山岳隧道掘進穿越崩積層及破碎帶配套灌漿技術
山岳隧道掘進時遭遇進出口崩積層及岩層破碎帶，經常需要採用灌漿技術進行先撐管冪、岩層加固及突湧防治等工作。完成穿越破碎帶的隧道面層，又常因為周邊岩層裂隙蘊含的高壓地下水入滲，必需進行減滲及止漏灌漿。妥善的灌漿規劃搭配適當的施工技術與灌注材料，能夠有效降低施工風險，兼收縮短作業時間與減少工程費用支出等優點。本文針對隧道掘進穿越崩積層及破碎帶配套灌漿技術進行探討，並提出實際操作經驗供各界參考。
-本文為第二十屆海峽兩岸隧道與地下工程研討會中，由駿馳工程李明書副總發表之報告「山岳隧道掘進穿越崩積層及破碎帶配套灌漿技術」
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前言
台灣位於歐亞板塊與菲律賓板塊交界處，山脈聳立且多夾有岩層剪裂破碎帶，加上氣候潮濕多雨，山體表層崩積層厚且蘊含逕流水，進行山岳隧道開挖時困難度及複雜性較高。岩層均質性較差的山岳隧道常採用鑽炸挖掘方式進行，在隧道出口崩積層開挖及穿越岩層破碎帶過程，常需要搭配各類注漿工法穩固非均質岩體。
如果施工過程遭遇具有突湧、抽坍潛能的高承壓水脈時，更需要借助灌漿技術進行湧水封堵與岩層加固，方能繼續向前掘進。此外，隧道開挖襯砌設置前，通常需要對於隧道內不同規模滲水點進行止漏灌漿，以保障未來使用上的便利及降低維護成本。緣此，灌漿技術對於隧道施工而言，實為密不可分的配套工作。
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1-1 破碎帶性狀
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1-2伴隨湧水
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2-1 灌漿常見需求
．回填灌漿(Celluar grouting)
．接觸灌漿(Contact grouting)
．固結灌漿(Consolidation grouting)
．隔幕灌漿(Curtain grouting)
．先撐管冪灌漿(Pipe Umbrella Roofing)
．止水灌漿(Water stop grouting)
常見的山岳隧道岩層灌漿有：回填灌漿(Celluar grouting)、接觸灌漿(Contact grouting)、固結灌漿 (Consolidation grouting) 、隔幕灌漿(Curtain grouting)、先撐管冪灌漿(Pipe UmbrellaRoofing)、止水灌漿(Water stop grouting)等類別，依據其執行目標，常配合的灌漿工法及其優、缺點，整理如表1所示。
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2-2 灌漿工法
岩層灌漿技術的選用與施工區域地質狀況及水文條件有很密切的關係，特別是隧道工程因為佈線條件與里程較長等因素，灌漿需求亦相較其他工程更多。一般而言，隧道工程執行的岩層 灌漿，大多肇因於鑽掘過程中遭遇特殊地質變化及高壓地下水影響，灌漿目的多以改善岩層力學性質、封堵湧水及填充空隙等為主。
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名稱 |
單級灌漿工法 |
栓塞灌漿工法 |
樹脂灌漿工法 |
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功能 |
崩積層區域範圍改良。 填充岩層空隙，提升地層均勻性。 減少地下水滲入工作面。 |
破碎帶填充固結灌漿。 填充設計範圍岩層空隙。 隔絕地下水，降低入滲量。 |
管冪填充固結灌漿。 填充及加固設計範圍岩層空隙。 |
防止破碎帶突湧、抽坍。 快速填充岩層空隙。 黏結破碎岩層。 快速止水。 |
襯砌及噴凝土面層止漏。 隧道襯砌與岩層間縫隙填充。 填充黏結結構體或岩塊縫隙。 |
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優點 |
適用多種漿液，同一位置可灌注不同種類漿材。 可搭配不同種類機具鑽孔埋管。 分層灌注均勻性佳。 可採用不同角度灌注。 預埋馬歇爾管，可重覆補漿。 |
搭配孔口環塞可避免漿液流失。 可搭配開孔灌漿管或自鑽式岩栓運用。 可配合1.5徑方式，灌注速凝漿材。 可採用不同角度灌注。 可依岩層與地下水條件灌注不同漿材。 |
可同時固定管冪及進行周邊岩層加固。 可搭配拋棄式鑽頭降低作業時間。 可配合1.5徑方式，灌注速凝漿材。 可採用不同角度灌注。 可依岩層與地下水條件灌注不同漿材。 |
單液型漿材，不受配比影響。 遭遇低溫地下水粘滯度快速增加，封堵效果好。 適用各種規模岩層縫隙。 可採用不同角度灌注。 遇水產生蒸氣壓可將熱瀝青送入岩層微小縫隙。 |
鑽孔機具小，可於局限空間施工，動復員迅速。 可搭配單管或開孔管作業。 可依改良目的灌注不同膨脹比例樹脂漿材。 配合1.5徑方式灌注，可控制漿材反應時間。 |
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缺點 |
使用鑽堡埋管時，空間需求大。 分階段灌注，花費時間略長。 固定馬歇爾管的CB漿岩塊中擴散範圍廣，可能造成劈裂困難。 |
漿液可能由周邊岩層裂隙短流。 使用鑽堡埋管時，空間需求大。 無法重覆灌注。 |
漿液可能由周邊岩層裂隙短流。 使用鑽堡埋管時，空間需求大。 無法重覆灌注。 |
機具設備需於高溫下作業，施工防護要求高。 岩層縫隙夾泥時滲透性差。 漿材取得途徑較不普遍。 動員設備多，作業費用略高。 |
改良深度受限。 搭配機具引孔時，施工速度略慢。 漿液粘滯度高，微細裂縫需要較大灌漿壓力。 施工過程需要精密監測，較耗費人力。 |
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2-3 熱瀝青灌漿工法
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2-4 灌漿材料
歷史上首次記載的灌漿材料，為1802年法國人Charles Berigny用於修復被水流侵蝕排水閘門圬工牆基礎的塑性粘土和石灰拌合漿液。直到1824年波特蘭水泥在英國發明後，水泥漿逐漸取代天然礦物材料，成為灌漿領域的主要材料。
第二次工業革命之後因為化工產業蓬勃發展，各類新型灌漿材料及添加劑陸續開發問世，並投入實際工程運用中，其中常被運用於山岳隧道的灌漿材料近年來由於人力費用大幅提升以及工程效率的要求，部分岩層灌漿規劃經過價值工程評估後，捨棄了養護時間較長的水泥系漿材，改採固化時間快、強度高且兼具岩塊黏結及封堵止水等多項功能的樹脂類漿材，作為主要灌漿材料。
此外，為延長隧道使用壽齡，減少後續維護成本，存在劣化風險的添加#3水玻璃傳統LW水泥化學漿，亦逐漸被搭配#5水玻璃或SSA低鈉矽酸鈉的FLW耐鹽鹼長效水泥化學漿所取代，以確保工程品質的長期可靠性。
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材料 |
水泥 (Cement) |
水泥皂土漿 (CB) |
超微細水泥 (MFC) |
水泥化學漿材 (LW/FLW) |
聚胺酯樹脂 (PU) |
熱瀝青漿材 (Hot Bitumen) |
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功能 |
岩層加固。 孔洞填補。 |
岩層加固。 孔洞填補。 滲水處理。 |
岩層加固。 湧水處理。 岩層均質化填充。 |
湧水處理。 地中隔幕。 管冪固定。 岩層改良。 孔洞填充。 |
滲水處理。 岩層黏結。 裂隙填充。 岩層止氣。 管冪固定。 |
湧水處理。 孔洞填充。 |
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優點 |
固化後強度高，不易逸失。 材料容易取得。 灌注機具普遍，尋商容易。 |
具微膨脹性。 材料容易取得。 灌注機具普遍，尋商容易。 |
具高滲透性與耐久性，適用於岩層縫隙灌漿。 水化反應較水泥完整，增加岩層整體強度。 |
材料凝結時間快，可減少材料於岩層裂隙中被沖散，確保灌漿成效。 材料具耐久性與強度，適用於岩層、空隙填充與止水。 |
材料固化快，可避免材料於岩層中逸失。 具高壓縮強度與耐久性。 可選擇不同膨脹倍率。 具黏結性，封堵效果好。 |
單液型漿材，不需調配，不受配比影響。 遇水降溫瀝青黏滯度迅速提升，岩層止水效果良好。 適用各種規模岩層縫隙。 |
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缺點 |
於滲透性略差。 材料固化時間相對較長，不適用於湧水封堵。 |
於滲透性差。 材料硬化時間相對較長。 強度相對較低。 |
材料硬化時間相對較長。 注重現場施工管理。 價格高。 |
屬懸濁型漿液，岩層微細裂縫滲透性差。 材料調配技術門檻高。 注重現場施工管理。 |
黏滯度高，灌注壓力略大。 比重較水輕，水流較大時可能被水沖出。 注重現場施工管理。 |
設備動員量能較大。 高溫作業，施工環境需防護。 |
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3-1止漏加固
降壓→減水→封堵→加固→防滲
．降壓:利用長鑽孔深入破碎帶，導出地下水，降低該處地下水壓力。
．減水:在破碎帶地下水來源位置灌注適當類型漿液，減少湧入地下水量。
．封堵:在欲進行固結灌漿區域周邊及鄰近隧道開挖面注漿，減少加固灌漿時漿液流失， 同時降低漿液被地下水稀釋。
．加固:向破碎帶注入適當類型漿夜，用以膠結岩塊、填充孔洞、封堵湧水、提升整體均勻性。
．防滲:隧道開挖襯砌面不同規模滲漏水止漏灌漿。
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4-1 樹脂止漏灌漿技巧
．正規施工方法
━注入位置
．正規施工方法
━複合材料分次注入
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4-2 破碎帶水泥化學漿灌漿建議
採用水泥化學漿進行破碎帶灌注時，建議採用#5水玻璃或新型SSA低鈉矽酸鈉化學漿與水泥調配，以達到良好控制漿材膠凝時間、 耐鹽鹼、 降低礦物質及有機物影響的效果。
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4-3 破碎帶熱瀝青灌漿建議
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5-1結論
自從十九世紀發明鐵路交通之後，為縮短山岳兩側行車距離，隧道開鑿即成為工程人員面對的嚴峻挑戰之一。山岳隧道佈線常穿越岩層崩積層及破碎帶，因此造就出隧道灌漿技術的發展。本文依照實際操作經驗說明山岳隧道穿越崩積層及破碎帶配套灌漿技術，並提出結論如下：
1. 隧道灌漿可能遭遇的情況較一般土層灌漿複雜，執行原則建議以「降壓-減水-封堵-加固-防滲」逐項規劃與實施，以完整克服面臨問題。
2. 熱瀝青灌漿工法對於岩層破碎帶封堵具有良好效果，在高壓、大流量的岩層地下水中，亦能夠有效發揮止水效果，可以做為隧道抽坍突湧預防性灌漿使用。
3. 雙液型聚胺酯樹脂分為自膨脹及不膨脹兩類。高倍自膨脹樹脂漿材適用於岩層裂隙臨時性堵漏，適合搭配其他漿材使用。不膨脹樹脂則可用於岩層不連續面黏結、填充與封堵。運用時宜選擇適當材料使用，以達到長期地下水封堵目的。
4. 傳統水泥與#3 水玻璃調配的 LW 水泥化學漿因具有劣化疑慮，對於長效性止漏恐有風險。#5水玻璃或低鈉型矽酸鈉 SSA 化學漿與水泥調配的 FLA 水泥化學漿，在漿材固化時間調控及長期使用性具有較佳表現，可配合岩層灌漿需求適當選用，以降低維護成本。
5. 隨著人力成本的提升及新型灌漿材料的開發問世，隧道灌漿規劃時宜對於整體費用、施工效率、後續維護及隧道延壽等多項條件進行綜合性評估，尋求最有效工法及最適當材料進行施作。
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山岳隧道掘進穿越崩積層及破碎帶配套灌漿技術
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