施工计划隧道异常涌水大口径排水工法.doc

東部鐵路改善北迴線新永春隧道新建工程
隧道南口通過斷層破碎、湧水段
大口徑鑽孔排水施工計畫

專 業 廠 商: 蘇 建 興 營 造 有 限 公 司

中華民國89年 12月27日

新永春隧道南口(山側NW迂迴隧道)通過斷層、湧水段
大口徑鑽孔排水施工計畫

目錄
壹、預估湧水地質模式
貳、推斷結果及預予規劃事項
參、山側NW迂迴隧道大口徑鑽孔排水
3-1.大口徑鑽孔排水考量事項
3-2.大口徑鑽孔排水作業
3-2-1. 鑽設前置作業
3-2-2. 排水孔鑽孔
3-2-3. 排水孔序組及數量
3-2-4. 排水管安裝
肆．施工預估數量
伍、施工預定進度
陸、施工重要機具
柒、施工人員組織

新永春隧道南口(山側NW迂迴隧道)通過斷層、湧水段
大口徑鑽孔排水施工計畫
壹、預估湧水地質模式﹕
新永春隧道南口湧水段位置高程約EL.055，地表覆土厚僅約250m，但依長距離水平鉆探孔LBH-1‚LBH-2‚LBH-3等3孔得知Max Pw≒45kg/cm2，致可推斷此區域地下湧水已形成一封閉地下連通管道水系，水頭高程至少位於EL.505處，由新永春隧道工程地質圖可判斷，其地下水補充之模式推估如下：
依現地地形圖幅，可知由東澳嶺(821m) — 西帽山(966m) —大白山(1369m)與蘭崁山(1477m)連結而形成的嶺線，構成本區重要河系的分水嶺﹔此分水嶺與較不透水角閃岩間，形成一約1.5 km×3.0 km之集水區。由區域地質圖顯示其間亦夾雜一局部區域之凸透鏡狀大理岩，於地表面亦有一線狀系列之採石場﹔致判斷此一大理岩有也许帶狀相連，向西延伸至中央山脈，兼No.2號斷層局部橫切此區段，此剪裂破碎大理岩帶使水脈相連，兼週遭之Bs(石英雲母片岩)﹑Ch(綠泥石片岩) ，係較不透水地層提供受壓條件，致可充份提供此長期之地下水源及甚高之地下水壓；若此湧水地質模式成立，則湧水也许由山側方向湧出。

貳、推斷結果及預予規劃事項﹕
(1). 大理岩MD整條脈狀相連且收集周圍水系，導致水量豐沛。
(2). 水量補充也许不只是目前之持續水量主坑約20 m3/min和長距離水平鉆探孔約13.0~19.0 m3/min，而也许趨於突發湧水時之80 m3/min。目前之隧道穩定水流是類同排水管，已遭局部堵塞之滲流量，致長距鉆探之13.5m3/min排水量﹐仍無法减少主坑之水量且水壓高達Max Pw≒45kg/cm2
(3). 水壓高達Max Pw≒45 kg/cm2，對隧道鏡面推壓力高達約15,500T，任何銅牆鐵壁之支撐保護工，均無法有效安全支撐，致最有效方式乃是考慮洩水降壓；有關洩水降壓水文模式，如圖一所示，只要洩排水量大於補給水量﹐即可達到降壓之目的。
(4). 隧道周遭鉆設長距大口徑排水孔予排水宣洩此水量，可有效避免臨時支撐系統承受過大水壓，類同大樓基礎開挖，四周均得預予安排點井排水。
(5). 處理基本原則﹕採 “近灌遠排、預撐防護”，可有效洩降地下水壓及預予
防範支撐保護，確保隧道安全進行。

(圖一)

說明:

一. 關於Q1(補給量) ﹑Q2(外溢量)及Q3(洩排水量)之互相關係如下:
1. 當Q1>Q3時，Q2>0 ﹔因水頭不降，水壓不會减少。
2. 當Q1=Q3時，Q2=0 ﹔因水頭不降，水壓不會减少。
3. 當Q1<Q3時，Q2=0 ﹔因水頭下降，致水壓會逐漸减少。
二. 由裝設之壓力計﹑流量計等設施，所量測得之Q3(洩排水量)及水壓資料，可推估下列水文狀況:
1. 由水壓力~水量等P~Q關係圖形，可推估Q1(補給量) ﹑Q2(外溢量) 。
2. 由水壓力變化率﹑水量變化率~時間等dΡ/dt~dQ/dt ~t關係圖形，可推估V(地下水庫蓄納量) 。
參、 山側NW迂迴隧道長距大口徑排水孔鑽設
3-1.大口徑鑽孔排水考量事項：
(1). 山側NW迂迴隧道預鉆一系列排水孔幕，如圖二所示，孔深大於 50m~100m，孔數位置視實需﹔目的為使海側NE迂迴隧道開挖時，周遭3D範圍內之地下水壓减少至3~5kg/cm2以下及將地下湧水量儘量預予排除。
(2). 因地下水系密閉相通，致若欲將海側NE迂迴隧道水壓降至3~5 kg/cm2，則假設於山側NW迂迴隧道水壓須降至0.5~1.0 kg/cm2以下，則每支f4”長距離排水孔洩排水量約3 T/min，致約30~50支f4”排水孔，即足敷所需；惟實際鑽設排水孔孔數，仍視現地鑽設時排水情況而定，若己鑽設完毕孔滿管，即再鉆設。
(3). 因岩盤剪裂破碎，於鑽設長距大口徑排水孔後，局部高壓湧水會入滲至岩盤剪裂縫，而對隧道鏡面及周圍拱圈保護工，產生極大之水壓力；得預先對此岩盤剪裂縫隙灌漿改良，使固結封塞此等剪裂縫隙减少孔隙水壓，另得強化此保護工厚度及強度，予承受此等孔隙水壓，確保隧道穩定性及工作人員安全。
(4).此長距離排水孔幕可兼做為探查孔，供量測水壓、水量及水文調查等功能；致得於某些排水孔，孔口裝設閥門、壓力計、流量計等設施(此設施及檢測由專業商配合，其相關費用不涉及本計劃內)，惟考量關閉閥門量測水壓水量時，此排導鋼管將承受相關水壓推力，致得預先於排水孔口預埋鑽孔鋼套管，各項握裹固定設施，使得予錨固此排導管。
(5).預施做隧道仰拱及側壁之永久襯砌，避免長距離排水孔幕鑽設後於水中作業，確保襯砌保護工施工品質管控。
(6). 排水孔幕重要於隧道NW8+138鏡面及NW8+150擴挖處鏡面、隧道NW8+138~NW8+160山側側壁，呈傘狀排水孔幕鑽設，另可可考量於NW迂迴隧道山側開設排水工作坑，再預鉆長距離排水孔，予更有效達到預排水效果。

3-2. 大口徑鑽孔排水作業：
3-2-1、鑽設前置作業：
大口徑排水孔鑽設前，工作面得施做章節3-1.(3).(4).(5) 等考量事項，如預施做隧道仰拱混凝土襯砌及側壁掛網噴凝土、強化隧道鏡面及周圍拱圈保護工之厚度及強度、岩盤剪裂縫隙灌漿改良、預埋鑽孔鋼套管握裹固定設施等，如圖三、四所示，施工程序內容如下：
(1).於隧道NW8+138鏡面、NW8+150擴挖處鏡面，各組裝橫向H-150型鋼橫擋，一組2支及於隧道NW8+138~NW8+160山側側壁，組裝橫向H-150型鋼橫擋，一組2支，如圖四所示。
(2).於隧道NW8+138鏡面、NW8+150擴挖處鏡面，及於隧道NW8+138 ~ NW8+160山側側壁，仰拱及側壁澆置雙層鋼線網混凝土fc'=210kg/cm2襯砌，厚t=50cm，襯砌高h=90cm；NW8+138~NW8+178其他區段仰拱及側壁襯砌厚 t=30cm，如圖三所示。

(3).於隧道NW8+138~NW8+178區段鏡面、拱圈等處，均施噴t=30cm雙層掛網噴凝土。
(4).於第(2)項進行時，配合於鑽設長距大口徑排水孔孔位處，預埋設f6”，L=50cm鑽孔鋼套管置留，置留鑽孔鋼套管夾在2支H150型鋼中間，電焊與H150鋼支堡成一体。
(5).用鑽堡機打設L=9m自鑽式岩栓；於隧道NW8+138鏡面、NW8+150擴挖處鏡面，及於隧道NW8+138~NW8+160山側側壁，自鑽式岩栓打設位置在2支H150型鋼中間，如圖三、四所示。
(6).於隧道NW8+138鏡面、NW8+150擴挖處鏡面，及於隧道NW8+138~ NW8+160山側側壁，再掛網施噴厚t=20cm噴凝土，使此鑽設大口徑排水孔孔位處，支撐保護工厚度均至少達到厚t=50cm。
(7).用自鑽式岩栓管L=9m作為灌漿管，進行隧道拱圈岩盤剪裂縫隙灌漿改良，使固結封塞此等剪裂縫隙减少岩壁孔隙水壓，原則採水泥漿液施灌；惟於目前已鑽設鑽心取樣孔(LBH-1~5)附近灌漿孔位，為避免水泥漿液被湧水沖失，採化學(水泥+水玻璃)及聚亞氨樹脂液施灌。
(8).鎖緊固定自鑽式岩栓，並預施預拉力至8 T/支，予確保隧道工作面穩定性。
3-2-2. 排水孔鑽孔﹕
採履帶式雙套管鑽機，頂擊式機頭可搭配底擊式使用，機具備能鑽設深度至50~100m以上之能率﹔鉆孔過程若排導孔管滿管，則再加強打設，以符合排導水功能﹔鑽孔之深度、孔數、間距、方位及角度，如圖圖三、四所示，或由現場工程師指示。
3-2-3. 排水孔序組及數量﹕
排水孔幕鑽孔，區分兩個序組進行，先完毕第一序組孔，第二序組孔則再視地質及實際湧水情況，予以適當調整孔位及孔數。排水孔幕鑽設期間，若水壓過大，導致鑽孔困難時，則先轉移鑽設其他排水孔位，俟該處水壓洩降後，再續補鑽孔深至預定深度。
3-2-4. 排水管安裝﹕
(1).以頂擊雙套管鑽掘之方式﹔外套管外徑f133mm內徑105mm，將外套管藉由鑽桿鑽頭前進鑽掘同時帶入孔內。套管植入規定深度時，退出鑽桿及鑽頭置留外套管，植入f4’’鑽孔眼之鋼管或PVC製排水管，以鑽機推入外套管內至預定深度，再拔外套管。
(2).如(1)預強大水壓無法順利植入f4’’鑽孔眼之鋼管或PVC製排水管時，改採先拔外套後，以先端引孔方式導入管排水管，再拔出引導裝置。
(3).排水管至規定深度後，孔口固定於預埋設f6”，L=50cm鑽孔鋼套管內並連結固定。其排水管長度、間距、角度和位置均應依設計圖所示，或依工程司指示辦理。

肆．施工預估數量：
4-1. ∮4”排水孔鉆孔
≒30~50支×(≒50~100m)≒4,000m
小計:3,000m
4-2. 混凝土f’c=210kg／cm2, (含仰拱及側壁)
A=[(0.9×0.3×2)+(3.0×2×0.3)]=2.34m3／m
假定打設約100m
V=1.71×100=234.0m3
小計: 234.0m3
4-3鋼筋#7@15cm預埋,假設100.0m,損耗5%

小計:4.3T
4-4.噴凝土
(一) t=30cm

小計:315m2
(二) t=50cm封面

小計:22m2
(三) t=30~50cm, 平均40cm

小計:78m2
4-5.鋼絲網(雙層)
(315+22+78)×2
≒830m2
小計:830m2
4-6.模板(假設100m)
0.9m×2側×100m
≒180m2
4-7.自鉆式岩栓, L=9m
1.NW8+139~147:
[5輪×11支／輪+15輪×5支／輪+30支(封面)]×9 m／支
≒147支×9m／支≒1,440m
4-8.H-150型鋼, 損耗5%

4-9.∮6”預埋鑽孔套管(含加工) t=8mm

4-10.灌漿地盤改良

假設化學漿(水泥+水玻璃)30%,固結灌漿30% 聚亞氨樹脂50%
1.化學漿V1=V×K×0.3
=1850×0.27×0.3×10.0包／m3
小計≒1,499包
2. 固結灌漿V2=V×K×0.3
=1850×0.27×0.3×14.4包／m3
小計≒2.158包
3. 聚亞氨樹脂V2=V×K×0.4
=1850×0.27×0.4×100kg／m3
小計≒19,980kg

伍、施工預定進度
5-1.施工預定進度 (由正式施工日起算 日夜班)

陸、施工重要機具：
6-1.施工重要機具：
項次
名 稱
單 位
數量
備 註
1
履帶式套管鑽機
台
1
CasagrandeC-7或同等級機具
2
分離式套管鑽機桁架
台
1

3
鑽保
台
1

4
套管133及鑽桿鑽頭
式
1

5
挖溝機PC-120
台
2

6
乾式噴漿機
台
1

7
空壓機750
台
1

8
吊卡車8.8t
台
1

9
灌漿機具
組
2

10
其他必要管路 閥門 蓄槽 配件 壓力表等
柒、施工人員組織
7-1.人員組織:
主任一人 /領班3人 /技工10