第三章 隧道工程災變技術處理對策之探討

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第三章 隧道工程災變技術處理對策之探討

隧道工程的施工僅有單向度推進的特性,不易臨時增加工作面;倘 若於開挖中遭遇災變,可能立即造成施工要徑拉長,而使工程發生實質 整體延滯。況且在隧道災變後,岩盤產生大量鬆弛,所需的加固修復經 費常數倍於原設計成本。因此不論從時間或費用效益來看,如何降低隧 道工程發生災變機率及縮短處理災變時程,實可為隧道工程界持續長期 努力的目標。本文將依序就隧道工程施工災變之形成因素、處理原則、

處理對策及技術處理等加以闡述,並歸納出隧道災變之技術處理常用輔 助工法,以提昇施工技術及災變處理能力。

3.1 隧道工程災變之形成因素

隧道工程除採明挖覆蓋工法外,幾乎在地底下施工,針對地質變化 的掌握,通常決定了施工災變發生的機率。由於地質條件的自然多變,

即使以最先進的調查技術,仍無法完全消除地質上的不確定因素。所以 施工中的隧道災變幾乎可說是一種必然現象,而現場工程人員如何在災 變發生之前,有效掌握各種地質變化及支撐系統等徵兆,於災變前預作 處理,消弭於未然;或於災變發生的第一時間內,採取必要之處理措施,

以求控制災變的規模,將損害降至最低。

3.1.1 開挖面抽心落盤之因素

在山岳隧道施工中所造成抽心及落盤因素大多屬構造性破壞,其岩 體為軟弱地質或岩盤強度極差之地構,且含有地下湧水所造成,其發生 影響因素說明如下:

(一)地質因素

(1)開挖前進面遭遇軟弱地質或岩盤強度極差之地構,於開挖後無 法產生自立,導致產生鏡面抽坍或落石,造成隧道整體坍陷。

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(2)遭遇局部極不利的層面節理組合,形成未預期的自由岩楔或岩 塊沿著構造面滑動及崩落。

(3)當隧道岩層內含有不透水層或水櫃儲存於地層孔洞中,隨著開 挖時造成岩層破壞,導致大量湧水並夾帶較細砂石或泥土隨著 地下水沖出造成抽心,如遇軟弱土質及淺覆蓋地層可能引發塌 陷。

(二)設計因素

(1)隧道選址不當如穿過崩積層之山麓斜坡或滑動邊坡等,造成側 向偏壓過大而導致隧道結構破壞及坍陷。

(2)設計時未考量突發性湧水,導致透水層的大量湧水夾帶細料快 速沖出,而造成崩陷及淹埋。

(三)施工因素

(1)因開炸方式不當,周遭岩盤受爆震影響,將岩體切離,致破碎 程度變大,強度受損,而沿著較高角度破裂面剝離及掉落。

(2)開挖後支撐工不足或支撐工施作太慢,岩盤已過度鬆弛,強度 損失過多,而造成局部坍陷。

3.1.2 擠壓變形之因素 (一)地質因素

(1)遭遇極易風化或具有擠壓膨脹性岩盤:當地質材料含有膨脹性 成份或原有地層長期遭受高壓束縛,當隧道開挖後岩層接觸空 氣或水分,其中之膨脹性物質體積增大,形成膨脹壓力或受壓 地層解壓後,產生回脹壓力,超過預期之程度,造成隧道結構 額外之負荷而產生擠壓變形。

(2)大地應力偏高或主應力方向不利於隧道結構穩定:當隧道開挖 後,地層之初始應力狀態經過解壓及應力調整過程,促使隧道

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結構承受擠壓變形之現象逐漸顯現,導致已建立之支撐系統變 形趨大,甚至產生破壞現象,如遇地下水量充沛,地下水的存 在常軟化或風化新鮮的岩層,降低其結構力學性質,更易加速 使隧道受擠壓變形。

(3)大地應力組合異常,開挖斷面遭受局部的應力集中。

(4)地層中若遭遇斷層、剪裂帶、節理等弱帶或其他不利隧道之構 造線,致岩盤的長期強度不足,而造成持續變形擠壓造成超挖、

抽心、支撐變形等。

(二)設計因素

(1)隧道形狀及支撐工未考慮配合大地應力加以適宜調整:由於受 到板塊運動影響,地層原應力之初始應力方向常因地區不同而 有變化。例如:水平應力大於垂直應力之情形,如設計時對於 類似情況,於選擇隧道形狀時,未考量配合應力變化而訂定最 有利之隧道形狀,或支撐工無法針對實際承壓荷重加以有效配 置,即易產生擠壓變形甚至破壞之結果,此外,設計之支撐系 統如不足之承擔隧道結構所受之岩壓,亦將造成擠壓變形之損 壞。。

(2)相鄰隧道間距不足或已發生災變,造成區域性岩盤鬆弛:正常 地質情形下隧道開挖岩盤擾動影響範圍,約可達隧道直徑 2-3 倍之處。如考量土地取得不易等因素而縮小二相鄰隧道間距,

整體設計上應充份考量可能產生之擾動及補強措施,尤其在不 良地質下,二相鄰隧道開挖,岩盤經二次干擾動下形成惡性循 環,最後二隧道間之岩栓或側壁部份,因應力集中及開挖後解 壓而逐漸塑性化變形破壞,大為降低其支撐力,造成擠壓變形 之結果。

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(3)監測所得資料未能及時分析岩體變形行為回饋修正設計:隧道 工程牽涉複雜不確定之大地條件,故須以施工監測,綜合掌握 隧道受力變情形,維持經濟安全的隧道結構。如監測資料顯示 隧道變形持續或加速惡化,即須做進一步分析或施以補強措 施,甚至變更設計,以使監測結果能回饋設計,維持隧道安全,

然事實上因計測點位置是採點的佈置且隧道內施工頻繁愈重要 的監點,其施工機具愈多施工狀況愈多,故常常已目視隧道龜 裂,但監測資料常因監測點配置不符實際需要而無數據資料反 映,或雖有數據但未及時分析及回饋設計。

(4)設計之隧道結構閉合不確實:隧道結構有如一個大的管結構四 周圍大地壓力作用於管壁上,當管結構形成一閉合結構體時,

其荷重能力最大,故構成隧道結構體的全部支撐系統。在設計 上不論頂拱、側拱或仰拱,不論是一次襯砌或二次襯砌,均應 使其密切接合為一閉合的拱結構,才能確實發揮最大的支撐 力。如有任何部份未閉合,均將成為隧道結構之弱點,大幅降 低其支撐力而易產生擠壓變形之結果。

(三)施工因素

(1)施工材料品質是否符合工程要求:隧道工程所用各種材料中以 噴凝土料最為重要,且最易受外在環境及修之變化而影響其品 質,如:骨材、水泥、水之品質、配比、拌合、運輸之控制、

時間、含水量掌握等均直接影響其品質,如材料品質達不到要 求,其結構性質自然低落,而增加擠壓變形之可能。

(2)支撐工施工品質不良:由於目前社會屬高科技時帶,年輕的工 人穩定性不足,流動性頗大致使工人的經驗素質難以傳承,加 上責任心低落,在支撐工施作時往往對品質之確認不足。

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(3)開挖後施工時機、步驟不當:施工時機及施工方式步驟在規範、

在施工計劃上都有明文說明與規定,然則在隧道開挖後各個岩 面的變化都不同,當其變化異常時是否還必需(或可以)按先 前之計劃施工。

3.1.3 洞口段邊坡塌滑之因素

洞口包括洞門段、洞口段及路線前後銜接之結構物,其工程特性與 隧道本體不盡相同,除設計與施工因素外,深受地形、地質、氣象與周 邊環境的影響。洞口因覆蓋層較薄且附近之地形係地質材料經過長期風 化、侵蝕、搬運等外力作用而形成之一種平衡狀態,地質較為軟弱,洞 口段施工時,因為隧道之挖掘或地貌之改變均將破壞原有應力平衡,隧 道洞口附近邊坡可會發生地層滑動或坡面破壞等現象。根據以往隧道洞 口段施工案例,洞口段施工引致規模不等、大小不一之鄰近邊坡坍滑,

坍滑型態因地形、地質、隧道大小及洞口配置而不同,坍滑原因亦因洞 口位置、洞口邊坡開挖與保護、隧道開挖與支撐,甚至洞門型式而有所 差別,茲說明如下:

(一)地形因素:隧道洞口的構築,係將原已處於自然平衡狀態之地盤中 大地應力,加以改變,而可能引發地層滑動、坡面崩落及隧道洞口 因偏壓造成的擠壓變形、抽心等問題。因地形型態不同,隧道軸線 與地形的相交型式可區分為下列五種:

(1)直交形:隧道軸線大致垂直山坡等高線,為最理想的洞口地形 條件,洞口段橫斷面地形大致對稱,且洞口段之施工長度為最 短,若洞口位在陡峻山坡腹地,應防範落石;如洞口位於半山 腰施工時,應考慮施工道路與銜接路線之關聯性。

(2)斜交形:隧道軸線與邊坡等高線斜交切入山坡,洞口段橫斷面 地形不對稱,呈傾斜狀,此種地形條件下,地層當地應力(in-situ

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stress)之最大主應力方向係大致平行坡面,而最小主應力方向 則大致垂直於坡面,由於當地應力之不對稱分布,隧道因此承 受偏壓,局部應力可能過大,並造成破壞。

(3)平行形:隧道以小角度斜交切入山坡,大約與山坡等高線相互 平行,洞口段之長度為最長,施工時可能發生偏土壓及邊坡的 埠穩定現象。此種型態之問題點最多,規劃設計時應盡量避免 採用,惟若不得不採此種相交型態,施工時要配合補助工法才 能奏效。

(4)山脊部進入型:此種山脊地形可分兩種,一為風化及崖錐堆積 厚度較薄者,洞口開挖可很快進入岩盤,地層較為穩定;另一 種為堆積層很厚,整個地形呈凸形狀,洞口開挖範圍不能太大,

或需藉助輔助工法入洞,否則會影響地層之穩定。

(5)谷部進入型:通常此種地形大部為未固結之崖錐或崩積層等,

堆積很厚且地下水豐富,洞口鄰近坡面穩定性較低,應對地下 湧水及施工工法充分檢討。此種型態洞口附近容易發生土石流 等自然災害,應加注意防範。

(二)地質因素:洞口鄰近邊坡之地層一般較為軟弱與破碎,在此類地層 中開挖隧道,除須面對淺層隧道經常遭遇之沉陷、抽心等問題外,

尚須考慮隧道與邊坡之整體穩定性。茲以三種典型情況,說明地層 分佈及岩(土)體強度之差異對隧道洞口開挖及鄰近邊坡之影響。

(1)安定地盤:隧道位址在安定地盤中開挖,隧道及邊坡無穩定性 之問題。

(2)中等安定地盤:隧道洞口段部份位在強度較差之地層中,因洞 口開挖而使邊坡趨向臨界破壞,再因隧道周圍岩體鬆弛、強度 下降,若未能有效控制變形,一旦抽心、擠壓、地表下陷及地

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盤承載力不足等現象發生,將引致坡面崩壞現象。

(3)不安定地盤:隧道完全位在強度較差地層中,隧道開挖後,隧 道內將會發生偏壓、地盤承載力不足、工作面崩壞、頂拱抽心 與落盤等現象;而隧道外原處於臨界狀態之邊坡,開挖後邊坡 滑動抵抗減少,可能會發生滑動之情形。

(三)設計因素:隧道洞口位置、支撐工及洞門結構等,是否適時配合實 際地形、地質及施工等因素加以調整。

(1)洞口位置:洞口位置沿隧道軸線之變化直接影響邊坡開挖量之 大小,若進洞位置選擇不當,邊坡必須進行大開挖,不利邊坡 之穩定性。

(2)洞口段隧道開挖及支撐因素:一般隧道洞口無法形成地拱以承 載上部荷重,因此若支撐剛性不足,或是施工不當,將引致周 圍地層的鬆動,並誘發鄰近邊坡之坍滑。

(3)洞門結構型式:洞門結構型式影響洞口邊坡之保護方式,洞門 型式依完成形狀可區分為重力式、壁面式及突出式等三種,一 般重力式洞門適用於需回填土方克服偏壓之地形,洞口整坡為 挖方地形,則採壁面式洞門。惟以往為縮短隧道長度,洞門位 置儘量往山側內移,且洞門設計採用重力式構造,因其基礎開 挖面積甚大,施工時必須大量開挖土方,常因此誘發邊坡滑動。

(4)監測系統:洞口邊坡與隧道均須設置監測系統以嘹解其兩者之 間的互動性及穩定性,若未設置監測儀器則無法掌握異常狀 況,事先提出預警,研擬對策作適當防範。

(四)周圍環境與其他因素:近年來土地使用率日漸升高,洞口附近可能 會因為隧道開鑿而造成地下水之流失、污染或乾涸等問題,更可能 造成地表下陷而損及週遭結構物之安全引致民眾之抗爭事件,故洞

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口須考慮對週遭環境之影響。

(五)天候因素:降雨過量或突發的地震造成邊坡滑動,亦將危及隧道安 全。

3.1.4 湧 水 之因素

台灣地區因地處造山帶,大地活動頻繁,地質受擠壓、張裂等大應 力作用,使岩層極度受擾動,具有密集之節理、褶皺、剪裂、斷層等不 同之構造。若隧道工程經過粗粒之沈岩地層,因上述大地應力及構造作 用,造成甚多之不連續面及破碎帶,而形成一絕佳之儲水層,若又因部 份不連續面如斷層帶、剪裂帶等連續性甚佳,造成地下水體之連通性良 好,加之隧道又位處季風氣候區,全年雨量皆豐,地表水補注迅速,故 可預期地下水將對此隧道施工造成極大的影響。另外,於廢礦坑中地層 中,開挖隧道亦可能遭遇湧水問題。

在斷層破碎帶且含高地上水位岩層中,進行隧道工程,常遭遇開挖 面難於自立的問題。常見開挖面抽坍、湧入大量泥碴及地下水噴流等現 象。若地下水及泥碴持續湧入開挖面,淘出岩層中之細粒料,將擴大岩 層鬆弛範圍,使開挖施益形困難。其湧水可分為兩類:

(一)施工中之突發集中湧水:儲蓄在地層內之地下水因隧道開挖而湧 入,初期水量較大,但隨時間經過而逐漸減低流量,最後收斂至最 小定流,其發生現項有兩種。

(1)地下水豐富且隧道周圍岩體滲透性良好,地下水自四周湧入,

於隧道施工時可能造成水文地質條件相當程度的改變。

(2)極高的地下水壓經過岩體不連續面或透水性較佳的地層中,地 層之滲透壓力超過岩體中所能承受之壓力,而湧入隧道開挖面。

(二)完工後之恆常出水:隧道開挖完成後之定流,包括降雨等水循環系 統之平衡狀態。

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隧道湧水量主要受岩體的滲透性、距地下水面高度、水位變化及地 下水流動方向、地層層序的排列及剪(破)裂帶位置與位態、地下水溫與 化學性質等水文參數的影響,分為下列幾點說明:

(一)隧道與地形的關係

隧道的位置若通過山坡面的一側,湧水是僅由一側發生。若通過 山脈橫斷型的隧道,則兩側均會受到影響,湧水量相對較多。

(二)隧道與地質的關係

(1)向斜軸部:向斜軸那是地下水最易匯集的地方,若隧道位於向 斜軸部下方,最易發生湧水現象。

(2)斷層破碎帶:斷層泥的透水性極低,但兩側的破碎帶的透水性 高,連通地下水形成儲水層,當隧道走向垂直於斷層帶時,隨 著開挖進行,其斷層泥逐漸變薄,最後,水壓力足以衝破斷層 泥而發生湧水。

(3)地下洞穴:廢棄煤坑或石灰岩溶洞也是地下水最易聚集的地 方,於隧道開挖發生湧水的機率較高。

(4)山谷或河川下方:山谷多半為地表最脆弱且最易透水之處,也 是積存地表水的理想地方,當隧道打通至此,地表水的滲透管 道即形成而發生湧水災害。

(5)沈積岩地區:孔隙牢較大之透水層,如粗粒砂岩或礫岩層與不 透水層如頁岩、泥岩等之接觸面亦可能遭過較大之湧水。

(6)溶蝕岩層:石灰岩或大理岩形成卡斯特地形的溶穴,成為大量 地下水的通道,規模較大者,常形成地下潛流,此種暫時性之 湧水多係隧道通過局部性之合水層,屬於一種滯留水,工程術 語稱為水櫃,可將遠距高壓的地下水導引至較低的隧道開挖面。

(7)節理性地下水路:連通至地表覆土層的地下水路,可將大量地

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下水導入隧道,造成持續性大量及定水壓之湧水。

(8)地下水滲漏或連通地層:飽和含水層形成持續的地下水通路,

造成施工及營運的困擾。

3.1.5 有 害 氣體之因素

存在地下之各種有機物由於長期承受地殼變動產之高溫及高壓而 發生化學變化,並進而演變成石油、煤及各種可燃性瓦斯氣體,一般常 見之可燃性瓦斯為甲烷(CH4),其為無色、無味且無毒、但會取代空氣 中的氧而造成窒息。進行燃燒反應必須具備足夠的燃料、充分的氧氣及 引發燃燒的熱源等三要項,一般稱為燃燒三要素。以甲烷燃燒為例,要 使甲烷燃燒,空氣中甲烷的濃度必須在一定範圍內,此範圍稱為燃燒界 限。若甲烷濃度小於最低燃燒下限 5%,則由於燃料不足,使得燃燒反 應無法進行;若甲烷濃度大於最高燃燒上限 15%,則因空氣中的氧氣被 甲烷取代,導致氧氣不足,無法進行燃燒反應。相同的,當甲烷濃度在 燃燒範圍間且氧氣充足的條件下如,如沒有引發燃燒的熱源則燃燒反壓 亦不會發生。甲烷又稱「沼氣」(Methane),爆炸後之化學反應為 CH4+2O2→CO2+2H2O,故可吸收大量氧氣,使隧道內缺氧;又

CH4+0.5O2→CO+2H2,故會對人體有害之一氧化碳。爆炸時可產生 2000

℃左右之高溫及 7 ㎏/㎝2之強大壓力及強型爆風,爆炸中心呈真空狀 態,因此,爆炸結束後會產生強烈迴流風吹入隧道內(姚錫齡等人,

1997)。

3.1.6 岩 爆之因素

岩爆為脆性岩體在高現地應力下進行地下開挖時所產生之劇烈破 壞現象,伴隨產生之震波並向周圍岩體傳遞。釋出之能量加諸於碎裂鬆 動之岩石,於瞬間爆裂破壞,造成重大人員傷亡及機具損失,影響隧道 施工之安全與工期至鉅。

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岩爆多發生在埋藏很深、整體、乾燥和質地堅硬的岩層中。產生岩 爆的瞬間,一般在開挖後幾小時內,但也有的是在較長時間後發生。隧 道中常遇見的岩爆以頂部或拱腰部位為多,隧道內岩爆特點:

(一)岩爆在未發生前,並無明顯的預兆,雖然經過仔細找頂,並無空響 聲,一般認為不會掉落石塊的地方,也會突然發岩石爆裂聲響,

石塊有時應聲而下,有時暫不墜下。在沒支撐的情況下,對施工 安全威脅甚大。它與隧道施工中的般掉塊落石現象有明顯的不同。

(二)岩爆時,石塊由母岩彈出,常呈中間厚、周邊薄、不規則的片狀。

(三)岩爆發生的地點,多在新開挖工作面及其附近;岩爆發生的時間,

多在爆破後 2~3 小時。

3.1.7 仰拱破壞之因素

仰拱破壞可分為下列幾種因素,而破壞的形成往往同時涵蓋若干因 素,如沒有內空監測,一般為襯砌的仰拱,因受碴料的覆蓋、車輛的通 行及變形的不顯著致易被忽略;已襯砌破壞的出現,往往已十分嚴重,

需要鑿除已變形的襯砌部份,補強岩盤、灌漿填補空隙、膠結破碎岩體。

仰拱破壞的因素如下(周南山,2003):

(一)仰拱位於軟弱岩層:仰拱因解壓而隆起。

(二)地盤低承載力:仰拱與側壁交接處產生錯動。

(三)地下水入侵仰拱岩盤軟化:由於防水膜只舖到側壁下方,地下水沿 著防水膜進入仰拱,軟弱岩盤排水不良、再經車輛返復輾壓,終至 掏空仰拱而失去支持力。

(四)側壁與仰拱間剪力鋼筋不足:未能形成環作用,倘若側向受壓過 大,導致側壁與仰拱破壞。

(五)擠壓性岩盤:因岩盤鬆動失去支持力而向隧道內變形。

(六)應力集中產生裂縫:此處角隅因應力集中,易產生裂縫。

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3.2 隧道工程災變處理原則

隧道工程發生災變成因及處理原則時,首重在瞭解隧道開挖岩體在 開挖前、後之岩體應力與應變行為,其開挖行為可以分為下述四階段(如 圖 3.1,3.2 所示):

(一)地盤未開挖前,大地應力原使於一種自然平衡狀態,其實際的應力 大小及地構情況,通常是無法完全以儀器來量測或計算得知。

(二)隧道開挖過程中破壞了原有大地應力平衡狀態,同時產生了新的應 力分配,並重新調整達到應力平衡。故在原有之現地應力並未確 知,其改變後的應力重新分佈也無法確定,所以在開挖過程中大地 應力,必會產生一定的變化。

(三)由於岩盤周圍應力產生變化,所以開挖斷面必定隨時間關係及開挖 進展而持續產生變形。而隧道周圍的岩盤產生鬆弛,其中的裂隙隨 之擴張延伸,造成岩盤強度降低。

(四)在開挖後,必須及時提供支撐力,如採用噴凝土、岩栓、鋼肋支保 或混凝土環片等支撐構件。支撐力足夠則斷面趨於穩定,且岩盤鬆 弛停止惡化;至此,隧道開挖支撐循環初步完成。反之,若支撐力 不足或支撐工完成太晚,岩盤本身強度因變形太大而過度損失,即 可能導致支撐失敗,發生擠壓或抽心災變。

因此在明瞭隧道災變成因後,則可進一步探討災變處理的原則。當 在隧道發生抽心、擠壓變形及湧水崩坍災變後,可以採用的搶修方法其 實相當有限,大多根據下列幾個步驟處理如下:

(一)當隧道災變發生後,人員、機具應及時撤離現場,並持續觀察現場 狀況,並確認有無繼續變形或崩坍可能性。

(二)依災變屬性進行施噴噴凝土等封面處理,以防止災變擴大。

(三)並採用現有支撐構件例如岩栓或鋼支保,立即補強受破壞區域。

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(四)針對災變破壞現場的大小、形狀、範圍,以及支撐系統等受損的狀 況,並做完整的書面紀錄。

(五)詳查紀錄災變破壞面岩盤與地下水流方向及湧水量的情況,並檢查 隧道上方地表面可能產生的變化。

(六)儘速建立災變區段附近的監測系統並讀取初始資料。

(七)根據已蒐集的資料,研判決定補強或修護的施工方式。但由於隧道 經過災變破壞後,岩盤已嚴重擾動及鬆弛,並應視個案情況決定配 合適當的輔助工法,方可順利完成修復工作。

(八)假設災變破壞有因大量地下水滲流所引起,在進行搶挖前應先行施 做導水或止水。

(九)在執行修復作業時,應加設監測系統作業,並全程追蹤修挖斷面的 變形之發展,必要時應補強支撐系統。

(十)如果隧道發生大型災變,其評估的路線容許調整,必要時改線也可 能是一種合理的處理方式。

上述的方法與步驟,為隧道已發生災變之一般性的處理原則;然而 災變處理最佳方法就是防患未然。在隧道產生異常變化時通常會有相當 的預警時間;除地質變化因素外,其計測資料研判隧道開挖斷面之變 形,另施工中之支撐構件(如噴凝土之裂隙發展、襯砌龜裂、鋼支保的 屈挫、異常滲水跡象、岩栓承鈑的變化)等因素,皆為地盤變化前之徵 兆。惟如何掌握這些現象,並做妥當的處理,仍有賴工程師合理的判斷。

至於如何防範隧道災變於未然,可分以下三方面來說明:

(一)施工中應變措施:

(1)開挖前進面時針對地盤弱面,應隨時注意變化,必要時加強支 撐系統或採更有效之工法輔助。

(2)隨時掌握隧道中異常狀況的徵兆,並針對該等徵兆建立量化的

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監測資料。

(3)於災變發生前,如因有變形持續擴大惡化之趨勢,當機立斷以 最短的時間,對變形區段提供額外支撐力。

(二)施工管理:

(1)施工階段持續地質調查評估,並建立回饋設計的簡易經驗法 則,建立邊做邊設計之觀念。

(2)於開挖階段,工地應安排備用機組與附近支援備用料廠。

(3)加強施工單位人員教育訓練,並增強現場工班機動應變能力,

應落實時段分班(全能班)的管理。

(4)開工前應妥善規劃緊急搶修應變計畫,並充分準備應變材料。

(5)遭預軟弱或斷層等不良地質時應分區分階開挖,且需嚴格控制 輪進長度,避免因追趕進度而忽略安全。

(6)加強人員進出管控。

(7)建立完善之品管計畫與執行。

(8)各種工法及施工細節務必精確,以避免因人為技術不當行為發 生。

(9)專業測量人才之培養及精確監測系統之安裝,避免因量測錯 誤,影響整體進度或延誤搶救時機。

(三)工程契約之合理化:

(1)建立風險分擔的合約制度,並賦予工地工程師充分之技術判斷權 責,對緊急狀況處理將有極大的助益。

(2)工地預算編列上應採取較彈性之作為,例如編列預備金以因應輔 助工法所需,或另編災變搶救費用以利遭遇災變可先搶救施工 再追究責任,將可避免災情擴大,以利工程順利進行。

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3.3 隧道工程災變處理因應對策

為考量國內隧道工程作業之特性與現況,隧道於計畫或施工期間遭 遇特殊地質所發生災變問題時,為避免問題嚴重性加劇,工程概分為四 個主要階段:(一)可行性評估階段;(二)選線規劃階段;(三)設計階段;

(四)施工階段,可依災變問題之嚴重程度,來決定是否需成立專家小 組。一般而言,預期特殊地質情況嚴重或已遭遇困難者,尤其需要綜合 各種經驗之彙整與討論,建議應由專家小組進行資料之整合評估與提供 決策建議,以解決工程災變相關問題,以下就針對施工階段災變處理分 述如下:

(一)擠壓處理因應對策

擠壓地質開挖後之斷面淨空隨著時間的經過而逐漸地收斂,故於施 工時,可採行儘早支撐略策或視情況將已開挖的斷面閉合,以減少進一 步之變形。此外分階開挖時,岩體之應力集中或應力再分配影響,可能 造成局部的變形加劇,宜考慮合適的開挖工法與支撐方式等對策,抑制 變形的發生,以下為擠壓地質施工程階段之因應對策(如表 3.1 所示 )。

擠壓岩盤的支撐方式分為主動式及被動式策略兩種。主動式支撐策 略採利用勁度較高及厚度較厚之支撐,抑制過量變形發生。而被動式支 撐策略須於施工階段預策可能發生之變形量,先行超挖預留變形空間,

允許周圍岩體發生一定之變形後,配合容許較大變形之支撐構件穩定岩 體。

(二)湧水處理因應對策

隧道開挖過程中若遭遇湧水時,往往會造成工程災害或施工困難;

若同時遭遇斷層破碎帶時,極易同時釀成抽心的後果,造成工期的延誤 及工程費的大幅增加。因此,若隧道工程預期會遭遇大量的湧水地質 時,須於事前進行慎密的地質調查,詳細掌握岩層的節理、破碎帶、阻

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水層、含水層位置、湧水量及湧水壓等狀況。此外開挖施工中,可採前 進鑽探或水平鑽探等的前進探查方式,一面將事前調查所作的預測與實 際狀況加以比較,一面調整合適的因應對策(如表 3.2 所示)。

目前湧水地質之處理原則多採用遠排近灌。實務上常用之排水工法 有排水廊道、排水鑽孔、排水坑、點井、深井及併用壓氣工法的排水鑽 孔等工法;止水工法有灌漿工法、壓密工法、截水牆及冷凍工法等,採 用時應以能維持開挖面自立性、減少施工障礙、維護施工安全及防止地 下水枯竭與地層沉陷為目的。止水工法中的灌漿工法,係藉減低湧水量 與地盤改良效果而作為開挖工作面穩定對策的一種可靠性較高的工 法。針對難以處理的大量湧水或砂質地質,實務上可採灌漿工法與排水 工法併用的對策。

湧水隧道排水方式的選擇,如無需顧慮水枯楬與岩層沉陷問題時,

宜以降壓排水為優先,堵水為輔,必要時再輔以壓氣工法。一般而言,

若隧道的覆蓋低且湧水量少,以採用能與隧道開挖並行施工,而且具經 濟性的點井或深井比較有利;反之,若隧道的覆蓋高且湧水量多,則以 採用由隧道內排水鑽孔、排水坑及點井的工法可靠性較高。如排水有引 致細粒料流出淘空之虞時,應留意排水工法之運用,並持續觀察排水的 狀況。如湧水有引致地表下陷之虞時,則須檢討灌漿工法、壓氣工法 截水牆工法及冷凍工法等止水工法之適用性。

(三) 岩爆處理因應對策

隧道岩爆為高現地應力下進行開挖時,隧道周圍岩體發生爆炸般的 脆性破壞,脆碎之岩石碎片於破壞瞬間脫落爆裂,並且向開挖區域射 出,所釋出之應變能量加諸於四周岩體,伴隨地鳴及震波向周圍岩體傳 遞之現象。此種現象的發生,係由於蓄積於岩盤中的彈性應變能量,因 開挖而被釋放之故。岩層覆蓋厚、現地應力高、岩體為均質且節理較少

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之地質環境易於發生此類破壞。因此在此種地質進行隧道工程時,應在 事前針對有無發生岩爆的可能性,進行充分的調查,以便採取合適的對 策(如表 3.3 所示)。

針對岩爆地質隧道,降低工程災變可採行之對策如下:

(1)圍岩加勁:側壁及開挖面使用鋼纖維噴凝土、鋼線網噴凝土、系統 性摩擦式岩栓(如縫管式岩栓、岩栓)、超前支撐、儘量避免開挖面 及側壁形成無圍壓束制狀態、縮小岩栓之間距、岩栓成梅花型佈置、

增大承壓鈑之面積(或使用大面積墊片)等。

(2)改善隧道之應力分佈條件:縮短輪進長度、儘早施作支撐、修正開挖 面形狀(縮小斷面、挖面形狀呈圓滑之曲面、採平滑開炸)、改變開挖形狀 順序、改變開挖作業機具及方式、超前長鑽孔應力解除等。

(3)加強作業人員安全:待機、防護(以岩栓、噴凝土保護開挖面及側壁)、機 械化浮石清理、掛網、人員設備加防撞裝備等。

(四)膨脹處理因應對策

膨脹地質隧道周圍岩體遇水浸潤,造成體積發生膨脹現象,可肇因 於岩體組成礦物吸水,引致體積增大的物理性膨脹,亦或礦物遇水發生 化學變化而造成體積增加,有別於隧道之擠壓現象。一般膨脹地盤多見 於強度低的岩層,特別是細粒含量較多,內摩擦角較低的岩層,例如泥 岩、頁岩、凝灰岩、蛇紋岩及綠泥石片岩或是含黏土礦物、無水石膏、

黃鐵礦、白鐵礦等之地層。此類地質的變形,嚴重時,開挖面會顯著縮 小,並對工程進行造成阻礙。其變位不但發生在隧道周圍之頂拱與側 壁,且可能發生於仰拱或開挖的工作面,其處理對策(如表 3.4 所示)。

在膨脹地質隧道施工中,不論支撐的型式為何,宜在施工的各階 段,藉噴凝土、岩栓及鋼支保,開挖面儘早閉合常有利於減少後續之膨 脹量。噴凝土若於開挖後立即施工,具有防止岩盤鬆動及風化之作用。

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噴凝土通常厚度最大約 20cm,一般常併用鋼線網,此外,為加強噴凝土 的強度,實務上亦有採用鋼纖維噴凝土的情形。岩栓對膨脹地質隧道亦 有一定程度的成效,若與噴凝土併用,更可提升其抑制膨脹量成效。鋼 支保通常使用 H 型鋼,但為能夠抵抗強大的岩壓,亦可採用其他方式,

例如可使用鋼管式的鋼支保;鋼管式支撐於架設後,若在管內灌注砂 漿,並埋入螺旋鋼筋,從而增高其承載力。

隧道遭遇膨脹地質常見仰拱隆起現象,原因之一係由於隧道常見之 積水現象,使得膨脹地質材料浸水膨脹,造成隧道仰拱向上隆起,而地 面水因浸入岩層裂縫,使得隆起更加惡化。隧道已開挖部份隆起不嚴重 時,可分段清除路面下方已軟化的岩層,並用鋼筋混凝土回填。仰拱岩 盤為水平節理時,可加設岩栓以加固地層。若仰拱隆起嚴重時,路面宜 以設置易修復材料為佳。避免仰拱隆起之防範工作係須作好隧道隧道內 之防水及排水工作,避免膨脹地質材料因泡水而造成軟化和膨脹。

(五)有害氣體處理因應對策

隧道或礦坑中常見之有害氣體有一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、丁 烷、乙炔、硫化氫及氫氣等可燃性氣體與二氧化碳、缺氧空氣等非可燃 性有害氣體。其常蘊藏於含煤區、油田區、有機物腐化區、泥火山區、

火山群、斷層、背斜或剪裂帶中,並易沿著岩隙裂縫逸出,對隧道內作 業人員及施工機具之安全危害甚大。因此應在事前就充分調查其存在 性、種類及範圍,同時並預先採取設計及施工上所需的對策(如表 3.5 所示)。

由於有害氣體對隧道施工人員之生命健康及機具鏽蝕等之危害性 極大,因此,隧道內應保持足夠的風量及風速,方能迅速稀釋有害氣體 之濃度至安全範圍內,以維護隧道內之施工安全。隧道沿線可能遭遇含 有害氣體地盤之施工區段,應考慮於隧道內佈設前進探查鑽孔,預先將

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有害氣體導出並排放至隧道外安全處或利用加強通風,以稀釋有害氣體 之濃度。另外隧道內襯砌宜儘早施築及灌漿或壓氣等補助工法之採行,

對於地層中有害氣體之逸出則有抑制阻絕之效果。火源及隧道開炸之管 理、建立有害氣體監測系統及施工安全管理制度等具體措施之擬定與執 行,有助於防止有害氣體災變的發生。

(六)地熱處理因應對策

台灣地區遍佈於各地之溫泉總數約有一百三十餘處。較破碎岩體中 之溫泉,多分佈於斷層破碎帶、裂隙密集帶及背斜軸部等地帶。若隧道 正好通過地熱裂隙帶附近,則地熱裂隙與溫泉將對隧道之構築,具有潛 在之威脅。高地熱地區進行隧道開挖時,可能遭遇之高溫湧水及岩溫,

對隧道施工安全、施工效率、工作環境、工作品質及工程費用將造成影 響。因此應在事前充分調查其影響範圍,以便有效地採取設計及施工上 所需的對策(如表 3.6 所示)。

地熱地質隧道內部經常處於高溫,高濕之狀態,故須對於作業環境 加以適當改善,否則可能發生工作人員健康之損害、使工作效率顯著降 低、甚而招致災害之發生。

由於隧道內濕度較高,為獲得一適合工作之環境,坑內溫度應維持 在適合勞動之 28℃以下為目標,否則應參照相關規定,進行工作性質及 工作時間等之調整。除實施通風及灑水降溫外,並應進行高溫環境下之 健康管理。

(七)國內隧道施工中常見災變處理因應對策

由上述隧道工程施工工程災變的資料可知,台灣因位於板塊運動擠 壓地區,工程地質構造複雜,岩質多變,岩體應力偏大,致岩層多斷層 破碎帶,地下水量充沛等因素,因此國內施工中常見之災變頻繁,就施 工中現象及因應對策說明(如表 3.7 所示)。

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針對國內隧道施工中常見災變處理因應對策中,何者為優先必須檢 視岩盤條件、施工法、變形破壞情況等有所差異,需就各別狀況及綜合 各項災變因素判斷選擇。

3.4 隧道工程災變技術處理及輔助工法

山岳隧道以隧道周圍岩盤為主要支承力結構,而噴凝土、鋼支保及 岩栓則為隧道單獨或合併使用之標準構件,藉由標準支撐構件確保隧道 開挖之穩定性,而需採用其他特殊對策,如排水、止水及地盤改良等工 法,以增加隧道開挖面穩定性或改善地質條件之適當方法,稱為輔助工 法。採用輔助工法除在確保隧道的安全性外對隧道週邊環境亦可達到保 護等作用。

3.4.1 隧道工程災變技術處理

隧道之災變類型,應考量隧道周圍岩盤之性質及地下水狀況,並配 合隧道斷面尺寸及覆蓋厚度,判斷隧道周圍岩盤之破壞機制究屬構造破 壞亦或材料破壞,並配合噴凝土、岩栓與鋼支保等各支撐構件所具功能 (如表 3-8 所示),進而單獨或合併使用不同支撐構件加以設計之;必要 時,亦得配合輔助工法以增加隧道穩定性;各隧道工程於實際執行時,

執行人員得依其專業判斷作適當調整。隧道周圍岩盤之破壞機制可大致 區分為二大類:

(一)構造破壞(structure failure):當隧道之覆蓋厚度稍深,或隧道周 圍岩盤之節理面、層面、劈理以及片理等地質弱面發達時,隧道之 破壞機制屬構造控制。

(二)材料破壞(stress failure):亦稱為應力控制。當隧道之覆蓋厚度較 淺,或周圍岩盤風化程度較高時,隧道之破壞機制屬材料破壞。

因其在現地應力之作用下常進入塑性階段而呈現延性行為,此時需

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採適當之開挖與支撐以抑制岩體進入塑性階段,避免產生大量變形,即 一般所謂之擠壓現象;需注意圍岩因重力而掉落所引致之破壞;當隧道 之覆蓋厚度相當深,且隧道周圍岩盤狀況良好,幾乎沒有弱面構造存 在,主要呈現脆性行為時,隧道之破壞機制屬材料破壞,此時需注意現 地應力過大所引致之岩爆問題;當隧道之覆蓋厚度中等,隧道周圍岩盤 狀況良好且地質弱面不發達時,其開挖隧道所遭遇之問題最少。

3.4.2 隧道災變之輔助工法

輔助工法的種類可依其使用目的、地質條件及使用之機械或設備等 特性加以分類(如表 3-9 所示)。各類輔助工法則應視選用之工法特徵、

地質條件、環境條件並配合隧道之工程進度及施工方法等條件加以應 用。

依其使用目的輔助工法可概分為兩大類:一為以確保施工安全性為 目的之輔助工法,凡為增加開挖面之穩定工法及湧水處理對策均屬之;

其次為以保護隧道施工時週邊環境為目的之輔助工法,諸如防止隧道開 挖引致周圍地表下陷、防止鄰近構造物受損之工法以及考量隧道湧水所 導致地表沈陷之湧水處理對策。

(一)穩定開挖面之輔助工法

隧道施工時之開挖面為開放狀態,若因岩盤凝聚力低、強度不足或 地下湧水等因素,使得岩盤自立條件不佳造成開挖面崩坍或不穩定,均 將造成隧道無法施工或施工遲緩。因此為提升開挖面之穩定,適當選用 輔助工法有其必要性。一般而言,開挖面穩定之輔助工法依其隧道開挖 後發生之不穩定形態及位置可分為頂拱(含側面)、前進面以及底部等 三部分之處理對策。

(1)頂拱穩定輔助工法:頂拱穩定輔助工法主要目的在於防止開挖時 之頂部崩坍,其施作理念則以開挖前預先增加前進面前方周圍岩

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盤拘束力或提高頂部岩盤之抗剪強度為主。由於工法、技術隨著 科技日新月異,頂拱穩定輔助工法推陳出新種類繁多,如支撐鋼 管、支撐鋼棒、鋼護板、管幕工法、AGF 工法、MGF 工法、AT 套管工法、注膠支撐先進工法(含 PUIF 工法)等頂拱穩定輔助 工法,皆為國內長久以來或近年來使用之工法。統稱為先進支稱 工法。

(2)前進面穩定輔助工法:一般採用之基本處理對策有於前進面施噴 封面噴凝土、打設前進面岩栓、採取環狀開挖或縮短施工輪進長 度等方式,以提高前進面周圍岩盤之圍束力,增加前進面之自立 性。若位處岩盤條件不佳之斷層破碎帶、地下水豐富之地層或其 他岩盤自立時間甚短之地質條件,利用灌漿進行地盤固化,藉以 提高前方岩盤剪力強度或降低其透水性為直接有效之方法。

(3)底部穩定輔助工法:隧道開挖面底部若因岩盤條件或開挖斷面形 狀因素導致地盤承載力不足,將產生底部下陷及誘發開挖面之地 盤鬆弛或支撐架設困難,進而影響隧道的穩定性。一般的底部穩 定工法,可採擴大支撐底部支承面積或利用仰拱之及早閉合以利 開挖面拱效應儘早形成並減低底部之應力集中等方式降低底部地 盤之承壓應力;亦有於隧道開挖面底部朝下打設岩栓或鋼管樁 等,以提高岩盤支承力之方式施做。

(二)防止地表沈陷及鄰近結構保護之對策

地表沈陷之主要原因,在於伴隨開挖所發生於隧道周圍之應力變化 以及地盤鬆弛產生之變形。一般皆發生於拱效應無法形成之地盤且隧道 頂部覆蓋較淺者或因地下水引致地盤中土砂流出導致地表沈陷。因此以 採用強化開挖面上方(頂拱)地盤之輔助工法對於防止隧道開挖引致地 表沈陷較為適用,而利用改良地盤整體性質(剪力強度、透水性及壓密

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性)對於地下水導致之地表沈陷效果較佳。

(1)防止地表沈陷之輔助工法:防止因隧道開挖引起地盤鬆弛進而造 成地表下陷之對策,宜採用長先進支撐工法及水平高壓噴射灌漿 工法等強化開挖面上方地盤之輔助工法;灌漿工法及縫地工法等 則因可改良地盤整體性質,對於地下水導致之地表沈陷亦為一良 好之對策。

(a)強化開挖面上方地盤之輔助工法:常用之長先進支撐工法

(PUIF、MGF、AGF 及管冪工法等灌漿式先進支撐工法)、水 平高壓噴灌漿工法。

(b)改良地盤整體地質之輔助工法:灌漿工法、縫地工法。

(2)鄰近結構保護之輔助工法

(a)強化開挖面上方地盤之輔助工法:地盤強化及改良係藉施行地 盤強化及改良以抑制變位的工法。如長先進支撐工法(PUIF、

MGF、AGF 及管幕工法等灌漿式先進支撐工法)、水平高壓噴 灌漿工法。但應用時應注意地盤條件、施工順序及臨近程度及 限制等情況。

(b)隔牆工法:係將既有構造物與隧道之間予以分隔,以抑制變位 傳遞的工法,如鋼板樁、柱列樁(含鋼筋混凝土樁、水泥攪拌 樁、高壓噴射樁等)及鋼管樁等。

(c )既有構造物補強工法:本工法係採直接補強鄰近構造物的方法 與基礎托換的方法。直接補強鄰近構造物的方法一般常用的方 式有使用斜撐、加固牆及橫撐等方式;常用之基礎托換的方法 有於既有建築物下方土壤之地質改良、增 (補)設基礎、構築新 基礎等方式。

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(三)隧道地下湧水之輔助工法

地下水造成山岳隧道開挖面之穩定問題,為各種影響因素中最常見 且最嚴重之障礙。充分瞭解地下水之存在或分布形態、水質、湧水量、

水壓及隧道施工方法與環境等條件之相互關係,為決定地下水處理對策 重要因素。地下水處理依其理念可概分為排水工法、止水工法及混用兩 種以上之輔助工法三類。

(1)排(抽)水工法:選用排水工法時應考量地質構造(透水係數、地 下水位分佈等地層基本物理性質)、預估湧水量、湧水區範圍、覆 蓋厚度、鄰近結構物(包括地上與地下)、周圍地下水利用情形、隧 道外排水設施、地下水蘊藏情形、可否降低地下水位及是否可混用 其他工法等條件,一般情況下排水工法在施工性及經濟性均優於止 水工法。如排水導坑工法、真空深井工法、真空水平排水孔工法、

重力排水、鑽孔排水工法、抽水孔排水工法、抽水坑工法、點井工 法等。就其常用工法概述、優、缺點分述如表 3-10 所示。

(2)止水工法:為防止或截斷水流進入隧道開挖面之工法,但必須考 量地質、地形特殊之情況或對周邊環境影響等需求。其工法如壓氣 工法、冰凍工法、地盤灌注工法、泥水工法(潛盾工法)、化學灌漿、

隔牆工法、熱瀝青工法等。就其常用工法概述、優、缺點說明如表 3-11 所示。

(3)混用工法:在實務上,因地質、地下水分布形態、水質、湧水量、

水壓及隧道施工方法與環境等條件,在地下水的對策選用時,一 般多以各種止水、排水工法之組合或止、排水兩者混用之方式處 理,以達最經濟有效之目的。

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3.4.3 隧道災變輔助工法處理比較分析

藉由文獻回顧之案例蒐集,經彙整歸納出國內隧道常見破壞類型為 支腳保沉陷、抽心落盤、擠壓變形、開挖面滑動、頂拱沉陷、湧水、有 害氣體及地熱等型式,其以抽心落盤、擠壓變形及湧水較為常見且災變 規模較大。隧道災變技術處理包含前期支撐、開挖面補強、排水及止水、

地質改良等方式,經實際與隧道災變常用技術處理及輔助工法比較分析 表(如表 3.12 所示),說明如下:

(一)經比較分析得知隧道災變技術處理以原有標準支撐構件為主,其常 用之輔助工法如前期支撐以短(小於 6m)先進支撐工法包含支撐鋼 棒、鋼護板及支撐鋼管等工法,主要有效提昇前進面之圍束應力。

長(大於 6m)先進支撐工法如管冪、AGT、AT 套管等工法,並施以充 填或灌漿方式,主要為使隧道頂拱預先形成傘狀保護環,有效抑制 鬆持區段之崩落,或採地質改良方式如水泥系及藥液等灌漿方式。

(二)隧道底部發生異常行為如支保腳沉陷及仰拱隆起等因素,其技術處 理除需針對破壞情形儘早完成支撐系統仰拱環狀閉合,或在開挖過 程增設支保腳混凝土條狀基礎外,必要時亦可進行灌漿改良地質增 加應力集中等方式降低底部地盤之承壓應力,或輔助性回填增加土 壓力抑制仰拱隆起等行為。

(三)隧道發生擠壓變形、抽心落盤、偏壓及頂拱沉陷災變時需立即進行 支撐系統(如鋼支保、噴凝土、岩栓)補強,必要時進行灌漿方式改 良災變區段周圍地盤,以防災變持續擴大。並輔以前期支撐(如支 撐鋼管、支撐鋼棒、鋼護板、管幕等工法)進行修挖及復舊等工作,

(四)隧道因開挖前進面滑動造成坍落時,除需先以混凝土封面外,必要 時可採前進面岩栓或灌漿方式進行,以提高前進面周圍岩盤之圍束 力,增加前進面之自立性,並輔以環狀開挖方式、縮短輪進及前期

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支撐(如支撐鋼管、支撐鋼棒)進行開挖作業。

(五)隧道遭遇湧(滲)水常使用工法為鉆設水平排水孔並藉重力作用導 排地下水,排水坑集水後並採抽水方式強制將地下水排出,以降低 水位,並配合湧水狀況採灌漿方式改善地質條件,阻止地下水流進 入。

(六)隧道因覆蓋層較淺處遭遇地下水位高時,除考量隧道內排、止水 外,亦可進行地表點井或深井等工法,藉由外力強制排水預先降低 地水位,避免因地下水流過大造成坍塌,肇致災變情形擴大。

(七)隧道遭遇有害氣體區段,除可考量鑽設前進探查孔將有害氣體導出 隧道或利用加強通風稀釋其濃度外,亦可採藥液灌漿、水泥灌漿或 壓氣等輔助工法抑制有害氣體滲出或噴出。

(八)隧道遭逢地熱地質下,除輔以通風及灑水冷卻外,必須鑽設排水鑽 孔將其熱水導排出,並採藥液灌漿及水泥灌漿等輔助工法阻止地下 水流進入。

(九)各項輔助工法應俟災變情形與地質狀況及材料之可及性,其採分開 或合併使用方式,以達到安全及經濟之隧道。

3.5 小結

(一)造成隧道發生災變因素區分為地質構造之不確性、天候因素、設計 考慮不周全或經驗不足及施工不確實等因素,其中以地質構造變化 最難以預測及瞭解。

(二)隧道施工中應隨時注意開挖面之變化,特別針對軟弱地盤及斷層破 碎帶或異常徵兆時,需採取更有效之防範措施,以避免災變發生。

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(三)在隧道發生災變後需依災變情況適時提供額外之支撐構件,並依破 壞狀況及地質條件選用有效之輔助工法,必要時需合併二種以上工 法共同或分開並分階段施作。

(四)隧道發生災變技術處理過程除需採輔助工法予以增加隧道之穩定 性外,配合其它開挖方式或縮短輪進及減少炸藥量亦可防止開挖面 附近岩盤擾動,以避免再度發生災變。

(五)針對特殊地質之處理,進行輔助工法選擇時,除需考量工法特徵、

地質條件及環境因素外,亦需考慮施工之時效性及材料之可及性,

延誤可能會造成更大災變。

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表 3.1擠壓地質施工程階段之因應對策(行政院公共工程委員會,2003)

擠壓評級結果 因應對策

(1)無擠壓

(2)輕度擠壓 謹慎施工,注意監測

(3)中度擠壓

(1)依據設計要求,實施輔助工法或相關之補強措施。

(2)依據監測成果檢討設計階段之擠壓程度分級、開挖方 式、支撐系統、輔助工法、施工順序之適當性及成效。

(3)進行反算分析,確認設計參數之適當性,視監測結果調 整施工方式。

(4)檢討並修正擠壓處理計畫。

(4)高度擠壓 (5)嚴重擠壓

(1)進行隧道擠壓之災變分級。

(2)針對設計與支撐方法、補強措施、擠壓處理計畫、所採 取的因應對策等進行適用性檢討與修正。

(3)成立專家小組檢討並提供建議。

表 3.2 湧水地質施工程階段之因應對策(行政院公共工程委員會,2003)

湧水評級結果 因應對策

輕度湧水 (1)謹慎施工

中度湧水 (1)採行前進探查,量測水量及水壓 嚴重湧水

(1)成立專家小組

(2)量測水量、水壓及隧道變形等以掌握湧水情況 (3)檢討及修正現行補助工法及內襯設計

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表 3.3岩爆地質施工程階段之因應對策(行政院公共工程委員會,2003)

岩爆評級結果 因應對策

輕度

(1)謹慎施工,加強人員機具防護。

(2)觀察崩落岩塊之破裂面特徵,岩壁表層零星岩塊崩落。

(3)縮短輪進長度、縮小岩栓間距,儘早施作支撐、採平滑開 炸、修正開挖面形狀以減小應力集中的情形。

(4)提高支撐的強度與勁度,期能有效抑制岩盤之鬆動與破壞 區的擴展,預防岩爆現象的發生。

中度

(1)謹慎施工,加強人員機具防護。

(2)觀察崩落岩塊之破裂面特徵、對已支撐安定段,補充鑽探 調查應力鬆弛範圍,確立岩爆來源與破壞機制,評估支撐 功能。

(3)增加支撐,注意噴凝土的厚度是否足夠以及是否平整、岩 栓的長度及密度是否恰當。

(4)以機械化浮石清理、掛網,縮短輪進長度、儘早施作支撐、

採平滑開炸、修正開挖面形狀以減小應力集中的情形。

嚴重

(1)成立專家小組。

(2)檢討對此一岩爆特殊地質隧道之掌握程度,進行特殊地質 隧道之災變分級。

(3)對此一特殊地質隧道之現行因應設計與支撐方法、開挖施 工流程、開挖施工管理模式(監測與預警模式建立)等進行 通盤性、適用性檢討與修正。

(4)應用音射監測預警技術、微震監測以釐清岩爆之震源機 制。

(5)採用各種可能方式以減少岩爆現象所帶來的災害損失。

表 3.4 膨脹地質施工程階段之因應對策(行政院公共工程委員會,2003)

膨脹評級結果 因應對策

無膨脹、

輕度膨脹 提高警覺,謹慎施工,注意監測。

中度膨脹

(1)依據設計要求,增設臨時仰拱或仰拱及早閉合,實施輔 助工法、地盤改良或相關之補強措施。

(2)依據監測成果檢討設計階段之膨脹程度分級、開挖方 式、支撐系統、輔助工法、施工順序之適當性及成效。

(3)進行反算分析,確認設計參數之適當性,視需要調整施 工法。

高度膨脹、

嚴重膨脹

(1)增設臨時仰拱或仰拱儘早閉合。

(2)進行特殊地地質隧道之災變分級。

(3)針對現行因應設計與支撐方法等進行適用性檢討與修 正。

(4)檢討並修正膨脹處理計畫。

(5)召集專家小組檢討並提供建議。

(30)

表 3.5 有害氣體施工程階段之因應對策(行政院公共工程委員會,2003) 有害氣體評級

結果 因應對策

無有害氣體 正常作業。

輕度危險 (1)謹慎施工,加強隧道通風、管制火源及密切偵測。

(2)成立專家小組,評估對後續工程之影響並提出對策建議。

中度危險

(1)加強隧道通風、火源管制及安全管理。

(2)加強執行前進探查孔鑽孔,以利有害氣體排除。

(3)考量內襯砌儘早施作或採用止氣灌漿等抑制工法,以阻隔 氣體。

(4)增加偵測器數量並提高監測頻率。

(5)成立專家小組,研擬合適的對策,以確保施工安全。

嚴重危險

(1)暫停施工,人員撤離,風機視需要暫停運轉。

(2)視需要恢復或加強隧道風速及通風量。

(3)加強火源管制及安全管理。

(4)確實採用防爆型電氣或機具設備。

(5)召集專家小組,研商可行之對策方案。

表 3.6地熱地質施工程階段之因應對策(行政院公共工程委員會,2003) 地熱潛能

評級結果 因應對策

可能具地熱潛能 謹慎施工,並於施工前研擬因應對策及處理步驟。

具地熱潛能 (1)施工通風,可考慮採通風機+冷氣機之組合、採通風機+

灑水之組合。

(2)地熱爆材及雷管。

(3)高溫、高濕環境下之施工機具。

(4)襯砌材料受地熱影響之檢討。

(5)熱湧水之偵測及排除。

(6)隧道內溫度之冷卻設計。

(7)高溫之安全開挖。

(8)施工機械之穩定性。

(9)支撐構件或功能材料之穩定性。

(10)緊急事故之預防及措施。

(11)如地熱地盤伴隨瓦斯發生,其因應對策詳有害氣體地盤。

(12)於可能遭遇地熱地盤區域,工地考量成立防災應變組織。

具嚴重地熱潛能 成立專家小組,並評估及研擬採用上述具地熱問題之因應對 策。

(31)

表 3.7 施工中之因應對策(1/2)

因應對策(A) 因應對策(B) 觀察

項目

施工中

現象 簡單變更即可完成之對策 支撐幅度較大之變更對策方法

開 挖 面 地 盤 呈 不穩定

1.縮短開挖輪進之長度。

2.採環狀開挖保留土心方式。

3.使開挖面傾斜方式開挖。

4.開挖面施噴噴凝土穩定。

5.施作擋板或支撐鋼管等防 護。

1.以導坑工法縮小開挖斷面。

2.開挖面用穩定工法(如開挖面岩 栓等) 。

3.施作地質改良(灌漿工法)。

4.自地表面打設垂直岩釘或水泥 樁。

開 挖 面 岩 體 頂 拱 容 易 崩 塌 及 落石

1.開挖面輪進長度縮短及施作 噴凝土。

2.施作防護措施,如前進鋼 筋、短管幕、前進鋼矢板、

矢板(鋼或木)等。

3.縮短開挖輪進之長度。

4.分割開挖斷面。

1.增設鋼支保。

2.地質改良(灌漿)。

3.增設管冪工法。

開 挖 面 滲 水 及 湧 水 且 湧 水 量 增加

1.提早噴凝土硬化時間(增加 速凝劑)。

2.舖設鋼絲網。

3.排水處理。

a.集中湧水的場合:排水孔、集 水管等。

b.全面湧水的場合:排水片等。

1.採用排水工法:如排水探孔、排 水導坑、深井工法、點井工法。

2.地質改良(止水灌漿) 。

岩 盤 承 載 力 不 足、鋼支 保 的 沉 陷增大

1.開挖時不要損害到支撐岩盤 (少量裝藥) 。

2.支保腳部噴凝土加厚,支撐 面積加大。

3.支保腳底舖設鋼矢板或混凝 土塊。

1.增加打設岩栓數量或長度。

2.縮短平台長度、儘早斷面閉合。

3.以噴凝土舖設臨時仰拱。

4.施作地質改良(灌漿) 。 開挖

面及 開挖 面附 近岩

岩 盤 隆

施噴仰拱噴凝土。 1.仰拱打設岩釘。

2.縮短平台長度,提早斷面閉合。

噴 凝 土 隆 起 且 剝落

1.施予增加噴凝土或厚度。

2.加鋪鋼絲網(無鋼絲網的場 合) 。

3.排除湧水壓力(打設探孔 等) 。

施打或增長岩釘。

噴凝

噴 凝 土 應 力 增 加、龜裂 或 發 生 剪 斷 破

1.增加噴凝土。

2.加鋪鋼絲網(無鋼絲網的場 合) 。

3.噴凝土與噴凝土之間留伸縮 縫。

1.增長岩釘。

2.增加或採重型鋼支保(無鋼支保 的場合)。

3.變更為鋼纖維噴凝土(SPRC)。

(32)

表 3.7 施工中之因應對策(2/2)

因應對策(A) 因應對策(B) 觀察

項目

施工中

現象 簡單變更即可完成之對策 支撐幅度較大之變更對策方法

岩栓

岩 栓 軸 加,支承 板 變 形 或 岩 栓 斷裂

1.增加噴凝土。

2.增設岩釘。

1.打設較長的岩栓(比原來較長的 岩栓)。

2.使用承載力較大的岩栓。

3.依據不同的場合為增加岩栓的 變形能力,將壓縮體楔入岩盤和 地錨承板間。

鋼支

因 鋼 支 保 應 力 增大,產 生 變 形 挫屈

1.增加噴凝土。

2.採用重型鋼支保重新支撐。

1.打設較長或耐力較大的岩栓。

2.縮短支保間距。

3.組立重型鋼支保。

淨空 變位

淨 空 變 位 量 增 大 或 變 位 速 度 加快

1. 縮 短 開 炸 至 組 立 支 保 的 時 間。

2.開炸後施予首次噴凝土。

3.儘早打設岩栓。

4.縮短下半部及仰拱的輪進長 度。

5.噴凝土有裂縫的場合必須留 伸縮縫。

1.打設較長的岩栓。

2.縮短平台長度儘早斷面閉合。

3.依據不同的場合為增加岩釘的 變形能力、將壓縮體楔入岩盤和 地錨承板間。

4.變更為臨時仰拱工法

5.加固支保構造:如提高鋼支保尺 寸、增加噴凝土厚度、鋼支保加 工為 Wing-Rib 型(增加慣性 矩)。

地層 位移

地 層 變 大,鬆散 領 域 擴

1. 縮 短 開 炸 至 組 立 支 保 的 時 間。

2.開炸後施予首次噴凝土。

3.儘早打設岩栓時程。

1.打設較長的岩栓(比原來較長的 岩栓)。

2.縮短平台長度儘早斷面閉合。

3.變更為臨時仰拱工法。

4.背覆灌漿或改良岩盤(灌漿)。

地表 面及 地層 沉陷

地 表 沉 陷、地層 沉 陷 擴 大 或 沉 陷 速 度 增加

1.以長管幕等先施予岩盤。

2.縮短開炸至組立支保的時 程。

3.開炸彼施予首次噴凝土。

4.縮短輪進長度。

5.預留土心採環狀開挖。

1.縮短平台長度儘早斷面閉合。

2.變更為臨時仰拱工法或測壁導坑 工法。

3.岩盤改良(灌漿) 。 4.打設垂直地表面的地錨。

5.採用管冪工法。

6.設置隧道側壁(兩側或單側)的遮 段壁。

(33)

表 3.8 支撐構件所具功能及說明(行政院公共工程委員會,2003) 支撐構

件 功能 說明

噴凝土

1.支撐功能:噴凝土屬半剛性支撐,可順應隧道岩體變 形以紓緩岩壓,並形成薄殼以提供下列支撐功能。

(1)承受隧道周圍可能滑動岩楔之荷重。

(2)增加隧道周圍岩盤之約束作用,使接近於三軸 應力狀態,進而提高岩盤強度與勁度。

2.填補開挖後之凹凸岩面,避免局部應力集中,亦使鋼 支保等支撐構材得以緊貼開挖面。

3.封面功能:

(1)可使開挖面岩盤免於鬆弛、龜裂、風化與剝落。

(2)可防止地下水自岩盤弱面流(滲)出,將弱面 填料淘空。

在 支 撐 功 能方面,構造破 壞 為 主 之 隧 道,噴凝土一般 用 以 防 止 開 挖 面 岩 盤 剝 落 或 岩楔滑出;材料 破壞為主時,則 用 以 增 加 岩 盤 約束作用。

鋼支保

1.在噴凝土與岩栓完全發揮作用前,提供初期支撐。

2.提高噴凝土與岩栓所組支撐系統之強度、勁度與韌 性。

3.作為先撐工法所採支撐構件之支承點。

針 對 材 料 破 壞 為 主 之 隧 道而言,鋼支保 一 般 用 以 提 供 初期支撐,並提 高 支 撐 系 統 之 強度、勁度與韌 性。

岩 栓

1.將開炸後可能滑動之岩楔加以懸掛固定,避免岩楔剝 落或移動。

2.增加隧道周圍岩盤之約束作用,使接近於三軸應力狀 態,進而提高岩盤強度與勁度。

3.利用岩栓之強度與延展性以增加錨定範圍內之岩盤 韌性。

針 對 構 造 破 壞 為 主 之 隧 道而言,岩栓一 般 用 以 固 定 可 能 滑 動 之 岩 楔;至於材料破 壞 為 主 之 隧 道,則用以提高 岩 盤 強 度 與 勁 度。

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