菲律宾无米乐—安佳越域引水隧道TBM掘进效率回馈分析

王建智

(中兴工程顾问股份有限公司，台北)

0 引言

传统上对于全断面隧道钻掘机(TBM)的掘进速率，以采国际上广为接受之方式推估，其中著名者有Peter Tarkoy之总硬度法、美国科罗拉多大学矿冶学校法、及挪威理工学院法［1］，于实际运用上，Wang［2］于菲律宾无米乐—安佳越域引水隧道设计中，以上述挪威理工学院法配合规范指定TBM规格，并结合循环作业时程分析法，推估进度，本文于工程完工后将实际掘进间之进度作为回馈，从而审视该推估方法之可靠性，是为本文之主要意义。

1 计画概述

1．1 计画目的

本工程属第二期安佳供水优化发展计画，目的为增加安佳水库对大马尼拉市的原水供应，将位于水库集水区外之无米乐河(Umiray River)流入太平洋之多余水源，藉由引水隧道导入水库集水区内之麻瓜河(Macua River)。

1．2 工程内容

总工期1 154 d的工程，内容包括:

1)无米乐河畔之引水渠与拦河堰，于干季流量2．5 m3/s，雨季流量 30 m3/s;

2)内径4．3 m 引水主隧道，总长13．1 km，自西向东以0．14%升坡，3条支线隧道连接主隧道与拦河堰;

3)隧道内倒吊轨道车;

4)引水隧道麻瓜河出口处小水力发电厂;

5)11．1 m长34．5 kV架空输电线路。

工程布置详图如1所示。

图1 工程平面布置图Fig．1 Plan layout of the project

1．3 地质条件

隧道通过区域为位于高度地震活动范围之始新世晚期的火山集块岩，强度约45 MPa，以及隧道起始段(麻瓜河侧)之玄武岩(强度达150MPa)，与后段(无米乐河侧)之石灰岩(强度约60 MPa)。其间含4处主要断层剪裂带，东侧浅覆盖之石灰岩除覆盖浅薄外，尚且有石灰岩溶洞。地质剖面图如图2所示，最高覆盖达1 200 m。

图2 地质剖面图Fig．2 Geological profile

2 设计与施工

2．1 设计

设计工作由台湾的中兴工程顾问社领衔，与意大利C．Lotti．及菲律宾当地顾问DCCD组成顾问团，于1994年完成。

环片允许采用钢纤维混凝土或钢筋混凝土，内径4．3 m，厚度20 cm，片间与环间以笋槽结合不设螺栓，惟上述规定仅供参考，允许承包商自行设计(包括强度及相应强度及配筋)。与岩盘间背填采小砾石，并于稍后以水泥浆液灌注。

2．2 施工

业主MWSS(Metropolitan Waterworks and Sewerage System)于1995年11月将本项亚洲开发银行集资之工程契约，以14亿零9百万披索发包于意大利联合承揽商GLF-SELI JV，并于1996年1月通知开工。

2．2．1 发进施工

自开工起始日起，即因土地取得等甲方因素，使工地准备工作迟迟无法动工，至1996年9月16日所有施工许可皆到位。于1997年4月，承包商以短于原定16个月的7个月期间将前置作业完成，惜因圣婴现象持续至1998年10月，使水库水位低至原订沿水库上朔航程23 km，再衔接4．5 km施工便道，用来载运之平底船无法作用。为使延迟不再恶化，承包商改以11 t直升机载送TBM，支持系统、机车头、环片钢模、生产设备、推土机乃至卡车至西洞口发进基地，并于1998年2月完成发进准备作业，此时已较原定工期晚了6个月，斯时平底船因水位低落仍不能使用，承包商另使用3部1 t直升机载送 TBM削刀、备品、钢筋、水泥等材料。

2．2．2 施工中遭遇状况及施工进度

施工中历经多次涌水、抽心坍塌与挤压夹埋，终于2000年2月18日贯通，为菲律宾首件以TBM钻掘之隧道，并创下正常掘进期间平均月进度540 m佳绩(扣除涌水抽坍与夹埋之停机时间)。

2．2．3 支撑系统

支撑系统全线采用环片，承包商采用4片长1．3 m，厚度20 cm之六角型无螺栓接合预铸混凝土环片，较原设计之1．2 m长，以减少环片总数加快进度，契约内允许承包商选用钢筋或钢纤维加强环片，承包商基于当地人力成本低，选用钢筋。于正常岩压段，每片的钢筋重量为55 kg(约1 m3混凝土使用62 kg钢筋)，于预期高岩压段，每片的钢筋重量为110 kg(约1 m3混凝土使用124 kg钢筋)，环片构造如图3所示，与岩盘间隙以小砾石填充，并于支持系统后方以水泥浆液灌注砾石，本环片配合双盾TBM以2．6 m为一循环，分4个0．65 m之机械推进冲程与4次的撑座(gripper)复归(regrip)，使无论在仅靠撑座施力就足够提供掘进所需反力之硬岩层或须部分靠顶住环片以提供反力的软岩层中，均能一边掘进一边安装环片。

图3 环片示意图Fig．3 Sketch of segment

2．2．4 涌水、抽坍与夹埋

施工中遭遇多次涌水、夹埋与抽坍，图4为TBM每周进度与停机原因汇总图，首次抽坍发生于里程4K+330处的断层带，影响总长度44 m，机头上方8～10 m碎屑完全掩埋住TBM，抽坍孔洞壁面以喷浆稳定，再注以砂浆，破碎段施以树酯灌浆，并循序以1．8～2．5m轮进先灌后挖，最终再以固结灌浆稳定围岩，本段充分发挥双盾式TBM之优势，以盾尾千斤顶，用超过40 000 kN推进力，顶挤后方环片前进，本次抽坍总计费时41d。

第2次抽坍发生于1999年11月，系盾首进入浅覆盖之石灰岩层中之断层带，计费时68 d，使原订1999年12月的贯通仪式展延。

1998年10月11日，开挖至5K+508处，自安山岩质斑岩与沉积岩夹层间，瞬间涌入600 L/s地下水，水涨升至TBM工作平台，数日水势略减，得以于TBM支持系统加装两部抽水机，辅以1支400mm及2支250mm排水管沿隧道两侧壁直到洞外，后续更遭遇810 L/s涌水，使排水管延伸至11km，累积涌水所生费时达48d。

1998年12月11日，遭遇涌水后未久，于里程6K+131首次于坚硬玄武岩层中发生挤压，因而原设计预期之10 cm收敛量所制造之14 cm TBM超挖量已然无法抗衡，幸赖有智能的隧道工班与由雪山隧道记取教训后改良的优良TBM设计，得由尾盾与伸缩盾间利用匀滑开炸将TBM脱困，总计仅耗费31 d处理30 m长挤压段。

同样方式也用在1999年3月12日里程8K+016的挤压段。

最后一次挤压造成长达175 m隧道，最快挤压速度于2 h内超过37 cm，配合树酯前进灌浆处理遭遇的土层。

图4 TBM每周进度与停机原因汇总图Fig．4 Advance length per week of TBM and its stopping reason

3 掘进效率回馈分析

3．1 TBM机械性能回馈

设计阶段基于成本考量，于招标文件内并不排斥承包商使用旧TBM，又期望能在期限内完工，因此于招标文件内对承包商拟采用之TBM基本性能有所规定，其规定如下:

削刀头功率:1 500 kW

削刀头转速:9．6 r/min(高速)、4．8 r/min(低速)

削刀头扭矩:2 238 kN-m(4．8 r/min)、1 119 kN-m(9．6 r/min)

削刀头推力:8 436 kN

削刀形式:17″后置式

削刀能力:222 kN

主轴承基本动态耐推能力(Basic Dynamic Thrust Capacity):13 160 kN

输碴皮带能力:4．75 m3/min或7．25 t/min

预期遭遇地质及瞬间贯入率如表1所示。

表1 预期遭遇地质及瞬间贯入率［1］Table 1 Expected geological conditions and penetration rate ［1］

承包商经自行检核评估后，将二段式电动马达提升为变频式无段变速马达(0～9 r/min)，削刀头采用6座315 kW马达驱动，亦即将功率提升为1 890 kW，使削刀头扭力在极速下提供1 300 kN·m，在半速下提供2 600kN·m，均大于规范要求。其余规范未规定而承商所选用之TBM主要规格有:TBM外径4 880 mm，前盾8支千斤顶，总推力15 200 kN，尾盾14支千斤顶，总推力25 900kN(极限值40 000kN)，最大推进速度8m/h。

3．2 TBM掘进速率回馈

设计阶段采用国际间极受信赖之University of Trondheim发展的掘进速率经验式，将全线分为3种围岩形态，推算各类围岩中之月进度，其结果如表2所示。

表2 掘进速率推算参数表(实际平均月进度540 m)Table 2 Calculation parameters of advance rate

其中B，C之时贯入率因受限于TBM之削刀头推进千斤顶速率(10 cm/min)，故时贯入率均采6 m/h。

CLI(Cutter Life Index)为削刀寿命指数，取决于围岩之岩性;H为削刀寿命，单位为h，并正比于CLI;Kφ为TBM直径修正系数;Kmin为围岩矿物修正系数;K(r/min)为削刀转速修正系数;N为开挖面削刀装置总数量，Lh为平均削刀寿命，亦即平均需更换削刀时间，其与上述各参数之关系为:

各围岩中之日进率系依据每一开挖循环所需之贯入时间、清理时间、环片安装时间(因采用双盾式TBM，部份安装环片时间可与开挖时间重叠)、撑脚(gripper)回复原位时间，计算得掘进一环所需时间，加计削刀更换时间(估计每削刀耗时1h)，并以每日2个8 h班，每次交班重叠1 h计算，可得表2所示之日进率，再以每月开挖作业20 d，可得预计月进率，如表2最末栏所示。

全线中围岩A，B，C类之长度分别为1 250，9 850，2 000 m，依上述长度加权后，正常施工平均月进度为518 m，实际掘进中平均月进度为540 m。

4 结论

由实际掘进中平均月进度540m，与设计时推算平均月进度518m相当接近，惟因承包商所采用之TBM在性能上略优于设计预期(例如削刀头功率由1 500 kW提升为1890kW，千斤顶最大推进速率由6 m/h提升为8 m/h)，故实际月进度略高于推估进度亦属合理。

显见采用University of Trondheim发展的掘进速率经验式计算削刀磨耗量，再结合循环作业时间分析法(cycle time analysis)，可有效推估TBM于北吕宋岛类似地质中之掘进速率，供尔后于菲律宾国内施作TBM隧道之参考。

［1］ Odd Johannessen．Hard Rock Tunnel Boring［M］．Norway:The University of Trondheim，The Norwegian Institute of Technology， The Division ofConstruction Engineering，1988．

［2］ Wang，Jiann-Jyh．Engineers's Construction Plan for the Tunnel of Umiray-Angat Transbasin Project［R］．Philippines:MWSS，1994．