工程研究

擴建隧道之設計與施工案例探討

摘  要

台灣之隧道工程始自劉銘傳開闢之獅球嶺隧道，目前隧道已完工總長度據統計已逾300餘公里，部份隧道可能因建造年代久遠老舊，或因隧道遭受如地震或邊坡滑動等外力作用，須考量予以維修補強或改建，而較為特殊為隧道因營運或使用階段需求改變，例如對交通隧道而言其交通量增加或防災設施增加，或因隧道採取分階段施工，第一施工階段之緊急逃生隧道於後續階段須擴大為主隧道斷面等，隧道須予以擴建。倘該擴建隧道於施工期間仍需考量維持原有之營運需求，即對交通隧道而言，仍維持車輛進出，則其設計及施工之考量將與一般隧道新建工程不同。此外，如何考量利用既有隧道支撐及襯砌，減少對隧道開挖面之擾動，且達到節省初期支撐之目的，亦為擴建隧道之設計及施工另一考量重點。

本文將就蒐集國外及目前執行之擴建隧道案例，首先探討新建隧道工程與擴建隧道設計及施工之差異，並以數值分析方法研究隧道擴挖對支撐襯砌之影響，進而探討擴建隧道支撐設計及施工之考量重點，以期供未來工程界於類似案例參考。

一、前言

一般隧道工程界較著重於新建工程，但對於老舊隧道之維修或隧道因交通量需求增加等等須予以擴挖之情況，其考量將與新建隧道不同。擴建隧道受限於擴挖斷面空間有限，其隧道斷面配置及可使用施工機具之最小空間皆須予以考量，且如何利用既有隧道襯砌，以減少隧道支撐及襯砌，為可考量之經濟層面。隧道擴挖期間，如既有隧道淨空仍維持營運功能，則須考量敲除之襯砌、岩塊掉落對於人車之安全影響，其施工計畫通常亦需考量儘量避免進行交通管制造成行車不便，開挖時亦須考量儘量採用機械開挖，避免鑽炸產生之碴料噴彈、振動及噪音。

為了提昇效率、縮短工期以及方便資金之籌措和運用，對於雙孔公路隧道可採用分階段之施工方式，即第一階段先行施作單孔主隧道及其施工道路和橫坑等，並依隧道安全防災考量，於主隧道外側設置緊急逃生隧道，完工後即開放單孔雙向雙車道通車，第二階段則視交通量需求，新闢第二孔主隧道，一般之緊急逃生隧道配置方案如表1。如採用緊急逃生隧道(導坑)設置於第二孔主隧道內之情況(如表1之方案二)，則第二孔主隧道可由緊急逃生隧道予以擴挖。

隧道之設計及施工，均有賴詳細之地質調查，惟如因隧道上方覆蓋層深度甚大或如位於自然景觀保留區，無法藉由一般之鑽探及地球物理探測進行隧道位置詳細地質調查，則可考量設置導坑。當導坑設置於主隧道內，且非採分階段施工方式時，則導坑可設置於任一孔隧道內，並於爾後擴挖成主隧道。但若採分階段施工方式，且導坑設置於第二孔隧道內時(導坑亦可做為緊急逃生隧道)， 施工時導坑仍與第一孔隧道保持適當距離，第一孔隧道因依循探查導坑之進度及藉助導坑提供之地質探查資料，主隧道施工安全性較高，則第二孔主隧道於第二階段施工時由導坑(緊急逃生隧道)擴挖。

本文首先將所蒐集之擴建隧道案例，就其設計施工考量予以檢討，以作為老舊隧道擴建設計施工參考。該等老舊隧道經由初期檢查及檢測結果，研提可行之維修方案，並依功能需求、施工性、工期、經費評估，考量隧道擴挖或隧道異狀補強，最後採用隧道擴挖方案，目前已完成土建施工。

二、國外擴建隧道案例

(一)日本市振隧道－緊急逃生隧道擴挖[1]

日本北陸新幹線的市振隧道，是一個將緊急逃生隧道擴挖成2線主隧道的施工實例，其緊急逃生隧道寬4.7公尺，以7座橫坑與使用中之主隧道互相銜接，與使用中主隧道之中心間距為30至38公尺，擴挖時，為將緊急逃生隧道當作既有之底導坑，以新奧工法採全斷面鑽炸法開挖。

施工中，爆破對營運中隧道影響有振動和噪音兩方面，研究發現隨著爆破點的距離、炸藥的種類、藥量、填塞狀況、孔位佈置，傳播路徑和地盤條件等，其振動有不同的變化，在含水量多之地盤，地盤振動比一般地質情形要大。為了減少爆破噪音對通車中隧道內人、車的影響，施工中將開挖面附近的緊急逃生隧道和橫坑設置隔爆設施，並設置安全門以供緊急避難時使用，由該隧道施工之實績得知，緊急逃生隧道的擴挖所需之炸藥量、鑽孔數均比新建隧道之數量要少，全斷面開挖施工之循環時間也比正常隧道要短10%至17% (田銘瀨廣之等人，1998)。

(二)日本天王山隧道－老舊隧道擴挖[2]

日本名神高速公路的天王山隧道屬老舊隧道，由於地質條件不佳，造成斷面淨空內縮，乃將既有隧道進行擴挖。該隧道當初係以矢板之傳統工法進行施工，襯砌混凝土厚約1.0至1.2公尺(最大達3公尺)。經檢討後，獲悉隧道擴挖時須考慮：

1.既有襯砌混凝土敲除之施工機具。

2.襯砌混凝土背後地盤鬆動程度及對策。

3.黏土、砂層、斷層帶等地質弱帶之施工方法。

4.隧道擴挖對周圍地盤之影響。

由於襯砌混凝土太厚，一般掘削機無法施作，並考量相對於鑽炸工法之低噪音、低振動工法，決定採用大型破碎機進行施工；襯砌背面之鬆動範圍，經由彈性波調查後，發現東側約達8公尺，西側為4公尺，原來打算採用先撐鋼管進行預撐，但預估採用之數量相當多，且頂拱之塌落仍無法避免。因此，改在開挖前先在頂拱45^o範圍內進行灌漿，改良其岩體強度及穩定性。因主要斷層帶於舊隧道施工時曾經造成偏壓及地層滑動，故擴挖施工時先於具地層滑動潛能區間，由地表施作直徑2公尺，長度22至33公尺的止滑樁。另外，在洞口附近覆蓋層小於10公尺的區段，則採用AGF(長距離鋼管)工法進行施工。此工程復經由試驗後採用高強度噴凝土，降低鋼支保尺寸和重量，增加支撐系統之剛性，以減少擴挖造成周圍岩盤鬆動 (寺尾幸青等人，1997) 。

(三)日本大藏隧道擴建案例[3]

大藏隧道屬日本北九州國道高速4號線，為因應交通量增加之需求，須將其中長度170公尺2車道隧道段擴挖為3車道隧道，考量施工中既有2車道仍保持通車，且僅能在晚間10點至隔日凌晨6點進行交通管制或停止通車，亦考量妥予利用既有隧道襯砌，初擬A、B、B-1、C、C-1、D等6個方案如表2。依功能性、施工性、經濟性、工期、經費等綜合評估結果，最後採用方案B，其施工程序如圖一所示。本案例之擴挖斷面除車道淨寬需求，考量擴挖使用一般或最小機具及其所佔空間，並考量利用既有隧道襯砌之可行性，擬定一般施工機具可使用斷面及供小型機具之最小斷面等二種。另為維持施工中行駛車輛安全，車道淨空線上設置ㄇ字型鋼製防護鈑，以防敲除襯砌直接掉落，並可作為施工機具之工作平台 (村山隆之等人，2000) 。

(四)義大利Nazzano隧道擴建案例[4]

Nazzano隧道長337公尺，此隧道由雙車道(隧道直徑12.2公尺)擴挖成三車道(隧道直徑19.7公尺)，該隧道最大覆蓋為45公尺，主要地質為砂質及沉泥質粘土，擴挖期間為維持交通亦使用鋼鑊鈑，而擴挖機具則設置於半圓形之軌道台(Semi-Circular rail mounted gantry)上，其主要施工步驟為1.鏡面之地盤改良及開挖面纖維噴凝土施作，其中纖維噴凝土於開挖前預先進行。2.隧道開挖，棄方由卡車於鋼護鈑及開挖面間之空間載運。3.混凝土襯砌澆灌(須於距離鏡面小於5公尺內進行)。4.隧道仰拱施作。其施工斷面示意如圖二。

三、老舊隧道維修評估及擴挖

本工程司承辦之老舊隧道維修補強案，其隧道約於1970~1980年間以傳統工法建造完成，為陽明大學與榮民總醫院間之連絡通路之一，屬老舊隧道，隧道標準斷面及縱斷面如圖三及圖四。本隧道最大覆蓋層厚約為28公尺，屬淺覆蓋，擴挖前隧道開挖斷面為約18平方公尺，隧道長度為約83公尺，擴挖後隧道開挖斷面為約54平方公尺，隧道長度為約97.5公尺。沿線地層為白色粗粒至中粒砂岩，呈厚層至塊狀，岩石單壓強度約為125~300kg/cm²。隧道鄰近地層走向約為N80ºE至N74ºW，傾角向南呈17º~24º；有二組主要節理，第一組節理走向N40ºW~N50ºW，向西呈70º~75º傾斜，節理間距約為0.3~0.6公尺, 延續約6公尺；第二組節理之走向為N4ºW~N17ºW，傾向西呈80º~85º，節理間距為1.0~1.5公尺，延續約1.5公尺。隧道縱軸方向約為N68ºE，與地層走向約略平行，與二組節理則以較大角度相交，推測隧道擴挖時較可能產生局部岩楔掉落。

隧道襯砌材質老化或力學上之破壞等因素，導致襯砌產生龜裂變形等，通稱為「隧道異狀」，隧道安全檢測工作類似於身體健康檢查，其目的主要在於早期發覺異狀，或身體己感不適時進行檢查，並及早找出病因(調查)，以利對症下藥(評估及維修)，使身體恢復健康；兩者間之關連性如圖五所示，現場檢測調查、安全評估及修護補強之整體關係流程，則可詳圖六。

針對老舊隧道之修復設計，須依安全檢測結果，基於最低功能以上之需求，予以維修補強或全面更新，一般維修補強之費用及工期較全面更新為低，但仍須依情況短期間進行，於結構物使用生命週期內之整體費用，仍可能較全面更新為高，其理念示意如圖七。

基於上述理念，本計劃隧道於維修補強設計及施工前，先進行隧道檢測調查工作，其調查目的大致如下：

1.掌握隧道之現況，有效地進行日後維護管理工作。

2.及早發現對隧道安全性及使用機能有不良影響之問題。

3.獲得影響隧道安全原因及判斷依據。

4.獲得是否需要進行改善措施規劃設計之判斷依據。

5.獲得選擇改善措施方式及決定維修範圍及數量等所需之設計基本資料。

6.修復效果(維修補強或全面更新)之評估。

為瞭解本隧道既有襯砌現況，及襯砌背後是否有空洞存在及產生之鬆動岩盤，進行之既有隧道檢測之調查項目及調查成果彙整如表3所示。

依初步檢查結果，本隧道有龜裂、滲漏等異狀，其持續發展程度不甚明顯，但由檢測所得鋼筋有腐蝕現象，襯砌厚度亦不足，而頂拱上方鬆弛岩體之岩壓會傳遞至襯砌結構。加以由檢測調查成果研判，隧道結構可能遭受偏壓，至於隧道兩側側壁與起拱線之交接位置龜裂情形明顯，經以水泥砂漿修補後，修補位置亦陸續有龜裂發生，加上混凝土襯砌材質劣化程度明顯，須考慮予以修復。

本隧道修復目標基本上可就全面更新與局部補修兩方面進行檢討，全面更新之方式可提高並增加隧道之使用年限，大幅降低營運風險、減少維護管理頻率，有利於整體結構體強度之加強，但施工期之影響(時間較長)較修補方式為大。另局部補修對增加隧道之耐久性助益不大，僅可考慮增加其短期之穩定性，對原先之安全評估等級提升有限。

為徹底解決本隧道結構劣化及破損之問題，增加其使用年限，確保營運可靠度及減少維護頻率，本隧道之更新方案考量襯砌全面拆除新設(方案一)、既有斷面加設新襯砌(方案二)及隧道異狀範圍維修補強(方案三)，就其斷面面積、工程費、工期、施工風險性、作業環境及可用之生命週期等進行評估。隧道維修補強方案綜合評估如表4。

其中方案三「異狀範圍維修補強」，因其工法及成效無法完全掌握，故並未再予以考量，且方案一依擴挖為單向通車或雙向通車，乃再分為方案一甲及方案一乙。

(一)方案一甲

為將現有隧道混凝土逐輪拆除，採破碎機擴挖成雙車道斷面，隨即裝設鋼支保、施作噴凝土及安裝岩栓，接著再進行下一輪混凝土拆除，並重復前一輪之施工作業，直至隧道全線均擴挖及支撐完成，然後設置防水層及澆置內襯混凝土，俟全部土建工作完成後，再安裝照明及相關機電設施。

(二)方案一乙

為介於方案一和方案二之折衷方案，將現有隧道內襯砌混凝土逐輪拆除，然後逐輪擴挖為單車道斷面，逐輪安裝鋼支保、噴凝土及岩栓等支撐，於全線擴挖及支撐完成後再舖設防水層，最後澆置內襯砌混凝土。，

(三)方案二

為在原隧道鋼筋混凝土內襯砌打設岩栓、隧道內襯砌外圍可能存在之空洞施作固結灌漿、舖設防水層、澆築一層新襯砌混凝土。隧道內空寬度減少約60公分，高度減少30公分。

上述三方案之比較如表5所示，綜合上述三方案之比較，方案二雖可達成所需之安全要求，但更新後隧道斷面淨空縮小，僅可供小客車單向通行，消防車無法進出，行車及救災難功能最受限制；方案一甲則更新為單孔雙車道斷面，除達成安全要求外，可供大小客貨車雙向通行，行車功能最強；方案一乙則更新為單孔單車道，可供大小客貨車單向通行，行車功能介於方案一甲、方案二之間。衡酌上述三方案之交通功能與工程費之不同，以及該隧道為一區內專用道路，車流量不大，且基於主辦機關經費有限，最後採用方案一乙做為定案方案，以滿足小客車及消防車均能單向通行之需要。

四、隧道擴挖數值分析

為瞭解既有隧道予以擴挖與一般新建隧道間差異，依方案一乙之構想及其隧道斷面，採用有限元素法進行分析，基於此分析主要在瞭解擴挖及新建之差異，其成果並非運用於設計，故採用簡單模式，假設岩體為彈性材料，其彈性模數E=5000kg/cm²，卜松比υ=0.3，噴凝土襯砌E=8000kg/cm²，混凝土襯砌E=2.1×10⁵kg/cm²，岩栓不考慮，隧道覆蓋採用20公尺，並進行3種情況分析：(一)依初始應力、既有隧道開挖、既有隧道擴挖等三步驟分析；(二)初始應力及既有隧道開挖同時作用、既有隧道擴挖等二步驟分析；(三)初始應力、新建隧道等二步驟分析，其各分析例於最後隧道擴挖階段所得隧道面位移、襯砌彎矩及襯砌軸力如圖八所示。由分析結果可知(如表6)，例二(擴建隧道)之隧道位移、襯砌最大軸力較例三(新建隧道)為小，但襯砌彎矩較例三為大，故隧道擴挖較新建隧道而言，其隧道位移較小，以本分析例二及例三而言，其比例為1.86倍，襯砌最大軸力相近，但襯砌彎矩較大，以例二及例三而言，其比例為1.9倍。

五、隧道設計施工特殊考量

本隧道基於經費有限及環境等因素，其特殊考量如下：

1.依鑽探岩心及室內試驗結果，岩石單壓強度約為125~300kg/cm²，並考量鑽炸法使用之炸藥申請時間較長，且其產生之振動及噪音可能影響學校及醫院，故採用破碎機開挖(如照片一)。

2.如一般隧道開挖採用之支撐，但參考義大利ADECO-RS工法隧道開挖面前方進行縱向支撐加勁，可控制其隧道變形及增加隧道穩定(如圖九)，本計畫隧道支撐可因隧道縱向前方既有隧道襯砌作用(照片二)，其支撐勁度及數量可酌減調整。

3.既有隧道擋土牆不敲除，作為施工及通車階段邊坡擋土牆，以節省邊坡保護工費用如圖十所示，其隧道擋土牆施工如照片三及照片四。

4.基於經費有限，本隧道擴建施工期間禁止出入，車輛由替代路線通行，以節省車行防護設施費用。

5.防止老舊隧道頂拱既有空洞及額外載重，採用縱向先撐鋼管及灌漿。

6.考量附近有醫院及學校，施工中進行噪音量測(如照片五)。

7.採用照明系統點滅控制，依白天、晚上、深夜及非假日、假日等階段管制照明系統，以節省電源及營運維護階段之費用。

本擴挖隧道經由本工程司內及部門長官督導，與計畫主辦工程師、監工等之努力，已於91年7月如期完工，並由業主邀請林副總經理東泰剪綵，其完工情況如所附照片六及照片七。

六、結論

1.擴挖隧道與一般新建隧道之考量差異，主要在於(1)妥予利用既有隧道襯砌、(2)基於有限施工空間之施工機具，考量最佳擴挖斷面、(3)隧道施工中仍維持營運時，考量用如鋼製防護鈑、(4)隧道擴挖之施工輪進時間較短、(5)擴挖時儘量採用機械開挖，避免鑽炸產生噪音及振動對營運影響。

2.老舊隧道之維修補強可先進行初期檢查及檢測，以瞭解隧道襯砌及背後空洞情況，評估隧道予以擴挖或異狀範圍予以補強。一般隧道異狀補強方法雖然工期經費相對較少，但可增加隧道之生命週期(life time)效果及時間仍待研究；隧道採擴挖方式，襯砌予以重新設置，其隧道生命週期較確定。

3.雙孔隧道如採分階段方式施工，且設置導坑(緊急逃生隧道)於未來第二孔隧道位置，則第二階段施工時須予以擴挖，並考量導坑(緊急逃生隧道)擴挖對於營運之第一孔隧道影響，而緊急逃生隧道擴挖期間之防災計畫亦須妥適予以考量。

※ 依本工程司承辦擴建隧道案例經驗--

(1)既有隧道襯砌對於擴挖隧道有縱向先撐作用,一般隧道開挖之隧道面穩定問題較小.

(2)老舊隧道襯砌後面之鬆動區可採用先撐構件解決.

(3)擴建隧道之支撐可考量既有隧道之洞口擋土牆及襯砌以節省經費.

(4)隧道擴挖將影響原先隧道之營運功能,設計階段即須予以考量因應措施.

參考文獻

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