免開挖工法概述

一、前言

近年來,受都會區快速發展之影響,地下維生管線如電力、電信、自來水管及污水管等之需求日趨眾多,且為減少管線開挖對都市地面交通之衝擊,免開挖工法之應用漸漸地被採用。隨著各種維生管線之管徑、管長、管材及施作深度等之需求不同,在不同地層狀況下所選用之施工方法亦有所差別,而相關之經驗及研究也不斷在累積與改進之中。目前,管線工程常依管徑之大小來區分採用之工法,其中直徑在30cm以下者稱為小管徑管線;直徑在30cm~100cm者稱為中管徑管線;直徑在100cm以上者稱為大管徑管線(大多屬於自來水管或污水管之類者)。由於,不同之管徑需求,其所採用之免開挖工法就會有所差別,一般之免開挖工法大致上有水平導向鑽掘工法及推進工法等兩大類,而此兩大類之施作方式迥異。本文將就此兩大類工法做一粗略之簡述。

二、水平導向鑽掘工法

水平導向鑽掘工法 ( Horizontal Directional Drilling Method,HDD工法)又可稱為潛鑽工法,係以水平導向鑽掘機先行導鑽,在決定管路位置及路徑後,於設定目標出口處鑽出地面後,將信號器與鑽頭取下換接擴孔器,後方再連接既已設定之管材,順原路往回拉,當擴孔器到達導孔入口處,即完成管線之佈設。本工法主要係利用其可進行長距離施工及可轉彎前進之特性,在穿越河道、高速公路、地下障礙物、特殊保護區下方及都市內之管線等工程均可採用。因此,目前採用此水平導向鑽掘工法之埋設管線種類包括有瓦斯管、自來水管、地下水管、電力管線、電信管線、光纖電纜、有線電視、雨、污水下水道等,而其管材可為HDPE管或鋼管等。本工法之優缺點如表1所示。

表1 水平導向鑽掘工法優缺點比較

優點

缺點

l不需大量開挖,廢棄土少,且鑽液無公害。

l減少拆遷其他管線,避免工期受影響。

l施工期短、施工效率高。

l工作機具安排具彈性,對交通及環境影響小。

l路面開挖少,可保持路面完整,且無沈陷之虞。

l佈設時須事先組裝並完成檢測。

l需足夠之狹長形腹地,以供管線放置。

l無法回填砂及埋設警示帶,致對管線的保護較為薄弱。

l遙控鑽掘可調整方向,惟其準確度較低。

 

本工法之標準設備包含有(1)動力設備、(2)鑽機、(3)鑽液設備、(4)鑽稈及置放槽、(5)鑽頭及擴孔器、(6)鑽頭探測器(或導引系統)及(7)載具車。

採用本工法在設計考量上,說明如下:
(1) 地質條件之適用性:本工法雖仍可在砂岩地層中施作,但其工程成本較高。一般而言,大多使用在標準貫入試驗N值小於30之土壤地質。另隨著地層狀況之不同,鑽頭及擴孔器等材質之要求、潤滑劑濃度之調配及機具拉力之計算等均需詳細評估。
(2) 管材之適用性:可適用於HDPE、鋼管及PVC管,惟大多採用HDPE及鋼管。
(3) 管徑之考量:一般介於φ50mm~φ450mm之間。
(4) 鑽掘距離:一般介於150m~200m之間,最長可達300m,惟需視地質、管材及管徑而定。
(5) 鑽掘速度:一般介於60m~80m/天,最高可達180 m/天,惟需視地質、管材、管徑及動力而定。

本工法之一般施工步驟如下:
(1) 管線勘查(含試挖)及鑽掘路線放樣:施工前須針對鑽掘作業之範圍內進行既有的管線勘查,並以試挖方式來加以確認。同時,依據設計之路線加以測量放樣及確認。
(2) 架設鑽機及導引鑽頭:如圖1所示,將鑽機架設至預定之位置,導引鑽頭以14°~16°之角度至預定工作井處。利用追蹤顯示器追蹤鑽頭並指揮鑽機作業並達到設計深度。

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圖1 架設鑽機及導引鑽頭示意圖

(3) 進入到達工作井並施作覆鑽:於鑽頭到達預定深度後,直行至到達定工作井處。於到達井將導鑽鑽頭取下換接擴孔器,並沿著原路線拖曳回拉至前進工作井。一般之擴孔,大致上係以孔徑由3英吋擴大至18英吋再擴大至24英吋、34英吋等,進行覆鑽。
(4) 完成管線埋設:於覆鑽完成後,於覆鑽頭接預埋設之管線並回拉,完成埋設。

三、推進工法

推進工法之基本原理與開放式沈箱工法相似,亦即將垂直方向之掘進改為水平方向之掘進,其係利用油壓千斤頂之推力以及承受推力之反力座將管體水平推進。因此,推進工法在施作上乃於埋設管線兩端,構築出發及到達工作井,並於出發井內施作反力牆,利用設置於反力牆處之油壓千斤頂,在後方一面埋管向前推進土層內,一面將管內之廢土以人力或機械挖掘、搬出工作井外之施工法,而依據管徑之大小可分為(1)中大管徑推進工法,適用管徑ψ800mm~3000mm及(2)小管推進工法,適用管徑ψ250mm~700mm等兩大類。 對於中大管徑推進工法,而其掘進方式可分為(1)開放型掘進:人力或機械挖土如半潛盾式推進工法;(2)密閉型掘進:以機械挖土如泥水式及土壓式推進工法等。照片1為∮1650mm土壓平衡式推進機。

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照片1 ∮1650mm土壓平衡式推進機
推進工法與潛盾隧道相同需有出發工作井及到達工作井,設計時大致上會有下列幾項之考量。

(1)工作井之尺寸:工作井包含出發及到達工作井,其位置必須考量交通狀況及施工環境條件,並需具足夠用地供堆置材料設備之用。表2為較常採用管徑之相對應工作井尺寸。

表2 出發及到達工作井尺寸建議值 

推進工法

標準內徑(mm)

出發工作井(最小尺寸)

到達工作井(最小尺寸)

長(m)

寬(m)

長(m)

寬(m)

半潛盾式

1000

6.8

3.2

4.4

3.2

2000

8.0

4.4

5.2

4.4

3000

9.2

5.6

6.8

5.6

泥水式

1000

6.7

3.0

4.4

3.0

2000

8.2

4.4

6.1

4.4

3000

9.4

5.5

6.7

5.5

土壓式

1000

7.0

3.0

4.7

3.0

2000

8.3

4.4

5.7

4.4

3000

9.3

5.5

6.6

5.5

 

一般而言,工作井的形狀大都為長方形,且隨著其功能之不同可分為永久或臨時檔土結構,惟在施工過程中均需能承受土壓、水壓及推力等外力,並具相當強度。另為提供足夠之推進反力,需於出發工作井內建造之反力牆,一般使用鋼筋混凝土,設計上僅考慮擋土壁體背面土層之強度作為反力,因此反力牆設計與推力大小、土壤性質、推進長度及管徑等有關。通常在管徑小於ψ1650mm以下時,其厚度採用0.8m;在管徑大於ψ1800mm以上者,其厚度採用1.0m。

(2)工作井之開挖:隨著工作井之功能的不同,開挖擋土設施可分為臨時及永久擋土結構,目前針對臨時擋土措施,國內較常使用的有鋼軌樁擋土、鋼板樁擋土或檔土柱(於卵礫石層中採用),而永久擋土結構則有預壘樁、沈箱擋土或連續壁擋土等。對於開挖之支撐系統,大致上均採用H 型鋼內支撐系統,惟此方式需配合採用之推進工法及施工空間等加以調整。另對於開挖較深之工作井,在安全之考量下,需視地質狀況於開挖底部進行之地質改良以防止開挖時產生隆起,而開挖過程中亦需視水位狀況配合抽水降低地下水位,以防止湧起。

(3)工作井內設備:包括管體安裝設備(包括出發及到達之鏡面處理),開挖土砂搬運設備,各種材料及機械搬運設備,工作人員之施工安全設備及給排水電力設備等。其中較為重要者係鏡面之止水設施,一般在地下水位較高之狀況下,會於開挖鏡面背後進行地盤止水改良,以防止推進時大量之地下水湧出,而在安全考量下,在鏡面破除前通常會進行試水試驗,以驗證止水改良之成效。

中押設備目的在於減輕元押推進力 以增加推進距離

(4)推進時之考量:推進時之推力需考量各種推進阻力及適當之安全係數,其推進阻力一般包括:1.推進時所產生之前端貫入阻力;2.管體重量所產生之阻力;3.管體及掘進機與土壤間之摩擦阻力;4.其他如擋土、泥水壓等之阻力,當推進管線越直,則其摩擦阻力越小,同時,若潤滑材灌注越徹底,其阻力也越小。另對於較長距離之推進時,需考量容許推進距離以決定是否須加設中押設備,此設備之目的在於減輕元押推進力以增加推進距離,其裝置包含有中押推進千斤頂、油壓設備、中押鋼套管、墊輪及操作盤等,一般推進距離若超過 100m 以上時,需使用中押。

 

(5)監測與既有管線保護:推進過程中,管體與土壤間通常有空隙,為防止地盤下陷,除需實施管外背填灌漿外,於推管行進之沿線需佈設監測儀器,以防止鄰近建物或地表產生龜裂或沈陷等狀況。另針對沿線之既有管線應進行詳細之調查,以確認其埋設深度及位置,並於施工過程中加以保護。

推進工法之一般施工步驟大致上如下。

(1)工作井位置確認:於推進前除需確認出發及到達工作井之位置外,尚須針對沿線地下既有埋設物之深度及大小尺寸加以調查,以避免未來推進時遇到不明之地下障礙物而影響施工。當確認工作井位置即須設置擋土設施,若屬於臨時擋土則大都採用鋼板樁。

(2)地盤改良及工作井開挖、支撐:為防止開挖底部不穩定及推進時湧水,一般會在工作井開挖底部及發進到達前端一定之範圍內進行地盤改良。隨後即展開工作井開挖、支撐等之作業。

(3)鏡面處理:於開挖完成後進行出發井之鏡面框安裝、施作反力牆及進行水平向地盤改良。同時,進行試水試驗。

(4)機頭入坑:工作井之相關設備完成後即將鑽掘機吊入工作井。照片2為機頭入坑之情形。

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照片2 機頭入坑之情形

(5)推進施工:進行推進時,首先需鏡面破除、安裝控制設備,隨後進行推進施工。一般在施工順利之狀況下,管徑大於2.0 m之推進管在沖積層中,每天約可鑽掘5~8m;在卵礫石層中,管徑大於2.0 m之推進管,每天約可鑽掘2~4m。對於推進長度較長而需採用中押管時,則需於推進至適當之長度後增加中壓設備。

(6)機頭吊出坑:推進至到達井後,將鑽掘機吊出,並需進行推管完成後之高程檢測,隨後再進行背填灌漿,並完成施築。照片3為背填灌漿之情形。

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照片3 背填灌漿之情形

四、結語

由於近年來地下維生管線如電力、電信、自來水管及污水管等之需求日趨眾多,採用免開挖工法之機會也愈來愈大,加以未來台彎地區將有大量之污水管線工程要陸續施作。因此,採用推進工法或水平導向鑽掘工法之機會也將隨之增加。雖然,免開挖工法仍存在一些風險如地層不均勻(於一般地層中突然遇到破碎且堅硬之岩塊)、地下障礙物未清除及鑽掘機本身之故障無法動彈等,但採用此類之工法仍有其方便性及工易性,且目前亦有較為先進之曲線推進工法可供曲率半徑較小(約50m)之管線需求,惟須於事前進行詳細之調查作業。

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