特殊工法

北宜高速公路雪山隧道地質之旅

林嘉盛 技師

九月初本人有機會至北宜高速公路雪山(原坪林)隧道進行工地參訪,此行在榮民工程股份有限公司北宜施工處謝主任等人接待及詳盡介紹下,讓我們對此工程的進行概況及面臨的挑戰有著更深入地瞭解。

工程概述及隧道沿線地質概況:為縮短台北都會區與宜蘭間之行車時間及加速東部地區之開發與繁榮,國道新建工程局自民國79年1月開始籌備興建北宜高速公路。其路線預計自台北市南港區起,向東南方向經石碇鄉、坪林鄉,再由坪林隧道貫穿雪山山脈,由頭城附近抵達蘭陽平原,全線長約31公里,採雙向四車道。其中由榮民公司負責興建之雪山隧道長約12.9公里,為迄今東南亞第一,全世界第三長之公路隧道,係完成北宜高速公路建設計畫之主要關鍵工程。由於雪山隧道西洞口及隧道西段約四分之三的長度,位於台北水源水質保護區內,因此在原定施工構想中,即計畫採用全斷面隧道鑽掘機(Tunnel Boring Machine,TBM)由東向西開挖大部分的長度,同時將開挖所產生之碴料,經隧道運至東洞口外的頭城交流道,供路工回填使用以減少對環境的衝擊。

該隧道位於雪山山脈亞區之輕度變質沉積岩地層,地層受台灣地區附近版塊衝擊所產生的褶皺及斷層影響,隧道沿線地質變化相當複雜。隧道穿越雪山山脈其最大岩覆超過700公尺以上屬高覆蓋層(依國際隧道協會定義)。地層的分佈依年代而言,由西洞口的第三紀中生世,向東洞口方向漸變為較古老的第三紀始新世,分別為枋腳層、媽岡層、大桶山層、粗窟砂岩、乾溝層及四稜砂岩。雪山隧道西半段(坪林端)路段,岩性主要為砂岩、頁岩、硬頁岩及砂頁岩互層,岩質較佳,東半段(頭城端)路段則主要為硬頁岩及四稜砂岩,岩質較為破碎。預計將通過六條主要斷層(其中最大斷層帶預計寬達50公尺以上)及二處向斜,隧道沿線地質變化無法以地表地質調查及有限的鑽孔資料完全掌握,因此工程之困難度極高。為探測地質狀況及預先處理不良地質,同時利用導坑排水以降低地下水壓,協助主坑順利開挖。因此在二主坑間開挖一地質調查導坑,該導坑約略與主坑平行,長度與主坑相同,直徑為4.8公尺,於80年7月開工,未來當主坑完工後,導坑留作服務隧道,其平時可做為維修道路;緊急狀況時可供救援車輛行駛。導坑在鑽炸法完成600餘公尺後,於民國81年12月,開始使用TBM。至民國85年2月為止,導坑以TBM完成約1000公尺的開挖,但先後十次受困,以致平均開挖速率低落,未能發揮高速開挖的優點。這十次受困中前四次發生在乾溝層,後六次發生在四稜砂岩地層。各次受困所遭遇的地質狀況不盡相同,包括有破碎岩盤、剪磨泥、斷層泥、斷層角礫、高壓地下水層等惡劣地質狀況。其中最後二次受困,均為遭遇突發高壓湧水及其隨伴而生的土石流所致,機頭脫困處理所耗時問越來越長。有鑑於機械開挖已無法符合計畫進度的需求,乃於第十次受困後施做繞行隧道,繞過被夾理的TBM機頭,改採鑽炸法的方式繼續向前開挖,以圖順利通過四稜砂岩中最惡劣的地質區段,在這段鑽炸開挖施工過程中,經由直接檢視開挖面岩盤變化,充分的掌握多變的四稜砂岩地層,進而針對現地地質特性,發展出較為成熟的地盤改良技術。

主坑於82年7月開工,為克服洞口段密集的斷層地質,約800m(導坑約500m)之東洞口段先行以鑽炸法施工。俟TBM運抵工地後,於洞口進行組裝,並藉由先行完成之仰拱滑床向前推進至開挖面,俾TBM接續由東向西進行施工。主坑TBM之開挖斷面直徑約11.8公尺,開挖後以預鑄混凝上環片為支撐,全線並以混凝土為內襯砌。雪山隧道除主坑本體外,倘包括進、排氣通風豎井,頭城高架橋,頭城交流道,以及兩隧道間橫坑,如:人行聯絡道,車行聯絡道,通風站與通風中繼站,其中頭城高架橋橫越台九線公路及北迥鐵路,為維持施工時交通之順暢,特採節塊推進工法(ILM)施工。

工程現況:為使該工程早日完工,因此目前共開闢八個開挖面以加速隧道開挖,東行線東洞口之主坑及導坑繼續以TBM施作,因西行線東洞口TBM於86年底遭大量湧水及地質災害夾埋,並於88年底完成TBM拆除作業,所以西行線全線改採鑽炸法配合地盤改良之輔助工法施作,後續坪林方向及二號豎井所增加之開挖面也都以鑽炸法進行隧道開挖,鑽炸法施工時係斷續前進,進度較為緩慢為其缺點,但地質多變化時則易於克服,施工進度較可穩定掌握。西行線主坑目前雖採鑽炸法施作,但遇到斷層破碎帶時仍不時發生大量抽心及高壓湧水等狀況,開挖面前方不確定且變化多端的地質因素也相對嚴重威脅工程人員的安全。進人陰暗的隧道,不易流通的混濁空氣和大量湧水使得隧道堣S濕又熱,當班的工程人員耐心地鑽孔灌漿,日以繼夜地與大地搏鬥,不管什麼時候是黑夜或白天,只因隧道是沒有白天的工程。因不斷遇到突發性湧水及破碎帶等地質災害,導致不少工期都損失在災害處理及地質補強工作,當開挖面鑽挖到破碎之岩層時,大量湧水夾雜著破碎岩層猶如土石流般地瞬間湧出,稍有不慎施工人員極有遭活埋之虞,以掛網噴漿將開挖面的高壓湧水止住後,再鑽孔將破碎帶以高壓灌漿方式加以地盤改良,等到破碎區域穩定後再進行鑽挖前進,此工法雖速度較慢但卻為突破此破碎地質之良方。

  隧道工法之選擇:隧道工法因各區域性地質狀況、基本施工條件及廠商經驗能力之不同,因應其不同狀況所選定之工法也有極大之差異。而地質因素包括地質構造、岩石材料強度、弱面方位及狀況、大地應力、岩爆潛能、斷層、破碎帶、地下水情況等為其工法選定之關鍵因素。如何從有限的地質鑽探資料作最正確之研判,選定最適當之工法並非一般人所能勝任的,同時工法選定時應依工程實際情況;研擬替代方案並就方案之經濟、風險性等進行各項可行性評估,不能以單一施工法來因應可能複雜多變的地質狀況以確保施工彈性,隧道工程若能充份掌握與瞭解各相關因素,予以妥善規劃,必可減少施工中可能遭遇困難的機會,使工程順利進行。然而隧道施工講究的是「最合適」的組合方式,過與不及均非我們所樂見,二者最終結果都是徒然耗費資源,並可能發生災害而造成嚴重的損失。

 

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最後更新日期: 2005/05/07