法在雪山隧道沒有發揮設計階段預期之效果,然經過 13 年的努力,在一群無名英雄的努力下,依舊克服困難,完成貫通通車之目標,使得台北宜蘭間之行車時間縮短至 40 分鐘。本文謹就雪山隧道施工引進之雙盾身TBM,加以介紹及討論。

國道 5 號之雪山隧道長 12.9 公里,不僅是目前國內最長之公路隧道,也是目前亞洲最長,世界第 5 之公路隧道,同時也是北宜高速公路之關鍵工程。設計規劃階段綜合國內外專家意見,就雪山隧道的地質條件、環境保護因素、隧道規模、勞工市場、經濟因素、施工期程考量下,認為採TBM(Tunnel Boring Machine)較採用傳統鑚炸法施工,具有時間及經濟上之優勢,故引進世界上長隧道快速開挖之TBM,並期許此一工法能在國內達到技術移轉之目的,提升國內隧道施工之技術,加上目前國人生活日趨富裕,從事辛勞工作之隧道施工人員越來越缺乏之情況下,未來隧道開挖使用自動化之機械方法施工,亦為目前或未來隧道工程發展之必然趨勢。目前國外運用TBM施工之案例甚多如英法海底隧道等,國內除雪山隧道採用TBM施工外,台電公司亦有多個工地引進TBM工法施工,如士林發電計畫、碧海發電計畫等,故TBM應用於國內外長隧道施工之案例有與日俱增之趨勢。

TBM製造、組裝、發進以雪山隧道為例,當承商與業主訂約後、依據規劃設計所獲的地質資料及契約所訂之設計要求,由承商經過評選擇定TBM製造廠後,開始設計製造,至運 輸至工地開始組裝,此一段時間約需一年以上之時間。

TBM試車完畢並推進至開挖面前,須先拆除先前開挖鑽炸法時設置之通風及照明設備,同時施做發進座及TBM仰拱滑床,並須檢核隧道淨空,雪山隧道主坑係採用斷面測量之方式進行隧道淨空檢核,確定淨空無誤後,即可進行TBM推進工作。TBM推進至仰拱滑床後,係利用位於尾盾底部之環片唧筒頂住仰拱環片前進(TBM滑床應於TBM推進前施作完成)。另未使TBM發進時,的到足夠之反作用力點,故需於開挖面先行施作一發進座,長度約 13 公尺,厚
度約 40 公分,當TBM推進發進座時,可使撐座撐於發進座上,以提供TBM開挖時所需之反作用立及扭力,開挖完成一輪進後,須先完成環片反力支撐結構(其作用在協助環片組裝之定位及環片唧筒向前推進之反作用力),即組裝第一環全環片。環片則是利用火車運送之支援系統後,利用環片運送夾及環片組裝機進行組裝,最快可約在 17 分鐘內完成一環組裝。

TBM施工人力配置依據榮工公司所提供之資料,主坑南下線每班人力(8 小時)約需:55 人(含國人及外勞),並區分為:

  • 1. 機修站:負責削刀之檢查及更換,TBM油壓系統、潤滑系統、冷卻系統、輸送帶及機具設備之保養,隧道沿線及動口之鐵軌、轉轍器之保養修理等。
  • 2. 土木站:負責環片組裝、背填粒料、背填灌漿、支援系統作業區之環片吊裝作業、車道板組裝、鐵軌組裝、碴車及環片運輸車之調度等。
  • 3. 電修站:負責 PLC 與電子系統、電機系統保養及修理、#4 及#5 輸送帶之操作、動力及照明系統電攬之延伸及保養。
  • 4. TBM操作手:負責TBM之操作。

環片生產製造

主坑TBM段採用內徑 10.8 公尺,外徑 11.5 公尺之預鑄混凝土環片,每環環片長度為 1.5 公尺,厚度為 35 公分,共分為 A、B、C、D、E、K 六片唧 RS拱型蓋板一片,環片間採公母榫方式銜接,全環約需 25.6 立方公尺之混凝土,重量約 61.49 公噸。另消防栓及緊急電話部分,則使用鋼環片約需 1625 片(此一部分由承商另行擇地生產)。為應付龐大之環片生產數量(約估TBM施工最高峰期月使量為 872 環),故承商於頭城交流道用地範圍,設置環片廠,其佔地約 7 萬平方公尺,預計生產 11 萬 5 千片左右。

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TBM施做前進探查時,由於前述之因素造成施做時常需花費極長之時間,對於TBM施工效率產生極大之影響,亦將造成TBM停機過久,使TBM受夾之施工風險大增,為改善施鑽過程中所遭遇之困難,除改善鑚機之性能及穩定度外,導孔之孔徑以加以擴大,施鑽之效率略有改善。此外亦引進包括水平長距離探查、震測等方式,協助了解TBM前方地質。

雪山隧道已經完工通車,回想TBM剛引進雪山隧道時,由於係國內第一次使用TBM施工,欠缺有經驗之施工團隊,雖有外籍技術顧問之指導,然由於雪山隧道東口段堅硬又破碎之四稜砂岩層,一度使TBM之施工效率不如預期中之理想,每遭遇一次困難,施工團隊往往想盡各種方式一試再試,從中獲取相當之經驗,採取之措施包括:TBM機具之局部修改,鑚灌機具之改善,引進震測法、水平長距離探測協助了解TBM前方之地質,TBM機具之加強維修保養等,使TBM施工後期,達到規劃時預期之進度。如今TBM已功成身退,施工團隊也已完成了一個世界級之工程,相信「TBM或雪山隧道」這個名詞,將在每一個曾經參予過的工作伙伴心目中留下一個充滿喜怒哀樂很難忘懷的回憶。


資料來源
中文維基
http://zh.wikipedia.org/
國工局
http://gip.taneeb.gov.tw/

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