奧斯陸 (Oslo) 的片麻岩具有高達300 MPa的抗壓強度,是有史以來機械化隧道技術成功鑽掘最堅硬岩石之一。
奧斯陸的Follo Line專案,是挪威隧道工程的一場革命。過去,隧道大多是使用鑽炸法 (drill and blast method),透過炸藥爆破而推進的。如今,建造該國有史以來最大的基礎設施,則是使用隧道掘進機 (Tunnel Boring Machines, TBMs)。四台直徑為9.9公尺的雙節盾殼TBM成對作業,每台TBM推進之隧道長度約為9公里,以建設由首都奧斯陸通往南方20公里的小鎮斯基奇 (Ski) 的新鐵道通勤路線。
二月下旬,在政府部門官員、當地市長、國家電視台、整個施工團隊、與數百名興奮的圍觀者面前,TBM推進到小鎮斯基奇郊區的建築工地,他們見證了這個重要的里程碑。全球也有超過2萬5千人透過直播,觀看TBM於奧斯陸地底下的隧道貫通過程。
為什麼這是個大新聞呢?「在挪威,隧道以往都是使用鑽炸法。現在,我們知道 TBM是另一個替代方案,即使是在極其堅硬的岩石中」,挪威國家鐵路公司 (Bane Nor) 的專案經理Anne Kathrine Kalager在隧道貫通的現場說道。
「在奧地利也是如此,採用了新奧地利隧道施工法」,他反映道,指的是另一個隧道工程很多的國家,這個國家認為TBM無法應對堅硬的阿爾卑斯山岩石,並且花了很多年才被說服,並且放棄基於鑽孔和爆破的方法,開始相信TBM的好處。
「但現在,這裡就像奧地利一樣,他們已經看到這是可以做到的」,奧斯陸的片麻岩具有高達300 MPa的抗壓強度,是有史以來機械化隧道技術成功鑽掘的最堅硬岩石之一。
造就這個小奇蹟發生的,是負責規劃和建造的西班牙/意大利的合資企業 (joint venture of Acciona and Ghella, AGJV)。丹麥的Cowi和德國的Maidl Tunnel公司是負責細部設計的顧問公司;當地的AF Gruppen和Peab公司則是分包商。
AGJV所簽訂的合約,是該專案中最大且最重要的,需建造20公里長的雙孔隧道。其中的18.5公里係由TBM負責推進,位於奧斯陸與斯基奇之間山脈的下方,約21公尺至160公尺處。一旦完工,它將成為北歐地區最長的鐵路隧道。
這份價值 87 億挪威克朗 (7.9億英鎊) 的合約,於2015年3月簽署,是該專案五份設計與建造的合約中,最大的一份。
除了20公里長的隧道外,該專案還包括對奧斯陸中央車站的重大改善、對現有鐵道路線的重新調整,以及建設斯基奇 (Ski) 成為一個現代化的交通樞紐。
挑戰
合約的執行並非如此順遂。去年,意大利承包商Condotte陷入財務困境,挪威國家鐵路公司 (Bane Nor) 不得不介入,並接管其他四份合約中的兩份。這使得整個專案推遲了一年,並將專案成本增加了7.7%,達到28億英鎊。儘管如此,該專案仍然得到多數人民的大力支持。
這並不容易,因為遇到主要的施工阻礙—地質條件明顯比預期的要差得多—但隧道仍如期貫通。
在挪威,隧道以前都是用鑽炸法建造,現在我們知道TBM是另一個替代方案
AGJV的專案總監Fernando Vara說,「我們一直在面對非常堅硬的岩石、與一些具有挑戰性的地質條件,尤其是在南部」。 他更嚴肅地解釋了在南部鑽掘所遇到的脆弱、具嚴重破碎岩石的地質條件,是如何必須透過大量的預灌漿 (advance grouting) 使之穩定的。這可能會減緩進展,並給專案帶來壓力。「我們必須進行預灌漿以避免漏水」,他解釋道。「我們必須每兩天停下來一次。最後我們施作了總長7,600公尺的預灌漿,而原本只預計為1,500公尺」。
然而,這項額外的工作並沒有影響到最終的時程。「我們在兩年內挖掘了36公里的隧道」,Vara說。「每個TBM都完成約9公里的長度,四條工作線的效率都非常相似,每週推進的距離從136公尺到145公尺不等」。
地質條件與漏水,都不是在挪威使用TBM的障礙
TBM供應商的負責人 Martin Herrenknecht說,「他們在岩石與漏水方面皆遇到問題,但他們仍然做到了」。「結合優質的專業知識與穩定的鑽掘機器,使我們能夠在這種地質條件下建造隧道」。
這是一個相當大的誇耀,也是一個相當大的成就。事實上,此隧道的鑽掘策略—從同一場址啟動所有四台直徑9.9公尺的TBMs (雙孔隧道、每條隧道各兩台)—被專案團隊稱為世界首創。
「從同一個場址啟動四台TBMs,這是獨一無二的」,Vara 說。「這是一項讓我們花了很長時間所制定的策略,我們對它的運作方式也感到非常滿意」。
該場址隱藏在奧斯陸和斯基奇之間,E150高速公路旁的一片森林空地,也是TBM 勝過鑽炸法的原因。該場址與兩個終點站的距離大致相等,並且有足夠的空間挖掘兩個長60公尺、高20公尺之巨型且相互連接的洞穴。作為TBMs組裝與啟動的地方。兩個TBMs在這裡組裝並向南推進到斯基奇;另外兩個TBMs組裝並向北推進到奧斯陸。所有的四個TBMs都在幾週內相繼啟動。使用TBMs加速了該專案,極大地減少工程對環境的影響,並且可於該場址處置棄土。此方式亦可確保該專案對奧斯陸與斯基奇兩地的人民影響最小。
技術成熟
雙節盾殼 (Double shield) TBM是技術最先進的隧道鑽掘機之一。它們結合了反力撐座 (gripper shoe) 和單節盾殼TBM的功能原理。在穩定的地質條件下,前節盾殼隨同切削轉盤 (Cuffehead) 的挖掘前進而移動,後節盾殼則用以頂撐岩壁、夾取與安裝混凝土環片,並且提供前節盾殼之推進反力,從而允許前節盾殼的前進與混凝土環片安裝可一起進行,造就極高的效率。在地質條件較差的區域,TBM的行為就像單節盾殼TBM,切削轉盤頂出隧道環片,鑽掘與安裝混凝土環片交替進行。顯然,雙節盾殼TBM比簡單的單節盾殼TBM更昂貴,而且需要維護的運動部件更多。但是,TMD供應商負責人Herrenknecht預測,未來雙節盾殼TBM的需求將快速增長,尤其是在地質條件不確定的地區。「用於硬岩的雙節盾殼TBM?它即將到來,尤其是在南美洲,我們將會看到更多這樣的事情」。
除了透過雙重功能以應對多變的地質條件,雙節盾殼TBM本身還必須足夠強大,才能通過抗壓強度高達300MPa的「極端挪威片麻岩」。每台TBM配備13具引擎、一個特別耐磨的265噸切削轉盤和同樣耐磨的轉盤 (disc)。儘管如此,每台TBM仍需要更換6,000次轉盤。
中央工址 (場址) 還以其安靜與效率而著稱。其分成四個區,實際上是一個微型城市,在專案期間,來自25個不同國籍,多達1,200人在這裡工作、生活和娛樂。
AGJV承包除了信號系統 (signaling systems) 以外之所有鐵路建構工程。這些活動的規劃已經開始,預製排水裝置的安裝將在未來幾個月內開始。版式軌道 (slab track) 的鋪設將於2020年1月開始,該鐵道路線預計於2022年12月投入營運。
「我們特意讓當地的AF Gruppen公司與Peab公司作為我們的分包商,兩家公司皆曾利用鑽炸法,進行當地其他的隧道工程,並在這方面非常有經驗。最初,他們將我們視為國際承包商,並且問你們在做什麼?」。現在,我們正在考慮與他們合作,開展未來的項目。挪威國家鐵路公司 (Bane Nor) 專案總監 Per David Borenstein解釋說:「我們正處於過渡階段,正在吸取重要的經驗。對我們而言,這也是一個培訓場域,我們將把學到的經驗與教訓帶回挪威國家鐵路公司。我們正在建構最佳的實踐專案,這非常重要」。
雙節盾殼TBM由兩個主要部件組成:前節盾殼 包含切削轉盤 (front shield with cutterhead)、主軸承 (main bearing) 和驅動裝置 (drive);後節盾殼 包含夾取單元 (gripper unit)、輔助推力缸 (auxiliary thrust cylinders) 和尾端披覆 (tailskin)。
2019.4.10 New Civil Engineer by Mark Hansford