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第二章 文獻回顧

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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

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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。

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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。

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(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

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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,

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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

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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。

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(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

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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。

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(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

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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

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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

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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。

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(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

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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

(16)

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。

(17)

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,

(18)

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

(19)

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

(20)

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:

(21)

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

(22)

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。

(23)

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。

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)

(24)

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

(25)

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

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

(26)

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

(27)

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。

(28)

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

(29)

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

(30)

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

(31)

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

參考文獻

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