卵礫石山岳隧道降水及防水處理探討(一)
☆陳正勳 ☆☆侯嘉松
摘要
台灣地區卵礫石層主要分佈於林口、桃園、新竹、苗栗、台中、八卦山、高雄及台東附近，許多公共建設如捷運、高速鐵路、東部公路等山岳隧道將或可能通過此種層次，其隧道施工與一般岩盤隧道有相當差異，而依據國內外相關案例經驗，地下水多寡對於卵礫石隧道穩定有重要影響，本文首先由瞭解地下水及卵礫石工程特性，卵礫石隧道可能遭遇之地下水問題及對策，卵礫石隧道湧水量之調查評估，進而探討適用於卵礫石山岳隧道施工階段之降水處理方法，包含(一)點井及深井(二)開挖面前進鑽孔(三)排水隧道(四)真空抽水(五)止水灌漿(六)壓氣工法、冰凍工法等，及營運階段之防水等級考量、防水方法，文中之防水方法並介紹國外常用之防水混凝土，以期供後續工程之參考。

一、前言

         台灣卵礫石層主要分佈於西部之林口礫石層、頭嵙山層、六龜礫石層及東部之卑南山礫岩層，按美國統一分類法，卵礫石為粒徑大於四號標準篩(4.76mm)之石料，4.76mm~75mm稱為礫石，75mm~300mm稱為卵石，台灣大學鄧屬予教授(民國八十五年)指出通常在地表堆積的鬆散未固結者稱為礫石，曾經被埋藏到地下而壓實者稱為礫岩，被埋藏到10公里以下而變質者，稱為變質礫岩。一般於卵礫石層中之地下結構物構築，可考量明挖覆蓋法、潛盾工法及新奧工法等，於覆蓋較深地區之則較常採用新奧隧道工法。台灣早期卵礫石隧道有南勢鐵路隧道及東線鐵路拓寬岩灣隧道(謝玉山等人，民國85年6月)，目前國內施工中及將開工之卵礫石(礫岩)新奧工法隧道包括公路局東西向快速公路八卦山隧道(單向約5公里，雙向約10 公里)、高速鐵路林口隧道(長約6.4公里)、高速鐵路湖口隧道(長約4.3公里)、高速鐵路八卦山隧道群(最長隧道長約7.4公里)、台北捷運新莊線新莊機廠山岳隧道(設計中，長約400公尺)、國道東部公路花東段規劃中之部份可能經過卑南山礫岩隧道(路線尚研擬中)及未來之台中捷運、新竹捷運、桃園捷運等(如圖一)，其工程數量可預期相當龐大。卵礫石層隧道之工程特性與岩盤隧道不同，其岩體(地盤)分類亦不同，其中地下水是否存在對於卵礫石層隧道開挖難易有重要影響，地下水將使卵礫石層強度弱化，造成隧道開挖面崩落或流動(flowing)，但無地下水時其開挖面常穩定站立，故卵礫石層隧道之地下水處理相當重要。

二、卵礫石層之透水特性

2.1地下水之工程思維
         水的存在對於不同領域，有相當有趣不同之看法，水對於民生及灌溉相當重要，對於水力發電工程營運階段而言，希望有較多水以利發電營利，而對於一般土木工程如隧道、邊坡、深開挖等設計及開挖，地下水之降水為第一要務，以避免人員及機具施工之困擾，對於卵礫石隧道而言，地下水將造成地盤強度降低，使開挖面無法自立，且其透水性較佳，造成隧道內積水，更增加施工困難度。

圖一 台灣施工中及將開工之卵礫石隧道		          土壤水一般分為吸著水(Absorbed water)及重力水(Gravitational water)兩種，吸著水係以極薄之水膜包圍土壤粒子之表面，與地下水位之變動無關，同時亦不執行水壓之傳遞，重力水可分為自由水(Free water)及毛細管水(Capillary water)，重力水具有傳遞水壓之功能。重力水又可分為自由表面水及地下水，自由表面水是指雨水及河川等地表逕流，地下水則指地層內水面下的水，地下水為一般工程處理的對象，依蔡茂生(地工技術雜誌第十二期，民國七十四年)之建議，地下水之性質由下列四項要素決定：
         (一)水壓－由水頭高度而定，影響出水量之大小及開挖面之穩定性。地下水壓力亦稱為「水頭」，分為1.位置水頭2.壓力水頭3.速度水頭4.毛細管水頭等四類。
         (二)水流－由壓力差、地質滲透性而定。依流動狀況可分為穩定流(適用Darcy’s law)及非穩定流。
         (三)水質－化學性質(鹽份、礦物質等含量)為土壤改良方法(尤其是灌漿材料)之重要參考因素。
         (四)水量－由水壓、水流、地下水之補給範圍而定。
                 所以在處理地下水的問題時，可以由水壓、水流、水質及水量等四方面加以思考解決。

2.2卵礫石層之透水特性
         台灣地區卵礫石層之粒徑分佈頗大，北部地區之礫石粒徑較大，礫石含量較低，細粒料為粉土及砂，而中部地區之礫石含量較高，細粒料多為砂質土。在解決卵礫石層隧道之地下水問題，除地下水之考量外，卵礫石層之滲透性亦為另一主要重點，日本卵礫石層明挖工地及潛盾隧道案例，其透水係數常介於10-1~10-2cm/sec，台灣一般卵礫石層之透水性亦高，其透水係數約為10-2~10-4cm/sec，依既有資料，台灣卵礫石層透水係數如表一~表三
所示，其透水係數較一般岩盤為高，故其地下水處理甚為重要，而卵礫石層隧道之滲水為一全面性之現象，與岩盤情況不同，且僅在隧道遭遇或穿透局部含粉土、粘土或凸鏡體時，隧道面才會發生局部集中地下水流出。

表一 台灣卵礫石層透水係數一覽表
項次 位置 地質概要 試驗方式 透水係數(cm/sec) 參考文獻
1 台北盆地 景美層
(砂質礫石)		 多井現地抽水試驗 (導水係數0.12~0.18m2/sec

儲水係數 0.001~0.004)		 詳參考文獻四
2 林口分區 林口層
(砂質礫石層)		 現地抽水試驗 3.76×10-3 詳參考文獻五
3 桃園分區 礫石台地堆積層 現地滲透試驗 4.5×10-3~1.8×10-5 詳參考文獻六
4 新竹分區 頭嵙山層
(紅土礫石)		 － －  
5 苗栗分區 頭嵙山層
(紅土礫石)		      
  鐵路三義隧道 頭嵙山層
(紅土礫石)		 現地抽水試驗 10-2~10-4 詳參考文獻七
  大安溪中游河床 卵礫石層 鑽孔之定水頭透水試驗 10-1~10-2 詳參考文獻八
6 台中分區 頭嵙山層
(卵礫石層)		 現地透水試驗
現地抽水試驗		 10-2~10-4(導水係數0.5442~1.212m2/min，參考表二及表三) 詳參考文獻九
7 大肚分區 頭嵙山層
(卵礫石層)		 現地滲透試驗 5×10-3~2×10-4 詳參考文獻六
8 八卦山分區 頭嵙山層
(卵礫石層)		 現地滲透試驗 1.87×10-3~3.87×10-4 詳參考文獻六
9 高雄分區 六龜層
(礫石層)
更新世嶺口礫岩		 － －  
10 台東分區 卑南山礫岩 鑽孔之變水頭透水試驗 1.279×10-3~4.659×10-5 詳參考文獻十

表二 台中盆地之地層係數資料統計表
地層係數

地形分區		 平均水深 d 卵礫石層
厚H’		 飽和含水
層厚H		 導水係數
T(m2/min)		 透水係數
K(cm/sec)
(m) (m) (m) 修正前 修正後 個別 平均
盆地北部 I大甲溪(豐原)沖積扇 30 150 120 0.953   1.51*10-1  
0.86 7.863 1.14*10-1 1.09*10-1
0.53   6.25*10-2  
II太平沖積扇北部 25 150 125 0.308 2.26 3.03*10-2 3.03*10-2
III筏子溪北部 40 110 70 0.235   2.53*10-2  
0.746 1.792 6.02*10-2 4.28*10-2
IV筏子溪南部 10 75 65 0.167   2.21*10-2  
0.199 0.793 1.87*10-2 2.04*10-2
盆地南部 V太平沖扇南部 5 150 145 0.151   4.24*10-2  
0.283 3.248 5.05*10-2 1.02*10-1
0.363   1.44*10-2  
VI烏溪沖扇北部 5 130 125 0.727   1.21*10-1  
0.277 7.663 5.19*10-2 1.02*10-1
0.694   1.33*10-1  
VII烏溪沖積扇南部 15 150 135 1.95   3.93*10-1  
3.03   4.32*10-1  
0.69 22.275 1.75*10-1 2.74*10-1
1.316   3.48*10-1  
0.128   2.25*10-2  
VIII南投平原 10 110 100 0.037 1.07 2.88*10-2 2.88*10-2
IX 盆底流出部分 5 40 35 0.752   1.36*10-1  
0.419   8.47*10-2  
0.29 3.269 5.46*10-2 1.56*10-1
2.06   3.47*10-1  
註：資料來源－台中區域地下水調查研究報告，經濟部水資會，民國六十四年四月，轉摘自住宅及都市發展處「台中捷運路網沿線第一期地質鑽探與試驗報告」，民國八十八年四月。

表三 台中捷運現地抽水試驗成果表
試驗位置 導水係數T(m2/min) 透水係數K(cm/sec) 地質狀況
定量試水 回升試水 平均值 平均值
台中市中港路及文心南路路口附近 0.727 0.7322 0.7296 0.0608 卵礫石夾中粗砂
0.992 1.236 1.114 0.0928
1.033 1.391 1.212 0.101
台中縣大里市大明路及國光路路口附近 1.206 0.4853 0.8455 0.0564 卵礫石夾中粗砂
0.6469 0.4415 0.5442 0.0363
0.8095 0.3751 0.5905 0.0394
註 1.K=T/LS式中LS為濾水管長度。
     2.本表取自住宅及都市發展處「台中捷運路網沿線第一期地質鑽探與試驗報告」，民國八十八年四月。

三、卵礫石層隧道可能遭遇之地下水問題及對策

         地下水常為卵礫石層隧道施工成敗之關鍵因素，當隧道位於地下水位上方時，由地表入滲之雨水可經由隧道內之臨時排水設施排除，唯若隧道位於地下水位下方時，由於卵礫石層之透水性甚高，預期隧道內將遭遇大量地下水，且若礫石層夾有透水性差之泥層凸鏡體時，滲水將沿礫石及凸鏡體之界面滲出，暴雨或地下水位造成水位過高時，水將沿界面大量湧出，降低側壁及頂拱之自立性，並於隧道內造成大量積水及仰拱泥濘難行，影響施工。因此，隧道開挖側壁出現之層面必須設置適量之排水管以防噴凝土剝落，施工期間隧道內更必須設置排水溝以防仰拱積水泥寧，於隧道通過高地下水位區域，更必須慎防大量湧水，必要時須先行施作前導水管，以降低開挖前進面之水壓。卵礫石層在遭遇滲(湧)水時，因開挖面全面滲(湧)水，卵礫石間之砂或粘土等充填基質將有軟化或流失之情形。
         由東西向快速公路八卦山隧道施工之現場經驗得知(何泰源等人，民國八十九年)，若卵礫石等粗顆粒含量多且膠結良好時，即使整個開挖面滲水亦能保持穩定；但若開挖面砂土含量多時，即使僅有少量的滲水也能造成開挖面土砂之流動。另一方面，滲水量愈大開挖面穩定性愈差，反之滲水量愈小開挖面愈穩定；而滲水位置對開挖面穩定之影響，於支保腳附近滲水時對開挖面之穩定影響不大，隧道起拱線以下滲水時已顯著影響開挖面穩定，隧道起拱線以上、頂拱（不含）以下滲水時，對開挖面穩定之影響很大，全斷面或頂拱滲水時，對開挖面穩定之影響最大。顯見卵礫石層在遭遇滲(湧)水之狀況下，地盤之自持能力有弱化之情形，於覆土厚度較小時，頂拱之變形量較側壁為大，當覆土厚度超過四倍隧道開挖寬時，頂拱與側壁之變形量相近。
         地下水位如位於隧道頂拱上方，於施工及完工階段可能有下列不同之狀況。
(一)施工階段：
         卵礫石隧道地下水處理(控制)是必須的，此一處理措施須事先執行，以利開挖，並避免初始支撐系統遭受水壓載重。地下水位之控制有許多不同之方法可採用，惟必須取決於地層之透水係數、隧道上方之地層情形及降低水位之歷時關係。
         於實際設計中，隧道內襯砌所受之水壓力主要來自位於隧道四周地下水位，因隧道開挖需費時多年，降低地下水位是必然之措施，而其降水速率和隧道上方之地層性質有關(如滲透係數，儲留係數等)，滲透係數越大，降水速率越快；如隧道通過一較厚之不透水層，降低水位之時間將可能超過預期所需之時間，如此一來，未洩降水位之水壓力將由外襯砌或由隧道周圍之環狀結構(如灌漿環)所承擔。一般山岳隧道可能遭遇之湧水問題及輔助工法如表四及表五。
(二)完工階段
         隧道降水如可能對民生用水、灌溉用水產生重要影響，則隧道營運階段需設計為不排水隧道，如高速鐵路林口隧道採用全周式防水膜，以避免居民及農民之抗議，且隧道之混凝土襯砌需考量此地下水壓，但需注意的是營運階段之地下水位將由施工階段之低水位回升。如隧道設計為排水隧道，則隧道之排水系統需考量回升水位產生之湧水量，並考量與隧道外之區域排水系統銜接。

表四 山岳隧道可能遭遇之湧水問題
相關湧水問題 直接作用 可能造成之災害
滲入水 地盤的軟化
破碎帶，加速岩石剝離
粘土遇水膨脹		 土壓增大
側壁的崩壞及落盤的誘因
吸水膨脹，地盤不穩定
地盤的崩落，自立作用降低
湧水帶接近 止水壁的破壞 開挖面的崩壞及土壤流失
隧道被水淹沒
過小排水設備 排水不良 隧道內環境不良
支保基礎承載力降低
集中湧水 流速大，水深 相關機電設備淹水
作業危險
工事中止
地下水
持續流出		 地下水位降低 水源枯竭
使用水位降低(農業、民生用水、船運及漁業)
接近海岸之海水入侵及地下水鹽化

表五 山岳隧道遭遇湧水問題之輔助工法種類
工法 目的
確保施工安全 確保周邊環境安全
湧水對策 地表沉陷對策 鄰近構造物對策
湧水對策 排水隧道 ☉ 　 　
排水鑽孔 ☉ 　 　
深井 ○ 　 　
點井 ○ 　 　
灌漿 ☉ ○ ☉
止水牆 ○ ○ ☉
註：☉比較常用的工法。 ○：依情況使用的工法。

四、袪水設計所需之調查評估

         卵礫石層隧道在進行袪水設計前，首先必須進行詳細的現地調查評估，方能進行較完整的設計考量，一般地下水之地質調查包括(一)水文地質調查(二)水文環境調查(三)案例調查。
         水文地質調查包括：(一)地形及水系(二)卵礫石基本物理性質試驗(三)水文地質探查，水位觀測井、滲透試驗或抽水試驗(四)探查導坑、長距離水平鑽孔 (五)電阻影像剖面(RIP)法。
         地形及水系之水文地質調查乃一般隧道工程所需辦理之調查工作，只是預期湧水時更應詳細調查區域地質，尤其應包括地形，河川水系。針對湧水性地盤，區域地質調查應著重於測繪斷層線、不整合線、地層分界線、地質構造線變化部位、地下水等。探查導坑，為隧道沿線複雜地質處可採用之方法，探查導坑可在隧道內或隧道外佈設，且導坑亦可兼為排水用。長水平鑽孔，可用於施工前及施工中坑內探查湧水壓及湧水量。電阻影像剖面(Resistivity imaging profile，RIP)則係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，新永春隧道運用RIP於地下水預測上有不錯之成效，但RIP運用於卵礫石隧道仍待案例驗證其成果。
         水文環境調查包括水源調查及水利用調查，水源調查對象包括湧泉、河川、湖泊、蓄水池、井等。水利用調查對象包括上下水道、民生用水、工業用水、農業用水及其它。
         地下水調查後必須預估湧水量及水壓，一般之隧道水理行為預測流程如圖二，王文通(民國八十九年)提出評估方法有(一)水理統計法(二)水平衡法(三)解析法(水理公式法)(四)比擬法(五)施工超前預報法(六)數值分析法，其調查評估方法優缺點比較如表六所示。
         水理統計法係為基於河流枯水期單位流域集水面積上之逕流量，可視為是隧道通過地區地下水的單位面積逕流量，在此範圍內之地下水都流入隧道內，因此隧道之總湧水量可以近似地認為等於隧道集水面積乘以枯水期地表水之逕流量。
         解析法是用水井水理公式計算隧道湧水量。依隧道位置與底部不透水層間之相互關係，分為完整型隧道和非完整型隧道兩種形式。在計算公式中需先得含水層或受壓水層之滲透係數、含水層厚度、影響半徑等參數。
         比擬法適用於已開工之隧道，通過導坑開挖之實測湧水量推算主坑湧水量，或用主坑已開挖地段之實測湧水量推算未開挖地段之湧水量的方法，此法係在地盤比較均勻，比擬地段之水文地質條件相似，且湧水量與隧道體積成正比的條件下進行的。
         施工超前預報法是利用開挖後之出水量和開挖前鑽孔水噴距之一定比例關係，用噴距之大小預報開挖後之湧水量。此法可瞭解距工作面附近數公尺至拾幾公尺之地下水狀況，防止突發湧水事故之發生。
         數值分析法為以有限元素法利用熱傳導元素，模擬地下水位分佈，其分析步驟包括(一)研究區域網格化(二)決定各節點座標及元素之物理參數(三)決定邊界條件及邊界值(四)求取未知區域之地下水位值(五)進行軟體後處理分析。惟以數值模擬方法來解析地下水流問題，必須基於極多之現地資料，方能得到較精確之結果。未來隧道施工階段亦可依實際量測之湧水量與分析結果予以比較，並修正分析之水理參數及模式，以預測未來開挖之湧水情況，作為施工之參考，如圖三所示。李振誥等人(民國八十九年)提出隧道湧水量分析模式如圖四。
         此外隧道之地下水分析亦可運用地理資訊系統(GIS)所建立之立體模式進行分析。

            
圖二 隧道水理行為之預測流程圖

表六 湧水地盤評估方法(摘自王文通，民國八十九年四月)
評估方法 原理 限制 適用性
水理統計法 枯水期河流，流量由地下水補給，因此隧道總湧水量可近似等於隧道集水面積乘枯水期地表水逕流量。 需有鄰近河流枯水期流量紀錄。 在有河流枯水期流量紀錄處最為有利。
水平衡法 用水平衡法計算隧道湧水量，其控制因素包括降雨量、隧道集水面積、降雨入滲係數及滲流時間。 入滲係數無既有資料面需建立臨時觀測站取得。 在有降雨量、入滲係數資料處適用。
解析法 利用地下水動力學公式及一些經驗公式計算湧水量。 地下水動力學公式之假定，如滲透係數假定是單一的，實際上是千變萬化的。因此惟有在公式假定條件與實際情況接近時，估算湧水量可能較符合實際。 在岩盤岩性均質或構造簡單時湧水性地盤之隧道湧水量用解析法才能求得與實況接近之水量。
比擬法 由導坑實測及主隧道開挖之湧水量推主隧道及主隧道未開挖段之湧水量。 導坑實測段及已開挖主隧道湧水量實測段，其地質與主隧道預估段相似者才能求得接近實際湧水量。 適用於施工中的隧道。
施工超前預報法 利用開炸之炸孔湧水量與水舌噴出距離之關係求得湧水量；另亦可根據開挖排水鑽孔之水頭資料估算最大湧水量。 只能預測距開挖面幾公尺至十幾公尺的地下水湧水量。 適用於已施工中的隧道。
數值分析法 較常以有限元素法利用熱傳導元素，模擬地下水位分佈。其分析步驟一般包括(一)研究區域網格化。(二)決定各節點座標及元素之物理參數。(三)決定邊界條件及邊界值。(四)求取未知區域之地下水位值。(五)進行軟體後處理分析 分析採用之模式與參數較難由現地調查及室內試驗取得，且因水文地質變異性大，故分析模式較難正確的建立。 適用於設計或施工中的隧道，而其分析結果，可依隧道面之地質情況與施工中量測之隧道湧水量，再進行反算修訂如圖三。




參考文獻

1. 鄧屬予，台灣卵礫石層的地質背景，地工技術雜誌第55期，民國85年6月
2.謝玉山、劉琇琴，三義隧道卵礫石層段之施工探討，地工技術雜誌第55期，民國85年6月
3.蔡茂生，地下水問題概述，地工技術雜誌第12期，民國74年10月
4.鄒明忱、黃立煌、馮堯松、劉格非，礫石層水理參數探討，國際卵礫石層地下工程研討會，台灣台北，民國84年3月
5.中華顧問工程司，台北都會區大眾捷運系統新莊線新莊機廠DK197標設計標工程細部設計服務工作補充地質調查工作報告，台北市政府捷運工程局，民國88年1月
6.吳文隆、何泰源、林俊良，台灣地區卵礫石層之工程特性，國際卵礫石層地下工程研討會，台灣台北，民國84年3月
7.翁世樑、謝玉山、劉甡，中山高速公路下方之卵礫石層中隧道施工探討，國際卵礫石層地下工程研討層，台灣台北，民國84年3月
8.傅重焌、陳嘉男、李慶龍，台灣大安溪中游壩基河床礫石層止水幕灌漿工法探討，國際卵礫石層地下，工程研討會，台灣台北，民國84年3月
9.中興工程顧問股份有限公司，台中捷運路網沿線第一期地質鑽探與試驗，台灣省政府住宅及都市發展處，民國88年4月
10.中華顧問工程司，國道東部快速公路花東段地質鑽探報告，國道新建工程局，提送中