阿里山森林鐵路隧道復建工程設計與施工簡介

□劉弘祥／中興工程顧問股份有限公司
□魏銘輝／中興工程顧問股份有限公司
□黃崇仁／中興工程顧問股份有限公司
□連祥益／農業委員會林務局嘉義林區管理處
□沈宜慶／農業委員會林務局嘉義林區管理處
□廖一光／農業委員會林務局嘉義林區管理處

摘要
        2009年8月8日莫拉克颱風重創南臺灣，嘉義阿里山區72小時之累積雨量高達3,000mm以上，百年歷史的阿里山森林鐵道因沿線路基嚴重流失而停駛。其中二處大崩塌路段之復建工程以順應自然為原則，採取迂迴隧道方式避開崩塌區，沿線需克服地質變化及地下水問題，評估結果以鑿岩機工法及鑽炸工法進行開挖。二座隧道之西口段崩積層分別長達109.8m及99m，為隧道開挖階段之關鍵工作。隧道開挖支撐設計係依據「台灣岩體分類與支撐系統(PCCR系統)」及新奧工法之理念，沿線採用先進支撐材料包括先撐管冪鋼管、桁型鋼支保、鋼纖維噴凝土及自鑽式岩栓等，除了可確保施工安全外，亦可提高施工進度。目前二隧道均已完工，開挖期間變形量控制均符合安全，說明隧道採先進支撐方式穿越破碎崩積層段之成效良好，可做為相關工程設計之參考。

一、前言

        國寶級的阿里山森林鐵路是全世界著名的高山鐵路之一，2009年8月8日之莫拉克颱風重創南臺灣，嘉義阿里山區之累積雨量高達3,000mm以上，造成數十處路段之上、下邊坡整體崩滑，鐵道路基流失，迫使森林鐵路中斷行駛。其中以Sta.49k+780~50k+100(以下簡稱多林段)及Sta.60k+550~61k+450(以下簡稱屏遮那段)兩路段最為嚴重，多林段崩塌最大橫向寬度約550m，鐵道遭上方邊坡崩落巨石掩埋及損毀如圖1所示【1】；屏遮那段崩坍區縱向長度達2km，最大橫向寬度達800m，崩坍範圍內鐵道Sta.60k+500~61k+300路基全數流失如圖2所示【2】。
        為使阿里山森林鐵路能全線安全復駛，復建工程以「順應自然、尊重自然、不對抗自然」為原則，採取迂迴隧道方式避開大型崩塌區，調整後之隧道路線如圖1及圖2所示【1】【2】，其中多林段隧道總長約487m，最大覆蓋厚度約100m，屏遮那段隧道總長約1,165m，最大覆蓋厚度約80m，隧道穿越之地層主要以崩積層、砂岩及砂頁岩互層等性質不同之地層。

二、地形與地質

(一)地形
        計畫區大部分區域高度在1,500m以上，於塔山附近可高達2,663m以上。計畫區內地形由東部阿里山森林遊樂區向西逐漸降低，地貌皆為高山坡地，地表植被皆因大規模沖刷，表土或表面岩塊皆已流失或崩落，於坡面地表分佈組織疏鬆、緊密程度不一之厚層崩積層。而崩坍區外之地表地貌主要為高山闊葉林部份淺根系之竹林所覆蓋。
(二)地質
        計畫區位於阿里山山脈南緣，於台灣地質分區屬西部麓山帶地質區，此地質區地層經過造山運動，岩層受到擠壓變動，致使覆瓦狀斷層及不對稱褶皺非常發達，其間多緊密褶皺，且有許多斷層切割，主要地質構造線均大致呈北北東或北北西走向，根據經濟部中央地質調查所之資料(2012)【3】，計畫區附近之斷層均未列入活動斷層。
        本區之地層屬南莊層，岩盤出露於崩塌區上邊坡處，其岩性主要為淡灰色厚層砂岩間夾砂頁岩互層或薄層灰黑色頁岩，多林段岩層位態約為N68°~74°E/32°~34°S，向東南傾向山體，與坡向相反，形成逆傾坡，兩組主要節理，由於地勢陡峭，且節理發達、連續性佳，易與層面及坡面形成岩楔，造成岩體鬆動，崩落於坡面，而於下邊坡堆積規模不等之崩積層；屏遮那段層面位態約呈N54°~68°E/22°N，略與坡面走向平行，形成順向坡，上覆崩積層主要由崩積岩塊夾砂、土所組成，其中塊石以黃棕色或紅褐色風化砂岩塊及深灰色至黑色之頁岩塊為主，礫石粒徑可達5m以上，隧道沿線地質平面及剖面圖如圖3~ 圖6所示【1】【2】。




        上覆崩積層主要由崩積岩塊夾砂、土所組成，其中塊石以砂岩塊為主，直徑可達6m以上，邊坡地表覆蓋之崩積層厚約20~50m不等，整個崩塌區之崩積層疏鬆、不具膠結。堆積之極厚層崩積材料，因其組織疏鬆、緊密程度不一，暴雨時易導致大量地表水下滲，使得崩坍區地下水蓄積分佈不均，且於地表沖蝕出大小不一之侵蝕溝，並形成規模不等之崩崖。當近地表處之覆蓋層及崩積層含水量急驟增加時，導致邊坡地下水位急速上升，且降低崩積層剪力強度及有效應力，在超額孔隙水壓消散不及的情形下，極可能再次引發崩塌地之崩積材料滑動。
        多林段之岩性主要為厚層砂岩間夾砂頁岩互層或薄層頁岩，崩積層下方10m內其岩心較破碎，RQD小於20，10m以下岩心RQD為40~90，砂頁岩互層完整岩心單壓強度為15.80kg/cm2之間，砂岩可達349.9~797.29 kg/cm2，岩盤品質尚可。依PCCR岩體分類法，西洞口段長約130m之崩積層屬DIII類，隧道Sta.49k+850~ Sta.50k+205其岩性為塊狀砂岩夾砂頁岩互層，單壓強度小於250kg/cm2，屬BIII、BIV及BV類。
        屏遮那段之岩性主要為塊狀砂岩夾砂頁岩互層或薄頁岩，崩積層下方10m內之岩盤其岩心較破碎，RQD小於20，10m以下岩心較完整，RQD為50~80，局部可達95，砂頁岩互層或頁岩完整岩心單壓強度大多在35~213kg/cm2之間，局部砂岩可達334~ 604kg/cm2，岩盤品質尚可。依PCCR岩體分類洞口段長約200m崩積層屬DIII類，隧道Sta.60k+600~Sta.61k+533其岩性為塊狀砂岩夾砂頁岩互層，單壓強度小於250kg/cm2，屬BIII、BIV及BV類。
        依據隧道附近之透水試驗成果及鑽孔地下水位觀測資料，地下水約位於地表下30~45m，利用Goodman等人於1965年所推導之公式，推估隧道沿線工作面瞬間湧水潛能及隧道施工中湧水量，其中透水係數採用「阿里山森林鐵路災害路段地質調查及復建規劃期末報告(2010)」【4】之結果，取1.910-6m/s為岩盤之透水係數；而崩積層之透水係數則為5.010-5m/s，計算結果多林段之隧道可能遭遇最大湧水量約為41.6公升/秒，屏遮那隧道可能遭遇最大湧水量約為12.4公升/秒。
        另外分析結果顯示，若遭遇如卡玫基與莫拉克等颱風豪雨量，水位差異可達20m或甚至達滿水位，因此仍應注意暴雨後或雨季於崩積層中可能造成之大量湧水。若將隧道沿線水位提高至地表，則湧水量將提高至88.9公升/秒。因此施工期間仍應注意暴雨後或雨季於崩積層中可能造成之大量湧水。

三、隧道開挖與支撐之設計

(一)隧道開挖工法
        山岳隧道開挖工法依其施工方式有不同之分類。若以施工程序加以分類應可分類為循序開挖工法(Sequential Excavation Method)及TBM(Tunnel Boring Machine)全斷面開挖工法(TBM Full Face Boring Method)兩大類。
        循序開挖工法係指隧道之施工依開挖-出碴及支撐等步驟依序進行，每一循環稱為一輪進。其中開挖之方式可為鑽炸(Drill & Blast)開挖工法、鑿岩機(Rock Breaker)開挖工法、旋臂式削岩機(Roadheader)開挖工法及挖土機(Backhoe)開挖工法進行鑿挖。考量本隧道之長度、斷面形狀及地盤條件等，建議開挖方式採用國內技術已臻成熟，且施工應變能力較佳之鑽炸工法或鑿岩機開挖工法，同時採全斷面開挖，輪進長度依地質狀況不同分為0.8m~1.5m。
(二)隧道開挖斷面
        隧道斷面設計除了要考慮功能需求外，尚需考慮開挖工法、隧道沿線的地質狀況、施工腹地及交通運輸等條件。本隧道的功能需求，除了內空斷面需滿足行車淨空要求外，尚需考量相關附屬設施如軌道及機電設備等，依據「阿里山森林鐵路修建作業規定(2010)」【5】，為配合隧道混凝土襯砌鋼模尺寸一致性，考慮全線隧道斷面以曲線半徑50m加寬為原則，則隧道行車包絡線淨寬為3.60m，軌道面以上行車包絡線淨高為3.70m，路面設計高程與參考軌頂高程間距改為60cm，以因應未來鋼軌及道碴升級的空間，故隧道淨高為4.30m，隧道採用倒D型斷面，隧道內空寬度為4.20m，隧道內空高度為4.60m，襯砌厚度為30或40cm。隧道襯砌外側以全斷面舖設防水層，理論上，隧道內應無滲水情況，惟為周全考量，於隧道斷面兩側另增設L型溝，並於隧道洞口設置橫向截流溝，除了收集防水層所排出的地下水之外，亦可避免豪大雨時洞口逕流流入隧道內，設計隧道斷面如圖7所示【1】【2】。
        由於本隧道斷面較小，為方便隧道開挖機具進出與加速施工進度，特別每200m設計1處「迴車洞」及「避車道」，其中「迴車洞」可供機具迴轉空間，完工後予以回填；「避車道」可供隧道開挖機具會車之用，完工後不予回填並與每40m設置之標準「避車洞」合併佈置，可供日後維修人員緊急閃避之避坑如圖8所示【1】【2】。
(三)隧道岩體分類及支撐設計
        本計畫採用公共工程委員會建置之「台灣岩體分類與隧道支撐系統(PCCR系統)」【6】進行隧道岩體分類。係針對各種地質狀況對應之岩體分類系統及隧道支撐建議，依據地質材料特性、岩體相關強度特性、岩體對水的敏感性，並參考岩層地質年代辦理岩盤類別劃分，將台灣全區之地層劃分為A、B、C、D四種岩盤類別。進一步依據各類岩盤工程特性，以適當之定量或定性岩體評級標準辦理岩體分級。惟PCCR岩體分類系統，係適用於非屬特殊地質之一般岩體。而隧道工程若遭遇擠壓、膨脹、湧水、有害氣體、地熱、岩爆、大規模斷層帶等七大類特殊地質地盤，其開挖工法與支撐設計均應視個案特性加以特別考量。其中A岩類包括台灣地區所有的變質岩類及亞變質岩類、火成岩類中除火山角礫岩的岩層、沉積岩類中具高強度者，其岩心單壓強度大致可以高於250kg/cm2者；另外將西部麓山帶西緣丘陵區沉積岩中，強度較低之已固結岩層，岩心單壓強度界於50~250kg/cm2劃分為B岩類。
        經認定屬於A、B岩類之岩體，則採用RMR定量評級標準辦理評分，再依據評分結果辦理岩體分級。屬於C、D岩類之岩體，依據地質材料組成、粗細料比例、膠結良窳程度等特性組成之定性評級標準辦理分級。各岩類之岩體分級標準表如表1所示【6】。
        根據PCCR系統研判，隧道通過岩段為南莊層之厚層砂岩及砂、頁岩互層，依RMR定量分類法本區岩盤屬於BIII、BIV及BV岩類，崩積層屬於DIII岩類，因此依岩體評分區分為4類，據此設計隧道之支撐工如圖9所示【1】【2】。
        隧道中段的B岩類的支撐型式依岩體評分為BIII、BIV及BV型，其中BIII型包括岩栓L=3.0m@1.5×1.5m，8cm鋼纖維噴凝土；BIV型包括G100級桁型鋼支保@1.0~1.5m，12cm鋼纖維噴凝土；BV型包括G100級桁型鋼支保@0.8~1.0m，12cm鋼纖維噴凝土，頂拱先撐鋼材種類，包括#11先撐鋼棒、∮40mm先撐鋼管、注膠先撐鋼管、自鑽式岩栓或型鋼，可由廠商依地質特性選用，鋼筋混凝土襯砌厚度為30cm。
        兩隧道西洞口屬古老崩積層，地表植生茂密，且有人造林，研判為穩定狀態。隧道開挖時依岩體分類採用DIII型式支撐，包括16cm鋼纖維噴凝土、G125級桁型鋼支保@0.8~1.0m及∮100mm管冪鋼管等支撐材料，鋼筋混凝土襯砌厚度為40cm。
        考慮崩積層或淺覆蓋岩段的透水性良好且儲水空間有限，平時開挖預估無地下水問題，僅需採用管冪鋼管先期支撐，兼具地盤改良功能即可，當豪大雨時可暫停開挖工作，讓開挖面自然排水，必要時鑽設排水孔加強排水即可減輕滲水壓力。
(四)隧道洞口支撐設計
        由於隧道洞口地層屬崩積層，厚度較厚且近年來由於環保意識高漲，任何工程均以儘量減少地表開挖為原則，甚至要求施工後的景觀性及安全度較施工前更為優良，為減少洞口大量開挖，隧道洞口均直接由既有坡面上鑽設先撐管冪鋼管，以增加頂拱之穩定性，再於洞外架設桁型鋼支保及噴佈鋼纖維噴凝土以形成假洞，視需要於假洞完成後再回填坡面，可避免後續開挖時發生偏壓現像，當內部襯砌厚度為40cm完成後，再將洞口形塑為一斜坡面造型，最後於假洞上方補充覆土植生，隧道進洞口開挖支撐設計圖如圖10及圖11所示【1】【2】。

四、隧道施工困難及突破性

        由於施工工區崩塌面積大且施工便道上方皆為陡峭邊坡，坡面穩定性差，遇颱風豪雨易崩塌，故工區土石方施工機具於颱風豪雨來臨前即準備待命，當上方邊坡崩坍、路基流失或需增設邊坡保護設施時，由主辦單位迅速辦理現地會勘確認處理方案後，就立即進行崩塌土石方清理及便道修復工作，可在最短期間內恢復施工。Sta.49k+780~ 50k+100路段多林隧道開挖段全長487m，採單邊開挖，自2012年8月進洞，至2013年7月貫通。Sta.60k+550~61k+450路段屏遮那隧道開挖段全長1,165m，採雙邊開挖，自2013年4月進洞，至2014年2月貫通。
        二隧道西口之崩積層段(DIII類)分別長達109.8m及99m，如此長之長度於國內實屬罕見，為隧道開挖階段之關鍵工作，經配合先撐管冪鋼管、桁型鋼支保及鋼纖維噴凝土等支撐方式，得以避免發生大規模抽坍，順利完成此一困難段之開挖工作。於隧道開挖過程中，配合伸縮儀及收斂釘等監測儀器，以計測回饋資料調整支撐設施，結果顯示，除屏遮那隧道Sta.60k+418~60k+476之DIII類崩積層段於2013年5月因受豪大雨影響，致使變位達入侵值，經2013年7月增設岩栓及2013年9月施作固結灌漿補強後，變位值隨即趨於穩定而收斂如圖12所示(圖中L：沉陷點、D：收斂釘之斜拉尺、H：收斂釘之水平拉尺、E：伸縮儀)，其餘斷面變位值皆為控制範圍內之正常值。



        本案先以台灣岩體分類與隧道支撐系統(PCCR系統)建議之岩盤分類與支撐工關係，進行支撐設計，再於施工階段採用安全監測及回饋分析等措施，適時調整支撐工數量及施作時機，由於業主(農委會林務局嘉義林區管理處)、設計及監造(中興工程顧問股份有限公司)與施工(華洲營造股份有限公司及利德工程股份有限公司)單位密切配合才能使森林鐵路得以順利貫穿。施工照片集錦如圖13~16所示。
另本工程於設計方面之突破項目如下：
         (一)隧道洞口保護：洞口崩積層較厚，傳統洞口工程為先將崩積層削挖，再配合邊坡保護設施，但是多林段隧道及屏遮那段隧道之西洞口直接由既有坡面上鑽設先撐管冪鋼管，增加頂拱穩定性，再於洞外架設鋼支保及噴佈鋼纖維噴凝土形成假洞，部分覆土培厚，以避免發生偏壓現象。當內部襯砌完成後，再將洞口造型為斜坡面，最後於假洞上方覆土植生。以此種工法施工結果，可大量減少露天明挖部分之開挖量，提高洞口邊坡的穩定性，完工後為綠化的景觀坡面，可增加觀光價值，如圖17所示。
         (二)隧道主體開挖：多林段隧道及屏遮那段隧道之西口崩積層(DIII類)開挖段分別長達109.8m及99m，一般隧道少有如此長之崩積層開挖段，本隧道工程崩積層開挖段支撐係採用新奧工法之理念，由先撐構件管冪鋼管配合鋼支保及鋼纖維噴凝土提供圍束作用，將周圍岩盤形成一承受應力之拱環，承受開挖所造成之岩盤變形與應力變化，以維持隧道之安全與穩定，如圖18所示。
         (三)多林段隧道東洞口設計：將多林段隧道東口由距離既有35號隧道東口約70m處匯入，形成交叉段，如圖19所示。將新建多林隧道匯接至既有結構良好的舊35號隧道，除了減少新建多林隧道之總長度之外，亦無需新建隧道東洞口。減少工程費及工期，並保留既有35號隧道東口結構物，亦不破壞邊坡生態環境。
         (四)由於隧道開挖作業所產生之土石方量大，考量土方外運所費不貲，同時大量砂石車進出對於阿里山公路交通將造成嚴重衝擊，故於工區內尋找適宜之填土區作為棄土地點，可節省運輸及土資場費用，並減輕運土造成之污染及交通影響。以多林隧道為例，配合施作排水箱涵及地表排水渠道，以維持既有山溝的排洪量，相關之水土保持設施完成後，除可減緩地面坡度及原山溝溪床掏刷現象，亦可增加坡面穩定性，如圖20所示。




五、結論

        嘉義阿里山森林鐵路完工至今已逾百年，2009年受八八風災重創，沿線產生四百餘處災損，其中森林鐵路主線之多林段與屏遮那段，因產生大規模崩塌造成鐵路路基嚴重損毀，修復工程極具挑戰性，為避免重複致災，本修復工程規劃、設計及施工之特色如下：
         (一)原有多林段及屏遮那段之阿里山森林鐵路主線即位於崩塌土層上，後因莫拉克颱風之超大豪雨導致主線上下邊坡大量崩塌，造成部分路段路基嚴重破壞，為使阿里山森林鐵路能全線安全復駛，復建工程以「順應自然、尊重自然、不對抗自然」為原則，採取迂迴隧道方式避開大型崩塌區。
         (二)考量本次隧道開挖斷面較小，隧道中每200m設置一長度10m、寬度1.4m之避車道及寬4m、長5m之迴車洞，以利施工機具避車及迴車使用。
         (三)隧道支撐系統以PCCR系統岩體分類法作設計，分為BIII、BIV及BV岩類，另外崩積土層為DIII類，採用支撐材料包括先撐管冪鋼管、桁型鋼支保、鋼纖維噴凝土及自鑽式岩栓等。
        (四)隧道崩積層(DIII類)開挖段支撐採用新奧工法之理念，由先撐構件管冪鋼管配合鋼支保及鋼纖維噴凝土提供圍束作用，將周圍岩盤形成一承受應力之拱環，承受開挖所造成之岩盤變形與應力變化，以維持隧道之安全與穩定，顯示先撐管冪鋼管為適用於崩積層開挖段支撐之良好工法。

六、後記

        本案在業主(農委會林務局嘉義林區管理處)、設計及監造(中興工程顧問股份有限公司)與施工(華洲營造股份有限公司及利德工程股份有限公司)單位共同努力下，已榮獲農委會102~103年度優良農建工程獎及中華民國隧道協會103年度優良隧道工程獎。

參考文獻

         [1]中興工程顧問股份有限公司(2011)，森林鐵路49k+780~50k+100路基修復工程委託設計與監造技術服務初步設計報告書，農委會林務局嘉義林區管理處。
         [2]中興工程顧問股份有限公司(2011)，森林鐵路60k+550~61k+450路基修復工程委託設計與監造技術服務初步設計報告書，農委會林務局嘉義林區管理處。
         [3]經濟部中央地質調查調查所網頁(2012)，2萬5,000分之一的活動斷層圖。
         [4]中興工程顧問股份有限公司(2010)，阿里山森林鐵路災害路段地質調查及復建規劃期末報告，農委會林務局嘉義林區管理處。
         [5]阿里山森林鐵路修建作業規定(2010)，農委會林務局嘉義林區管理處。
        [6]中興工程顧問股份有限公司(2003)，台灣地區隧道岩體分類系統暨隧道工程資料庫之建立，公共工程委員會。