坪林隧道于规设时期,就如同一般的长大隧道,对于恶劣地层施工,原本就有其克服困难的施工构想与方法。当TBM进入四棱砂岩层中,仍采用该构想来处理,即经由盾身尾部,破除预铸环片另辟迂回坑道到机头前方来排除障碍,1995年2月TBM第九次受困时(导坑里程39 K+168),试用结果,花了290天才突破困境,复工2个月后于1996年2月TBM才前进89 m,即在里程39K+079,又遭到瞬间异常涌水而发生抽坍,再以221天才让机头脱困,令施工人员担心的是,对隧道涌水量长期(三年)监测的结果却发现持续维持在120~160L/s,并没有因施工对策或时间因素,有衰减的现象,故整体隧道涌水的处理模式应有重新思考的必要。
表10-1 坪林隧道水平长距离钻探表
表10-1 坪林隧道水平长距离钻探表
针对隧道工程防治涌水、渗水,基本上可以有三种可能的选择:全排水、全堵水或半堵半排。
1)对于有大量涌水区域采用全排水时,地下水会依循岩层间裂隙的大小,作开放式的涌流,裂隙间原本夹杂或填塞的细颗粒会有流失现象,以致造成岩块松动,严重者将造成隧道抽坍的危险,尤其在具有高压力的地下水区域。施工方式如排水导坑,钻孔排水、点井法、深井法等。
2)全堵水方案:时间、成本的高投资并有累积地下水水压的危险,实际经验中发现即使在断面约仅4.5 m2小迂回导坑中,也可能因累积地下水水压造成对隧道的严重威胁。施工方式如冷冻工法、压气工法、灌浆工法等。
3)半堵半排:目前本工程导坑通过坚硬、破碎、高压地下水及高含水量的四棱砂岩层所采取的主要处理逻辑。
1996年底,为突破工程困境,国内外专家、学者及专业厂商研议对策,并经半梁册年余的多次讨论、评估,最后决定“绕行”并“远排近灌”原则。
1)暂时停止以抢救TBM机头为重点的施工构想。
2)采用自机头后方约55 m处(里程39 K+135 附近),即自TBM的前段支持系统中,朝导坑航道山侧另辟一条平行主线的绕行隧道,坐落于导坑与主坑东行线道之间。
3)采用钻爆工法,并以约20m2的D型断面施工,设法先行穿越,再回头处理TBM机头坍方。
4)藉由大口径水平长距离钻探设备(最大管径为ϕ216mm),尽机具的能力,搜寻前方地质信息并期望能借此作先期排水及尽力降低地下水压。
5)辅之以水玻璃系列材料的注浆,以帮助钻爆施工前进时的区段阻水目的。
导橡局宏坑改由绕行隧道施作后,开挖面地质条件的记录及配合水平钻探所获得的结果,可以大致了解前方地质状况。对高压且丰沛的地下水层,除上腊态述的钻孔作先期降压排水外,在预判断层涌水带或剪裂软弱带区域若相对宽度超过2 m,则必须采用灌浆止水工法;而岩体较佳预判开挖时能自立者则采用排水工法。灌浆止水工法原则以封浆灌注方式由孔口向孔底阶段式灌浆,轴向长度约25 m,径向钻孔孔底范围为隧道开挖线外5 m,外圈灌注水玻璃(LW)浆材,内圈灌注纯水泥浆液,灌浆压力为5MPa,另为防止开挖面因灌浆压力造成挤裂破坏,除以钢纤维网喷凝土保护外,则以3m长配置以作为挡墙。即如藉由水平长距离钻探探查结果获知,可能最大水压为1.8MPa,灌浆压力采取约3 倍的水压力,而径向注浆范围以3倍开挖直径考虑。
初步成形的灌浆模式,是建构在“远排近灌”理念之上,而灌浆方法主要参考日本青函隧道及安房隧道的施工经验,再配合四棱砂岩特性加以修正。每次当开挖通过灌浆区段时,开挖面会随时以酚钛测试,因酚钛遇水泥浆液则会呈现红色反应,并记录出水量变化,作为对钻孔配置之调整,藉以确实改善灌浆效果。经由11次的灌注作业,安全开挖通过。