台灣有史以來最大巨量湧水

新永春隧道災變處理

交通部東部鐵路改善工程局設計組橋隧課課長　薛文城

在東部鐵路改善計畫中，北迴鐵路雙線新永春隧道(全長4,460公尺)，所經地質不佳，且只有南北口兩個工作面，隧道施工非常困難。其間於民國87年10月24日南口工作面突發巨量湧水災變，湧水量曾高達80m³/min，為國內外隧道工程界罕見之災害案例。在災變處理期間，東部鐵路改善工程局陸續獲得取相當多的地質及水文資料，其中量測出高達50kg/cm²之水壓，超過隧道上方岩覆之厚度所能產生靜水頭壓力，為考量高水壓及水量洩降施工之可行性，東部鐵路改善工程局乃決定修正路線改由東側路線施工。

突發巨量湧水災變歷程

北迴雙線新永春隧道南口工作面於民國87年10月24日開挖至距洞口1,812公尺處，覆蓋高度約250公尺，於上半部左側突發大量湧水達25m³/min，現場隨即撤離機具、人員，幸未發生任何災害。於10月27日準備處理搶修時，開挖面已持續抽坍大量土石，湧水量增至50m³/min，坍流土石約110公尺而無法緊急處理。期間湧水量最高曾達約80m³/min，至11月7日土石坍掩隧道達540餘公尺始趨於穩定，坍流土石約15,000m³。迄今三年餘，湧水量繼續25-70m³/min，嚴重情形為國內外隧道工程界罕見之紀錄。

因應處理過程

一、研訂搶修計畫

東部鐵路改善工程局立即成立災變處理小組，並邀集學者專家參與勘查研討，擬訂四階段搶修計畫原則，第一階段：改善洞內外排水；第二階段：清理坍方至適當地點開挖迂迴坑，並施作地表各項調查；第三階段：施作長距離水平鑽探（一般使用於施工前及施工中隧道坑內探查湧水壓及湧水量），並據其探查成果研擬後續開挖及地質改良措施；第四階段：於突破災害段後檢討永久保固與排水設施。

二、清理土石

為減少迂迴坑開挖長度與縮短工期，於12月30日起土石清除，湧水量仍維持約45∼50m³/min（湧水崩坍情形詳圖一），至民國88年3月初清理至350m，湧水量出現異常大變化，湧水量紀錄為9日間由40m³/min逐日遞減至12m³/min，其後1日間再增昇至35.6m³/min，又急驟降至1.5m³/min再突昇至43m³/min，而再度坍流大量土石後又坍回第一次土石坍掩穩定處，湧水量亦曾高達56m³/min，約估坍流出土石為7,000m³，連同第一次坍流出土石總共約22,000m³。經再次清理土石至N8+355處後即施作山側迂迴坑，總計清理土石約15,000m³。

圖一　湧水崩坍情形

三、地表補充地質調查及成果

地表補充地質調查於民國87年底開始展開，於民國88年5月完成，後為期瞭解可能改移路線至東側路段之未開挖段，於開挖時可能遭遇之突發性湧水之機率，並評估此區段之地下水分佈狀況與岩盤完整性，決定再增加地電阻影像剖面探測工作(Resistivity imaging profile-RIP，係用於隧道穿越斷層河谷等區段，佈設折射及反射震測，以探查地下水及地下構造)，於民國89年8月完成。地表補充地質調查工作項目與數量計有隧道湧水及崩塌材料取樣180次；隧道上方東澳北溪支流水文量測13次；崩塌地地形圖測繪6公頃；地表塌陷測量3次；地表航照比對1式；地電阻影像剖面3,635公尺；折射震測探查1,380公尺；反射震測探查1,000公尺。

經地表補充地質調查作業成果初步分析研判與建議，簡述如下：

a.研判隧道地表西側為地下水主要之供應來源，於主坑西側打設迂迴坑應有排水之效。

b.由地表溪流之出現與消失，顯示有一地下水路連通至隧道。當湧水量突然減少時，有可能因湧水通路為崩塌材料堵塞，導致水壓持續上升，而代表有另一次突發性湧水之發生潛能。

c.最終崩塌規模與情況之確認，仍需進行水平長距鑽孔探查，以直接取樣崩塌段(斷層帶)之材料與量測水壓及水量，另應採大口徑鑽孔予以排水降壓。

d.研判往北區段仍有相當長度為高裂隙且具湧水可能之劣質岩盤。

四、水平長距離鑽探及成果

水平長距離鑽探累計完成10孔，深度為85.2∼427.4公尺之間，總鑽探深度達2,100公尺，期間分別遭遇35∼50kg/cm²之高水壓與3∼9m³/min之湧水量，由獲取之岩心與湧水層區段與地電阻探測資料比對，至為吻合。（詳圖二水平長距離鑽探作業及圖三水平長距離鑽探作業孔口出水情形） 

	圖二　水平長距離鑽探作業
	圖三、水平長距離鑽探作業孔口出水情形

 五、地表補充地質調查與水平長距離鑽探綜合研判分析

1.依據所獲取地質資料綜合研判分析如下：

(1)隧道內主要湧水係由西側遠處較高之地下水頭提供來源，非僅由隧道上方地表溪流所滲漏而下：

a.湧水層大部份為角礫狀或多孔狀之大理岩。

b.湧水壓可高達50kg/cm²遠超過相當隧道覆蓋高度之水頭壓力(覆蓋約260m)。

(2)東側湧水區段長度較短，壓力較低有較佳之水文地質狀況。

a.東側水壓20kg/cm²水量10m³/min，類似之湧水狀況，北宜雪山隧道有處理及突破經驗。

b.如採東側(NE線)對工程處理應較有信心。

(3)主隧道東側之地下湧水量及水壓狀況較西側為低。且主隧道及西側迂迴坑湧水已有相當時日，應具洩水降壓功能，惟仍需增作大口徑鑽孔排水以洩降水壓。

(4)東側前方確實地質狀況仍需藉由水平長距離鑽探確認。

a.初步顯示有較佳水文地質條件。

b.湧水區段較短，湧水壓力及湧水量較小。

(5)若採取由崩壞之開挖面修復，將冒極高之地質與工程風險，採東側繞行應較為安全妥切。

2.學者專家建議

東部鐵路改善工程局依所獲取地質資料綜合研判，及邀集國內外學者專家作數次研討建議事項如下：

(1)開挖過程中如遇大量地下水，或屬綠色片岩時應儘速灌漿。

(2)主坑崩塌處仍需作後續處理。

(3)西側迂迴坑可做為永久排水廊道，紓解東側(NE線)前進開挖風險。

(4)咸認將路線改至東側應屬可行。

(5)路線改移後高壓湧水破碎帶區段，永久結構之斷面、材料應重新考量設計並於完工後辦理隧道長期監測工作。

因應處理之後續計畫

  本隧道施工所遭遇之困難遠超過規劃設計所預期，東部鐵路改善工程局均經依照學者專家的研討結論，持續辦理各種檢測與調查，並依所得結果做後續調整與修正，以利發揮新奧工法邊做邊設計之特色。北迴雙線新永春隧道南口災變之高水壓情況為國際隧道工程界施工上所罕見之紀錄，災變處理經費與時間將甚為可觀。高水壓、湧水及高岩覆無法以現今之科技經濟有效掌握多變之地質，致無法於預先作適切有效之處理。東部鐵路改善工程局考量高水壓及水量洩降施工之可行性，改移至東側路線施工應為最佳之選擇。