淺談TBM之演進及現況


前言

近來筆者因工作需要,接觸了許多有關TBM之知識及工程,對於這項結合了機械、電機、土木、電子各項技術研發而成的地下大型施工機具,勢必在未來地下工程施工領域中產生極大的變革,工程界將因此得以在技術上及設計上,得到更大的發展空間。在此先整理一篇簡單的介紹,希望能得到工程界先進們的指導與回響。讓台灣工程界對此種工法有更寬廣的討論空間,並能有更深刻的認識、接觸與應用。筆者將陸續針對其中的測量技術、刀盤選用方向、電驅動與液壓驅動、主被動跤接設計、電子儀控安排、自動保護措施等項目,陸續整理提出,供各位技師先進們參考指正。

歷史

1818年,法國的布魯諾爾(M.I.Brune1),最早提出了用盾構法建設隧道的構想,並在英國取得了專利。

1825年,他第一次在倫敦泰晤河下開始用一個斷面高6.8m、寬11.4m的矩形盾構修建隧道,但先後兩次被淹。

1843年,在後續氣壓平衡的加入下,經過18年施工,完成了全長458m的第一條盾構法隧道。

在倫敦地下隧道施工過程中,氣壓盾構的施工方法不斷進化,使的盾構工法得到了飛躍性的成長,1874年格雷賽德將氣壓盾構應用在地下鐵道建設,並首度提出了在盾尾後面的外環中充填漿液加固的施工方法,為盾構的發展起到了重大的推動作用。

直至20世紀初,盾構工法已經廣泛運用在西方發達國家,但氣壓工法對於地質的氣密性、人員安全性及施工效率等方面則相對落後,直到20世紀60年代的日本與德國工程師結合了過去的施工經驗更新提高了設計模型,提出半氣壓、泥水平衡和土壓平衡盾構,不斷發展相應的施工工法和相應的配套配備至今形成了一套盾構制式工法。

年代 特徵
第一世代 Brunel的盾構
(1818~1880年) Greathead和Barlow的盾構
第二世代 機械式的盾構、氣壓式的盾構,開挖面穩定的城市盾構工法
(1880~1960年)
第三世代 閉胸式盾構
(1960~1980年) 泥水式盾構、土壓式盾構
第四世代 橫向:高自動化、大斷面、大深度、長距離、高速化和斷面多樣化
(1980~) 縱向:多模式且智能化設定

用途

以往的隧道工法不外乎挖掘、鑽探、爆破,這類工法不僅精準度低、高成本且危險性較高,而相反的TBM工法則改善了這類問題,TBM挖掘管徑易控制;可隨刀盤改變挖掘管徑之外,挖掘路線也相較以往的爆破工法更為準確,在工期上易掌握,且受天氣影響程度低;現今已廣泛運用在地下水道、捷運、跨河海地底通道及電氣管路等部分,而TBM工法不斷革新,已經開始有效面對高含水地層、破碎帶、硬岩盤等施工難度高之地層;更多以往難以執行的工程,得以漸漸解決問題並進展順利。

分類

現今TBM可依固壓與否分為TBM式亦或是EPB式,差別在於EPB式刀盤會於刀盤後方土倉部分給予固壓功能,以便適應複雜地層如高含水層、破碎帶、壓力變化複雜及卵礫石層等等施工困難之地層,深度挖掘、施工難度高或是要求精細施工之工程,大部分皆是選用EPB式之具有固壓功能之潛盾機;而TBM式之潛盾機則是不具有固壓能力,礙於出泥渣方式之限制,其開口率亦不能過大,使大口徑卵礫石出現之地層環境不適用TBM式刀盤,而其優勢則在於掘進速度及對硬岩的適應能力則較EPB高出許多。

1.TBM式潛盾機(敞開式潛盾機)

除了上述對於TBM之描述之外,目前國際上通常可分類為幾種模式之TBM掘進機 : 敞開式、單護盾、雙護盾及雙模式(土壓平衡/單護盾)等多種TBM類型,現今根據各項使用要求,已經廣泛運用在各項工程中。如單護盾TBM大量運用在中國大陸之重慶市內地鐵工程、敞開式及雙護盾式之TBM廣泛運用在世界各地之水利工程,而雙模式TBM目前則仍在實驗階段,使用於中國多處煤礦斜井挖掘工程,各類型TBM在各工程中,已得到良好的成果。

953-2-1

圖1 雙模式之煤礦斜井TBM

2.EPB式潛盾機(壓力平衡式潛盾機)

EPB式之潛盾機可依據出渣方式分類為:土壓平衡式潛盾機、泥水平衡式潛盾機及混合式(土壓/泥水)平衡式潛盾機。其中前兩種機型較為目前工程中所使用,在大多數城市地鐵工程中及掘進深度較淺的工程中,皆可以看到土壓平衡式盾構機的使用,土壓平衡盾構機的挖掘粒徑為所有掘進機中最大的,因此在容易出現大粒徑卵石之地層施工,經常會選用土壓平衡之盾構機;而泥水平衡盾構機之輸出口徑則較土壓平衡式出之土渣粒徑小,而其優點則在於其環保特性(工地較清潔)及出渣所需腹地較小、出渣較為容易...等特性,亦是隧道工程、水利工程之首選,在廣州、武漢等地之城市地鐵工程,皆可以看見泥水平衡式盾構機的施作案例;最後則是雙模式混合(泥水/土壓平衡)盾構機,此種潛盾模式是結合兩種輸送模式之優點為設計,其土倉之土壓較易調整,出渣方式亦可互相切換,一般常見之混合模式出渣,為泥水管出渣及螺旋輸送機(土壓式)可交錯使用,在遇上粒徑變化大之卵礫石或是破碎帶的狀況、壓力變化大之地層,此種盾構工法則有相當大的優勢,而其缺點則屬造價過高及機械配置困難這點,在台灣使用之潛盾機工法要求大部分為短距離工程,因應法規需求需要採用新機,因此在台灣施行盾構工法時較難使用此種雙模盾構工法,目前實際運用之工程有 : 廣州及南京城市地鐵工程等。

953-2-2

圖2 蘭州城市地鐵所使用之泥水平衡盾構機

953-2-3

圖3 掘進裝備之類型簡圖
結語

隧道之掘進工法日新月異,而結合了國際上各類型知識、技術及經驗所研發出來的潛盾工法,實為現今隧道工法之主要趨勢之一,適當的理解並學習此種工法,將使國內施工技術不至於落後國際,且在機具的選用方案中,更有討論的空間及更多解決的辦法可供選擇,在此先初淺的提出我個人的一些見解,請各位先進不吝賜教,給予指正並共同探討。

參考資料來源 : 中國鐵建重工集團有限公司盾購機培訓課程資料

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】



【版權重要說明】:本網站內容係由該著作權人或團體同意下轉載、或由該作者或會員自行創作上載發表之沒有違反著作權之圖稿內容,一切內容僅代表該個人意見,並非本網站之立場,本站不負任何法律責任;若讀者認為文章或評論有侵權不妥之處,請與聯絡我們,將儘速協同處理;同時未經本網站同意請勿任意轉載內容,我們也將保留一切法律追訴權利。