文／楊嘉慧
審稿／台灣大學土木工程學系教授 黃燦輝
全島面積不到四萬平方公里的台灣，因地殼被擠壓抬升而形成的山脈，縱貫全台南北，3000公尺以上的山脈更超過200座，因此到處可見山嶽隧道，然而開挖山嶽隧道不僅要考慮山脈壓在隧道上的力量，還要防止岩體軟弱或結構不良等帶來的危險。面對這些難題，工程人員如何防止隧道垮下來？
From：《科學人》知識報
開闢道路時常需要穿山越嶺，開挖山嶽隧道是必要工程。台灣地質年輕，且受到歐亞板塊與菲律賓板塊的擠壓，節理錯綜複雜，斷層厚度不一，又有許多破碎帶或軟弱砂泥層岩體，挖到地質結構不良處，若沒妥善處理，很可能造成坍塌。
台灣大學土木工程學系教授黃燦輝表示，由於每座山脈的狀況不一，開挖的第一步是對山體進行各種「診斷」，以選擇適合的開挖方式。一般會先施以非破壞性的檢測法，例如震測法、地電阻法、透地雷達等，以便瞭解地質情況，有時也會直接鑽探，取一些地質樣本來檢驗。不過，即使已對疑似斷層破碎帶、含大量水等地帶進行診斷，但由於地質變化複雜，且儀器的精確度尚無法達到100%，因此山嶽隧道施工期間還是免不了發生事故，例如雪山隧道開挖過程中，即曾發生過30餘起坍塌意外。
開挖隧道時，會分成許多小段掘進，每次長度約只有1~2公尺。最傳統、最常用的方式是「鑽炸法」（Drill & Blast Method），即在開挖面鑽孔，再埋設炸藥引爆，藉由爆炸快速釋放的膨脹力以及氣壓等衝擊岩體，使之破裂。
黃燦輝表示，為防止隧道壁的岩體因爆炸導致結構不良，或炸出的孔洞嚴重超出開挖線，施工人員會在開挖面上，巧妙安排放炸藥的地方及每個火藥劑量，以達到均 滑爆破（smooth blasting）。方法是爆破前先佈孔，即設計炸藥孔的疏密位置，典型的佈孔設計分成兩部份（見右圖），一是沿著開挖線邊緣鑽的「周邊孔」，另一部份則 是靠近中心的「炸藥孔」。一般而言，靠近中心部位是要把整個岩體炸開，較不需考慮爆炸後的美觀，因此所佈的炸藥孔較少、間隔疏、炸藥量較多；而周邊孔炸出 的範圍要儘量控制在開挖線上面，每個炸藥孔放置的炸藥量不宜太多，所以鑽孔數相對較多，間隔也較密。引爆時，並非同時炸開，而是由中心逐漸向開挖線一層層炸開。
開挖隧道有時會與機器並用，例如全長12.9公里的雪山隧道施工時，便是使用鑽炸法搭配「全斷面隧道鑽掘機」（Tunnel Boring Machine，TBM）開挖。TBM是利用旋轉切削頭對岩體連續切削，速度比鑽炸法快6~8倍，適用於地質均勻地段，若遇上不同岩石硬度，則必須更換不同切削頭。如果挖到地質破碎帶，切削頭可能會卡住，機身也會遭岩石夾困；如果出現大量湧水，機器更會淹水受困，甚至故障，因此TBM雖具有速度快、所需人力少的優點，但卻無法完全取代鑽炸法。
借力使力，岩體本身也可做支撐
洞口挖開後，岩體雖然會出現缺口，但因為掘進深度很淺，還不會馬上坍塌，此時施工人員會儘速清除碎岩塊及壁上的鬆動岩塊，並隨即做人工支撐，以免岩體崩落。支撐分兩次進行，先做一次支撐，著重隧道結構安全，便於施工人員施工；接著再做永久支撐（襯砌），進一步加強隧道結構，以及做防水處理、通風口、外觀修飾等。
黃燦輝表示，一次支撐有傳統工法與「新奧工法」（New Austrian Tunnel Method）。傳統工法是使用混凝土與重型「鋼支保」（即以鋼做成的支撐保護構件）等，來支撐系統抵抗岩體由上往下的荷重，由於下方沒有橫向支撐力量（見下圖），久了之後，鋼支保靠近地面的垂直部份會向洞口方向變形，工程人員才發現應力並非只有原先以為的垂直重力作用，還有側向力。
為了抵抗側嚮應力，1960年代，國際間開始推廣新奧工法，而台灣在1980年代才採用此法，目前已成為國內隧道施工主流。新奧工法的主要概念是利用岩體本身來承受岩石應力。開挖後，先架設輕型鋼支保及鋪設鋼線網於四周岩壁上，接著噴射噴凝土（即混凝土用噴的，裡頭含特殊化學劑，可使混凝土在短時間內變乾），形成一層薄殼狀圓拱，以發揮支撐功效，而其中的鋼線網則具有抗拉、抗彎的能力。
不過，噴凝土及輕型鋼支保還無法發揮強大的支撐力量，尚需打入長度夠長的岩栓，讓層狀岩體固定而不致產生滑動，並串結外圍的岩塊，使其可產生較大的支撐力（見下圖），其原理就像拱橋一樣，是利用岩石本身的承受力量，即讓岩石分割成數塊，每塊岩石的應力可被兩邊岩拱撐住。
以新奧工法進行的一次支撐，施工過程為每前進一小段做一段支撐，等隧道挖通並穩固整個隧道結構後，才會做襯砌。襯砌會用鋼模、混凝土加強結構，同時鋪上不 透水的帆布做防水層，並用會吸水的不織布做成帶狀的排水帶，將地下水導引至排水溝，保持隧道乾燥，最後進行外觀修飾。如此，一條堅固的隧道便告完工。
| 藏在馬路下的都市隧道 城市中最常見的隧道是隱身在道路下方的土壤隧道，例如地下道、捷運、地下水管等。土壤隧道的開挖方式與山嶽隧道不同，情況較為單純，原因是城市的地質多為 沉積岩，近乎水平，且必須偵測的含水層位置、深度等，離地表近，可以用儀器精確測出。土壤隧道主要有兩種開挖方式，一種是「明挖覆蓋」，做法如同挖地下 室，沿路將隧道上方的土挖出來，四周的隧道壁同時要以鋼筋混凝土做類似擋土牆的連續壁，並做樑柱支撐，防止隧道壁垮下來，之後再以水泥板及以碎石頭、沙等 依比例調配的「級配料」填平路面。 早期開挖的台北捷運，例如忠孝東路一帶，便是使用此工法，但由於對交通影響甚大，後來開挖的捷運都採用另一種「潛盾工法」。潛盾工法是將隧道分成好幾段，每段前後各鑿一個井，再將潛盾機深入井內鑽洞，有時隧道會從河川底下經過，施工人員還必須輔以其他工法，如於隧道壁灌漿，防止河水滲漏。鑽掘時，每完成一段，就用鋼筋、水泥等做成一環一環的預鑄板支撐，最後各段連接起來就成為隧道。 在台灣，土壤隧道大部份都是沿著馬路下方開挖，不會穿過房子下方，因此較少影響房屋結構，也較沒有 土地所有權的問題。若遇到多條運輸線交叉在同一處，例如台北市北門附近同時有台鐵、捷運、高鐵經過，其施工困難度相對提高，一般而言，較晚開挖的隧道會從 較早開挖的隧道底下穿過。施工時，尚需在已蓋好的建築物、地面及正在開挖的隧道里，埋入很多儀器，以量測地殼變形、水壓變化等，防止上層隧道結構遭破壞。換言之，不論是山嶽隧道或是土壤隧道，施工人員都要戰戰競競，在黑暗的洞裡努力奮戰！ |
