1、作者簡介： 曾大仁：男，博士，現任國道新建工程局副局長，負責國道公路工程規劃、設計、興建及管理等相關業務。李勝宗：男，碩士，現任國道新建工程局正工程司，專長為隧道工程。黃淮彬：男，學士，現任榮民工程公司北宜施工處組長，專長為隧道工程。雪山隧道從豎井增闢工作面施工探討曾大仁 1，李勝宗 1，黃淮彬 21國道新建工程局，台北2榮民工程股份有限公司，台北摘 要 雪山隧道貫穿臺灣東北部雪山山脈，該隧道由兩座主坑及一座導坑所組成，單孔長度逾12.9km，沿線布設三處通風豎井。由於雪山隧道地質複雜多變，加以全斷面隧道鑽掘機（TBM）開挖進度不如預期，開工後工程進度一直呈落後狀態。為了縮短工期，工程單位決定
2、由已開挖完成之二號通風豎井（深度約250m）往水平坑道增闢工作面，藉由聯絡隧道及斜支坑之貫通，主坑及導坑共增闢10處工作面，總共開挖長度約5,600m ，對整體工程進度之提昇助益頗大。從豎井增闢工作面之隧道開挖，其施工安排、出碴作業、通風排水及緊急應變措施等均與一般水平隧道開挖不盡相同，本文將作簡要介紹及探討，以供工程界參考。關鍵字：豎井、水平坑道、工作面、聯絡隧道、斜支坑。ADDITIONAL WORKING FACES THROUGH THE SHAFT OF HSUEHSHAN TUNNELDar-Jen Tseng 1，Shen-Chung Lee 1，Huai-Bin Huang 2
3、1Taiwan Area National Expressway Engineering Bureau，Taipei2 RSEA Engineering Corporation，TaipeiAbstract The Hsuehshan Tunnel, passing through the northern end of Hsuehshan Range, situates in the northeastern region of Taiwan. This 12.9km tunnel consists of 2 main tunnels, 1 pilot tunnel and 3 sets o
4、f ventilation shafts along the tunnel profile. In the beginning of the construction, tunnel boring machines (TBMs) didnt work well due to the heterogeneous geological conditions, causing the progress of the project lagging behind schedule. To shorten the construction period, the Engineers decided to
5、 create additional working faces for the horizontal tunnels through the 250m-depth ventilation shaft No.2. With the help of the open through of connection tunnels and detour adit, 10 working faces with total length of 5,600m through the shaft added to the horizontal tunnel excavation, the project pr
6、ogresses had been greatly improved. The construction layouts, mucking operation, ventilation system, drainage arrangement and emergency measurements of working faces through the shaft are so different from the ordinary tunnel excavation. They are introduced in this paper and will be beneficial to th
7、e future project of similar characteristics.Keywords: shaft, horizontal tunnel, working face, connection tunnel, detour adit.1. 前 言雪山隧道位處臺灣雪山山脈北端，目前為全世界第五長的公路隧道，沿線地質複雜，地下水豐沛，施工中曾發生多次坍塌湧水等災變，其中北上線主坑曾因開挖面大量抽坍- 2 - 頁碼統一由籌備處編訂造成TBM被夾埋損壞，因此改採鑽炸法開挖，導致整體工程進度落後。又雪山隧道受地形限制，沿線難於適當地點配置適宜長度與坡度之施工橫坑以增加開挖面，幾經研議後，
8、工程單位決定從已開挖完成之二號豎井增闢工作面，其施工順序係先由豎井底部打通機房坑道至北上線主坑，嗣後再由北上線已開挖區段，藉由斜支坑及人行與車行聯絡隧道之貫穿，續往導坑及南下線主坑開挖。歷經4年餘施工期間，總共開挖長度達5,599m ，約佔主導坑總長（38,801m）之14.4%，對整體工程進度之提昇及通風排水之改善助益頗大。二號豎井深度約250m，不僅人員、機具、材料之進出及出碴作業等皆需仰賴捲揚設備運輸，且工作面所需之通風、輸氣及排水等管線亦需經由豎井通往地表，豎井底部因施工之需所架設之工作台及汚水處理設施亦為以往隧道施工所罕見。由於施工人員深入地表下作業，為預防異常湧水及火災等突發事故，
9、本工程嚴謹之緊急逃生警報與監視系統亦值得爾後類似工程參考。2. 雪 山 隧 道 工 程 配 置雪山隧道北起台北縣坪林鄉，南到宜蘭縣頭城鎮，長度達12.93km。本隧道是由兩座主坑及一座導坑所組成，主坑與導坑之開挖直徑分別約為11.8m與4.8m。於正常段主坑與導坑中心線距離為30m，但接近洞口段逐漸縮短至21m，如圖1所示。為了交通需求、通風及緊急逃生等考量，本隧道共配置28座人行聯絡道，8座車行聯絡道，3處共6座通風豎井，6座通風機房及6座通風中繼站，其配置透視圖如圖2。雪山隧道係採加強縱流式通風系統，每處通風豎井包含進氣井與排氣井各1座，進排氣井中心線距離為50m。豎井之深度由238m至5
10、01m不等，混凝土襯砌完成後豎井之內徑分別為6.0m及6.5m。各豎井之尺寸及開挖方法詳表11 。3. 二 號 豎 井 增 闢 工 作 面 施 工 安 排3.1 開 挖 面 配 置圖2 雪山隧道透視圖表 1 雪山隧道豎井基本資料豎井別 深度 (m) 直徑(m)* 開挖工法 開挖時間 (年/月)進氣井 480.22 6.0 昇井沉挖混合工法 2003/072004/101號豎井 排氣井 500.94 6.0昇井沉挖混合工法2003/062004/09進氣井 237.94 6.5 沉挖工法 1998/031999/112號豎井 排氣井 248.66 6.5 沉挖工法1998/032000/01進氣
11、井 438.21 6.0 沉挖工法 1996/022002/093號豎井 排氣井 458.94 6.0 沉挖工法1996/012001/08*註：直徑為混凝土襯砌完成後之尺寸依原設計構想，雪山隧道主坑除了南端靠洞口段約800m採鑽炸法開挖外，其餘區段採TBM 施工。惟北上線TBM於1997年12月開挖至里程38k+902 時，因遭遇惡劣地質及750L/sec大量湧水，以致TBM遭掩埋損壞，經多方面檢討評估，決定北上線全線改採鑽炸法施工。由於規劃之鑽炸法進度遠遜於TBM開挖進度，為剋期於契約規定日期內完工，乃從已開挖完成之二號豎井往北上線主坑增闢工作面1 。其動線為從豎井底部打穿通風機房至北上線
12、主坑，並從北上線主坑分圖 1 雪山隧道主坑與導坑斷面配置圖- 3 -別往坪林及頭城向增闢工作面，如圖3之工作面1（WF1）與工作面2（WF2）。導坑自1991年7月開工至2001年底止，從南北兩洞口掘進之開挖長度共6,918m，僅佔導坑全長（12,942m）之53.5%。依當時之地質資料推估，未開挖區段尚有石槽斷層及16處較大之剪裂破碎帶，根據以往TBM之開挖進度及經驗評估，如採原定計畫施工，工期恐將延宕，因此決定亦由二號豎井增闢工作面。其安排係從北上線主坑已開挖之里程32k+844處開闢長 62m之斜支坑進入導坑後，隨即分別往北口及南口向開挖，如圖3之工作面3與工作面4。由於南下線主坑TBM
13、於2002年12月開挖至里程36k+440 再度遭遇不良地質而受困，全線施工進度不如預期，為達如期通車目標，因此決定亦由二號豎井經由北上線主坑及聯絡道，往南下線主坑進行頂導坑開挖，以利後續TBM 順利掘進。其施工動線係從已開挖之北上線主坑分別經由#4車行聯絡道、#12及#14人行聯絡道往南下線主坑共增闢6個工作面，如圖3之工作面5至工作面10。3.2 出 碴 及 廢 棄 土 處 理從二號豎井增闢工作面，當初主要目的為增加北上線主坑施工進度，以縮短工期。事實上北上線主坑以二號豎井為通道所累計開挖之長度達3,023m，約佔北上線主坑全長（12,942m）之23.4%，對雪山隧道整體進度貢獻頗大。故
14、本文有關施工安排之敘述大多以北上線主坑為主。北上線主坑出碴之配置如圖4所示2。開炸完成後之石碴先以大型輪胎裝土機運至開挖面後方約150m附近之臨時堆碴處，待開挖面之碴料清理完成後，再以裝土機搭配傾卸車將臨時堆碴處之碴料運至進氣井底部之臨時棄碴坑，並於棄碴坑設置轉碴設備及6m3出碴吊斗一組，以挖土機將碴料裝進轉碴設備之碴桶，再倒入出碴吊斗（如圖8之A斷面圖），隨後以高速捲揚設備吊離井外，暫時棄置於井口附近之臨時堆碴場，並配合圖 3 二號豎井增闢工作面配置圖圖 4 北上線主坑出碴配置圖- 4 - 頁碼統一由籌備處編訂井外之挖土機及傾卸車將碴料運送至本隧道南端之路工段作為路堤填築。3.3 汚 水 處
15、 理 及 抽 排 水 系 統雪山隧道地下水量豐沛，從二號豎井所增闢之工作面，其施工中之湧水或廢水須抽排至井外排放。依規設階段資料推估本區段將有約600L/sec之累積湧水量，惟為考量本工程抽水系統及汚水處理之負荷，設備能量以300L/sec規劃配置。另施工中則以灌漿或其他方式將總湧水量儘量挖制在120L/sec以內，以保留應變空間，降低湧水災變以利隧道開挖。北上線主坑所增闢的兩個工作面中，往北口向之工作面因係上坡（坡度+1.254%），排水方式係採重力式排水，先排至汚水初沉池，再送往汚水處理設備處理，經處理過後的水流經沉澱池，再放流至清水池，抽排至井外。為降低汚水處理設備之負荷，另採清水分流方
16、式，將開挖面之湧水直接流放至沉澱池，經沉澱後流放至清水池，如圖5所示2。至於南口向之工作面因係下坡開挖，開挖面之汚水及湧水均以抽水泵強制抽至汚水初沉池及沉澱池，其餘之處理步驟與北口向之工作面相同。經處理過的水則以4部8、排水能力5m 3/min，全揚程為270m的渦輪泵，經由2條-12之耐高壓鋼管抽排至井外。至於坑道內汚水處理設備之汚泥則經脫水機壓縮成泥餅後併開挖碴料運棄。為考量主排水系統維修或保養之需，原先進行豎井開挖時之24部接駁式4抽水泵則予以保留，以作為輔助之用。同時為因應-12 耐高壓鋼管的維修與保養，另加裝1條與之相同管徑之備用鋼管，通過旁通管及閥與另2條鋼管連接。為預防突發性大量
17、湧水，渦輪抽水泵均設置於工作台上，工作台面之高度約高出地面6m，如圖6所示。3.4 通 風 及 輸 氣 系 統從二號豎井所增闢工作面之開挖期間，因尚未與從南北兩洞口掘進之開挖面相貫通，故所有的通風與輸氣設備均需經由豎井與洞外相連通。依據相關之規範並經由換氣量之計算，北上線主坑決定採2組1.4m之通風管，分別通往北口向及南口向兩工作面，每組之通風量約為1500m 3/min，足夠正常狀況下人員機具之取氣量。考量二號豎井之進氣井主要作為出碴之通道，兩組通風管均安裝圖5 排水平面配置圖圖6 渦輪泵配置圖- 5 -於排氣井。通風管之材質為聚乙烯，彎頭處則採用1.4m之鐵製曲管。2部1500m 3/mi
18、n之輸風機則置於排氣井口附近，輸風機之進氣口則加防潮及防異物吸入設備。整體通風系統之配置如圖72 。本工程採用鑽炸法施工，且噴凝土為隧道支撐主要構件，故開挖作業需仰賴空壓機提供充足壓力之氣體以利施工。為考量隧道內可能積水，空壓機房及儲氣桶均置於井口地表面，以兩組4鋼管輸氣以供開挖面使用。3.5 出 碴 及 機 具 、 材 料 及 人 員 輸 送 系 統北上線主坑所增闢的兩處工作面，預計每日約有653m 3開挖碴料（鬆方），故出碴作業甚為繁忙。為利於作業安排及工安方面考量，決定專以進氣井作為出碴通道，而排氣井則作為機具及其他材料之進出，兼安置通風及排水等施工管線。3.5.1 出 碴 設 備 （
19、安 裝 於 進 氣 豎 井 ）暫置於開挖面附近之碴料以輪胎式裝土機運至進氣井底部之臨時棄碴坑，由位於棄碴坑之挖土機將碴料裝入轉碴設備之碴桶，再由碴桶卸入容量約6m 3之吊斗（圖8），以節省裝碴時間，並以高速捲揚機將吊斗之碴料運出井外。位於井口的塔架裝設有翻轉設備，吊斗沿此裝置翻轉，將碴料從瀉槽卸出，如圖9所示。碴料卸出後再將吊斗捲下至井底裝碴，完成一循環所需時間約516秒（8分36秒）2。3.5.2 機 具 及 材 料 輸 送 設 備 （ 安 裝 於 排 氣豎 井 ）由於進氣豎井出碴作業忙碌，故機具材料之進出及風管、水管、氣管等均安置於排圖7 通風系統配置圖圖 8 進氣井底部臨時棄碴場- 6
20、- 頁碼統一由籌備處編訂氣豎井，為充分利用有效空間，排氣豎井之工作台上層平面配置如圖7所示。本工程之噴凝土拌合場設於地表進氣井井口附近，由拌合場設置輸送帶一組，運送噴凝土乾拌料至排氣井井口附近，並裝填於容量約2m 3之吊運桶，該吊運桶以平台車運送至井口，再以捲揚設備降至井底，由待於井底之輪型裝載機或傾卸車運至開挖面施噴。隧道開挖所需之鋼肋、岩栓、鋼線網等材料亦經由排氣井輸送，並與噴凝土共用相同的吊運設備。有關井口附近地表之噴凝土及材料輸送平面配置如圖102。3.5.3 人 員 專 用 吊 籠二號豎井於進氣井及排氣井各設置一部人員吊籠，專供人員上下之用。每座人員吊籠荷重為450kg，約可載運5名
21、人員。鋼索平均速度約為45m/min，來回一趟所需時間為14分鐘，於70分鐘內約可輸送50人。3.6 坑 內 工 作 台為預留導坑作業空間及施作沉澱池等設施，本工程於進氣機房及排氣機房分別架設工作台。進氣機房工作台平面尺寸約6m x 14m；排氣機房因設有沉澱池等汚水處理設施，工作台之平面尺寸約為35m x1 4m。工作台由型鋼及鋼鈑所構成，其高度約為6m。工作台下方與導坑接鄰處則施噴20cm25cm厚度之噴凝土作為隔牆（如圖6）。本工程之工作台於隧道進行洞台降挖時則予以拆除。4. 隧 道 開 挖 與 湧 水 處 理由豎井增闢之工作面係採鑽炸法開挖，以輪胎式鑽岩機鑽孔，爆材採硝甘炸藥，並以MS
22、遲發非電雷管引爆，開炸後之碴料以輪胎裝土機運至進氣機房之臨時棄碴坑，再由捲揚設備出碴至井外。本工程僅進行上半斷面開挖，待上半斷面貫通後，再接續由南北兩洞口掘進之工作面進行台階及仰拱之降挖。開挖區段之岩體分類大多屬第、類，其主要支撐構件為噴凝土、鋼線網、岩栓及鋼肋，於地質不良處再輔以先撐鋼管等支撐。為避免施工中大量湧水引發災變及考量排水設施之容量，本工程規定於湧水區域須施以灌漿儘量控制總湧水量在120L/sec以內。灌漿係採水玻璃系列化學灌漿，以雙管複合式灌注，注漿內管採單封塞式，且每1m鎖定封塞。灌漿步驟採跳孔由內往外施灌，使漿體交互連結。灌漿壓力介於020kg/cm 2之間，藥液之膠凝時間約
23、在2300秒範圍，並視地質狀況及湧水量大小由工程司指示調整。本工程南口向工作面於通過倒吊子向斜處（里程約33k+614 ）時，曾發生大約100m 3之抽坍及80L/sec之湧水，由於本工作面係下坡施工，因此開挖面聚集大量積水，開挖進度受阻。經施工單位增加抽排水設備及進行止水灌漿，並以縮小輪進長度及加強隧道支撐後，始順利通過此地質不良區段。為預防隧道突發性大量湧水，開挖面前圖9 進氣井口之棄碴設備圖10 井口地表面噴凝土及材料輸送平面配置圖- 7 -方除鑽設長約20m之探查孔以探測前方之地質及地下水狀況外，施工中並隨時檢視岩栓及支撐鋼管鑽孔之出水量，工地工程司並於每輪進施工前加強開挖面之地質記錄
24、。施工過程中如遭遇異常大量湧水時，其處理步驟如圖11所示2。5. 緊 急 逃 生 警 報 監 視 系 統本工程緊急逃生警報系統係由監視系統與緊急逃生警報系統兩部分所組成，監視系統中包含閉路電視（CCTV）。設置於開挖面附近之水位監視系統及設置於隧道內的火災等緊急事故逃生系統可通過監控中心之自動控制盤（CP-1 ）進行監控。此外在主辦公室內亦設置另一塊自動控制盤（CP-2），可作為監視工地現場狀況的第二緊急逃生報警監視系統。本工程緊急逃生警報監視系統之示意圖如圖12所示2。5.1 水 位 監 視 系 統水位監測系統的檢測器設置於距開挖面約50m之位置，隨時將檢測數據傳送至監控中心自動控制盤。自動
25、控制盤依據水位偵測數據，將指令傳送至頭城向開挖面（下坡）的4列-6 排水管道系統（-6x 8台抽水泵），控制該系統的水泵運轉。距離開挖面最近安全範圍內之頂拱架設監視器，並將影像直接傳送至主控室。此外，當水位監測器偵測出規定值以上湧水量（異常出水）時即向緊急逃生報警系統傳送指令，使報警蜂鳴器及旋轉指示燈發出警訊催促隧道內作業人員緊急逃生。5.2 緊 急 逃 生 警 報 系 統為使隧道內作業人員於隧道發生火災等緊急事故時能迅速逃離現場，北上線主坑及豎井機房坑道內每隔100m設置帶有紅色指示燈的緊急按鈕，每隔200m設置一警報蜂鳴器及旋轉指示燈。隧道內作業人員一旦發現隧道內發生火災時，立即啟動緊急警
26、報按鈕，該信號立即傳送至自動控制盤（CP-1），啟動警報蜂鳴器及旋轉警示燈，催促隧道內作業人員立即逃生。除此之外，隧道內每隔100m各設置一盞逃生方向指示燈及逃生機具指示燈。為使逃生及救護能夠迅速進行，防止運輸車輛事故發生，緊急逃生警報監視系統的電源由設置於排氣井底部的變電所照明配電盤提供。本工區共有4部緊急發電機，兩部為1500KVA，一部為500KVA，另外一部為300KVA，總容量共3800KVA。停電時主要則由該2部1500KVA發電機（31500KVA/3.3KV）提供所需電量。5.3 有 害 氣 體 監 測 系 統每一開挖面附近固定設置瓦斯偵測器，以隨時檢測瓦斯含量。開挖作業前，檢
27、測人員須攜帶氣體偵測器至工作面進行檢測確認，此時檢測人員另攜帶接在緊急警報系統緊急迴路末端（靠開挖面）的移動式緊急警報按鈕（電線長度約100m），若發現情況時，可立即啟動警報系統。5.4 閉 路 電 視 系 統閉路電視（CCTV）系統是以監視隧道內的作業情況，以確保人員作業安全，並掌握機具設備的運轉狀況。北上線主坑共設置五處監視器，其位置及監視區域如表22。6. 開 挖 進 度 統 計緊 急 通 報 全 力 抽 水導 水 分 離 止 水 措 施(灌 漿 ) 埋 設 引 水 管檢 驗 成 果 再 次 灌 漿 止 水 任 務 完 成暫 時 撤 離人 機圖 11 開挖面大量湧水處理步驟圖12 緊急逃
28、生警報監視系統示意圖- 8 - 頁碼統一由籌備處編訂二號豎井增闢北上線主坑工作面，自2000年5月初分為北洞口向及南洞口向二工作面進行，由於工作面深入地表下250m，且表 2 監視器設置位置及監視區域位置 編號 監視區域進氣井底部No.1 1.裝設於井內平台上方，向下監視人籠下降到達點及扶梯狀況。2.向下監視及檢查上下扶梯人員進出狀況。排氣井底部No.2 1.各種材料裝卸安全監視。2.監視人籠到達及上下扶梯人員進出狀況。排氣井底部No.3 監視 -8”渦輪抽水泵蓄水池作業狀況以確保工地不淹水。坪林向開挖面No.4 監視開挖面作業狀況。頭城向開挖面No.5 監視開挖面作業狀況。表 3 從 二 號
29、 豎 井 增 闢 工 作 面 開 挖 長 度 統 計 表隧道別 工作面 完成長 度(m) 合計長 度(m)往北洞口 1,489北上線主坑 往南洞口 1,534 3,023往北洞口 802導坑往南洞口 519 1,321由#12 人行橫坑往北口136由#12 人行橫坑往南口272由#4 車行橫坑往北口 376由#4 車行橫坑往南口 230由#14 人行橫坑往北口150南下線主坑由#14 人行橫坑往南口911,255總計長度（m） 5,599所有施工動線，如出碴作業、人員材料進出、風管、氣管、水管等皆需經由豎井，施工初期因設備未臻完善，作業不甚熟稔，加以二工作面相距太近，故進度較為緩慢。經由機具設
30、備的提昇及作業環境改善後，開挖進度已逐漸步入佳境。往南洞口向工作面累計開挖1,489m，費時37.5個月，單月最佳進度為87m/月，平均開挖工率約40m/月，如扣除機具設備更新改善及湧水抽坍等影響，平均開挖工率約為50m/月。往北洞口向工作面累計開挖1,534m，費時46.5個月，單月最佳進度為97.5m/月，平均開挖工率約33m/月，如扣除機具設備更新改善及湧水抽坍等影響，平均開挖工率約為45m/月。為加速導坑早日貫通，導坑工程亦經由二號豎井增闢兩工作面。2002年3月由北上線主坑開闢62m長之斜支坑進入導坑後，於2002年5月分別往南口及北口向開挖，如圖3之工作面3與工作面4。往北口向之工
31、作面共開挖802m，並於2003年5月31日與由導坑北洞口之開挖面貫通。往南口向共開挖519m，且於2003年10月12日與由導坑南洞口之開挖面貫通，完成導坑全線貫通之任務。由於主坑南下線TBM開挖進度不如預期，為加速工進，決定亦由二號豎井經北上線主坑已開挖區段，分別由#12、#14人行聯絡道及#4車行聯絡道往南下線主坑開挖，共增闢6個工作面，如圖3所示。經由#14人行聯絡道之工作面於2004年1月至2004年5月間共開挖241m；經由#4車行聯絡道於2003年11月至2004年8月間共開挖606m；經由#12人行聯絡道之工作面於2003年12月至2004年9月間共開挖408m。從二號豎井增闢
32、各工作面完成數量及時程彙整如表31。7. 結 論 與 建 議由於施工方法的進步及機具性能的提昇，目前豎井的開挖已較以往快速且安全；藉助於高速捲揚設備，出碴及材料輸送時間可大為縮短；先進的排水與通風設施亦可有效改善施工環境。長隧道開挖如為了縮短工期或施工與營運階段之通風排水所需，除了施工橫坑之選項外，亦可考量於覆蓋不深且位置適當地點配置豎井。惟作業人員於地表下幾近封閉的空間內施工仍有其潛在之風險，施工期間湧水等災變處理及緊急逃生與監視系統應力求完善。參考文獻1 台灣區國道新建工程局北宜高速公路興建專輯技術版，第篇隧道工程台北：國道新建工程局，2005- 9 -2 日商熊谷組營造（股）台北分公司北宜高速公路第四標工程，2 號豎井主坑西行線上半斷面及進、排氣機房坑道開挖支撐等工作施工計畫台北：榮民工程股份有限公司，2000
