先進之山岳隧道施工技術

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1、第五屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會2006年3月台北先進之山岳隧道施工技術123劉弘祥侯秉承張吉佐123中興工程顧問股份有限公司工程師技術經理協理摘要台灣多山且因位處板塊撞擠帶，地質構造複雜。以往不論水利建設、鐵公路建設及水力發電建設等都涉及艱難的隧道工程，這些隧道工程不但在量及質方面，同時在工程技術方面都不斷與時俱進，日新又新，從最早以人工開鑿演進到現代的各種新工法，在隧道史上都可以看到脈絡。本文首先針對與隧道工程關係密切的地質特性作一概略說明，接著列舉多項隧道工程技術的最新發展，包括地物調查、曲線鑽孔調查、洞口開挖與邊坡保護、隧道支撐設計、開挖

2、工法與施工機具、支撐材料與內襯砌鋼模及隧道施工管理等，最後面臨各種困難地質的對策作一完整的介紹，包括擠壓性地盤、湧水性地盤、軟弱砂泥層地盤、卵礫石地盤及含有害氣體地盤等，以期藉由先進之山岳隧道施工技術以提昇台灣隧道工程之競爭力。關鍵字：洞口保護、岩體分類、隧道開挖、支撐系統、施工管理。一、前言目前台灣正積極推動的隧道工程大致上可分為公路工程、鐵路工程、捷運系統及水利與電力工程隧道，而未來將進行之主要隧道工程包括都會區之管線工程、捷運系統及遍及全島各地的公路、鐵路、水利建設等，預估隧道工程將有143座，隧道總長度超過400公里。由於新觀念、新技術、新機具與新材

3、料陸續引進、開發及本土施工經驗之累積，使台灣隧道工程之質與量皆大為進展，為了凝聚上述隧道工程規劃、設計與施工的成果，以便未來隧道工程能充分應用，本文以山岳隧道工程技術為探討重點，首先概述台灣之地質特性與調查重點，繼而回顧台灣隧道工程技術之最新發展，最後探討克服特殊困難地質之觀念與作法，期能獲得共識，從而發揮團隊合作精神，使台灣隧道工程技術能達到新的境界。二、台灣之地質特性與調查技術最新發展依據地形及地質特性，台灣的地質可區分為中央山脈地質區、海岸山脈地質C1-1J36-1劉弘祥等人先進之山岳隧道施工技術區、西部麓山帶及西部濱海平原區，分別有不同之工程地質特性

4、。中央山脈地質區地形陡峭，主要地層包括亞變質的硬頁岩與板岩及位於中央山脈東斜面的片岩、大理岩、角閃岩及一些超基性的岩層。此區因受多次變質及造山運動影響，地層構造複雜。以縱谷斷層與中央山脈分隔之海岸山脈地質區以中新世的安山岩為主，其上並覆蓋有深厚之安山岩質集塊岩、凝灰岩質及火山岩質堆積物。出露於海岸山脈南段夾蛇綠岩系塊石的混同層則與海岸山脈與大陸板塊衝撞擠壓有相當之關聯。西部麓山帶以新第三紀的碎屑沉積物為主，構造上是一個褶皺斷層帶，這個複雜的褶皺斷層帶代表台灣大地構造向西的變形前緣。九二一地震是變形構造前緣活動的徵象之一。西部麓山帶以西為西部濱海平原區，地形平

5、坦，以紅土礫石台地、山麓堆積及現代沖積平原等未固結材料為主。在調查的方法上，早年以地表調查為主，鑽孔雖亦係主要之探查手段，但深度多半有限。近年調查的方法相對而言相當多元，且在理念上已可接受施工中之調查是整體調查計畫之一部份；且尤不可缺，這些調查技術包括地表調查、遙測或航照判釋、鑽孔調查、地物調查、及開挖調查等。其中地球物理調查更是多樣，包括在地表進行之地電阻、反射震測、折射震測及在隧道開挖面進行之TSP、TRT等，其中北宜高速公路的雪山隧道以地電阻剖面影像法調查成果如圖一所示。對重大工程有時更採平行主隧道工程之地質探查導坑。至於鑽孔取心探查技術上，垂直鑽孔及

6、水平鑽孔深達數百公尺者更是比比皆是，近年在核四龍門計畫的冷卻水出水隧道地調中，也引進曲線鑽孔技術進行海底隧道之地質探查成果如圖二所示，這些多樣化之調查手段，使地下工程的地質特性較以往有了更深一層的認識與掌握。圖一於地表以地電阻剖面影像法進行隧道沿線地下水分佈之探查三、台灣隧道工程技術之最新發展3.1洞口開挖與邊坡保護洞口是隧道工程的起點與終點，亦是所有施工材料及機具必經之要徑，故洞口工程是整條隧道工程之瓶頸。傳統假洞段施工方式是先將洞口淺覆蓋土，C1-2J36-2第五屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會2006年3月台北以最臨界的坡度挖除，並在該坡面上施

7、作噴凝土或岩栓（土釘）等臨時支撐保護邊坡，再架設隧道用鋼支保。近年來，由於環保意識高漲，任何工程均以儘量減少地表開挖為原則，甚至要求施工後的景觀性及安全度較施工前更為優良。為因應此種趨勢，隧道洞口視地形情況可直接採用管冪工法保護洞口後挖進，或假洞段以半階式拱蓋工法施工如圖三所示（劉弘祥等人，1999），其施工方式為先挖除部份淺覆蓋層後，於隧道頂拱預定的位置施築一RC拱蓋，而後再以隧道開挖的方式進行後續全斷面的開挖工作，通常為維持拱蓋的穩定性，拱蓋的基腳位置需依據實際的地質情況，以灌漿或施作微型樁等方式預做補強。本工法除了可避免大量開挖，減少對環境的衝擊之外，

8、也降低了深開挖的風險。國內案例有第二高速公路隧道群如