卵礫石層隧道與岩石隧道施工問題之探討
張宏德
關鍵詞：隧道工程、卵礫石、隧道事故
摘 要
八卦山監造工程處 經理
壹、 岩石隧道案例之簡介
隧道工程中所稱之特殊地質，一般包括：軟弱地層、擠壓與膨脹性地層、湧水、斷層破碎帶、高岩壓及地熱、淺覆蓋及偏壓地段、含煤或礦坑地段、含有害氣體之地層等等，惟考量其地層、材料之力學特性、地質構造與地下水狀況等，本文僅選擇國內以往曾於軟弱地層、擠壓性地層、湧水或斷層破碎帶等特殊地質中施工之岩石隧道處理案例如：北二高之中和隧道、木柵隧道、北宜高之雪山(坪林)隧道、南二高之中寮隧道、蘭潭隧道、台鐵東線改善工程之新永春隧道、水資局烏山頭水庫送水管線改善工程之送水隧道等，加以彙整與說明於表1。
表1 岩石隧道事故之處理案例
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隧道名稱 |
破壞模式 |
事 故 概 況 |
主 要 處 理 對 策 |
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北二高 中和隧道 |
擠壓變形 隧道崩坍 |
隧道變形持續發生，陸續導致噴凝土龜裂、支保挫屈變形等；隨後於北上線修挖過程發生大規模坍落，引致南下線原擠壓段發生更嚴重擠壓破壞。 |
處理對策包括：噴凝土封面、門型H-型鋼緊急支撐、加設岩栓、崩坍孔洞回填灌漿、先撐管幕與隧道周圍之固結灌漿。 |
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北二高 木柵隧道 |
擠壓變形 |
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於隧道內鑽設複(對)式預力地錨以強化岩柱(pillar)強度，另由仰拱向下施打系統岩栓，防止仰拱上舉並加勁下方岩盤等措施，先補強已開挖區段，俟隧道穩定後，再進行內侵斷面修挖作業。重設鋼支保及噴凝土等。 |
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北宜高 雪山隧道 |
擠壓變形 大量湧水 |
導坑開挖直徑4.8 m，長度12.9公里，先行以TBM開挖，因大量湧水，破碎地盤抽坍，曾於1996.02.04及1997.12.09受困兩次。 隨後西行線隧道採鑽炸法開挖，上半通過頂拱下陷接近300 mm。 東行線隧道依導坑及西行線施工經驗修正開挖支撐，頂拱下陷接近200 mm。 |
1.採迂迴導坑、排水迂迴導坑、大口徑水平長距離鑽孔探查，兼排水，降低水壓，並進行固結、回填等處理措施。 2.西行線採台階開挖，並採固結灌漿，縱向連結已架設之鋼肋，及設置臨時仰拱噴凝土等。 3.東行線上半改採鑽炸，下半仍以TBM通過，支撐包括剛性更高之鋼支保，45 cm厚噴凝土，6 m長岩栓，固結灌漿。 |
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南二高 中寮隧道 |
頂拱及開挖面崩坍 |
湧水伴隨10~100 cm不等之大小岩塊由開挖面崩落，頂拱抽心高達9 m，並伴有甲烷、油氣及疑似黑色原油。 |
1.緊急處理對策：噴凝土封面、打設排水孔導水、頂拱打設6 m長鋼軌樁。 2.修復處理對策：上半部採半半開挖、頂拱打設3M長前進支撐鋼管、縮短輪進長度，俟完成隧道開挖後再進行二階段之固結灌漿。隧道內加強通風，設置固定式及攜帶式有害氣體偵測器，每天偵測2次。 |
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南二高 蘭潭隧道 |
淺覆蓋 軟弱地層 豐富地下水 |
豐沛地下水將導致岩體弱化，影響開挖面之穩定。 |
1.採用「側壁導坑」工法。 2.採用鋼纖噴凝土與桁架型鋼肋以防隧道擠壓變形。 3.由地表事先進行點井抽水。 |
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新北迴鐵路新永春鐵路隧道 |
大量湧水 開挖面崩坍 |
1998.10.24隧道內突然出現大湧水量達25 m3/min，至1998.10.27湧水量增至50 m3/min，開挖面即發生大湧水夾帶土石掩埋達約110 m長，其後接連數日湧水不斷，並曾高達80 m3/min，至1998.11.07隧道遭土石掩埋長達540餘公尺後才逐漸穩定，坍流土石約15,000 m3。 |
緊急處理對策： 1.改善洞外排水 2.逐段配合坍方清理，於山側開挖迂迴坑 3.增設大口徑排水管洩水降壓。 4.進行補充地質調查 修護處理對策： 1.將部分主坑留做永久排水坑道，另闢東側修改線坑道。 2.崩坍段固結灌漿。 3.採固結(化學)灌漿、熱瀝青灌漿、微形樁等改良地盤，並輔以管幕工法以維持開挖面之穩定。 |
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烏山頭水庫送水隧道 |
大量湧水 開挖面崩坍至地表 |
隧道遭遇厚層砂岩，因膠結疏鬆致前後發生四次崩坍，隧道內坍落土石約1,100 m3 ，除造成鋼支保扭曲變形外，上方地表並成一直徑約11 m、深約6 m之凹洞。 |
緊急處理對策： 1.噴凝土封面 2.以型鋼支撐與鋼矢鈑穩定隧道及其頂拱。 3.地表凹洞填築砂包並覆蓋遮雨帆布。 4.由地表向下鑽設抽水井抽水降低水位。 修護處理對策： 1.採環挖開挖工法，預留土心。 2.採3m長鋼軌樁與鋼矢鈑併用先撐方式，維持頂拱之穩定。 3.採擴座基腳以增加承載能力。 4.以超微粒水泥灌漿。 |
綜合表1中以往曾於軟弱地層、擠壓性地層、湧水或斷層破壞帶等特殊地質中施工之岩石隧道處理案例，其常用之處理對策(輔助工法)彙整如下：
一. 確保開挖面之自立性
1. 頂拱之穩定對策：先撐管幕、支撐鋼管 。
2. 開挖面之穩定對策：環挖、導坑開挖、封面噴凝土、臨時仰拱、開挖面岩栓、地盤改良等
二. 確保隧道之穩定
1. 提高岩體強度：地盤改良
2. 增加支撐強度：擴座基腳、條形基腳、聯樑基腳、微形樁、加厚噴凝土、補強岩栓、重形鋼肋、臨時仰拱、外加支撐。
三. 地下水之處理
1. 排水工法：排水鑽孔(包括長孔排水)或排水導坑、地表抽水井或點井。
2. 止水工法：化學灌漿(包括水玻璃系、樹脂灌漿) 、瀝青灌漿。
3. 止、排併用工法
由表1所舉案例中得知，特殊地質中，岩石隧道所招致之破壞事故，其常用之處理對策(輔助工法)，簡而言之，即縮小開挖斷面以減少擾動、先期支撐以防頂拱鬆動、儘早閉合以抑制變形、強化支保腳以增加承載能力、妥善處理地下水以免岩體弱化等。
貳、 八卦山隧道案例之簡介
公路總局東西向快速道路漢寶草屯線八卦山隧道遭遇之主要地層為頭嵙山層火炎山相礫石層，其中卵礫石含量平均約70%∼80％，卵礫石粒徑大者約達40∼50 cm，卵礫石間之細料成份以青灰色粗、中砂及棕黃色粉砂質泥層為主，礫石層內所夾之砂層或黏土層常呈薄層或凸鏡狀，亦有部份呈巨厚狀，最厚可達2m以上。由於礫石含量較高，且礫石層中之填充物(砂或粉土)膠結尚佳，故於乾燥路段中，隧道開挖後大都仍可維持穩定，或僅零星卵礫石剝落之情況。偶遇有細礫夾粗砂之地層，雖於乾燥路段中，仍因砂礫膠結疏鬆，經開挖擾動後，則易產生崩塌情形。卵礫石層內所夾薄層之砂層、黏土層或凸鏡體，對隧道側壁及開挖面之穩定性影響不大，惟當夾層或凸鏡出現於頂拱附近時，極易因自重而造成頂拱之崩坍，並常有持續向上抽坍成圓穹狀後穩定為止。
當隧道遭遇滲(湧)水時，因卵礫石層之滲水為全面性之狀態，故卵礫石間之砂或粘土等充填基質有軟化或流失之情形，致使穿孔效應(punching effect)較為明顯，導致地層固結與膠結程度降低，進而引起開挖面之破壞，尤以開挖面出現夾層或凸鏡體時，多量之滲水將使粘土層崩解或砂層呈流動化，雖已事先採取頂拱先撐保護措施，亦無法避免程度不一之抽坍。
當隧道遭遇厚層泥層時，泥層雖具有固結，但開挖後仍易產生解壓節理及切向應力作用剪壞，而呈塊狀坍落，雖然採「即挖即襯」、「先撐鋼管(幕)」等輔助措施仍能完成隧道之開挖與支撐工作，惟隧道部份區段因位於高地下水位下，地下水極易由解壓節理之裂隙間滲入，使泥層緩慢軟化、崩解，致鬆動範圍逐漸擴大；若遭遇滲(湧)水後，因泥層含水後強度急遽降低，除容易發生開挖面抽坍外，且因地盤軟化而降低其承載力，造成隧道擠壓變形或大量沉陷等事故。
當隧道遭遇無凝聚力之砂層時，滲水將使其流動，雖可採「分區開挖」、「先期降水」等輔助措施克服之，但隧道仍須承受高孔隙水壓，故仍可能造成隧道擠壓變形或大量沉陷等事故。
參、 岩石與卵礫石地層隧道破壞型式之比較
試以兩者之崩坍規模、崩坍型態、變形狀況及地下水情況等分別說明如下。
一. 崩坍規模
岩石與卵礫石地層隧道兩者若因均為地下水所造成之崩坍，則其規模均趨於大型化，例如卵礫石地層隧道若遭遇砂泥質地層且有大量滲水時，每公尺輪進之平均抽坍量為平均抽坍量之二倍；而特殊地質中岩石隧道之處理案例中，同樣以遭遇大量湧水招致隧道崩坍之規模最大，如：烏山頭水庫送水隧道內坍落土石約1,100 m3 ，新北迴鐵路新永春鐵路隧道甚至高達15,000 m3 ，而北宜高雪山(坪林)隧道更因大量湧水使TBM多次受困，影響工程進度甚巨。惟岩石隧道之崩坍規模一般較卵礫石地層隧道之崩坍規模大得多，因此，其處理費用高、工期長、危險性大，亦有別於卵礫石地層隧道。
二. 崩坍型態
卵礫石地層隧道中之崩坍型態以頂拱及其附近崩坍者(亦即俗稱抽心)為最常見之崩坍型態，與特殊地質中岩石隧道之處理案例中，仍以頂拱及其附近崩坍者居多相似。惟卵礫石地層隧道之崩坍大多僅侷限於開挖面其附近，較少擴及已完成之隧道而造成支撐破壞之情事。雖於高地下水下之砂層、砂泥互層，會造成隧道開挖面其頂拱土石崩坍，且有回抽至已完成之隧道支撐者，回抽範圍通常約3~5輪，其崩坍型式亦僅土石坍落而形成孔穴狀，隧道支撐如噴凝土、鋼支保仍完好形似薄殼。但案例中岩石隧道之崩坍，均會同時波及已完成之隧道而造成支撐潰敗或嚴重擠壓之破壞。
三. 變形狀況
卵礫石地層隧道於低凝聚或軟弱地層中，隧道即會產生大量變形，與岩石隧道因遭遇軟弱地層、擠壓性地層、湧水或斷層破碎帶等特殊地質時，其變形量亦有大增、無法收歛的現象，且有招致隧道嚴重擠壓、內侵等事故。
四. 地下水情況
無論卵礫石地層或岩石隧道，當遭遇大量或瞬間湧水時，均於短時間內造成大規模之崩坍，且無法及時、有效地處理；惟卵礫石層之滲水為全面性，故採重力式排水之效果不佳，需以強制排水為宜，但應防止細顆粒被抽出；而於岩石隧道中則需視其實際地質情況，研擬適當之處理對策因應之。
肆、 各類地層中隧道之破壞模式及其處理對策
綜合本文各節，試就岩石與卵礫石等地層中，隧道施工時可能之破壞模式及其處理對策彙整如表2及表3。
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類 別 |
地 層 |
可能破壞模式 |
處理對策(輔助工法) |
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岩 石 隧 道 |
軟 弱 地 盤 |
頂拱崩坍 |
先撐管幕、支撐鋼管、鋼矢版 |
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開挖面不穩定 |
環狀開挖、導坑開挖、開挖面傾斜、封面噴凝土、開挖面岩栓、臨時仰拱、地盤改良(包括水泥灌漿、化學灌漿) |
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擠壓變形 |
地盤改良、擴座基腳、條形基腳、聯樑基腳、微形樁、加厚噴凝土、補強岩栓(包括加長或加密)、重型鋼肋、臨時仰拱(視需要加打岩栓) 、 外加支撐(包括門型架、預力地錨) |
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斷 層 破 碎 帶 |
頂拱崩坍 |
同軟弱地盤 |
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開挖面不穩定 |
同軟弱地盤 |
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擠壓變形 |
同軟弱地盤 |
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湧水現象 |
排水鑽孔或排水導坑、深抽水井、止水灌漿(包括化學灌漿、瀝青灌漿) |
表2 岩石隧道破壞模式及常用之處理對策(輔助工法)
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類別 |
地層 |
可能破壞模式 |
處理對策(輔助工法) |
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卵 礫 石 層 隧 道 |
卵 礫 石 層 |
頂拱崩坍 |
先撐鋼管 |
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開挖面不穩定 |
環狀開挖（保留土心）、開挖面傾斜、封面噴凝土、臨時仰拱、地盤改良(包括水泥灌漿、化學灌漿) |
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滲(湧)水現象 |
排水鑽孔、深抽水井、止水灌漿(包括化學灌漿、水泥灌漿)、強制排水 |
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砂 、 泥 層 |
頂拱崩坍 |
先撐管幕、支撐鋼管、鋼矢版 |
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開挖面坍滑 側壁崩坍 |
環狀開挖（保留土心）、開挖面傾斜、封面噴凝土、臨時仰拱、地盤改良(包括水泥灌漿、化學灌漿) |
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滲(湧)水現象 |
同卵礫石層 |
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擠壓變形 |
地盤改良(包括超微細水泥灌漿) 、擴座基腳、條形基腳、聯樑基腳、微形樁、加厚噴凝土(包括鋼纖噴凝土)、補強岩栓(包括加長或加密) 、重形鋼肋、臨時仰拱、外加支撐(包括門型架) |
表3 卵礫石地層中隧道破壞模式及常用之處理對策(輔助工法)
伍、 結論與建議
隧道工程於規劃、設計階段，雖已實施地質調查工作，惟因受限於調查經費、工區地形、環境因素、用地取得與計畫期程等，實難以全面的予以調查詳細，故於隧道施工過程中，常遭遇不可預知的地質狀況、滲湧水情形等狀況，且對於施工中的異常狀況，若未加以注意或及時處理，均會影響隧道的正常施工，甚至引起財務損失與人員傷亡的災害，故對於如何減少隧道施工中可能發生災害，茲以過去案例與經驗建議如下:
一. 對於規設階段所提供的地質調查報告與相關資料等，需能事先深入瞭解，並對地質狀況可能較為不良(惡劣)區段，能有事先警覺或預謀因應對策。
二. 施工時應視實施地質狀況選擇適當的開挖方法與支撐構件、適時地完成支撐系統，儘量減少閒置，意即所謂「即挖即襯」以避免地層劣化。
三. 對於隧道計測作業與坑內觀查須確實執行，一發現任何異常現象，均需再確認、研析後適時採取必要的處理措施，以發揮預警與先期補強的功能。
四. 對於施工過程、計測與坑內觀查、地質記錄等資料，均應有詳細的記載(錄)，俾供回饋分析的依據，期能提供隧道施工安全的建議。
五. 新奧隧道工法(NATM)著重於正確的施工觀念、優良的施工技術、密切的團隊配合、正確的計測作業、合乎規定的施工品質、有效率的管理制度、合乎法規的施工環境等等，故參與工程的每一單位(主辦機關、監造單位、承包商、協力廠商)及人員，均需密切地配合與保持良好的合作態度，才能順利地完成隧道工程。
參考文獻
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