台湾隧道施工创新与挑战

2│中│華│技│術│50│No.81│January,2009專題報導SPECIALREPORTSUMMARY摘要2No.81│January,2009│51專題報導壹、背景說明　　本公司近40年以來篳路藍縷，從事國家重大交通建設，開闢道路遇河架橋，逢山挖隧道，足跡遍佈全國，工程成績斐然，大家有目共睹，為建設美麗的寶島，促進社會繁榮而努力。本公司同仁平日默默耕耘，不計收穫，歷年累積相當多的工程經驗與實績，並建立良好信譽為本公司最寶貴之資產；然而隧道工程技術屬stateofart性質，設計經驗有些較抽象的心得，無法以公式或程式分析研判之部分，必須經歷實務作業，較不容易傳承，必須有系統記錄與整理方可達成。為使本公司隧道工程設計能有效地薪傳，值此中華技術季刊發行二十週年之際，借季刊一角披露本公司過去一些具挑戰性、創新性、周延性之隧道工程，加以介紹　　台灣多山及都會區人口密集，為了克服地形阻隔及解決交通問題，自早期先民開闢獅球嶺隧道迄今，一百多年來隧道工程技術日新月異，本公司近40年以來隧道工程設計分析技術，在不斷地研究發展與創新之下，為國內首屈一指，屢創金質獎設計品質特優佳績，已臻國際一流水準，完成許多國家重大隧道建設，解決許多困難，累積寶貴經驗。本文就本公司之重要隧道設計成果，包括公路安定彎隧道、鐵路汐止隧道、捷運蘆洲線CL700A區段標、台電高港~五甲隧道工程等做一介紹，闡述其創新、挑戰及周延性，以供工程界參考及應用。與回顧，以供吾輩在既有之隧道設計基礎上發揚光大，迎接新世紀新時代的挑戰。貳、本公司隧道工程業績　　本公司自民國58年成立，隧道工程技術服務範圍從可行性研究、調查、基本規劃設計、細部設計、施工諮詢、隧道檢測、復建、監測作業等，涵蓋範圍相當廣。先後完成國家重要隧道工程業績，包括公路隧道31座，鐵路隧道15座，捷運隧道70座，台電電纜隧道7座，其他隧道50座，累積隧道總長度達183km，其位置分布全國各地，由都市到鄉村，從高山至海洋，如圖1所示。關鍵詞：隧道、潛盾、明挖覆蓋台灣世曦工程顧問股份有限公司／資深協理／陳福勝台灣世曦工程顧問股份有限公司／大地工程部／副理／吳文隆1212252│No.81│January,2009專題報導2No.81│January,2009│53專題報導圖1本公司隧道工程業績位置圖參、具挑戰性隧道工程　　本公司隧道工程業績豐碩，其中最具挑戰性案例包括安定彎隧道、汐止山岳隧道、捷運蘆洲700A區段標、台電高港~五甲隧道等工程，相關案例分述如下：一、溪頭風景特定區二~1號道路安定彎隧道　　工程■概述　　本工程位於南投縣竹山鎮境內，因921地震而造成道路中斷，為加速復建工作，採統包方式發包，隧道全長663m；本工程因位於海拔1700m左右的高山，氣候變化大，且冬季氣溫寒冷，夏季多雨，加上高山容易起霧，對外連絡不便，施工環境頗艱難。■工程背景┼地形：屬西部麓山帶覆瓦狀地層，山脊嶺線約呈東北走向，地形高程約在1600~1900m間。計畫區內主要以堅硬的厚層或塊狀砂岩分布為主，抗風化能力較強，造成自然邊坡常以岩坡狀態出露，坡度頗陡，可達60~70度以上。山谷侵蝕溝則呈東北向與北北西向，常沿著主要節理方向發育，偶亦可見有地下水滲流。┼地層：為中新世的關刀山砂岩，地層位態不明顯，僅能由局部夾泥質成份較多的泥質砂岩層加以區別，主要位態約呈N0°~20°W/10°~25°E，推判可能此泥質砂岩夾層呈波浪狀，致岩層位態的傾向略有變化。┼地質構造：本工程西北約2km有鳳凰山斷層呈東北走向延伸，以南約4km有獅頭山斷層呈西北西走向延伸，均未通過本工程工址，經評估對工程無重大影響。┼氣象與水文：年平均雨量約2213.5公厘，降雨量集中於五至八月，月平均雨量均在300公厘以上，全年平均降雨日數約154天左右。全年平均氣溫約16.6℃，月平均氣溫變化約在10℃~20℃之間，各月平均氣溫以七月20.4℃較高，一月11.4℃較低。■隧道設計及施工┼設計準則及規範：隧道線形係以山嶺區五級路標準設計，為避免峭壁潛在崩坍破壞，影響隧道長期的穩定，隧道線形必須考量足夠橫向山覆厚度，以避免向源侵蝕及山谷解壓之影響。┼隧道定線及斷面：為雙向車道，全寬9.0m，包括車道寬3.25m，兩側路肩0.25m，淨高4.6m，車道兩側各設淨寬1.0m，淨高2.0m的人行步道。鑽掘隧道長度640m，假隧道北洞口為18m，南洞口為5m，全長合計663m，詳圖2。圖2隧道標準斷面圖┼隧道岩體分類與支撐設計：隧道的地層為第三紀中新世桂竹林層之關刀山砂岩，隧道的岩體分類如圖3。另為預防岩體變形與沉陷量過大，因此採支撐加以保護，而本隧道考量整體施工作業及工期，係以質輕、易組立及與噴凝土握裹完全之桁架式鋼支保作為支撐；噴凝土則採用鋼纖維噴凝土，因其具有施工性、膠結能力、品質與應力傳遞等較鋼絲網噴凝土佳的優點。┼隧道洞口及假隧道設計：南、北洞口假隧道段的覆土荷重、地震力及落石等為結構設計之主要考量因素。北洞口段頂部由於野溪山溝通過，因此排水設施之設計亦納入山谷暴雨之考量，詳圖4。圖4隧道北洞口完工照片┼隧道襯砌設計及監測設計：襯砌設計主要考量為地下水壓、岩體長期潛變導致之後期岩壓、淺地層拱效果不足及岩栓老化等之因素，故全線均設置混凝土襯砌。並採用有限元素PLAXIS及STAAD程式進行分析，而考量本工程位於強震區，洞口及IV、V類岩體段需配雙層鋼筋、襯砌厚度40cm，而II、III類岩體段則配單層鋼筋、襯砌厚度30cm，混凝土強度均為2/245cmkgfcc。應力分析如圖5、6所示。隧道監測斷面則分為II及III，類別II包括收斂釘及伸縮儀共5處，類別III包括收斂釘共18處。　　　　圖3安定彎隧道岩體分類表及支撐類別圖5假隧道彎矩圖圖6隧道主應力分析等值圖254│No.81│January,2009專題報導2No.81│January,2009│55專題報導圖9汐止山岳隧道岩體及開挖支撐型式　　此外為瞭解地震對陡峭邊坡造成的影響，以UDEC進行分析，在地震作用持續4秒的最大水平變位量，將達2秒的1倍；最大垂直變位量為持續2秒的4.7倍，並分析地震作用後造成岩體上層塊狀岩塊鬆動情形，此亦驗證邊坡在豪雨後更易加速其破壞之原因。■工程之創新性、挑戰性及周延性┼設計首度採ｅ化管理，作業績效良好，工進推動順利。┼隧道南口施工機具材料利用直昇機吊運，雙向開挖，縮短施工時程。┼隧道南口施工材料全程利用索道吊運，因而得以日夜進行，提早完工。┼低溫環境下以加熱方式，進行噴凝土施工。┼在惡劣環境下，以10個月工期完成663m的隧道工程，樹立工程楷模。■工程優良事蹟及顯著效益┼榮獲行政院公共工程委員會第四屆公共工程金質獎土木類特優獎。┼榮獲中華民國隧道協會93年度優良隧道工程獎┼榮獲中國工程師學會93年度優良工程獎┼配合政府拼經濟及觀光客倍增計畫，本工程提前58天完工通車，促使地方觀光產業提早恢復。二、南港專案CL302標汐止山岳隧道工程■概述　　本工程為台北市區鐵路地下化東延南港工程之工程分標，為配合南港車站地下化，路線需穿越大坑溪後爬昇至地面，由於路線行經山區，故以山岳隧道方式施工。工程範圍東起台北縣汐止市新台五線處，西至台北市大坑溪東側，全長1.64km，主隧道採用新奧工法施工。■工程背景┼地形與交通特性　　本工程引道段地勢平坦，隧道段現地高程逐漸爬升，高程由12m向西攀升至高程約73m之山頂，再向西降至大坑溪附近高程10m止。隧道上方覆蓋厚度介於0~60m，變化大。緊鄰北二高路堤段陡坡與台鐵縱貫線間之狹長工區，腹地狹窄，施工車輛動線困難。┼隧道地質　　汐止山岳隧道通過地層主要為中新世桂竹林層及台地堆積層所構成，岩性主要為砂岩夾泥岩、泥岩夾砂岩、砂泥岩互層及砂岩段，另依地質調查資料顯示地層均向東南方向傾斜；隧道上方地層覆蓋厚度介於0~60m之間，覆蓋厚度較淺薄，隧道沿線上方區域未有重要建物，如圖7、圖8所示。隧道工址沿線屬膠結不佳之砂岩及泥岩互層，RQD為25以下，砂岩單壓強度低，浸水強度弱化；洞口邊坡為斜交坡，破壞模式為平面滑動。有關隧道工程地質評估、岩體分類及開挖支撐型式，如圖9所示。本隧道工程岩體分類大部分屬第V及VI類岩盤。圖7汐止山岳隧道CL302標區域地質圖厚，局部岩盤偶見剪裂破碎帶而發生滲漏水情況。■隧道設計及施工　┼設計準則及規範　　隧道線形符合鐵路路線設計規範，最大縱坡為1%，最小曲線半徑為300m，最大超高105mm，上、下行線兩軌中心間距4.5m。┼隧道定線及斷面　　為雙軌單孔隧道，全寬10.6m，淨高6.8m，鑽掘隧道長度1426m，開挖斷面積108m2。┼隧道洞口拱蓋工法之應用　　汐止山岳隧道東洞口工程特性為：(1)半側隧道覆蓋厚度淺薄，地拱效應難形成，需考量加強內部支撐保護工；(2)隧道軸線斜交入洞，切削邊坡基腳，需加強邊坡穩定措施；(3)東洞口位置緊鄰北二高新台五路匝道，需加強環保及工程安全措施，不容大規模邊坡修挖及出現損鄰事件；(4)私有地問題不允許回填施工。針對本案現況地形地物需求，設計以隧道半邊式RC覆版–拱蓋工法，予降低地表開挖，減少對環境衝擊及預形成地拱效用傳遞邊坡應力，避免破壞原有地盤平衡狀態，隧道坡趾進洞開圖8汐止山岳隧道地質縱剖面圖┼氣象與水文　　工址位於台北縣汐止地區，屬亞熱帶氣候，年平均氣溫約20℃。每年降水量非常豐富，工地濱臨基隆河，每年7~11月受太平洋熱帶低氣壓影響，颱風豪雨侵襲，遇豪大雨溪水暴漲，低窪地區易淹水，汐止地區常遭遇水災，因工地排水設施及防洪、防颱等防範措施嚴格執行，並無淹水紀錄。┼地下水狀況　　地質調查資料顯示隧道沿線地下水位偏高，隧道沿線區域山勢覆蓋厚度不厚，且地層為砂泥岩互層，因泥岩透水性不佳，對地下水具有阻隔效果，不致於蓄積大量地下水，導致重大地質災變事故。惟因隧道沿線覆蓋厚度不圖例：256│No.81│January,2009專題報導2No.81│January,2009│57專題報導挖時，採用逐輪分階開挖土心及淺覆蓋進洞加強支撐保護工之施工法，施工時並施予計測管理，以確保洞口之穩定安全。　　隧道東洞口半邊式RC覆版-拱蓋工法，拱蓋隧道長度35m，斷面如圖10所示。圖10RC覆版拱蓋與格梁擋土牆斷面圖┼切削樁圓形豎井　　汐止山岳隧道的豎井位於路線西端終點的南港大坑溪旁，為本工程CL302標山岳隧道和CL303標明挖覆蓋隧道之交會點，豎井開挖內徑22.4m，挖深24m，如圖11所示，考量北二高南港聯絡道橋下淨空限制，其擋土措施由68支之直徑1.5m之疊接切削樁構成圓形承壓結構系統，做為擋土壁體，內部不加水平支撐，每支切削樁長30m(含頂部壓梁厚度)。開挖完成後於豎井內側設厚度1.2m之鋼筋混凝土內牆。┼豎井結構分析與設計　　豎井為圓形結構，由於浮力問題，須於底版處之連續壁設置剪力榫，且因為連接兩側隧道而有開孔，結構受力行為複雜，豎井分析採用ABAQUS程式，建立3D模型進行結構分析。┼豎井施工　　豎井施工嚴謹並隨時監測，確保施工安全，豎井與隧道界面，施工困難且須考量銜接問題，施工照片如圖12所示。圖12汐止山岳隧道豎井施工照片┼特殊設計考量　　本豎井因連接馬蹄型之山岳隧道及矩形之明挖覆蓋隧道於界面角隅有應力集中問題，經分析於此界面須進行結構補強，補強範圍為2.4m。因高架橋下施工空間限制無法採用水平型鋼支撐及中間柱系統，故以全套管切削樁配合壓梁及環梁作為開挖之支撐系統。有關豎井頂部考量施工作業需求，設置壓梁及覆工版梁系統，以維持路面之交通。■工程之創新性、挑戰性及周延性┼鄰近北二高、新台五線及台鐵臨時軌施工　　為確保鐵公路可正常營運、避免居民抗爭及降低隧道抽坍災害之風險，隧道全線採用新奧隧道工法(NATM)機械開挖方式，避免採用爆破鑽炸法施工，遇淺覆蓋或偏壓地盤採管幕工法輔助施工，致本案隧道開挖施工過程，未發生任何損鄰、隧道抽坍災害等事件，得以順利完工。┼特殊洞口拱蓋工法　　鑽掘隧道東側出口，因鐵路線形限制及避開橋梁基礎，隧道軸線以20度斜交入洞產生偏壓課題。為減少邊坡開挖與剩餘土石方，於