台湾隧道设计与施工(2)

台湾隧道设计与施工

張吉佐 侯秉承 張博翔 : 隧道設計與施工

回顧台灣隧道工程發展的歷程，正如人類文明的進展，總是不斷地與時俱進，對圍岩行為的了解也是經過不斷地經驗累積，才有今日的基本認知。從早期先民憑藉著毅力與勇氣，一步一腳印地開闢隧道，當時對圍岩的認知只得聽天由命，也因此作業安全常面臨重大的考驗；而後Terzaghi的「岩壓理論」（rock load method）於西元1946年提出，主張作用於隧道之岩體荷重，大致與隧道跨度及高度等尺寸成正相關，而與覆蓋厚度無關。此一概念的誕生，將台灣後續的隧道發展帶入了一個新紀元；直至西元1962年，嶄新的新奧工法（NATM，New Austrian Tunnel Method）所強調的「限制變形理論」於國際上提出並迅速發展，才演變成至今隧道施工的主要概念。其精神在強調隧道圍岩之應力狀態會於開挖過程中重新分佈，當岩體經過適當變形以調適新應力場後，自身即具備因地質狀況而定之自承能力，故為維持隧道穩定，僅需給予補助性之支撐措施，俾加強圍岩強度使其形成一承載拱圈，即可確保隧道不致引發漸進破壞。（圖2.1）

三、支撐系統之發展

伴隨著Terzaghi所提出的岩壓理論，在1950年代後期至1970年代之間，隧道支撐構件已逐漸由鋼支保取代木支保，以抵抗隧道頂拱可能產生之岩石荷重，支撐設計上屬於剛性支撐之觀念，即利用尺寸較大、剛度較強的構件，如：重型鋼支保配合矢板、楔塊，以確保隧道穩定。此一支撐設計法又稱美國鋼支保工法（ASSM），相較於現今的支撐技術，亦稱為「傳統工法」。

至於自1970年代後期迄今，隧道施工的主流已由傳統工法所代表的剛性支撐，逐漸蛻變成新奧工法所倡導的半剛性支撐。西元1982年東線鐵路拓寬工程之自強隧道，為台灣首次全面採用此一支撐系統之案例。所謂半剛性支撐系統係以噴凝土、輕型鋼支保與岩栓作為主要支撐構件（圖3.1）：其中噴凝土扮演著關鍵性的角色，此元件能在開挖初期迅速地噴附於開挖面，並於短時間內形成一薄殼狀結構，配合後續施工的輕型鋼支保與岩栓等構件，形成一完整而具有基本約束力的承載拱圈，使岩盤本身在經過適當變形後，得以在支撐系統與岩盤自持力間尋求一穩定之平衡點，以確保隧道安全。此外，這種支撐方式常配合靈活的開挖方式進行，即視地盤好壞，彈性運用台階開挖或導坑開挖，藉由縮小一次開挖之斷面積俾確保隧道穩定；而配合計測回饋分析的「邊施工、邊設計」（on-going design）之施工理念，更是半剛性支撐系統為因應複雜而多變之地質條件，所強調之基本概念。

圖2.1 限制變形理論與岩壓理論比較圖

[1]圖3.1 半剛性支撐系統 四、開挖工法之發展

台灣最早期之隧道工程，因規模較小，主要係用人工以鋼杵、鎚子等工具鑿洞開挖，施工方式較為原始、開挖速度有限、施工作業亦較為危險。

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