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蘭博電子報

052期-地質篇 (十四) 雪山隧道工程

文/圖:江協堂(國立宜蘭大學講師)

圖1 雪山隧道位置圖 雪山隧道穿過雪山山脈,連接頭城和坪林,總長度12.9公里 (地形底圖取自google map網站)
圖1 雪山隧道位置圖 雪山隧道穿過雪山山脈,連接頭城和坪林,總長度12.9公里 (地形底圖取自google map網站)

雪山隧道開通前,宜蘭與台北的交通主要有北宜公路(台九線)、濱海公路(台二線)和鐵路(宜蘭線)三條路線,從宜蘭市區經這三條路線至台北市中心行車時間大約2至2.5小時,早在民國58就有民間人士擬私人興建一條貫穿雪山山脈隧道的想法,以便將行車時間縮短至一小時以內,這個想法終於在三十多年後實現了。

 

連接宜蘭和台北的雪山隧道貫穿雪山山脈,連接頭城與坪林兩地(圖1),全長12.9公里,是全世界第五、東南亞第一大的長隧道,隧道分成兩個主坑與一個導坑,兩主坑橫斷面直徑約11.8公尺,可容兩車並行,因單一孔道雙向行車的安全較低,兩主坑隧道均採單向雙車道行車方式,因應隧道安全,每1,400公尺設兩主坑之車行聯絡道,共計8道,若有一隧道事故發生,隧道內車輛可經由聯絡道轉至另一隧道駛離事故現場。導坑位於兩主坑中間的下方,橫斷面直徑約4.8公尺,原為開挖主坑時,作為先行的地質調查坑道,隧道工程完成後改為隧道內事故救難備用道,平常不開放,導坑內每350公尺設有一人行聯絡道與兩主坑相連,共計28道。

 

雪山隧道於民國80年7月15日開始進行導坑工程,至95年6月15日全線完工,共費時約15年,施工期間多次遭逢隧道內大量湧水以及坑內坍塌,不但造成開挖機具浸水損壞、人員受傷,使工程進度受到嚴重阻礙,工程人員的信心也一度極為低落。

 

隧道內岩層坍塌與大量湧水的原因與岩石的破碎程度有關,工程單位陸續聘請國外專家前來會商,但結論大都傾向「地質條件不佳、施工困難」的說法,先天的地質缺陷形成難以抗拒魔咒,但最後工程人員還是克服了排水與坍塌問題,完成不可能的任務的工作,其艱難之程度超乎我們的想像,雪山隧道工程的完成不但達到原來的目的-縮短宜蘭到台北的時間,也使我國隧道工程的技術邁向另一里程碑。

施工法

雪山隧道的開挖不用傳統的炸藥爆破方式,而改採全斷面隧道鑽掘機(TBM)挖掘(圖2),因傳統的爆破方法在當時的技術每天只能進尺約1-2公尺,如此進度大約要花20年才能打通12.9公里長的隧道,TBM工作進度較快,每日進尺可達5-10公尺,其前端鑽機機身長約20公尺,鑽頭為一旋轉的切削轉盤(cutter head),轉盤上鑲嵌許多削石刀,使用研磨的方式強力將岩層磨碎,開挖出隧道的形狀和尺寸,後端整個作業平台長約100公尺,除可將碎石運出坑內外,並將開挖後的隧道固定混泥土環片、灌漿等,立即做好支撐設施,整個隧道開發工程一貫完成,施工期間無須爆破隧道內的岩層,因此安全性較高、工程成本也較低。

 

雪山隧道是我國頭一次使用TBM開挖的隧道,當時國內尚無使用TBM經驗,81年12月01日進入導坑開挖後,沒多久即碰到破碎帶,大量的湧水和坍塌使TBM動彈不得,以致工程進度與當初預估相差很多,諸多可惜。

 

TBM開挖時由頭城端開始,考慮的原因如下:雪山隧道設計上西高東低,坪林與頭城兩邊差百餘公尺,若從標高較低的頭城端開始,將來隧道內出水時,湧出的水可以順勢流出坑外,若由坪林開始,則隧道內的湧水需使用抽水設備 ,增加成本,萬一抽水設備故障將影響坑內機具和人員的安全。其次由低往高開挖,所出的碎石剛好可以反向沿下坡送出坑道,檢少運送機具之油料損耗,最後考慮環保問題,因西端的坪林位於翡翠水庫集水區,若從西端開挖,TBM產生的大量工程廢水,在處理不當情況下恐會影響水庫的水質。

圖2 全斷面隧道鑽掘機(TBM)外觀
圖2 全斷面隧道鑽掘機(TBM)外觀

沿線地質與施工困境

圖3 雪山隧道沿線地質剖面圖 隧道西高東低,總共貫穿鶯仔瀨、倒吊子兩個向斜構造以及金盈等6個斷層,其中5個斷層集中在東口附近,地層破碎造成大量湧水。
圖3 雪山隧道沿線地質剖面圖 隧道西高東低,總共貫穿鶯仔瀨、倒吊子兩個向斜構造以及金盈等6個斷層,其中5個斷層集中在東口附近,地層破碎造成大量湧水。

雪山隧道總共穿越6條斷層以及兩個向斜地層構造(圖3),向斜為地層擠壓產生摺皺時,凹彎朝上、兩側地層均往中間傾斜的構造,向斜軸部通常是地層最低的位置,因此地下水容易集中在該處,故隧道通過向斜軸部時,需特別當心地層出水的問題(圖4)。

 

雪山隧道穿越的6條斷層中有5條均為在東口附近,形成斷層密集、岩石非常破裂的地質結構,這些斷層雖然都不是活動斷層,沒有再度活動的疑慮,但破碎的地層在隧道開挖過中,時常發生塌陷,總計施工期間導坑和主坑崩塌共64次,TBM被夾埋次數也有26次,這些不穩定的岩層,對隧道施工進度和安全造成很大的困境。

 

雪山隧道經過的地層由年代已數百萬至三、四千萬年的砂岩、頁岩所組成,一般頁岩的岩性較軟、砂岩的岩性較硬,各地層中又以漸新世的四稜砂岩最堅硬,四稜砂岩分佈在雪山隧道的東段,水平寬度約3.5公里,岩層中含粗顆粒的石英(圖5),石英硬度高達7,是一般常見礦物中硬度最高者,四稜砂岩在地底下未出露地表前,歷經較高的溫、壓環境,岩性已呈現輕度的變質作用,顆粒間的膠結變的更緊密,不容易被磨碎,這是TBM面臨的一大挑戰。雪山隧道的東段,岩層質地堅硬,又有許多破裂帶易發生坍塌,是整條隧道施工最艱難的部分,最後結合傳統人工鑽炸施工,才克服這道地質難題。

圖4 摺皺地層的向斜、背斜構造示意圖 向斜構造區兩側的地層均往中心傾斜,因此地層中的水容易往軸部集中,隧道開挖若經過向斜軸應防範隧道內漏水問題。
圖4 摺皺地層的向斜、背斜構造示意圖 向斜構造區兩側的地層均往中心傾斜,因此地層中的水容易往軸部集中,隧道開挖若經過向斜軸應防範隧道內漏水問題。
圖5 四稜砂岩 圖中白色為岩層裂縫中地下水充填的石英,硬度為7,四稜砂岩的組成含大量大顆粒的石英,故岩性非常堅硬,不易開挖。
圖5 四稜砂岩 圖中白色為岩層裂縫中地下水充填的石英,硬度為7,四稜砂岩的組成含大量大顆粒的石英,故岩性非常堅硬,不易開挖。

隧道開挖對附近地下水的影響

一般隧道開挖到含地下水豐富的地層時,因施工關係,地層中的滲水必須引出隧道,若引出的水量很大,有可能對附近居民使用的地下水產生影響,常見有水井水位下降、水井枯竭或水質混濁等,雪山隧道在開挖前,已在隧道的地表附近鑽探數十口水位監測井(圖6),以觀測在隧道施工期間水位的變化情形。

圖6 雪山隧道開挖時所鑽探的水位監測井位置(紅色實心圓) PH-25的水位資料能反映TBM在導坑內受困時,隧道內湧水導致水位下降的情形。
圖6 雪山隧道開挖時所鑽探的水位監測井位置(紅色實心圓) PH-25的水位資料能反映TBM在導坑內受困時,隧道內湧水導致水位下降的情形。

 

其中PH-25井位於北宜公路旁、雪山隧道的正上方,標高372公尺,初期的地下水位約15.5公尺,83年11月至85年11月該井的地下水位高程(標高減去地下水位)變化顯示(圖7),在TBM第九次導坑內受困、隧道內大量湧水期間(84年2月至9月)地下水位高程由360公尺降低至約345公尺,很明顯的,隧道內的湧水使上方的地下水位下降,但9月後,導坑灌漿止水施工完畢,地下水位便慢慢升高,因此隧道的開發對附近地下水有一定的影響,但開發完成並進行灌漿止水後,地下水位可能慢慢回復到原來的高度。

 

另外,有些人擔心雪山隧道的開發是否會影響翡翠水庫的進水,估計雪山隧道全部的湧水量約佔水庫進水量的2%,且隧道內大部分的湧水都集中在東端,因此大部分的專家都認為影響不大。

圖7 PH-25井(位置見於圖6)於TBM受困期間,導坑內出水時之水位變化圖 水位資料顯示在TBM鑽遇破碎帶導致出水時,地表水位受影響而下降約20-30公尺。
圖7 PH-25井(位置見於圖6)於TBM受困期間,導坑內出水時之水位變化圖 水位資料顯示在TBM鑽遇破碎帶導致出水時,地表水位受影響而下降約20-30公尺。

隧道內的漏水問題

雪山隧道開挖時的湧水問題大都集中在東端3.5公里的區段,該區段主要的地層為乾溝層的硬頁岩、四稜砂岩,這些地層因有數條斷層通過,造成岩層有多處的破裂,在隧道開挖到這些破裂帶時都產生大量的抽坍和湧水,使工程進度延宕。

 

當隧道完成後,這些破裂帶都完成灌漿、排水等補強措施,然而這些地質脆弱的地帶日後是否會再度漏水並影響行車安全,這是大眾非常關心的議題,雪山隧道在通車不久即發生漏水問題,經有關單位聘請國內外專家勘查後,認為漏水是隧道櫬砌後方的阻水膜施工不佳所致,跟結構體沒有關係,但是台灣位在地震帶上,雪山隧道通車至今尚未經歷大地震的考驗,結構體是否可承受地震的搖動仍然未知,目前只有持續監測櫬砌(隧道內的水泥壁),觀察隧道是否會變形,才能減少大眾的疑慮。

 

雪山隧道工程之艱辛世界罕見,它的完成代表國內的隧道工程技術又更上了一層樓,然而對民眾來說,日後的行車安全才是最重要的,有關單位除了注重隧道內交通安全的宣導外,對隧道主體結構的監測也是保障用路人安全的方法之一,雪山隧道是否安全?只有等待下一個大地震來檢驗了。

參考文獻

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