考察報告

參加2001ITA年會及考察歐洲

隧道工程紀實

 

 

地工部

組  長

何泰源

地工部

經  理

陳福勝

捷 運 部

計畫經理

建華

 

 

  要

本文係參加2001年世界隧道會議及考察歐洲隧道工程之心得報告,本文敘述會議研討主題摘要,並詳述隧道工程技術之發展歷程,同時介紹 Lotschberg 隧道(南口)Gotthard Base隧道工程。

一、前  言

本次考察行程係由中華民國隧道協會邀集國內各工程機構組團,參加2001年世界隧道會議(ITA 2001 World Tunnel Congress)及考察歐洲目前正施工中之公路、鐵路(含高鐵)等隧道工程,團員共二十三名,由本工程司、台電、東部鐵路改善工程局、公路局、國工局、中區水資局、榮工公司、中興顧問、聯合大地、台大土木系、介興營造、弘浚公司、培頓公司、利德公司及隧道協會等十五個單位組成。

2001年世界隧道會議係由義大利及瑞士兩會員國共同在義大利米蘭會議中心(Centro Congressi Milano Fiori)舉辦,會中除例行之會員國會議外,並有三天之隧道技術性論文發表及最新隧道工程資料展覽,會後並舉辦義大利、瑞士隧道施工觀摩活動,本考察團選擇參加大會舉辦之瑞士Lotschberg隧道工地參觀。參加ITA活動之前後,考察團並安排參訪義大利、瑞士及德國多處隧道工地及工程單位。此次考察收穫良多,茲參酌國工局蔡茂生組長所彙整之資料,撰寫心得報告以供本司同仁參考。

二、ITA年會研討主題摘要

2001ITA年會由會員國義大利及瑞士兩國之隧道協會合辦,於義大利米蘭之Milanofiori Congress Centre舉行(照片一),大會程序如1所示。年會各場次技術論文發表會共有五場次及一次專題討論,各場次之主題摘要如下:

()第一次發表會之主題:隧道歷史與考據

1. 地質知識運用於Eupalinos隧道設計

2. 古代隧道之規劃及配置

3.古埃及之隧道工程

4.古羅馬帝國時代之Napoli地區隧道工程

5.隧道工程之地盤反應控制-迄1960年代之發展里程碑

本主題彙整歐洲地區古老隧道資料,可了解先民在隧道施工技術及地質調查、記錄等均已有相當之水準,再由展示之穿越阿爾畢斯山之GotthardLotschberg等隧道早期(100多年前)之地質剖面圖,對古人進行地質調查工作之詳細、繪圖之精細等專業素養不禁肅然起敬。尤其感受到古代隧道開挖、支撐所使用之方法、材料、程序等與現代技術相較,可發覺其中主要原理、原則乃是一脈相傳的。

瑞士技術學院之K. Kovari 提出「隧道工程之地盤反應控制-迄1960年代之發展里程碑」一文,詳述自1844年以來隧道施工採用鋼支保、岩栓、噴凝土等支撐構件以穩定地盤之技術發展經過。其中,特別提出之一項異議為,NATM之概念為「隧道支撐襯砌厚度應薄且利用仰拱形成閉合體」,如Muller Fecker 1978年提出之NATM10項原則「細長之臨時及永久襯砌 (Temporary and final lining slim)(參照圖一),相較於早期之襯砌較今日厚重得多圖一(a)。但事實上早在1836 Brunnel Great Western Railway 設計之著名的Box Tunnel 即採用薄襯砌及仰拱圖一(b)

Kovari 以一系列之隧道支撐構件之運用及地盤反應控制等相關技術之發展歷程強調NATM是被過度喧染的,其實質內容不過是歷來隧道施工前輩已成功運用之岩栓、噴凝土、鋼支保等組成之系統支撐而已。此項論點著實是對該工法之技術本身與背後之商業利益提出相當嚴苛之質疑,可謂發人深省之論述。

()第二次發表會之主題:隧道施工之工業化

1. 隧道工程技術之最新發展

2. 義大利Bologna隧道計畫:大口徑土壓平衡式TBM之設計準則

3. 義大利隧道施工之工業化

4. 硬岩盤之TBM開鑿率

5. 自由斷面開挖機之隧道開挖自動化

6. 硬岩高速隧道開挖

7. 最新Atlas Copco﹙自動化﹚鑽堡在西部鐵路及地鐵隧道之施工

8. GV MEDITERRANEE隧道全斷面開挖工法

9. 高效率鑽炸工法

本主題單元所發表之論文以隧道施工機械製造廠商之論著為主,德國之TBM製造廠 Herrenknecht 公司由老闆 M. Herrenknecht 親自出馬,以「隧道工程技術之最新發展」為題,發表該公司近十年來在硬岩TBM及軟土潛盾機、推管機等之發展業績,尤其大肆宣傳加泥土壓平衡式潛盾工法在台北捷運隧道及硬岩TBM在歐洲高速鐵路隧道之應用等。

其他之論文發表者多以TBM或潛盾機之開挖、環片組裝、背填灌漿、地層探測、自動化施工監測系統等最近之運用狀況,尤以施工自動化為主要重點。例如,世界著名之隧道施工設備製造商瑞典之Atlas Copco 公司以自動定位鑽堡之發展為題等。另有對TBM等隧道開挖機械之施工效率、削刀磨耗等提出統計分析者,亦有對巨臂型削岩機﹙Roadheader﹚提出報告者,顯見隧道施工追求高效率、提高施工安全、降低勞工需求、克服困難地層等為隧道工程界之共識及努力之目標,不論在機械開挖或傳統鑽炸設備之發展及改良均有相當可觀之成就。

()專題討論:計畫財務之風險評估

1. 基礎建設之財務支應­—公私部門之角色

2. BOT計畫成功之先決條件

3. 計畫財務之法律觀點

4. BOT計畫之地質風險

5. 都會區經濟可行性及計畫財務

6. 非都會區計畫財務之地質風險

本主題單元之安排顯見大會深覺一個重大隧道工程順利推動之要件,除技術性之掌握程度外,財務之支援亦為其重要因素之一。歐洲地區經過約十餘年之經濟衰退之後,近四、五年來各項經濟建設蓬勃發展,歐盟﹙EU﹚戮力推動各國區域合作居功甚偉,歐洲各國政府部門在預算有限之情況下,謹慎評估工程之經濟可行性,確實作好財務計畫,作為推動工程之主要動力。近年來世界各國推動以BOT方式辦理基礎建設,對隧道工程而言,因地質條件之不確定性,其風險相對而言是較高的。工程風險評估﹙Risk Assessment﹚之辦理方式,除技術可行性之風險評估外,地質構造風險之預測及合理之分攤模式亦為順利解決施工過程遭遇爭議之重點。

()第三次發表會之主題:隧道更新及擴大工程

1. 老舊隧道、耐久性延長之維護管理

2. 擴大鐵、公路隧道斷面之新工法

3. 回饋分析應用於地下結構物維修診斷

4. 地下鐵隧道橢圓石墨鑄鐵SGI環片之防火性能研究

5. 混凝土耐久性對設計及施工技術之影響—義大利鐵路隧道之經驗

6. 瑞士Simplon 隧道之重建工程

7. 義大利白朗峰(Mont Blanc)隧道之重建、結構補強及安全性之改善

隧道設置於地層中持續受地層岩﹙土﹚壓、水壓之作用及地下水之滲湧、車輛排放廢氣之侵蝕等,乃至因為車輛碰撞、火災等意外事故,於營運相當時日後勢必會造成若干程度之損壞,必須即時予以修復。再者,鐵公路交通隧道因為運量之快速成長,當有拓寬之需求,義大利Societa Autostrade engineerings首先於1980年提出將二車道拓寬為三車道並增設一處緊急路肩之需求,而為維持正常運輸功能,於拓寬工程施工期間又需維持原有隧道開放通行。經工程師們的研究,考量如先將預定擴挖範圍之地層予以加固,利用切割機具將擴挖範圍之外週予以切割,並快速完成支撐構件,再運用類似隧道襯砌鋼模之構架將原有隧道予以支撐,應可在開放通車狀況下進行擴挖工程。

()第四次發表會之主題:地下施工及環境

1. 以色列隧道及供水工程:4000多年之歷史及未來之展望

2. 南非Stuckeberg隧道施工期間之環境影響及減輕措施

3. 捷克D8高速公路穿越景觀保護區之環境考量

4. 德國Rennsteig 隧道之排水系統

5. 義大利Appia Antica 隧道通過Regina Viarum 產生之考古及風景重建問題

隨著環保意識之日益高漲,隧道施工過程可能帶來之污染源,如棄碴運輸過程可能造成之固體懸浮微粒漂浮、排放水可能造成之污染、地下水之影響;隧道營運期間通風系統排出之廢氣可能造成之氣溫、空氣污染,乃至因隧道洞口、通風豎井等設施對景觀之衝擊,生態保護地區環境敏感受體之影響等,對隧道施工技術、工程設施設計等均已產生相當之影響,未來之隧道工程對環境衝擊之評估必須更為完整,防範及保護措施必須更加以重視成效。

()第五次發表會之主題:進行中之主要隧道工程計畫

1. 特殊之挑戰-Gotthard Base 隧道工程

2. Groene Hart 計畫之環境需求-世界最大隧道全斷面鑽掘機

3. 穿越Appennines山全長72公里之Bologna Florence義大利高速鐵路隧道

4. 在挑戰環境下之Caland 隧道設計

5. 世界第三長山岳隧道施工-膨脹及軟弱泥岩地層之開挖

6. 印度27.39公里頭水隧道直徑10.15公尺之隧道襯砌

7. Parramatt 鐵路工程

歐洲目前正在進行之大型隧道工程,主要以高速鐵路系統為主,其中最大之兩項計畫應屬下列兩項:

(1)瑞士境內穿越阿爾畢斯山之交通計畫﹙The Alps Transit project﹚—以將重型貨運自擁擠之公路轉移至鐵路,並提供高速之客運系統,故需降低隧道坡度以提升載運重量及行車速度,而於既有隧道更低之位置增闢新的隧道故稱為基線隧道(Base Tunnel)。其中長達57公里之 Gotthard34公里之Lotschberg兩雙孔隧道為最大之工程。該兩隧道覆土層高達2300 m ,分別採用TBM及鑽炸法,以多處工作面同時加緊施工中。

(2)義大利境內自BolognaFlorence 段高速鐵路建設計畫之隧道工程。

三、隧道歷史與考據

本次大會的第一場發表會之主題在探討隧道歷史與考據,各主講者將人類歷史上最早施工之隧道工程相關之施工技術及地質構造等,依據考古學家之發現彙整,包括西元前三十九年開始施工之古羅馬帝國於Napoli地區施工之Crypta NeapolitanaGrotta di SeianoGrotta di Cocceio 等三條隧道,其中部份經整修目前仍維持勘用之狀況,相關資料如2所示。由古代隧道開挖、支撐所使用之方法、材料、程序,與現代技術相較,其實可發覺其中主要原理、原則仍是一脈相傳的,筆者等深覺有必要介紹給各位同仁參考,茲以K. Kovari之論文介紹隧道工程發展歷史。

瑞士技術學院之K. Kovari 提出「迄1960年以來隧道施工對地層反應控制(The Control of Ground Response-Milestones up to the 1960)」一文,詳述自1844年以來隧道施工採用鋼支保、岩釘、噴凝土等支撐構件以穩定地層之技術發展經過,其中重要技術發展里程碑如下:

()地層反應與隧道施工關係

1865於倫敦鐵路隧道施工過程所作「隧道開挖對接近開挖面地層之破壞影響」之解釋,如圖二所示,其影響範圍及破壞模式與目前所瞭解的情況相似。

()地層應力計算模式

(1)Fayol1885年提出隧道開挖過程可能因岩體層面走向,隨開挖面發生之破壞機制模式如圖三

(2)Luthgen1929年對地層可能因隧道之超挖而預期上方自然形成地拱之情形如圖四

(3)1912Wiesmann對深覆蓋隧道開挖前與開挖後地層應力變化之解釋如圖五

(4)1957Mohr 提出地層反應與隧道支撐特性曲線之關係圖如圖六

()隧道支撐系統之發展

(1)木支撐­19081913Lotschberg隧道南口採用之木支撐如圖七

(2)鋼支撐-1880 Schneider 提出以鋼支保配合木襯板作為隧道臨時支撐之方式如圖八

(3)鋼支撐與木支撐結合使用-1906Simplon 隧道於擠壓段地層採用鋼梁與木樑組成之支撐構件如圖九

(4)槽型滑動鋼支堡-1948Frohlich提出槽型鋼支保滑動接合構件之運用如圖十

(5)噴凝土襯砌之使用

噴凝土技術起自1911年美國之C.E. Akeley 發明且獲專利之“水泥槍(cement-gun)”,其後經美國、德國、瑞士等多位工程師之研究發展,諸如:C.WeberG.SennM.J.Stam等而確立其應用技術。過去曾使用過之名稱包括:“guniting”、“torkreting”等。

Knox and Potter1920年發表之報告中可了解曾於 Calumnet & Hecla Conglomerate 礦場深達1500m 之坑道中使用該技術以替代木襯板之作用,使用後發現不僅具有防火功能,且需要之襯砌厚度減薄、強度高、耐久性良好等優點。至於 shotcreting”一詞則始見於1920年,於美國伊利諾州之鐵路隧道中使用,歐洲則於1927年於瑞士蘇黎世之Ulmberg Tunnel 將鐵路隧道改建為公路隧道工程中使用,如圖十一

(6)岩栓()技術之發展

岩栓()技術之發展歷史起自 Stephan Frohlich and Klupfel 1913年獲得之專利規範(No.302909),如圖十二所示。其要旨為「鑽設有效深度之鑽孔至地層內,裝入鋼棒、鋼管或鋼纜以適當方式將其底端固定或全長灌注水泥漿,將岩層拉結形成一支撐梁體,使隧道頂拱及側壁得以穩定,以取代傳統之自底部施設木支撐之方式」。其後約四十年兼有德國、美國等多位工程師進行各種不同之岩栓()打設試驗,參照圖十三,可惜未能立即運用於隧道工程中。直至19431950年始於美國之礦坑中使用,1952年以後於歐洲開始大量運用。

隧道工程首次使用系統岩栓於1950年美國之懷厄明州(Wyo.) Keyhole Dam 工程長約 250m 之導水隧道中;系統岩栓技術之真正突破則以紐約長達 42KmDelaware 供水隧道工程,如圖十四。其後才分別於歐美地區漸次推廣使用,參照圖十五圖十六

(7)支撐構件之結合運用

1930年以來系統岩栓與噴凝土之結合使用已於幾個國家出現過,但多以強調岩栓為主,直至1950年第一部「真正」之噴漿機由瑞士工程師 G. Senn 研發出可使用最大粒徑達 25mm 之骨材,施噴速度達 3m3/h及其他多項改良之後,一個「噴凝土工法(shotcrete method)」之新世紀才開始展開,在極短時間內大家了解到以噴凝土襯砌作為控制地層反應之主要措施。歐洲地區大量之水力發電隧道及交通隧道工程之展開加速此種觀點之擴散,1952年新式噴漿機運用於長達26.7 km 、開挖面達21.4m之瑞典Maggia水力發電中之 Verbano 引水隧道工程,如圖十七;噴凝土與岩栓之結合使用亦於該工程中,如圖十八1958年於義大利Como Monastero水力發電計畫中長達15.2 km 之導水隧道(直徑7m)工程則使用Senn之噴漿機將噴凝土結合桁架型鋼肋(Lattice Girder)作為隧道之支撐襯砌,如圖十九

1960年噴漿工法之技術細節及科學背景已非常完整,很快地在世界各地隧道工程中運用,以取代木支撐,並以「噴凝土工法(shotcreting  method)」為名在德語系國家(奧地利、德國、瑞典等)普遍地流通。

(8)NATM名稱之出現

1963 Rabcewicz 發表之論文中將「噴凝土工法」重新命名為「新奧工法(New Austrian Tunneling Method)」,並聲稱:「噴凝土-岩栓工法(shotcreting- rock bolting method)已於奧地利發展並試驗成功」,且表示「由於其為發源國家故此工法稱為 New Austrian Tunneling Method」,之後以其首字字母NATM廣泛地流通迄今。

事實上,從隧道工程發展歷程可了解,世界上許多工程師均曾致力於避免使用木支撐之努力,舉例而言,O’Rourke 1913年一篇文章中提到「任何減少或避免木支撐之使用,是隧道最重要之技術」。

四、Lotschberg 隧道(南口)

()計畫概述

歐洲內陸交通運輸型態正在快速地改變,在二十年前,人員與貨物穿越阿爾卑斯山之鐵路運輸面臨公路或航空之嚴重挑戰,在1981年提議興建高速鐵路後此種狀況已明顯地改變。為了因應急速成長之交通需求,瑞士表達希望改善鐵路系統之意願,而於1992年投資新建重運量之新式鐵路運輸系統,1998年通過瑞士有史以來最大規模之投資計畫。為改善鐵路運輸能量將興建服務品質更高之鐵路運輸路網,其中貫穿阿爾卑斯山區、為歐洲南北向交通主軸部份,將以較低高程興建隧道故稱為「基底隧道(Base Tunnel)」,以別於其他既有之隧道。目前正積極進行的兩大隧道即為長34.6公里之Lotschberg及長57公里之Gotthard隧道。將來以時速達200km/h之快速鐵路列車行駛,自BasleMilan間穿越Gotthard山區之行車時間將可縮短為4小時,對德國、瑞士、義大利間之交通將會有莫大助益。

Lotschberg基底隧道長約34.6公里,北口位於瑞士境內Frutigen,南口則在Raron,與現有之Simplon基底隧道連接形成穿越歐洲內陸山區北向之重要鐵路幹線,採雙孔單線隧道設計配置,預定分三階段施工,在2007年開放通車時部份路線將僅有單孔隧道先行開放,其餘路段再陸續完成開放(圖二十)

()施工構想

因應工期緊迫及山區通達不易之特性,本工程施作試驗隧道以為地質調查之用,並滿足開挖支撐設計需要,於19941996年自北端之Kandertal 先施作一長達9.6公里之試驗隧道,所施作之甚多鑽孔對本工程助益極大。本隧道工作面安排及地質情況詳圖二十一圖二十二所示。

()施工計

(1)在試驗隧道施工之同時,自Mitholz 開挖長達1.5公里之通達隧道至基底隧道位置,以分別闢設三個工作面負責北段隧道之施工(西段隧道將以明挖覆蓋工法施工)

(2)Ferden施作4公里之通達隧道至基底隧道位置,以施作緊急坑及通風機房,並自2001年五月開始闢設四個工作面以鑽炸法分別向南北口開挖;

(3)自南口之Raron開設4.9公里之導坑,另自南口之Steg2000年十月以直徑9.45m TBM開挖通達隧道及基底隧道共約8.5公里;

(4)自南口Raron以另一部TBM開挖10.2公里基底隧道。

FerdenMitholz 兩主要工作面預定於2004年底至2005年初貫通,其餘部份之隧道開挖將配合襯砌及裝修工作平行施作,預定可於2007年完工通車。(照片二)

五、瑞士Gotthard Base鐵路隧道

()工程概述

本次大會對於貫穿阿爾卑斯山計畫中最長的基底隧道,全長57公里之Gotthard Base鐵路隧道有極大篇幅的介紹,本節茲敘述其研討內容。

瑞士Gotthard Base隧道設計將容許高速客運列車時速200公里、貨運列車時速140公里。隧道容許最大縱坡為1%,隧道洞口必須在既有Gotthard鐵路隧道下600800公尺施工。其位置詳如圖二十三所示。

()地形及地質

本隧道全長57公里中,達53公里之地質包括三段主要片麻岩區,即Aar-MassifGotthard MassifPennine片麻岩區,此三區屬於有利施工區。隧道技術困難段為Middle Tavetscher Massif和較年青的沉積岩區。Aar Massif之主要岩性為片麻岩和花岡片麻岩;Gotthard Massif之主要岩性為絹雲母板岩和絹雲母千枚岩;Pennine片麻岩區則為片麻岩。詳如圖二十四所示。

隧道主要路段之覆蓋非常厚,有35公里長之隧道覆蓋超過1,000公尺,20公里長之隧道覆蓋大於1,500公尺,5公里長之隧道覆蓋大於2,000公尺。最大隧道覆蓋為2,300公尺。本工程設計及施工除了須考慮高覆蓋之力學效應外,隧道內岩石溫度將達45°C,此高岩溫加上施工機具和施工車輛之發熱,致使隧道施工中需設置通風及空調設備。

()隧道設計

本隧道基於行車安全和施工考量採用雙孔各為單線鐵路隧道,隧道開挖面積約65m2。施工中限制隧道內相對濕度在70%以內,(此為隧道內機具設備所需條件),以及隧道全線溫度在35°C以內。滲入隧道內襯砌混凝土之水量應少於每公里35毫升/秒,由地質情況預料滲水量將大於上述值,因此本隧道需設防水膜。

第二個要求為隧道腐蝕要求,經由高速列車之空氣動力模型試驗得知,此腐蝕取決於隧道襯砌在縱軸之偏差及襯砌表面之粗糙度。由於上述二個襯砌要求,決定隧道不能採取以前設想的單層襯砌,須採雙層襯砌。

隧道標準剖面係基於上述雙層支撐系統,外層包括鋼線網、噴凝土、岩栓、鋼支保和防水層。以Gotthard Base計畫中之Faido隧道為例,其設計先將隧道沿線岩體分為FK0~FK6及糖粒狀白雲岩FKP1~FKP3,然後據以選定開挖等級I~VII。詳如3圖二十五所示。本工程隧道開挖施工方式,選擇鑽炸法或TBM開挖,依下述因素決定:(a)隧道標準橫斷面、(b)配合整體施工進度之考量、(c)每個隧道段長度、(d)地質及水文地質情況、(e)材料處理觀念(混凝土骨料全由本工程碴料提供)

4顯示,ErstfeldBodio以及AmstegFaido段在覆蓋厚度,岩石品質和進洞方式是相似的。AmestegFaido兩段各有25處擾動區。Sedrun段則在岩盤特性及進洞方式與其他四段不同。4亦指出ErstfeldAmsteg採用TBM開挖,Sedrun段則因地質差,採用鑽炸法開挖且要求儘速完成環狀閉合。Faido段之最大覆蓋達2,300公尺,又有25處擾動區及150公尺Piora Basin白雲岩段為沉積岩入侵,因此要求投標廠商需用兩種施工方式報價,即開放式TBM或帶盾TBM,或鑽炸法及Roadheader開挖。Bodio段地質尚佳,因長度達16.5公里,其東孔採用帶盾TBM,西孔則可為開放式或帶盾TBM

()施工計畫

為建立合理的長隧道施工工期,設置中間工作面,此等豎井、橫坑及斜坑在完工後做為通風之用。五個工作面包括:(a)Erstfeld(北口)(b)Amsteg橫坑(1.2公里長)(c)Sedrun橫坑(1公里長)及豎井(800公尺深)(d)Faido斜坑(2.7公里長,坡度12%)(e)Bodio(南口)

本工程之施工準備期間頗長,自1993Piora Basin調查工作開始,一直到1998年才澄清Piora Basin區地質情況。Sedrun區之1公里長通達隧道於1996年開工,800公尺深豎井則於19988月開工,費時18個月於20002月完成。另外AmstegFaido兩處均於19997月開始準備工程施工。由20005月業主Alptransit AG 之簡介資料,可知本工程預定於2011年通車,詳如圖二十六

()施工前調查

1. Piora Basin

Piora Basin介於北方Gotthard Massif 和南方Pennine Gneiss Zone之間,為一沉積岩侵入,自1993年起就開始詳細且有系統的調查。一條長5.5公里之調查隧道在主隧道上方350公尺已開挖完成。在此標高之岩層為碳-硫質三疊系岩層,包括白雲岩、角礫化白雲岩、白雲岩-石膏/硬石膏,其間包括糖粒狀白雲岩,某些區域地下水壓高。在此標高之Piora Basin厚約230公尺。經由此探查隧道再鑽4傾斜孔(Bs4.1~4.5)至主隧道之高程,由岩心檢查、岩溫測量及物理震測等,結果顯示在主隧道高程之岩層均為完整碳質三疊系岩盤,偶夾硬石膏或石膏,無地下水壓,原來推測之糖粒狀白雲岩未深達隧道計畫高程。詳如圖二十七所示。

2. Middle Tavetsch Massif

本岩盤屬片麻岩、千枚岩和片岩,除SB1SB2SB33傾斜孔之外,在1995~1997年間曾鑽探2傾斜孔SB3.2SB4.1,於本岩層之南部及北部孔深最大達1,750公尺。此深孔已達Gotthard Base隧道。5孔共長5622.3公尺。Middle Tavetsch Massif地段之南側,已開挖2條豎井施工用之通達隧道,長1.3公里。由此隧道之現地資料得知南段岩盤較預期為佳,北段岩盤則較預料為差;即

a. 1公里中之70%為弱岩(Weak rocks),包括糜嶺狀千枚岩;

b. Clavaniev zone(CZ) : 粘土狀糜嶺岩(Kakirite),千枚狀片岩及片麻岩。詳如圖二十八所示。

()本工程之特

1. Sedrun段之設計及施工方案

(1) Sedrun經由800公尺豎井底部可向北及向南共開挖主隧道約6公里長。此標亦包括多功能車站。

(2) 此隧道之擠壓段之施工觀念係基於細心構想之岩盤地工模型(Geotechnical model),岩石之力學性質係由岩心室內試驗而得。其中岩心三軸排水和不排水試驗時控制孔隙水壓力最令人感興趣。雖然構造複雜之糜嶺狀千板岩相當均勻,但可用之結果係由39組試驗而得。

j一段岩體均勻、覆蓋900公尺、長度達幾百公尺之隧道周圍岩盤之地工模型,其地工參數採E=2Gpa、ψ=23°、C=250Kpa(排水情況)

kMiddle Tavetsch MassifClavaniev zone,隧道開挖後變形甚大,因此其斷面採圓形,開挖程序採全斷面開挖,開挖面打設系統岩栓,擴挖以容納收斂變形,鋼支保需可滑移且構成一環,環狀岩栓支撐及噴凝土環形閉合。噴凝土在環形鋼支保安裝後收斂達到預估值後施噴,以防止隧道斷面再減小。隧道開挖面之岩栓長12~18公尺,並留有6公尺重疊。內襯混凝土最厚1.2公尺,於開挖面後方300公尺現場澆置。內襯混凝土之尺寸係基於假定初期支撐於長期使用因腐蝕而完全失去功能之狀況,且內襯除了考慮高岩壓外,尚需承擔外水壓約10kg/cm2。本區隧道開挖之困難在於開挖面不穩定、開挖面之劈裂(spalling)、頂拱落盤及收斂值太大。本區擠壓性地盤之開挖及支撐見表5圖二十九圖三十圖三十一

2. 高岩溫之處理

本工程曾由瑞士聯邦科技大學地球物理研究所辦理隧道岩溫和湧水區研究,採用有限元素法發展FRACT程式來分析隧道沿線岩溫。岩溫一般隨深度而增加,惟有許多影響因素,如局部地熱流動、地形三度空間效應、地表溫度和地質因素(岩石結構/片理、熱傳導、沖蝕率、地下水流動)。研究發現在岩溫由純傳導模型預測時,最靈敏的參數為大氣溫度遞減率和岩石熱導性。在岩溫預測時必須考慮熱之水平對流效應(熱之重分佈、河谷溫度升高、山脊下溫度降低),關鍵參數為地下水位之降溫效果和水力傳導性。

由研究亦得知,顯著之岩溫不正常可以預測幾百公尺前含水/水力活躍區(即大量湧水之高風險區)Gattard Base隧道之高覆蓋造成隧道周圍岩盤溫度最高達45°C,因此,計畫在高岩溫路段於施工中採用空調使工作溫度降至28°C。隧道內岩盤滲水對隧道溫度不利,此滲水可藉由在噴凝土及內襯混凝土間設防水層來防止。再者,隧道營運時由於列車之活塞效應,可將隧道內之熱空氣帶出,因此營運階段隧道內不需空調設施。詳如圖三十二所示。

六、心得及建議

本次利用參加2001ITA年會之便順道前往義大利、瑞士等國參訪隧道工程,對歐洲隧道工程技術之最近趨勢有初步認識。筆者等以為這些趨勢或作法可供國內借鏡或引用。茲說明如下:

(1)為考慮降低交通車輛對環境之衝擊,歐洲最近正實施鐵路興建計畫,如德國高鐵Cologne-FrankfurtNuremberg-Ingolstadt兩條路線正在施工,瑞士鐵路所謂「Swiss Rail 2000」亦為大規模鐵路發展計畫,尤其Gotthard Base隧道長57公里為世界上最偉大的鐵路隧道工程。奧地利亦在改善現有鐵路系統以提高行車速率及加大客貨運量,如新建長54公里Brenner Base鐵路計畫,正在施工調查廊道。由此足見歐洲鐵路發展將比公路更為優先。

(2)歐洲之交通隧道之防災政策由於奧地利Tauren及法國與義大利間之Mont Blanc隧道於1999年發生火災事故分別造成12人和39人死亡,而使歐洲交通隧道之防災政策有漸趨於保守和嚴謹之現象。西德Cologne-Frankfurt高速鐵路隧道就依該國之防災規定,於隧道每長度1000公尺即應設置逃生通路,如以豎井為通道,則豎井深度在30公尺以內者僅需設逃生樓梯,如深度大於30公尺,則除樓梯外另需設升降電梯供逃生之用。瑞士Gotthard Base鐵路隧道(57公里)採用雙孔單線隧道,除每隔325公尺有橫坑相連外,並於SedrunFaido兩處設多功能車站,使列車必要時可由一孔轉入另一孔,充分考量防災。

(3)西德高速鐵路Cologne-FrankfurtNuremberg-Ingolstadt兩條線,均採用設計及施工標,即所謂統包發包(Turn-Key)方式。惟根據Tunnel&Tunnelling Internetinal19995月報導,Cologne-Frankfurt高鐵工程施工時該工程自發包後遭遇幾項特殊困難,經於1998年中之協議,業主同意DB將完工營運日期延至20025(由開工後54個月延長至71個月)。這些困難包括:

a. 結構設計時間比預估為長,係由於業主的設計審核顧問需較長時間審核,DB亦由於需符合EU環境準則需較長作業時間。

b. 氣候使鐵路路堤施工遲緩,以及隧道、高架橋和橋梁基礎地質比預期差。縱然已獲同意延期,承包商仍有很大工期壓力,預料在完工後幾年內將有因地質問題和其延誤而要求補償之索賠案之仲裁和法律訴訟。

(4)德國高速鐵道隧道均採用不排水隧道設計,即除隧道施工期間將滲入開挖斷面內之地下水排出隧道外,隧道全周舖設防水層,阻隔地下水滲入隧道內。且隧道內襯砌混凝土應在承受外水壓及岩盤壓力作用及防止溫度變化所可能發生裂縫情況下決定混凝土之鋼筋量。筆者亦進一步瞭解德國鐵路隧道大多為淺層覆蓋,地下水壓較低,同時鄰近住宅、公路、農田等不允許以排水隧道設計。另外德國隧道開挖碴料由業主所有,並指定地點堆置。此碴料用來做道路隔音土堤及其他填土需求,此種作法最符合資源利用和環境保護原則。

(5)德國、瑞士及奧地利三國交通隧道均顯現桁架型鋼支保已逐漸取代U型及H型鋼支保;三D光學隧道收斂觀測及分析取代收斂鋼卷尺量測隧道收斂相對變形;另外隧道施工測量自動化已取代人工收方測量。即用自動量測儀器如Profile 4000Debit等儀器來自動量測隧道開挖後及噴凝土施噴後之斷面,藉以管理施工品質。

(6)義大利隧道協會理事長P. Lunardi所提出之「ADECO-RS」隧道理念,係以岩釘等支撐系統加強岩體自承性,並控制隧道之變形量,使隧道施工得以採大型機具做全面開挖,除可達快速施工之目的外,並可降低落盤之風險,其理念值得我國工程界深入研究引進。

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