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5.1.2 觀 音 隧 道

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第 五 章 案 例 探 討

5.1 經 驗 法 則 在 北 迴 鐵 路 應 用 案 例 探 討

5.1.1 永 春 隧 道

永春隧道為北迴鐵路建設計畫第八號隧道,本區段之地層包括大 南澳片岩、廬山層及沖積層,大南澳片岩為構成本隧道之主要地層,

主要岩性為片岩、大理岩、角閃岩。其中片岩又可分為石英雲母片岩、

綠色片岩和變質燧石互層。廬山層主要分佈於隧道北段,依層序的老 新由下至上分為三段,包括千枚狀板岩與長石質砂岩互層、長石質砂 岩夾變質礫岩、板岩等三個岩性單位。沖積層主要分佈於南北兩隧道 口附近,沖擊物來自各河流域出露之岩層,經風化沖刷由洪水夾帶所 堆積者。

本區段地形屬於蘇花斷崖海岸,由高出海面數百公尺之斷崖構 成,此斷崖東臨太平洋,斷面沒於洋面之下,由於海浪襲擊及沖刷作 用,故此斷面向西測山地退移,為退縮性斷層線崖。本區段山嶺高聳、

地勢陡峭,山嶺分佈與延展多受地質構造及岩石性質所影響,主要山 嶺呈西北西方向延伸,最高峰為西帽山,海拔達966 公尺。主要之河 川均由西向東流入太平洋,而其支流大多受地質條件控制略呈南北 向,而形成格子狀水系,溪流大多短小湍急,下切作用旺盛,為幼年 期河谷,溪流之水量不大,部份區段流入地下成為伏流。

通過河床下淺覆蓋河階堆積地路段以儘量避開河階堆積層為原 則,由於河階堆積層地質材料,且於河床下構築隧道非但施工不易,

完工後隧道結構尚需抵抗水壓力、地下水伏流甚至土石流;隧道之防 水,排水亦須克服。民國 67 年 10 月 12 日娜拉颱風帶來豪雨,使原

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本乾枯之東澳北溪水深達十幾公尺;地下水位線上升至地面,造成地 下水壓過巨,致距永春隧道南口北邊250 公尺處隧道左側牆破裂被水 擠出約1 公尺餘,除明挖段隧道無損外,自 L9+644.52 至 L10+69.04,

全長 524.52 公尺,部份側牆與仰拱均有裂縫及湧水,最大湧水 I50 噸/分,其中損壞最嚴重者為被擠出之 18 公尺側牆,如圖 5.1 及圖 5.2 所示。

北迴鐵路工程處曾邀請日本工程地質專家數人來台勘查,應儘量 避開河床段為宜,施工時產生之岩體鬆動、偏壓、抽水形成不平衡水 壓及因灌漿產生岩體之擾動等施工上之限制,大大地提高永春隧道施 工之困難度。

原定測最長之永春隧道 4,090 公尺,實際完成長度 4,020.50 公 尺,長度略減係因南洞口北移所致,此種情形亦見於其他隧道,乃因 施工時重新選擇適當位置之洞門,完成隧道之另一改變為坡度型式 (一公里以上隧道內限制坡度 7‰為不變),即將單向坡改為山形坡。

施工時此四座隧道湧水極為嚴重,若仍用單向坡則下坡施工之工作 面,其排水因難與施工長度成正比。開挖面與路基面長年浸水,不僅 開挖、運渣等機具運用困難,施工人員工作亦極不便,且使隧道底部 地質因鬆軟而影響安全,此種種困難若改為山形坡即可完全解決,山 形坡對隧道通風雖較欠佳,並不構成嚴重問題,必要時加設通風坑即 可解決。

本隧道為對工法之不明瞭,抑或謬用,導致失敗之案例:(a)

由於對隧道工法的陌生,在引進大約翰隧道挖掘機時(如圖 5.3),

台灣工業水準落差太大,當發生故障時,其零組件均須仰賴進口,自 下單定料到換裝完成,耗時冗長,使環環相扣的工程無法進行,以致 成本巨增,產生水土不服被迫放棄的案例。(b)東澳北溪之過溪段 特別以深點井(當時觀念的一大改變)降低水位通過。(c)前述之

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高台地湧水嚴重增設排水側坑南端以軌道版施工。

5.1.2 觀 音 隧 道

北迴鐵路由南澳至和平間之路線選擇問題,理論上計可分為下列 分為四種線形:

1.山腹線。

2.山腰線。

3.山麓線。

4.海岸線。

以上四種路線形第一種為吳顧問祥祺之紙上定線,第三種有定測 測量之路線,第四種則為航測紙上定測,至於第二種路線一般稱之為 觀音至漢本間路線內移線。四種線形之安全性方面,按其在前面排列 之順序。除第二種線形在定測之前未加以比較,其第一、第四曾經加 以研究比較,前者隧道長達十公里,坡度為千分之十五,且在十八公 里之區間無車站設置,不但施工困難,且造價昂貴,並不符合工程標 準之要求,故未予採用,至於後者因係沿海岸線邊緣行走,高出海平 面僅八公尺,對海浪之侵襲與對路堤路塹之施工在懸崖峭壁邊緣均感 困難,故亦未予採用。在定測時為兼顧各項問題而採用定測測量之路 線線形。前面所提前經國先生任行政院長時所指示「鐵路為百年大 計,要慎重注意工程穩固,不可為了省錢省時間而稍有草率,觀音附 近路線近海,要再加研究,如有坍方路線,應考慮內移,又路線從宜 蘭沿蘭陽溪南行亦可研究。」,前省政府交通處於六十二年七月邀請 工程及地質專家二十一人討論結果,經各專家研究,乃有內移山腰線 亦即在山腰之下鑿兩個長隧道,以達安全之目的,觀音相關隧道內移 路線如圖5.4。

前北迴鐵路工程處六十二年六月邀請台灣調查所徐技正鐵良及

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成功大學地球科學系張教授石角針對此一路線進行地質勘查,茲將勘 查結果與工程處評估報告整理如后:

1.十六號隧道

十六號隧道位於黑色片岩地帶至為明顯,片岩之傾向為東北 32°至 50°,僅南洞口(即 L27+306 附近)為綠色片岩,南洞口緊接 為由片岩大小碎片所形成之岩屑堆集層,其厚度不可得知,但可 確定此種地帶不適宜構造物之建築,因其向西延伸不遠,故稍將 路線內移即可避免。

2.十七號隧道

十七號隧道全部位於綠色片岩之中,其傾向為東北 35°至 38°。南洞口明顯位於峭壁之上,但峭壁下堆積層之厚度則不知。

向南緊連之路線位置因緊接岩石走向關係建議應向西移。

3.十八號隧道

十八號隧道經過黑色岩層其傾向為東北32°至 45°,此傾向完 全位於含雲母之剝理面上。

4.十九號隧道

十九號隧道北洞口里程(L28+000)係經過黑色及綠色片岩,在 北洞口之北方係矽質片岩,向為東北80°至 26°。

5.二十號隧道

二十號隧道(北洞口里程 L28+761)除北洞口係位於矽質片岩 層外,餘均位於不適宜之岩屑堆集層中,此岩屑堆積層之厚度,

則不得而知。

6.二十一號隧道

二十一號隧道(自 L28+843 至 L28+923)亦係位於不適宜位置

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之岩屑堆積層中,在隧道坡度下方有巨大石灰石及極度剝蝕之片 岩石外(約 20*6*10 英呎),此項巨大石塊顯而易見為由上方地滑 動之產物。

7.二十二號隧道

二十二號隧道之北端同樣亦為地滑動所形成之堆積層,但接 近南洞口處(里程為 L29+130)則進入黑色岩層。

8.二十三號隧道

二十三號隧道(里程自 L29+380 至 L29+562)位於黑色岩及帶 狀綠色片岩中(可能為綠泥石片岩及千枚岩)其傾向為東北 40°。在 定測之隧道外下方為一峭壁。

9.二十四號隧道

二十四號隧道(里程自 L29+582 至 L30+266)北洞口附近有一 小溪流須建橋跨過。本隧道大部為黑色片岩,南端三分之一夾雜 有綠色片岩及結晶石灰岩。其傾向為東北 30°至 42°。在南端約一 百公尺處在剝理面上有與易位斷層正成交之岩石塌方。

10.二十五號隧道

二十五號隧道(里程自 L30+460 至 L30+630)位於黑色片岩及 綠色片岩之中,其傾向為東北38°至 41°。但在北洞口南方約 100 公尺處有一堅緻之石墨片岩帶,除北洞口為岩屑堆集層外,沿海 邊均為峭壁。

11.二十六號隧道

二十六號隧道(里程自 L30+840 至 L32+105)北洞口及向南不 遠處為一大塌方所覆蓋,隧道適經其處。再經過一段黑色片岩 後,則有另一坍方存在。各坍方表面至下部盤面之深度則不得而 知。再南至南洞口均為黑色片岩,惟在南洞口處則又有一坍方存

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在。剝理之片岩其傾向為東北26°至 55°。岩層節理發達其傾向為 東北。

在二十六號隧道南洞口與二十號北洞口(里程 L32+220)之 間,有斷層體移向海邊。斷層位於北側經剝理面而移動之斷層體 則位於南側。此處地面甚不穩定,無人預知此項移動何時將會發 生。由位於在其上之蘇花公路混凝土欄石,內外倒斜,可知此帶 坡度非常不穩。位於此處公路小橋之一端曾經下沉且其混凝土亦 遭損壞。此處之黑色片岩層因含有微粒之黃鐵礦,故水可能呈酸 性反應。

12.二十七號隧道

二十七號隧道(里程自 L32+220 至 L32+550)北洞口開始即為 扭曲、錯裂,多節理之含石英、雲母黑色片岩。在洞口處有一扭 曲、破碎多節理之含石英、雲母黑色片岩斷層體向海岸方向傾 下,此處岩石之傾向為東北20°。

13.二十八號隧道與二十九號隧道

二十八號隧道(里程自 L32+660 至 L33+380)南洞口一帶路線 係位於易位斷層上田地滑動所造成之堆積層中。由海濱觀察可知 此隧道係穿行於黑色片岩經地滑動後所造成之土壤、碎石堆集層 中。

在 二 十 八 號 隧 道 南 洞 口 與 二 十 九 號 隧 道 北 洞 口( 里 程 L33+510 之間),由此向南開始恰為一峭壁面,此處原設計為 100 公尺長之路塹。雖然在此段會發現黑色片岩塊及結晶石灰岩但其 岩石主要構成仍為黑色雲母片岩,此處上部坡度甚不穩定,同時 沿蘇花公路之欄石均扭曲或下陷,甚有可能在豪雨與地震震撼影 響下,此帶坡度勢將坍毀。

14.三十號隧道

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再向南為三十號隧道,其地質構成情形與二十九號隧道相 同,惟其南北兩洞口均有斷落之巨石及地滑動現象,故隧道之開 挖工作甚為困難。黑色片岩之傾向為東北35°至 40°。

以施工工程、經濟與地質需要之情況各點而論,原定測路線中之 第 17 號,第 18 號,第 20 號,第 21 號,第 22 號,第 23 號及第 30 號隧道可予以取銷、改線或與鄰近之隧道合併。另外一種可行之解決 方法,為將上述各隧道予以明挖,此種方法因山麓坡度經深挖後,對 其穩定性影響甚大,尤以此帶地質構成黑色岩為片理發達及已遭風化 者,以不採用為宜。如欲得到較緩之邊坡,則增加土石方之數量甚多,

亦得不償失。另外一種可行方法為建築此項隧道採用明挖襯砌法(亦 即開挖一條溝,建造一個鋼筋混凝土箱涵或馬蹄形斷面之隧道,再回 填至所之安全麓坡或恢復原來之地面線)此種方法一般基於下列各種 理由而不予採用:崖錐堆積層和破碎基石之支撐力甚小,而隧道中心 線距斜坡面甚近,水平距離約30 公尺,路基高度均在七十公尺以下,

有發生蠕動甚或整體崩移之可能;峻陡之麓坡(通常為 1:1)及部份地 區為峭壁,在施工時因將其平衡性予以破壞,甚易使工作人員及機具 遭受損傷。(此種情況在明挖方法亦有相同之結果)在定線路線中心線 之建造情形下挖方,在上述情況所挖之深度由七公尺至二十公尺不 等,此等開挖數量經初步估計約為隧道開挖數量之兩倍。此種構造須 能支承上部之覆蓋層,至少須為現時山麓以上部份之平狀態者,為免 在此等回填土上發生滑動現象,應將開挖之每一部份均需予以回填。

最後此等沿山麓重建之填土為達成其穩定性,勢必增加下部構造物側 墻之橫壓力,在最壞之情可使其破壞。若將路線向東移以減少挖溝之 深度及開挖數量,而採取上述之方法將導致更多的問題。若要採用明 挖襯砌法,必須事前對施工時可能遭遇之災害情形與進一步對該一區 域之地質資料加以收集與研究,以符合所需要長程計劃之麓坡穩定 性。階段之建造法亦不宜採用,因在山坡下邊之填土,其穩定性甚不

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可靠。

綜觀上述各點,最簡捷之方法為將路線西移採用隧道為可行之 法。在長程計劃下此種方法乃為一經濟可行之解決方法。採用此種方 法之結果為多數短小隧道合併為長大之隧。如此可解決數處橋位之困 難。對第 25 號及第 26 號隧道之改線,則為避免在洞門處之地滑動區 域亦屬需要。對隧道之位置,有甚多之規劃線,雖然此項規劃均須依 賴地質情形而加以釐訂,但均為使其能達成所要求之任務。地面之層 理情形,片理之傾斜及地震之感受性在前面均已述及。因此,隧道之 環境可由不適宜者轉而選擇最適宜者。亦即謹慎之參改資料必須予以 採用。對此項線路之有關問題,在此首先予以討論:

一、覆蓋層

在一般情形下隧道覆度至少需要一“直徑”(亦即隧道之開 挖寬度)堅緻、新鮮及未風化之岩石包圍於其四周。對隧道工程周 圍之片類岩石之風化及腐蝕性須加以觀察研究,至少須將岩石覆 蓋之厚度增加一公尺。所有之堆積層或沖積層均須計算於內,而 得出隧道覆層之總厚度。若隧道覆蓋厚度小於此值,均將不予採 用。採用過大之值則無此需要,蓋以依據構成岩石之性質來判斷 有此厚度,即可達到安全之要求。為安全計,上列之數值可增百 分之五十,以應付落石衝擊及岩石之風化,腐蝕,剝落面及變質 岩之不整合(包括軟弱地帶)等現象。在每一洞門開挖後,其實際 覆蓋層厚度即可予以決定。其目的為在此標準山麓地須要較大之 覆蓋層厚度,經研究,在隧道中心線部份覆蓋層之厚度須二十公 尺。

二、 隧道長度

隧道洞門之建造較為困難,故該處之襯砌厚度應較內部者為

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大,以為防護,在規劃線中甚難將此點予以估入,蓋以缺乏地面 之各項資料,在缺乏正確資料之情形下,可將此區域展伸至三或 五倍“直徑”之距離,亦即十五至二十五公尺,做岩洞門之起點 (亦即由此點隧道工程開始)。因此而增加之費用,甚難予以估計,

但可按隧道內部每公尺建築費用之四倍至五倍予以估計尚屬合 理,此數值在隧道內部不需要襯砌時似嫌過高,若相鄰兩隧道洞 間距小於一百公尺,加以內移改線則屬經濟,因其可避免建造兩 個洞門故也,同時亦可得一致為安全之線路。在原計劃中有七處 地面構造物之距離為小於八十公尺,其中五個洞門岩石之距離則 小於一百公尺。同樣之理由,若一隧道之長度小於一百公尺則屬 不經濟(超過標準造價之兩倍)。地面構造物之間距若在二百公尺 以內,亦屬危險之舉(五個長大隧之地面造物間距為 250、218、

230、194 及 130 公尺)。若以地面構造物包括大橋在內之造價而 論,所增加隧道之數目應予以合併。因隧道合併而產生之通風問 題則需加以評估。

三、洞門情況

因建議之路線有多種,故對最選定隧道之各洞門情況似無法 予以特別評估。概言之,所選擇之洞門中心線應與地面等高線近 乎垂直。換言之,即山麓坡洞門為不適宜者。在洞門周圍或其上 部可使洞門在建造後得到穩定性及穩定性之構造物。隧道中心線 若沿山麓坡或在中心之上為長程計劃想須增加覆蓋之厚度,以使 隧道位於穩定之岩層內。

首先蘇花區間之東西向構造線與河流系適與路線方向正 交,路線跨越高山深谷,不然,若欲採標高較低之地帶通過則必 須沿經邊坡陡峭之斷層海岸,工程之艱鉅自可想見。沿岸線路大 致從斷層海崖之腰部通過。海崖坡面之傾角平均在五十五度左

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右,其中不乏近於陡立者。縱然海崖之坡面多近平直,然因通過 大小溪流部份,難免隨山形彎曲,公路路線亦由於上述地勢之影 響,其坡度與彎道俱有過大過多之嫌。同時邊坡陡峭,路幅之寬 度,難得如理想開拓。尤須考慮為邊坡之穩定與路基之安固。本 區域分佈之各類變質岩及岩層堆積,其片理、斷理、劈理等俱多 有程度不等之發達。此等材料又位於急斜坡面之上,經過風化之 後,易發生沿坡崩落,豪雨含水飽和及流水沖刷,尤易導致崩落。

在路基方面則路面亦易發生沉陷現象。故每屆豪雨之後,恒有大 小災害之發生,影響道路之通暢。東部地震頗多,其震度較強者,

亦易觸發陡坡危石之崩落。

上述諸種不利情況因逐年整修,在公路工程上獲得不少之改 善,但其在之原有地形條件,則仍然難以全部改觀。由於原定測 路線係位於不適宜之地質形態,以地震紀錄地區觀之,應向西移 至較適宜地帶,在施工期間,有關隧道、橋梁與涵管等之建造將 發生若干問題,以致影響六十七年底完工期限,甚多短小隧道,

其上面覆層不甚穩定,若干外露之岩石表面風化甚烈,且混雜而 不堅緻。在此種況下為採用一般導坑法及工具施工,不但進行緩 慢且造價昂貴。隧道總長度百分之五十至百分七十五需用間距五 十公分至一公尺之鋼支撐。其中百分之二十五可用石栓予以代 替。建造隧道所用之臨時支撐處,須緊接用鋼筋混凝土予以襯 砌。其用石栓之處可能亦須加以襯砌。

故將隧道重行定線,在長程計劃下將路線西移採用隧道為最 簡捷、經濟可行之方法。採用此種方法之結果為多數短小隧道合 併為長大之隧道。如此可解決數處橋位之困難,避免在洞門處之 地滑動區域亦屬需要。對隧道之位置,有甚多之規劃線,雖然此 項規劃均須依賴地質情形而加以釐訂,但均為使其能達成所要求 之任務。地面之層理情形、片理之傾斜及地震之感受性在前面均

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已述及。因此,隧道之環境可由不適宜者而選擇最適宜者。

本隧道於民國六十二年十二月開工後,依據定線測量資料進 行施工測量及地質鑽探,對沿線地形、地質再加詳細檢討,為路 線安全與施工經濟計,聘請美國巴森斯工程顧問公司進行評估,

建議事項如下:

1.建議不論路線向東移動或向西移動,接近最北端之隧道口需重 新研究,藉能減少明挖之挖填數量,且可備溪水流量過多時之 保護。

2.建議觀音交會站之位置及需要重新予以研究,是否兩股線必需 均在露天,如一股線在露天,一股線在隧道可簡化此問題,如 比較兩線均在露天,土石方及防護工程必多。

3.第十八號隧道橋所誇之山谷處,必須對其地形及地質作更詳細 之測量。

4.第三十號隧道南口附近必需重予研究,以便將路線向西移動,

以改善進洞情形。

5.隧道數目實質上應予減少,就山邊地質情形而言,如僅考慮建 築之可能及路線之穩定,如無通風問題,用一座9.3公里之長隧 道最為適合。

6.建議路線向西移動,其西移程度大致在20至100公尺之間,總之 最大移動仍用橫井通風有效之程度。

7.新訂路線之縱向坡度需予研究,以減低坡度及減少彎坡。

8.隧道通風問題需重予研究,其通風井位置寧可在陡峭之岩面,

而不在山谷中,最好用少數較大斷面之通風隧道或豎井。

9.選定路線之隧道其每個隧道口處必須加以研究,其用意在減少 工程期間以及以後使用期之隧道口產生之危險。

經多次履勘協商,最後為增加工程安全、減少施工困難、節省工

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程經費並避免營運時災害發生等原因,依據巴森斯工程顧問公司建議 而決定將路線內移,選用一座長9.3 公里之長隧道最為合適,惟因當 時谷風隧道及觀音隧道南端部份業已開工,如改為一座長大隧道時,

部份已完成之工程必須廢棄,故採用將原規劃案 11 座連串之短隧道 合併為一座長 7,740 公尺的觀音隧道,及 4 座隧道合併為長 2,484 公 尺的谷風隧道,然綜觀爾後實際開挖狀況 L32+210 至 L34+840 原谷 風隧道部分,因經過岩屑堆積層黑色片岩及綠色片岩等地質,於施工 中發現 L32+611 至 L32+735 部分地層有滑動現象,雖予以灌漿固結 仍無法使滑動情形改善,延請國內外地質專家、隧道專家等幾經研究 比較,歷時近一年始決定此124 公尺以明挖法施工並改移公路,所挖 除土方達87 萬立方,而成為鼓音明挖路塹(大明挖),若如採用 9.3km 長隧道應較符合成本效益。

隧道工程為一步一腳印,知之為知之,不知為不知,我國隧道工 程經驗既少,人才復缺,所遇地質困難情形亦多,施工期間不得不引 進國外機具及技術,從而由工作中吸取經驗,訓練國內技工及工程 師,並確立軌道式長隧道更符安全經濟原則的概念,破除對長隧道施 工之恐懼迷失,供交通用途隧道口外移,增加緩衝區,嚴防隧道口為 另一脆弱點。

5.1.3 和 仁 、 清 水 、 崇 德 隧 道

和仁站以南原為第三十二號隧道與第三十三至三十八號七座隧 道,為安全及減少施工困難,路線向山側內移合併成一座隧道,共長 2,411 公尺,改稱和仁隧道,和仁隧道位於和仁與大清水之間,穿越 左岸山嶺線,岩層為大南澳片岩中之片麻岩、結晶石灰岩及少量薄層 黑色片岩,僅隧道北口有岩層堆積層。岩層片理走向為 N30°W 至 N7°E,傾斜在 30°〜50°WN 或 ES;節理走向為 N30°〜40°W,傾斜 80°至垂直 WS 或 EN,岩層內片麻岩與結晶石灰岩之接觸帶長達三百

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餘公尺,係一斷層破碎帶。里程自 L49+320 至 L51+731 全長 2,411 公尺為直線隧道其坡度自北向南7‰的上坡。原規劃此段路線係沿海 岸有曲標的三個短隧道及大橋聯絡之,由於多種因素將路線內移截彎 取直成為今之和仁隧道。地質情況北口為岩屑堆積層,接著有滴水現 象,片理不明確呈灰綠色的片麻岩,至 L49+950 後為大理石,夾有 少量砂質片岩直至南口。本隧道有北口及南口兩個工作面同時作業,

自64 年 9 月開工至 67 年 3 月竣工。

清水隧道原為第三十九號隧道,位於大清水與小清水之間,穿越 大清水山東南延伸之嶺線,岩層為大南澳片岩,以結晶石灰岩為主,

並夾雜少量綠色片岩,隧道南北兩口岩屑堆積層均甚少。岩層片理走 向為 N40°〜60°E,傾斜為 30°〜70°WN 或 ES;節理走向為 N30°〜

60°W,傾斜為 70°〜85°WS 或 EN。岩層呈平緩褶皺,大部份為不對 稱背斜及同斜,各摺皺規模均甚小。本隧道全長2,106 公尺,南段約 400 公尺,在半徑 1,000 公尺的曲線上,其餘均為直線,其坡度自北 向南 3‰下坡。地質狀況隧道北口之堆積層長約 66 公尺,平均厚度 15 公尺。南口堆積層長約 60 公尺,平均厚度 20 公尺,中段部份均 於石灰岩層中,夾有少量黑色及綠色片岩,除北段有幾處破碎帶外,

本隧道地質尚佳。本隧道無橫坑,故僅由北口與南口相向開挖,自 65 年 9 月 1 日開工至 67 年 5 月 20 日完成。

崇德隧道原為第四十號隧道,本隧道穿越小清水山東南延仲之嶺 線,岩層為大南澳片岩中之結晶石灰岩夾雜薄層之綠色片岩及黑色片 岩,隧道南口為岩屑堆積層組成。岩層走向為N60°W〜N30°E,傾斜 30°〜60°WN 或 WS;節理走同為 N30°W 至 SN,傾斜 70°〜85°WS 或 W。本隧道為北迴鐵路最南端的一座隧道,位於崇德車站北邊,

起自L54+403 終於 L57+085,全長 2,682 公尺,穿過清水山東麓,北 口經風化石灰岩約七十公尺,南口為堆積層三百餘公尺,中段均為堅 實之結晶石灰岩,隧道南段約一公里為2,000 公尺半徑之曲線,坡度

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自北向南5‰降坡。原計劃由大約翰開挖機自南口進入完成整座隧道 之工程。但進入石灰岩地層後開挖遭遇困難,挖斗鋼齒無活挖掘堅硬 岩盤,雖於開挖面以輕度爆破方式補救進度亦緩。最後考慮時間與費 用之經濟,決定撤出大約翰以鑽炸法接替,並在北口加開工作面,加 速隧道開挖工作。

此三座隧道之內移,可從爾後蘇花公路隧道因受太平洋之侵蝕,

不斷改線,證明當初選線之高見。

5.2 經 驗 法 則 在 東 線 鐵 路 拓 寬 工 程 應 用 案 例 探 討

台鐵東線拓寬工程中,最艱巨之自強一號隧道,自施工以來.因 地質構造錯綜複雜,致施工初期曾遭遇多次災變,使工程進度深受影 響。隧道位於東部幹線花東區舞鶴至三民站間,全長2,750 公尺,於 民國68 年 2 月 15 日興工,用底導坑開挖法由南北兩瑞同時向中間進 行,該隧道設計之先,曾以物理震波法得知有破碎層多處,初期開挖 曾在施工中遭遇預料中之破碎帶層,但均以各種施工方法予以克服。

茲將路線之選定與地質分析說明如后。

5.2.1 規 劃 選 線 過 程

由原東線舞鶴站起至三民間之路線,係沿秀姑巒溪兩支流紅葉溪 與掃叭溪分水嶺兩側嶺線麓坡處行駛,於掃叭嶺線蜂腰穿越嶺線,以 致兩端坡度高達千分之廿五,坡度延長達三公里,故此處必須予以改 線,其對策共有二案,如圖5.5:

第一案,繞行秀姑巒溪左岸線:由原瑞穗站南端向東南行,跨越 紅葉溪沿秀姑巒溪左岸而達三民,路線全長8.9公里(原拓寬案 路線)。

第二案,新建掃叭隧道線:由第二紅葉溪橋南端起,路線行於河

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谷內,再穿越原線,而新建掃叭溪隧道長2,035公尺,隧道南端 路線行駛於掃叭溪流中,斜穿原線後沿掃叭溪左岸平原而達三 民,路線全約5.6公里(原複勘案路線)。

以上兩案經委託中央地質調查所長做舞鶴台地之地質調查加以 研究分析如下:

一、地面地質(根據中央地質調查所報告)

構成掃叭台地之岩層,依岩性可劃分五岩層單位,即古生代 片岩層、更新世掃叭礫岩、台地堆積層、階地堆積層與河床沖積 置。古生代片岩層出露於台地西方,南方及東南方,為掃叭台地 之基盤。片岩以矽質片岩、黑色片岩、矽質片岩與黑色片岩薄層 互層為主,偶有少許石英脈穿插於此岩層中。片岩片理發達且風 化甚深,大部分片岩都呈現風化後之灰白及棕黃色。掃叭礫岩層 出露於掃叭台地東北及東部山麓地區。礫岩因風化程度之深淺,

而呈深灰至灰白甚至褐黃的顏色。由各類岩石之礫石及砂、泥所 組成,厚度在100 公尺以上。礫石有矽質片岩、石英岩、黑色片 岩、綠泥石片岩、石墨片岩、結晶石灰岩及砂岩等,推測來自中 央山脈變質岩區。礫石大小不均,顆粒直徑由數毫米至數十公 分,平均在 5 至 10 公分左右。礫石皆為砂質及粘土質膠結物所 固結,通常膠結都不甚良好。在砂層及粘士層中,時有漂木出現,

碳化程度不高,呈黑褐色至棕褐色,纖維組織仍清晰可見,結構 堅實,仍富彈性。

台地堆積層分佈於掃叭台地上部,不整合覆蓋於古生代片岩 及掃叭礫岩之上,厚度在 20 公尺以上,主要以礫岩構成,常雜 有砂及粘土,礫石直徑在 20 至 15 公分之間。由於氣候與風化之 結果,堆積層上部有紅土發育,厚度在1 至 4 公尺,不整合覆蓋 在老地層之上。一般呈暗紅色至紅色,發育不甚良好,其成份主

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要以粘土為主,時亦雜有砂與礫。

階地堆積層零星散佈於台地上,大部份為水田所掩蓋。現代 沖積層分佈於秀姑巒溪河床。而沖積扇見於小溪注入秀姑巒溪之 溪口,由大小不等之礫石夾雜砂、泥所構成,都沒有固結。漂木 零星散佈,時亦可見。古生代的片岩地區,岩石片理非常發達,

片理走向傾向及傾角變化很大。在西側中央山脈地區走向較整 齊,呈北30 至 70 度西,傾向東北 25 至 60 度,漸往東移,走向 漸不整齊,到現有鐵路線附近,走向混亂。由於露頭欠佳,且都 呈深度風化,可靠性低,故不能由地表稀少資料,準確推定地下 之構造。隧道預定線位置,由片理走向混亂與節理發達,大致可 以推知,此區片岩可能破碎。再加以覆蓋之岩層厚度有限,風化 頗深,使岩層更形破碎軟弱。將來施工時,需防碎岩崩坍及局部 滲水。

掃叭礫岩層,層理走向為北 40 至 60 度東,傾向西北 15 至 20 度左右,膠結不良,且含有不少砂層及粘土層,形成透水層與 不透水層交互出現,易造成水量集中於交接面,如在此層中開挖 常會有滲水現象。又因岩層夾砂及粘土層,抗壓、抗張力弱,且 傾角又小,易斷裂坍陷,故開鑿隧道應避免此層。

二、第一案與第二案之分析與研判

第一案(繞行秀姑巒溪左岸線,即原拓寬案)路線由 66 至 71 公里間均位於斷層之東側,其他地質構造同為掃叭礫岩走向為北 北東至北東,傾向西北,傾角在 20 度左右,此段由 67 至 71 公 里間,秀姑巒溪逼近嶺線麓腳,因礫岩與砂岩膠著不堅,受侵蝕 作用後即造成鬆脫及崩坍現象,由於其傾向西北而造成鬆脫之削 劈,且此處洪水位高達 10 公尺,每逢洪水季節沖刷與侵蝕交互 作用,河流緊通麓腳,路線無法通過,右為鬆脫崩坍之礫岩層,

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左為高達10 公尺之洪水位,長達兩公里之防護工程,費用不貲,

安全堪虞,故此線不能採用。

第二案(新建掃叭隧道線,即原複勘案)路線所選定之路線位 置,隧道長度雖可縮短,惟未曾考慮地質,河床及地形之各種情 況,在將來施工時將遭致更多之困難,其主要之項目如下:

1.隧道過於接近蜂腰部,將會導致:

(1)此處為台地堆積層與變質岩層之交互啣接處亦會發生湧 水,原有掃叭隧道之大量水即可證明。

(2)隧道位於蜂腰左側,因蜂腰之形成乃由於水之侵蝕作用而造 成,即表示此一區域之台地堆積層更為鬆懈,亦即膠結力或 凝固作用不強,同時其下部之變質岩層亦因甚易風化或破 碎,在施工時可能遭遇到小斷裂發生抽心現象。

(3)隧道南洞口適為河流之頂衝所在,且其下挖深度高達8公 尺,河流改道及防護工程所費不貲。

2.隧道北端引道工程選於溪谷沖積平原,將會導致:

(1)因原有之路標可酌予以降低即可達到所需之要求,無需再行 徵購稻田,造成國家與民眾之雙重損失。

(2)舞鶴號誌站改設於填土高達3公尺之處,一切設備均須重建 對原有之設備無法加以利用,增加公帑支出。

(3)在原有路線下7公尺處穿過,原有路線行車不能一日中斷,

在寬窄軌切換時將會發生困難,同時亦增加公帑支出。

(4)隧道挖方棄土問題:原計劃隧道長達2,035公尺,一半在北部 出土,即有5萬立方公尺,除舞鶴號誌站可利用一部份約2 萬立方公尺外,其餘之3萬立方公尺,必需租地或徵收土地 予以棄置,租地困難,徵收土地棄士於法不合,捨此則必需 遠運1.8公里至紅葉溪邊荒地予以棄置,增加遠運費用過

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鉅,使隧道造價提高。

3.隧道南端引道工程全部選於掃叭溪之河床中行走,將會導致:

(1)所有路塹均行走於原河道內,長達500公尺,不但增加防護 工程抑且施工時排水問題無往解決,下部均為泥砂,施工不 易,造價必高。

(2)因隧道出口位於河道下8公尺之處,增加改河工程及欄水堤 填工程,因改河而增加用地,在此100餘公尺溪谷內之土地 將幾全被使用。將來必會遭到民眾之請願,招致無謂之因擾。

(3)新路線與原路線斜交,高差最高處達13公尺餘,長度達80餘 公尺,原線行車不能一時中斷,大量之土石方,如何可在一 夜間予以完成。屆時勢必搭建臨時木便橋逐漸開挖,造成龐 大投資。

4.隧道施工法之選擇問題:

因複勘案路線所選定之位置不宜,使隧道行經於湧水及小斷 裂及堆積層與風化岩層中,使隧道須採用不同之施工方法,對施 工之進度因受設備、人工等之影響而大受限制,同時費用亦相對 增加。

根據以上之研判,第一案及第二案均不宜採用,必須採取另一條路 線之選擇。當年選擇之標準如下:

1.應儘量利用原有路線以減少用地費用。

2.隧道中線應行經於堅緻岩層地區。

3.必須脫離隧道南北兩端引道位於溪谷及河道之中。

4.必須避免隧道南北兩端引道穿越於原有東線路基下。

5.使隧道施工方法能有固定之施工方法。

6.使湧水量減至最低限度。

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按照上列各項原則乃選定如圖一之路線,此一路線隧道長度較第二 案之隧道約長865 公尺,而路線總長度約縮短 600 公尺,所有隧道兩端 之引道均不必行走於河谷與河道之內,同時可免去在溪谷及河道內之擋 土牆、欄水埧、改河道等工程。此次所選之路線係由第二掃叭溪橋下穿 過,可避免與原東線鐵路之斜交所需大量挖方與架臨時便橋等工程。

此一路線,隧道部份經新中光物理探測有限公司於民國67 年 3 月 至5 月做物理震波探測結果提出報告如下:

1.舞鶴至三民間隧道預定路線之基盤岩所顯示之彈性波速度不大 於3.1㎞/sec,因基盤岩之地質屬變質岩,則其速度顯示岩石品 質(RQ)相當低。

2.沿線一帶佈設震測主線及補助數條,均未測出具規模之斷層,

但沿線顯示數處局部彈性波低速破碎帶,施工時需注意防水。

3.隧道將貫穿未固結或固結力甚低之砂樑及岩屑等堆積層及風化 而裂隙發達之板岩,千枚岩等變質岩。

4.根據彈性波速度及既有地質資料判斷,隧道勢須貫穿軟弱性地 層,為防崩坍,似不宜採行全斷面工法趕工,安全計似宜採用 側設導坑環切工法或底設導坑環切法較妥,於兩端洞口一帶且 機動併用明挖工法。

根據前面之地質資料分析,本隧道原則上決定採用底導坑先進工法 為主,洞口附近採用明挖工法為輔。為考慮將來東部地區之發展及軍事 上之需要,隧道斷面決定採用馬蹄型單線交流電化標準斷面。

為配合隧道北方第二紅葉溪橋之提高,和舞鶴站場地形之限制及連 接南方三民車站之需要自 L64+980 起以 9‰下坡,再由 L67+900 起以 15‰下坡至三民車站北方連結原有路線,因此自強一號隧道之坡度為 9‰,自強二號隧道之坡度為 15‰。

為使舞鶴和三民兩車站間之距離儘量縮短,及新路線貫穿第二掃叭

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溪橋下方(方便切換通車)直達三民車站起見,於自強一號隧道北洞口外 L65+027.59 起設半徑 800 公尺左向曲線(曲線長度 413.48 公尺)一處及 L66+830.15 起設半徑 3,000 公尺右向曲線(曲線長度 523.54 公尺)一處。

本隧道因地質多變,地下水又豐富,因之要決定安全且經濟之襯砌 是相當困難之事,通常以底導坑開挖時所見地質和地下水之多寡為依 據,但上半部之地質往往比下半部差,所以決定襯砌厚度必須以隨時觀 察上半部開挖之情況及參考底導坑開挖誤工進。

5.2.2 重 要 施 工 記 事

本隧道依照上述各項地質資料,施工中難免會有發生災變,乃意料 中之事,茲將較大災害發生經過及處理方式整理於表5.1 並說明如下。

本工程的關鍵時刻為民國69 年 4 月間,在距南口約 645 公尺處,

發生一特殊嚴重之災變,此一類型之災變,在世界隧道史上亦為一罕見 之先例,經邀請中外工程顧問專家至工地勘察,提出研究報告,重作地 質鑽探,並提出以新奧工法(NATM)為主,輔以高壓灌漿等工法,繼續 施工,得使開挖工程向前推進。此項工法,雖已盛行國外多年,但在國 內尚屬創新,尤其對於泥漿水湧入與處理,仍無前例可資引用,在毫無 經驗且無餘裕之時間內派員出國研習或參觀之情況下,若沒最大的勇氣 與毅力,廣採各方綜合意見予以施工,成功固然可喜,但失敗不僅可憂,

且必遭受外界之指責,當工程進度膠著寸步難行時,曾經有人建議「不 如廢棄本隧道另行改道」之說;幸好著者始終抱有信心,認為一定有方 法可以突破困難,並獲上級主管之鼎力支持,邀請外籍隧道專家來台實 地觀察研究,最後決定引進採用目前在世界上公認最經濟又安全之新奧 工法,配合法國 B.S.C.高壓灌漿地質改良工法施工,終能突破困 難。自強一號隧道在引進新奧工法後,施工人員信心倍增,努力趲趕工 期,抱定完成任務之最後目標,終於一一突破各種困難,並於用73 年 10 月 17 日全部開挖貫道。

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5.2.3 選 線 定 線 與 施 工 之 探 討

自強一、二號隧道之選線,當時筆者於定線測量時對於路線南端之 斷層產生質疑,建議改為現行線,雖經有相關調查與專家背書,然於施 工遭遇困難後,所聘西德DEC 公司之地質專家所解讀舞鶴山並非一座 山而是一塊沖積扇,造成施工困難度增加。實為筆者之山岳隧道選線上 一大遺憾,知之為知之不知為不知,經驗之累積常從錯誤中學習,期待 再有機會貢獻筆者所學,當然也因選線之失誤,促使西德DEC 公司將 NATM 工法引進台灣,對隧道界之貢獻亦值得一書。

5.3 經 驗 法 則 在 南 迴 鐵 路 應 用 案 例 探 討

茲以南迴鐵路隧道選線過程之金崙線與枋山線,探討經驗法則之應 用如后:

5.3.1 規 劃 選 線 過 程

一. 從路線狀況比較金崙線與枋山線

如表5.2 所示。金崙線之 BK 線雖最長隧道最短,工期提早一年,

費用較省四億,但施工困難程度與AK 線相若,而對鐵路運輸能量而 言,則坡度愈大愈受限制,故就此四線分析,建議採用L 線。枋山線 之 NAK 線路線總長較 AK 線短 300m 最長隧道較短 2.5km 隧道總長 較短 3.2km 但對鐵路運輸能量而言則坡度愈大愈受限制故就此四線 分析建議採AK 線。

二. 從工程難易上比較金崙線及枋山線

金崙線與枋山線從工程難易之觀點分析,因枋山線工期短,費用 省,無長大隧道之困擾,施工容易,故以枋山線為佳。

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三. 從鐵路經營上比較金崙線及枋山線

台東、高雄為東西台灣兩大據點,兩地間運距越短越利於鐵路營運 之發展,金崙線比枋山線短約42 公里,其行車時間,行車費用,及客 貨運費均較廉,可吸收較多客戶,雖然兩線在營運收支均難免虧損,但 金崙線較短,對於鐵路營運發展及維持生存比較有利,故從經營觀點而 論,建議採用金崙線。

南迴鐵路工程籌備處乃令第一、第二兩測量隊即日分別進駐台東線 太麻里鄉及屏東縣枋寮鄉,由東西兩邊同時進行測量。

枋山線經實地測量結果,正線總長98 公里 241 公尺,內有隧道 34 處,共長37 公里 446 公尺,大橋 40 座,共長 5 公里 48.2 公尺。另在 人鳥至加津村間測量一條比較線長約 3.61 公里,又在金崙至香蘭間測 量一條比較線長約2.34 公里。

茲將枋山線定線測量後與實際完工之路線比較如表 5.3 並說明如 下:

1.金崙隧道北口定線測量後與香蘭一號隧道南口間(K63+460〜

K64+160)之路基段,選線時之爭議頗大,一以工程經濟著眼,

一以交通經濟觀之,其工程費之差異達億元以上,依經濟部中 央地質調查所之報告,認為本段路基所遭遇數處舊有崩塌地,

開挖後可能誘導山崩,又因受金崙站場之高程所限制,路基高 程無法提高,易受浪濤之侵蝕,建議改為隧道,後因金崙隧道 之鑽探結果,竟然於海拔25公尺下,全部為類似海沙之狀況,

取不到岩心,令所有工程人員為之愕然,經再委請北迴地質顧 問王鑫先生等地質專家解釋與研討後,一致認為僅有內移改線 一途,將香蘭一號隧道(3,130公尺)與金崙隧道(590公尺)自併為 一金崙隧道,全長為4353公尺,實際定線完成後,以此隧道施 工期間之觀察,金崙隧道南口山頂導線控制點,受坡面位移一

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公尺多之位移狀況觀之,改線一途,可謂相當明智之舉。

2.多良站場、大竹站與金崙站間,全長約8.3公里,台鐵預測該區 間將成為南迴鐵路全線運量之瓶頸,要求在該區間增加一處交 會站。但查此區間惟一有設站條件路基段僅有多良一處,而從 航測圖,或現場觀察均可看出,本區屬於舊有崩塌地,路線勉 強通過已屬不易,能避免開挖,就應該儘量避免,故僅予預設 為二股之三等站;但鐵路局不同意只設二股道,堅持非設站不 可,站場應由450公尺增加為600公尺。本站前後因受彎道之限 制,路線佈設相當困難外,再加以地質鑽探之結果,從路線上 方30〜50公尺處,鑽到海平面高程處均取不到岩盤,何況上面 還有一百多戶的村民居住,再加上一所國小,外面又是公路與 大海,南迴處工程人員的智慧與耐力,面臨著相當大的考驗,

經過大約改了六、七次改線及勘選重測上研討協調結果,最後 確定將公路略往海測,車站構築於橋上,儘量避免開挖坡角,

以免誘導地質滑動。從設計、施工到完成,迄今營運後觀之多 良站之抉擇,當值一書。

3.定線報告K57+600附近,中心開挖高達20公尺,而K57+500〜600 間地質不佳,建議做鑽探以了解地質狀況。事實上此一百公尺 區段非常明顯為一舊有崩塌地,受線形影響,北面就是一座 3*l5M之大橋,緊臨的就是多良一號隧道南口,東側是公路及 海岸,西側緊臨山壁,中心開挖高度非20公尺不可。經有關路 線及地質專家、工程單位等一同會勘數次,眾說紛云,有的建 議大挖方,全面開挖,也有人建議全面高架,鐵路路基在上公 路在下,最後決定路線內移增加一座隧道,為大竹四號隧道,

施工時將開挖面全面灌漿,緩慢開挖,工期雖長,但因隧道長 度短,不致影響南迴全線通車之期限。

4.大鳥隧道北口之爭議-定線報告上曾有記錄:「大鳥至加津林

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間,若經過海邊可縮短隧道約1,200公尺,節省工程費約2億元 之鉅,其路線可選擇如比較線之路線,雖然其中心挖高最高14 公尺,邊坡可達30多公尺,其岩質也風化較嚴重,而且也靠近 台九公路,施工稍有困難,若加以仔細研究,不難解決。路基 開挖後,若邊坡地質不良,加些防護工程,例如噴凝土格子型 護坡等設施,其工程費用稍增,但相信尚可較隧道節省一億五 仟萬元以上。建議施工前召集對工程施工及地質判斷有經驗之 專家、工程司研討做最後決定。」此區間之選線測量工作因屬 末期,較有充裕之時間觀察探討,雖然紙上定線時,按線形條 件當可拉出路線,但實際赴現場踏勘不難發現,該區地形之岩 盤傾斜方向,正好與路線直交,又與公路台九線相夾陳,非常 可能產生全面性之滑動,基於交通經濟之考量,安全性之顧 慮,將此隧道往山側內移改為全長3,652公尺之長隧道,以避開 此一區間,可獲得較佳之線形。當初此舉雖然引起相當之爭 議,最後蒙層峰支持採此新測路線。綜觀從選線上之爭議到規 劃設計、施工及完成全營連通車期間,在東部海岸自然侵蝕嚴 重情況下,最後所有路基段之護坡均需予以加強,臨近公路必 須進行改移,也撥款交公路局於公路海側施做之消波塊等共花 費數億元經費,此區段之選線抉擇,應屬正確並值得嘉許的。

5.3.2 重 要 施 工 記 事

一、中央隧道

中央隧道全長8,070 公尺(23K+258-3lK+328)為當時最長鐵路 隧道,路線貫穿中央山脈南端之茶留凡山,岩層屬於板狀頁岩及 少數硬砂岩,岩層並不堅實;本工區位於台灣之東南沿海地區,

屬於海岸型降雨區,全年之平均降雨量達21,927 公厘,地層內地

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下滲流水量豐沛,對隧道工程施工造成甚大困擾。

本隧道縱向採山形坡設計,西段為千分之二上坡,前行 3,492 公尺至標高178.37 公尺處,為南迴鐵路全線最高點,東段為千分 之八點二下坡,降行 4,128 公尺至台東縣境跨越安朔溪繼續東 行,全段線型均為直線。隧道採鐵路電氣化雙線標準斷面馬蹄型 設計,起拱線寬 9.1 公尺,路基寬 8.156 公尺,高度 7.26 公尺。

全 工 區 施 工 共 分 三 個 工 區 同 時 進 行 施 工 , 包 含 西 口 工 作 區 (23K+258-25K+438)為趲趕工期並於距西口端 2,613 公尺枋山溪 南側溪邊,闢建西斜坑,全長405 公尺,坑口地表與本坑開挖面 高差約 90 餘公尺,斜坑開挖到達本坑後,再採東西向開挖,增 加二個工作面,是為西斜坑工作區(25K+438-28K+021)及東口工 作區(28K+O21-3lK+328)。另為長大隧道自然通風需求,規劃興 建東、西豎坑各乙處,29K+982 處為東豎坑,直徑 6 公尺深度約 150 公尺,27K+920 處西豎坑,直徑 5 公尺深度為 341 公尺。

本隧道施工共分四期進行,於七十三年三月十五日開工,在 日夜趕工情形下始於八十年六月三十日竣工,歷經七年五個月;

其隧道施工法在前三期,係沿襲北迴鐵路施工經驗及機械設備,

採用傳統底設導坑先進工法施工,而在第四期施工中,引進新奧 工法施工,對國內隧道施工之技術提昇有相當大之貢獻。施工期 間曾經遭遇之災害包括抽心、擠壓及湧水、開挖面無法自立等,

所採用之解決方案幾乎涵蓋所有之隧道特殊施工方法,計有回填 灌漿、封面工法、開挖排水迂迴導坑、縮小支保間距、增大支保 斷面、使用鋼矢板、打設鋼軌支撐及PUlF 灌漿等方法予以克服。

由於本隧道位於本島東南部中央山脈尾閭部分屬版塊邊緣 地帶,故其地質複雜多變,岩層為黑色頁岩及少許砂岩,含有嚴 重之風化破碎地帶,且時有大量湧水出現。於施工中發現前後僅

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相距一公尺甚至同一斷面上下左右之地質完全下同,因此施工災 害特別多,隧道施工過程中,地質多變,根據實際統計百分之五 十七區段的地質較原設計時預估之情況差。

二、安朔三號隧道

安朔三號隧道位於台東縣大武鄉與達仁鄉境內山區,隧道長 度共計 5,483 公尺,為南迴鐵路工程中第二長大隧道,路線貫穿 巴矢山脈,沿線之覆蓋岩層厚度在 14 至 310 公尺間,行車斷面 採用雙線電化路線隧道標準設計。其施工中開鑿岩層之岩性以硬 頁岩及硬頁岩與變質砂岩互層為主,其地下水狀況屬於輕度至中 度湧水。因本工址位處南台彎熱帶性氣候區,雨量集中於每年五 月至十月間之颱風季節中,地表逕流沿隧道上方山澗匯聚後形成 地下伏流,其湧水明顯驟增,對開挖作業形成甚大之困擾。

本工程之路線佈設,於西口段離洞口 42 公尺,起以曲率半 徑 1200 公尺,偏角 41°49'12.5”(L),曲線長 938.899 公尺(含兩端 介曲線各60.004M)之大曲線段向東直線轉向東北方直通東口,直 線區段共計 4,544.101 公尺。縱向坡度自西口起以-11.2%降坡長 3,377 公尺,-3%降坡長 839 公尺,及-10%降坡長 1,200 公尺,分 三階段採降坡設計,故對隧道開挖作業中所遭遇地下湧水之抽 排,於東口段可藉由自然排除方式辦理,而西口段則需逆向藉由 機械抽水設備,逐站分段來排除工作面之積水。

隧道施工斷面以馬蹄型設計,其起拱線寬計 9.1 公尺,路基 寬為8,156 公尺,隧道高度 7.26 公尺,其內淨空均符合雙線電化 路線隧道斷面要求,隧道本體以2l0 ㎏/㎝ 2 混凝土襯砌。隧道開 挖作業主要分東、西兩工作面進行,另考慮營運後長大隧道自然 通風需求,另案規劃於34K+760 及 35K+570 設置通風豎坑兩處。

34K+760 之豎坑於本坑施工期間同時進行開鑿,在本坑隧道開鑿

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貫通前,為趕工程進度及長大隧道施工方向精準校核需要,由該 豎坑增闢東西兩向之底導坑施工工作面,以期提前隧道貫通,解 決西口段工作面長期受地下湧水之困擾。

本隧道共分四期進行:東口段第一期民國七十三年三月十五 日開工,第二期七十四年十二月十三日開工,第三期七十五年九 月二十七日開工,第四期七十六年三月三十日開工;西口段僅施 工第二至四期,全部工程於民國八十年五月三十一日完工,共歷 時七年又三個月,始施工完成。

安朔三號之覆蓋地層,因位於台灣東南沿海海岸地區,西倚 中央山脈東斜面山麓,區內山坡陡峻,其嶺線大致呈東西走向,

皆為中央山脈南大武山嶺線,由西向東逐漸遞降,其岩層構造包 含變質砂岩、板岩及硬岩三類岩石常呈互層出現。本隧道之開挖 面大部分與岩層層理及劈理呈小角度斜交,開挖作業中較易有抽 心超挖現象,又在穿越數條小溪谷,其上部覆岩厚度不大,因風 化較深易受地下水伏流影響,而引起隧道開挖之湧水困擾。

三、大鳥隧道

大鳥隧道位於台東縣大武鄉大鳥溪與加津林溪之間,鄰近南 迴公路,呈南北走向,係單線隧道,全長 3,652 公尺,馬蹄形斷 面,淨高 6.01 公尺,淨寬 4.96 公尺,覆蓋層厚 8 至 160 公尺,

隧道所經地層多半由片狀板岩及硬頁岩夾軟泥所構成,岩性較脆 弱,部份岩層的劈理及層理位態變化很大,顯係經過強烈擠壓而 褶皺變形。隧道的中段地下水奇豐,致湧水層出不窮,尤以北口 為甚,倍增施工困擾。南段地質較為破碎,且自立性甚差,施工 期間遭遇大小抽心數十處,幸賴施工單位搶得機先,施噴並予回 填噴凝土補強,並於擠壓段作加固支撐處理,始有效完成開挖斷 面的穩定,讓施工人員得繼續向前施工。 大鳥隧道於民國七十

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五年一月二十八日,自南北口同時開工,為南迴鐵路的第四座長 大隧道,採用新奧工法施工,南口部份有兩段半徑800 公尺及 1000 公尺的曲線,坡度南段千分之8 上坡,北段為千分之 5 下坡,施 工時採自然排水,整個工程於民國八十一年一月十五日完工。

大鳥隧道開挖面的地質,依CSIR 岩體分類,以 CRIR IV~V 級佔大多數,岩體評分總值(RMR 值)皆小於 60 分,新奧工法以 B 種佔 59%,A 種佔 40%,詳如表 5.4。

湧水段地質,主要為破碎硬頁岩偶夾變質砂岩及剪裂泥,強 大的水壓夾雜著頂拱破碎岩塊及軟泥,沿著劈理面滑落,並造成 頂拱抽心,壓毀開挖面附近的鋼支保,代表住地段為南口K45+837 至 K45+874 間及 K46+314 的湧水量估計約為每分鐘六噸,北口 K47+675 的湧水量最大可約達每分鐘十噸,K47+586 的湧水夾帶 大量的破碎岩塊造成抽心及擠壓現象。

異常擠壓段的岩性,多為粘土夾雜極破碎的硬頁岩所組成,

局部出現的硬頁岩均有扭曲或剪動的現象,且其不連續面中亦夾 有粘土、細砂等充填物,致使岩體強度極弱,自持力甚差,地質 狀況相當惡劣,實乃位於一強烈的褶皺帶中。地表亦有大規模滑 移的跡象,施工時開挖面均有少量的滲水現象,再加上施工廢水 及開挖後解壓的影響,導致粘土吸水膨脹,岩壓增大,形成擠壓 性岩盤,亦即岩體缺乏足夠強度,以抗衡開挖後的應力集中,故 其變形持續擴大,產生更多的破壞現象。本區段以北口K46+930

〜K47+364 間的最為明顯。

四、大竹四號隧道

大竹四號隧道為單線隧道,全長 150 公尺,位於台九線公路 433K+400 附近的上邊坡,隧道座落地區的地勢,係由西向東傾 斜,平均坡度為 60 度,坡頂有一平台,標高 104 公尺,縱深約

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150 公尺,隧道軸向為南北向,近乎與坡面平。隧道兩端洞口位 置瀕臨被溪流切割之谷,洞口坡度在 80 度左右。綜合上述地形 分析,顯現本隧道原自然邊坡的穩定性有緊密的相互影響關係。

本 隧 道 係 採 傳 統 鋼 支 保 工 法 施 工 , 隧 道 內 57K+535 至 57K+555 區段,於民國七十八年五月發生襯砌混凝土破裂,海側 襯砌混凝土移動錯開以及隧道上邊坡多處下陷與邊坡間的破 壞,顯示隧道座落的邊坡已呈不穩定情況。經現場勘察研判後,

決採取隧道上邊坡逐階開挖進行坡面穩定,同時減輕隧道覆蓋土 壓的對策後,整個隧道工程乃能順利完工。

本區段的地質主要地質材料為灰黑色硬頁岩及崩積土。崩積 土層分佈在南洞口段 50 公尺內,係隧道發生異常現象的區段所 在。層面走向大致為北偏東50 度,傾角為 40 度東南,崩積土的 厚度,由北向南漸增。此崩土層由風化岩塊及沉泥夾雜組成,膠 結鬆散,若遇豪雨,其間的膠結材料受水淋洗,強度極易喪失而 造成崩塌。灰黑色硬頁岩則分佈在隧道北段,劈理間距約五公 分,連續性則在一公尺內。

五、多良隧道

本 隧 道 位 於 台 東 縣 金 崙 與 大 溪 間 , 里 程 為 57K+690 〜 59K+330 , 其 全 長 為 1,640 公 尺 , 隧 道 南 口 57K+759.071 〜 58K+355.039 間為曲線,其餘為直線,採雙向排水南端 2%上坡,

里程由57K+690〜58K+499,北端 5%下坡於 58K+499〜59K+065 間,再以水平坡直線至59K+330,其中包含 59K+245 設置排水管 涵一處,以供北端排水用,北端里程 59K+250〜59K+330 間採雙 線明挖隧道,以配合多良站場交會列車使用。

本隧道由南北兩端施工,南端於民國七十六年三月開工,北 端因有單線及雙線,單線部份設置臨時施工洞口於七十七年六月

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日開工,雙線部份(里程 59K+250〜59K+330),因邊坡問題開工 較晚。全部施工過程於八十年四月十八日完工,隧道南口地質為 風化層,板岩及裂隙板岩,北口地質則為裂隙頗多之板岩及風化 層。

六、金崙隧道

金崙隧道位於台東縣大麻里鄉,為南迴鐵路第三長隧道,南 起 62K+040,北至 67K+240,全長 4,392 公尺。本隧道採用鐵路 新建電氣化標準,單線馬蹄型斷面施工,軌距寬 1,067 公尺,起 拱緣處寬度4.96 公尺,路基寬 4.006 公尺,高度 6.01 公尺。本隧 道共分二期施工,第一期工程於民國七十五年一月二十八日開 工,同年十月二十三日竣工,其里程範圍為南口段 62K+848 至 63K+011,北口段 67K+240 至 67K+091,完成折算長 312 公尺,

第二期工程延續第一期工程自南、北口兩個工作面繼續進行外,

為克服惡劣地質如期完成,另於 64K+640 附近增闢橫坑,俾藉此 橫坑在隧道中間向南與向北再增加兩個工作面,同時進行趲趕進 度,橫坑部份施工為配合工程需要,仍由榮工處承辦,於民國七 十六年二月三日開工,同年十一月二十六日竣工,完成單線橫坑 4.25*4.475 公尺斷面 32.40 公尺,雙線橫坑 5.45*4.475 公尺斷面 241.68 公尺,共長 274.08 公尺,由於橫坑的提早完成並發揮預期 效果,整個工程於民國八十年六月二十九日完工,工程費用總計 920,639 仟元。

5.3.3 選 線 定 線 與 施 工 之 探 討

由南迴鐵路之經驗可知,根據地質鑽探及物理震波探測資料顯示地 質惡劣,施工期中事實應驗,岩盤大部分為砂岩、頁岩互層岩體風化鬆 散破裂,其節理劈理均甚發達,常有斷層夾泥或破碎帶之出現,若再遇

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大量湧水更使岩盤之穩定性因而降低,造成抽心頻繁,倍增施工困難,

自從施工以來曾遭遇諸多災變;大致來說,施工時發生之異常狀況約可 歸納為下列幾種類型:

1.因大量湧水將節理或劈理面之夾層洗出,造成岩塊沿節理、劈 理滑落。

2.岩體破碎本身自持力差,開挖後即逐漸坍落,造成抽心。

3.地質構造不良開挖後支撐困難。

4.岩體非常破碎並含膨脹性物質,若遭遇滲水造成擠壓使隧道支 撐逐漸變形破壞。

5.地下水豐富,水壓甚大,使支撐破壞。

南迴枋山線與金崙線之爭議,因當年評估金崙線施工難度高,最 後由枋山線定案,損失了最佳營運路線。然因時空背景不同,金崙線 與國道快速道路6A 線相若,均通過大武山保留區,皆有可能因環境 因素而否決,由此印證,隧道一處、一項無法突破,須取得其平衡點,

否則就免談了。由南迴鐵路選線、施工到完成累積的工程經驗,奠定 了國內山岳隧道選線成熟度,也印證選線之重要性及對於爾後東改隧 道工程之選線,採取較具前瞻性、開放性、挑戰性之論證。

5.4 權 重 矩 陣 分 析 法 在 東 部 鐵 路 改 善 工 程 應 用 案 例 探

東部鐵路改善計畫北迴鐵路雙軌化工程新永春隧道為國內隧道 選線、定線少數採取權重矩陣分析法的案例,本節擬將其應用加以探 討。新永春隧道路線方案圖如圖 5.6,在原北迴線鐵路興建過程中,永 春隧道曾遭遇許多惡劣地質,施工極為艱鉅。新建之永春隧道依照中華 顧問工程司之初步規劃,為沿現有隧道東側約30 公尺處平行設置,除 路線遭遇之地質條件與原有隧道相仿外,因距離現有隧道過近,隧道之

(32)

開挖施工,勢必影響原已平衡之惡劣地質狀況,甚至造成現有隧道之破 壞而使北迴線鐵路交通因而中斷,其施工之艱鉅與工程風險之高,不言 可喻,亦不可不慎防。有鑑於此,東工處認為新永春隧道之路線有重行 選擇之必要,以期能在正確選線下兼顧現有北迴鐵路之正常營運。

本區段之地層包括大南澳片岩、廬山層及沖積層,大南澳片岩為構 成本隧道之主要地層,主要岩性為片岩、大理岩、角閃岩。其中片岩又 可分為石英雲母片岩、綠色片岩和變質燧石互層。廬山層主要分佈於隧 道北段,依層序的老新由下至上分為三段,包括千枚狀板岩與長石質砂 岩互層、長石質砂岩夾變質礫岩、板岩等三個岩性單位。沖積層主要分 佈於南北兩隧道口附近,沖擊物來自各河流域出露之岩層,經風化沖刷 由洪水夾帶所堆積者。

本區段地形屬於蘇花斷崖海岸,由高出海面數百公尺之斷層崖構 成,此斷崖東臨太平洋,斷面沒於洋面之下,由於海浪襲擊及沖刷作用,

故此斷面向西測山地退移,為退縮性斷層線崖。本區段山嶺高聳、地勢 陡峭,山嶺分佈與延展多受地質構造及岩石性質所影響,主要山嶺呈西 北西方向延伸,最高峰為西帽山,海拔達966 公尺。主要之河川均由西 向東流入太平洋,而其支流大多受地質條件控制略呈南北向,而形成格 子狀水系,溪流大多短小湍急,下切作用旺盛,為幼年期河谷,溪流之 水量不大,部份區段流入地下成為伏流。

5.4.1 規 劃 選 線 過 程

新永春隧道規劃選線過程係應用權重矩陣分析法,其主要過程為:

(1)依據規劃目標與考量工程因素,研擬基本評估項目,以及各基本評 估項目之評估子項與評選依據,而此基本評估項目之擬訂係用以衡量各 路線方案所能達成目標之正面性程度;(2)考慮計畫特性,對各評估項 目給予相對權重;(3)針對各評估項目,以 1〜10 之等距尺度,權衡各 路線方案之相對有利程度,評點愈高者,顯示愈是有利;(4)加權統計

(33)

各路線方案之有利尺度評點,評點最高者為最佳路線方案。(5)調整相 對權重,評比各路線方案之優劣順序,藉此分析各路線方案之特性,並 彰顯各路線方案之本質。最後,經由計畫整體性、全方位之考量,評選 最佳路線方案。

衡量各路線方案應達成之計畫目標,以及考慮可量化與不可量化之 工程因素,擬訂比較各路線方案之基本評估項目,計有工程成本、工程 安全、工期、地方接受程度、站場服務功能與行車服務功能等六項,並 分列其評估子項與評估依據如表5.5,分別比較各路線方案如下說明:

1.工程成本:除各路線方案新永春隧道本體工程建造費用外,尚 考慮因不同方案所增加之相對工程費用,包括站場改建或遷建 費用,隧道特珠處理長度與費用,原隧道電氣化改善費用,以 及用地徵收與地上物補償費用等。綜合各評估子項,整理各路 線方案之工程數量如表5.6,以及工程成本之比較與有利尺度比 值如表5.7。

2.工程安全:考量於新永春隧道施工期間對既有永春隧營運之影 響,以及隧道本身之長期穩定性,整理各路線方案之相對比值 如表5.8。

3.工期:比較各路線方案工期,評估能否於計畫目標內完成。整 理各路線方案之工期比較如表5.9。

4.地方接受程度:此項目主要在評估東澳遷站可能產生之阻力,

以及是否有克服阻力之良好對策。整理各路線方案之地方接受 程度如表5.10。

5.站場服務功能:以考量站場所能發揮之功能與營運管理是否便 利為主經比較各路線方案曲線半徑如表5.11。

6.行車服務功能:以考量路線安全性及舒適性為主,並可考量未 來行車速率可能提高配合程度,需儘量避免小半徑曲線,經比 較各路線曲線半徑如表5.12。

(34)

為能合理進行路線方案之整體評比,首先進行各基本評估項目之 評比,以1 至 10 之等距尺度權衡各路廊方案之相對有利尺度如表 5.7 至 5.12 所示。若考慮工程成本與比方接受程度考量重點,給予較大 之相對權重,經加權計算如表5.13,可得山線為最佳路線方案。另若 考慮工期與行車服務功能列為考量重點,給予較大之相對權重,經加 權計算如表5.14,海線Ⅱ為最佳路線方案。

5.4.2 重 施 工 要 記 事

本工程開工日期84 年 08 月 09 日,完工日期 92 年 02 月 06 日,工 程經費預算為789,000,000 元;結算金額為 1,474,415,228 元,另因工程 仲裁結果須付 1 億 9 千 5 百萬元,幾乎可再做一條隧道。工程費用暴 增另一原因為南口工作面,於民國87 年 10 月 24 日發生巨量湧水崩塌 災變被迫改線,其湧水量曾高達80 m3/min,累積崩塌土石 22,000m3且 持續湧水不斷,如圖5.7 及圖 5.8,逾三年仍持續維持 25~30 m3/min 流 量,實為國內外隧道工程罕見之災害案例。經由地表補充地質調查及水 平長距離鑽探探查,瞭解巨量高壓湧水,係由大理岩層之高孔隙破碎裂 縫及溶蝕孔洞,造成極為良好之地下水通道。而水頭壓力遠超過相當隧 道覆蓋高度之水頭壓力,顯示本區域之湧水獲得西側廣大地下水域之補 注。期間並結合國內外具有隧道設計、施工、檢測相關單位學者專家,

及有處理類似案例工程經驗廠商等,集思廣益,綜合研判分析評估確定 改移東側路線施工,並積極辦理後續突破高壓湧水段之處理對策。

本文僅以新永春隧道南口工作面 N8+058 處發生巨量湧水災害之 因應處理案為實例,作進一步的分析與探討。

由於巨量湧水災變性質特殊且罕見,災後工程單位即廣邀設計、監 造、施工、檢測等單位與廠商及國內外學者專家勘查與研討,期能集思 廣益,提供後續處理的參考,並隨即成立了災變處理小組,專責災害後 續處理與工程改善措施的評估與研討,積極研商處理因應對策,初步擬

(35)

定四階段搶修處理原則:

第一階段:改善洞內外排水以利施工動線暢通。

第二階段:逐段辦理坍方清理,採取適當安全措施,選擇地質佳 之位置做為迂迴坑開挖之起始點。

第三階段:於西側迂迴坑內(NW8+150附近)及東側迂迴坑施作水 平長距離鑽探,並據其探查成果研擬後續開挖及必要之地質改 良作業。

第四階段:於突破斷層帶後,視湧水及地質狀況重新檢討永久保 固與排水設施。

經多次邀集具有處理隧道災變及湧水經驗之專家勘查現場並廣徵 對處理原則的意見,咸認災變規模甚大且特殊,需補充地表地質調查,

以較短時程探查災變影響範圍及初步研判發生原因。且需評估隧道內復 舊搶修工作由原工作面繼續進行的困難度,或清理崩坍土石至適當距離 後,另闢迂迴坑道進行坑內地質鑽探調查,再決定進行後續通過湧水斷 層帶之相關處置措施,為湧水段處理的四個原則提供了進一步的建議。

為考量後續處理施工期間可能發生之湧水狀況,及兼顧排水與施工 需求,由西側開闢迂迴工作坑,間距平行主隧道約15m,並預定開挖至 距災變處約50m 附近。其主要目的為:1.儘速到達災變崩塌面附近,以 利後續探查作業之進行;2.探查主隧道內水壓及支撐損壞情形;3.提供 未來處理主隧道崩塌段之另一通道;以及4.提供未來處理災變崩塌面前 方斷層帶之通道,以縮短施工期。

後由補充地表地質調查成果研判顯示,由原主隧道修復突破將甚為 困難。若修正西側迂迴工作坑之線形,可符合鐵路行車半徑需求。由後 續探查作業確認前方斷層帶可獲突破,則即修正路線改由西側施作,藉 以避開原主隧道因湧水崩塌可能造成巨大空洞之處理困難,故即作線形 部分修正後繼續施工。

(36)

為以較短時程探查新永春隧道里程 N8+058 處突發性湧水之工程 地質,研判湧水影響範圍,乃進行補充調查工作。工作項目包括:1.

地表航照(遙測影像)比對;2.崩塌地地形測繪;3.地表塌陷測量;4.地電 阻影像剖面(Resistivity Imagine Profile,簡稱 RIP )、折射、反射震測探 查;5.隧道湧水及崩塌材料取樣;6.隧道上方東澳北溪支流水文量測;

7.鑽探督導及岩心井錄等。

地表補充地質調查依原預定執行工作項目於87 年底開始展開,於 88 年 5 月完成。後為瞭解可能改移路線至東側路段 N7+200~N8+300 未 開挖段,於開挖時可能遭遇之突發性湧水之機率,並評估此區段之地下 水分佈狀況與岩盤完整性,決定再增加地電阻影像剖面圖探測工作 (RIP)。於 89 年 8 月完成地表補充地質調查工作,以利後續搶修處理與 進一步調查之建議。

依所獲取地質資料綜合研判,及邀集國內外學者專家作數次研討建 議事項如下:

1.開挖過程中如遇大量地下水,或屬綠色片岩時應儘速灌漿。

2.主坑崩塌處仍需作後續處理。

3.西側迂迴坑可做為永久排水廊道,紓解東側(NE線)前進開挖風 險。

4.咸認將路線改至東側應屬可行。

5.路線改移後高壓湧水破碎帶區段,永久結構之斷面、材料應重 新考量設計並於完工後辦理隧道長期監測工作。

經由綜合研判分析及學者專家建議,考量後續施工之可行性、風險 性、安全性、經濟性等因素,決定改移至東側路線施工,並將原主坑與 西側迂迴坑作為長期排水廊道使用,以確保改移段之主線不受湧水干 擾。

由前述各項調查研析與討論,可以瞭解新永春隧道高壓湧水段潛在

(37)

的地工災害與其程度。儘管如此,作者認為此區段之地工特性仍存在諸 多不確定性。故如何釐清相關已知的及未知的地工因子及其可能的影響 程度,對於後續施工過程及完工營運後隧道服務年限的安全甚為重要。

本節針對高壓湧水段各地層相關的可能潛在地工特性、地質災害加以探 討,並對後續施工可能發生災害加以評估,以做為克服高壓湧水段施工 對策與輔助工法建議之基礎。

5.4.3 選 線 定 線 與 施 工 之 探 討

本案從選線可行性評估與定線細部調查作業、基本設計、細部設計 實為權重矩陣分析法之代表產物,然因上述災害得到功能不足之印證,

隧道為一線形結構,如一點、一處過不了,就一切免談,另如選線不良,

結果被迫變更設計,增加費用,延誤工期甚至被迫改線,工期與經費均 以倍數計,如新永春隧道、雪山隧道等均不勝枚舉。

5.5 綜 合 評 量 分 析 法 在 東 部 鐵 路 改 善 工 程 應 用 案 例 探

5.5.1 新 觀 音 隧 道

一、規劃選線過程

新觀音隧道為本計畫最關鍵工程,本區段原規劃案,係於山側新建 新觀音隧道,全長7,808 公尺,及谷風隧道全長 2,445 公尺,依據原北 迴鐵路施工經驗,在施工期間曾遭遇三十餘次的抽心、擠壓、變形及湧 水等災害。乃於新隧道選線期間,於工址附近做了許多地質調查,踏勘 與鑽探的工作,依據鑽探資料與蒐集之地質報告文獻資料,經數次邀集 專家、學者與隧道工程師集思廣益,討論與評估篩選後同意筆者之見 解,即北起武塔站西南,南迄漢本站東北止,全長 10,307 公尺,為台

參考文獻

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