第二章 文獻回顧
在過去數十年中,台灣於公共建設(如一般公路、高速公路、鐵 路地下化及截彎取直、高速鐵路、捷運)、抽蓄發電(輸水、防洪、
水力發電)等工程上,持續性進行了相當多的隧道工程建設。由於隧 道工程其施工場所主要在地底下,地質構造複雜且千變萬化,施工易 受周圍地質變化所影響,不確定的因素極多。因此,施工期間因地質 情況發生災變是無法避免;本章將蒐集國內外影響隧道災變之地盤、
案例等相關資料描述,並參酌國內隧道常見災變破壞類型定義說明及 防災體系之建制,加以歸納整理,提供後續隧道災變技術處理及修護 作業程序之依據。部份資料摘錄行政院公共工程委員會「台灣地區研 體分類系統暨隧道工程資料庫之建立」(2003)。
2.1 隧道工程之基本特性
隧道工程因受限於地上條件或位於地下深處,地盤資料取得不 易、且其結構物延展細長,所應調查之範圍甚廣,加以台灣地區地質 構造複雜、岩性變化急劇、土地利用等社會環境問題複雜,致使其在 施工前所能取得之地盤資料無論在質或量上都有其限度,不確定性及 變異性均較一般土木工程高。為防患因調查不足而發生計畫大幅變 更、工期展延或經費增加等問題於未然,應進行有計畫且效果良好之 調查以取得各階段所需地盤資料。
隧道工程於事前規劃、設計階段所能取得之地盤資料有限,故須 整體概略評估地盤而進行隧道設計。此外,隧道工程之力學機制較一 般土木工程複雜,在力學分析過程中常遭遇現地應力不易評估、岩體 之材料組成模式及相關力學參數複雜、岩體與隧道支撐系統間互制關 係以及水對岩體材料力學行為之影響不易確知等問題。鑑於上述,在
資料有限而問題複雜之情況下進行隧道設計時,其成果應符合一般之 工程實務認知。此外,隧道設計應保留適當彈性予現場執行單位,使 其得以依據開挖後之實際開挖面狀態、周圍地盤行為以及各支撐構件 之效果等,檢視既有設計內容之適用性,並進行必要之修正或變更設 計,此即隧道工程所謂之邊施工邊設計(On Going Design),為執行 隧道工程所不可或缺之基本理念。
2.1.1 隧道之基本調查
隧道基本調查應考量工程階段性需求、工程規模、特殊課題、調 查時程用調查資源與調查可及性等因素。調查計畫應預留適當彈性,
俾於現地執行遭遇不可抗拒之困難,或與初期調查成果不符時,得以 迅速調整應變。其隧道各階段調查時機、目的、內容及範圍詳表 2.1 所示。
2.1.2 地質調查
由於台灣地區地質條件之多變性以及隧道工程之複雜性,隧道工 程執行之決策人員與相關從業人員須瞭解現今地質調查技術,係以有 限數量之點狀或線狀、直接或間接實測資料為基礎,依據地質學相關 理論,對隧道全線地質條件作合理之延伸推估,其評估結果與實際狀 況之吻合程度,原即難以要求達到百分之百。隧道沿線實際地質狀 況,通常須俟隧道貫通時始能完全瞭解。但藉由合理適度之地質調 查,可將隧道全線之地質不確定因素大幅降低,減少設計過於保守與 施工中變更設計等問題;並可預先指出可能遭遇困難地質之隧道段,
減少施工時在無預警之狀況下發生災變之機率。因此,地質調查工作 為隧道工程選線、設計與施工等階段最重要之工作項目之一。其調查 流程如圖2.1 所示。
2.1.3 規劃選線階段
隧道規劃選線時,應就地形、地質、生態環境、水文與水理條件、
施工條件、對週邊環境之影響等進行調查分析,使規劃之隧道能符合 經濟效益並確保施工安全,避免因調查不確實而致大幅變更計畫、增 加工期及成本。並應依隧道所需功能及工程條件,考量隧道路線之平 面線形、縱坡坡度、洞口位置與施工佈置等因素,選擇適當之路線,
並研擬各種方案以作為後續工程作業之依據。其取得之主要訊息流程 如圖 2.2 所示。為達到隧道安全、經濟及營運順暢之目的,隧道路 線之選擇必須慎重考慮諸多因素,分述如下:
(一)隧道路線應避開崩塌地、落石、土石流及洪水沖刷等潛在不穩定 地區。
(二)隧道路線之選擇應考慮其對鄰近構造物、管線分布及生態環境之 影響。
(三)隧道洞口之研選應考慮用地取得、建物拆遷與保護等之難易度,
以及是否有足夠範圍之施工場地等因素,儘量避免影響工期及增 加施工成本。
(四)隧道路線應依公路、鐵路與水資源隧道等不同使用目的,規劃適 當之平面線形及縱坡坡度。
(五)長隧道若設有豎井或施工橫坑時,應適當佈置以達縮短工期之目 標,或滿足通風與逃生防災之需求。而水資源隧道則尚需將取出 水口、水力機械設備或其他附屬水工設施之佈置納入考量。
(六)隧道機電及其他一般附屬設備應能適當佈置,並應適切考慮施工 期間所須之設備運輸、供電、供水、排水以及隧道開挖支撐構件 之製造及堆置場所。
(七)隧道路線應配合施工計畫考慮適當之棄碴場。
(八)隧道沿線應確保有適宜之覆蓋厚度。
2.1.4 設計階段
隧道係屬細長之地下結構物,對於長達數公里且位於崇山峻嶺 內之隧道,以現有之地質調查技術,仍難於施工前確實掌握沿線所有 地質條件,常會有一定幅度之變動,故隧道設計一般包括施工前設計 與施工中之設計調整兩階段,設計流程如圖 2.3 所示,概述如下。
(一)施工前設計:係依據工程條件,掌握隧道沿線地質條件與環境條 件,選定合適之設計方法,針對下列項目進行隧道設計;必要時 得設計輔助工法以增加隧道穩定性。
(1)開挖工法與開挖順序(2)開挖斷面(3)隧道支撐(4)變形寬容 量(5)襯砌(6)仰拱(7)洞口段及交叉段(8)排水及防水設施(9)計 測計畫。
(二)施工中之設計調整:由於地質條件具有一定之變異性,因此於隧 道施工時,需依據施工中地質調查、現地觀察或計測所得結果,
檢討既有設計內容之適用性,並進行必要之調整或變更設計,俾 確保隧道之安全性與經濟性。
2.1.5 施工階段
隧道之施工依其地盤條件是屬土質或岩質而異,其開挖方法及使 用機具亦因隧道大小、形狀、長度、坡度、地盤、工期及成本等而有 不同之考量。施工前應詳細的調查及規劃,施工中依現場之狀況,進 行補充調查及觀測,並採適當之工法及機具施工。一般應包括開挖 (炸)、出碴、支撐及通風等項目。其開挖方法及使用機具大致可分為 以下幾種:
(一)開挖方法:(1)鑽炸施工法(如圖2.4 所示)(2)一般機械開挖法(如 圖2.5 所示) (3)懸臂式掘削機開挖法及隧道鑽掘機開挖法(如圖
2.6 所示)。
(二)開挖機具:(1) 鑽堡、裝藥設備、發爆器(2) 挖溝機、大型破碎 機(3) 懸臂式掘削機、全斷面隧道鑽掘機。
施工前應考量工程之規模、工期、地質條件及現場狀況等,擬定 安全且經濟之施工計畫,於施工中更應對岩體之應力、變形等進行系 統的計測,並將結果與原設計比較,若相異時則視現場狀況,補強支 撐系統或適當修正原設計,以符合經濟原則。一般而言施工廠商應依 照設計圖所示之步驟和程序開挖,但若實際地質狀況需要時,得按相 關規定彈性調整,以符合彈性施工原則。對於一些地質特別惡劣之區 段,施工廠商應提出能減少岩體弱化鬆動、超挖和影響初期支撐之各 種開挖方法與步驟,以符合設計及施工要求。
2.2 影響隧道災變之地盤及定義說明
隧道開挖常因地質變異性造成災變,其包括地質構造引致諸如摺 皺、擠壓、剪裂帶及斷層破碎帶及相關不利因素如地熱等;因此就影 響隧道災變之地盤及國內常見災變定義說明。
2.2.1 影響隧道災變之地盤
(一)擠壓性地盤:擠壓一詞最早由Terzaghi 於 1946 年建議的岩盤荷 重法中所提出,為一種隧道開挖過程中與時間有關的大變形現 象,代表隧道承受極大岩盤載重之狀況。擠壓現象與岩石潛變行 為有關,尤其是岩石承受剪應力超過某極限值所引致之潛變。
(二)湧水性地盤:隧道工程常因地盤弱面遭遇高壓且多量之地下湧水 而發生災變。
(三)岩爆(rockbursting)性地盤:岩爆為在高現地應力下進行地下 開挖時,所產生隧道周圍脆性岩體如爆炸一般之劇烈破壞現象,
脆碎之岩石碎片於破壞瞬間脫落爆裂向開挖面射出,釋出之能量 加諸於四周岩體,伴隨產生地鳴及震波向周圍岩盤傳遞之現象。
(四)膨脹性地盤:隧道膨脹現象為一種岩體產生物理與化學反應的交 互作用,岩體吸水過程體積增加,應力即時或隨後逐漸釋放。
(五)有害氣體地盤:長期存在地底下之各種有機物質,由於承受地殼 變動產生之高溫及高壓作用而發生化學變化,部份進而演變成為 石油、煤、各種可燃性及非可燃性有害氣體,蘊藏於地殼內而成 為有害氣體地盤。
(六)地熱地盤:地熱或稱地熱能,係指地層中蘊藏之熱能,一般以天 然蒸汽、熱水或熱岩(Hot Rock)之型態存在。
(七)斷層破碎帶:斷層也是屬於岩盤中一種破裂性的變形結果。斷層 為地層中之碎弱地帶,係由地層承受過大的應力,發生斷裂並產 生位移而形成,有時為一清晰明顯的斷裂破碎面,可稱為斷層面
(Fault Plane),一般區分為正斷層、逆斷層、橫移段層三類。
通常都成為一個斷層帶(Fault Zone),具有相當的寬度,或稱 斷層破碎帶。
2.2.2 國內隧道常見災變定義
(一)抽心:隧道於開挖後大地應力重新分配, 使失去自持力之破碎 岩層、土壤墜落,為局部性之災害規模不大。
(二)落盤:岩盤因上方節理之膠結不佳,使整塊岩盤墜落。
(三)偏壓:隧道因地形或現地主應力影響,造成現地主應力方向與隧 道中心線成斜交,隧道開挖後會產生偏壓現象。
(四)塌陷:隧道地質為土壤、沖積層、堆積層或剪裂帶時極易發生,
大部分之塌陷土石均伴隨著地下水湧入工作面,可將已開挖完成 之隧道全面掩埋,有時會發生開天窗之情況,亦即災害範圍延伸
至地表。
(五)崩塌(Landslide):在重力作用下,斜坡上的土石向下之塊體運 動(mass movement),或稱斜坡運動(slope movement)。崩塌類型 可分為落石(fall)、翻覆(topple)、滑動(slide)、側滑(spread)、
流動(flow)等五基本類型,這五種運動一般統稱為崩塌。土木工 程學者稱之為『坍方』,地質學家與地形學家稱之『山崩』或『崩 山』,水土保持學者則稱之『崩塌』。上述分類說明如下:
(1)落石:落石為體積不一之岩塊或土石以自由落體伴隨滾動、
彈跳的方式向下掉落,多發生於陡峭邊坡或懸崖附近。
(2)翻覆:邊坡岩體因重力長期作用,或因地質構造應力解除,
岩塊發生向透空坡面之轉動或轉動滑移。
(3)滑動:為沿一個或多個面作用的剪切應力所造成破裂,導致 形成的泥土或岩體之斜坡運動。最常見有兩種,一種稱為平 面式滑動,如順向坡滑動;另一種為圓弧式滑動。
(4)側滑:側滑為因硬土層下夾一軟弱土層,肇因於底部軟弱層 之破壞或液化,形成上覆層斷裂塊狀,並漸次逐一沿軟弱層 滑動面朝透空坡面滑移運動,此現象較常發生於較緩之邊坡。
(5)流動:為由砂、礫石、泥等物質與水形成混合物,於重力作 用下產生流動,其速度可以從每秒數公分至每秒數百公尺,
如泥流、土石流等。
(六)仰拱隆起:於粘土礦物含量高之岩層,加上排水不良時極易發生。
(七)水櫃(water tank):屬於一種滯留水(percheb water),長期在高壓 情況下, 儲存於地層孔洞中之水,開挖破孔後沖入工作面,惟 當孔洞中之水排出後,即可繼續施工,災變程度視水量多寡及周 邊受損情形而定。
(八)湧水(water inflow):為大自然的水循環浸透到地表以下成為隧 道湧水,在沙土互層之間或斷層破碎帶等弱面形成水的良好通 路,在隧道開挖過程中遇道高壓地下水層,若地下湧水之滲流力 超過破碎或軟弱岩盤中細料所能承受之抗蝕力,可能將細顆粒的 材料帶走,形成淘蝕或管湧現象。
(九)擠壓(Squeezing):為隧道開挖後周圍岩體產生大量的變形,
造成隧道支稱系統變行及損害的現象。
有關“擠壓”國際岩石力學學會(International Society of Rock Mechanics; ISRM)曾於 1992 年成立「岩石擠壓委員會」(Commission on Squeezing Rocks),致力於此一課題之研究,並對「擠壓」重新定 義及說明如下(Barla,1995):
(1)擠 壓 現 象 為 一 種 隧 道 開 挖 過 程 中 , 與 時 間 有 關 (time dependent)的 大 變 形 現 象 。
(2)擠 壓 現 象 與 岩 石 之 潛 變 行 為 有 某 種 程 度 的 關 連 性,尤 其 是 岩 石 承 受 剪 應 力 超 過 某 極 限 值 所 引 致 之 潛 變 。 (3)擠 壓 現 象 有 可 能 於 施 工 過 程 中 即 終 止,也 有 可 能 延 續
一 段 很 長 的 時 間 。
(4)在 隧 道 周 圍 區 域 的 材 料,只 要 其 承 受 的 應 力 與 材 料 性 質 達 到 一 特 定 組 合,即 會 產 生 擠 壓;擠 壓 在 岩 石 和 土 壤 中 都 有 可 能 發 生 。
(5)隧 道 發 生 擠 壓 現 象 時,周 圍 岩 體 的 變 形 量、變 形 速 率 及 降 伏 區 的 大 小 等,與 地 質 條 件、現 地 應 力 之 大 小 、 地 下 水 流 狀 況、孔 隙 水 壓 力 以 及 岩 體 力 學 特 性 等 因 素 相 關 。
(6)擠 壓 現 象 可 發 生 於 完 整 岩 石 、以 及 沿 層 面 、葉 理 、 節
理 、 斷 層 或 不 連 續 面 中 之 夾 泥 發 生 。
(7)擠 壓 的 發 生 與 隧 道 開 挖 及 支 撐 的 技 術 與 次 序 有 密 切 關 係。如 果 支 撐 系 統 的 架 設 略 有 延 誤,岩 體 會 朝 隧 道 內 移 動,而 應 力 也 會 重 新 分 布;相 反 的,如 果 岩 體 的 變 形 被 支 撐 系 統 束 制 , 則 擠 壓 會 增 加 支 撐 的 長 期 荷 重 。
2.3 隧道災變發生原因及破壞類型
隧道工程災變原因頗多,例如地質構造、水文環境、地形、天候 條件、設計理念、施工方式、開挖工法、施工經驗與施工管理等,其 中又以地質構造影響為最大,因此針對隧道沿線地盤變化及水文環境 了解程度越高,施工中所發生之災變的機率越小。
而常見災變種類:工作面抽心落盤、擠壓變形、湧水等類型;在 遭遇天然或既有人工坑道、高壓地下水流、有害氣體、地熱及溫泉等 狀況時,常引起隧道災變發生。
2.3.1 隧道災變發生原因
依據曾大仁(1998)各類工程災變發生的原因,依其特性可分為 下列四項因素:
(一)地質因素:岩盤強度突變、不連續面的不利組合、膨脹性岩盤、
異常之大地應力、未預知的地下煤層或坑道或高壓地上水層等因 素。
(二)天候因素:降雨過量或突發的地震造成邊坡滑動,波及隧道的安 全。
(三)設計因素:地質資料不足、支撐設計能量或長度不足、斷面選擇 不當等因素。
(四)施工因素:支撐保護施作太慢、開炸控制不當、岩栓作業不確實、
噴凝土強度厚度不足、一次降挖長度過大等因素。
Hoek 及 Brown(1980)指出,隧道施工過程中發生開挖面不穩定甚 至全面性災變的可能原因,包括以下幾項:
(一)在硬質岩盤中遭遇極端不利之不連續面(如層面、節理及剪裂帶 等)組合。
(二)覆蓋深度大,開挖斷面遭受巨大的岩壓(大地應力)。
(三)隧道在陡坡山區施工,遭遇異常應力組合;如靠近邊坡面的偏壓。
(四)遭遇極易風化、破碎、擠壓性或膨脹性岩盤。
(五)遭遇岩層中異常之高壓水層。
近年來岩石力學理論尤其是針對數值分析模擬快速發展,針對於 解析隧道開挖過程中的行為有相當大的助益,但是對於特殊狀況或複 雜地質條件,其預測能力與精度仍有限制。
Eisenstein 等人(1991),應用收斂圍束法於設計隧道時,在相同 開挖條件近似之隧道條件下,比較兩深徑比不同。較深隧道之現地量 測值和分析結果符合,故在深隧道採用收斂圍束法會得到較佳的結 果。
Kitagawa 等人(1991)經由現地量測分析結果得知,於隧道開挖 之前期位移量約佔上半台階其收斂位移量之 40%,約為最終變形量之 17 %。其最終位移量,可由收斂圍束法假設隧道現地應力為靜水壓力 預估而求得。
Gill 等人(1994)利用收斂圍束法,將地盤反應曲線和支撐反力 曲線間之互制關係,預測礦區開挖方式之均勻和非均勻陣列岩柱之軸 向應力,近而達到採礦工程上經濟和安全之考量。
陳志南等人(2001)以三維數值模擬側導坑先進工法,先挖之側
導坑產生之頂拱沉陷量不到15%,85%以上之沉陷皆由隨後之主坑開 挖所產生。對於台階工法而言,90%以上之頂拱沉陷在上半台階開挖 就已產生,所以就頂拱變形進行安全管理評估,應針對不同之工法,
依監測所得變位採取不同之處理對策。
陳堯中等人(1995)考慮隧道為上下半斷面開挖時,在地質條件 為 RMR=30-50 下,隧道大部分的頂拱變形量已於上半斷面開挖後產生
(約佔總變位量之 80~95%),且其前期變形量百分比會受延遲支撐影 響。由分析結果顯示,延遲支撐 2m,所得到的頂拱前期變形量百分 比約 40~50%左右,而延遲支撐 4m,其頂拱前期變形量百分比約 70~80%
左右。
李煜舲、蔡逸智(2001)說明 Lee(1994)及 Hock(1999)之隧道 縱部面變形曲線趨勢相當接近,該縱剖面變形曲線能涵蓋未開挖部分 之變形曲線。而Panet(1995)之方程式則僅能描述開挖面以後之開 挖區變形曲線,但與數值模擬(有限元素法)之隧道縱剖面變形曲線分 析結果甚為相近。
林銘益(2003),應用收斂圍束法於台灣鐵路單軌隧道計測點回歸 分析上,經計測點資料計算分析得知,台灣東部北迴線變質岩區,岩 體開挖彈性係數,及開挖後收斂值與隧道高有其依存性。
2.3.2 隧道災變破壞類型
隧道因地盤所造成破壞類型區分為擠壓破壞、膨脹破壞、岩爆破 壞、湧水破壞、有害氣體影響、地熱影響、斷層破碎帶破壞等因素,
其破壞類型分類彙整分述如下說明:
(一)擠壓破壞
隧道周圍岩石,不論是完整岩石,或是層面、葉理、節理、斷 層或不連續面中之夾泥,當其承受的應力狀態與力學特性達到一特定
組合時,即可能發生擠壓現象。擠壓現象可能於施工過程中即終止,
也可能延續一段很長的時間。台灣有遭遇擠壓地盤之隧道工程(如南 迴鐵路中央隧道、大鳥隧道,北二高中和隧道、木柵隧道,北宜高速 公路雪山隧道、北迴鐵路新永春隧道、新觀音隧道)案例可供參考。
(二)膨脹破壞
會產生遇水膨脹反應之物質包括斷層泥中所含之膨脹性黏土、泥 岩、凝灰岩、蛇紋岩與黃鐵礦等膨脹性岩類或礦物。斷層泥係夾於斷 層帶中,甚至構成斷層帶之主體;泥岩主要分布於西南部地區、花東 地區和恆春半島地區;凝灰岩主要產地為公館層凝灰岩、大屯火山群 凝灰岩、桃園角板山地區和東部地區;蛇紋岩多出露於台東及花蓮縣 境內;黃鐵礦之分布則以東部地區為主。台灣目前尚無明確之膨脹案 例可供研究。
(三)岩爆破壞
岩爆有可能造成重大人員傷亡及機具損失,致影響隧道施工之安 全與工期。隧道開挖產生岩爆有三項重要條件:隧道周圍岩盤在高現 地應力下達破壞條件、岩體破壞後勁度大於周圍未破壞岩體勁度之不 穩定平衡條件、釋放之能量足夠產生隧道開挖面附近岩體劇烈破壞之 條件。岩爆與現地應力及岩石單壓強度有關,其中現地垂直應力與岩 石單壓強度之比值為最主要影響因子。南迴鐵路原規劃之金崙線(穿 過標高 3,000 公尺之南大武山)因考量岩爆則改為較南邊覆蓋層較薄 之枋山線。台灣目前尚無明確之岩爆案例可供研究。
(四)湧水破壞
火成岩(熔岩等)由於成岩裂隙水而成為湧水地盤,可溶性岩石
(石灰岩,白雲岩,石膏等)之溶洞和溶蝕裂隙有潛水(非受壓水)
或受壓水,此等可溶岩層含有豐富的岩溶水。斷層帶、褶皺軸部與節
理發達等處亦具備成為湧水地盤條件。台灣有頗多遭遇湧水地盤之隧 道工程。如國內【龍澗電廠尾水隧道(最大出水量 1,350 公升/秒),
南迴鐵路中央隧道(最大出水量 310 公升/秒)、大鳥隧道,北二高 木柵隧道,北宜高速公路雪山隧道(最大出水量 180 公升/秒,持續 出水量 120 公升/秒)、北迴鐵路新永春隧道(最大出水量 1,130 公 升/秒,持續出水量 830 公升/秒)】案例可供參考。
(五)有害氣體影響
依照國內目前安全衛生相關法規之規定,有害氣體包括「可燃性 氣體」、「非可燃性氣體」、「有毒性氣體」及「缺氧氣體」,含有 上述氣體之地盤統稱為「有害氣體地盤」,其大多存在於沉積岩層內。
隧道內之有害氣體大多為無色、無味,某些具爆炸性,少數會引起中 毒或缺氧現象,若於隧道施工開挖時湧入隧道內,對隧道內工作人員 之安全與衛生危害甚大。在既有案例中,卓蘭電廠頭水隧道曾發生氣 爆災害造成人員傷亡,南二高中寮隧道曾發生瓦斯滲出現象。
(六)地熱影響
基本上地熱源可分為三大類:第一類為地下深處尚未冷卻之火山 岩漿庫或岩漿侵入體;此類熱源位於地下約 5 至 10 公里處,大都為 局部性,少部份亦可能為區域性,視侵入岩漿之大小而定;此類熱源 所造成之地溫梯度約正常者之 2 倍以上。第二類熱源為隆起之地函或 年輕之變質作用地帶,此乃板塊運動之結果,異常範圍可能極大;其 地溫梯度可能為正常者之 1.5 至 2 倍。第三類為因深覆蓋造成地溫梯 度之高溫,此類地熱視岩性而有少許變化。台灣地熱潛能較高之地 盤,主要分布於大屯山區、清水區、廬山區及東部地區。南迴鐵路多 良隧道即遇此狀況,所幸溫度不高未釀成災變。
(七)斷層破碎帶破壞
斷層破碎帶通常含有許多破裂面、角礫或斷層泥,一個斷層破碎 帶可能寬達幾百公尺。斷層破碎帶常發生的隧道災變包括擠壓、湧 水、膨脹乃至於有害氣體,是台灣隧道工程中最常遭遇的地質問題。
(如國內南迴鐵路中央隧道、大鳥隧道,北二高木柵隧道、福德隧道,
鐵路局三義一號隧道,北宜高速公路雪山隧道,北迴鐵路新觀音隧 道、新永春隧道)案例可供參考。
2.4 隧道災變處理方法及案例說明
隧道災變發生除地質條件特殊外,支撐構件不足或支撐時程不當 易產生破壞。依據 Kaiser 等人(1996)將一般隧道開挖所採用的支撐 構件,其功能區分為錨固(hold)、加勁(reinforce)以及懸掛(retain)三 種,並依據支撐勁度及變形特性又區分為剛性(stiff)、柔性(soft)、強 (strong)、弱(weak)、脆性(brittle)以及展性(ductile)等六項(如表 2.2 所示)。
2.4.1 擠壓處理方法及案例說明
於具擠壓性地盤之開挖,為因應隧道之依時變形特性,隧道支撐 工法可以概分為主動式工法(active approach )及被動式工法(passive approach)兩種方式(Barla,1995、2001)。
(一)主動式工法:係注重以主動方式加強岩盤承受岩壓之能力,主要 為抑制(大量)變形之發生。如重型鋼支保、系統性之岩盤補強(如 高密度之長岩栓)、岩體品質改善(如固結灌漿)、以及厚度極厚 之混凝土襯砌等支撐方式。
(二)被動式工法:系容許變形產生,不預先施加太大束縛,因此隧道 開挖之設計必需容許較大之變形量空間。如擴挖、噴凝土預留槽
溝、可申展式岩栓、U 型(或 V 型)鋼支保、二次噴凝土。
如 1988 年南迴鐵路-大鳥隧道(南迴鐵路工程輯要,1992)位於 台東縣大武鄉與加津林之間,全長 3,652 公尺,覆蓋曾厚 8~160 公尺 之大鳥隧道工程曾因地質斷層破碎嚴重,而發生隧道內異常變形,鋼 支保接頭斷裂、側壁支保位移、噴凝土龜裂、岩栓承鈑裂穿等破壞型 式,其處理方法採擴大開挖面積增加容許變形量,改用重型鋼支保,
並架設橫向加固鋼支撐,局部增設臨時仰拱,並儘速閉合仰拱等措 施,以防止隧道再度坍塌。
2.4.2 膨脹處理方法及案例說明
(一)主動式工法:化學灌漿,弧形斷面、岩栓錨定。
(二)被動式工法:擴挖、噴凝土預留槽溝、可申展式岩栓、U 型(或 V 型)鋼支保、二次噴凝土、支撐穩定法。
如日本上信越自動車道-日暮山隧道(日本社團法人土木學 會,1994):日暮山隧道全長 2,223 公尺,膨脹性地盤(泥岩)區間 長度 380 公尺,最大覆蓋為 100 公尺,隧道斷面為馬蹄形,內空淨寬 10.2 公尺。採用台階式開挖工法,部分區段並採圓形導坑先進方式 開挖,並視情況施噴噴凝土、增設岩栓及每公尺架設一對重型鋼支 保,部分區段之噴凝土改用鋼纖維噴凝土補強,膨脹變形嚴重者,另 改採鋼纖維混凝土襯砌或地盤改良灌漿處理。
2.4.3 岩爆處理方法及案例說明
(一)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。
(二)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。
(三)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。
如日本關越公路隧道第Ⅰ期工程(日本社團法人土木學會,
1994)日本關越公路隧道(Kan-EstuTunnel)第Ⅰ期(下行線)建於 1977
〜1985 年間,全長 10,926 公尺,斷面積 84 平方公尺,隧道通過砂 岩、頁岩、礫岩、變質安山岩、玄武岩、流紋岩、凝灰岩、石英閃綠 岩及角頁岩為多種岩層為主之複雜地質。第Ⅰ期工程岩爆產生情形:
施工期間於隧道覆蓋 750〜1050 公尺區段發生岩爆,主要發生於隧道 前進面(噴出之石塊多呈扁平狀,扁平率約為 0.3〜0.4,最大尺寸 為 4m×2m×0.15m),岩爆發生區段則於側壁使用鋼支保(H200)及矢 板(鋼板牆)並用,前進面則打設 3 公尺長之岩栓 22 支,並將輪進長 度由 3 公尺縮短為 1.2 公尺;對於人員之安全考量,則於前進面設置 防護網(採棉線製成之網,避免產生靜電),以保護鑽炸作業施工人 員,同時亦考量裝藥人員近距離接觸前進面之高度危險性,乃保留鑽 孔完成後約 30〜60 分鐘之等待時間(應力釋放之考量),方才進行 裝藥作業。
2.4.4 湧水處理方法及案例說明
(一)排(抽)水工法: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。
(二)止水工法: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、熱瀝青灌漿工法。
(三)混用工法:二種工法以上混合並用。
如北迴鐵路-新永春隧道(傅子仁等人,2003)位於蘇澳鎮西南南 方約 5〜10 公里處,隧道長度 4,433 公尺(原設計 4,460 公尺)。主 要穿越盧山層、大南澳片岩與沖積層等地層。隧道北段主要為盧山 層,由千枚狀板岩與長石質砂岩互層、長石質砂岩夾變質礫岩與板岩 等岩性組成;中段與南段主要為大南澳片岩,以石英雲母片岩、綠泥 石片岩與變質燧石互層、大理岩與角閃岩等岩性為主;南北兩端洞口 附近的沖積層,係由各河川流域出露岩性的沖積物堆積而成,組成甚 是多樣。1978 年 10 月 12 日娜拉颱風帶來豪雨,使原本乾沽的東澳 北溪水深驟增十餘公尺,導致距南口約 250m 已完成的襯砌破裂內擠 達 1m 餘,並有多處裂縫及湧水,最大湧水達 150m3/min。先安裝排水 導管,並於隧道上游側施作排水隧道,以減低水壓,採用熱瀝清灌漿 工法為阻水策略,並輔以化學灌漿、微形樁、管冪工法(Pipe-roofing)、
錐體灌漿等工法。
2.4.5 有害氣體影響處理方法及案例說明
其處理方法有鑽孔導出、通風稀釋、抑制有害氣體滲出或噴出(化 學灌漿、水泥灌漿、壓氣工法)等。
如台灣電力公司卓蘭電廠頭水隧道(內政部營建署,2002;蔡英 久等人,2002),為鯉魚潭水庫第二期工程,長 5,525 公尺,頭水隧 道工程近雪山山脈西側邊緣之山區,沿線地形以司令山為界。隧道沿 線出露地層為本省西部麓山帶第三紀中新世及上新世之沉積岩,工程 佈置沿線地層,自東向西,由老而新依序為南港層、南莊層及桂竹林 層,岩性以厚層砂岩、粉砂岩及砂頁岩互層為主。當隧道開挖至 0k + 911.5 ~ 1k + 072.5 間,復於開挖面起拱線兩側施鑽 18m 長之前進 探查孔,以期掌握開挖面前方可燃氣體狀況。其中 Sta.1k+072.5 之 前進探查孔出氣量甚大,致使開挖面附近可燃氣體濃度達 5% 以上,
隨即撤離工作人員,暫停開挖。惟一星期後,隧道內發生氣爆,造成 二名入內檢查之施工人員不幸喪生。另下游段之 TBM(開放型 Open Type,自 B 橫洞進入頭水隧道施工)於鑽挖至 Sta.1k+902.6 附近時亦 遭遇可燃氣體(發現仰拱有氣泡冒出),共分三階段進行,第一階段 先行清除隧道內聚積之可燃氣體及積水,第二階段為建立洞口至開挖 面間之通風、抽水及電力等系統,第三階段則採加強通風並配合止氣 灌漿之方式恢復前進開挖。
2.4.6 地熱破壞處理方法及案例說明
其處理方法有預留排水管、藥劑灌漿工法、提高隧道高程降低岩 溫、增設工作橫坑、追加通風豎井及斜坑、自然通風、強制排氣、撒 水冷卻、冷凍機等。
如日本安房隧道位於日本長野縣及岐阜縣之山區,穿越安房嶺連 接北陸與關東口地區,隧道其地質概況東區(中湯側)主要是由各種 古生代之砂岩、粘板岩及互層所組成;西區(平湯側)則為火山噴出 物堆積層,如凝灰角礫岩、角閃岩及安山岩等為主;路線通過多處規 模不一之斷層破碎帶。中湯側主要面對高熱岩溫之挑戰,因此其試驗 導坑之斷面設計以容納大斷面通風管為主要考量,並預留溫泉排水管 以疏導湧出之高溫泉水。平湯側試驗坑之主要目的在突破含有大量地 下水之低速帶,其斷面規劃特別設置了 800mmφRCP 管作為中央排水 之用。兩側試驗隧道完成之後,成功地降低了湧水量及岩溫,主坑得 以順利施工,並利用聯絡坑道打通主坑與試驗坑,改善通風並增加工 作通道。由於坑外平均氣溫約 22℃,且河川冷卻用水充足(夏季水 溫約 9℃),故對於高溫地熱區之施工對策,乃採通風及灑水方式冷 卻坑內溫度。高溫地區之開炸必須採用特殊之耐高溫炸藥及雷管,開 炸後之高溫土碴必須立刻灑水冷卻,以防止散熱及塵土發揚使坑內環
境惡化。對於熱水的處理,則考量如以冷水將高溫湧水稀釋至容許溫 度,所需的冷水量為湧水的 3-4 倍,且熱氣散至坑內會增加通風量的 須求,故採密閉排水管將熱水排出坑外,以避免熱水與空氣接觸。為 防止熱水突然湧出,事先以前進探查孔確認前方地層中熱水貯存的狀 況,確定有熱水存在,則以排水鑽孔導水或以階段式藥劑灌漿工法止 水。
2.5 隧道災變修護作業程序之相關研究
上述就影響隧道災變定義、類型、成因、工法等說明及定義,而 隨著隧道長度的增長,施工技術困難度越來越高,且隧道施工空間受 地下的限制等因素,所以隧道施工災變所造成的經費及工期損失極 大,因此本文將蒐集隧道災變案例如擠壓變形案例、岩爆、膨脹、有 害氣體、雪山隧道(TBM)停機、南迴鐵路隧道沿線隧道群災變、其它 隧道災變處理過程等相關研究分述如下:
(一)隧道工程擠壓變形案例
蒐集歐洲、美洲、非洲及亞洲等地區隧道擠壓變形工程如 Simplon、Gotther d Base 等國外隧道計 14 座及國內南迴中央隧道 7 座共計 21 座(如表 2.3 所示)。其中發生擠壓變形災變岩體岩性大多 包含沉積岩、變質岩及火成岩等,該隧道開挖方式以鑽炸工法、局部 機械開挖與全斷面隧道鑽掘機(TBM)開挖等施工方法。處理災變技 術原則以隧道輔助工法為主,並以包含重型鋼支保、伸展式岩栓、回 填灌漿、化學灌漿、噴凝土、先撐鋼管等施工處理技術(王泰典,
2003)。
(二)隧道工程岩爆案例
蒐集歐洲及亞洲等地區隧道岩爆工程如挪威Sildvic、中國二郎
山、日本新清水等國外隧道計 22 座,國內上無此案例(如表 2.4 所 示)。其中發生岩爆災變岩體岩性大多包含花崗岩、石英砂岩及泥灰 土等。處理災變技術原則以隧道輔助工法為主,並以包含重型鋼支 保、岩栓、、鋼纖維噴凝土等施工處理技術(行政院公共工程委員會,
2003)。
(三)隧道工程膨脹案例
蒐集隧道膨脹工程如瑞士 Belchen、日本抓爪等國外隧道計 16 座,國內上無此案例(詳如表 2.5 所示)。其中發生岩爆災變岩體岩性 大多包含泥灰土、頁岩及斷層等。處理災變技術原則以隧道輔助工法 為主,並以包含岩栓、鋼支保、噴凝土等施工處理技術(行政院公共 工程委員會,2003)。
(四)隧道工程有害氣體案例
蒐集隧道擠壓變形工程如日本安房、義大利亞平寧等國外隧道計 5 座及國內卓蘭電廠頭水隧道 2 座共計 7 座(如表 2.6 所示)。其中發 生有害氣體災變岩體岩性大多包砂岩、粉砂岩互層及頁岩等。該隧道 開挖方式以鑽炸工法、潛盾工法與全斷面隧道鑽掘機(TBM)開挖等 施工方法。處理災變技術原則以隧道加強通風為主及採止氣工法。(內 政部營建署,2002)
(五)雪山隧道(TBM)停機案例
經蒐集雪山隧道(導坑)停機為 18 次,停機天數計:1,634 天(如 表 2.7 所示)。主坑東行線停機為 5 次,停機天數計:316 天(如表 2.8 所示)。主坑西行線停機為 10 次(如表 2.9 所示),停機天數計:961 天。北宜高速公路之雪山隧道(TBM)停機合計:33 次,「抽心或落盤」
出現 14 次,「湧水」出現 8 次,「擠壓」出現 5 次,其它如「機械檢 修」出現 6 次。其中以西行線第十次湧水災變最為嚴重,停機受困計:
746 天。處理災變技術原則以隧道輔助工法為主,並以包含大口徑排 水、補強岩體灌漿(包括錐體灌漿、超微粒水泥灌漿、L.W 灌漿、皂 土水泥(C.B)灌漿、PUIF 化學灌漿)等施工處理技術(資料來源:中興 顧問公司)。
(六)南迴鐵路隧道沿線隧道群災變案例
經蒐集中央、安朔、大武、大鳥、金崙等長大隧道災變案例處理 過程中,隧道災變或異常行為計:70 次(如表 2.10 所示)。其施工災 變或異常行為大多以抽心或落盤、湧水及擠壓為主,又以湧水合併抽 心或落盤及擠壓為主要因素。災變技術原則以隧道輔助工法為主,並 以包含岩栓、鋼支保、噴凝土、先進支撐(如鋼管、管冪)、補強岩 體灌漿(包括超微粒水泥灌漿、L.W 灌漿、化學灌漿)等施工處理技術
(本研究整理,資料來源:南迴輯要,1992)。 (七)其它隧道災變處理案例
經蒐集其它國內外隧道災變或異常行為施工處理對策如日本-
青函隧道等 3 座、中國-大瑤山隧道、北二高隧道群-福德隧道等 5 座、公路局-八卦山隧道、北迴鐵路隧道群-永春隧道等 4 座、東線 鐵路-自強隧道、台電引水隧道-鯉魚潭水庫士林頭水隧道等 4 座重 大災變處理情形計18 座(如表 2.11 所示)。災變破壞型式以湧水為主 要成因,其中發生災變岩體岩性大多包含斷層、砂岩及頁岩互層等。
處理災變技術原則以隧道輔助工法為主,並以包含岩栓、鋼支保、噴 凝土、地質改良等施工處理技術(本研究整理)。
上述隧道工程施工工程災變的資料得知,隧道工程常工程地質、
天候及人為等因素隧道災變,又因台灣位屬板塊運動擠壓地區,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,其造成隧道災變規模均不亞於國外隧道災變(見
附錄一所示)。
目前針對隧道工程開挖方式尚有如側壁底導坑施工作業程序(如 圖 2.7 所示)、底導坑施工作業程序(如圖 2.8 所示)及上半環狀開挖 施工作業程序(如圖 2.9 所示)等施工作業程序。而隧道工程災變修護 過程國內並無一套完整之作業程序及流程。本文除針對國內外隧道災 變之技術處理過程加以歸納探討外,因此並參酌各項防救災體系等防 救災流程及行政程序辦理事項,以供本研究技術處理及修護作業程序 建立之基礎。
防災國家型科技計畫辦公室國家地震工程研究中心(2001),說 明防颱、防震等災害防救災體係之模擬,並針對預防、應變、復建及 減災等因應措施,建立系統化防救災資訊管理體係及訂定相關主管業 務之權責。
台北市政府勞工局勞動檢查處(2003),針對隧道施工安全作業程 序,說明隧道施工過程各階段之安全作業程序、注意事項及自動檢查 表與相關圖說,以降低隧道工程施工中之職業災害。
交通部鐵路改建工程局(2003),模擬隧道內發生災變與行車安 全事故等相關應變措施,與救災作業相關程序及通報流程等作業程 序,
陳榮林(2002),模擬說明北宜高速公路雪山隧道發生火災及其它 事故等相關緊急災難時,營運管理當局搶救之應變方式,及各有關單 位有效掌握災害發生之權責、行政作業流程等應變救災標準程序。
蘇光偉(2004),模擬說明東西向快速公路漢寶草屯線八卦山隧道 內發生火災及其它事故等相關緊急災難時,營運管理當局搶救之應變 方式,及各有關單位有效掌握災害發生之權責、行政作業流程等應變 救災標準程序。
表 2.1 隧道各階段調查一覽表(行政院公共工程委員會,2003)
實施階段 調查時機 調查目的 調查內容 調查範圍
選線規劃 階段
從 路 線 之 檢 討 比 較 開 始,至初步決 定 隧 道 路 線 為止。
提供為選出一適合地 形、地質與其他環境 條件之路線所必須的 必要條件資料;提供 編擬次階段調查計畫 之依據。
地表、地質調查(調查 精 度 10,000~25,000 之一)、環境調查及其 他與隧道計畫有關之 概略調查。
依隧道計畫之需求,
涵蓋比較路線在內,
以隧道兩側各約十公 里之範圍。
初 步 設 計 階段
隧 道 路 線 初 步 決 定 後 至 開工為止。
提供設計、施工計畫 與編列預算等所需之 基本資料。
詳 細 地 質 調 查 ( 調 查 精度 2,000~10,000 之 一 ) 及 試 驗 、 環 境 調 查、水文地質調查及 其他與工程施工有關 之地質調查。
隧道沿線兩側各 500 公尺之範圍及與隧道 工程有關之地點及其 週邊。如洞口、施工 橫坑、棄碴區及其他 相關設施或結構物地 點。
細 部 設 計 與 施 工 階 段
細 部 設 計 施 工期間
提供可能在施工中發 生 問 題 之 預 測 及 確 認、設計變更及施工 管理所需之資料。
隧道沿線岩體分類、
地 表 變 化 監 測 與 分 析、環境調查、水文 地質調查、隧道內變 形及應力等監測與分 析。
隧道開挖面以及可能 受隧道施工影響之地 表範圍。
表2.2 依據功能及變形特性區分之隧道支撐構件表(Kaiser et al.,1996)
支撐特性 錨固(hold) 加勁(reinforce) 懸掛/維持(retain) 剛性(stiff) 灌漿式支撐鋼棒 灌漿式支撐鋼棒 噴凝土 柔性(soft) 鋼線網,岩栓
(long mesh, bolt) - 鋼線網/鏈式網 強(strong) 桿式岩栓
(cable bolt) 桿式岩栓 桿式岩栓 弱(weak) 張裂式岩栓
(Split set bolt)
細筋 (thin rebar)
#9 鋼線網 (#9 gauge mesh) 脆性(brittle) 灌漿式支撐鋼棒 灌漿式支撐鋼棒 無筋噴凝土
(plain shotcrete) 展性(ductile) 膨脹式岩栓 錐式岩栓/可伸展性岩栓
(Cone bolt /yielding bolts)
鏈式網(非焊接)
(chain-link mesh)
表2.3 國內外擠壓性地盤隧道施工處理對策概要 (1/3)(王泰典,2003) 隧道 擠壓段 岩性 擠壓段覆
蓋厚度(m) 施工異常狀況 主要處理對策 備註
Simplo n
片麻岩、大 理岩、變質 礫岩、石灰 片岩與白雲 岩
1000~
2000
遭遇嚴重擠壓,片岩系 岩層發生挫屈破壞。擠 壓段同時有46〜56 ℃ 之溫泉,湧水量約300 l/sec ; 大 量 湧 水 達 1200 l/sec
增設仰拱, 擴挖並採用重型支 撐,襯砌厚度達1.67m 1906~
1912 因 第 一 次 世 界 大 戰停工
Moffat
斷層帶,岩 性包括片岩
、片麻岩、
蝕變片岩、
花崗岩與石 英長岩等,
斷層帶夾泥
300~
350
縱木梁支撐後2~3 天 即遭壓毀,隧道斷面變 更為近圓形,架設八邊 形縱木梁,惟僅能穩定 隧道2~3 週
採台階開挖,上半開挖後30m 內閉合仰拱, 配合重型鋼支保 支撐,鋼支保用量每公尺隧道 達5.7 噸
Tauern 蛇紋岩與千枚岩 830~
860
平 均 淨 空 變 形 量 20~110mm ,最大擠壓 變形量達277mm
噴凝土設隧道縱向槽溝(slot)區 隔,預留變形空間,配合可伸 縮式鋼支保(yielding steel arch) 支撐
Arlberg 雲母片岩與 長石質片麻 岩
30~ 595
平 均 淨 空 變 形 量 238~572mm ,最大擠 壓變形量達690mm
噴凝土設隧道縱向槽溝區隔,
預留變形空間,配合可伸縮式 鋼支保支撐
Furka
Base 花崗岩與帶
狀片麻岩 1350~
1520
嚴重擠壓, 岩層挫屈 大量變形,導致支保挫 屈、噴凝土與岩壁分離
高度擠壓路段改採斷面積36m2 之橢圓形斷面,嚴重擠壓路段改 採斷面積42.4m2 之正圓斷面,
配合高密度岩栓及地盤改良通 過,隨後為提高施工進度, 儘 速完成支撐,隧道改為雙軌鐵路 隧道,配合重型鋼支保支撐
原 設 計 斷 面 為 馬 蹄 形 單 軌 鐵 路 隧 道
, 斷 面 積25.7m2
Stillwat er
剪裂帶,岩 性包括砂岩
、粉砂岩與 頁岩等
700
嚴 重 擠 壓 , 雙 盾 式 TBM( 盾 身 長 7.3m) 受 夾卡死
改 以Blade Shield 及 短 盾 式 TBM 開挖,盾身縮短為4.6 及 3.3m ,並儘速支撐
Frejus 鈣質片岩 30~
1800
開挖後大量變形垂直 片理面發生,最大變形 量約500mm
錨固岩栓配合高張力鏈結鋼線 網, 岩栓長4.65m ,鑽設密度 最高達1.2支/m2 ,增設0.3m 厚 二次混凝土襯砌
Sidi Mezghi
che
剪裂帶,岩
性為硬頁岩 30~
65
開挖後岩體剝落,並壓 毀支撐,隧道底版隆起
, 最 大 擠 壓 變 形 達 250mm
隧道開挖後立即閉合仰,拱採 用重型鋼支保,配合0.4m 厚噴 凝土及0.65m 厚鋼筋混凝土內 襯砌
-
Enasan I, II
斷層帶,由 破碎角頁岩 與灰色黏土 層組成
320~
460
嚴 重 擠 壓 、 岩 壓 達 800kPa以上,頂拱下陷 量最高達950mm, 水 平 淨 空 變 形 最 高 達 1130mm
側壁導坑開挖,0.25m 厚鋼纖 維噴凝土預留六條槽溝,每條 可容許250mm 變形,全灌漿式 及自鑽式岩栓,最長13.5m,每 公 尺 隧 道 岩 栓 最 高 鑽 設 達 1020m
岩 心 單 壓 強 度 對 於 現 地 應 力 比 約 0.1~0.3
Ruhr 沉積岩 1500
嚴重擠壓, 持續變形
, 開挖後4~6 月淨空 收斂變形達350mm
增設預鑄混凝土內襯砌,並預 留槽溝,槽溝內加裝可調式千 斤頂
千 斤 頂 八 年 內 最 大 變 形 約 17cm
Inntal 斷層帶 -
嚴重擠壓, 三向度變 形監測顯示,淨空應變 值(隧道周圍之平均) 最大達9%以上,且變 形不對稱
噴凝土設隧道縱向槽溝區隔,
預留變形空間,配合可伸縮式 鋼支保、可伸展式岩栓支撐
Galgen
berg 斷層帶 -
嚴重擠壓潛能 噴凝土設隧道縱向槽溝區隔,
預留變形空間,並採變形吸納 元件(yielding steel element) 連 結,配合可伸縮式鋼支保、改 良式高強度可伸展式岩栓支撐
表2.3 國內外擠壓性地盤隧道施工處理對策概要(2/3) (王泰典,2003) 隧道 擠壓段 岩性 擠壓段覆
蓋厚度(m) 施工異常狀況 主要處理對策 備註
Gotthar
d Base 片岩 約800
高度擠壓潛能,隧道施 工需預作處理,施工進 度緩慢,約每天1.0m
超挖0.3~0.7m 預留變形空間,
採用高強度、高勁度支撐,每 公 尺 隧 道 岩 栓 用 量 最 高 達 288m, 鋼支保用量達9.4 噸,
噴凝土厚度達0.55m ,二次襯 砌最厚達1.20m
開 挖 前 依 據 詳 細 地 質 調 查 結 果 擬 定 之 施 工 對策
Vereina
斷層帶,岩 性為片狀片 麻岩、雲母 片岩與蛇紋 岩
280~
500
嚴重擠壓持續變形,開 挖 前 進10~20m 後 收 斂變形即達350mm , 新年停工期間支撐遭 壓碎破壞
台階開挖, 並超挖0.3m 預留 變形空間,改用U 型可調式支 保, 配合噴凝土及短岩栓等,
採樹脂灌漿改良地盤
中央
斷層剪裂帶
,岩性包括 硬頁岩及其 岩屑、變質 砂岩
215~
580
大量湧水、抽坍、嚴重 擠壓,導致支保扭曲變 形,甚至壓毀
排水迂迴導坑,增加岩栓密度
,重型支撐配合前進支撐,回 填灌漿及PUIF 灌漿
大鳥 斷層破碎帶
,岩性以硬 頁岩為主
45~ 110
變形異常, 陸續發生 鋼支保接頭斷裂、側壁 支保位移、噴凝土龜裂
、岩栓承鈑裂穿等破壞
, 水 平 淨 空 變 形 達 935mm以上,淨空嚴重 不足
擴大開挖面積,改用重型鋼支 保, 架設橫向鋼支撐,增設臨 時仰拱,並儘速閉合仰拱,防 止隧道坍塌,隨後修挖並重設 支撐
中和 主要為砂岩及凝灰岩 100~
120
變形持續發生,陸續導 致噴凝土龜裂。隨後北 上線變形趨緩,修挖過 程發生局部坍落,惡化 南下線原擠壓段, 並 引致坍塌,坍塌前頂拱 下陷量達1010mm
修復方案包括:噴凝土封面、
門型H 型鋼緊急支撐、加設岩 栓等,修復過程並於北上線隧 道周圍進行固結灌漿
木柵
斷層帶,岩 性包括厚層 砂岩、粉砂 岩、頁岩及 砂頁岩互層
100~
140
進入斷層帶後變形大 增,經加厚支保腳噴凝 土及岩栓補強後變形 趨緩,卻持續發生,以 致鋼支保挫屈,噴凝土 龜裂,上半斷面開挖後 4 個月,頂拱下陷量達 400mm; 隨後降挖洞 台及仰拱並加以閉合,
變形趨於穩定,惟上半 斷面恢復向前開挖後 仍持續變形,且累計達 1200mm 以上
先補強已開挖區段,俟隧道穩 定後,再進行斷面修挖作業。
補強措施包括增設710 支可復 拉式50~60 噸預力鋼鍵地錨,
長度15 至24m,另由仰拱向下 施打4 排系統岩栓。斷面修挖 除對預力鋼鍵地錨進行復拉外
,重設H-150 鋼支保及分三次 配合三層鋼線網施作0.5m 厚 噴凝土等
雪山
斷層帶,岩 性包括硬頁 岩及石英砂
岩
250
導坑以TBM 開挖,因 大量湧水致破碎地盤 抽坍,受困兩次隨後西 行線隧道採鑽炸法開 挖,上半通過後頂拱下 陷量約300mm東行線 隧道依導坑及西行線 施工經驗修正開挖支 撐 , 頂 拱 下 陷 量 約 200mm
導坑採迂迴導坑,排水迂迴導 坑, 並進行固結、回填及PUIF 灌漿等處理措施西行線上半及 洞台皆採台階開挖, 支撐包括 重型鋼支保,0.3m 厚噴凝土,
6m 長岩栓,並採固結灌漿,
縱向連結已架設之鋼肋以及設 置臨時仰拱噴凝土等東行線上 半改採鑽炸, 洞台仍以TBM 通過,支撐包括剛性更高之鋼 支保,0.45m 厚噴凝土,6m 長 岩栓,固結灌漿
表2.3 國內外擠壓性地盤隧道施工處理對策概要(3/3) (王泰典,2003) 隧道 擠壓段 岩性 擠壓段覆
蓋厚度(m) 施工異常狀況 主要處理對策 備註
新永春
斷層帶,岩 性包括板岩
、綠色片岩
、雲母片岩
、石英雲母 片岩與大理
岩等
230~
540
斷層帶岩石遇水迅速 弱化,以手指用力即可 壓入,並有明顯消散 (slaking) 現象。隧道變 形持續發生,頂拱下陷 量達60mm,水平收斂 變形量達240mm 、仰 拱降起270mm 以上,
圍 岩 徑 向 應 變 超 過 3.6% ,陸續導致噴凝 土龜裂、鋼支保挫屈等
,局部發生坍塌破壞
隧道開挖支撐設計依據新奧工 法理念,斷層帶開挖前採支撐 鋼管先撐保護,配合重型支撐 系統,包括0.2m 厚噴凝土、兩 層鋼線網,重型鋼支保與高密 度岩栓等。大量變形區段改採 用鋼矢鈑與鋼軌進行先撐保護
,進行固結灌漿改良地盤、增 設岩栓與二次噴凝土等
新觀音 雲母片岩、
石英片岩與 變質石灰岩
120~
300
開挖支撐後變形持續 發生,水平收斂變形量 於第一橫坑(開挖寬度 7m)達160mm 以上,
於 主 隧 道( 開 挖 寬 度 10.2m) 達 420mm 以 上
,圍岩徑向應變超過 4.1% ,陸續導致噴凝 土龜裂、鋼支保挫屈、
岩栓斷裂、承鈑凹陷、
裂穿或陷入噴凝土等
,局部發生坍塌破壞擠 壓現象於第一橫坑與 主隧道交叉段附近尤 其嚴重,支撐破壞範圍 連續長達40m 以上
分兩階段進行固結灌漿,閉合 仰拱,重設損毀之支撐,增設 岩栓,部份於支保腳下方向外 偏斜45°打設,施作二次噴凝土
。已開挖支撐部份之鋼支保採C 型鋼焊接加固, 後續開挖部份 則施作0.6m 高之基腳混凝土 加固混凝土內襯砌厚度自0.3m 加厚至0.45m ,交叉段改採鋼 筋混凝土襯砌。淨空不足區段 採先撐後挖原則,逐輪拆除支 撐、修挖,並立刻依據既有的 支撐予以重設
表2.4 岩爆案例及處理對策一覽表(1/3)(行政院公共工程委員會,2003)
隧道名稱 隧道基本資料 岩爆之發生狀況與位置 岩爆對策
挪 威
-Sildvic 水 力 發 電 廠 房 通 道,1979-
施工方法: 鑽炸法 支撐: 鋼纖噴凝土、岩 栓
嚴重剝裂 現場以岩栓加鋼支保、噴凝土加岩 栓及鋼纖維噴凝土加岩栓三種不同 型式支撐測試比較,結果顯示鋼纖 維噴凝土加岩栓之支撐效果最佳,
而未加鋼纖維之噴凝土則有裂縫及 掉落情形
挪 威
-Fodnes
隧 道
1992-1994
隧道長度: 6600m 地 質 : 輝 長 岩 、 閃 長 岩、
施工方法: 挪威工法 支撐: 鋼纖噴凝土、岩 栓
最大覆蓋約 1100m 面向峽灣之側壁嚴重剝 裂
與 Tafjord 隧道有相同的情形,鋼 纖維噴凝土僅施噴於起拱線以上,
面向峽灣之側壁嚴重剝裂。數月後 先於側壁施打兩排間距 1-1.5m 之 岩栓,仍不足以制止剝裂破壞,再 施噴鋼纖維噴凝土。於兩年施工期 間鋼纖維噴凝土仍有破懷情況,但 岩栓已發揮錨定效果
挪威 Laerdal
隧 道
1995-2001
隧道長度: 24500m 地質: 前寒武紀片麻岩 開挖斷面積: 75m2 施工方法: 挪威工法 支撐: 鋼纖噴凝土全斷 面 施 噴 ( 包 括 仰 拱 部 份)、岩栓、支承鈑
未支撐處嚴重剝裂 採用鋼纖維噴凝土全段面施噴(包 括仰拱)並加打岩栓及支承鈑,剝 裂問題已獲得明顯改善,側壁不需 要在進行維修作業
挪威 Heggura
隧 道
1980-1982
隧道長度: 5280m 地 質 : 前 寒 武 紀 片 麻 岩、角閃岩,
開挖斷面積:38.6 m2 施工方法: 鑽炸法 支撐: 預力岩栓、鋼纖 噴凝土
襯砌厚度:10cm
最大覆蓋約 700m 面向峽灣之起拱線附近 嚴重剝裂
岩爆破壞區內改用 2.4-3m 點式錨 定之預力岩栓與厚度 10cm 的鋼纖 維噴凝土,施工期間施打 15500 支 岩栓,完工後數年內又補打 5200 支 岩栓
挪威 Kobbskare
隧 道
1984-1986
隧道長度:4452m 地質: 前寒武紀粗粒花 崗岩
施工方法: 鑽炸法 支撐: 全斷面施噴鋼纖 噴 凝 土 ( 含 側 壁 及 仰 拱)、岩栓、支承鈑
最大覆蓋約 600m
頂拱及仰拱剝離、挫曲 岩爆破壞區內改用 2.4-3.2m 中空 套管式之膨脹岩栓並以灌漿保護
(永久型)與鋼纖維噴凝土。另值 得一提的是原隧道北端不易產生破 壞區,但通車一年後竟又發生剝裂 破壞,推測可能因高切向應力造成 之潛變破壞
中國 秦嶺二號
隧 道
1995-2000
隧道長度:18500m 地質: 花崗岩 開挖斷面積:60.8 m2 施工方法: 鑽炸法 支撐: 岩栓、噴凝土
最大覆蓋約 1600m
右拱部 灑水
岩爆區施打應力釋放孔
中國 二郎山 隧道
隧道長度:4172m 地 質 : 砂 岩 、 砂 質 泥 岩、石英砂岩、泥岩軟 質 層 內 的 泥 灰 岩 、 砂 岩、粉砂岩夾層,
開挖斷面積:45 m2 施工方法: 新奧工法 支撐: 全斷面施工、勻 滑爆破、鋼纖噴凝土、
鋼線網、岩栓:
覆蓋深 270~570m 西段:側壁、拱肩 東段:側壁、頂拱
本隧道採全斷面施工及勻滑爆破,
以減少圍岩應力平衡狀態的破壞,
降低岩爆頻率。開挖後,即進行第 一階鋼纖維噴凝土初噴及封面,後 再行出渣;第二次開挖後,就第一 階斷面進行岩栓、掛鋼絲網及第二 次噴凝土等支撐施作,及本階噴凝 土初噴及封面作業;第三次開挖 後,就第二階斷面進行支撐施作,
後再分別就第三階段進行三噴、二 噴及初噴作業,噴層厚度均為 5cm,
而每階輪進長度為 2m,依次循環作 業。岩栓一般長度為 2m,間距為 0.5x0.5m,採梅花形分佈。鋼絲網 採整體環狀形式,目的在於不會因 局部崩塌而掉落,與鋼纖維施工形 成組合作用。
表2.4 岩爆案例及處理對策一覽表(2/3)(行政院公共工程委員會,2003)
隧道名稱 隧道基本資料 岩爆之發生狀況與位置 岩爆對策 日本
清水
(上越線)
隧道長度:9702m 地質: 花崗岩、石英閃 綠岩、花崗閃綠岩、角 頁岩
開挖斷面積: 舊有線單 線 30 m2
施工方法: 底設導坑先 進、上半逆櫬砌工法(矢 板工法)
支撐: 松圓木、松板 襯砌厚度: 混凝土塊鋪 砌 30cm
覆蓋約 1000m 以上
底設導坑側壁 待命時間
日本 新清水
(上越線)
隧道長度:13490m 地質: 花崗岩、石英閃 綠岩、花崗閃綠岩、角 頁岩
開挖斷面積: 舊有線單 線 35.4 m2
施工方法:全斷面開挖 工法(矢板工法) 支 撐 : 鋼 支 撐 (H 150)、岩栓
襯砌厚度: 30cm
覆蓋約 500m 以上
側壁 利用 10kg 鋼軌與矢板以及鋼支撐
( 150,125)與矢板,防護頂端及 側壁
待命時間
日本 大清水 (上越新幹 線)
隧道長度: 22221m 地質: 花崗岩、花崗閃 綠岩
開挖斷面積: 新幹線雙 線 85.4 m2
施工方法:全斷面開挖 工法(矢板法)
支 撐 : 鋼 支 撐 (H 200)、岩栓
襯砌厚度: 50cm
覆蓋約 500m 以上 開挖工作面頂端〜側壁 開挖工作面後方約 20m 之頂端〜側壁
岩栓 落石防止網 鋼纖維補強噴凝土 待命時間
Belchen 鐵 路隧道 1964-1970
,瑞士
泥灰土、頁岩、安山岩、
硬石膏
【50~300】
修挖、增設仰拱、並進行
長期的監測。 現地膨脹應力最高達 0.3Mpa
Engelberg Base 公 路 隧 道,德國
- 增設厚度達 2.6m 之仰拱
Tauberblo ch 8 號隧道,
瑞士
頁岩
【100~250】 增設仰拱並增加仰拱載
重約 60kPa 隧 道 完 工 後 10 年 內 回 脹 量 20-110mm
Mont Terri 隧 道,
瑞士
泥灰土、粘土質 頁岩
【200~400】
- 因地下水入滲而弱化仰拱岩體,弱 化深約 1m,膨脹應力約 0.3-0.7Mpa
Chamoise 隧道,法國 頁岩
【400】 - 膨脹應力最高達 2.5Mpa
Hauenstei n Summit 隧
道 ,1853-1 858,瑞士
粘土質頁岩
【100~250】 增設仰拱 興建後至 1950 年間,部份區段每年 膨脹量達 10mm
Hauenstei n Base 鐵路隧道 1912-1916 瑞士
粘土質頁岩、石膏質頁 岩、泥灰土、石灰岩
【500】
增設仰拱並數度重修。 襯砌應力約 0.2-0.3Mpa
表2.4 岩爆案例及處理對策一覽表(3/3)(行政院公共工程委員會,2003)
隧道名稱 隧道基本資料 岩爆之發生狀況與位置 岩爆對策 Karawanke
n 隧道 1987~1991
, 奧地利、斯 洛伐尼亞
粘土質
片岩 採取噴凝土留槽,上半斷
面留 4 條槽,槽寬 30 公 分,並採用特殊可伸展式 岩栓,此岩栓可忍受栓桿 及面版相對變形 20 公 分。
每天水平變形曾達 15~20 公分,總 變形量達 120 公分,隧道變形量達 15%寬度時,噴凝土會破裂及掉落
Seelisber g 隧道、
瑞士
頁岩
【200~1000】 採 2 對 60 噸 12.0m 岩錨配 合預鑄版抑制膨脹 新榎隧
道,日本 含多量蒙脫土之泥岩與
砂岩、凝灰質砂岩【200】泥岩段變形過大停止開挖 進 行 上 半 補 強 岩 栓
(l=6m),變形量減小;重 新開挖後變形接近原有規 模,再進行補強岩栓(l=4m)
無效(上半肩部鼓出),改以 修挖斷面為圓形並設置仰 拱岩栓,變位速率降為 3~5mm/day 但變形仍未收 斂。混凝土襯砌為 80cm 厚 (推測本案例係以襯砌作為 抵抗膨脹壓之最後手段,註 1)
泥岩段水平變位速率 10mm/day,施工期 間變位量並超過容許變形量管理值(容 許變形量 200mm×60%)
註 1:由於本案例未說明施工時變形未 收斂之處理,且經查其他相關文獻亦未 提及本案廢棄或改道,因此本文乃做合 理推斷
鍋立山隧
道,日本 泥岩
【320】 因膨脹壓力,將馬蹄形斷面 改為蛋形斷面且為提早斷 面閉合,採短台階式工法。
另採先進支撐(長 3m 之異 形鋼筋 SD30φ25,上半 120 度,@45cm)、上半 臨時仰拱(20cm)及側壁補 強岩栓(每側 4 支,長 4m)。
上半臨時仰拱因為能隨開挖工作面進 行,而造成後方仰拱鼓脹,因此另採用 長 3m 岩栓 5 支打設於仰拱。
惠那山隧 道Ⅱ,日 本
斷層 遭遇斷層,變形嚴重,由原
短台階工法改採 1. 擴大 支撐底部支承面積並增設2 支 9m 長岩栓於擴大處 2 仰 拱修整為圓形並設置 H150 之支撐 3 設置噴凝土 槽溝及先進支撐
部分區段採用鋼纖維混凝土襯砌,
另增設 13.5m 之岩栓於原設計之系 統岩栓
表2.5 隧道膨脹案例及處理對策表(1/2)(行政院公共工程委員會,2003)
隧道 主要岩性及
【覆蓋厚度(m)】 主要處理方式 說明
Belchen 鐵路隧道
1964-1970,瑞士 泥灰土、頁岩、
安山岩、硬石膏
【50~300】
修挖、增設仰拱、並進行
長期的監測。 現地膨脹應力最高達 0.3MPa Engelberg Base
公路隧道,德國 - 增設厚度達 2.6m 之仰拱 Tauberbloch
8 號隧道,瑞士 頁岩
【100~250】 增設仰拱並增加仰拱載
重約 60kPa 隧 道 完 工 後 10 年 內 回 脹 量 20-110mm
Mont Terri 隧道,
瑞士 泥灰土、粘土質
頁岩
【200~400】
- 因地下水入滲而弱化仰拱岩體,弱 化深約 1m,膨脹應力約 0.3-0.7MPa Chamoise
隧道,法國 頁岩
【400】 - 膨脹應力最高達 2.5MPa Hauenstein
Summit 隧 道 ,1853-1858, 瑞 士
粘土質頁岩
【100~250】 增設仰拱 興建後至 1950 年間,部份區段每年 膨脹量達 10mm
Hauenstein Base 鐵路隧道
1912-1916 瑞士
粘土質頁岩、石 膏質頁岩、泥灰 土、石灰岩
【500】
增設仰拱並數度重修。 襯砌應力約 0.2-0.3MPa
Karawanken 隧道 1987~1991,
奧地利、斯洛伐尼 亞
粘土質
片岩 採取噴凝土留槽,上半斷 面留 4 條槽,槽寬 30 公 分,並採用特殊可伸展式 岩栓,此岩栓可忍受栓桿 及面版相對變形 20 公 分。
每天水平變形曾達 15~20 公分,總 變形量達 120 公分,隧道變形量達 15%寬度時,噴凝土會破裂及掉落
Seelisberg 隧 道、
瑞士
頁岩
【200~1000】 採 2 對 60 噸 12.0m 岩錨配 合預鑄版抑制膨脹 新榎隧道,日本 含多量蒙脫土
之泥岩與砂 岩、凝灰質砂岩
【200】
泥岩段變形過大停止開挖 進 行 上 半 補 強 岩 栓
(l=6m),變形量減小;重 新開挖後變形接近原有規 模,再進行補強岩栓(l=4m)
無效(上半肩部鼓出),改以 修挖斷面為圓形並設置仰 拱岩栓,變位速率降為 3~5mm/day 但變形仍未收 斂。混凝土襯砌為 80cm 厚 (推測本案例係以襯砌作為 抵抗膨脹壓之最後手段,註 1)
泥岩段水平變位速率 10mm/day,施工 期間變位量並超過容許變形量管理值
(容許變形量 200mm×60%)
註 1:由於本案例未說明施工時變形未 收斂之處理,且經查其他相關文獻亦未 提及本案廢棄或改道,因此本文乃做合 理推斷
鍋立山隧道,日本 泥岩
【320】 因膨脹壓力,將馬蹄形斷面 改為蛋形斷面且為提早斷 面閉合,採短台階式工法。
另採先進支撐(長 3m 之異 形鋼筋 SD30φ25,上半 120 度,@45cm)、上半 臨時仰拱(20cm)及側壁補 強岩栓(每側 4 支,長 4m)。
上半臨時仰拱因為能隨開挖工作面進 行,而造成後方仰拱鼓脹,因此另採用 長 3m 岩栓 5 支打設於仰拱。
惠那山隧道Ⅱ,日
本 斷層 遭遇斷層,變形嚴重,由原
短台階工法改採 1. 擴大 支撐底部支承面積並增設2 支 9m 長岩栓於擴大處 2 仰 拱修整為圓形並設置 H150 之支撐 3 設置噴凝土 槽溝及先進支撐
部分區段採用鋼纖維混凝土襯砌,
另增設 13.5m 之岩栓於原設計之系 統岩栓
表2.5 隧道膨脹案例及處理對策表(2/2)(行政院公共工程委員會,2003)
隧道 主要岩性及
【覆蓋厚度(m)】 主要處理方式 說明
青函隧道,日本 斷層
【130】 遭遇斷層,膨脹壓嚴重,由 原側壁導坑先進工法改 採起拱側壁導坑先進短台 階工法,鋼支保採鋼管
(內徑 φ267.4mm,兩半 圓鋼管以螺栓接合)並於 管中置入螺旋箍筋後灌 注砂漿。起拱側壁導坑先 進短台階工法概要:在上 半斷面支撐左右基部先 行 開 挖 圓 形 小 斷 面 導 坑,完成後以混凝土填 充,以該混凝土為上半開 挖之基礎。
其功能為可為事前之地質調查,增 加上半支撐之支承力,改善台階式 開挖工法缺點,將下半開挖工作面 附近之上半支撐載重,藉由被混凝 土充填之小導坑在隧道方向之梁效 應,將集中載重分散。
駒止隧道,日本 綠色凝灰岩
【300】 原設計採矢板工法,遇膨脹 地盤改採新奧隧道短台階 工法,極為嚴重區段為抑 制變位,以 9m 長岩栓補 強(每一斷面 8 支),並 採可伸縮式支保及預留 溝縫,
可伸縮式支保及預留溝縫,雖減少 噴凝土之剝落,但卻造成可伸縮式 支保與噴凝土無法形成一體,而有 分離之趨勢(0.8~1.2m/輪)
抓爪隧道,日本 泥質凝灰岩 原設計採矢板工法之底導 坑或側壁導坑先進工法,遇 膨脹地盤改採新奧隧道工 法,並以台階式工法預留上 半土心及 5cm 厚之封面噴 凝土、9m 長岩栓補強,
惟仍無法抑制變位,改採 圓形導坑先進工法。
A.圓形導坑先進工法功效:1 對於 前進面之擠出有效,2 無須留下土 心,上半岩栓施工無礙,3 利用導 坑確認排水功效與地質 B 二次襯砌 為剛纖維混凝土
嵐山隧道,日本 蛇紋岩 正常區段採短台階工法,膨 脹段為抑制仰拱基礎下 陷,打設 2〜4 支 6m 長岩 栓及前進面岩栓與 25cm 厚之封面噴凝土。
極為嚴重區段,下半設置仰拱支撐
(H200 支保及噴凝土),完成後立 即澆置鋼筋混凝土仰拱