高施工難度的雪山隧道
96/05/04
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蔡茂生｜
交通部臺灣區國道新建工程局
雪山隧道
臺灣地形受中央山脈阻隔，東西部之間的交通極為困難。臺北宜蘭之間早年闢設淡蘭古道等步道，後來陸續興建北宜公路（臺9線）、濱海公路（臺2線）、北迴鐵路等。唯因受限於地形，安全性較差，行車時間長達2～3小時。交通不便影響東部地區發展，因此有興建快速公路穿越山區的提議。自民國72年起，歷經多年的調查、研究及規劃設計，國道5號北宜高速公路於民國81年開工，分段完成開放通車，雪山隧道是最後完成的路段。
雪山隧道自臺北縣坪林鄉至宜蘭縣頭城鎮，全長約12.9公里，是雙孔隧道，兩隧道中心相距60公尺。由頭城往坪林方向以1.25％的坡度爬升，行車淨高4.6公尺，路面全寬是7.6公尺。
隧道直徑11.8公尺，以鑽掘機（Tunnel Boring Machine, TBM）開挖後，組裝預鑄環片，形成圓形斷面。若以鑽炸法施工時，則開挖斷面是馬蹄形，以噴凝土、岩釘、鋼支保等支撐，隧道內側再澆置混凝土（部分以鋼筋補強）。
兩隧道中間設有直徑4.8公尺的導坑，施工期間提供地質調查、排水、灌漿等作業需要，營運時供作維修及救援車輛的備用通路。
主坑每350公尺設有人行聯絡隧道（共28條），每1,400公尺設有車行聯絡隧道（共8條），以供事故時人員逃生和車輛疏散。車行聯絡隧道前，設置緊急停車彎，供故障車輛臨時停車和大型車輛迴轉以進入聯絡隧道。
兩隧道設有3組通風豎井（每組進氣井與出氣井各一），深度247～501公尺，內徑6公尺，豎井底部設置機房。因兩隧道行車分別是爬坡與降坡，車輛排煙量差異甚大，所以在兩通風豎井之間設置中繼站，使兩隧道空氣得以流通，以調和空氣品質。
地質調查
臺灣位處歐亞大陸板塊和菲律賓海板塊衝撞處，東北方又有沖繩海槽的作用，因而北部山區地層構造複雜，斷層與褶皺帶眾多。又因雨量豐沛，大量地下水蓄積於破碎地層，更增隧道施工的難度。雪山隧道穿越臺灣西部麓山帶地質區和雪山山脈地質區，沿線地質由西口的第三紀中新世，向東口方向漸變為較古老的第三紀始新世，分別是枋腳層、媽岡層、大桶山層、乾溝層及四稜砂岩。
區域內的主要斷層包括石槽斷層、石牌斷層北支、石牌斷層南支、大金面斷層及金盈斷層，多分布在隧道線的南端。褶皺構造共11條，除鶯仔瀨向斜和倒吊子向斜兩主要褶皺外，其餘9條次要褶皺延伸較短。
為了了解隧道沿線地質構造，自規畫設計至施工各階段分別進行多項地質調查工作，包括航照判釋、野外調查、鑽探、震測、槽溝及橫坑開挖、現地應力量測、地電阻量測、透地雷達和隧道內震波探測等，耗費近2億元，完成報告約125冊。
雪山隧道的施工
隧道工程 近三分之二的雪山隧道位於大臺北水源保護區，須儘量減低對環境的影響。又因地形限制，除南北兩端洞口外，須先開鑿1公里以上的隧道才能進入施工。考量降低勞工需求、提升國內隧道技術等因素，顧問公司建議引進鑽掘機（TBM）工法。
1856年威森（Charles Wilson）發明TBM，經過約100年的改進，技術漸趨成熟。自1951年起，美國、歐洲、日本等地逐漸運用於引排水、鐵公路等隧道工程。
英法海峽隧道的海底段約22公里，以TBM（主隧道直徑8.76公尺、服務隧道4.8公尺）分別自兩端施工，而於海底接合，在1991年貫通。哥達隧道（Gotthard Tunnel）分別有鐵路和公路，隧道長度超過17公里，也採TBM施工。目前世界上最大的TBM是2005年西班牙馬德里公路隧道採用的兩臺，直徑達15公尺。截至目前為止，國內陸續有雪山隧道、士林水力發電工程頭水隧道、新武界引水隧道、和平溪碧海水力發電頭水隧道等工程採用。
TBM有兩種類型。用於岩盤較完整的，多採用無鋼殼的機身，以「撐座」頂撐岩盤壁，以「推進千斤頂」把機頭頂入地層，掘削前進開挖，稱為「開放型」或「撐座式」TBM。地層較破碎的，機身設有鋼殼保護，稱為「盾構式」TBM，並配合採用RC或鋼製環片支撐隧道。為同時推進和組裝環片而設置兩節鋼殼的，稱為「雙盾式」TBM，雪山隧道導坑與主坑都採用這一型式。
因為TBM設計、製造和運輸耗時約需兩年，期間自頭城端，先行以鑽炸法施工。遺憾的是，一開挖就面對極端破碎地層的挑戰，包括斷層、剪裂帶、湧水等，致使隧道崩坍，TBM多次被夾埋，必須開挖迂迴導坑脫困。其中一次巨大崩坍甚至把北上線主坑TBM壓毀，進度嚴重遲緩，數度幾告停擺。
為減低被夾埋事故，在地層較破碎段，先在TBM前方開挖先進頂導坑，再以TBM開挖下半斷面，稱為「混合工法」。另為加速完成隧道開挖，必須設法增闢工作面，因此利用聯絡隧道和2號豎井加開工作面，最高曾達20餘處。在破碎地層和高湧水區段採行灌漿及排水措施，以使開挖工作得以順利進行。
豎井工程 為通風需要，須自地面開挖連通隧道的垂直豎井，每處豎井由兩口直徑6公尺、相距50公尺的進氣井及排氣井構成，深度238～501公尺。施工方法有自地面逐階往下開挖的「降挖工法」；或先自地面以鑽機鑽設導孔貫穿隧道後，再自隧道內換裝擴挖頭自隧道向地面擴挖，最後再以鑽炸法自地面向下開挖完成，稱為「昇井工法」。
里程辨識系統 兩隧道壁面每1公里設置里程辨識系統，分別以漢民族及原住民編織圖案構成「時光拼織12.9」（隧道長12.9公里），象徵隧道開鑿如同織布的一針一線般緊密又謹慎。圖案的使用也可舒緩用路人單調枯燥的心情。
機電及交控設施
電力系統 在隧道兩端分別設置變電站，採雙迴路供電，並各配置兩臺4,160伏、2,000千瓦並聯的發電機組。另設有不斷電電源供應設備，可供緊急用電15分鐘。
隧道照明 隧道照明共分5區段，依交通量、天氣、晝夜調整。主隧道照明採用40瓦×2日光燈，在洞口段輔以高壓鈉氣燈以加強照明。步道上每隔50公尺設置1個逃生指示燈，在發生火警時點亮，導引用路人逃生。
通風系統 雪山隧道採用加強縱流式通風系統，隧道上方共裝設112臺噴流式風機。通風豎井、中繼站、隧道洞口等處機房裝設軸流式送風機共44具，依據天候、車流、空氣品質、能見度等設定多種運轉模式。
消防系統 雪山隧道設有火警受信總機、偵煙式火警探測器、差動式銅管、火警綜合盤等火警偵測系統，沿線每隔50公尺設置一個消防栓箱。
交控系統 雪山隧道設有行車狀況的監測設備，利用標誌、號誌、通訊和廣播、資訊看板等提供用路人交通資訊和採行必要的管制措施。
歷經多年的艱辛奮鬥，北宜高速公路雪山隧道在95年6月16日正式開放通車。通車以來，便捷的行車路徑導致大量的車流，對東部地區的發展提供莫大的助益。在此把這項重大工程的相關內容做一彙整，提供國內外關注人士參考。
