隧道衬砌非破坏性检测报告

總結報告書隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發委託單位：交通部鐵路改建工程局東部工程處執行單位：國立台灣大學合設工業研究中心嚴慶齡工業發展基金會交通部鐵路改建工程局東部工程處隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發委託研究計畫工作總結報告書主持人：黃燦輝協同主持人：林銘郎、王泰典研究人員：王文禮、李維峰專家顧問：鄭富書、何泰源、周永川、李佳翰、高憲彰、蔡道賜研究助理：張世卓、邱雅筑、李偉竹、李洢杰執行單位：國立台灣大學嚴慶齡工業發展基金會合設工業研究中心中華民國九十七年二月隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處目錄目錄 ............................................................................................................................... Ⅰ 圖目錄 ........................................................................................................................... Ⅲ 表目錄 ........................................................................................................................... Ⅵ 第1章前言 .............................................................................................................. 1 1.1 計畫緣起 ............................................................................................................ 1 1.2 計畫背景與目的 ................................................................................................ 2 1.3 研究成果適用範圍與相關名詞定義................................................................ 5 1.3.1 研究成果適用範圍 ................................................................................... 5 1.3.2 相關名詞定義 ........................................................................................... 5 1.4 本報告內容 ........................................................................................................ 8 第2章隧道安全檢測現況與案例彙整 .................................................................. 9 2.1 隧道安全檢測經驗蒐集與彙整........................................................................ 9 2.1.1 資料蒐集成果 ........................................................................................... 9 2.1.2 國外隧道檢查與安全檢測現況 ............................................................. 15 2.1.3 國內隧道檢查與安全檢測現況 ............................................................. 23 2.1.4 安檢管理準則 ......................................................................................... 27 2.2 隧道安全檢測技術之探討.............................................................................. 38 2.3 檢測作業方法與流程之檢討.......................................................................... 50 2.3.1 檢測對象之探討 ..................................................................................... 50 2.3.2 檢測策略與作業流程 ............................................................................. 66 2.3.3 檢測技術的應用與限制 ......................................................................... 67 第3章隧道安檢管理準則之檢討與建議 ............................................................ 70 3.1 隧道安檢管理準則之回顧.............................................................................. 70 3.1.1 國內安檢管理準則 ................................................................................. 70 3.1.2 日本安檢管理準則 ................................................................................. 72 3.1.3 美國安檢管理準則 ................................................................................. 81 3.2 隧道安檢管理準則考量重點之探討.............................................................. 82 3.2.1 管理準則實行現況 ................................................................................. 82 3.2.2 公共建設維護管理之等級與生命週期之觀點 ..................................... 83 3.3 隧道安檢管理準則之初步建議...................................................................... 87 3.3.1 安全檢測作業管理之階段 ..................................................................... 88 3.3.2 檢測對象與適用之技術 ......................................................................... 92 目錄 –I– 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處第4章隧道安全評估準則之探討與建議 ............................................................ 99 4.1 國內隧道安全評估方法回顧.......................................................................... 99 4.1.1 黃燦輝與鄭富書(1997)之建議 .............................................................. 99 4.1.2 DERU 評估法 ....................................................................................... 109 4.2 國外隧道安全評估方法回顧.........................................................................115 4.2.1 日本鐵路隧道安全評估方法 ................................................................115 4.2.2 日本公路隧道安全評估方法 ............................................................... 122 4.2.3 中國大陸鐵路隧道劣化評定標準(1997 年) ....................................... 122 4.2.4 美國公路隧道現行安全評估法(2003 年) ........................................... 125 4.3 國內隧道安全評估準則改善之建議............................................................ 131 4.3.1 隧道安全評估方法比較與探討 ........................................................... 131 4.3.2 日本鐵路隧道安全評估準則(2000)修訂之省思 ................................ 134 4.3.3 不同用途隧道安全評估之考量以及改善之建議 ............................... 139 第5章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 .................................................. 145 5.1 隧道異狀與影響因素 .................................................................................... 145 5.1.1 隧道異常狀態 ....................................................................................... 145 5.1.2 異狀成因與影響因素 ........................................................................... 146 5.1.3 隧道結構附屬設施行為 ....................................................................... 157 5.2 異狀成因與影響因素作業流程.................................................................... 158 第6章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 .......................................... 167 6.1 前言 ................................................................................................................ 167 6.2 隧道影像展開與嵌接技術之開發................................................................ 168 6.2.1 技術開發測試之作業流程 ................................................................... 178 6.2.2 技術測試與應用 ................................................................................... 183 6.3 隧道襯砌雷射掃描技術之開發.................................................................... 202 第7章結論 .......................................................................................................... 225 參考文獻 ..................................................................................................................... 228 附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 ......................................................... (詳光碟) 附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 ................................................. (詳光碟) 附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 ......................................................... (詳光碟) 附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試 ......................................................... (詳光碟) 附錄五歷年審查意見回覆 ............................................................................. (詳光碟) 附錄六隧道安全檢測技術系列研討會 ......................................................... (詳光碟) 目錄 – II – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖目錄圖 2.1-1 TS360 系統 .................................................................................................. 16 圖 2.1-2 日本國鐵 1979 年調查隧道漏水結果 ......................................................... 18 圖 2.1-3 日本異常狀態隧道的使用時間分佈 ........................................................... 18 圖 2.1-4 日本隧道的異常狀態分佈比例 ................................................................... 19 圖 2.1-5 東日本鐵道公司研發之隧道檢測車 ........................................................... 20 圖 2.1-6 我國公路有關工程檢查作業之流程 ........................................................... 26 圖 2.1-7 日本隧道維護管理作業流程圖 ................................................................... 29 圖 2.1-8 隧道安全維護評估流程 ............................................................................... 30 圖 2.1-9 二次檢測所需的檢測項目 ........................................................................... 30 圖 2.1-10 黃燦輝與鄭富書(1997)建議之隧道安全檢測、評估及維修補強流程 .. 37 圖 2.2-1 透地雷達原理示意圖 ................................................................................... 43 圖 2.2-2 多相線性陣列電磁波雷達與傳統透地電達比較 ....................................... 44 圖 2.2-3 多相線性陣列電磁波雷達套件 ................................................................... 44 圖 2.2-4 日本東鐵道公司發展的裝載多相線性陣列電磁波雷達隧道檢測車 ....... 45 圖 2.2-5 多相線性陣列電磁波雷達檢測襯砌結果與鑽心結果比較 ....................... 45 圖 2.3-1 隧道襯砌安全檢測對象示意圖 ................................................................... 50 圖 2.3-2 不同類型的隧道異狀 ................................................................................... 53 圖 2.3-3 磚造襯砌數種異狀 ....................................................................................... 54 圖 2.3-4 混凝土襯砌數種異狀之一 ........................................................................... 55 圖 2.3-5 混凝土襯砌數種異狀之二 ........................................................................... 56 圖 2.3-6 鋼筋混凝土襯砌數種異狀 ........................................................................... 57 圖 2.3-7 襯砌滲漏水 ................................................................................................... 58 圖 2.3-8 目視檢測記錄例 ........................................................................................... 59 圖 2.3-9 襯砌表面掃描成果例 ................................................................................... 59 圖 2.3-10 透地雷達檢測成果例 ................................................................................. 60 圖 2.3-11 襯砌背後空洞示意圖.................................................................................. 61 圖 2.3-12 襯砌熱紅外線掃描成果例 ......................................................................... 61 圖 2.3-13 洞門及洞口異狀圖 ..................................................................................... 62 圖 2.3-14 洞口邊坡損壞圖 ......................................................................................... 63 圖 2.3-15 裝飾版損壞圖 ............................................................................................. 63 圖 2.3-16 路面積水圖 ................................................................................................. 63 圖 2.3-17 路面破損變形 ............................................................................................. 64 圖目錄 – III – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 2.3-18 排水設施損壞圖 ......................................................................................... 64 圖 2.3-19 隧道其他異狀圖 ......................................................................................... 65 圖 3.1-1 公路隧道維護管理執行單位之建議 ........................................................... 72 圖 3.1-2 日本國土交通省隧道安檢管理流程 ........................................................... 77 圖 3.1-3 日本道路公團隧道安檢管理流程 ............................................................... 78 圖 3.1-4 日本鐵路公司 JR 隧道安檢管理流程 ......................................................... 79 圖 3.1-5 日本東京電力公司隧道安檢管理流程 ....................................................... 80 圖 3.1-6 日本鐵路隧道新式安檢管理流程 ............................................................... 81 圖 3.2-1 反應式、預防式以及積極式維護 ............................................................... 85 圖 3.2-2 隧道生命週期維護管理概念 ....................................................................... 87 圖 3.3-1 本土化各階段檢測作業之建議 ................................................................... 96 圖 4.2-1 日本鐵路隧道全盤檢測之安全評估流程 ..................................................119 圖 4.3-1 日本山陽新幹線福岡隧道襯砌剝落原因示意圖 ..................................... 135 圖 4.3-2 日本山陽新幹線北九州隧道襯砌剝落原因示意圖 ................................. 136 圖 4.3-3 日本室蘭本線禮文濱隧道襯砌剝落原因示意圖 ..................................... 137 圖 4.3-4 日本鐵路隧道混凝土剝落發生機制 ......................................................... 138 圖 4.3-5 國內某鐵路隧道檢測成果彙整與異狀展開圖例 ..................................... 144 圖 5.1-1 隧道異狀影響因素關係圖 ......................................................................... 155 圖 5.1-2 隧道襯砌混凝土異狀影響因素關係圖 ..................................................... 156 圖 5.2-1 檢測與異狀處理作業流程圖一 ................................................................. 162 圖 5.2-2 檢測與異狀處理作業流程圖二 ................................................................. 163 圖 5.2-3 檢測與異狀處理作業流程圖三 ................................................................. 164 圖 6.2-1 半圓形斷面隧道(1/2) .................................................................................. 171 圖 6.2-2 半圓形斷面隧道(2/2) .................................................................................. 171 圖 6.2-3 半圓形斷面隧道展開平面示意圖 ............................................................. 172 圖 6.2-4 中央透視投影 ............................................................................................. 173 圖 6.2-5 平行投影(正射投影) ................................................................................... 173 圖 6.2-6 雙線性內插法說明圖 ................................................................................. 176 圖 6.2-7 隧道襯砌影像展開與嵌接程式介面 ......................................................... 177 圖 6.2-8 正交格線佈設完成圖(上:頂拱；中:左側壁；下:右側壁) ....................... 180 圖 6.2-9 控制點參數量測示意圖 ............................................................................. 181 圖 6.2-10 拍攝後矩形區塊呈現梯形 ....................................................................... 182 圖 6.2-11 轉換後區塊恢復為矩形............................................................................ 182 圖 6.2-12 正拍影像(第一環) ..................................................................................... 185 圖 6.2-13 斜拍影像(第一環) ..................................................................................... 185 圖目錄 – IV – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-14 正拍影像之襯砌展開嵌接圖 ................................................................... 186 圖 6.2-15 斜拍影像之襯砌展開嵌接圖 ................................................................... 187 圖 6.2-16 東澳隧道襯砌斷面圖 ............................................................................... 190 圖 6.2-17 東澳隧道襯砌展開嵌接影像 1/2(里程 10K+340~10K+370 共 30M) ... 191 圖 6.2-18 東澳隧道襯砌展開嵌接影像 2/2(里程 10K+370~10K+399 共 29M) ... 192 圖 6.2-19 東澳隧道異狀展開圖 1/4(嵌接影像)....................................................... 193 圖 6.2-20 東澳隧道異狀展開圖 2/4(嵌接影像)....................................................... 194 圖 6.2-21 東澳隧道異狀展開圖 3/4(異狀描繪)....................................................... 195 圖 6.2-22 東澳隧道異狀展開圖 4/4(異狀描繪)....................................................... 196 圖 6.2-23 常見之各項檢測資訊表示方法 ............................................................... 198 圖 6.2-24 東澳隧道透地雷達施測位置示意圖 ....................................................... 198 圖 6.2-25 10K+340~10K+362 環狀斷面 GPR 影像 .............................................. 199 圖 6.2-26 A~E 測線(縱向)透地雷達影像 .............................................................. 200 圖 6.2-27 3D 視覺化整合平台展示 ....................................................................... 201 圖 6.3-1 單相機三角量測法 ..................................................................................... 204 圖 6.3-2 雙相機三角量測法 ..................................................................................... 204 圖 6.3-3 主動式立體成像原理 ................................................................................. 205 圖 6.3-4 被動式立體視覺法 ..................................................................................... 206 圖 6.3-5 雷射載具實體影像 (A)側視圖 (B)前視圖 (C)後視圖 ........................... 212 圖 6.3-6 NOVATEX MP-9 雷射墨線儀 .................................................................. 213 圖 6.3-7 去除周圍光源 ............................................................................................. 214 圖 6.3-8 大型模擬隧道實體影像 ............................................................................. 219 圖 6.3-9 (A)校正點空間配置(B)大型模擬隧道拍攝照片 .................................... 220 圖 6.3-10 大型模擬隧道量測結果 ........................................................................... 221 圖 6.3-11 現地隧道拍攝照片.................................................................................... 222 圖 6.3-12 現地隧道量測結果 ................................................................................... 222 圖目錄 –V– 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表目錄表 2.1-1 本研究蒐集之隧道案例表 ........................................................................... 10 表 2.1-2 ITA 有關非破壞性檢測技術應用於隧道安全檢測之檢討 ...................... 22 表 2.1-3 國內隧道安全檢測案例彙整表 ................................................................... 24 表 2.1-4 國內隧道安全檢測案例彙整表(續) ............................................................. 25 表 2.1-5 日本隧道定期檢測之分類 ........................................................................... 31 表 2.1-6 黃燦輝與鄭富書(1997)建議之隧道檢查頻率...................................................... 33 表 2.1-7 黃燦輝與鄭富書(1997)建議之隧道基本資料調查項目........................................ 34 表 2.1-8 黃燦輝與鄭富書(1997)建議之隧道環境狀況調查項目及方法 ............................. 35 表 2.1-9 黃燦輝與鄭富書(1997)建議之隧道相關地形、地質及地下水條件之調查項目..... 36 表 2.2-1 各種非破壞性檢測技術於隧道襯砌檢測之比較 ....................................... 49 表 2.3-1 各種非破壞性檢測技術於不同檢測階段適用情況檢討 ........................... 69 表 3.1-1 各階段隧道檢查與檢測的比較 ................................................................... 71 表 3.1-2 日本國土交通省隧道安檢概要 ................................................................... 74 表 3.1-3 日本道路公團交通省隧道安檢概要 ........................................................... 74 表 3.1-4 日本鐵路公司 JR 隧道安檢概要 ................................................................. 75 表 3.1-5 日本東京電力公司隧道安檢概要 ............................................................... 76 表 3.1-6 隧道全盤檢查之比較 ................................................................................... 76 表 3.2-1 維護策略比較表 ........................................................................................... 85 表 3.3-1 平時巡查記錄表 ........................................................................................... 93 表 3.3-2 定期/臨時檢查記錄表 .................................................................................. 94 表 3.3-3 異狀展開圖 ................................................................................................... 95 表 3.3-4 隧道安檢各階段的檢測對象與項目 ........................................................... 97 表 3.3-5 隧道安檢各檢測項目適用的非破壞性檢測技術 ....................................... 98 表 4.1-1 檢查階段之隧道等級分類 ......................................................................... 100 表 4.1-2 檢查階段隧道等級Ⅱ及Ⅲ評定要項 ......................................................... 102 表 4.1-3 安全檢測階段之隧道等級分類與評估標準 ............................................. 103 表 4.1-4 因外力變化產生異狀之評定基準 ............................................................. 106 表 4.1-5 裂縫寬度變形速率之評定基準 ................................................................. 106 表 4.1-6 龜裂有進展性時之評定基準 ..................................................................... 106 表 4.1-7 龜裂無進展性時之評定基準 ..................................................................... 107 表 4.1-8 襯砌混凝土之浮起與剝落之評定基準 ..................................................... 107 表 4.1-9 因襯砌材質劣化產生異狀之評定基準 ..................................................... 107 表目錄 – VI – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.1-10 無法確認異狀是否有進展性時之評定基準 ........................................... 108 表 4.1-11 對鋼材銹蝕之評定基準............................................................................ 108 表 4.1-12 因漏水產生異狀之評定基準 ................................................................... 108 表 4.1-13 漏水部位與程度對行車影響之評定基準 ............................................... 109 表 4.1-14 DERU 檢測分級表...................................................................................110 表 4.1-15 隧道目視檢測評估表 ................................................................................112 表 4.1-16 劣化程度評分標準表 ................................................................................113 表 4.2-1 安全等級判定基準及措施 ..........................................................................116 表 4.2-2 整體檢查的安全等級判定基準 ..................................................................117 表 4.2-3 打擊聽音檢查判定指標 ..............................................................................118 表 4.2-4 對剝落之安全等級判定指標 ......................................................................118 表 4.2-5 因外力變化引起的異狀的安全等級判定 ................................................. 120 表 4.2-6 開裂、錯動的安全等級判定基準 ............................................................. 121 表 4.2-7 襯砌材料劣化的安全等級判定基準 ......................................................... 121 表 4.2-8 軌道維修週期縮短的安全等級判定基準 ................................................. 121 表 4.2-9 其他的判定因素 ......................................................................................... 122 表 4.2-10 隧道劣化等級劃分 ................................................................................... 122 表 4.2-11 襯砌裂損劣化的等級................................................................................ 123 表 4.2-12 PH 值與隧道襯砌腐蝕程度等級 ........................................................... 123 表 4.2-13 滲漏水對隧道功能影響程度的評定 ....................................................... 124 表 4.2-14 凍害對隧道功能影響程度的等級評定 ................................................... 124 表 4.2-15 襯砌材料劣化等級評定 ........................................................................... 125 表 4.2-16 FHWA 隧道混凝土檢測項目與評定標準 ............................................. 126 表 4.2-17 FHWA 隧道其他材料檢測項目與評定標準 ......................................... 127 表 4.2-18 FHWA 一般狀況碼 ................................................................................. 128 表 4.2-19 FHWA 狀況碼彙整 ................................................................................. 129 表 4.3-1 日本鐵路隧道襯砌安全評估之權重表 ..................................................... 143 表 4.3-2 日本鐵路隧道襯砌安全評估分級表 ......................................................... 143 表 5.1-1 襯砌異狀影響因素分類表 ......................................................................... 151 表 5.1-2 異狀現象、特性與常出現之條件-外因部份 ............................................ 152 表 5.1-3 異狀現象、特性與常出現之條件-內因部份 ............................................ 154 表 5.2-1 異狀診斷表 ................................................................................................. 159 表 5.2-2 不利環境影響因素評分例 ......................................................................... 166 表 6.2-1 正拍影像各佈設點位誤差值計算表 ......................................................... 188 表 6.2-2 斜拍影像各佈設點位誤差值計算表 ......................................................... 189 表目錄 – VII – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 6.3-1 雷射墨線儀詳細規格 ................................................................................. 209 表 6.3-2 LEICA TCR705 型全測站詳細規格 ........................................................ 210 表 6.3-3 RIEGL LMS-Z360 i 儀器詳細規格...........................................................211 表 6.3-4 大型模擬隧道分析結果 ............................................................................. 218 表 6.3-5 現地隧道分析結果 ..................................................................................... 218 表目錄 – VIII – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處第1章前言 1.1 計畫緣起臺灣山多平原少，地形條件常為交通與基礎建設的限制，造成兩地運旅的藩籬。自十九世紀末邁向現代化開發以來，不論是交通運輸的需求，或是水利資源的開發，隧道工程總是關鍵建設項目，而百餘年來的成果亦十分斐然，迄今(2008)至少已完成 830 座隧道，總長度達 821 公里以上。然臺灣受到板塊運動影響，地質作用強烈且頻繁，營運中隧道因岩土壓力長期作用、地下水經年流蝕侵損、襯砌結構年久老化、或是強震侵襲造成襯砌龜裂，甚至結構損害不堪使用，亦時有報導，除嚴重影響運旅之外，修復或重建費用往往相當高昂，面對進入「中、老年期」的隧道比例陸續昇高，如何針對營運中的安全穩定加以檢測、評估，適時予以維護、延壽，已成為隧道工程極為重要之課題。交通部於 1987 年頒佈發行公路養護手冊，針對公路隧道養護業務經常性的檢查作業頻率以及項目予以規定，台灣鐵路管理局工務處亦於 1988 年編印工務規章彙編，針對鐵路隧道檢查作業予以定性說明。回顧十餘年來國內隧道的安全檢測作業，多數隧道係以目視觀察記錄為主，檢測精度不高而且費時費力，而另有部份案例應用近年來研發的隧道攝影、掃描等非破壞性檢測技術，其成果顯示具有快速與相當程度的可靠性，惟因檢測設備多需仰賴外商，且相關安全評估技術未臻完整，應用上值得進一步探討。有鑑於適用臺灣隧道特性的非破壞性檢測作業方法與評估技術亟待建立，交通部鐵路改建工程局東部工程處(以下簡稱東工處)乃辦理「隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發」委託研究計畫工作(以下簡稱本研究或本計畫)。國立台灣大學嚴慶齡工業發展基金會合設工業研究中心(簡稱台大嚴慶齡工業研究中心)基於台大土木工程學研究所以往進行老舊交通隧道安全檢測、維修與補強技術研究、以及震後隧道結構快速診斷與快速補強的經驗基礎，由台大土木系黃燦輝教授結合國內隧道力學研究教學人員、隧道維護管理的業管人員、參與隧道檢測實務的主辦工程第一章前言 –1– 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處師以及從事相關非破壞性檢測技術研發工作的研發人員等，組成隧道檢測與維護技術研究團隊(以下簡稱本團隊)，一本以往嚴謹研究、精進發展與務實技術的理念，於 2005 年 9 月承辦本計畫，並於 2007 年 12 月完成研究工作，提出本總結報告書。 1.2 計畫背景與目的隧道屬線狀工程，常為兩地交通或運旅的捷徑，具有建造工期長、造價高以及施工不確定性等特性。倘隧道發生異常狀態影響使用功能或危及安全時，皆優先以維修補強技術恢復隧道原有的使用功能，並提昇其安全性和延長其耐久性，以達到最佳經濟效益為首要。除非路線經過之處已無藥可救，否則絕不輕言放棄該隧道。然而隧道係一狹長型地下結構物，空間甚為狹窄，若與其他地表結構物相比較，安全檢測作業以及維修補強施工所受的限制較多。因此選擇隧道檢測方法與維修補強工法時，必須充分掌握隧道之異狀發生之現象與原因，並考慮環境、結構與施工作業等條件，檢討實施的規模與範圍、施工性、經濟性與工期等，才能選擇出最佳技術與方法。國外累積的安全檢測技術迄今已達 30 年，且已有系統的予以整理(ITA-Working Group Maintenance and Repair, 1987)，而國內則仍處於萌芽階段。由於國內社會結構轉型迅速情況下，隧道非破壞性檢測技術開發的需求日益殷切，說明如后： 1.社會朝高齡化演進：公共工程預算必將相對地減少，社會整體活力減緩，為確保下一代之社會資產，宜採有效的維護管理系統，完整記錄既有基礎建設的使用狀況，以確保長期使用的服務水準與安全性。此外，亦應更積極地進行維護，延長既有基礎建設的服務年限，減少重新建造對環境造成的不必要衝擊，並達成節能的效果，俾符合永續發展之觀念。 2.社會資產累積與養護：由於基礎建設逐年累積，必須維護管理的公共構造物逐年增加，因此政府投注於維護的費用將逐年提高，一旦多數公共構造物步入中、老年期，維護費用更將急劇攀升。第一章前言 –2– 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 3. 隧道工程的特殊性：早期的隧道限於施工技術，常選擇在地質條件較佳、隧道長度較短之位置建造，當襯砌結構顯露異狀、劣老化、甚至不堪使用時，易地重建往往必須大幅度調整前後銜接結構的線形，工程通常十分浩大，除非原設計功能已不符需求，否則多數因重建所費不貲而改採維修或擴建。然限於隧道內空間狹隘、又常需考慮其營運因素，檢測、維修與補強等作業必須面臨工期短、干擾大、限制多、技術高等特性，因此快速、有效的安全檢測技術的開發，成為一殷切的課題。然而國內隧道安全檢測與維護管理作業卻面臨下列問題： 1. 檢測技術尚待改善：目前國內隧道安全檢測項目繁多，諸如襯砌表面影像掃描或裂縫測繪、裂縫深度與寬度探測、襯砌強度調查、淨空調查、地下水調查等，而檢測方法更是五花八門，如目視測繪、影像掃描、透地雷達、超音波探查、裂縫計量測、混凝土強度試驗錘、鑽心取樣抗壓試驗、鋼筋腐蝕等。就各項檢測項目與檢測方法而言，技術上並無特殊困難處。惟就隧道結構安全評估的整體觀點，則欠缺一系統化的作業流程、包括不同功能隧道的檢測項目、不同異狀或目的之檢測方法以及各種檢測方法的作業程序與成果整理等。此外，隧道安全檢測亦缺乏快速化的非破壞性檢測技術，能在不嚴重影響隧道交通或運輸功能情況下實施檢測作業，並提供評估進一步詳細調查或維修補強設計的有效參考。 2. 安全檢測以及維修補強後的成效尚待檢驗：隧道安全檢測結果主要做為安全評估之用，安全性不足的隧道則需採取維修補強措施，然而國內目前對於安全檢測結果、安全評估以及維修補強措施的成效等，尚未建立一系統化的追蹤流程，亦無相關的整合措施，故安全檢測以及維修補強後的成效，皆尚待檢驗。 3. 生命週期維護管理觀念尚待提昇：隧道非破壞性檢測之目的，係為瞭解結構狀況，俾利及時的因應，確保營運的安全性與舒適性，並延長服務的年限，此即生命週期維護管理的基本概念。但就以往之安全檢測作業而言，前後檢測的項目常不一致，安全評估準則常不相同，亦未進行生命週期的評估，故開發一整合性的非破壞性檢測技術，應考慮未來隧道結構生命週期之評估與相關資料的第一章前言 –3– 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處累積。國內對於隧道工程設計與施工雖初具生命週期之觀念，然尚未有具體的規範或準則可供參考，相關的檢測與評估方法亦未建立，故既有的隧道工程在其建造或改建上多未考慮其未來的使用年限，以及年限中可能付出的維修費用與社會成本，造成營運中的大眾風險增高，並導致在使用年限中可能面臨維護費過多或提前重建。面對數百公里使用超過 30 年的隧道，工程主管機關亟於在維持營運狀態下掌握其安全穩定狀態，預估尚可使用的概略時間，評估維修經費與重建的優劣等目標，本計畫有關非破壞性檢測技術之成果即可提供解析此類課題快速的、有效的參考。國內導水、鐵路與公路隧道主管機關近年來陸續辦理檢測與維修計畫，如台灣鐵路管理局之鐵路舊山線三義后里間保存維修計畫橋樑隧道檢測工程、高雄港務局之高雄過港隧道安全檢測補強設計及監測系統規劃執行工作等，本計畫擬由各工程主辦機關蒐集隧道檢測目標、執行方式與成果，並由執行單位蒐集執行狀況、遭遇技術瓶頸與相關建議，彙整國內外相關的經驗，並針對鐵路與公路等交通隧道為主要對象，探討營運中隧道調查方法與檢測項目，建立本土化的檢測對策與評估法則。本計畫主要工作內容包括以下 4 項： 1.研發營運中老舊隧道異常狀態調查方法與檢測項目。 2.整合快速化、自動化非破壞性檢測技術、建立本土化檢測對策。 3.建立隧道檢測、調查、安全度判定法則。 4.配合隧道補強技術與材料開發，建構隧道安全檢測與維修補強體系。第一章前言 –4– 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 1.3 研究成果適用範圍與相關名詞定義 1.3.1 研究成果適用範圍本研究所指之「隧道」範圍包括鐵路隧道及公路隧道，主要是針對山岳地區穿過岩層與都市地區穿越土層、並採用隧挖法施工之交通隧道。對於其他隧道，本研究所建議之項目與內容，若有可適用處仍可採用之，惟需注意隧道所處環境與其使用目的差異所造成的影響，例如穿越河底、海底的隧道需注意外力不同的影響、水利、導水隧道及高速鐵路隧道需注意流體沖蝕或磨損的影響，明挖覆蓋隧道應注意施工法不同造成隧道特性不同的影響等。 1.3.2 相關名詞定義 1. 隧道檢查：基於瞭解隧道現狀或早期發覺其異常現象，採目視觀察或配合簡單工具所進行的檢查作業。隧道檢查依隧道使用狀況、檢查內容及檢查時機，可分為平時巡查、定期檢查與臨時檢查三種。 2. 安全檢測：基於確保隧道應有之使用功能，藉各種隧道檢查及檢測等調查方式，充分掌握影響隧道結構安全性與耐久性之異狀，並進行隧道安全研判或等級評定之作業。 3. 異常狀態：包括隧道之變形、襯砌龜裂、剝落、崩壞、滲水、材質老化與劣質化等現象。就目視是否可以直接觀察判別而言，異常現象可以區分為「目視可識別」及「目視無法識別」兩大類；就異常現象發生的時間與隨時間的變化而言，則可以區分為「初次缺陷」、「損傷」以及「劣化」三大類。本研究中，異狀為隧道異常狀態之簡稱。 4. 目視可識別異常狀態：襯砌之龜裂、剝落、崩壞、變形、漏水、湧水、湧出物、變色等目視可以觀察判別的異常現象。 5. 目視無法識別異常狀態：混凝土材料劣化、鋼筋之腐蝕、背面地盤鬆動、風化、第一章前言 –5– 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處空洞等劣化、隧道淨空斷面之變化以及微小的應力與應變的增加等目視無法觀察判別的異常現象。 6. 初次缺陷：施工過程發生的襯砌混凝土裂縫、龜裂、蜂窩、施工縫以及其他施工品質不良的缺陷。 7. 損傷：係於短時間內發生的異常現象，其變化不隨時間而發展，如地震和外力等造成的襯砌裂縫、剝離現象。 8. 劣化：劣化和損傷主要以與時間因素的關係為區隔。劣化係因長期的外力變化或襯砌結構隨時間發生性能減降，造成襯砌隨時間而產生裂縫、剝離或其他的異常現象。 9. 安全評估：依據初次檢查(測)、隧道檢查或安全檢測結果，所進行之隧道安全等級評估。 10.初次檢查(測)：為掌握完工初期隧道已經存在的混凝土表面狀況、施工縫等初次缺陷，或是其他既存的損傷或劣化等異狀，而對隧道結構物所進行的檢查與必要的相關檢測作業。 11.平時巡查：依各隧道主管機關所定之巡視路線、頻率而併同實施之檢查，一般以在車輛上目視方式進行。 12.定期檢查：為充分瞭解隧道異狀及受損程度，定期實施之檢查，檢查方式以步行目視為主。 13.臨時檢查：在平時巡查發現異狀，或發生地震、集中豪雨、隧道內事故時所實施之檢查，檢查項目及方式與平時巡查相同。 14.標準檢測：依各項檢查結果，判斷有進一步實施安全檢測之必要時，應優先實施之安全檢測項目。又可分為全面實施之標準檢測Ⅰ與視狀況選擇性實施之標第一章前言 –6– 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處準檢測Ⅱ。 15.詳細檢測：進行標準檢測後，針對隧道局部須進一步取得修復設計所需之詳細資料時，所施行之檢測；採用之方法係以較精密之檢測儀器進行。 16.安全性：本研究之安全性係指隧道的結構功能是否能維護通行車輛及人員之安全。 17.隧道安全等級：表示隧道目前所處安全程度之等級分類，依檢查或安全檢測結果所得異狀種類及受損程度判定得之。隧道等級之判定係依檢查階段與安全檢測階段分別評估分類，主要目的在於掌握處理對策之時效性。 18.判斷基準：根據檢查或安全檢測結果所得之異狀情況，進行隧道等級分類之定性或定量之基準。 19.隧道主體：包含一次支撐與二次襯砌、洞口段設施等隧道主要結構物之總稱。 20.隧道附屬設施：本研究係指避車洞、避車道、路面、排水孔、排水邊溝等隧道附屬的結構設施。 21.測量：使用儀器觀測已知測站與待測測點的角度、距離及高差等關係，並透過圖示法繪製成圖或三角代數計算其空間位置的技術。 22.收方：於隧道內使用儀器並應用測量的原理，觀測待測點間的距離、角度及高程等關係，透過圖示法繪製成圖或三角代數計算待測斷面的相對位置、面積或體積的作業。 23.掃描：使用儀器觀測並記錄待測物體表面的影像或反射的訊號，透過影像處理技術分析待測物體的特徵，或利用測量原理計算待測物體的相對位置、面積或體積的作業。第一章前言 –7– 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 24.維護管理：為確保結構物使用期間，結構功能與服務功能保持在容許的範圍內所採取的技術行為。 1.4 本報告內容本報告為本研究計畫彙整三年度所研究之成果總結報告書，除本章說明計畫背景與目的外，各章節主題敘述如后：第二章隧道安全檢測現況與案例彙整第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議第四章隧道安全評估準則之探討與建議第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發第七章結論附錄一隧道安檢管理準則之初步建議附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例附錄三隧道位移力學機制回溯之方法附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試附錄五歷年審查意見回覆附錄六隧道安全檢測技術系列研討會第一章前言 –8– 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處第2章隧道安全檢測現況與案例彙整本章首先整理隧道安全檢測案例與經驗，繼而探討隧道安全檢測技術之現況；透過案例經驗彙整與技術現況發展之回顧，本研究進一步檢討檢測作業方法與流程，做為改善與建議之依據。 2.1 隧道安全檢測經驗蒐集與彙整 2.1.1 資料蒐集成果人類使用隧道之歷史悠久，為維繫其使用功能，從直接的目視觀察到使用精密儀器進行檢測，相關案例繁多，可謂不勝枚舉。為瞭解隧道安全檢測經驗與現況，本研究廣泛蒐集國內外相關案例，並加以系統地彙整於第一年度期末報告。透過蒐集所得國內外檢測案例，本研究進一步蒐集各隧道相關資料，包括其異狀特性、異狀位置、岩體狀況、隧道斷面、開挖支撐工法，施工記錄以及安全檢測作業流程、後續的處理狀況等，系統地加以歸納整理，目前已建立的隧道檢測案例資料庫包括 26 座國外隧道檢測案例與 41 座國內隧道檢測案例，如表 2.1-1。目前已蒐集的隧道多數集中於日本及台灣地區，日本的地質環境與台灣相近，隧道檢測案例具相當高的參考價值。隧道沿線之岩性包括沈積岩、變質岩和火成岩，主要的地質構造包括破碎帶、斷層、褶皺，現地應力狀況則有偏壓、水壓、膨脹壓、集中荷重及孔洞所造成的圍壓下降等。反應在襯砌上的異常現象有裂縫、剝落、滲水、混凝土劣化及變形。案例中隧道襯砌型式有馬蹄形、多心圓及近圓形等，以及仰拱有無的差異，襯砌材料包括混凝土、鋼筋混凝土及砌磚或砌石。襯砌厚度分佈則從 20cm 至 2.0m 皆有。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 –9– 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 2.1-1 本研究蒐集之隧道案例表(1/5) 隧道名稱興建地點主要功能時期完工年主要施工法斷面田子倉隧道日本鐵路 1971 ASSM 單線馬蹄形直側壁六十里越隧道日本鐵路 1970 ASSM 大原隧道目時隧道禮文浜隧道日本日本日本鐵路鐵路鐵路 1955 1968 1975 ASSM ASSM ASSM 塚山隧道日本鐵路 1967 ASSM 神居隧道日本鐵路 1969 ASSM 和田隧道日本鐵路 1954 ASSM 岩瀬隧道日本鐵路 1921 ASSM 鳥越隧道日本鐵路 1966 ASSM 仙岩隧道日本鐵路 1966 ASSM 惠那山隧道日本公路 1975 ASSM 襯砌隧道襯砌厚度材料長度 (cm) (m) 類型混凝土無仰拱混凝土單線馬蹄形無仰拱單線馬蹄形混凝土雙孔雙線馬蹄形混凝土單孔雙線馬蹄形混凝土混凝土單孔雙線無仰拱單孔雙線馬蹄形混凝土混凝土單線馬蹄形無仰拱混凝土單線馬蹄形無仰拱混凝土單線馬蹄形直側壁無仰拱混凝土單線馬蹄形直側壁無仰拱雙車道多心圓形混凝土最近檢最大覆異狀發生測時間蓋厚度處覆蓋或文獻 (m) 厚度(m) 時間檢測報告 30~45 3,712 325 150 1992 V 23~45 6,359 680 450 1992 V 30~70 5,063 30~45 450(上) 45~80 1,236 700 50 145 400 50 20~100 1996 1986 1985 V V V 50~60 1,766 100 50~100 1997 V 60~90 4,523 270 170, 250 1997 V 30~60 1,198 200 50~200 1985 V 45~50 195 50 20~50 1998 V 30~60 1,055 200 100 1998 V 40~60 3,915 250 200 1999 V 60~90 8,489 1000 300 1997 V 第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 10 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 2.1-1 本研究蒐集之隧道案例表(2/5) 襯砌厚度(cm) 隧道長度 (m) 最大覆異狀發生蓋厚度處覆蓋厚 (m) 度(m) 最近檢測時間或文獻時間檢測摘要 50 隧道名稱地點主要功能興建時期完工年禮文華隧道日本公路 1965 ASSM 雙車道多心圓形混凝土 1,152 150 100~150 1987 V 嬉野隧道淺間山隧道俵坂隧道日本日本日本公路公路公路 1990 1992 1990 NATM NATM NATM 雙車道多心圓形雙車道多心圓形雙車道多心圓形 120 130 300 70~100 50 240 1999 2000 1999 V V V 釋迦內鑛山鑛道日本鑛坑不詳不詳直徑 2.7m 圓形 30 683 混凝土 30 684 混凝土 30 2,609 混凝土型鋼軌 I 155mmX95mm 200 支保不詳不詳 1982 V 岩本發電所放水路日本水利 1940 ASSM 馬蹄形主要施工法斷面襯砌材料類型混凝土 40 不詳不詳 11 2000 V 30 200 不詳 30 1998 V 55 211 不詳 23 1990 V 大迫山隧道日本鐵路 1947 ASSM 單線馬蹄形小山野隧道日本公路 1967 ASSM 雙車道多心圓形混凝土無仰拱混凝土木之浦隧道日本公路不詳不詳雙車道多心圓形混凝土 35 76 25 15 1993 V 大月隧道日本鐵路 1936 ASSM 單線馬蹄形混凝土 39~64 459 不詳 50 1985 V 橫吹隧道日本鐵路 1903 ASSM 單線馬蹄形砌磚及砌石 30~200 428 30 25 1990 V 洞口隧道日本鐵路 1916 不詳單線馬蹄形砌磚 30~46 57 20 18 1990 V 內卷隧道日本公路 1927 ASSM 單線馬蹄形混凝土無仰拱 60~70 425 30 30 1985 V 三國隧道日本鐵路 1971 ASSM 雙車道多心圓形混凝土 30~45 1,152 300 250 1993 V 第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 11 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 2.1-1 本研究蒐集之隧道案例表(3/5) 興建時期完工年主要施工法斷面襯砌材料類型襯砌厚度(cm) 最大覆異狀發生隧道蓋厚度處覆蓋厚度長度(m) (m) (m) 最近檢測時間或文獻時間檢測報告隧道名稱地點主要功能龍潭隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 150 N.A. N.A. 1997 V 龍鎮隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 69 N.A. N.A. 1997 V 柑坪隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 78 N.A. N.A. 1997 V 頌德隧道(下行)單軌台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 162 N.A. N.A. 1997 V 瑞芳隧道(上行)單軌台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 122 N.A. N.A. 1997 V 福住隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 393 N.A. N.A. 1997 V 示德隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 517 N.A. N.A. 1997 V 三貂嶺隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 2,104 N.A. N.A. 1997 V 五分隧道(下行)單軌台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 207 N.A. N.A. 1997 V 五分隧道(上行)單軌台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 80 N.A. N.A. 1997 V 雙溪隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 121 N.A. N.A. 1997 V 共和隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 458 N.A. N.A. 1997 V 長潭隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 267 N.A. N.A. 1997 V 大里隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 247 N.A. N.A. 1997 V 大溪隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 702 N.A. N.A. 1997 V 合興隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 912 N.A. N.A. 1997 V 梗枋隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 250 N.A. N.A. 1997 V 更新隧道台灣鐵路 N.A. ASSM N.A. 混凝土 N.A. 151 N.A. N.A. 1997 V 第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 12 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 2.1-1 本研究蒐集之隧道案例表(4/5) 主要施工法斷面襯砌材料類型最近檢最大異狀發生處測時間覆蓋覆蓋厚度或文獻 (m) 厚度(m) 時間檢測摘要隧道名稱地點主要功能興建時完工年外澳隧道台灣鐵路 N.A. ASSM 單線馬蹄形直側壁混凝土 N.A. 315 N.A. N.A. 1997 V 和仁隧道單軌台灣鐵路 N.A. ASSM 單線馬蹄形直側壁混凝土 N.A. 2,411 N.A. N.A. 1997 V 清水隧道單軌台灣鐵路 1978 ASSM 單線馬蹄形直側壁混凝土 N.A. 2,106 N.A. N.A. 1997 V 崇德隧道單軌台灣鐵路 1978 ASSM 單線馬蹄形直側壁混凝土 N.A. 2,682 N.A. N.A. 1997 V 枋野一號隧道(單軌) 台灣鐵路 1989 ASSM 單線馬蹄形直側壁混凝土 N.A. 324 N.A. N.A. 1994 V 枋野二號隧道(單軌) 台灣鐵路 1980 ASSM 單雙線馬蹄形直側壁混凝土 N.A. 770 N.A. N.A. 1994 V 安朔三號隧道台灣鐵路 1991 ASSM+NATM 雙線馬蹄形混凝土 N.A. 5,483 N.A. N.A. 1994 V 加津林隧道(單軌) 台灣鐵路 1990 NATM 單線馬蹄形混凝土 N.A. 170 N.A. N.A. 1994 V 多良一號隧道(單軌) 台灣鐵路 1991 ASSM 單線馬蹄形混凝土 N.A. 1640 N.A. N.A. 1994 V 三義壹號隧道台灣鐵路 1996 NATM 雙線電化馬蹄形混凝土 N.A. 7215 N.A. N.A. 2000 V 南澳隧道台灣鐵路 1979 ASSM 單線馬蹄形直側壁混凝土 30~55 5,286 600 N.A. 2001 V 永春隧道台灣鐵路 1979 ASSM 單線馬蹄形直側壁混凝土 N.A. 4,021 570 N.A. 2001 V 蘇澳一號隧道台灣鐵路 1979 ASSM 單線馬蹄形直側壁混凝土 N.A. 199 N.A. N.A. 2001 V 蘇澳二號隧道台灣鐵路 1979 ASSM 單線馬蹄形直側壁混凝土 N.A. 113 N.A. N.A. 2001 V 蘇澳三號隧道台灣鐵路 1979 ASSM 單線馬蹄形直側壁混凝土 N.A. 206 N.A. N.A. 2001 V 蘇澳四號隧道台灣鐵路 1979 ASSM 單線馬蹄形直側壁混凝土 N.A. 239 N.A. N.A. 2001 V 襯砌厚度隧道長度 (cm) (m) 第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 13 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 2.1-1 本研究蒐集之隧道案例表(5/5) 隧道名稱興建地點主要功能時期完工年主要施工法辛亥隧道懷恩隧道台灣台灣公路公路 1972 1979 ASSM ASSM 莊敬隧道台灣公路 1972 ASSM 自強隧道圓山隧道台灣台灣公路公路 1972 N.A. ASSM ASSM 高雄過港隧道台灣公路 1984 沉埋管武界隧道烏山嶺隧道水利水利 1934 1930 ASSM ASSM 台灣台灣最近檢襯砌隧道最大覆異狀發生襯砌測時間斷面材料長度蓋厚度處覆蓋厚厚度(cm) 或文獻 (m) (m) 類型度(m) 時間 N.A. 1980 N.A. N.A. 2003 雙車道馬蹄形混凝土 490 N.A. N.A. 2003 雙孔雙車道馬蹄形混凝土 50, 65 60, 75, 210 46. N.A. 2003 單孔雙車道馬蹄形混凝土 80 154 N.A. 2003 雙孔雙車道馬蹄形混凝土 60，80 975 N.A. N.A. N.A. N.A. N.A. 2003 混凝土鋼筋混 N.A. 1550 N.A. N.A. 雙孔雙車道矩形凝土三心馬蹄形混凝土 36, 45 15,130 550 300~500 1997 N.A. 3,207 400 N.A. 2004 圓形混凝土檢測摘要 V V V V V V V V 註：1.主要施工法之 ASSM 係隧道開挖後採用鋼支保支撐的施工法，襯砌通常採用場鑄混凝土施作。 2.檢測報告係指檢測作業報告書、相關的專文報導或文獻摘要報導。 3.N.A.代表資料尚無法確定。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 14 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 2.1.2 國外隧道檢查與安全檢測現況隧道檢測作業源自於下水道的經驗(Maurice, 1995, APWA, 1971)，歐洲地區在十九世紀中葉大量建造大型地下水道，二次世界大戰後這些遠超過其設計使用年限的下水道，多數因為廢水中化學物質侵害襯砌混凝土，引發滲漏及孔洞，因而受到工程界之重視並加以檢修。此階段對於下水道之檢測仍以目視檢測為主，並以襯砌滲漏及孔洞為對象，修復的方式則多以灌漿填塞為之。交通隧道方面之安全檢測則起於 1970 年前後，許多十九世紀即已建造的交通隧道面臨老朽化之問題，陸續開始進行老舊隧道之安全檢測與維修補強，累積相當多之技術與經驗。以下首先整理歐美各國及日本之隧道安全檢測概況，並列舉國際隧道協會(International Tunnel Association，ITA)相關之報告。一、歐美各國歐美交通隧道之安全檢測起於 1970 年前後，許多十九世紀建造的交通隧道面臨老朽化的問題，檢修工作因而陸續展開，由於檢測技術仍未發展成熟，目視檢測仍為其主要之方法。此階段隧道檢修之相關文獻(Janin et al., 1970)多以報導修復工程為主要內容，雖有少數對於檢修之案例加以檢討(Eraud, 1974; Birkmeyer, 1978)，但多以個案研究為主。 1981 年瑞士 Amberg 集團子公司 Spacetec GmbH 發展出 TS360 隧道掃描設備 (TS360 Tunnel Scanner System)，大幅地提升了交通隧道檢測之技術水準，該系統係由(1)雷射影像掃描儀(TS360B, high resolution image scanner)；(2)紅外線熱影像掃描儀(TS360BT, image scanner with thermographic measurements)；以及(3)雷射淨空掃描儀(TS360 BP, image scanner with profile scanner)等三大部份組成，如圖 2.1-1 所示。操作時，將該系統放置於沿隧道前進之軌道車上，雷射光以 360°旋轉，可獲得隧道全斷面的灰階影像、溫度分佈影像以及淨空剖面，並可進一步據以研判襯砌是否有滲漏、破損、表面裂縫與背後空洞等異常現象，第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 15 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處不但改善傳統目視檢測受光線不足與塵埃過厚等影響精度因素外，其每小時 2-7 公里之檢測速度亦大量節省了檢測時間及費用。該系統發展迄今，已成功地完成 200 座以上之隧道檢測工作，而隧道全斷面掃描目前已成為歐美地區隧道檢測方式的主流。圖 2.1-1 TS360 系統儘管歐美地區交通隧道之安全檢測技術已日趨成熟，然而檢測工作之作業準則、制度規範以及相關隧道老朽化之處理對策等方面，尚未有系統化之建立。此因歐美地區工程環境之特性，係委由顧問公司依據其專業經驗進行檢測及相關修復之建議，因此除了德國對於其境內鐵路隧道定有營運安全維修守則 (Benford, 1983)，以及 2001 年美國聯邦運輸總署(Federal Transit Administration, FTA)發展隧道管理系統外，其餘地區之安全檢測規範多數係針對捷運工程、英法海底隧道以及較特殊之隧道而制定的(Miyaguchi, 1986)。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 16 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處二、日本日本交通隧道安全檢測執行現況可區分成鐵路隧道及公路隧道兩部份(日本隧道技術協會，1992)，1970 年代因鐵路隧道漏水嚴重，經常造成軌道及電氣化附屬設備的耐用年限縮短，甚至降低電氣設備機能，水質中有害物質亦加速隧道襯砌材料的劣化，自 1979 年開始針對國鐵全線 3819 座隧道，總長 1834 公里進行漏水實況調查。調查結果如圖 2.1-2，呈現有漏水的隧道數為 2135 座隧道，佔隧道總數的 56%，換算成隧道長度為 1296 公里，佔隧道總長度的 71%。其後 1986 年，日本全國構造物檢查中心針對 100 座鐵路隧道及 10 座公路隧道進行異常狀態詳細調查，發現隧道完工 50 年以上者其發生異常現象機會特別大，如圖 2.1-3 所示。異常現象以龜裂、裂縫、錯離佔最多，其次是漏水現象，而襯砌表面剝離、剝落居第三，最後是錯斷裂開及冰柱凍害現象，如圖 2.1-4 所示。鑑於鐵路隧道調查結果約有半數比例以上的隧道發生漏水現象，對鐵路通行的安全維護以及維修管理構成困擾，為求落實鐵路路線養護檢查，日本乃委由財團法人鐵道總合技術研究所完成一系列隧道安全檢測及補強補修對策之研究，並於 1990 年完成研究，提供各鐵路使用單位執行。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 17 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處無漏水隧道 1,684座 (44%) 無漏水 538km 29% 發生漏水隧道 2,135座 56% 發生漏水 1,296km 71% (a) (b) 側壁 8,870處 23% 頂拱 18,460處 49% 橫向接頭 5,688處 15% 水平接頭 4,988處 13% (c) (a)依總數(3,819 座)統計 (b)依總長(1,834 km)統計 (c)依漏水位置(38,006 處)統計圖 2.1-2 日本國鐵 1979 年調查隧道漏水結果(日本隧道技術協會，1992) 250 200 異常 150 狀態件 100 數 50 0 10年以下 10～20年 20~30年 30~40年 40~50年 50~60年 60~75年 75年以上使用年齡圖 2.1-3 日本異常狀態隧道的使用時間分佈(日本隧道技術協會，1992) 第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 18 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表面剝離、剝落 23% 龜裂、裂縫錯離 34% 錯斷裂開冰柱 6% 漏水 32% 凍害 5% 圖 2.1-4 日本隧道的異常狀態分佈比例(日本隧道技術協會，1992) 鐵道總合技術研究所之研究成果將隧道安全檢測納入「隧道維修補強手冊」內容中，依序說明異狀之調查計畫、調查項目、調查方法、調查結果的整理與應用、安全評估、異狀原因推定以及各種原因的維修補強對策等。公路隧道方面，1989 年路日本道路公團所管理的高速公路總長度已達 5000 公里，隧道總長度亦高達 350 公里。經過長年累月通車之後，部份隧道襯砌已出現異常狀態，並進行維修補強處理。因此，日本道路公團乃於 1989 年委託財團法人日本隧道技術協會，設置老朽化對策特別委員會開始進行檢討。1989 年首先彙整隧道老朽化對策有關的國內外文獻資料，並進行異常狀態的調查方法以及補修對策工法的個案調查作業。最後該委員會在 1990 年完成了「山岳隧道老朽化對策手冊」草案，供日本道路公團頒佈使用。該手冊草案之安全檢測與安全程度判定等項目，不僅高速公路隧道可使用，其它公路隧道也具有共通性。2002 年日本道路公團進一步提出「道路構造物點檢要領(草案)」，國土交通省道路局國道課亦於同年提出「道路隧道定期點檢要領(草案)」。另外在非破壞性檢測技術方面，自 1999 年新幹線鐵路隧道發生混凝土襯砌掉落事件後，鐵路總合技術研究所於 2000 年進一步提出「隧道維護管理手冊」。並針第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 19 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處對可能危害行車安全的襯砌混凝土缺陷，積極發展檢測技術，除採重鎚敲擊襯砌研判回音之鎚擊法已廣泛應用外，近年來更發展襯砌檢測車，由搭載頻率 100MHz 至 3.5GHz 的多相線性陣列電磁波雷達(multipath linear array electronmagnetic wave radar)組合，具有迅速檢測襯砌完整性的能力，目前最大檢測深度約達 400mm，且可有效檢測出寬度 1mm 的裂縫，如圖 2.1-5 所示。在異狀的原因與對策探討方面，日本土木學會於 2002 年出版「山岳隧道襯砌現狀對策」，2003 年更出版「隧道變形機制」，提供業界維修補強之參考。 (a)檢測車作業示意 (b)檢測車配置 (c)混凝土裂縫與檢測結果 (d)空洞與檢測結果 (e)隧道襯砌檢測結果示意圖 2.1-5 東日本鐵道公司研發之隧道檢測車第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 20 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處三、國際隧道協會 ITA 相關研究報告與建議 1990 年以後隧道營運安全檢測之問題更加受到重視(Russel, 1993; Rogers, 1993; Lukacs, 1997; Chen, 1995; Sherwood, 1995; SANCOT, 1995; Haack et al., 1992; Bickel et al., 1996)，國際隧道協會(International Tunnelling Association, ITA)乃於 1996 年底成立隧道營運維護小組(ITA-Working group Maintenance and Repair)，除提供各會員之咨詢服務外，並針對隧道營運安全檢測及維修工程加以研究，以及從事文獻資料收集、相關規範制訂等建議 (ITA-Working Group Maintenance and Repair 1997)。國際隧道協會針對營運中隧道安全檢測與維護工程課題，已發表了 5 篇研究成果，列舉如后： 1.從國際觀點看隧道維護工作(The Maintenance and Repair of Tunnels from an International Point of View)，1987。 2. 地下構造物的土木工程記錄 (Civil Engineering Records of Underground Structures)，1987。 3.服務年限內水對隧道損害研究報告(Report on the Damaging Effects of Water on Tunnels during Their Working Life)，1991。 4. 非破壞性檢測技術與方法應用於評估隧道襯砌狀態的現況 (State-of-the-art-report of Non-Destructive Testing Methods for Determining the State of Tunnel Lining)，1995。 5.公路隧道結構防火指引(Guidelines for Structural Fire Resistance for Road Tunnel)，2004。前述第 4 篇研究以 1995 年為背景，曾針對各種非破壞性檢測技術探討其理論背第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 21 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處景、主要應用領域、應用上的限制、優缺點以及應用於隧道檢測作業的適用性，彙整如表 2.1-2 所示。前述第 5 篇研究則整理近年來發生火災的隧道檢測與維護經驗，並延伸至隧道火災時的溫昇特性與混凝土材料高溫下的行為探討，彙整永久道路協會 PIARC 有關隧道安全的建議，回饋至設計規範，提出結構防火的重要建議。表 2.1-2 ITA 有關非破壞性檢測技術應用於隧道安全檢測之檢討(ITA, 1997) 非破壞性檢測技術結構振動法物理波動技術震波折射法主要應用範圍橋梁、地表結構物地質調查(探求地層厚度) 隧道檢測適用性甚低低微振動與音射煤礦、室內試驗分析甚低鋼結構物、輸油管線甚低超音波折射法放射性技術導電與電子技術珈瑪射線背散路工結構物射法地層密度與含中子背散射法水量材料導電度、輸旋電流法油管裂縫檢測、鋼筋檢測橋梁、隧道、路透地雷達工電位法鋼筋腐蝕檢測優點襯砌厚度不一、岩層非均無質性、地下水位變異襯砌背後存在檢測精度與速度大空洞時有效構造自身裂隙重現性、檢測精度生成過程可能與測試地層背景偶合、地層非均質、粒料造無成漫射、檢測精度甚低檢測速度、貫入深度無低檢測速度、貫入深度可測出各點的含水量低檢測速度、非導電性材料可檢測鋼筋不適用、貫入深度高低光學技術熱紅外線掃描隔熱度檢查、隧與目視判視道甚高遺址、結構物、隧道高多光譜分析法問題點檢測速度、評估不易、材貫入深度佳料包覆折射可檢測鋼筋腐檢測速度、貫入深度蝕有效檢測空隧道氣候條件必須變異洞、含水量、不大、評估不易、設備釋裂縫、檢測速放熱源度快檢測速度、振動、需強光可有效檢測出源、評估不易、貫入深度裂隙、乾裂縫第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 22 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 2.1.3 國內隧道檢查與安全檢測現況交通部曾於 1987 年頒佈交技（76）字第 027692 號，交通部技術標準規範公路類公路工程「公路養護手冊」，付梓頒行。其內容集中於道路管理者(業主單位)之執行，包括路面工程、排水工程、橋樑工程、隧道工程、涵管工程、交通安全及管理設施。所規定執行的業務包括每週 2～3 次之平時巡查，每年 1 次之定期檢查和必要性之臨時檢查，如圖 2.1-6。檢查方式乃以目視檢視為主，並輔以適當之拍照。國內部份隧道已趨老舊，出現龜裂、漏水等異狀，自 1993 年起陸續辦理隧道結構安全檢測，採目視測繪、全斷面掃描(TS360)等方式，進行裂縫及滲水初步調查，對於異狀顯著處，進一步採透地雷達實施襯砌厚度調查，或採混凝土強度錘進行襯砌局部強度調查，嚴重處並實施混凝土鑽孔取樣及強度試驗，並實施必要補強措施，如表 2.1-3。國內近期隧道維護工程的案例為民國 96 年聯合大地工程顧問公司針對台鐵南迴線金崙等七座隧道之安全檢測與改善設計工程，計畫主要分為兩大階段：首先瞭解隧道之背景與其特性，包含區域地形地質、水文條件、災損歷史等；繼而針對重要課題進行檢測，包含隧道斷面淨空、襯砌表面裂縫及滲水分佈、襯砌厚度及背後空洞、裂縫寬度與深度、混凝土強度及中性化、水質分析等，以供隧道安全分級以及後續改善之規劃設計，為目前執行中之計畫。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 23 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 2.1-3 國內隧道安全檢測案例彙整表隧道名稱鐵路隧道 1.四瑞一號 2.四瑞二號 3.深澳(下行)單軌 4.深澳(上行)單軌 5.龍潭隧道 6.龍鎮隧道 7.柑坪隧道 8.頌德隧道(下行)單軌 9.瑞芳隧道(上行)單軌 10.福住隧道 11.示德隧道 12.三貂嶺隧道 13.五分隧道(下行)單軌 14.五分隧道(上行)單軌 15.雙溪隧道 16.共和隧道 17.長潭隧道 18.福隆隧道 19.草嶺隧道 20.大里隧道 21.大溪隧道 22.合興隧道 23.梗枋隧道 24.更新隧道 25.外澳隧道 26.和仁隧道單軌 27.清水隧道單軌 28.崇德隧道單軌 29.枋野一號隧道(單軌) 30.枋野二號隧道(單軌) 31.安朔三號隧道 32.加津林隧道(單軌) 33.多良一號隧道(單軌) 34.三義壹號隧道 35.舊山線一號隧道 36.舊山線二號隧道 37.舊山線三號隧道 38.舊山線四號隧道 39.舊山線五號隧道 40.舊山線六號隧道 41.舊山線七號隧道 42.舊山線八號隧道合計 (單軌) (雙軌) 里程長度(m) 4K+639 5K+004 365 5K+677 5K+950 273 7K+302 7K+374 72 7K+326 7K+362 36 9K+558 9K+708 150 9K+887 9K+956 69 9K+970 10K+048 78 10K+630 10K+792 162 10K+665 10K+787 122 11K+192 11K+585 393 12K+603 13K+120 517 16K+466 18K+570 2,104 22K+055 22K+262 207 22K+125 22K+205 80 23K+265 23K+386 121 23K+766.6 24K+224.5 458 24K+628 24K+895 267 33K+364 33K+521 157 33K+992 36K+274 2,282 41K+392.8 41K+639.5 247 43K+307.5 44K+009 702 45K+667.9 46K+580 912 47K+228 47K+478 250 50K+488 50K+638.8 151 51K+407.7 51K+722.4 315 48K+487 50K+898 2,411 51K+188 53K+294 2,106 53K+457 56K+139 2,682 18K+000~+104 18K+930~19K+150 324 20K+380 20K+560 180 33K+580 33K+820 240 49K+230 49K+400 170 58K+500 59K+020 520 159K+740 167K+468 ~2,000 230 －－ 726 －－ 511 －－ 48 －－ 237 －－ 228 －－ 1,262 －－ 519 －－ 42 ~24,883 21 12,833 21 ~12,050 安全檢測項目 ‧中線測量 ‧橫斷面淨空量測 ‧道碴厚度調查 ‧裂縫及滲水調查 (TS360 之雷射影響掃描) ‧襯砌厚度調查 (GPR 透地雷達) ‧混凝土強度錘試驗 ‧鑽孔取樣強度試驗 ‧室內抗壓強度試驗備註編號 1-25 號隧道為宜蘭線隧道，檢測時間為 1996 年。編號 26-28 號隧道為北迴線隧道，檢測時間為 1996 年。編號 29-33 號隧道為南迴線隧道，檢測時間為 1993-1994 年。編號 34 號隧道為西幹線山線鐵路隧道，檢測時間為 1999、2000 年。編號 35-42 號隧道為西幹線舊山線鐵路隧道，檢測時間為 1999 年。部分案例如編號 29 號隧道，僅檢測其中部分路段。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 24 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 2.1-4 國內隧道安全檢測案例彙整表(續) 隧道名稱 43.台北捷運隧道長度(公尺) 安全檢測項目 ~68,000 公路隧道 44.辛亥隧道 975 45.懷恩隧道 974.5 46.自強隧道 975 47.馬陵隧道 360 48.過港隧道 1,932 15,100 50.烏山嶺隧道 3,207 水利隧道 49.武界隧道 ‧隧道斷面檢測 ‧隧道斷面掃描(TS360 之雷射影響掃描) ‧真圓度分析(隧道淨空測量) ‧過河隧道覆土厚度分析 ‧附屬設施現況調查 ‧襯砌背後空洞檢測(GPR 透地雷達) ‧隧道淨空檢測(隧道淨空測量) ‧混凝土強度檢測 ‧裂縫深度檢測 ‧鋼筋腐蝕檢測 ‧滲漏水水質檢測 ‧混凝土超音波裂縫及孔隙檢測 ‧混凝土強度試驗 ‧混凝土中性化試驗 ‧鋼筋腐蝕檢測 ‧施工縫漏水量、土砂流入量檢測 ‧隧道內變位檢測及 DIBIT 掃描(編號 44~46) ‧透地雷達掃描 ‧一氧化碳含量檢測 ‧隧道水準及導線測量 ‧全線襯砌表面龜裂、滲水、劣化深度記錄攝影 ‧透地雷達深測襯砌厚度及構造 ‧史密特錘測試混凝土強度 ‧裂縫深度探測 ‧襯砌背後空洞照相探測 ‧襯砌鑽心取樣 ‧混凝土強度試驗 ‧混凝土中性化試驗 ‧岩石強度試驗 ‧水質試驗 ‧隧道水準及導線測量 ‧全線襯砌表面龜裂、滲水、劣化深度記錄攝影 ‧透地雷達深測襯砌厚度及構造 ‧史密特錘測試混凝土強度 ‧襯砌鑽心取樣 ‧混凝土強度試驗 ‧水質試驗註：編號 43~45、49 號隧道檢測時間為 2003 年，編號 46 號隧道檢測時間為 1996 年，編號 47 號隧道檢測時間為 1997~1998 年，編號 48 號隧道檢測時間為 2002 年，編號 50 號隧道檢測時間為 2003 年。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 25 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 2.1-6 我國公路有關工程檢查作業之流程(交通部，1987) 第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 26 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 2.1.4 安檢管理準則茲依歐美、日本以及我國，分述如后：一、歐美歐美的隧道安檢管理準則，在歐洲方面多數直接委託專業單位辦理，因此大都採個案處理較多，制式化的管理準則仍不多見。美國則有聯邦公路總署(Federal Highway Administration, FHWA) 和聯邦運輸總署 (Federal Transportation Adminstration, FTA)研訂的安檢管理準則。 2001 年 3 月，美國聯邦運輸總署 FTA 透過 Gannett Fleming 公司，首先發展第一個隧道管理系統(Tunnel Management System, ONE DOT，以下簡稱 TMS 隧道管理系統)，提供美國和波多黎各公路與鐵道之管理單位或顧問公司，在均一與一貫的條件下，針對各種隧道中不同的構件進行隧道維護管理。美國聯邦公路總署 FHWA 與美國聯邦運輸總署 FTA 於 2003 年 3 月分別出版「隧道檢測手冊」與「隧道維護與修復手冊」，將所有隧道基本資料、檢測以及維修補強資料建檔，以電腦化的方式儲存在資料庫作為後續歷史資料的追蹤與分析。 TMS 隧道管理系統包括隧道檢測、隧道管理與維護與修復等部份，以下針對其隧道檢測部份，作一概略性的介紹。美國 FHWA 隧道檢測觀念，主要先將隧道結構形式作一分類，進而對各種劣化現象作一編碼，目的是要求檢測時間的快速。其「隧道檢測手冊」主要細分為︰隧道系統(結構形式)、隧道檢測人員的驗證、檢測程序以及資料建置四大部分。有關美國 FHWA 隧道檢測手冊之說明，詳參本計畫第一年期末報告。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 27 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處二、日本日本道路公團乃於 1989 年委託財團法人日本隧道技術協會，設置老朽化對策特別委員會開始進行檢討。1990 年整理日本各單位機關有關襯砌異常狀況判定基準與評估資料，建議日本道路公團所維護管理的高速道路隧道之檢測、調查與安全度判定等基本法則，如圖 2.1-7 所示。建議將隧道管理維護作業流程區分為三個階段：第一階係由道路管理者(業主)負責，執行的業務包含日常檢查、臨時檢查和定期檢查等三大類如表 2.1-5 所示。當業主執行檢查過程發現的異常狀態牽涉隧道檢測專業技術與判斷技巧時，應委由第二階專門技術者或專業顧問公司執行，執行的業務則包括：標準調查和詳細調查兩大類。若該階段執行檢測過程中有少許的特殊異常狀態，需長期且特別持續監視下，方能加以檢討並解決時，則需進一步委由第三學術機關或研究單位來執行，唯此種案例在日本並不多見。日本有關隧道安全檢測、維修補強以及維護管理的研究近來蓬勃發展，包括日本土木學會、日本道路公團、國土交通省相關單位、鐵道總合技術研究所以及東京電力公司等，在本研究進行期間，皆陸續檢討過去已建立的安檢管理準則，並提出相關建議。 2003 年東京大學對於隧道襯砌檢測，亦建議了一套評估流程 (Toshihiro Asakura，2003)，如圖 2.1-8 所示。其維護流程主要分為兩部分︰主要檢測 (Primary Inspection)與二次檢測(Secondary Inspection)；主要檢測為利用目視檢測或以鐵鎚敲打隧道襯砌表面為主，通常施以影像處理之非破壞檢測系統，如雷射光束(laser beams)、層析攝影(slit cameras)、CCD 等，其檢測週期每兩年一次。而二次檢測乃依據主要檢測結果，針對隧道沿線重要的劣化情形做一詳細的分析，包含非破壞檢測、非接觸(non-contact)檢測技術的應用。此階段所需檢測與調查的項目如圖 2.1-9 所示。在進行上述檢測之後所得的結果，最後進行評估與診斷，包含(1)大地應力(earth stress)、 (2)老劣化 (deterioration)、 (3)滲漏水(water leakage)、 (4)凍害(frost damage)以及(5)表面剝落(spalling)等五大方面評估診斷。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 28 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處日常檢查無異常臨時檢查A 定期檢查判定第一階段緊急對策臨時檢查B 無異常判定緊急對策要調查標準調查監視或檢查判定標準對策再調查監視監視或檢查判定要調查第二階段詳細調查監視或檢查判定特殊對策第三階段監視判定再調查監視或檢查圖 2.1-7 日本隧道維護管理作業流程圖(日本隧道技術協會，1992) 第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 29 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處主要檢測良好需要緊急修復診斷（評估）不好二次檢測診斷（評估）不需修復需修復修復工作好不好成效圖 2.1-8 隧道安全維護評估流程(譯自 Toshihiro Asakura，2003) 調查資料隧道基本資料隧道歷年資料隧道結構隧道周圍環境周圍環境 (Surroundings) 地形地質條件、特徵地下水氣候狀況植生用地狀況（包含鄰近結構物）隧道觀察或量測裂縫節理岩石剝落變形滲漏水，有毒性水材料滲流砂，土壤冰錐，邊牆結冰圖 2.1-9 二次檢測所需的檢測項目(譯自 Toshihiro Asakura，2003) 第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 30 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 2.1-5 日本隧道定期檢測之分類(日本隧道技術協會，1990) 檢查對象日常檢查（舖裝面）混凝土破片隧道本體工程洞門（內裝板、天花板） 2人1組定期檢查隧道本體工程洞門臨時檢查 A 臨時檢查 B 以定期檢查為準的形式進以定期檢查為準的形式進行檢查行檢查 2～3 人 1 組 2～3 人 1 組 2～3 人 1 組隧道無天花板時必須配備昇隧道若無天花板時必須配隧道若無天花板時必須配降車備昇降車備昇降車在地震及異常氣象之後馬日常檢查中發現有異常狀檢查頻率一日一回一年一回上進行檢查態時檢查車輛以不會妨礙車輛通依預先已設置好的檢查通路依預先已設置好的檢查通依預先留設的檢查通路行的速度行，檢查人員在車內進行檢查構造物：路上，以步行對構造物進行上，以步行檢查下列項目：進行下列項目的檢查．襯砌混凝土有無龜裂檢查：．襯砌混凝土的龜裂．路面上有無落下物．洞門有無龜裂與傾斜．襯砌混凝土有無龜裂．洞門的龜裂與傾斜作業的內容．洞門的狀態．天花板及內裝板的狀態．洞門有無龜裂與傾斜．天花板與內裝板的狀態．天花板及內裝板的狀態．排水設備的狀態．洞口背面的斜面及水路．排水設備的狀態．排水設備的狀態．天花板及內裝板的狀態．排水設備的狀態下巡邏檢查車以徒步接近異定期檢查發現有異常時應與檢查時發現有異常時應與檢查時發現有異常時應與常處確認之管理單位的辦公室連絡並採管理單位的辦公室連絡，並管理單位的辦公室連絡，並異常時的處置確認確實為異常狀況時應與取必要的緊急對策採取必要的緊急對策採取必要的緊急對策管理單位的辦公室連絡並採取必要的緊急對策檢查的記錄以表格將日常檢查報告記入以表格將日常檢查報告記入與定期檢查相同與定期檢查相同編成檢查用設備檢查用車輛（車輛等）第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 31 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處三、我國鑑於國內交通隧道老劣化問題難以避免，交通部乃於 1996 年委託國立台灣大學土木工程學系進行「老舊交通隧道之安全檢測、維修與補強技術研訂」(黃燦輝、鄭富書等，1997、1998)，針對台灣老舊交通隧道之安全檢測，建議區分為檢查與安全檢測兩階段的制度，檢查階段可由隧道管理單位自行辦理或委託專業顧問公司辦理，又區分為平時檢查、定期檢查與臨時檢查，其頻率及執行單位如表 2.1-6 所示。安全檢測階段則通常由具專業性的顧問公司辦理，有關安全檢測之隧道基本資料調查項目、隧道環境狀況調查項目及方法、相關之地形、地質及地下水條件之調查項目以及安全檢測、評估及維修補強之流程，建議如表 2.1-7 至表 2.1-9 以及圖 2.1-10 所示。 1998 年行政院公共工程委員會進一步委託辦理「震後隧道結構快速診斷手冊之建立與震後隧道結構快速補強手段」研究(黃燦輝等，1999)，針對「山岳隧道」與「都市隧道」特性的差異，分別提出震後隧道快速的安全檢測與安全等級評估方法與復舊的流程，並編訂作業手冊，工程人員能於震後最快時間內，依相關建議進行隧道初步的快速檢測、診斷與補強。另外，基於隧道邁入「中、老年期」的比例增高，結構材料老化的現象日趨明顯，交通部亦委託財團法人台灣營建研究院進行「橋梁隧道材料腐蝕劣化原因之探討及防治對策(二)－隧道篇」(黃燦輝等，2000)，該研究系統性蒐集國內外隧道材料劣化相關之技術與規範資料，依循生命週期觀念，從規劃、設計、施工及維護管理，配合工程案例，提出隧道材料劣化防治技術及維護管理對策，以為主管單位與相關工程人員從事劣化防治之參考。國內隧道工程以往存在「重建設，輕維護」的觀念，多數人員認為隧道工程造價雖高，但完工後可不需維護，因而有關營運中隧道安全檢測的規範與作業準則，受重視的程度遠不及工程新建階段的設計規範與準則。自「老舊交通隧道之安全檢測、維修與補強技術研訂」、「震後隧道結構快速診斷手冊之建立與震後隧道結構快速補強手段」以及「橋梁隧道材料腐蝕劣化原因之探討及防治對策(二)－隧第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 32 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處道篇」等研究後，「預防為主、早期發現、及時維護、對症下藥」的現代化隧道工程維修管理基本概念逐漸流傳，台北捷運在開始營運 10 年內即針對隧道進行全面的安全檢測，並建立檢測資料庫，即為最明顯的案例。綜觀國內隧道安檢管理準則各階段檢測對象(項目)尚未統一，應用的檢測技術亦無相關的作業準則規範，且部份檢測技術仍仰賴外商，自主性的隧道非破壞性檢測技術仍待進一步改善。表 2.1-6 黃燦輝與鄭富書(1997)建議之隧道檢查頻率檢查類別平時檢查定期檢查臨時檢查隧道狀況任一隧道新完工隧道一般隧道重要隧道 30 年以上隧道已出現異狀隧道一般隧道檢查頻率執行單位業主自辦 1 次/日~1 次/週 1 次/月~1 次/半年業主自辦或 1 次/年~1 次/5 年委託專業公司辦理 1 次/月~1 次/半年 1 次/半年~1 次/2 年委託專業公司辦理 1 次/週~1 次/年平時檢查時發現可能之異狀時大量豪雨期間或之後地震之後隧道內發生事故時業主自辦隧道已出現異狀需持續追蹤異狀之發展時其他特殊狀況(如鄰近隧道興建工程時) 第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 33 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 2.1-7 黃燦輝與鄭富書(1997)建議之隧道基本資料調查項目調查項目調查資料來源路線名稱、里程、兩邊之工程日誌站名工程記錄隧道總長災害記錄斷面形式竣工圖構成隧道的諸線路等級維修的帳本要素線路構造線路縱斷面圖線路坡度線路平面圖曲線半徑資料庫運轉上的限制條件縮影片是否採電氣化方式空間配置建造年份、經歷年數設計、監造者施工業者施工記錄隧道的經歷補強、補修的記錄使用的歷史(經歷) 以往異常狀態的經歷災害的經歷將來計劃斷面尺寸襯砌厚度隧道的構造材質有無仰拱、支撐(strut) 備註藉由持續不斷之資料收集與整理，以能隨時提供所欲瞭解的情報第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 34 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 2.1-8 黃燦輝與鄭富書(1997)建議之隧道環境狀況調查項目及方法地形條件地質條件地下水條件氣象條件植生狀況調查項目調查方法隧道縱斷面、橫斷面、平面工程日誌、工程記錄擋土厚度地形圖偏壓地形測量地層滑動、崩壞地形航照、斜向攝影微地形(局部地形等) 現地勘查地質分布工程日誌、工程記錄地質構造(斷層破碎帶、褶曲地質圖等) 地質調查走向、傾斜土質調查風化、變質現地勘查膨脹性採樣物性、力學性質地下水位工程日誌、工程記錄地下水流路地形圖湖、沼澤的分布水文地質調查地下水利用狀況現地勘查水溫水溫測定水質水質檢查氣溫(含坑內溫度) 計算寒度降雨(雪)量觀測降水量氣溫測定積雪量地震歷史植生分布樹的根部彎曲年輪異常土地利用土地利用狀況鄰近構造物開發計劃航照、斜向攝影現地勘查土地利用圖現場勘查備註也要注意因隧道附近的工程或災害導致的地形改變必要時應追加材料試驗水質有害之虞時應進行水質檢查位在寒冷地區的隧道應特別重視豪雨時也要注意地下水的急劇變動有時可由植生異常狀況判斷出地層滑動、崩壞現象注意因採伐樹木產生的植生急劇變化應在事前拿到開發計劃以利及早協議並擬定對策第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 35 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 2.1-9 黃燦輝與鄭富書(1997)建議之隧道相關地形、地質及地下水條件之調查項目資地彈水地鑽孔內檢測標孔室地質調查法料表性文下孔準內內速電孔溫調勘波調水探貫荷試度氣徑度調查項目查查調查調查入重驗檢檢檢檢查查試試測測測測驗驗地層滑動、崩壞地 ○ ○ ○ 地形偏壓地形 ○ ○ 覆土厚度 ○ 地質分布 △ ○ △ ○ △ △ 地質構造斷層、褶皺 △ ○ ○ ○ △ 岩石、土質名稱 △ ○ ○ △ 岩相 △ ○ ○ 岩質、土質裂隙 △ ○ ○ ○ 風化、變質 △ ○ ○ ○ △ 固結程度 ○ △ ○ △ △ ○ ○ 含水層 ○ ○ ○ ○ ○ ○ △ 地下水地下水位 △ ○ ○ 透水係數 ○ 單軸壓縮強度(無圍 △ ○ 壓縮強度) △ ○ 力學的性質凝聚力、內部摩擦角變形模數、波森比 △ ○ ○ ○ N值地盤彈性波速度 ○ ○ 超音波速度 ○ 密度 ○ 物理的性質粒徑組成 ○ 液性限度、塑性限度 ○ 含水比、吸水比 ○ 粘土礦物 ○ 礦物化學的性浸水崩壞度 ○ 質吸水率、膨脹率 ○ 註：○表有效的調查項目或方法，△表調查項目或方法的有效性依場合而定第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 36 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 2.1-10 黃燦輝與鄭富書(1997)建議之隧道安全檢測、評估及維修補強流程第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 37 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 2.2 隧道安全檢測技術之探討營運中隧道實施安全檢測作業，常以調查隧道是否出現異狀或既有異狀是否出現變化為重點，以確保隧道的安全性、耐久性，進而減少營運中的維護作業頻率以及延長隧道的服務年限。完整的隧道安全檢測作業，其對象通常包括隧道周遭環境以及襯砌、洞門等結構，而檢測技術亦分破壞性檢測與非破壞性檢測兩大類，故本研究有關隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發，實為隧道安全檢測、維修補強技術的一環。非破壞性檢測技術的開發，與檢測方法、檢測系統的建立、安全檢測項目與配套措施的研擬等工作密不可分。而隧道襯砌非破壞性檢測技術的應用，亦需結合安全診斷與評估準則，提供評估項目充分的參考，以掌握隧道安全穩定的狀況，或作為維修設計或評估重建優劣之依據。而實務上，尚需與隧道維護管理作業制度與技術相互結合。本節首先探討非破壞性檢測技術的原理與其應用限制，繼而針對隧道安全檢測對象加以彙整，最後綜整非破壞性檢測技術與其在隧道襯砌應用的限制。按 ITA 隧道營運維護小組的分類，非破壞性檢測技術依其應用的原理，可概分為光學技術、導電與電子技術、物理波動技術與放射性技術四大類。1995 年為非破壞性檢測技術應用在隧道安全檢測作業的啟蒙時期，ITA 隧道營運小組曾提出以光學技術、導電與電子技術為較可行發展的檢測方式，如表 2.1-2。時至今日，非破壞性檢測技術迭有更替，亦有物理波動技術應用於隧道安全檢測作業。本節摘要整理非破壞性檢測技術的背景與原理，分別探討如后，詳細之技術內容可參考本計畫第一年度期末報告。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 38 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處一、光學技術類 (一)目視、攝影與(或)錄影檢測目視檢測(visual inspection)簡稱 VI，顧名思義它是利用眼睛的視覺或加上輔助工具、儀器等，應用光學技術來進行直接或間接的偵查及檢視待測物體表面瑕疵的一種非破壞檢測方法，如觀察待測物體表面的龜裂、滲漏、腐蝕、焊接補強高度、表面處理等。人眼的視覺機能係由光學成像系統、感光及信號處理系統及信號傳輸及顯示系統等組成，因此，檢測的正確性受檢測人員的視力與檢測環境因素而影響。CNS 12847 目視檢測通則法即針對檢測作業規定如下： 1.採用直接目視檢測法時眼睛要接近至與被檢物(待測物體)表面 600mm 以內。 2.眼睛與被檢物之連線與水平線夾角要小於 90 度。 3.一般目視檢測時被檢物之表面照度要大於 161 Lux (15 呎燭)以上。 4.精細之表面目視檢測，被檢物之表面照度必須大於 538 Lux (50 呎燭)以上。目視檢測係最方便、最經濟的非破壞性檢測技術，也是在進行所有檢測作業之前、中、後經常必須進行的檢測方法。應用在隧道襯砌檢測時，目視檢測通常針對異狀種類、發生位置與分佈形態等予以測繪、並輔以照相或攝影記錄。 (二)隧道淨空測量測量係使用儀器觀測測站與測點的角度、距離、高差，計算其相關位置，並以圖示法繪製成圖的作業技術。隧道淨空測量則係應用測量原理、使用測量儀器，依據已知的方位觀測斷面距離、角度及高程數據，經計算求得隧道淨空斷面的位置、面積或體積。隧道淨空測量工程界常以「收方」稱之。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 39 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處測量基本原點係透過已知點與未知點之間的水平角、垂直角、水平距、斜距及高程差等關係，計算其相關位置及座標。依據測量已知點與未知點的方式，測量方法又可進一步細分，如前方交會法與後方交會法等。由於隧道內空間狹隘，單純使用前方交會法或後方交會法，測量精度受到限制，因此進行淨空測量時，有時利用較多已知座標的控制點，推算求點的座標。就測量儀器觀點，欲求得已知點與未知點之間的關係，一般需要經緯儀與測距儀兩種儀器，以及配合的反射稜鏡(或簡易貼片)、記錄設備等，另亦有將前述設備合而為一的全測站系統。目前常用的測量儀器測距精度多在 1~2mm+2~5ppm•D(D 為測距距離，單位為 km)，測角精度多在 0.5~2”之間，換算為隧道淨空測量時，系統精度在 1mm 左右，量測距離愈遠，精度愈差。若採用免稜鏡測量方式，精度在 10mm 左右。 (三)襯砌影像掃描襯砌表面裂縫、滲水、剝落及配置等現況，可以用照像或攝影的方式記錄其表面的影像。由於使用中的隧道可供檢查的時間較短，必須採用高解析度、且能定位的設備，因此高解析度雷射掃描器因應而生。藉由影像掃描快速的將隧道壁的狀態記錄下來，再判識襯砌表面裂縫、滲水、剝落等狀況，以供隧道改善之規劃與設計之參考。依據襯砌影像掃描的裝置，又可分為不同的系統，說明如后： 1.TS360 系統 TS360 隧道全斷面掃描系統係由(1)雷射影像掃描儀(TS360B)；(2)紅外線熱像掃描儀(TS360BT)；以及(3)雷射淨空掃描儀(TS360BP)等三大部份組成，如圖 2.1-1 所示。操作時，將該系統放置於沿隧道前進之軌道車或工作架上，雷射光、紅外線等藉由 360°旋轉的稜鏡反射功能，將掃描器的射線偏轉，在工作車輛行駛穿越受測隧道的斷面時，受測隧道襯砌表面的狀況即可被以 360 度螺旋管狀的形式，第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 40 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處一次且迅速地對受測隧道作全斷面掃描調查，可獲得隧道全斷面的灰階影像、溫度分佈影像以及淨空剖面，攝像後掃描得到的影像將數位化，並存入光碟中以為後續作業的處理(如 CAD)與評估分析之用。 2.DIBIT 三維隧道影像掃描儀 DIBIT 三維隧道影像掃描儀(DIBIT tunnel scanner,簡稱 DIBIT 系統)為可攜式隧道影像記錄器，近年來由奧地利 ILF 與 Tunnel Consult 公司合作發展成功，DIBIT 系統使用固定於相機架上之兩具數位相機與三組玻璃稜鏡，組合成主機上之主要元件。兩具數位相機之作用為模擬航空照相之原理，對相同目標攝取重疊影像，藉以取得隧道表面之影像像素點(Pixel)立體座標。玻璃稜鏡係用以定位，透過置於主機附近之自定位經緯儀達成。主機與經緯儀間數據傳輸係利用內建無線數據機，進行自動化訊息對談與指令操控，將定位資料同步儲存至相關影像資訊中。對一般公路隧道規模而言，隧道斷面大約需由五次分段(Sectors)掃描，分別攝取重疊影像，進而組合構成全斷面。 3.熱紅外線掃描物體表面溫度若超過絕對零度(0°K)以上即會輻射出電磁波，隨著溫度不同，其所輻射的電磁波強度與波長分布特性亦隨之改變。波長約略介於 0.75~1000μm 的電磁波概稱為「紅外線」，而人類視覺可查覺的「可見光」則約略介於 0.4~0.75μm 之間。紅外線在地球表面傳送時，會受到大氣組成物質的吸收，特別是 H2O、CO2、 CH4、N2O 及 O3 等，使強度明顯下降，僅在 3~5μm(短波)及 8~12μm(長波)的兩個波段有較好的穿透率，此即俗稱之大氣窗，大部份的紅外線熱影像儀器即針對此二波段電磁波進行偵測，並將偵訊所得訊號轉換成可供人類視覺辨識的影像圖形，並可進一步計算出溫度分布值。由於隧道內溫度變化可能與襯砌背後孔洞、內部缺陷、含水狀況或裂縫等有關，藉由測得溫度分佈，配合影像等資料，可以推測得到襯砌表面乾濕、剝落、不同材料之熱傳導係數之變化及內部空洞等資訊。熱紅外線掃描系統目前較少單獨使用在隧道襯砌掃描上，多數與影像掃描一併使用，如 TS360 系統。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 41 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處二、導電與電子技術類 (一)透地雷達透地雷達(ground penetration radar)簡稱 GPR，是一種反射電磁波探測法，以高壓線圈為探測源，產生高頻電磁波射入探測區域介質內，在行經電磁特性如導電率(conductivity)或介電常數(dielectric constant)變化的界面或異常體時，會依斯涅爾定律(Snell’s law)將部份能量反射回來，反射能量的強度依此界面的反射係數 (又稱反射率)而定，透過天線接收並記錄於儀器內，將連續之歷時記錄排在一起，則成雷達波剖面，分析反射波的走時、強度及相位，即可獲得探測區域介質電磁特性異常的幾何位置，進而推估相關的地質構造及結構體的完整性，如圖 2.2-1 示意。透地雷達探查整體施測速度受作業環境影響，在配合條件如高空作業車、檢測台車等良好情況下，線狀施測速度可達每分鐘十至數十公尺，惟其檢測資料需大量的內業處理，包括垂直頻率濾波、水平頻率濾波、解迴旋、移位處理以及速度分析等。透地雷達使用的電磁波頻率通常介於 80MHz~2.5GHz，頻率越高解析度越高，但穿透能力越低；相反地，頻率越低解析度越低，而穿透能力越高。一般探測深度從幾公分至 30 公尺左右，因此廣泛應用於極淺層之地層調查、管線鋼筋調查、空洞廢礦坑調查、廢棄物場址調查、古蹟調查、道碴調查、道路鋪設調查、混凝土完整性調查、襯砌完整性與厚度調查以及其背後之狀況調查等。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 42 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處發射器接收器發射器接收器發射器接收器孔洞凸鏡體地層界面地表距離走深時度圖 2.2-1 透地雷達原理示意圖 (二)多相線性陣列電磁波雷達多相線性陣列電磁波雷達(multipath linear array electronmagnetic wave radar)的原理類似透地雷達，係由多個雷達線性排列組合而成，透過不同位置雷達對電磁波訊號的解析，可解析出襯砌背後缺陷的三維空間分佈。多相線性陣列電磁波雷達與電磁波雷達(即傳統透地雷達)比較如圖 2.2-2 所示，其套件如圖 2.2-3 所示。為改善傳統透地雷達應用在隧道襯砌檢測作業速度較慢、檢測位置需重新計算求得的缺點，日本東鐵道公司遂將多相線性陣列電磁波雷達與機械臂組合，並安裝於車輛上，結合而成隧道襯砌檢測車，如圖 2.2-4 所示。日本東鐵道公司曾針對隧道檢測車的檢測精度進行試驗，驗證可有效檢測出襯砌背後的裂縫、冷縫、空洞與蜂窩等各種缺陷，如圖 2.2-5 所示。裝載三組多相線性陣列電磁波雷達的隧道檢測車目前可應用於新幹線雙軌隧道，對於最可能危害行車安全的上半斷面襯砌，每三小時可檢測長度約 700m。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 43 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 2.2-2 多相線性陣列電磁波雷達與傳統透地雷達比較圖 2.2-3 多相線性陣列電磁波雷達套件第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 44 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 2.2-4 日本東鐵道公司發展的裝載多相線性陣列電磁波雷達隧道檢測車圖 2.2-5 多相線性陣列電磁波雷達檢測襯砌結果與鑽心結果比較 (三)自然電位法探測鋼筋腐蝕結構物中之鋼筋腐蝕，因時間或其他因素造成一電化學的反應，而有如電池一般，代表一通了電，即可產生電流，因此，混凝土內腐蝕與未腐蝕之鋼筋間產生某種程度的電位差，故藉著鑽孔將探測器放入，接觸鋼筋，而造成一電流迴路，如此可於混凝土表面測得範圍內(約 2m×2m)之鋼筋電位差，經比對即可瞭解鋼筋之腐蝕程度，而可據以評估結構體之強度。惟於此之前，將擇重要具代表性(如強度劣化區、滲漏水處、中性化區等)處，利用鋼筋位置探測儀探測壁面內鋼筋位置，再鑽孔接通電流迴路，進行鋼筋腐蝕探測。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 45 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處自然電位法之施作方法：通常使用高阻抗之電位計，一極夾住鋼筋(欲探測之鋼筋)；另一參考電極在混凝土表面量測電位，在測區內一一施測後，製作等電位圖。如以 Cu/CuSO4 作為電極，當電位在 -350 mv 以下，測區鋼筋可能已腐蝕，而在 -200 mv 以上時，則測區鋼筋未腐蝕。如果採用其他電極，上下限電位則有所不同。 (四)電阻法探測鋼筋腐蝕當人工電埸加諸於鋼筋混凝土結構物等，因混凝土及鋼筋等介質電導性的不同，使得結構物之電位產生不均勻的分佈，此時若量測其電阻變化狀況，可據此做定性或定量的解析。電阻法係以電阻儀器在現場量測鋼筋混凝土的電阻，根據量測結果判定鋼筋腐蝕的可能性。一般而言，電阻率(resistivity)大於 20Ωcm 表示並無腐蝕情況發生；電阻率小於 5kΩcm 則表示鋼筋目前的腐蝕速率非常的快。三、物理波動技術類 (一)敲擊回音法敲擊回音法(impact-echo method)是應用物理波動技術探查裂縫深度的一種方法，利用機械性敲擊產生暫態應力波動並導入待測物體內，應力波遇到內部的孔隙或瑕疪時，形成反射波反射回待測物表面，藉由接收器的序時訊號接收及分析，並不斷地移動敲擊及接收的位置，可以估計出孔隙或瑕疪的位置或形狀。敲擊回音法目前已廣泛應用在鋼筋混凝土、預力混凝土結構物中之瑕疵的探測，如垂直裂縫、斷層、孔隙、以及蜂窩之深度、位置與範圍，並可精確量測混凝土樓版或橋面版之厚度以及介面接合程度，如新修補混凝土與舊混凝土、瀝青路面與鋼筋混凝土橋版、涵管坑道與岩壁或土壁等。應用敲擊回音技術量測混凝土縱波波速以及混凝土板厚度的方法，已在美國國家標準試驗局納入 ASTM 的規範。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 46 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (二)超音波檢測超音波檢測是指「以低能量高頻率的超音波，對物件(內部)瑕疵加以檢測」。一般超音波檢測所使用頻率範圍由 1MHz 至 25MHz，基本設備需有電子訊號產生器，藉著換能器(或稱探頭，transducer of probe or search unit )發射出超音波，再經由接觸媒質(couplant ) 傳入試件中，在試件中超音波會有或多或少的衰減，當傳至介面時，超音波可能反射或透射，藉由偵檢、分析反射或透射訊號，則可檢測出瑕疵，並可定出檢測位置。應用在隧道襯砌檢測時，需採用脈波回波法，利用超音波在結構物內部因分子結構之差異性而產生各種不同折射及改變波速之情形，進而可藉以檢視結構體壁內之混凝土壁厚度、裂縫深度及孔隙位置等。現地檢測時，通常選擇代表性且寬度大於 0.3mm 之裂縫實施。超音波穿透力高，可檢測很厚物件，且對人體無害，通常可立即研判內部瑕疵，此是最大的優點，然而檢測需淵博技術經驗，又不適於粗糙或結晶顆粒粗大物件，也不適用於薄物件等，因此限制了其在隧道檢測上的應用。 (三)打擊聽音法襯砌內既存之微小裂縫從發生開始即少量地、逐年地持續發展，直至形成三維閉合型態裂縫，即可能導致剝落現象之發生。尤其列車行駛通過時所產生之空氣壓力與列車振動往往造成襯砌混凝土表面振動速度提高，而反覆拉張既存的裂縫，持續造成裂縫之進展與惡化，而形成潛藏危害。此種三維閉合型態的裂縫藉由敲擊方式所產生之回音，將有異於尚無裂縫生成的襯砌狀況，故透過敲擊襯砌表面之聽音方式，將可辨識襯砌內部是否存在三維閉合型態的裂縫。近年來日本已廣泛的應用打擊聽音法，如 2000 年日本在山陽新幹線曾採用此種方法進行襯砌表面全面檢測，間隔 0.5m 敲擊一處，檢測面積達 590 萬 m2。四、其他類混凝土強度的探測方法有許多，如史密特錘法，測試槍法，拉拔試驗、貫入阻力第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 47 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處法等。其中史密特錘與測試槍法，只能測得混凝土表面之強度指標，惟因其施作簡便，因此常使用現場之簡易測試。進行試驗前應對材料表面進行適當處理，可獲得更具代表性之結果。此兩法之操作方式說明如后：史密特錘法係利用高強度之測試錘(史密特錘)，用手頂住錘末梢，再以緩慢的下壓方式讓錘尖頂住測試面，而壓縮內部彈簧，待達一緊縮程度，彈簧放開錘心鋼棒，而直接擊打貫入混凝土測試面，再由錘心之回彈程度，而可簡易測試出混凝土的強度。因攜帶方便，檢測人員可配合隧道其它檢測項目，選擇疑似混凝劣化區或任何位置配合進行史密特強度測定，以確實測出隧道結構體之強度分佈狀況。測試槍係利用一把特製的手槍，發射出探針，衝擊混凝土表面，根據探針在混凝土表面所遺留下的凹痕深度推估混凝土的強度。表 2.2-1 比較各種非破壞性檢測技術於隧道襯砌檢測的特性，包括檢測方式、空間定位精度、檢測速度以及所需的配合設備及相關作業等。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 48 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 2.2-1 各種非破壞性檢測技術於隧道襯砌檢測之比較非破壞性檢測技術檢測方式目視/攝影/錄影三維面狀檢測光學技術類隧道淨空測量隧道影像掃描 (TS360 系統) 隧道影像掃描 (DIBIT 系統) 三維點狀三維面狀三維面狀熱紅外線掃描三維面狀導透地雷達電多相線性陣列與電磁波雷達電子自然電位法技術電阻法類物理敲擊回音法波動技超音波檢測術打擊聽音法類其混凝土強度錘他測試槍類二維線狀二維線狀二維線狀二維線狀空間定位精度檢測速度配合設備/作業視異狀程度、隧道低照明而定， 0.2~1.5km/人時單一斷面施作迅需設測量控制點、甚高速內業處理需工作車配合及內 2~5km/hr 高業處理需測量定位配合及 0.01~0.1m/hr 高內業處理需測量定位配合及 2~5km/hr 高內業處理視配合作業而定 0.5~1.5km/hr 檢測位置另行目視或測量定位，常需視配合作業而定 0.2~0.3km/hr 工作車/架、需內業處理視配合作業而定單點施作迅速檢測位置另行目視或測量定位，常需視配合作業而定單點施作迅速工作車/架二維線狀視配合作業而定單點施作迅速檢測位置另行目視或測量定位，常需工作車/架、需內業處理二維線狀視配合作業而定單點施作迅速單點極快，全面性局部點狀視配合作業而定施作需大量人力局部點狀視配合作業而定單點施作迅速檢測位置另行目視或測量定位，常需局部點狀視配合作業而定單點施作迅速工作車/架第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 49 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 2.3 檢測作業方法與流程之檢討依據前述隧道安全檢測案例經驗彙整與檢測技術現況發展之回顧，本節據以整理各項檢測之對象，並進一步加以分類。繼而以儘早察覺隧道襯砌異狀之發生或有效掌握異狀變化之觀點，檢討國內目前的檢測策略與作業流程，並探討檢測技術的限制。 2.3.1 檢測對象之探討隧道構築於地下，結構行為受地形、地質等環境條件變異而影響，加上襯砌長期老朽化，以致影響隧道結構安全的因素往往十分複雜，造成的異狀徵兆或現象種類相當繁雜，檢測對象不同，因應的隧道安全檢測亦有多種不同的對策與作業方式。就隧道檢測的對象而言，依據位置與異狀特性大致可區分為下列各項，如圖 2.3-1 所示：背後孔洞襯砌表面滲漏水圖 2.3-1襯砌完整性隧道襯砌安全檢測對象示意圖第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 50 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處一、襯砌表面襯砌表面係指隧道內可視的襯砌範圍，交通隧道通常為路面以上的側壁與頂拱，在水利隧道則為全斷面的襯砌。襯砌表面檢測係基於隧道存在異狀時，襯砌表面必然會有某些徵兆，觀察這些徵兆，即可瞭解隧道襯砌的穩定性或相應的變化。由於襯砌表面的檢測簡易、直接且迅速，故為多數檢測作業所採用。襯砌表面的異狀種類繁多，圖 2.3-2 列舉數種典型的異狀。若依據襯砌的型式加以區分，圖 2.3-3 為磚造襯砌常見的異狀、圖 2.3-4 及圖 2.3-5 為混凝土襯砌常見的異狀、圖 2.3-6 為鋼筋混凝土襯砌常見的異狀。各種異狀可能的影響因素將於後續章節進一步探討。就發生的位置而言，滲漏水現象其實自襯砌背後貫穿襯砌以至反應於襯砌表面，但就異狀的特性而言，則與各種襯砌異狀存在差異。襯砌依其構築材料與形式的不同，水密性亦不一致，因此未設置防水層的排水隧道或部份排水隧道，滲漏水實為自然現象。惟襯砌若出現龜裂或背後孔洞，滲漏現象將局部發生，亦可做為其他異狀的指標。圖 2.3-7 列舉數種襯砌滲漏水現象。其次，滲漏水水質及顏色亦為檢測的重要項目，若滲漏水呈酸性，可能造成混凝土脆化或剝落，嚴重時更可能導致水泥溶解，致使襯砌結構崩壞，若滲漏水顏色呈黃色混濁狀，則可能襯砌背後地盤土砂被帶出，襯砌背後因而存在空洞。襯砌表面的檢測可應用目視觀測、隧道淨空測量與掃描等方式進行，目視觀測與隧道掃描結果通常在襯砌展開圖上繪製異狀分佈位置，略加說明後輔以異狀處的攝影、錄影等加以記錄。而隧道淨空測量結果則繪製淨空斷面圖，有時尚經計算求得隧道中心線或圓形隧道襯砌真圓度等。圖 2.3-8 列舉目視檢測記錄案例，圖 2.3-9 列舉襯砌表面掃描記錄方式。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 51 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處二、襯砌完整性襯砌完整性係指襯砌與其設計條件的相符程度，包括襯砌厚度、強度、鋼筋數量、腐蝕程度、位置與保護層厚度、以及襯砌是否出現蜂窩、析離、孔洞、裂縫或裂隙、中性化、氯離子含量過高等異常現象。前述項目的設計條件與檢測結果的差異，即為襯砌完整性上的缺陷，由於襯砌完整性部份檢測項目如襯砌厚度、強度等具量化定義，故相對其他檢測項目，其結果較易量化表示。襯砌完整性檢測方式甚多，如透地雷達探查可應用於探查襯砌厚度、鋼筋保護層厚度、是否出現蜂窩、析離、孔洞、裂縫或裂隙等，混凝土強度錘可檢測混凝土強度，電阻法可探查鋼筋的腐蝕程度，局部採樣的試體可檢測混凝土中性化與氯離子濃度，鋼筋外露時，可採自然電位法檢測其腐蝕程度等。圖 2.3-10 列舉透地雷達探查成果，一般而言，透地雷達探查位置需配合襯砌展開圖予以標示，以掌握異狀位置。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 52 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 a)襯砌裂縫 b)襯砌開裂 c)襯砌剝離 d)襯砌剝落 e)散狀剝落 f)鋼筋外露 g)裂縫滲漏水 h)仰拱隆起 i)襯砌入侵 j)背後空洞 k)錯動 l)襯砌開裂掉落 m)襯砌鼓起(浮起) n)施工縫分離 o)施工縫錯動圖 2.3-2 不同類型的隧道異狀第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 53 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 a)浮起 b)散狀剝落 c)兩側起拱線上 45°附近剝落 d)採混凝土加襯補強後，兩側起拱線上 45°附近縱向裂縫 e)起拱線附近縱向剝落 f)剝離圖 2.3-3 磚造襯砌數種異狀第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 54 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 a)頂拱兩側縱向裂縫 b)頂拱縱向裂縫 c)頂拱兩側縱向裂縫 d)開裂掉落 e)頂拱裂縫 f)裂縫貫穿襯砌全厚度之一 g)裂縫貫穿襯砌全厚度之二 h)裂縫貫穿襯砌全厚度之三圖 2.3-4 混凝土襯砌數種異狀之一第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 55 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 a)頂拱放射狀與起拱線附近縱向裂縫 b)避車洞裂縫漏水 c)起拱線上方平行斜裂縫 d)側壁下方滲漏水 e)錯動 f)開裂圖 2.3-5 混凝土襯砌數種異狀之二第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 56 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 a)襯砌錯動、鋼筋外露 b)開裂 c)襯砌剝落、鋼筋外露之一 d)襯砌剝落、鋼筋外露之二 e)襯砌剝落、鋼筋外露之三 f)襯砌剝落、鋼筋外露之四圖 2.3-6 鋼筋混凝土襯砌數種異狀第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 57 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 a)壁面滲水 b)裂縫滲水 c)施工縫滴水 d)施工縫湧水之一 e)施工縫噴水 f)施工縫湧水之二 g)滲水處產生白華 h)滲水處之鏽染現象圖 2.3-7 襯砌滲漏水第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 58 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處展左側壁 0° 視拱 30 ° 60° 里程圖環 90° 60° 30° 展右 0°側壁左側壁 0° 視拱 30° 里程圖環 90° 60° 60° 30 ° 右 0°側壁 165K + 640 164K + 810 10m 10m 1 64K + 800 1 65K + 630 5 10m 10m 10 16 5K + 620 2.6m 7.1m 7.1m 符號說明避車洞 2.6m 16 4K + 790 2.6m 施工縫 7.1m 7.1m 50 裂縫 2.6m 裂縫寬度估計值 (m m ) 混凝土掉落，防水膜裸露混凝土錯動，記號為下方混凝土密實度或完整性不佳區域透地雷達測線位置圖 2.3-8 目視檢測記錄例圖 2.3-9 襯砌表面掃描成果例第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 59 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 2.3-10 透地雷達檢測成果例第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 60 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處三、襯砌背後孔洞襯砌背後空洞係指隧道襯砌與圍岩間存在間隙、孔洞，或圍岩鬆動與周遭岩層脫離，或周圍存在水包等現象，如圖 2.3-11 示意。隧道頂拱或周圍附近因存在空洞，岩溫出現變化，岩體的介電特性亦發生改變，此種襯砌背後空洞通常應用透地雷達或熱紅外線掃描進行檢測，熱紅外線掃描實例如圖 2.3-12。圖 2.3-11 襯砌背後空洞示意圖圖 2.3-12 襯砌熱紅外線掃描成果例第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 61 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處四、其他檢測項目包括隧道內的路面、排水溝等異狀、隧道附屬設施情況以及隧道周圍的地盤狀況等。隧道內的路面、排水溝等附屬結構設施，檢測方式可參照襯砌主體結構進行；隧道周圍地盤狀況亦可透過非破壞性檢測或其他調查方式進行。圖 2.3-13 列舉洞門及洞口異狀、圖 2.3-14 列舉洞口邊坡破壞、圖 2.3-15 列舉隧道內裝飾板損壞、圖 2.3-16 列舉路面積水狀況、圖 2.3-17 列舉路面破損狀況、圖 2.3-18 為排水措施異狀、以及圖 2.3-19 列舉其他數種異狀。 a)洞門傾斜、龜裂損壞 c)混凝土洞門龜裂損壞 b)洞門頂部龜裂 d)磚造洞門受震損壞 (引自中央氣象局網站資料) 圖 2.3-13 洞門及洞口異狀圖第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 62 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 a)洞口邊坡及道路受震損壞 b)洞口邊坡崩坍圖 2.3-14 洞口邊坡損壞圖 a) 裝修壁磚變形剝落損壞 b) 滲漏帶出土砂污損裝修壁磚圖 2.3-15 裝飾版損壞圖 a)路面積水 b)軌道面上方之滴水(影響電力線) 圖 2.3-16 路面積水圖第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 63 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 a)路面鼓凸 b)路面滲水 c)路面破損漏水 d)鋪面破損圖 2.3-17 路面破損變形 a)排水設施受擠壓損壞 b)排水設施多雜物土砂淤積圖 2.3-18 排水設施損壞圖第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 64 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 a)襯砌背後大型空洞 b)襯砌厚度不足 c)空洞背後岩塊堆積情形 d)支保及繫桿鏽蝕與岩塊堆積 e)混凝土蜂窩 f)襯砌劣化現象 g)底版隆起破壞 h)電力架螺栓有間隙圖 2.3-19 隧道其他異狀圖第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 65 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 2.3.2 檢測策略與作業流程就檢測策略面而言，國內隧道工程概分為檢查與檢測二個主要階段，現行作法通常分由隧道管理單位自辦以及委託專業顧問公司辦理，兼顧現有公共工程管理體系與隧道維護管理的專業分工。惟就公共工程生命週期的觀點而言，檢查與檢測實則皆為隧道維護管理的一部份，目前檢查工作未納入隧道安全檢測體系的方式，應予改善。換言之，隧道檢查有其一定的頻率與時機，卻缺乏安全檢測過程系統性的記錄與評估，而安全檢測作業雖可針對隧道進行較全面性、較完整性的檢測工作，卻缺乏關於實施頻率與時機的規定或建議，以致國內隧道實施安全檢測的案例，相對於國內隧道工程數量而言，比例不高且欠缺系統性、邏輯性的實施計畫。欲將檢查與檢測予以整合，建構較完整的隧道安全檢測體系，必須考慮隧道特性、現況、服務對象與重要性，以及執行人員的專業程度等，進一步修訂檢查與檢測的頻率，檢測的對象與記錄的方式，再配合適當的檢測配套措施，得以完成。其次，國內雖有隧道安全檢測作業階段的實施流程，但各階段的檢測配套措施、檢測成果的要求並沒有相關的規定或建議，因此，有時會出現尚未進行隧道全斷面襯砌表面檢測獲取較全面性的資料前，即進行襯砌混凝土鑽心取樣，探求局部強度的破壞性試驗，或者在詳細檢測階段卻在執行隧道全斷面影像掃描的檢測順序倒置的情況，或者是平時巡查的結果因異狀位置、相關描述等記錄不詳，或標準檢測結果無法提供較精確的異狀定位的檢測成果精度不足或記錄粗糙的情況，徒增安全檢測的作業時間與成本。缺乏系統化的隧道工程與維護管理資料庫亦造成隧道維護管理的困擾，國內目前在規劃設計階段的隧道工程地質調查與設計成果、施工階段的施工情形、災害處理，以及營運階段的檢查與檢測結果通常皆加以記錄，惟尚未全面電腦化、數位化，亦缺乏一致的格式，例如隧道營運的里程數與設計階段可能不同，因此檢測過程尚需里程轉換，增加現場作業程序，不利於快速化非破壞性檢測的需求。另外，新建隧道完工後，僅按設計圖說標示的尺寸繪製施工圖，卻沒有針對往後營運管理期間最重要的隧道安全檢測調查、記錄其初始條件，部份施工過程的瑕疵、第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 66 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處缺陷可能對隧道初期的安全檢測作業造成誤判與困擾。新建隧道完成後，應在正式營運以前即進行標準檢測，針對整座隧道建立隧道營運維護的初始參考值，除將檢測結果完整記錄外，亦宜將規劃、設計與施工階段的記錄，轉換為營運維護的資料，以因應未來的維護需求。 2.3.3 檢測技術的應用與限制由前述探討可知，各項檢測技術皆有其特性與適用情況，若能適時適地加以應用，可收事半功倍之效。反之，若未能妥適運用，則可能無法達成安全檢測之目的。就技術面而言，應用光學原理的檢測技術適用於三維面狀的檢測，在襯砌表面的檢測作業最為適用，且可快速獲得隧道全斷面的影像，有效掌握異狀在隧道中的位置，因此為檢查與初期的標準檢測的利器。但是此類技術檢測結果多數侷限於襯砌表面的影像，雖可透過異狀形態的辨識與襯砌表面溫度分佈，推求襯砌完整性、背後空洞或異狀的原因，惟有關異狀程度方面的調查成果，需配合其他技術進一步調查。應用物理波動原理、導電與電子學原理的檢測技術，大多數適用於線狀的調查，應用在隧道襯砌三維全面的調查，必須安排縱橫交錯的綿密測線，困難度甚高，且全斷面調查的速度方面，遠不及光學技術類的檢測技術，故其勝場在於襯砌完整性以及背後空洞的檢測。應用物理波動技術的敲擊回音法可有效調查襯砌結構內的面狀裂縫、裂隙，而應用導電與電子原理的透地雷達與多相線性陣列雷磁波雷達，則可檢測出襯砌結構內的異狀分佈位置。此類檢測若配合測量作業精確的定位施測位置，可有效掌握異狀在隧道中的幾何分佈、襯砌結構完整性，有利於後續安全評估作業。混凝土強度試驗採用的史密特錘與測試槍，則屬於局部點狀的檢測，必須結合其他檢測方式，方能提供有用的資訊。由於應用物理波動原理、導電與電子學原理的檢測技術僅能進行二維線狀的檢第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 67 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處測，混凝土強度試驗僅能進行局部點狀的檢測，此類檢測作業皆需配合隧道內測量工作，方能掌握施測位置。因此儘管檢測作業可能相當快速，但其他配合作業的時間與人力卻相當可觀，影響檢測作業整體的速度。各種非破壞性檢測技術在不同檢測階段適用情況，比較如表 2.3-1。各種非破壞性檢測技術均有其使用之限制，如透地雷達之檢測深度有其極限，且襯砌結構若有鋼筋，襯砌鋼筋背後之空洞即不易檢測出來；其他非破壞性檢測技術亦如此，使用時有其限制，應予以注意。此外，各種非破壞性檢測技術應用於隧道襯砌結構檢測，均必須由專業技術人員實施，檢測結果係經過專業的判釋與經驗的判斷，其中難免會有誤差或誤判出現。若能與其他現場破壞性檢測配合，驗證非破壞性檢測的結果，增加其可信度。如透地雷達之檢測襯砌背後空洞，可採襯砌鑽孔驗證其檢測結果，並協助檢測結果的判釋；襯砌表面影像掃描裂縫亦如此，必須至現場目視檢測，進行比對，確認影像掃描結果。根據上述，非破壞性檢測與其他破壞性檢測項目之配合，以及非破壞性檢測的結果之確認，有其必要性。就既有的非破壞性檢測技術而言，其他工業如鋼結構檢測的應用上，已有明確的作業準則，包括各項檢測技術的應用流程、檢測的環境條件、以及操作的細節與記錄的格式等，皆有詳細的規範，對於檢測人員的訓練、認證與回訓，亦有完整的制度，不僅需瞭解檢測技術的原理與操作的方法，亦需接受待測物體結構特性基本知識的相關訓練，以瞭解「異狀」、「缺陷」的特性，使檢測工作能有效達成。但有關非破壞性檢測技術應用在隧道安全檢測上，則有待進一步的改善與規範。第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 68 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 2.3-1 各種非破壞性檢測技術於不同檢測階段適用情況檢討非破壞性檢測技術光學技術目視/攝影/錄影檢測隧道淨空測量隧道影像掃描 (TS360 系統) 隧道影像掃描 (DIBIT 系統) 熱紅外線掃描物理波動技術類檢查詳細檢測襯砌表面龜裂觀察、滲漏水 ○ ○ △ △ 襯砌、路面變位測量隧道全斷面灰階影像、溫度分佈影像、淨空剖面 △ ○ ○ △ － ○ ╳ ╳ 隧道全斷面灰階影像、－ ○ ╳ ╳ － ○ ╳ ╳ ╳ △ ○ ○ 多相線性陣列電磁波雷達自然電位法電阻法敲擊回音法隧道全斷面溫度分佈影像襯砌厚度、鋼筋位置、襯砌中存在的缺陷襯砌厚度、鋼筋位置、襯砌中存在的缺陷鋼筋腐蝕鋼筋腐蝕裂縫幾何及分佈 ╳ △ ○ ○ ╳ ╳ ╳ ╳ ╳ ╳ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 超音波檢測裂縫幾何及分佈 ╳ ╳ ○ ○ △ △ △ △ ○ ○ ○ ○ 透地雷達導電與電子技術類檢測主要內容適用情況標準標準檢測檢測 I II 混凝土強度錘混凝土強度測試槍混凝土強度說明：○最適用，△適用，╳不適用，—視情況而異。其他類第二章隧道安全檢測現況與案例彙整 – 69 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處第3章隧道安檢管理準則之檢討與建議本章回顧國內外隧道安檢管理準則，探討隧道安檢管理的要點與執行的現況，並提出安檢管理準則之初步建議。 3.1 隧道安檢管理準則之回顧茲分國內、日本與歐美三部分，摘要整理如后。 3.1.1 國內安檢管理準則國內道路維護管理的相關法令規定，公路方面以交通部 1987 年頒佈發行「公路養護手冊」為代表，鐵路方面則以台灣鐵路管理局工務處 1988 年編印「工務規章彙編」為代表，二者有述及公路、鐵路隧道養護業務經常性的檢查作業頻率以及項目，但多屬定性之說明。黃燦輝與鄭富書 1997 年進行「老舊交通隧道之安全檢測、維修與補強技術研訂」，並提出「老舊交通隧道之安全檢測技術手冊」，其中參照日本 1990 年代初期的研究成果，考量我國的地形與地質特性、以及隧道施工方法等，針對我國的交通隧道的安檢管理辦法提出具體建議。其建議隧道自完工營運後，維護管理作業可以分為檢查、安全檢測以及維修補強三個階段，如圖 3.1-1 所示。檢查階段大致上參考公路養護手冊，按檢查時機與頻率，區分為日常檢查、定期檢查以及臨時檢查三種；檢查發現異狀顯著後，即進行安全檢測作業，而安全檢測作業亦分為標準檢測以及詳細檢測兩大類，標準檢測並細分為兩個階段；若標準檢測結果發現隧道存在安全性問題時，應儘速辦理維修補強工作。各維護管理階段的目的、檢測方法、檢測範圍與對象、檢測之記錄以及是否進行安全評估，整理如表 3.1-1 所示。第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 70 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 3.1-1 各階段隧道檢查與檢測的比較(黃燦輝與鄭富書，1997) 階段目的檢測方法檢測範圍檢測記錄安全評估與對象檢查平時早期發覺異狀目視檢測或概略掌握異定期狀變化情況臨時全隧道襯砌表記錄表、照面、滲漏水無片目視檢測、簡易全隧道襯砌表依異狀發生或測量工具如皮面(尤其是已持續變化，概尺、游標尺、史存在的異狀略判斷，評估密特錘是否實施安全處)、滲漏水檢測檢測標準檢測確認檢查階段各種方法全隧道襯砌表襯砌展開 (初步檢測) 所發現的異狀面、滲漏水，圖、異狀測情形並進一步局部位置的襯繪與各種檢調查，評估隧砌完整性、背測項目調查道安全等級，後空洞等是成果獲取維修補強所需資料詳細檢測主要為取得維各種方法標準檢測階段修補強設計所判定安全性不需資料足的局部處，是包括襯砌表面、襯砌完整性、背後空洞、滲漏水及其他等註：檢測範圍與對象僅針對隧道襯砌整理，有關地表、地質狀況、洞口以及其他附屬設施部份，本表未予納入。第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 71 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處平時檢查主管機關自辦 (配合現有養護體系辦理) 定期檢查臨時檢查主管機關自辦或委託專業公司辦理標準檢測Ⅰ 標準檢測Ⅱ 詳細檢測委託專業公司辦理檢查隧道維護管理安全檢測維修委託專業公司辦理圖 3.1-1 公路隧道維護管理執行單位之建議(黃燦輝與鄭富書，1997) 3.1.2 日本安檢管理準則日本的隧道維護管理準測，各單位視其業務與隧道特性的不同，分別形成各自的系統，本文列舉日本國土交通省、日本道路公團、日本鐵路公司(JR)以及東京電力公司的安檢準則簡化流程與概要，如表 3.1-2 至表 3.1-5 以及圖 3.1-2 至圖 3.1-5 所示。由圖 3.1-2 至圖 3.1-5 中可知，日本隧道安檢管理準則大致上分為兩個類別，日本國土交通省、日本道路公團以及東京電力公司基本上皆依循檢查、安全檢測以及維修補強的程序，由全面性的目視檢查，初步安全性判定，發現問題後再進一步實施安全檢測與安全評估作業，必要者再進行維修補強的工作，維修補強後仍繼續監督成效，並再次納入安檢管理準則的循環中。而日本鐵路公司 JR 則因 1999 年山陽新幹線的隧道中發生混凝土襯砌剝落事件，大幅度地修正了其安檢管理準則，將隧道安檢作業分為整體檢查與個別檢查，並於 1999 年 10 月 25 日至 12 月 15 日，針對山陽新幹線 142 座隧道進行全盤(面)檢查，採用目視檢查與打擊聽音法，檢查了總長 280km 的隧道。第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 72 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處日本鐵道總合技術研究所針對新式鐵路隧道安檢管理準則(日本隧道綜合管理所，2000)進一步加以彙整，建議如圖 3.1-6 的檢查流程以及相應的安全評估準則流程。有關日本鐵路隧道安檢管理準則之變化，整理比較如表 3.1-6 所示。其中最主要的觀念，即提出了初次檢查(測)的概念，將以往二年實施一次的定期檢查，採用一次全盤檢測加以詳細確認，其中特別增加了混凝土剝落潛在危害的檢測項目，大量應用打擊聽音法，檢測可能危害行車安全的局部剝落，疑似有剝落處(打擊音為濁音者)，採取直接鑿除進行金屬網補修的做法，並全面繪製異狀展開圖，以做為未來安檢管理的參考依據。由表 3.1-6 中可知，日本以往的檢查方式係由檢查者依經驗自行判斷混凝土剝落的現象，而新式的檢查項目乃是依據先前檢查所製作的隧道異狀展開圖為依據，而進一步追蹤判斷。此種作法可避免隧道檢查員經驗不足所造成人為誤差，且經由不斷的記錄隧道異狀圖的方式，建立完整的隧道異狀歷史資料。第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 73 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 3.1-2 日本國土交通省隧道安檢概要(日本土木學會，2003) 分類目的與做法內容範圍為了早期發現異狀，原配合公路例行性的巡檢實隧道全線日常則配合公路例行性的巡施為原則檢查迴檢查實施，由車上以目視檢查為主為掌握異狀的情形及其隧道全線 ‧ 實行目視檢查或近距變化狀況，以確保隧道的檢查及離目視+打擊聽音檢查周邊的現安全性為原則，以防止地踏勘為原則定期使用者受害於未然的觀檢查點進行定期性的檢查 ‧ 初次檢查應實施近距離目視檢查+打擊聽音檢查當日常檢查時發現異狀同定期檢查。如有必要進判斷有必異常而必須進一步詳細檢查一步掌握異狀的程度時，要實施的時時必須實施近距離目視檢查位置檢查 +打擊聽音檢查集中豪雨、地震及隧道同定期檢查判斷有必臨時內事故等發生時，所進要實施的檢查行的臨時檢查區域頻率 1 日 1 次為原則依檢查的結果，以每 2 年或 5 年 1 次為原則，但是，初次檢查以完工後 2 年內實施為原則在日常檢查發生異狀後實施於地震、集中豪雨、隧道內事故發生時表 3.1-3 日本道路公團交通省隧道安檢概要(日本土木學會，2003) 分類初期檢查日常檢查定期檢查臨時檢查詳細檢查內容目的為了掌握結構物完工後之初期狀況，採用近距離目視檢查及打擊聽音檢查頻率使用前實施為了提早發現對公路整體的異常、損傷等所做的檢查，以車上目視所做的目的日常性檢查。主線內檢查：7 次/1 週，5 次/1 週，7 次/2 週(以交通量為設定的標準) 頻率主線外檢查：2 次左右/年為全盤掌握所管轄區域內的結構物狀況，同時做為制定檢查計畫之依據，目的主要以步行目視檢查為原則。頻率 1 次/年目的為補充日常檢查之不足及異常氣象時，於必要時實施。頻率必要時為了詳細掌握結構物受損狀況，採近距離目視檢查及打擊聽音檢查，且可目的做為補修計畫之依據。 ‧針對可能對交通安全及第三人造成障礙之位置，至少每隔 5 年檢查一頻率次。 ‧非以上條件者，至少每隔 10 年檢查一次。第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 74 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 3.1-4 日本鐵路公司 JR 隧道安檢概要(日本土木學會，2003) 分類整體檢查種類目的與做法內容頻率 ‧不管有無異狀發生，對隧道全線實施檢間隔不超過 ♦ 隧道內外部之目視查，主要以目視檢查為主。兩年定期 ‧定期檢查包括初次整體檢查、通常整體檢查檢查檢查、特別整體檢查等。 ♦ 打擊聽音檢查地震災害後、豪雨之後、融雪時及接近施視必要 ♦ 隧道內外部之目視工等容易發生異狀之場合，以及判斷有必檢查不定期要之場合，隨時實施。檢查個別檢查 ♦ 為確認異狀之變化狀況所須之監測依據整體檢查結果判斷有進一步監視異依整體檢查 ♦ 針對異狀變化及規狀之變化的必要時實施。個別檢查在掌握的結果，有異狀的程度及變化，為了判斷其所需之處模所須之監測及監進行監測以理措施，必須採用高精度的檢查方法。具視監視異狀之體而言，採用內空變位計之變形量測、鑽變化狀況之 ♦ 襯砌背後的孔隙的孔等之襯砌背面的空洞調查等儀器量測必要時為主，著眼於掌握變狀的定量狀態為主。確認、襯砌厚度以及相關的地質調查。第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 75 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 3.1-5 日本東京電力公司隧道安檢概要(日本土木學會，2003) 分類種類目的與做法內容為定期進行的工作，以機能的維持、事故內部：定期發生前的預防性措施為主，在於掌握異狀檢查 ‧ 目視檢查的有無、變化狀況等的檢查。頻率有地震、豪雨、山崩等之外部因素，及環臨時 ‧ 打擊聽音檢查境變化等狀況發生時，針對水路的影響進檢查行整體或局部的檢查。 ‧ 裂縫測定（寬度）定期檢查時確認異狀之變化狀況，或發現 3 年/1 次新的異狀時，應實施詳細檢查。係以推估 ‧ 設置簡易裂縫計檢查（通水隧道異狀原因、判斷有無處理之急迫性為目的配合停水）外部：之檢查。詳細 ‧ 確認外部地形異狀檢查 ‧ 確認漏水 ‧ 確認開發行為表 3.1-6 隧道整體檢查之比較(日本鐵道總合技術研究所，2000) 項目以往之整體檢查新式之整體檢查初步整體檢查一般整體檢查新幹線︰10 年之內既有︰立即檢查週期二年之內實施新建︰完成一次後特別整體檢查二年之內一般線︰20 年之內目視檢查近距離目視或以燈徒步方式並以燈近距離目視或以燈徒步等方法方法光輔助光輔助光輔助根據已有的隧道異根據已有的隧道根據已有的隧道異敲擊回音檢查者自行狀展開圖，並配合異狀展開圖，並將狀展開圖，並將裂之判斷方疑似有裂縫產生的裂縫產生的區域縫產生的區域繪至判斷式繪至在展開圖中在展開圖中區域記錄方式各種形式隧道異狀展開圖之隧道異狀展開圖隧道異狀展開圖之記錄之修正修正第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 76 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 3.1-2 日本國土交通省隧道安檢管理流程(改繪自日本土木學會，2003) 第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 77 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處記圖 3.1-3 日本道路公團隧道安檢管理流程(改繪自日本土木學會，2003) 第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 78 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 β 圖 3.1-4 日本鐵路公司 JR 隧道安檢管理流程(改繪自日本土木學會，2003) 第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 79 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 3.1-5 日本東京電力公司隧道安檢管理流程(改繪自日本土木學會，2003) 第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 80 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處整體初次全盤檢查二年以內製作隧道展開圖整體一般全盤檢查 (隧道2年之內) 隧道展開圖修正整體初次全盤檢查或整體特別全盤檢查 (隧道10年以上) 未經過經過整體特別全盤檢查圖 3.1-6 日本鐵路隧道新式安檢管理流程(改繪自日本鐵道總合技術研究所， 2000) 3.1.3 美國安檢管理準則美國的安檢管理準則與我國及日本存在很大的差異，按美國聯邦公路總署 FHWA 出版的「隧道檢測手冊」與「隧道維護與修復手冊」，隧道檢測的流程上雖未若日本般明確加以界定，但亦分頻率較高的一般檢查以及精度較高的安全檢測分別實施。但是在安全評估準則與後續的處理對策上，FHWA 的建議傾向全面記錄並數字(位)化隧道襯砌以及隧道內其他設施(含通風、照明、號誌等其他附屬設施)的現狀資料。在與隧道結構安全關係較密切的襯砌部份，FHWA 係以檢測工程師或檢測員依據狀態加以主觀判定，與日本採行各項異狀影響因素分別訂定評估準則的做法有相當程度的差異。FHWA 的建議在安全評估方面較為主觀，係由檢查或檢測人員針對隧道的構件分別判定，再組合以判斷隧道整體的安全等級，有利於長第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 81 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處期的追蹤與各級道路之間不同隧道安全程度分級整體性的管理。 3.2 隧道安檢管理準則考量重點之探討茲依國內隧道安全檢測管理準則施行現況，比較國內外隧道安檢準則的重要考量以及基礎建設設施維護管理發展的觀點，探討如后。 3.2.1 管理準則實行現況國外累積的安全檢測技術迄今已達 30 年，且已有系統的予以整理(ITA-Working Group Maintenance and Repair, 1987)，隧道主管機關業已建立安檢管理作業準則且行之多年，而國內在建設高峰期過後，雖於 1990 年代有相關研究，隧道安檢作業實務上實則仍處於萌芽階段。由於國內社會結構轉型迅速情況下，公共工程預算逐年相對地減少，基礎建設逐年累積，必須維護管理的公共構造物逐年增加，一旦多數公共構造物步入中、老年期，維護費用更將急遽攀高。基礎建設設施含括的範圍非常廣泛，各隧道之主管權屬機關因其種類、功能、規模及建設財源之不同，分散於各部會所屬或地方機關中。各隧道建設經數十年來之運作，維護管理所負責機關皆多已明確，唯在介面上仍有未完全統合之現象，包括建設與使用單位的不同，使用單位與養護單位亦不同，以及維護管理觀念或理念的差異等，導致基礎建設設施佔生命週期中最長久的維護管理階段，經費、人力及技術上常有所不足，或管理辦法尚未建立或健全，監督機制未落實等缺失。就隧道全生命週期維護管理的觀點，例舉數個現況之缺失與執行的困難如下： 1. 隧道功能性分類不明確：山岳隧道或土質隧道、鐵路、公路隧道及水利隧道，每一隧道之功能屬性不同，其檢測、評估之方法也不同，國內隧道管理準則，應該依據不同功能之隧道訂立不同之準則。 2. 並無一完整之平台將隧道資料建置：國內現行隧道管理機關並無一完整模組之平台，建立其統一之隧道基本資料、隧道管理評估模組化，進而作為日後歷史資料的存查與評估分析。第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 82 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 3. 隧道檢測頻率與評估等級分類不一：應依據隧道之重要性評等，訂立不同之檢測評估時機，作為主管機關之經費預算的參考。 4. 隧道檢查或安全檢測與後續安全評估執行者專業能力不足：隧道結構乃為一複雜的力學結構體，須由專業的工程師，或有經驗的檢測人員進行評估，然國內迄今仍少有相關的講習訓練以至於教育認證等單位與課程。以公路為例，國內之管理係採分級分工原則，依行政系統層級不同，其主管之職權亦有所差異。部分公路與隧道維護管理分屬不同層級及管理單位，尤其是部分縣市政府養路組織未臻健全，各級道路管理養護制度與作業程序並不一致，道路管理養護制度未隨時代之演變而有大幅之改變，以致無法達到制度化、效率化之要求。 3.2.2 公共建設維護管理之等級與生命週期之觀點一、維護管理之等級國內以往隧道設施維護管理的層級，仍多停留在消極的目視巡查與一般的清理養護，而對於公共設施的功能折損，也多是採取被動的「壞了再修」策略。面對數量急速攀昇的老舊設施，採用此一策略，不僅可能導致「修補不完」的窘境，一旦遭遇天災，基礎設施大量癱瘓的困境勢不能預防。因此，先進國家已對公共建設的維護管理進行長期研究，並訂出不同的等級，不僅在平時的維護管理成本面可以有良好的掌握，對於重大基礎設施的安全程度與耐久程度的全面瞭解，亦有助於經濟高度發展社會的穩定，以及減少重大災害的衝擊。工程設施維護的策略可概分為反應式、預防式以及積極式三種，如圖 3.2-1 所示，說明如后： 1. 反應式維護(breakdown maintenance)：反應維護係指公共建設經由一般目視檢測或通報系統發現破壞發生，因其破壞程度、範圍可能對使用者發生安全或使用上之影響，而採取之維護管理措施。反應式維護管理表示功能指數要達到破壞點才進行維修措施，以致維修時需要相當之干擾時間(T0)及能量(dF0) 第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 83 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處以提升所需之功能。 2. 預防式維護(preventive maintenance)：預防維護係指透過監測資料或維護管理歷史資訊，來訂定維修或養護策略，此種方式之維修時機位於破壞發生之前，可以較短之干擾時間(T1×4)及較少之能量(dF1×4)對公共建設進行維護管理，雖然預防維護之干擾次數較為頻繁，然而反應維護之干擾時間(T0)及所需能量(dF0)均較預防維護之生命週期內總干擾時間(T1×4)及所需總能量 (dF1×4)為高。預防維護透過監測資料或設施維護管理經驗，分析工程設施發生破壞的時間點，並據以訂定維護頻率，此種維護方式作業時機常訂於破壞發生的時間點之前。 3. 積極式維護(proactive maintenance)：維護頻率訂定與預防式維護相同，但其維護方式需透過監測資料與破壞原因的探討，進行破壞原因的矯正維護。積極式維護使公共建設生命週期內維修所需總能量達到最小(dF2 + dF3 < dF1 ×4 < dF0)，且維修總干擾時間最短(T2 + T3 < T1×4 < T0)。預防維護由於未根治設施破壞原因，因此修復後之功能劣化趨勢與原設施相同；而積極式維護已針對破壞原因加以根除，因此修復後之設施工能劣化趨勢較為緩和，雖然其各次干擾期之干擾時間較長，然因針對破壞原因加以探討及修復，長期而言，其干擾頻率將減少，總干擾時間亦將降低。反應式、預防式以及積極式維護策略初步比較如表 3.2-1，目前國內隧道工程維護襯砌結構的維護策略仍以反應式維護為主，相關的安全評估準則亦多以異狀是否存在破壞潛能或造成使用者的危害為依據。因應維護工程時代來臨，隧道安檢管理準則應先定出整體的維護策略。而維護策略有必要按隧道設計標準、後續使用功能等加以檢討，並進一步做為研修安全評估準則的依據。第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 84 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 3.2-1 維護策略比較表維護策略維護時期干擾程度維護時期干擾時間干擾頻率使用者成本 (長期 ) 管理成本 (長期 ) 反應式維護高長低大大預防式維護低 (短期 ) 中 (長期 ) 短 (短期 ) 中 (長期 ) 高中中積極式維護中中低小小 dF2 dF3 dF4 安全等級／功能性指標 dF1 T2 +T3 預防式維護 T1 x4 T0 積極式維護 dF0 T2 +T3 < T1 x4 < T0 反應式維護 dF2 +dF3 dF1x4 dF0 dF2 +dF3 < dF1x4 < dF0 T1 T2 T1 T1 T3 T0 T1 T4 T1 時間圖 3.2-1 反應式、預防式以及積極式維護二、生命週期之觀點現代的隧道維護管理工程在質與量上都與傳統的維護工作有極大的差異，傳統的公共設施維護工作僅止於消極地維持隧道功能，而現代性的維護工程則是以隧道的生命週期為基本考量，維持隧道服務水準與操作的穩定，甚至延長隧道服務年限。從國外維護管理相關之文獻回顧中(Takata etc., 2004)，各個先進國家已發覺消極性(被動式)的維護管理效率及成本效益與積極性(預防式)維護管理相較甚第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 85 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處低，而積極性維護管理需有一套完善維護管理制度來串聯政策、目標及設施狀況，系統營運表現及績效評估，以輔助推動此種維護管理策略。圖 3.2-2 為隧道生命週期維護管理之概念圖。此將整體隧道維護管理策略分為三個循環： 1. 經常性維護管理：此一循環包含隧道管理之工作規劃，隧道劣化程度或重要性是否需要進行檢監測，如需要則進行檢監測項目進而達到維護管理之目的，最後再進行工作之成果評估。經由上述之經常性之維護管理，將過程中之成果及經驗累積，可作為中長期維護管理策略規劃之修正參考。 2. 中長期維護管理策略規劃：經由前一循環之策略修正，進入維護管理策略規劃的階段，包含隧道結構損壞劣化程度的評估，以及檢監測技術之效能評估，將此一階段之成果回饋到循環Ⅰ之中，達到中長期維護管理策略規劃之目的。 3. 規劃及營運整體發展：最後經由前次策略規劃的成果回饋至設計修正，並將設計資料和維修之歷史記錄加以建檔保存，而達到隧道營運之整體發展。依據上述觀點，在量的方面，隧道設施維護工程將取代原有的新建工程成為公共建設之主軸，包括設施維修、補強、功能擴充以及災後復建等維護工程需求勢必大量成長；而在質的方面，以往新建工程較單純的施工程序與技術需求，也將轉變為施工程序複雜而且技術整合要求需因時、因地制宜的隧道設施維護工程。盱衡 21 世紀國內工程產業發展趨勢，維護工程勢必成為未來主流，而此一發展趨勢也必將改變國內產業結構，甚至驅動產業轉型升級。歐、美、日等先進國家於 90 年代後期即已發覺公共設施維護工程的重要性，陸續投入大量的人、物力進行相關的政策與技術研究。反觀國內工程界，包括政府與民間仍未見針對隧道設施之維護工程領域投入集中且積極的資源。尤其隨著國內老舊隧道數目逐漸增多，勢必會增加政府逐年養護之費用，如何在有限之經費下達到最大效益，更突顯公共設施維護管理之重要性。第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 86 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處規劃階段設計資料設計修正歷史紀錄維護管理修正循環Ⅲ 營運階段維護管理策略維護管理策略規劃工作規劃檢監測成果評估維護管理損壞/劣化程度評估維護維護管理技術效能評估策略循環Ⅰ 修正循環Ⅱ 循環Ⅰ：經常性維護管理循環Ⅱ：中、長期維護管理策略規劃循環Ⅲ：規劃及營運整體發展圖 3.2-2 隧道生命週期維護管理概念(財團法人台灣營建研究院，2005) 3.3 隧道安檢管理準則之初步建議由國內外隧道安檢管理準則之回顧與檢討獲知，隧道維護管理所必需的安全檢測作業可分為三大部份，即安全檢測作業體制面的管理，檢測對象與相應之檢測技術等技術面的內涵，以及隧道安全等級分析與評估等整體評估面的課題。本研究亦分為安檢作業管理、檢測對象與技術以及安全評估等三大部份，提出隧道安檢管理準則之初步建議，如附錄一。其中安檢管理部份主要說明準則的適用性、內容、目的等管理標的，以及安檢的工作範圍與檢測計畫的擬定等實施檢測作業的前置計畫工作；檢測對象與技術部份說明檢測作業的範圍、對象、因應的非破壞性檢測技術的建議與調查作業原則以及相關注意事項；安全評估部份則說明安檢成果的整理與呈現方式，並建議安全評估準則、相關的考量因素與注意事項等。安全檢測作業準則原則上針對採用傳統工法或新奧工法(NATM)建造的交通隧道而研擬訂定，並納入不同用途隧道，如鐵路隧道、公路隧道或捷運隧道，可能因安全影響因素差異或服務需求不同，安檢作業的考量會略有差異，而分項說明於第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 87 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處各細則之中。本研究提出之隧道安檢管理準則採擷國外相關準則執行之經驗，納入國內隧道工程之特性，考量現階段檢測技術水平與隧道業管單位的現行制度，並納入國內隧道工程領域專家寶貴之經驗，相關單位得視其管理或檢測評估隧道的特性，進一步調整應用。以下說明安全檢測作業管理之階段，並摘要整理各階段之檢測對象與適用的技術，詳細內容請參閱本計畫第一、二年度期末報告。另有關安全評估之部分，將於第四章中探討。 3.3.1 安全檢測作業管理之階段本研究建議隧道安全檢測作業管理依實施步驟可區分為初次檢查(測)、隧道檢查與安全檢測等三階段進行。此三階段之實施時機、工作內容及相互關係如圖 3.3-1 之流程所示。一、初次檢查(測) 初次檢查係於隧道結構物開始使用前進行的檢查與必要的檢測作業，係為掌握完工初期隧道已經存在的混凝土表面狀況、施工縫、或是其他既存的損傷或劣化等異狀，做為日後安全檢測參考的重要依據。初次檢查的目的主要為掌握結構物性能的初始狀態。從確認有無初始缺陷、損傷、以及明確劣化預測的初始數據方面來看，掌握結構物性能的初始狀態極為重要的，尤其對於劣化預測而言，詳實的記錄結構物所處環境的初始條件，如地下水質、水溫、鹽度與酸鹼度等，對於往後的劣化機制的研判甚有助益。對於許多已開放使用的隧道，為納入隧道維護管理系統，第一次的安全檢測亦可視為初次檢查，此時隧道可能因完工後迄第一次安全檢測期間，許多安全評估項目所需的評估因子無法完全蒐集，而無法進行全面性的安全評估。對於已經實施第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 88 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處維修補強作業的隧道，由於結構物的性能可能產生變化，維修補強後所實施的第一次檢查或必要的檢測作業，亦必須達到初次檢查的要求。初次檢查原則上應對整個隧道結構物實施，初次檢查的項目以襯砌表面觀察和襯砌完整性檢測為主，檢查的方法可以採用目視檢查和打擊聽音的方法，並以實施隧道襯砌掃描，取得隧道全線之襯砌表面影像為宜，亦可透過調查與設計施工有關資料的方法相互配合。初次檢測發現襯砌顯著之局部性異狀時，可視需要採取緊急之措施，例如日本山陽新幹線採用打擊聽音法發現襯砌混凝土塊有剝落疑慮時，經評估若混凝土剝落對襯砌結構整體之安全性無影響，而係局部混凝土之缺陷後，即採取鑿除重設之緊急措施。惟若無法判定異狀對襯砌結構整體之影響性，則應進行重點部位的詳細檢測作業。二、隧道檢查本階段主要由隧道維護主管單位執行。檢查之目的在於早期發覺隧道異狀，並於發現異狀存在時，概略地掌握異狀之影響程度，進而判斷有無實施進一步檢測及修復處理措施之必要性。檢查作業依其實施之內容、時機與頻率等，可分為平時巡查、定期檢查及臨時檢查等三類。 (一)平時巡查隧道檢查依其實施之內容、時機與頻率等，分為平時巡查、定期檢查及臨時檢查等三類，如表 3.1-1 所示。平時巡查係依各隧道主管機關所訂定之作業準則，作路線整體性的巡迴檢查，具有檢查範圍大、檢查時間短的特性。因此檢查作業應力求簡單，宜以目視檢查為主；報告亦應簡潔，僅求記錄異狀發生的里程與類別，輔以簡易的照相記錄即可。本研究按黃燦輝等(1997)建議之隧道平時巡查記錄表略加修訂，另行建議如表 3.3-1 所示。第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 89 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (二)定期檢查定期檢查以步行目視為主，並以簡單的工具及照相機輔助記錄，定期檢查的成果必須清楚地標示異狀於隧道內的位置與分佈、辨識異狀的種類，並概略地判別異狀的程度，以供研判是否需進行安全檢測作業，或是提供後續平時巡查參考的重點。按交通部頒佈的「公路養護手冊」與台灣鐵路管理局的「工務規章彙編」相關規定，定期檢查為建立檢測資料庫的最可行途徑，惟因國內隧道歷年的檢查記錄尚缺乏系統化整理，國內隧道檢測資料庫仍待建置。考量目前存在過多的隧道亟待檢查，因此定期檢查作業的記錄，將分為兩類，第一類為一般隧道，定期檢查對象主要集中於襯砌表面，檢查記錄方式亦按黃燦輝等(1997)建議之隧道定時檢查記錄表加以修訂，如表 3.3-2 所示。第二類則為新完工隧道、重要隧道以及營運三十年以上之隧道，檢查對象包括襯砌表面以及襯砌完整性，檢查作業與記錄方式需足供建立隧道檢查基本資料庫使用，且需繪製異狀展開圖，記錄方式除表 3.3-2 之外，尚應包括表 3.3-3 所示的異狀展開圖。在經費與時間允許的情況下，異狀展開圖可採用掃描方法取得底圖，再透過專業軟體研判製圖，否則可透過本研究研發的影像嵌接技術(參本報告第六章)，嵌接隧道影像進一步繪製。採用影像嵌接技術時，攝影的範圍應包括異狀出現位置的全部襯砌範圍(即自一側側壁底部沿環向至另一側側壁底部)，且向隧道兩端至少延伸一倍隧道直徑，或自異狀所在位置向兩端延伸各包括至少兩道襯砌施工縫的長度，以供辨識。定期檢查應針對檢查結果評定隧道的安全等級，並製成報告書。 (三)臨時檢查作業臨時檢查執行之時機，包括：1.平時巡查時發現可能之異狀時；2.長期下雨或豪雨期間或之後；3.地震(如隧道所在地之地震度達四級以上者)之後；4.隧道內發生事故時；5.隧道已出現異狀需持續追蹤異狀之發展時；6.其他特殊狀況(如鄰近隧第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 90 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處道興建工程時)。已出現異狀隧道的臨時檢查，檢查的對象應包含襯砌表面、襯砌完整性以及背後孔洞等，一般隧道的臨時檢查則以襯砌表面為主，惟若異狀持續變化，則應進一步包括襯砌完整性與背後孔洞等。臨時檢查之方法及特性係基於定期檢查而延伸，其基本項目與定期檢查相同，因此本研究建議臨時檢查與定期檢查採用相同的記錄表格。另行增加的襯砌完整性與背後孔洞等項目，則採用附件形式附記。三、安全檢測安全檢測之目的在於進一步詳細掌握檢查階段所發現之異狀情形，除判定處理對策之必要性及緊急性外，並可獲取修復設計與施工所需之資料。安全檢測依其實施內容、時機與目的，可分為標準檢測與詳細檢測二個主要階段。標準檢測為進行隧道安全評估與維護管理之重要項目，係於檢查階段判斷隧道有進一步調查之需要時，所進行的正規檢測作業，以掌握隧道整體狀況為主要目標。標準檢測可分為標準檢測 I 與標準檢測 II 兩類：1.標準檢測 I 主要針對隧道整體的狀況進行較全面性的調查作業，應在檢測階段開始時儘早實施；2.標準檢測 II 則視實際需要，作選擇性實施；例如標準檢測 I 發現某些區段異狀較顯著、或其調查成果不足以提供安全評估之參考時，得進一步實施標準檢測 II。標準檢測 II 之實施時機，除考慮異狀程度外，另一考量因素為隧道之交通條件，一般而言，標準檢測 I、II 係分階段實施，先實施標準檢測 I，再視其結果判斷追加標準檢測 II 之必要性及重點項目，同時釐清需進行標準檢測 II 之隧道路段，以便能集中檢測有問題(或有異狀)之路段，以節省檢測經費及檢測施作時間，減少對交通狀況之干擾。但在異狀程度較嚴重，或交通量大無法經常實施交通管制時，兩者可考慮一併實施。詳細檢測以提供實施隧道維修補強設計資訊為主要之目的，若隧道實施標準檢測後，維護管理有關劣化預測以及安全評估的重要影響因素資料不足時，亦可進一步實施。詳細檢測之方法係以較精密之檢測儀器以進行隧道安全檢測。一般而言，其檢測範圍較標準檢測為小，屬於局部區域(包括出現嚴重異狀或需進一步詳測之第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 91 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處區域)之詳細檢測。基於安全評估之需要，標準檢測的對象包括襯砌表面、襯砌完整性以及襯砌背後孔洞等項目，必要時亦可納入周圍地盤條件變化的調查。詳細檢測的對象應較標準檢測更深入。安全檢測作業需要整合大量的檢測資料，而異狀的原因與隧道整體性的安全等級判定更需專業知識與豐富的經驗，安全檢測作業建議委由專業單位執行。在實施安全檢測作業前，應由執行單位針對檢測目的、檢測對象、檢測計畫等提出工作執行計畫書，其中應詳細說明各檢測對象所採用的檢測技術、檢測規範、現場作業記錄格式與成果展現形式、擬採用的安全評估準則、評估項目的評級的標準等，並應考慮檢測作業過程必要的交通維持或作業安全等計畫。不論隧道檢查階段是否進行隧道異狀展開圖的製作，安全檢測作業應針對檢測區段重新製作檢測記錄表，並測繪襯砌表面異狀展開圖。安全檢測作業針對異狀原因的研判，應於異狀展開圖備註欄標註單元區段，分別製作異狀記綠與診斷表，以研判異狀原因與安全等級。 3.3.2 檢測對象與適用之技術依據本研究提出之安檢管理準則，各階段的檢測對象與項目如表 3.3-4，本研究並初步建議各檢測項目適用的非破壞檢測技術如表 3.3-5。第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 92 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 3.3-1 平時巡查記錄表平時巡查記錄表巡查項目 z z z z 隧道名稱：線別：第洞門及襯砌：01 剝落 02 漏水 03 內裝工破損 04 白華 05 開裂 06 其他排水設施：11 破損 12 積水 13 錯開 14 其他路面：21 掉落物 22 積水 23 變形 24 其他附屬設施：31 通風故障 32 照明故障 33 護欄破損 34 其他異常位置異常里程路線名稱：頁共頁面向里程增加方向圖例異常狀況照片編號說明左右洞門及襯砌排水設施路面附屬設施頂側側拱壁壁 01 02 03 04 05 06 11 12 13 14 21 22 23 24 31 32 33 34 備註養護單位：巡查員：巡查日期：第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 93 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 3.3-2 定期/臨時檢查記錄表臨時檢查記錄表定期檢查記錄表路線名稱：隧道名稱：線別：第位移 09 滲水 10 湧水 z 排水設施：11 破損 12 積水 13 錯開 14 淤積 15 其他目 z 路面：21 掉落物 22 積水 23 變形 24 其他頁面向里程增加方向 z 洞門及襯砌：01 剝落 02 鋼筋外露 03 內裝工破損 04 白華 05 開裂 06 龜裂 07 錯動 08 施工縫檢查項頁共圖例 z 附屬設施：31 通風故障 32 照明故障 33 護欄破損 34 其他異常里程異常位置右左頂側側拱壁壁異常狀況洞門及襯砌 01 02 03 04 05 06 07 排水設施 08 09 10 11 12 13 路面 14 15 21 22 照片編附屬設施 23 24 31 32 33 34 號說明先期等級判定等等等級級級 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 備註養護單位：檢查員：檢查日期：第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 94 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 3.3-3 異狀展開圖第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 95 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處隧道完工初次檢查(測) 記錄/安全評估需要採取緊急措施緊急措施不需要需要進一步詳細檢不需要平時巡查需要採取緊急措施地震、豪雨、火害發生定期檢查緊急措施不需要臨時檢查安全評估緊急措施需要採取緊急措施不需要不需要進入標準檢測需要標準檢測安全評估不需要需要維修補強需要不需要需要詳細檢測需要詳細檢測維修補強設計與施工補強效果確認否是圖 3.3-1 本土化各階段檢測作業之建議第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 96 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 3.3-4 隧道安檢各階段的檢測對象與項目檢查檢測階段檢查項目裂縫分佈裂縫寬度與發展速度襯砌淨空變形表面滲漏水勾縫材料鬆落2 剝落襯砌內部缺陷襯砌厚度裂縫深度襯砌襯砌強度與完整劣化程度性鋼筋銹蝕與保護層厚度勾縫劣化2 襯砌背後孔洞初次檢查(測) 尚無明顯已有明顯新完工異狀之營異狀之營隧道運中隧道運中隧道 1 ◎ ◎ ◎ 1 平時巡查－1 新完工隧道 ◎ 隧道檢查定期檢查一般重要 30 年以隧道隧道上隧道 ◎ ◎ ◎ 安全檢測標準檢測詳細檢測 I II 臨時檢查一般已出現異隧道狀隧道 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ○ ◎ － ○ ○ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ○ ◎ ◎ ○ ○ ○ ◎ ○ ◎ ◎ ○ ○ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ －－ ○ ○ －－－ ○ ○ ○ ◎ △ －－ ○ ○ ○ ◎ －－－ ◎ ◎ ○ ◎ ○ △ ○ ◎ ◎ ○ ◎ ○ △ ○ △1 ○ ○ ◎ △ －－ △ ◎ ○ ◎ ◎ ○ ○ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ○ ○ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ○ ○ ◎ －－－ ○ ○ －－ ○ ◎ ◎ ○ ○ ◎ －－－ ○ ○ －－ ○ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ △ ◎ △ －－ ◎ △ ◎ △ ◎ △ ◎ △ ○ － ○ △ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ 說明：1.◎表極重要項目，○表重要項目，△表視情況選擇項目，－表非重要項目 2.僅於磚造隧道適用第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 97 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 3.3-5 隧道安檢各檢測項目適用的非破壞性檢測技術檢測技術檢查項目裂縫分佈裂縫寬度與發展速度襯砌淨空變形表面滲漏水勾縫材料鬆落剝落襯砌內部缺陷襯砌厚度裂縫深度襯砌襯砌強度與完整劣化程度性鋼筋銹蝕與保護層厚度目視攝測繪影錄影電射掃描光源式攝像 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 電子式裂縫計載玻片量測、裂縫尺貼玻璃片 ○ ○ ○ 固定點測量斷面形狀測量 ○ ○ 熱紅外線掃描透地雷達 ○ ○ ○ ○ ○ ○ 打擊聽音法 ○ ○ 敲擊回音法超音波檢測 ○ ○ ○ ○ ○ ○ 史密電特阻錘、法貫入鎗自然電位法 ○ ○ 勾縫劣化襯砌背後孔洞其他破備壞性檢註測方法之配合 ○ ○ ○ 自然電位法需直接接觸鋼筋 ○ ○ ○ 第三章隧道安檢管理準則之檢討與建議 – 98 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處第4章隧道安全評估準則之探討與建議本章回顧國內外隧道安全檢測具代表性的安全評估方法或準則，經系統地整理並加以比較與探討後，提出國內隧道安全評估準則改善之建議。 4.1 國內隧道安全評估方法回顧國內隧道安全評估方法主要有黃燦輝與鄭富書(1997)之建議與 DERU 方法兩種，分別摘要整理如后。 4.1.1 黃燦輝與鄭富書(1997)之建議交通部於 1996 年委託國立台灣大學土木工程學系進行「老舊交通隧道之安全檢測、維修與補強技術研訂」(黃燦輝與鄭富書，1997、1998)，黃燦輝與鄭富書參考 1990 年代日本相關的研究成果，包括鐵道總合技術研究所 1990 年建議的「隧道補強、補修手冊」、日本道路技術協會 1990 年建議的「日本山岳隧道老朽化手冊草案」、1992 年建議的「隧道老朽化對策有關之調查研究」、以及日本道路協會 1993 年建議的「道路隧道維持管理便覽」，並考量我國隧道地質、地形等環境以及施工法等因素，提出「老舊交通隧道之安全檢測技術手冊」。該手冊建議鐵公路隧道之養護可區分為檢查、安全檢測與維修等三階段進行。其中檢查階段主要由隧道主管單位執行，安全檢測階段主要由專業機構執行，而維修階段由專業修復單位或廠商執行。隧道之安全評估在檢查及安全檢測兩個階段皆有實施。檢查階段又分為平時巡查、定期與臨時檢查，以目視檢測為主，一旦檢查階段發現隧道有異狀時，則進一步進行檢測作業，檢測作業亦分為標準檢測與詳細檢測等，按步就班評估隧道之安全等級。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 99 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處一、檢查階段之評估準則檢查階段係以目視進行為主，必要時輔以簡單工具進行異狀探查，因此主要係初步判斷是否有「目視可鑑別」之異狀存在。 (一)檢查階段安全等級分類根據檢查記錄，可儘早針對檢查結果進行隧道等級評定，以決定第二階段初步維修之處理措施。由於此階段大多數情況皆尚未採儀器進行檢測作業，因此以行車安全為隧道安全等級分類重點。發現影響行車安全之異狀時，須檢討進一步實施安全檢測工作(標準檢測等)之必要性，以掌握並深入瞭解隧道之實際穩定狀態。檢查階段隧道安全等級分類與評估標準，可參考表 4.1-1 所示。檢查階段之隧道等級分類係依異狀程度分為 I、II、III 等三類，分類之目的在於發現隧道異狀時，隧道檢查員可迅速決定處理對策。當判斷異狀對於車輛通行造成危險時，屬等級 III，除繼續實施交通管制等應急措施與對策，並應儘快實施安全檢測。當隧道異狀對車輛造成之影響不明確時，則屬等級 II，應擇期進行安全檢測。當隧道無異狀或異狀輕微時，屬等級 I，無實施安全檢測之必要，僅須配合隧道主管機關相關之養護體系，繼續執行一般日常之檢查即可。其中若各類檢查項目所評定之隧道等級同時出現 III 與 II 等級時，則應以等級 III 為隧道之總體檢查安全等級。表 4.1-1 檢查階段之隧道等級分類(黃燦輝與鄭富書，1997) 隧道等級異狀程度處理對策之緊急性 I 無異狀，即使有異狀亦屬輕微者無有異狀發生，惟尚不對交通造成障礙，施做初步維修並擇期實施安尚屬安全 II 有檢討是否應補強或修復之必要性全檢測異狀非常明顯，經研判無法確保通行車需立即施做初步維修並實施 III 輛之安全，必須實施緊急措施以及初步安全檢測，據以研擬正式復危險維修舊計畫安全附註：檢查階段之隧道等級係依據各調查對象之異狀影響行車安全之嚴重性，併考量處理對策之緊急性(即隧道是否需立即進行初步維修)，一般係以隧道整體為同一隧道等級評定之，惟必要時，可針對個別區段進行評定。隧道等級之決定，係以評第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 100 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處定之各檢查對象中最危險等級之評定項目為準。 (二)檢查階段隧道等級評定基準隧道為一地下結構物，其力學行為複雜，不易正確地檢查或預測，因此在隧道等級之評定上仍須輔以豐富之隧道工程知識與經驗。檢查人員可依各項檢查記錄資料評定隧道等級，以儘早掌握處理時機。檢查階段隧道等級之評定應視檢查對象及異狀種類而定，並考慮異狀之型態與進展性等，以決定其評定基準。等級 II 與 III 之評定可參考表 4.1-2 之隧道等級評定要項判定之；惟仍宜由有經驗之工程人員或隧道專家為之。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 101 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.1-2 檢查階段隧道等級Ⅱ及Ⅲ評定要項(黃燦輝與鄭富書，1997) 等級 III 等級 II 龜裂快速進展(如裂縫寬度變形速率＞頂拱龜裂寬度達 3mm 以上 0.2mm/日，裂縫長度變化速率＞0.3m/ 龜裂且長度達 5m 以上之規模，日)，有呈塊狀掉落之可能性，恐對交且數量多時。通造成障礙時。混凝土有剝離及剝落等現象，或浮起浮起、剝未來可能造成剝落、浮起(擠部分有剝落之可能性，恐對交通造成壓)現象時。襯砌離、剝落障礙時。施工縫分施工縫錯動、開裂等，導致止水板或左述現象之發生對交通不離及錯動填縫料掉落，恐對交通造成障礙時。致造成障礙時。大規模之漏水，雖對交通不漏水因大規模之漏水，對交通造成障礙時。致造成障礙，但對隧道內之設施有不良之影響時。因龜裂使混凝土有剝落之可能性，恐左述現象之發生對交通不龜裂對交通造成障礙時。致造成障礙時。雖有較大之浮起、剝離及剝浮起、剝隧道頂拱附近發生浮起、剝離及剝落落現象，但對交通不致造成離、剝落現象，恐對交通造成障礙時。障礙時。以目視即可評定有明顯傾斜及沉陷洞門及洞傾斜時。又洞門背面及襯砌表面有清晰之左述現象之發生對交通不口邊坡、沉陷輪狀龜裂及傾斜之徵兆，恐對交通造致造成障礙時。成障礙時。因混凝土保護層掉落，致使鋼筋外左述現象之發生對交通不鋼筋外露露，恐對交通造成障礙時。致造成障礙時。邊坡有移動、下陷、龜裂、產生滑落左述現象之發生對交通不地表滑動崖、滑落崖擴大或隧道下方邊坡擠壓致造成障礙時。隆起，對交通造成障礙時。內裝變形、有大規模之變形、破損、脫落，無法內裝修飾版脫落，對交通造修飾版功能受損維持功能，並對交通造成障礙時。成障礙時。因土砂堆積、阻塞及不明原因，使排左述現象之發生對交通不積水水溝產生積水，對交通造成障礙時。致造成障礙時。路面及錯動、龜因側向及底面之應力變化，使路面及排水設施裂、路面左述現象之發生對交通不排水設施產生錯動、龜裂、路肩變形，及路肩致造成障礙時。對交通造成障礙時。變形檢查對象異狀種類通風、照明機械故震後通風及照明設施受損脫落、供電通風、照明等附屬設施脫等附屬設障、系統系統故障，對長大隧道通車營運造成落，對交通造成障礙時。施功能受損嚴重影響時。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 102 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處二、檢測階段評估準則 (一)安全等級分類隧道之安全性要求視其功能、設計標準與位置而不同。除了重視結構安全性之外，通風、照明、消防(尤其是長隧道)對公路隧道是否能維持預期之服務水準亦有重大影響；而局部之小量滲漏水，公路只要非直接滴漏於行車車道中，鐵路隧道只要不滴漏於起拱線以上，其影響可能不大。隧道安全等級分類主要是以隧道之安全性以及是否能維持隧道原有功能為依據，並參考異狀之進展狀況及特徵綜合判斷。依標準檢測 I、II 及詳細檢測結果，可將修復處理措施之緊急次序(即安全等級)分為甲、乙、丙、丁四級，如表 4.1-3 所示，其中以甲級最為安全，接下來安全性依序遞減，至丁級時安全性最差。表 4.1-3 安全檢測階段之隧道等級分類與評估標準(黃燦輝與鄭富書，1997) 判定因素隧道對用路人對結構物對維護管異狀之等級及車輛安安全之影理作業之程度全之影響響影響 (詳附註) 甲目前尚無目前尚無影響。影響。將來會變將來會變成重大。乙成危險。 (未來可能達丙等級) 遲早造成威脅，異常遲早會變丙外力作用成重大。下危險。丁危險重大幾乎無影響中等大明顯處理對策之緊急性經安全檢測後，無異狀或異狀輕輕微微，目前對路人及車輛尚無影響，惟仍須進行監視或平時檢查。異狀進行經安全檢測後，有異狀之發生，中，有功將來可能達到丙等級並對路人及能降低之車輛造成危險，須進行重點監可能。視，並須有擇期實施處理對策。異狀進行經安全檢測後，有異狀之發生，中，功能且異狀仍持續進行中，遲早對路亦持續降人及車輛造成危險，須儘快採取低中處理對策。經安全檢測後，異狀嚴重，對路重大人及車輛造成危險，須立即採取處理對策。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 103 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處隧道異狀之產生受外在因素(外力變化因素)、內在因素(襯砌材質劣化)及滲漏水而影響。依國內外案例之經驗，大部分係多種原因同時發生而造成，亦或肇因於興建階段之設計與施工品質不良所致。由於隧道係地下結構物，作用於襯砌的外力以及襯砌狀態通常甚難充分明確掌握。一般均依異狀之特徵或簡單之檢測結果，據以推估異狀產生原因或影響因素，其推估過程中，經驗因素比重仍大，將於第五章中探討。黃燦輝與鄭富書 1997 年建議，各隧道主管機關可參考表 4.1-3 內容，依所管轄隧道之性質，進一步加以修正，以訂定合宜之隧道等級分類標準。 (二)評定標準 1.因外力變化產生之異狀因外力變化產生異狀之隧道等級評定基準如表 4.1-4。有關襯砌混凝土之變形、移動、沈陷、龜裂、浮起與剝落等異狀之評定基準則參考表 4.1-5 至表 4.1-8。有關龜裂之評定基準分為有進展性與無法確認有無進展性兩種。 (1)襯砌混凝土之變形、移動與沉陷襯砌混凝土之變形、移動與沉陷之進展，一般均為漸進變化之發展，只有在遭遇地震、地滑或豪雨等才會急遽進展。另外，在寒冷地帶亦有因凍融導致反覆變形之現象。有關變形、移動與沉陷等變形速度之評定基準如表 4.1-5 所示。 (2)襯砌混凝土之龜裂有關襯砌混凝土龜裂之評定基準，當龜裂有進展性時可參考表 4.1-6，當無法確認龜裂有無進展性時則可參考表 4.1-7。表中所示之龜裂係以水平(縱第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 104 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處向)方向龜裂或剪力裂縫為主，如係橫斷面方向龜裂時，其隧道等級可降一級處理(較不安全側，如丙降為丁)。又龜裂寬度達 0.3～0.5mm 以上、且密度(單位面積內之龜裂長度)達 200cm/m2 以上時，可將其隧道等級降一級(如丙降為丁)，亦或採較差等級(如丁～丙者採丁)。 (3)襯砌混凝土之浮起與剝落如混凝土塊有掉落之可能性時，其部位為頂拱時採丁、側壁採丙；如混凝土塊係非結構性破壞，而僅係防漏砂漿材質老化產生之剝落時，則隧道等級可提高一級(如丁升為丙)。表 4.1-8 係襯砌混凝土浮起與剝落之評定基準。 (4)突發性之破壞頂拱襯砌背面存有 30cm 左右以上之空洞，且有效襯砌厚度小於 30cm 以下時，襯砌背面空洞上方地盤可能以岩塊方式掉落，衝擊隧道襯砌而易導致突發性破壞事故。由類似事件之案例，可將上述情況分類為丙～丁等級，特別在施工階段曾發生落盤災害，或有大量漏水易導致層理剝離之地層構造，均必須加以注意。 2.因襯砌材質劣化產生之異狀因襯砌材質劣化產生異狀之隧道等級評定基準可參考表 4.1-9。無法確認異狀是否有進展性之評定基準如表 4.1-10 所示；另外，鋼材銹蝕之評定基準如表 4.1-11 所示。 3.因滲漏水等產生之異狀因滲漏水等產生異狀之隧道等級評定基準可參考表 4.1-12 與表 4.1-13。三、國內應用實例黃燦輝及鄭富書(1997)之建議在國內隧道安全檢測作業中應用頗多，如台北捷運第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 105 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處隧道、烏山嶺隧道、南迴鐵路隧道等。表 4.1-4 因外力變化產生異狀之評定基準(黃燦輝與鄭富書，1997) 異狀之一般之異狀與破壞突發性之破壞種類內襯砌之變形、移襯砌混凝土之龜襯砌混凝土之浮 (事前無明顯變形隧道徵兆) 動與沉陷裂起與剝落等級頂拱之龜裂密頂拱之襯砌背面有因變形、移動、沉龜裂大且密集。有集，擠壓造成浮大型空洞、且有效丁陷等，使結構物之剪力裂縫，且仍快起、剝落等，致混襯砌厚度不足，背功能明顯降低。速持續進行中。凝土塊有掉落之面地盤岩塊有坍落可能。之危險。因變形、移動、沉側壁之龜裂及擠頂拱之襯砌背面有龜裂大且密集。有陷等，不久將來可壓造成浮起、剝落大型空洞，背面地丙剪力裂縫，且仍持能導致結構物之等，致混凝土塊有盤岩塊有坍落之危續進行中。功能降低。掉落之可能。險。側壁之背面有空雖有變形、移動、有龜裂，且仍持續隙，可能因湧水淘乙沉陷等，但進行速－進行中。空而擴大形成空度緩慢。洞。無異狀或雖曾有變形、移動、沉陷雖有龜裂，但已無甲－－等，但已停止，亦進展性。無再次發生可能。表 4.1-5 裂縫寬度變形速率之評定基準(黃燦輝與鄭富書，1997) 部位位置襯砌洞門路面路肩襯砌表面變形速率大於 10mm/年 3-10mm/年 1-3mm/年 ○ ○ ○ 隧道小於 1mm/年等級丁丙乙 ○ 甲～乙表 4.1-6 龜裂有進展性時之評定基準(黃燦輝與鄭富書，1997) 部位位置襯砌洞門襯砌表面龜裂寬度 3mm 以上 3mm 以下 ○ ○ ○ ○ 龜裂長度 5m 以上 5m 以下 ○ ○ ○ ○ 隧道等級丙～丁乙～丙乙甲～乙第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 106 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.1-7 龜裂無進展性時之評定基準(黃燦輝與鄭富書，1997) 龜裂寬度龜裂長度 5mm 以上 3～5 mm 3mm 以下 10m 以上 5～10 m 5m 以下 ○ ○ ○ ○ ○ ○ 襯砌襯砌 ○ ○ 洞門表面 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 部位位置隧道等級丙～丁乙～丙乙～丙丙乙～丙乙甲～乙表 4.1-8 襯砌混凝土之浮起與剝落之評定基準(黃燦輝與鄭富書，1997) 部位位置襯砌頂拱洞門側壁浮起與剝落掉落之可能性有無 ○ ○ ○ ○ 隧道等級丁甲丙甲表 4.1-9 因襯砌材質劣化產生異狀之評定基準(黃燦輝與鄭富書，1997) 異狀種類鋼材銹蝕襯砌混凝土強度不足襯砌混凝土之浮起、剝落隧道等級 (鋼支保及鋼筋) 因材料劣化導致斷面因頂拱之材料劣化導致鋼材嚴重銹蝕，已不足丁強度明顯降低，並明顯浮起，致混凝土塊有掉落提供支撐功能，且會危損及結構物之功能。之可能或已掉落。及隧道安全。因材料劣化導致斷面因側壁之材料劣化導致因襯砌內部鋼材銹蝕強度產生相當程度之浮起，致混凝土塊有掉落導致斷面明顯缺陷，並丙降低，並損及結構物之之可能或已掉落。損及鋼材在結構上之功能。功能。因材料劣化導致斷面有輕微浮起、剝落現象，有穴蝕或鋼材全周之乙強度降低，有可能損及尚不足影響隧道安全及鏽蝕現象。結構物之功能。交通。雖有材料劣化之跡有表面性或局部之銹甲象，但對於斷面強度幾無浮起、剝落之現象。蝕現象。乎無影響。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 107 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.1-10 無法確認異狀是否有進展性時之評定基準(黃燦輝與鄭富書，1997) 浮起及掉落之可能劣化程度性 (有效厚度/設計厚度) 有無 1/2 以下 1/2～2/3 2/3 以上 ○ ○ ○ 材質老化 ○ 、凍害、 ○ 鹼性骨材反應、設 ○ 計及施工 ○ 不良等 ○ ○ ○ 部位主因頂拱側壁隧道等級丁甲丙乙甲丙甲丙乙甲表 4.1-11 對鋼材銹蝕之評定基準(黃燦輝與鄭富書，1997) 部位主因銹蝕程度等級分類鋼材有明顯之斷面缺陷，損及鋼材在結構上丙混凝土中含補強之功能。鹽害、漏水及中鋼材之結構物性化等有淺層穴蝕或鋼筋全周之鏽蝕。乙 (如補強襯砌等) 有表面性或局部之銹蝕。甲表 4.1-12 因漏水產生異狀之評定基準(黃燦輝與鄭富書，1997) 異狀種類隧道等級丁丙乙甲漏水結冰及土砂流出由襯砌混凝土龜裂處噴水，因而在寒冷地帶因漏水結冰，而侵害內損及通行車輛之安全。空斷面。漏水所伴隨之土砂流出，可能導致路面下陷或結構損壞。由襯砌混凝土龜裂處湧水，可能因排水不良，導致路面積水。損及通行車輛之安全。由襯砌混凝土之龜裂處滴水，在因排水不良，可能導致路面積水。最近將來可能損及通行車輛之安全。由襯砌混凝土之龜裂處滲水，但雖有漏水，但目前幾乎無影響。對通行車輛之安全幾乎無影響。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 108 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.1-13 漏水部位與程度對行車影響之評定基準(黃燦輝與鄭富書，1997) 主要部位現象漏水之程度噴水 ○ 湧水滴水滲水 ○ 漏水頂拱 ○ ○ ○ ○ ○ ○ 結冰 ○ 漏水 ○ 側壁結冰土砂流出路面積水凍結對通行車輛之影響有無 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 等級分類丁丙乙甲丙甲丁丙乙甲丙甲丙～丁甲丙～丁甲丙～丁甲 4.1.2 DERU 評估法隧道 DERU 評估準則係引自南非橋梁之 DERU 評估準則，經修正而得之評估方法。本法係針對隧道各構件損壞狀況以定量評分方式逐一進行評估與記錄，評估記錄內容包括構件劣化程度(Degree)、劣化範圍(Extent)、劣化影響(Relevancy) 及維修急迫性(Urgency)，評分值介於 1 分(良好)至 4 分(嚴重損壞)之間，各分數值代表之意義如表 4.1-14 所示。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 109 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.1-14 DERU 檢測分級表 0 1 結果分級 2 3 備註 4 參考劣化程度評分標準表 (表 4.1-16) －參考附註 D(劣化程度) 無此項目良好尚可差嚴重損壞 E(劣化範圍) R(影響程度) 無無微<10% 微 U(急迫程度) 無需維修例行維護 <30% 小 3 年內必須維修 <60% 中 1 年內必須維修全面大緊急處理－維修附註：影響程度評(R)分主要考慮因素為(1)對交通衝擊、(2)對用路人及車輛安全之影響、(3)對結構物安全之影響 DERU 法從營運管理之觀點，考量隧道安全檢測之目的在於確保用路人安全與提昇營運服務品質，著重隧道結構安全、洞口邊坡安全及營運服務品質等各方面的綜合評估，並以目視檢測為主要的執行方式，其評估之範圍包括： 1.隧道結構安全：隧道襯砌、隧道路面。 2.洞口邊坡安全：洞口邊坡穩定、邊坡保護工、洞口排水設施。 3.營運服務品質評估：通風設施、消防設施、排水設施、照明設施、號誌標線、內裝修飾版、護欄。上述共含 12 個檢測項目，其中部份項目如隧道襯砌、隧道路面、排水設施、照明設施、號誌標線、內裝修飾版及護欄等，因對長度較長之隧道各處狀況可能有所不同，故採分段方式進行評估(原則以 10m 為一個檢測單元，或可視狀況調整)；其餘項目如洞口邊坡穩定、邊坡保護工、洞口排水設施、通風設施、消防設施等，則採單項整體評估。為提高使用便利性，隧道目視檢測係採表格填寫方式，檢測表內包含隧道基本資料欄位以及各檢測項目劣化程度(D)、劣化範圍(E)、劣化影響(R)等檢測評分結果，表格下方並有維修工法及檢測員意見欄位，提供現場檢測工程師填寫初步研判劣化維修方式、維修急迫性(R)及個人檢測意見。對於檢測項目量化評分依據之研訂，由於劣化現象種類繁多，各種劣化程度亦有第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 110 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處不同，蕭富元等人(2004)參考「老舊交通隧道之安全檢測技術手冊」、「結構物檢測評估與補強」、「震後隧道結構快速診斷與補強手冊」、「公路隧道安全設施準則研訂」、「公路養護手冊」等相關資料後，彙整得 DERU 劣化程度評分標準表(表 4.1-16)等量化評分依據，建議依據檢測項目的重要性，給予不同的權重，並進一步計算隧道整體狀況指標 CI 值(condition index)，以供業管單位瞭解隧道整體之狀況。管理單位亦可獲得數據化之檢測結果，並進行各受檢隧道或多條安檢隧道間資料之統計分析與評比等工作，達成隧道維護管理之目的。 DERU 法近年來曾在台北捷運隧道、台北市公路隧道如莊敬、懷恩、自強等隧道安全檢測中應用。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 111 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.1-15 隧道目視檢測評估表第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 112 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.1-16 劣化程度評分標準表檢測項目劣化現象 1.洞口邊坡地表滑動穩定 2.邊坡保護保護工損壞工 3.洞口排水排水設施阻設施塞 4.通風設施 5.消防設施 0：無此項目通風設施功能劣化消防設施損壞 1：良好劣化程度評分 1. 無破壞跡象。 2. 坡面樹木或電線桿輕微傾斜；地表有小裂縫產生；坡面潮濕。 3. 坡面樹木或電線桿傾斜；地表產生張力裂縫；土石零星掉落；坡面滲水。 4. 坡面樹木或電線桿傾倒；地表張力裂縫貫穿坡面；地表滑移；土石崩落；坡面流水。 1. 無損壞跡象。 2. 地錨錨頭或岩釘頭輕微開裂剝離；坡面噴漿或混凝土格樑輕微龜裂；擋土牆或卵(塊)石護坡輕微外凸，牆角或坡面有少量土石。 3. 地錨錨頭或岩釘頭鬆脫，錨釘外露、銹蝕；坡面噴漿或混凝土格樑開裂明顯；擋土牆或卵(塊)石護坡開裂外凸，牆角或坡面有土石堆積。 4. 地錨或岩釘鬆脫、銹蝕嚴重；坡面噴漿或混凝土格樑嚴重開裂、保護工有掉落之虞；擋土牆或卵(塊)石護坡開裂錯動或傾倒。 1. 排水功能正常。 2. 排水設施(明渠、截水溝、排水孔等)部份淤塞。 3. 排水設施(明渠、截水溝、排水孔等)阻塞。 4. 排水設施(明渠、截水溝、排水孔等)完全失去功能。 1. 通風設施功能正常。 2. 通風設施髒污，影響通風品質。 3. 通風運轉不順或設施錨固有鬆動、歪斜現象。 4. 通風設施故障，無法提供通風功能；通風設施錨固鬆脫，有掉落之虞。 1. 無損壞情形。 2. 消防設施(警報顯示板及號誌、避難方向指示、火警偵測器、滅火器、消防栓等)少數設備損壞或無法發揮功效，不影響消防功能。 3. 聯絡道阻塞，車輛無法順利通過；消防設施(警報顯示板及號誌、避難方向指示、火警偵測器、滅火器、消防栓等) 超出一半損壞或無法發揮功效，影響消防功能。 4. 聯絡道阻塞，行人及車輛無法通過；消防設施(警報顯示板及號誌、避難方向指示、火警偵測器、滅火器、消防栓等) 多數損壞或無法發揮功效，嚴重影響消防功能。 1 2 2：尚可 3：差 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 4：嚴重損壞第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 113 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.1-16 劣化程度評分標準表(續) 檢測項目 6.號誌標線劣化現象劣化程度評分號誌損壞或標線不清 1. 無損壞情形。 2. 部份交通號誌燈亮度不足或髒污，路面標字、車道線或反光路面標識部份模糊或不清，不影響行車安全。 3. 交通號誌燈部份故障，路面標字、車道線或反光路面標識部份無法辨識，可能影響行車安全。 4. 交通號誌燈全部故障，路面標字、車道線或反光路面標識無法辨識，易導致交通意外事故。 1 2 鋼筋出露變形銹蝕 1. 混凝土無剝落，鋼筋未露出。 2. 混凝土輕微剝落，鋼筋尚未出露；鋼筋部份出露，無銹蝕現象。 3. 鋼筋嚴重出露，無銹蝕現象；鋼筋部份出露，有銹蝕現象；鋼筋輕微變形。 4. 鋼筋嚴重出露且有銹蝕現象；鋼筋嚴重變形。混凝土龜裂 1. 無裂縫或毛細裂縫。 2. 裂縫寬度在 0.3mm~5mm；輕微白華或滲水跡象。 3. 裂縫寬度在 5mm~15mm；嚴重白華或滴水跡象。 4. 裂縫寬度>15mm；非常嚴重之白華或流水現象。混凝土剝落 1. 無浮起、剝落現象 2. 襯砌混凝土輕微剝落，不影響隧道安全及交通。 3. 襯砌龜裂擠壓造成混凝土浮起、剝落，混凝土塊有掉落可能。 4. 襯砌龜裂密集，擠壓造成混凝土浮起、剝落，有大塊或多塊混凝土掉落可能。施工縫錯動或開裂 1. 無損壞情形。 2. 施工縫龜裂，填縫料有溶脫物，滲水或細粒料滲出。 3. 施工縫錯動或開裂，部份填縫料擠出脫落，滴水或細粒料滲出。 4. 施工縫嚴重錯動或開裂，填縫料擠出脫落，嚴重滴水或細粒料流出。 8.隧道路面路面沉陷或隆起 1. 路面無異狀。 2. 路面微小沉陷或隆起，不引起使用者不舒適感。 3. 路面沉陷或隆起，引起使用者明顯不舒適感。 4. 路面明顯沉陷或隆起，路肩變形，可能導致交通意外事故。 9.內裝修飾版裝飾板鬆脫 1. 內裝飾版情形良好。 2. 部份內裝修飾版或磁磚鬆脫，不影響交通。 3. 部份內裝修飾版或磁磚脫落，對交通造成影響。 4. 大規模內裝修飾版變形、破損、脫落，對交通造成障礙。 10.排水設施排水設施阻塞 1. 排水功能正常。 2. 排水設施部份淤塞，水流受到阻礙但排水設施仍具有功能。 3. 排水設施阻塞嚴重，水流受到嚴重阻礙。 4. 排水設施完全阻塞，路面積水漫流。照明設施損壞 1. 無損壞情形。 2. 部份照明設施損壞或照明亮度不足，不影響使用者安全。 3. 多數照明設施損壞，燈具有掉落可能性，能見度不足，可能影響行車及路人安全。 4. 照明設施嚴重損壞，易導致交通意外事故。護欄劣化 1. 無損壞情形。 2. 護欄螺栓鬆動，少許扭曲，金屬欄杆輕微銹蝕，不影響其原有功能。 3. 護欄扭曲明顯，金屬欄杆銹蝕嚴重，部份功能喪失，影響使用者之便利與安全。 4. 護欄傾倒、嚴重損壞，原有功能喪失，可能導致交通意外事故。 7.隧道襯砌 11.照明設施 12.護欄 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 114 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 4.2 國外隧道安全評估方法回顧 4.2.1 日本鐵路隧道安全評估方法 1999 年日本山陽新幹線的隧道中發生混凝土剝落事件後，日本鐵路相關單位 JR 即進行隧道安全總檢查，檢查程序分為整體檢查與個別檢查，整體檢查之後認為有必要進行個別檢查(詳細檢查)之項目，再針對各個項目實施個別檢查。 2000 年日本鐵道總合技術研究所統計日本境內之案例顯示，大多數之意外事件多集中在隧道內無筋混凝土的剝落事件，因此發表了「隧道維護管理手冊(案)」(平成 12 年 5 月)，認為隧道檢查除了依據原有的準則實施外(因外力、變形或滲漏水等原因所造成)，增設了混凝土剝落檢查之項目。ㄧ、整體檢查日本鐵路隧道在整體檢查中把安全等級分為 A、B、C、S 四級(表 4.2-1)。A 級又細分為 AA、Al、A2 三級，需要在個別檢查中判定。異狀嚴重威脅運輸及旅客等安全時，在整體檢查階段即可定為 AA 級，應立即採取措施。在判定安全等級時，要注意以下各點： 1.按各別之異狀區間進行判定。 2.各項判定基準中，按危險度最高的項目進行判定。 3.與維修作業有關時，要與維護管理負責人協商後作出判定。 4.無法推測異狀原因，而且出現嚴重異狀徴兆時，要盡快開始監測，並接受專家的指導。整體檢查中按以下兩種情況進行安全等級的判定：第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 115 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 1.因外力、劣化、漏水致功能障礙的安全等級判定。 2.因剝落的安全等級判定。 (一)因外力、劣化、漏水對功能障礙的安全等級判定在整體檢查階段，對外力和材質劣化等造成的異狀的安全等級判定基準列於表 4.2-2。表 4.2-1 安全等級判定基準及措施（日本鐵道總合技術研究所，2000）安全等級 AA A1 A2 判定要素對列車運行安全之影響異狀程度危險重大遲早會遭遇異常外力作用異狀持續發展，功能逐之危險漸降低異狀持續發展，有功能以後有危險降低之可能 B 持續發展時可能達 A 級持續發展時可能達 A 級 C S 目前無影響無影響輕微無措施立即採取及早採取必要時採取監視(必要時採取措施) 重點檢查－第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 116 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.2-2 整體檢查的安全等級判定基準（日本鐵道總合技術研究所，2000）判定基準因變動、移動、下沉而侵入使用限界或有可能侵入使用限界者因變動、移動、下沉而有可能崩坍者對外力變化引起的異狀襯砌有可能發生剝離、剝落，且直接對列車之判定運行和旅客安全造成威脅確認有變形但不持續發展，且其變形對使用無不良影響因襯砌材料劣化，屢屢發生剝落，威脅列車運行和旅客安全者結冰對於使用限界產生障礙者對襯砌劣化、軌道維修頻發生漏水、結冰，對列車運行和軌道維修作率縮短引起的異狀之判業人員有重大影響者定與運行安全、旅客安全無關的軌道維修縮短，使得使用功能降低者有漏水，但對運行及旅客安全無威脅，而且不影響使用功能者安全等級 A A A C A A A B C (二)因剝落的安全等級判定日本鐵路部門根據最近連續發生的隧道襯砌混凝土剝落事故而制定的一個基準。此係襯砌混凝土剝落的安全等級判定基準，將安全等級劃分為α、β、γ 三級，並視開裂和濁音等狀態，根據打擊聽音結果進行判定。有濁音的場合，根據表 4.2-3，有敲落可能即加以敲落，不可能敲落時應進行混凝土剝落的安全等級判定，如表 4.2-4，並於安全評估流程中增設剝落檢查項目及評估準則，如圖 4.2-1 所示。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 117 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.2-3 打擊聽音檢查判定指標（日本鐵道總合技術研究所，2000）聽音檢查結果敲落* 行動與否注意事項對剝落之判定依表 4.2-4 判定為 β 時，應留下記錄敲落深度依健全之混凝土露出依表 4.2-4，安全等級之深度為原則，以最大設計厚判定為 α 時，實施剝必要(但僅針對必要範度之 1/4 或 15cm 為限。敲落落補強工。濁音圍實施) 後仍存有濁音時，依表 4.2-4 依表 4.2-4，安全等級之剝落安全等級判定。判定為 β 時，應留下記錄。 *︰實施打擊聽音檢查時，其對策以敲落為原則清音不要－表 4.2-4 對剝落之安全等級判定指標（日本鐵道總合技術研究所，2000）安全等級措施狀態 1.(壓縮或剪力)襯砌表面有銳角裂縫+濁音 2.(壓縮或剪力)閉合/交錯/平行裂縫產生+濁音* 3.放射狀裂縫+濁音* 4.閉合裂縫+濁音 α 要對策 5.平行或交錯裂縫+3mm 以上錯動+濁音 6.平行或交錯或裂縫+3mm 以上錯動+漏水+濁音+ 凍結 7.無法以敲落處理或敲落後造成不安定狀態或材料劣化或已有修補材 1.(壓縮或剪斷)襯砌表面有銳角裂縫 2.(壓縮或剪斷)閉合/交錯/平行裂縫產生* β 要注意 3.放射狀裂縫* 4.閉合裂縫 5.平行或交錯裂縫或 3mm 以上之錯動+濁音 γ 無問題 α、β 以外 *︰必須同時考慮大地應力與圍壓的影響第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 118 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 START 目視檢查有列車運行受阻對策工無受外力、劣化、滲漏水造成機能損害流程剝落檢查流程判斷敲擊檢查與否不要(γ) 剝落對策措施要相互回饋敲擊回音檢查不要(清音) 敲落判定 (濁音或清音) 要(濁音) 受外力、劣化、滲漏水造成機能損害之判定敲落作業 B or C or S A 不要(β) 不要(γ) 判定是否進行剝落對策工 (α、β、γ判定) 要(α) 剝落對策工 γ 個別檢查要注意圖 4.2-1 日本鐵路隧道全盤檢測之安全評估流程(日本鐵道總合技術研究所， 2000) 第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 119 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處二、個別檢查在個別檢查中，安全等級判定的基本考量與整體檢查一樣，惟基於異狀的發展性，將把整體檢查更加細分，進行安全等級的判定。個別檢查的安全等級判定基準列於表 4.2-5 至表 4.2-9。參考現場的安全等級判定，每一個安全等級判定基準都給予「判定安全等級的大致標準」。但推定隧道異狀原因和判定安全等級都需要豐富的知識和經驗。而「維修基準」與其他結構物相較，多是定性的規定。因此，現場技術人員強烈要求定量的判定基準。本節提出的判定基準，仍然需要通過未來的試驗和解析以及現場的量測數據等加以完善。 (一)因外力變化引起的異狀在個別檢查中，因外力變化引起的異狀安全等級判定基準如表 4.2-5 及表 4.2-6 所示。表 4.2-5 因外力變化引起的異狀的安全等級判定（日本鐵道總合技術研究所， 2000）判定基準因襯砌變形、移動、下沉引起的變形持續發展，其速度快，到達破壞的推定時間接近採用對策所需的時間者變形持續發展，很快會入侵使用限界，並對運行產生重大威脅者頂拱部開裂成塊狀，襯砌突出且侵入淨空斷面，有可能掉落者異狀無顯著發展，開裂和錯縫使襯砌呈塊狀，在很小外力下有可能崩坍、剝落者發生新的異狀或既有異狀再次發展，引起異狀持續發展者襯砌變形中，目前異狀無顯著發展，但異狀有持續發展之可能剝落規模很小，但可能對列車造成威脅者有異狀，但速度極緩慢者；或已認定異狀停止發展，有可能再發生者異狀不發展但既有異狀顯著，再發生時會立即對列車運行造成威脅者有異狀，但已停止發展，判斷今後也不會再度發生者安全等級 AA AA AA A1 A2 A2 A2 B B C 第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 120 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.2-6 開裂、錯動的安全等級判定基準（日本鐵道總合技術研究所，2000）長度開裂寬度錯動量 5mm 以上 3~5mm 10m 5~10m 5m 以下 AA~A1 A1 A1 A1 A1 A2 (二)襯砌材料劣化的安全等級判定在個別檢查中因襯砌材料劣化引致異狀的安全等級判定基準如表 4.2-7 所示。表 4.2-7 襯砌材料劣化的安全等級判定基準（日本鐵道總合技術研究所，2000）判定基準頂拱部附近的襯砌有可能掉落者襯砌材料已劣化，稍有外力即會崩坍或剝落並產生重大的影響襯砌剝落、材質劣化使斷面強度顯著降低者襯砌剝落、材質劣化使斷面強度有相當程度降低者襯砌材料持續劣化，其原因已明確，如不處理有可能使劣化急劇發展者襯砌有剝落，材質劣化現象，但尚無急劇發展之可能者安全等級 AA A1 A1 A2 A2 B (三)軌道維修週期縮短的安全等級判定軌道維修週期縮短的安全等級判定基準，如表 4.2-8 所示。表 4.2-8 軌道維修週期縮短的安全等級判定基準（日本鐵道總合技術研究所， 2000）判定基準因漏水結冰，側壁侵入使用限界，對列車運行造成威脅者在電化區間，頂拱部漏水直接傳到架空線及絕緣子者道床翻漿冒泥、底部鼓(隆)起，致軌道變形使維修週期縮短，確保正常運行困難者排水受阻、漏水使道床狀態惡化者安全等級 AA AA A1 B 第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 121 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (四)其他的判定因素其他因素引致異狀的安全等級判定基準，如表 4.2-9 所示。表 4.2-9 其他的判定因素（日本鐵道總合技術研究所，2000）現象 1.無襯砌隧道的圍岩風化 2.臨時拱架侵入淨空界限 3.防水襯砌剝落 4.隧道內附屬設施侵入淨空限界 5.車輛大型化或電氣化造成斷面不足 6.設計、施工不良判定基準以外力、材料劣化、軌道維修週期縮短的判定為準 4.2.2 日本公路隧道安全評估方法日本公路隧道之安全評估體系在隧道檢查與安全檢測階段各有其評估準則與方法，黃燦輝與鄭富書(1997)已將之系統歸納，其主要架構如 4.1.1 節所述，詳參本計畫第一年度期末報告。 4.2.3 中國大陸鐵路隧道劣化評定標準(1997 年) 中國大陸在 1997 年頒布的行業標準「鐵路隧道設備劣化評定標準─隧道」 (T2820.2─1997)中，規定採用劣化度的方法判定隧道結構物的功能狀態。隧道劣化等級劃分見表 4.2-10 至表 4.2-15。表 4.2-10 隧道劣化等級劃分(中國大陸，1997) 劣化等級 AA(極嚴重) A A1(嚴重) B(較重) C(中等) D(輕微) 對結構功能及行車安全的影響結構功能嚴重劣化，危及行車安全結構功能嚴重劣化，進一步發展危及行車安全劣化繼續發展會升至 A 級影響較少無影響措施立即採取措施盡快採取措施加強監視，必要時採取措施加強檢查，正常維修正常保養及巡檢第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 122 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.2-11 襯砌裂損劣化的等級(中國大陸，1997) 裂損類型劣化等級變形或移動開裂、錯動壓潰滑坡滑動使襯砌移動開裂或錯動長度拱頂壓潰範圍>3m2 ；加速； L>10m ，寬度或襯砌剝落最大厚度 AA(極嚴重) 襯砌變形、移動、下沉 B>5mm，且變形繼續大於襯砌厚度的 1/4，發展迅速，威脅行車安發展，拱部開裂呈塊發生時會危及行車安全狀，有可能掉落全 A 變形或移動速度開裂、錯動長度 L 為壓潰範圍 3m2 ≧ S ≧ v>10mm/年 5~10m，但開裂或錯動 1m2；或有可能掉塊值 a>5mm；開裂或錯 A1(嚴重) 動使襯砌呈塊狀，在外力作用下有可能崩坍和剝落變形或移動速度 v 為開裂或錯動長度 L<5m 剝落規模較小，但可能 3~10mm/年，而且有新且 5mm≧a≧3mm；對列車造成威脅；拱頂 B(較重) 的變形出現裂縫有發展，但速度不壓潰範圍 S<1m2 ，剝快落塊體大於 3cm 有變形，但速度 v＜開裂或錯動長度 L<5m 壓潰範圍很小 C(中等) 且寬度 a<3mm 3mm/年有變形，但不發展，而一般龜裂或無發展狀個別地方被壓潰 D(輕微) 且對使用無影響態表 4.2-12 PH 值與隧道襯砌腐蝕程度等級(中國大陸，1997) A 劣化等級 AA(極嚴重) A1(嚴重) B(較重) C(中等) D(輕微) pH 值＜4.0 4.1~5.0 5.1~6.0 6.1~7.9 對混凝土的作用水泥被溶解，混凝土可能會出現崩裂在短時間內混凝土表面凹凸不平混凝土表面容易變酥、起毛視混凝土表面有輕微腐蝕現象第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 123 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.2-13 滲漏水對隧道功能影響程度的評定(中國大陸，1997) 漏水或湧水的危害等級 AA(極嚴重) A A1(嚴重) B(較重) C(中等) D(輕微) 隧道狀態水突然湧入隧道，淹沒軌面，危及行車安全；電力牽引區段，拱部漏水直接傳至接觸網。隧底冒水，拱部滴水成線，嚴寒地區邊牆淌水，造成嚴重翻漿冒泥、道床下沉，不能保持正常軌道的幾何尺寸，危害正常運行。隧道滴水、淌水、滲水等引起洞內局部道床翻漿冒泥。漏水使基床狀態惡化，鋼軌銹蝕，養護週期縮短，繼續發展，將來會升至 B 級。有漏水，但對列車運行及旅客安全無威脅，並且不影響隧道的使用功能。表 4.2-14 凍害對隧道功能影響程度的等級評定(中國大陸，1997) 凍害等級 AA(極嚴重) A A1(嚴重) B(較重) C(中等) D(輕微) 隧道狀態凍溜、冰柱、冰椎等不斷發展，侵入限界，危及行車安全。接觸網及電力、通訊、信號的架線上掛冰，危及行車安全和洞內作業人員安全。道床結冰（丘狀冰椎），覆蓋軌面，嚴重影響行車。避車洞結冰不能使用，嚴重影響洞內作業人員的安全。冰楔和圍岩冰脹的反複作用使襯砌變形、開裂並構成縱橫交錯的裂紋。凍融使襯砌破壞比較嚴重。凍融使道床翻漿冒泥、軌道幾何尺寸惡化。凍害造成襯砌變形、開裂，但裂紋未形成縱橫交錯。凍融使襯砌破壞，但不十分嚴重。凍害使洞內排水設備破壞。凍融使線路的養護週期縮短。有凍害，但對行車安全無影響，對隧道使用功能影響輕微。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 124 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.2-15 襯砌材料劣化等級評定(中國大陸，1997) 劣化類型劣化等級 AA(極嚴重) A A1(嚴重) B(較重) C(中等) D(輕微) 混凝土襯砌腐蝕襯砌材料劣化嚴重，經常發生剝落，危及行車安全。襯砌厚度為原設計厚度的 3/5，混凝土強度大大下降。襯砌材料劣化，稍有外力或振動，即會崩塌或剝落，對行車產生重大影響。腐蝕深度 10mm ，面積達 0.3m2；襯砌有效厚度為設計厚度的 2/3 左右。襯砌剝落，材質劣化，襯砌厚度減少，混凝土強度有一定的降低。襯砌有剝落，材質劣化，但不可能有急劇發展。襯砌有起毛或麻面蜂窩現象，但不嚴重。砌塊襯砌腐蝕拱部接縫劣化嚴重，拱部襯砌有可能掉落大塊體（與砌塊大小一樣）接縫開裂，其深度大於 10cm，砌塊錯落大於 1cm。接縫開裂，但深度小於 1cm 或砌塊有剝落，但剝落在 40mm 以下。接縫開裂，但深度不大，或砌塊有風化剝落，但塊體很小。砌塊有輕微風化。 4.2.4 美國公路隧道現行安全評估法(2003 年) 美國聯邦公路總署 FHWA 與美國聯邦運輸總署 FTA 在 2003 年 3 月分別出版「隧道檢測手冊」與「隧道維護與修復手冊」，將所有隧道基本資料建檔、檢測以及維修修復資料，以電腦化的方式儲存在資料庫作為後續歷史資料的建檔與分析。 FHWA 對於隧道結構檢測程序，第一為定出檢測頻率，再者訂立檢測項目，第三依各個檢測項目訂立一構件狀況評分編碼(Condition Code)，最後再由此編碼列入隧道管理系統(Tunnel Management System)。新建隧道檢測頻率大約為五年一次；較為老舊隧道每二年一次；其中包含每天、每週以及每個月的定期步行之一般檢查。混凝土結構之檢測項目整理如表第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 125 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 4.2-16，其他材料結構整理如表 4.2-17 所示。待所有檢測完成，必須訂立一維修標準(Critical Repairs)進而對所有構件評分(Condition Codes)。其評分標準值從 0 到 9，0 為最壞的情形而 9 為最好的情形，其評定表如表 4.2-18 與表 4.2-19 所示。表 4.2-16 FHWA 隧道混凝土檢測項目與評定標準(FHWA, 2003) 材料檢測項目/劣化現象 Scaling(表面砂漿與粒料疏鬆程度) Cracking(裂縫) Transerse Crack Longtitudial Crack Hortizontal Crack Vertical Crack Diagonal Crack Pattern or Map Crack D-Crack Random Crack Spalling(混凝土剝落) 混凝土結構 Joint Spall(施工縫剝落) Pop-Outs(表面孔洞) Mudballs(泥塊) Efflorescence(白華/風化) Staining(斑點) 劣化程度輕微(疏鬆程度<6mm) 中度(6mm~25mm) 嚴重(>25mm) 輕微 (寬度<0.8mm) 中度 (0.8mm~3.2mm) 嚴重 (>3.2mm) (<12mm 深或 75~150mm 長) (12~25mm 深或 150mm 長) (>25mm 深或>150mm 長) N/A 輕微(<10mm) 中度(10mm~50mm) 嚴重(50mm~75mm) N/A N/A N/A Hollow Area(背面孔洞) N/A Honerycomb(蜂窩) N/A 輕微(表面潮濕但不滴落) 中度(每分鐘少於 30 滴) 嚴重(每分鐘大於 30 滴) Leakage(滲漏水) 第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 126 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.2-17 FHWA 隧道其他材料檢測項目與評定標準(FHWA, 2003) 材料檢測項目/劣化現象劣化程度輕微中度嚴重 Corrosion(銹蝕) Cracking(裂縫) Buckles and Kinks(挫屈和變形) 輕微(表面潮濕但不滴落) 鋼結構中度(每分鐘少於 30 滴) Leakage(滲漏水) 嚴重(每分鐘大於 30 滴) 輕微中度嚴重輕微(表面劣化) 中度(輕度錯移) 嚴重(錯移或掉落不見) 輕微(表面劣化) 中度(輕度錯移) 嚴重(錯移或掉落不見) Protection System(腐蝕保護) Masonry Units(磚石單元) Mortar(水泥砂漿) 磚石材 Shape(形狀) Alignment(線形) 輕微(表面潮濕但不滴落) 中度(每分鐘少於 30 滴) 嚴重(每分鐘大於 30 滴) 輕微(表面變色) 中度(表面變軟小於 15%) 嚴重(表面變色大於 15%) Leakage(滲漏水) Decay(腐爛) Insets(蛀蟲) 輕微中度嚴重輕微(表面變黑) 中度(<15%) 嚴重(>15%) Checks/Splits(劈裂) 木材 Fire Damage(火害) Hollow Area(中空位置) 輕微(表面潮濕但不滴落) 中度(每分鐘少於 30 滴) 嚴重(每分鐘大於 30 滴) 輕微中度(<15%)) 嚴重(>15%) Leakage(滲漏水) 連接材 Bolts(栓) Gaskets(密封墊) 第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 127 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.2-18 FHWA 一般狀況碼(FHWA, 2003) 等級 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 描述新建完成最佳狀況—無異狀發生狀況良好—無修補需要。極少劣化。變化介於″5″與″7″之間狀況較差—尚需要修復，但結構功能上符合原始設計。輕中度劣化且沒有明顯的部位損失。變化介於″3″與″5″之間狀況差—極需要修復而且結構功能已不符合原始設計。重度劣化。狀況嚴重—極需要修復且必須立即維持構造，和開設其他高速公路以及鐵路。狀況極嚴重—立即關閉，並且評估功能和建立可行性方案。狀況極嚴重—立即關閉且無法修復。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 128 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 4.2-19 FHWA 狀況碼彙整(FHWA, 2003) 等級 9 8 7 6 5 4 明挖箱型隧道和混凝土/ 軟弱地層隧道襯砌噴凝土內部襯砌新建完成新建完成新建完成最佳狀況 — 無異最佳狀況—無異狀發生最佳狀況—無異狀發生狀發生狀況良好 — 無修狀況良好—無修補需要。狀況良好—無修補需要。補需要。極少劣某些構件有低度的耗損和些許的風化現象。化。一般描述岩石隧道襯砌新建完成最佳狀況—無異狀發生木製襯砌新建完成最佳狀況—無異狀發生狀況良好—無修補需要。混狀況良好 — 無修補需凝土和噴凝土襯砌間距超要。木材上呈現單一的過 3m 之間有周圍的少量的裂紋、少量的腐爛以及裂縫，少量的滲水。變化介於″5″與″7″之間變化介於″5″與″7″之間變化介於″5″與″7″之間變化介於 ″5″ 與 ″7″ 變化介於″5″與″7″之間之間狀況較差 — 尚需狀況較差—尚需要修復，狀況較差—尚需要修復，但結構功能上符狀況較差—尚需要修復，但狀況較差 — 尚需要修要修復，但結構功但結構功能上符合原始設合原始設計。鋼材、預鑄混凝土、鋼筋籠結構功能上符合原始設復，但結構功能上符合能上符合原始設計。混凝土構件間距在和石造襯砌有數量多但低程度之劣化現計。混凝土和噴凝土襯砌間原始設計。木材上呈現計。輕中度劣化且 1.5m 到 3m 之間呈現中度象。鋼板、形狀和襯砌表面有腐蝕但不是距在 1.5m 到 3m 之間，周些許的小的裂紋、少量沒有明顯的部位數量的裂縫和中度的風特定區域耗損。預鑄混凝土襯砌和安全走圍有中度數量的裂縫，不超的腐爛以及中度的滲損失。化，以及低至中度的滲漏道鋪面有中度混凝土剝落和超過兩處細過一個縱向裂縫，中等程度水，和單一木質組件有水。在混凝土上有少量的微的裂縫。石工間距在 1.5m 到 3m 之間之風化和低至中等程度的劈裂的情形。薄片、混凝土剝落、網狀呈現中度數量的裂縫和中度的風化，以及滲漏水。在混凝土上有少量裂縫和斑點的存在，但鋼低至中度的滲漏水。連接岩拴（每兩個構的薄片、混凝土剝落、網狀件不超過一個）需要重置或重設，且介於裂縫和斑點的存在，但鋼筋筋沒有外露。沒有外露。兩個襯砌之間有中度滲漏水。變化介於″3″與″5″之間” 變化介於″3″與″5″之間” 變化介於 ″3″ 與 ″5″ 變化介於″3″與″5″之間” 變化介於″3″與″5″之間” 之間第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 129 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書表 4.2-19 FHWA 狀況碼彙整(續) (FHWA, 2003) 等級 3 2 1 0 明挖箱型隧道和混凝土/ 軟弱地層隧道襯砌岩石隧道襯砌木製襯砌噴凝土內部襯砌狀況差—極需要修狀況差—極需要修復而狀況差—極需要修復。鋼材、預鑄和鋼筋籠襯狀況差—極需要修復而且狀況差—極需要修復復而且結構功能已且結構功能已不符合原砌有廣泛嚴重的劣化以致於襯砌不再能夠達結構功能已不符合原始設而且結構功能已不符不符合原始設計。始設計。混凝土構件有到原始的設計要求，僅能維持一些能夠載重的計。混凝土和噴凝土襯砌有合原始設計。襯砌構件數量多的中等裂縫且有等級。石材中有數量多且中度的裂縫和含有廣廣泛的縱向裂縫、周圍均有上呈現中度大量的裂重度劣化。廣泛的風化現象，嚴重泛的風化現象、滲漏水和斑點。石層的剝落，裂縫，廣泛的風化、滲漏水紋、劈裂、腐爛以及超的滲漏水和斑點。混凝某些石件在單一地方有輕度的位移、鬆動或失和斑點。襯砌表面超過 50% 過襯砌面積的 50%滲土表面上有超過 50%的去保護。或在某些特定的石材上或介於襯砌間的剝落和鋼筋外露的程度漏水。薄片、剝落，還有 15% 端點的部分有嚴重的滲漏水。而連接栓上超過達到 15%以下的損失。以下的鋼筋外露。 15%以下部位的劣化和特定地方的鬆動。狀況嚴重—極需要狀況嚴重—極需要修復狀況嚴重 —極需要修復且必須立即維持構狀況嚴重—極需要修復且狀況嚴重—極需要修修復且必須立即維且必須立即維持構造，造，和開設其他高速公路以及鐵路。襯砌有廣必須立即維持構造，和開設復且必須立即維持構持構造，和開設其和開設其他高速公路以泛嚴重的材料劣化以致於如不立即修復會有其他高速公路以及鐵路。混造，和開設其他高速公他高速公路以及鐵及鐵路。混凝土構件有無法達到設計載重的問題。石材中有廣泛嚴重凝土和噴凝土襯砌有廣泛路以及鐵路。木材上呈廣泛嚴重的裂縫、風化的裂縫、剝落和掉落。隧道構件中有數處發生的縱向裂縫、周圍均有裂現廣泛裂紋、腐爛以及路。現象，剝落和滲漏水。嚴重的滲漏水。而連接栓上超過 50%以下部縫，廣泛的風化、滲漏水和超過木材面積的 50% 斑點。外露的的程度達到的滲水。大量的木材已鋼筋外露和 40%以下的位的劣化和特定地方的鬆動。經完全劣化。部分損失。 40%以下的損失。狀況極嚴重—立即狀況極嚴重 — 立即關狀況極嚴重—有立即關閉的需要，襯砌有主要狀況極嚴重—襯砌已有廣狀況極嚴重—襯砌有關閉，並且評估功閉，並且評估功能和建的劣化和已經失去所有原來設計的承載限泛的裂縫和特定的劣化現廣泛的裂縫和特定的度。石材嚴重劣化及主要部位掉落和不在能支象，已經失去設計容許承載劣化現象，已經失去設能和建立可行性方立可行性方案。計容許承載能力。持設計載重，而連接栓上超過 50%以上部位能力。案。的劣化和特定地方的鬆動。狀況極嚴重—立即關閉且狀況極嚴重—立即關狀況極嚴重—立即狀況極嚴重—立即關閉狀況極嚴重—立即關閉且無法修復。閉且無法修復。無法修復。關閉且無法修復。且無法修復。一般描述第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 130 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 4.3 國內隧道安全評估準則改善之建議 4.3.1 隧道安全評估方法比較與探討玆將前述國內外鐵公路隧道之安全評估方法，進行比較與探討如后。黃燦輝與鄭富書(1997)建議之隧道安全評估法主要係參考日本道路協會(1993)之建議，將隧道之安全等級劃分為甲、乙、丙、丁四級，而其判定基準係依其異狀產生原因而予以個別評定安全等級，分別為(1)因外力變化產生之異狀；(2)因襯砌材質劣化產生之異狀；以及(3)因滲漏水等產生之異狀。實際應用上，因外力變化產生之異狀具有裂縫長度、寬度及變形速率等量化評估標準具體直觀，其餘則為定性之描述，易受隧道檢測工程師之主觀判斷與經驗影響。此法進行隧道安全評估的判定前，通常先區別異狀的影響因素與變異的程度，對於異狀發生區段安全等級的評估結果明確，有助於該區段維修補強設施的參考，亦利於建構完整的隧道安全檢測與維修補強體系。修改自南非橋梁 DERU 評估準則之隧道 DERU 評估法，係針對隧道各構件損壞狀況予以定量評分方式逐一進行評估與記錄，評估內容包括構件劣化程度 (Degree)、劣化範圍(Extent)、劣化影響(Relevancy)及維修急迫性(Urgency)，評分值介於 1 分(良好)至 4 分(嚴重損壞)之間，而檢測項目包括：隧道襯砌、隧道路面、洞口邊坡穩定、邊坡保護工、洞口排水設施、通風設施、消防設施、排水設施、照明設施、號誌標線、內裝修飾版、護欄等 12 項。並具有下列幾項特點： 1.以表格方式針對隧道劣化情形進行記錄，使用簡易方便。 2.具完整之量化評分架構，對單一構件及隧道整體狀況均有檢測評分結果。 3.根據量化評分數據，可對單一構件及隧道整體狀況進行長期追蹤或可進行不同隧道間劣化狀況評比。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 131 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 4.國內目前橋梁之安全檢測普遍亦採用 DERU 法，可統一國內公共結構物之安檢方式。本法雖可以量化數據方式表示隧道狀況及維修急迫性，惟因缺乏各檢測項目量化評分依據，故檢測結果易受隧道檢測工程師主觀意識以及經驗影響。且 DERU 法偏重隧道整體狀況的評估，有利於業管單位比較不同隧道間維修補強的優先順序，但評估結果與隧道行為與可能的破壞模式或現象無直接關聯，就隧道安檢管理觀點，欲於安全檢測階段使用，必須配合其他方法以獲致較明確之結果。日本鐵路隧道在整體檢查中將隧道安全等級劃分為 A、B、C、S 四級，A 級又細分為 AA、Al、A2 三級，需要在個別檢查中判定。而由於近年來日本鐵路隧道與結構有關的事故發生原因大多數為混凝土的剝落所造成，因此於 2000 年增設了混凝土剝落檢查，依開裂和濁音等狀態，並根據打擊聽音結果進行隧道安全等級判定。此打擊聽音之評估準則係針對襯砌局部的剝落而定，不同於以往著重隧道整體結構穩定的評估準則。而打擊聽音僅區分為清音與濁音兩類，加上裂縫狀態進行評估，相較於以往的評估方式而言，已較為具體。日本公路隧道之安全評估體系則分為日常檢查、定期檢查、異常檢查及臨時檢查等，其安全等級分為 A、B、C 三級，而調查階段的安全等級則依據措施緊急性的優先度分為 3A、2A、A、B 四級，並根據過去的變異案例，分別依外力產生的異狀、材質劣化產生的異狀以及漏水等產生的異狀訂定判定基準。實際應用上，同交通部 1997 年版，除因外力變化產生之異狀具有量化標準外，其餘均為定性之描述，同樣易受隧道檢測工程師之主觀判斷及經驗影響評估結果。黃燦輝與鄭富書(1997)之建議已擷取日本公路隧道安全評估體系之菁華，而中國大陸鐵路隧道之安全評估法亦與日本鐵路隧道之安全評估法相似，皆採隧道檢查與安全檢測兩階段評估的方式，而其判定基準亦依其異狀產生原因(外力、漏水、凍害及襯砌材料劣化)而予以個別評定安全等級。中國大陸與日本評估法不同處僅在於新增凍害之評估準則，惟實際應用上仍受隧道檢測工程師之主觀判斷及經驗影響。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 132 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處而美國現行之隧道安全評估法係美國聯邦公路總署 FHWA 於 2003 年制定，其按各構件(混凝土結構、鋼結構或木製結構等)特性訂立檢測項目，並依各個檢測項目給予狀況評分(0~9 分)，最後再將此編碼列入隧道管理系統，以評定維修補強之先後順序。其評估準則雖具量化概念，惟其各項評分值(0~9 分)與 DERU 評估法相同，缺乏對隧道行為與可能破壞模式的考量。綜上所述，各國之隧道安全評估準則雖評估之項目雖略有不同，但基本精神相近，多以異狀的程度與發展速度為主，各評估準則的評估因子尚缺乏系統完整之量化標準，就實務應用面而言，僅適於初步判定隧道安全的等級，對於異狀顯著危及隧道整體結構安全者，按既有準則評估，僅能反映安全等級的概念，在研判隧道行為和可能破壞模式方面仍有不足，為應用上需特別加以注意之處。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 133 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 4.3.2 日本鐵路隧道安全評估準則(2000)修訂之省思日本鐵道總合技術研究所依據 1999 年山陽新幹線福岡隧道、北九州隧道與室蘭本線禮文濱隧道相繼發生襯砌剝落，並擊中列車之事故提出研究報告，針對日本鐵路隧道安全評估準則做出具體的改善建議，自異狀的肇因─襯砌剝落原因之推定出發，進而訂定襯砌剝落的評估因子，十分值得借鏡，探討如下。一、襯砌剝落原因之推定日本鐵道總合技術研究所經調查研判山陽新幹線福岡隧道襯砌剝落之原因，主要為混凝土澆置時間差所形成之冷縫於內襯砌鋼模脫模時形成裂縫，隨著長期漏水、溫差變化以及列車行駛所產生之空氣壓縮(活塞效應，piston effect)及振動等反覆作用下，使得裂縫逐漸延伸、連結、閉合，當再次受到列車行駛所產生之空氣壓縮及振動等作用下，造成襯砌剝落而擊中列車，如圖 4.3-1 所示。日本山陽新幹線北九州隧道襯砌剝落之原因與福岡隧道大致相似，唯其襯砌剝落位置位於上半斷面與下半斷面交界之施工縫處，如圖 4.3-2 所示。而日本室蘭本線禮文濱隧道襯砌剝落之原因，研判為隧道襯砌打設後，因鬆弛土壓形成集中荷重作用於襯砌上方，導致襯砌表面產生放射狀裂縫，受到荷重增加或列車行駛所產生的振動之影響，造成裂縫的進一步延伸、連結與閉合，最後因自重而落下，如圖 4.3-3 所示。綜觀上述案例得知，隧道襯砌剝落事故之原因為隧道施工完成初期已存在微小之異狀(裂縫、漏水或劣化)，隨著外在環境因素(漏水、凍溶作用)、外力變化(偏壓、塑性壓、鬆動土壓、列車行駛之振動、空氣壓縮、地震)以及內在材料因素(中性化、鹼骨材反應)等之長期的與反覆的作用下，使得裂縫延伸閉合或劣化更為嚴重，當受到一突發性之外力變化(如列車振動、空氣壓縮、地震等)時，襯砌即有可能剝落，危及列車行駛之安全，如圖 4.3-4 所示。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 134 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 4.3-1 日本山陽新幹線福岡隧道襯砌剝落原因示意圖 (日本鐵道總合技術研究所，2000) 第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 135 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 4.3-2 日本山陽新幹線北九州隧道襯砌剝落原因示意圖 (日本鐵道總合技術研究所，2000) 第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 136 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 4.3-3 日本室蘭本線禮文濱隧道襯砌剝落原因示意圖 (日本鐵道總合技術研究所，2000) 第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 137 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處裂縫發生裂縫擴大產生劣化根據裂縫發生可能的原因機制以及周圍之狀況仰拱自重/列車振動襯砌剝落圖 4.3-4 日本鐵路隧道混凝土剝落發生機制 (日本鐵道總合技術研究所，2000) 二、襯砌剝落評估因子鑑於隧道襯砌局部剝落雖然對於隧道整體結構安全並無嚴重之影響，卻嚴重危及列車行駛之安全，因此，日本於 2000 年修訂鐵路隧道安全檢查作業流程與安全評估準則，除原先外力、劣化、漏水等安全評估準則之外，增設了剝落檢查項目及評估準則，如圖 4.2-1 所示。剝落檢查項目及評估準則，首先利用打擊聽音法判斷清音或濁音，依表 4.2-3 整理之原則，若為濁音則將有剝落之虞的範圍(劣化範圍)直接進行敲落作業，無法敲落時，則進行剝落的安全等級判定，詳見表 4.2-4；若為清音則需配合裂縫型態、寬度、漏水程度及劣化狀態，依表 4.2-4 進行剝落的安全等級判定。剝落的安全等級判定，若判定為 α，需研擬防止剝落的對策工法；若判定為 β，需持續觀察，並進行外力、劣化、漏水等安全評估準則之判定；若判定為 γ，則直接進行外力、劣化、漏水等安全評估準則之判定。三、日本鐵路隧道經驗的檢討日本鐵路隧道最新的安全檢測觀念與實務上的作法，係由整體檢查與個別檢查全第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 138 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處面而詳細的掌握隧道的狀況，並依據檢查結果，分別判定安全等級。整體檢查以全面性普查為基本考量，通常僅採用目視檢查加上打擊聽音的方式進行，對於發現異狀具襯砌剝落潛能較高的地點，修正了以往評估隧道整體的安全等級的作法，改為及早進行敲落並進行修補除去異狀。而無法確認異狀的威脅屬於剝落者，則進入個別檢查，並以瞭解其發展性為主要目的，透過更多更詳細的調查項目，掌握異狀可能的變化與發展，繼而判定其安全等級。考量研判異狀的原因和判定安全的等級都需要豐富的經驗，在整體檢查排除剝落的局部性危害後，日本最新的鐵路隧道個別檢查的安全等級判定項目與基準，相對於剝落事件發生前的鐵路隧道的安全準則與公路隧道的安全準則，反而出現項目減少以及更趨向定性描述的現象。日本經驗顯示不同的異狀特性，在初步研判其可能的危害類型與針對局部的可能剝落處實施補強改善措施後，隧道安全等級的評估應更著重異狀的發展性。 4.3.3 不同用途隧道安全評估之考量以及改善之建議由日本鐵路隧道最新的安全檢查項目與安全評估準則的修訂經驗觀之，隧道安全評估準則除考量隧道結構本身之安全穩定外，尚需考量其保全對象(危害對象)之影響程度，以及是否可在其設計功能(行車、輸水)下正常的運用。因此，本節進一步歸納鐵路、公路及水利等不同用途隧道之設計功能及安全影響因素，以利未來研修或擬定安全評估準則的參考。一、不同用途隧道安全評估之考量 (一)鐵路隧道日本鐵路隧道整體檢查的安全評估準則針對局部剝落與整體安全係分別採用不同的準則與標準，局部剝落部份不判別其安全等級，只要襯砌可能因列車行駛的振動或空氣壓縮效應下發生剝落，即敲除並實施補強工予以改善，而整體安全在初步評估後，若與維修作業有關，則必須與相關單位負責人協商討論後判定，或進一步進行個別檢查。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 139 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處個別檢查之安全評估準則主要可分為四大項：1)外力變化；2)襯砌材料劣化；3) 軌道維修週期縮短；4)其他。其中與公路及水利隧道不同之處主要在於考量鐵路隧道為軌道系統，有可能因仰拱冒泥、隆起等現象，造成軌道扭曲變形(維修週期縮短)進而影響列車行駛之安全；而電化區間因頂拱設置集電弓，因此，集電弓範圍為嚴禁滲漏區域，須妥善將頂拱之滲漏水導排至側壁或兩側邊溝；另列車行駛時會形成一動態包絡線，因此，所有異狀及設施均不得侵入隧道建築界限內。 (二)公路隧道我國公路隧道之安全評估準則與日本鐵路隧道之安全評估準則相似，主要可分為 1)外力變化；2)襯砌材料劣化；3)滲漏水等三大項。各項安全等級判定基準及其注意事項，詳見 4.1 節與第一年度期末報告。 (三)水利隧道日本東京電力水利隧道之安全評估準則除考量 1)外力變化；2)襯砌材料劣化等項目外，尚需考量其安全性對輸水、發電及國家社會之影響，綜合評判其安全等級；另水利隧道因長期水流沖刷作用下，恐對隧道襯砌表面造成沖蝕、穴蝕、磨損等破壞現象，進而導致襯砌厚度不足，間接影響隧道整體之安全穩定及其輸水功能。二、安全評估準則改善之建議綜合上述研究成果，有關國內隧道安全評估準則之改善建議如下： 1.不同用途之隧道應針對其使用功能與特性，研擬適當的安全評估準則：鐵路、公路及水利隧道其功能及特性均不同，除一般性考量外，應分別針對不同用途的影響因子，分別增加不同之安全檢查與安全評估的項目。 2. 考量各項異狀對隧道功能及服務品質之影響：隧道之安全評估準則除考量其結構本身之穩定性外，尚需考量各項異狀是否影響隧道之功能及服務品質，例如襯砌剝落或滲漏水是否影響鐵路隧道列車行駛之安全、公路隧道車輛行駛之安第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 140 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處全以及水利隧道之輸水、引水、排洪、發電等功能。 3. 新增鐵路隧道混凝土剝落之判定準則：日本鐵路隧道混凝土襯砌剝落之案例調查顯示，鐵路隧道因列車行駛所產生之振動、空氣壓縮，可能造成裂縫閉合或嚴重劣化處之襯砌掉落，危及列車行駛之安全。因此，除原外力、劣化及滲水之判定準則外，建議新增混凝土剝落之判定準則。而捷運隧道雖亦供列車運行，然其施工工法(潛盾機施工)與結構形式(預鑄環片)不同，須另訂混凝土剝落之判定準則；另高速鐵路隧道因其列車行駛速度較高(最高營運速度為 300 公里/小時)，其動態包絡線及空氣壓縮可能均遠大於一般鐵路隧道，應另行研究訂定混凝土剝落之判定準則。 4. 整合各項資料：進行隧道安全等級評估時，應事先蒐集彙整隧道原始設計、地質與施工資料於隧道異狀展開圖中，包含設計階段之設計圖、外支撐形式、襯砌厚度、襯砌強度與混凝土澆置方式(木模、鋼模、分階或全斷面)等；施工階段之施工圖、開挖工法、岩體類別、地下水狀況、施工災變等；完工階段之竣工圖、完工(竣工)報告等。接著將現場檢測調查判識成果(裂縫寬度、長度、深度、密度、進展性或變形速率，襯砌厚度、強度及背後空洞，漏水程度、浮脹剝落之虞等)亦彙整於隧道異狀展開圖中，方能據以綜合評估、判斷隧道安全等級，如圖 4.3-5 所示。 5. 分類異狀並研判成因暨影響因素：同一里程位置可能產生多種異狀，例如裂縫處有滲水且有白華現象、白華處產生表面蜂窩且有浮脹剝落之虞；這些異狀有時並非單一因素所造成，而係由多項因素複合產生，例如襯砌局部剝落係由於施工縫處理不當、混凝土澆置不實、中性化以及地震等綜合因素所造成。因此，隧道安全等級之評估，宜透過異狀展開圖與本計畫建議的異狀診斷表(參考第五章)，針對異狀現象、可能原因與安全等級三者綜合研判。由國內與日本經驗觀之，異狀的原因在單一的檢測工作中較難完全掌握，但若是長期的追蹤，則大幅提高判斷的可靠度，更有利於維修補強設計的參考，因此安全檢測作業必須容許某些區段異狀原因與安全等級的研判，保留一定的彈性空間，視後續追蹤檢測結果進行初次研判或進一步修訂。有關襯砌異狀之分類詳第二章，而異狀第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 141 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處成因與影響因素研判之作業流程之建議，詳第五章。 6. 安全評估準則之定量化：目前世界各國隧道安全評估之各項準則仍以定性之描述為主，需仰賴檢測人員或安全評估人員之經驗判斷，僅裂縫之寬度、長度、密度、變形速率、襯砌劣化程度等具有量化標準，因此，建議可將各國之量化標準納入規範參考，並視需要輔以數值分析綜合研判。 7. 安全評估準則之權重因子：除上述安全評估準則之定量化外，亦可參考國內之 DERU 評估法或最近日本嘗試建立之權重因子(表 4.3-1、表 4.3-2)，以定量評分方式記錄與評估，易於記錄並判斷隧道「相對的」安全等級，且易於評估後續維修補強之優先順序。目前隧道 DERU 評估法曾實際應用於台北捷運隧道、台北市數個公路隧道；而日本之權重因子則需累積眾多案例方能訂定。 8. 分區評估隧道安全等級：襯砌局部剝落雖然對於隧道整體結構安全並無嚴重之影響，但卻嚴重危及列車或車輛行駛之安全；襯砌之滲漏水亦不致嚴重影響隧道整體結構之安全，但卻影響鐵路隧道之集電弓、捷運隧道之導電軌等供電設施，因此，隧道安全等級應依隧道長度、劣化規模等，每隔一段區間為一單位，區段的間隔可以隧道的寬度或一次澆置混凝土襯砌的長度為單位，約 5 至 20 m，以評定此區間之安全等級。第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 142 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 4.3-1 日本鐵路隧道襯砌安全評估之權重表 (Nakamura et al., 2006) 項目鋼筋外露有修補痕跡邊緣效應蜂窩孔洞突出網狀裂縫塊狀裂縫襯砌錯開打擊聽音時剝落打擊聽音呈現濁音評分 6 1 2 10 5 9 4 4 23 25 11 表 4.3-2 日本鐵路隧道襯砌安全評估分級表 (Nakamura et al., 2006) 總分安全等級 0 S 1~4 C 5 B 6~19 A2 >20 A1 第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 143 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書圖 4.3-5 國內某鐵路隧道檢測成果彙整與異狀展開圖例第四章隧道安全評估準則之探討與建議 – 144 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處第5章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討經由前章有關隧道安全評估準則之回顧與探討可知，既有的準則僅能應付隧道安全營運維護管理所需概略的安全等級評估，尚欠缺維修補強所需的具體量化資訊，亦無法滿足全生命週期維護管理必須掌握的隧道行為和可能的破壞模式。考量國內隧道安全檢測發展不過十餘年，累積的資料和經驗雖可作為研修或增訂安全評估準則部份因子的寶貴參考，但尚無法系統化、全面化的執行與驗證。因此，依據安全檢測結果，既有的安全評估準則可以應用在安全等級較高的區段，如黃燦輝與鄭富書(1997)建議隧道檢查階段的等級Ⅰ、Ⅱ以及檢測階段的等級甲、乙。惟在安全等級偏低的區段，則應進一步探討異狀的成因與影響因素，由專業顧問機構據以評估異狀未來的進展與可能的危害或威脅。本研究建議按既有的安全評估準則評為安全等級最低(丁級)的區段，不宜依循制式的作法，應針對每一區段個別深入評估，以補既有準則之不足。 5.1 隧道異狀與影響因素隧道完工後，因設計及施工上的初次缺陷、襯砌或岩體材質老化或劣化、外力作用變化及周遭環境引致襯砌的損傷等，導致襯砌之位置、形狀改變、淨空變位，產生龜裂或滲漏水等，影響到原設計時的使用功能，此種異常現象經判釋後通稱為「隧道異常狀態」(簡稱為異狀)。 5.1.1 隧道異常狀態不同於地表結構完全由人造構件支撐，維持隧道穩定的結構，實則包括人造支撐構件與周圍岩土材料形成的特殊承載環，即所謂的拱圈。自隧道施工開挖起，周圍岩土材料於開挖工作面前時即開始產生應力變化，向內擠入先行變形，開挖後因束制解除，產生更大的向內擠入變形，而後依不同的支撐抑制隧道之變形，使周圍岩土材料的應力分配漸趨至平衡狀態，各種支撐亦處於不同的應力狀態。在設計條件考量的周圍岩土材料強度以及支撐強度與勁度範圍內，隧道於襯砌混凝第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 145 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處土設置完成後，其變形量即應趨近於零。惟隧道常見下列數種異狀： 1.位移與變形：位移係隧道在空間中的位置發生改變，而變形則係隧道形狀的變化。以軸向而言，如線形扭曲，造成上下跳動、左右彎曲之現象，施工縫間環與環之間產生錯動、扭曲，影響行車安全；以環向而言，當周圍岩體擠入量太大時，造成行車或排水之淨空不足，路基路面隆起或沈陷破損，嚴重者甚至導致整體結構失敗、崩坍。 2.裂縫：隧道變形量過大時通常伴隨著襯砌的破裂，為最顯而易見的異狀，將造成整體結構強度與勁度的降低，引致更大的變形，更增加鋼筋外露、襯砌受侵蝕面增大而加速材料的劣化，嚴重時，裂縫形成三維閉合型態，表層剝落甚或是塊狀掉落的潛在可能性直接威脅行車安全。 3.襯砌材質劣化：襯砌材質因老舊或環境有害因子的影響而弱化，除材料本身所引致之化學反應或施工時之缺點外，弱化範圍常由表面向內侵蝕，將造成混凝土劣化及結構強度的降低；若有膨脹性化合物產生，則會造成混凝土塊的剝落。 4.滲漏水：隧道在地下水豐富的環境中，施工縫的防水不佳或襯砌破裂，造成滲漏水的現象。流經電氣化設備，會造成設備短路損壞；若水壓梯度大且圍岩破碎時，流水帶出襯砌背後之土砂，在地面上則有噴泥之現象，造成襯砌背後孔洞的擴大，或使破碎岩盤更加鬆動，應力調整造成局部襯砌混凝土達過應力狀態而發生破裂。有關各種異狀的描述，詳 2.3 節。 5.1.2 異狀成因與影響因素隧道襯砌異狀的可能因素甚多，如表 5.1-1 所示，其關係可採日本土木學會所建議之圖 5.1-1 隧道異狀網狀關係圖來加以說明：襯砌產生變形、破裂的主因，從第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 146 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處力學的觀點而言，不外乎結構所受外力的增加或變化超過支撐強度，或是支撐的勁度及強度相對地減弱至無法抵抗現地應力之大小，其中支撐的強度是否足夠需考量材料本身之強度及襯砌整體的行為與荷載的型式。此圖中隧道異狀的生成，其直接因素為荷重增加、支撐構件及周圍地盤之強度及勁度的減低；而間接關聯的滲漏水問題，則會增加對材質劣化及空洞生成的不利影響，進而加速異狀生成及惡化。隧道襯砌異狀現象的發生後，通常不會立刻導致直接崩塌，此係岩體亦會隨襯砌勁度的減低，而調整其應力分配及變形，如圖 5.1-1 中所示 1、2 之循環現象；但隨著各項損害因子的存在，會加速其損害的嚴重度，如圖 5.1-1 中所指出的四種異狀加速產生之循環，在循環中影響較大因子為滲漏水的影響，因為水及其溶解物對岩體及襯砌之物理化學風化作用，通常皆有加速的效果，如圖 5.1-1 中所示 3、4 之循環現象。以下就各項造成隧道異狀之直接因素探討： 1.襯砌所受不平衡荷重增加的因素：主要有塑性壓、鬆動土壓、偏壓或地滑、鄰近工程施工、水壓及地震；另隧道襯砌破裂則會加劇滲漏水現象，引致邊坡失穩現象或水壓增加，或隧道變形造成塑性區增加，進而增加不平衡力所導致之荷重，造成惡性循環之現象，加速各種異狀的發生。以下針對不平衡荷重增加的幾種類型探討： (1)塑性區擴大弱化：岩體開挖後，因破碎岩盤之潛變特性或含黏土礦物之岩類遇水膨脹，經長時間潛變造成沿開挖壁面逐漸向外擴大的破壞區，造成岩石環的承載勁度及強度的下降，持續作用的現地壓力，使周圍岩體的變形增加以調整應力，周圍岩體向自由面的隧道內擠入，襯砌受力達破壞之大小；其襯砌所受塑性壓力來自四面八方，因此隧道襯砌出現破裂的地方常為應力集中處或結構本身之弱點，其中應力集中的因子與斷面之幾何形狀、襯砌未與周圍岩體緊貼處及襯砌本身厚度不足或勁度較小有關。 (2)隧道上方鬆動土壓或岩塊掉落之衝擊載重：常出現於以傳統隧道工法修築之第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 147 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處隧道，因未確實灌漿回填、使用木塊塞縫腐蝕或滲流水帶出土砂，導致襯砌未緊貼開挖岩壁，留有空洞，岩土鬆動區逐漸擴大，上方岩塊或土塊鬆動掉落，造成衝擊荷重或積聚岩土重量之集中載動，使上方局部襯砌輻射狀破裂，嚴重者將發生整塊混凝土掉落，前述之襯砌剪力破壞模式；其中襯砌所受鬆動土壓方向主要來自隧道上方。 (3)偏壓造成襯砌破裂及變形：常出現於隧道之洞口段或隧道之側向覆土厚度不足之處；發生於近邊坡地表時，主應力場呈非對稱分佈，若無改變應力狀況之設計，現地應力會與依功能設計之斷面所能抵抗之主應力方向偏斜，而造成反對稱狀之變形，因此襯砌破裂常沿側壁，呈反對稱之分佈，即主應力方向上之開裂破壞，垂直主應力方向為壓碎破壞；發生於洞口段或地滑邊坡影響時，因隧道軸向與地形等高線垂直，襯砌破裂模式則呈環狀或斜向破裂，端視主應力或地滑破壞面方向而定；此因素易因地表沖蝕堆積、人工開挖坡腳或回填而改變。 2.支撐勁度及強度不足的因素：分兩方面探討，一是周圍地盤，另一方面是襯砌本身材質。 (1)周圍地盤之勁度及強度不足的因素有岩材受應力與強度之比值過高(常導致潛變而破壞或擠壓現象的發生)、岩材風化或未固結之岩性(如泥岩)、遇水弱化、節理夾泥流失、空洞擴大，進而擴大塑性區，或黏土礦物遇水膨脹增加膨脹壓力；襯砌基腳底下地盤材料弱化，造成襯砌下陷。 (2)混凝土類或以水泥類為黏著材的襯砌，其本身材質劣化則可由圖 5.1-2 來說明，除物理上的沖蝕、高溫之外，化學上易因環境、有害水與混凝土原料間的作用，產生膨脹性產物，如酸性水所造成之硫化反應，活性骨材或鹽類含量過高原料所造成之鹼骨材反應，鋼筋銹蝕所形成之氧化鐵等，亦會增加膨脹內力，使保護層之混凝土剝落。表 5.1-2 與表 5.1-3 整理數種常見的異狀現象與特徵，以及各異狀常出現的條件。其中外力因素所造成之異狀，用隧道斷面襯砌形狀之受力變形型態、主要裂縫分第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 148 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處佈及其周圍環境狀態來表示，其潛在因素常為地質弱帶或其位態不利於隧道走向、地滑帶、強烈風化區帶，以及設計施工不當所造成之斷面形狀不佳、局部支撐不足或施工縫強度不足、無仰拱、襯砌與岩體密合度不佳等；而誘發因素則包括天然之豪雨、地震、地表水沖刷、地下水沖蝕等，及人為之挖、填土方等。而襯砌本身之內在因素造成的異狀常為局部範圍，異狀有龜裂紋、透水性變大而潤濕、白華、鋼筋銹蝕所引致紅色銹染、表層剝落、骨材析離、蜂窩等；火災或煙害造成者則分佈較為全面。異狀對於隧道整體的安全性或服務品質的影響程度評估，尚存在無法具體量化與檢測工程師主觀判斷程度過高的問題，在許多情況下，常須透過影響因素的持續觀測或檢測，始得以有效掌握隧道安全現狀，並評估是否需進行維修補強。為研判襯砌異狀成因與影響因素之需要，以下初步將影響因素區分為隧道內之裂縫、材料、變形量及滲漏水，隧道外則為地表變形等。探討如下： 1.襯砌裂縫：包括裂縫幾何分佈的類型、開裂寬度及深度、延伸長度、開裂速率： (1)裂縫幾何分佈的類型，可約略推估造成隧道異狀之主因，主要可分為沿隧道長軸方向，稱為縱向裂縫；垂直長軸方向，稱為環向裂縫；及介於兩者間之斜向。另外除了分佈較為集中的主要裂縫外，尚有許多在其周圍之伴生裂縫，其分佈較為不規則。 (2)開裂寬度、深度、延伸長度及開裂速率等則可指示整體結構變形速率或結構之穩定性惡化情況。裂縫之寬度、深度及延伸長度亦可指示引致異狀的原因，通常裂縫延伸一段距離，如 5m 以上，可視為外力所引致之破裂，表示此時之襯砌抵抗外力之能力可能瀕臨臨界狀態。若為表層之龜裂紋且延伸長度短，則通常為內力所引致，如溫差應力、鋼筋銹蝕、混凝土中性化或硫化反應等，所形成之膨脹壓力。 2.襯砌材料劣化：混凝土中性化深、強度值及鋼筋電位值，可指示襯砌抵抗外力的能力，若以原設計之安全係數為 3 而言，當中性化深度超過原設計之 1/3 時，且假設中性化部份無法承壓，則襯砌之承受彎矩強度已不足原設計之 0.3；故襯第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 149 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處砌材料在地下環境下之抗風化能力應加以考量，其影響因子繁多，須針對不同之隧道區段，定期檢測加以監控。 3.變形：淨空變形量及形狀變形、變形速率、整環錯移或下陷。包括整環縱向位移、轉動及形狀改變；整體位移以下陷、側向移動較為常見；形狀改變現象則有頂拱下陷、側壁擠入、仰拱上浮及側向或斜向扭曲。 4.滲漏水：位置、水量、水壓、含砂量、白華量、銹染、氯離子含量；可大略估計襯砌背後地下水位高度，含砂量可估計背後空洞形成的速度，白華量、銹染、氯離子含量等則可與混凝土劣化程度相互比較連結，以瞭解混凝土在該環境下的劣化速度。 5.地表變形：地滑、地表沈陷。當隧道覆蓋厚度不足時，地滑的跡象可了解是否有偏壓的情況及其影響大小，而地表沈陷則可能出現於有鬆動土壓之處。第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 150 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 5.1-1 襯砌異狀影響因素分類表(修改自日本土木學會, 2003) 分類自然因素人為因素外在因素物理性 1.地形變異，如地滑、偏壓 2. 地質變異，如膨脹壓、塑性擠壓、頂拱鬆動岩(土)壓、基礎沉陷或承載力不足 3.地下水變異，如水位昇降之水壓變化、凍脹壓 4.其他，如地震、地殼變動 1.近接施工，如開挖、回填、蓄排水 2.其他，如列車行駛振動、空氣壓力變化等化學性分類 1. 圍岩自然 ( 土 ) 長期因素弱軟化人為 2. 地下水因素具侵蝕性或含有害物質 3.鹽害、凍害設計－ 1.未設置仰拱 2.側壁陡直 3.排水工設計不良 4.防水工設計不良 5.保護層不足 6. 襯砌強度不足 ( 設計岩 (土)壓過低) 7.襯砌厚度不足(襯砌勁度不足) 1.火災 2.煙害內在因素材料 1.澆置混凝土時之溫濕度 1.骨材含泥量過高 2.異常凝結 3.鹼骨材反應 4.養護之溫差應力 5.乾縮施工－ 1.養護不良 2.拆模過早 3.粒料分離 4.襯砌背後孔洞 5.混凝土澆置不均勻 6.混凝土模板下陷 7.施工縫施作不良 8.澆置中斷形成冷縫 9.排、防水工施作不良 10.支保下沉 11.襯砌強度不足 12.襯砌厚度不足第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 151 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 5.1-2 異狀現象、特性與常出現之條件-外因部份常出現之條件主要原因行為概述與特徵鬆動土壓隧道上方圍岩變形量太大自然鬆動，不能承受自重，其重量作用於襯砌上，通常以垂直壓力為主。於隧道內頂拱處沿縱向發生張裂。突發性集中荷重偏壓側覆土重不足地滑頂拱上方有較大之空洞，空洞上部的岩塊與母岩分離掉落而衝擊襯砌，造成以衝擊點為中心之開裂及外圍之剪裂，或襯砌直接破壞掉落。坡面或滑動面下方，在傾斜順向的片理、層理等弱面潛移作用下，或谷側之側覆土重不足時，會產生偏壓作用。在靠山側的拱肩部會產生水平張裂及錯動，以及擠入之變形。洞口常有前傾或開裂現象。異狀現象現地(地形)應力地質(岩體)狀態淺覆蓋深度多組節理或破碎風化岩體、軟岩（鬆動土壓） SL CL SL （展開圖）（集中衝擊荷動） SL CL SL 淺覆蓋深度（展開圖）（偏壓） SL CL SL （展開圖）因地滑所產生之異狀，與隧道和滑動面的位置有關，形態也各異，常產生複雜之裂縫分佈。地面常凹凸不平。洞口則有前傾及開裂現象。隧道近於坡面且側向覆土重不足或山側岩壓太大隧道近於大規模之地滑坡面多組節理但不致破碎之風化岩體風化破碎岩體、崩坍地、傾斜之弱面或弱帶如片岩或砂泥岩互層風化破碎岩體、崩坍地、溫泉帶、傾斜之弱面或弱帶開挖形狀大小斷面寬高比較大，如雙車道以上隧道支撐配置大小施工法或困難地下水上方岩體束制不足、襯砌強厚度不足襯砌背空洞回填不實豐富且常帶出土砂 - 襯砌厚度不足襯砌背空洞回填不實豐富且常帶出土砂 - 側向覆土重不足、山側支撐束制不足處於山坡潛移之擾動帶豐富 - 須先處理邊坡滑動問題或改線處於山坡地滑或崩坍之擾動帶，豐富第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 152 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處塑性壓(膨脹性土壓) 承載力不足水平向之現地應力超乎預估、岩體剪脹行為或有膨脹性礦物遇水膨脹，在左右側壁或頂拱肩部，易產生複雜的水平開裂，頂拱與側壁間的施工縫易產生錯動，甚或頂拱壓碎，地面則有隆起現象因隧道下方地盤弱化，沿縱向或橫向之不均勻沈陷，縱向者易產生環向開裂或剪裂，橫向者斷面則隨隧道道軸旋轉，產生斜向開裂。洞口則有前傾及開裂現象。（塑性壓或膨脹壓） SL CL SL （展開圖）隧道下方有地下孔洞的存在，如石灰質岩體區溶洞或礦區開挖坑道，坍陷引起地層下沈水壓因連續大雨積水滲透加上土砂流入，造成隧道排水能力不足或下降，使水壓急劇增大，產生湧水或水平向之開裂，通常為側壓圍岩剪脹或風化圍岩、黏土礦物多之岩體，如蛇紋岩、綠色片岩寬高比較小，如單車道隧道，側壁陡直、大開挖斷面側向支撐不足(側壁陡直、無仰拱)、背後空洞、避車洞勁度不足斷層破碎帶、湧水帶豐富，常於側壁處流出土砂淺覆蓋深度岩盤與風化或未固結岩盤之交界 - 側壁基腳承載面積不足或嵌入深度不足軟、硬岩交界帶水位高過隧道基腳，浸弱岩盤淺覆蓋深度或鄰近孔洞石灰岩或變質石灰岩、礦區開挖 - - 孔洞坍塌豐富之地下水流動設計為排水隧道未考慮水壓石灰岩區、硬岩破碎帶、受壓含水帶寬高比較小，側壁陡直襯砌厚度不足湧水帶、新設貯水區、豐富地下水、排水不良（承載力不足）（縱斷圖）（地層下陷）地層下沈覆蓋較深、斷層之構造帶、應力比高（縱斷圖）（水壓） SL CL SL （展開圖）第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 153 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 5.1-3 異狀現象、特性與常出現之條件-內因部份主要原因行為概述與特徵蜂窩粒料析離施工時，澆注搗實不佳，造成混凝土骨材分離，水泥砂漿氣孔，膠結不良高溫差、低濕度施工養護時，因高溫差及低濕度，造成乾縮及表層龜裂、網狀開裂冷縫施工時，分次澆注，造成兩次混凝土間之不連續面施工縫處理不當沿施工縫開裂剝落或剪動鋼筋銹蝕沿鋼筋鋪設位置之保護層開裂、剝落、銹染沖蝕水流沖蝕表面磨損或剝離中性化因化學反應，造成混凝土膠結材劣化及膨脹性化合物，形成白華、表層剝落火害火成岩區、臨海地區異狀現象因火災高溫，造成表層劣化、剝落酸性水、高氯離子含量水第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 154 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 5.1-1 隧道異狀影響因素關係圖(日本土木學會, 2003) 第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 155 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 5.1-2 隧道襯砌混凝土異狀影響因素關係圖第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 156 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 5.1.3 隧道結構附屬設施行為附屬設施之設計雖不直接提供支撐力，但當其設計不當或出現異狀時，有損及隧道服務性能之虞，甚或進一步擴大損害的可能，藉由附屬設施之異狀，有時亦可推估隧道異狀產生之原因。 1.避車洞：隧道常因設置避車洞而擴大斷面，造成整體環狀支撐之勁度下降，當受到局部較大的外力時，如地震，應力集中，易於避車洞頂部混凝土開裂，甚至延伸至隧道主體，造成於避車洞上方主隧道襯砌破損。集集地震時於中部震度較大地區，即常發現此類情況。另亦常因設計或施工不當，如避車洞設於兩環之施工縫處。 2.地面或路面：在未設仰拱的情況下，常無法抵抗現地應力，造成隆起現象；而路面破裂亦容易使地下水侵入，進而造成岩材弱化，尤其於泥岩等軟弱岩盤狀態下，在車輛之動態荷載下常造成噴泥的現象；變形過大時，路面或軌道會扭曲或跳動，而造成行車上的危險。 3.排水溝：因外力變化造成破裂，破裂又使水流入原來無水之區域，周圍岩體因乾溼循環而弱化或加速混凝土劣化，甚或形成流路，帶出土砂，造成下方空洞， 4.排水孔：在排水隧道，因受力變形或土砂流入導致堵塞，致使地下水位上升，水壓昇高，造成更多滲漏水自裂縫流出，甚或擴大襯砌破裂。第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 157 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 5.2 異狀成因與影響因素作業流程本研究經由隧道安全影響因子彙整研析，舉例一套異狀成因與影響因素判別的作業流程，以做為安全檢測後探討異狀影響因素的參考。隧道襯砌安全影響因子眾多，異狀可能受多個因子交互影響，因此異狀成因的判別為一相當困難的工作；為期數個月甚至短至數週的安全檢測作業期間，欲進行異狀成因的判別，不僅難度高，而且難以確定研判結果的正確性。惟明瞭異狀成因有助於襯砌安全性的研判與維修補強工法的擬定，因此仍為安全檢測作業甚為重要的一環。本研究初步研擬一異狀成因與影響因素判別之作業流程，其主要步驟包括：(1) 異狀診斷表之建立；(2)透過安全檢測成果進行異狀成因的初步判別；以及(3)納入隧道周圍環境資料進行異狀成因的輔助判別。異狀成因的判別通常需納入不同領域專家的意見，故除本研究以下所建議的異狀成因判別模式外，針對重大隧道發生影響其功能較顯著或具潛在安全性問題者，建議組成專家小組協助。一、異狀診斷表之建立隧道襯砌異狀眾多，若要一一判別每一處異狀的成因，不僅技術上存在極高的困難度，作業也曠日費時，實務上不易達成，亦無此一必要性。因此，異狀成因的判別，首先必須選擇欲判別的對象，包括較嚴重的異狀如安全評估評級為 D 級的區段、具代表性的異狀如顯著的形態或影響性、規則性出現的異狀，或位於特殊位置的異狀如鐵路隧道大型避車洞或凹槽附近以及交叉段附近等。選定欲判別成因的異狀後，即必須將各階段檢測作業各種項目的檢測成果進行整理，即建立所謂的異狀診斷表。實際操作即繪製並記錄隧道斷面形狀、襯砌表面異狀之形態與分佈的展開圖、襯砌材料類型與附屬設施、區段位置，區段內之斷面位置，並依序填入表 5.2-1 中。各階段檢測成果應儘可能整合，以利進行綜合研判，有關整合的技術，參 6.2 節。第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 158 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 5.2-1 異狀診斷表區段位置斷面隧道名：里程：161k+320 區段編號：54 座標：E 形狀：馬蹄形高度：5 m 寬度：5 m 抑拱：有襯砌平均厚度：30cm 工法：傳統隧道工法用途：單孔電化鐵路其它：施工縫底部擠入區外張區側壁頂拱肩部頂拱肩部擠入區側壁襯砌內面異狀展開圖 N 起拱線頂拱中央線起拱線底部邊溝擠入區地面地面中心線 : 開裂 : 滲漏水 : 剪裂 : 其它劣化或襯砌材料不佳 : 劈裂襯砌本身無劣化區避車洞：小型避車洞側溝：向內擠壓破損附屬設施排水孔：無水、扭曲其它：電力架鬆脫空洞位置：頂拱中央縱長：3m 環寬：0.5m 厚：0.1m 岩性：砂頁岩薄互層相當 GSI：35 岩體分類：IV 膨脹潛勢：3 地盤材料主要弱帶與隧道軸向夾角：主要弱帶傾角：NA NA 水量：滴水(3) 形態：季節性間歇流水(2) 水文上游蓄水區：無上游集水區：20 公頃垂直覆蓋深：100m(2) 環向水平覆蓋深：200m(4) 現地應力縱向水平覆蓋深：300m(4) 鄰近地盤加解壓情況：無地震：無地滑或偏壓：無頂拱剝離清除裂縫修補受力模式塑性壓維修補強建空洞灌漿回填判別/整體頂拱上方空洞議異狀成因仰拱加鋼筋重鋪側壁肩部施打岩栓第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 159 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處二、隧道內安全檢測成果對異狀成因之初步判別欲進行異狀成因與影響因素的判別，宜以環與環之間的兩施工接縫所夾的一環為單位，針對表面裂縫之發生範圍及其發展趨勢，分為襯砌局部性裂縫及整體性裂縫研判之。整體性裂縫如(a)裂縫或剝離、剝落區域分佈長達一定長度以上或貫穿整環，大小之數量級約數公尺左右，或達整環總面積一半以上者，包含縱向、斜向、環向之裂縫，以及剝離、剝落現象；(b)裂縫長度之發展速率達每年一定長度以上；(c)裂縫寬達一定大小以上，大小之數量級約數公釐左右；(d)裂縫每年寬度擴展量達一定大小以上。其餘則視為局部性破裂，如漏水、表面污損剝落、水力侵蝕等，及其他因襯砌破裂所造成之伴生現象。整體異狀因素的分析與評估，需分別就異狀成因，及異狀對安全性的影響進行評估。異狀成因主要採定性分類法分析，分別就異狀的分佈與形態，以及各影響因素是否出現，進行判別。此一影響因素的分析流程，為一連串之資料判別式所組成之決策樹狀架構，藉由輸入之資料逐步演繹，以獲得異狀模式，並推得可能之異狀原因及建議補強方法。分為隧道內檢查檢測異狀判別及隧道外環境資料分別對應之，其判別流程如圖 5.2-1 至圖 5.2-3。 1.表面可辨認異狀為崩落、裂縫、滲水及其它劣化現象：裂縫於表面分佈形狀分為放射狀、縱向方向趨勢一致之分枝狀、環向與斜向直線狀、龜裂紋及複合型；裂縫類型則分為外突開裂、錯動剪裂、內凹劈裂、剝離型，並於展開圖上標示。 2.依異狀出現的範圍及狀態，判別為局部異狀或整體異狀：裂縫寬達數公釐以上，或長度達數公尺以上者，即視為整體異狀；其餘異狀視為局部異狀。 3.局部異狀處，有剝落潛勢者，若無大量噴水可逕予清除剝離塊體及修復，有大量漏水時宜自先降低水位，再加以處理；漏水狀況；其它局部劣化異狀則可視對功能的影響狀況。 4.整體性異狀，需檢測裂縫以裂縫形態比對襯砌破裂模式，以了解破裂襯砌的受第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 160 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處力模式，判別破壞區位為撓曲破壞、剪力破壞或軸力破壞。於襯砌表面無法判別裂縫形態時，視水壓狀況，水壓小時，可以打音敲擊、敲落或其它檢測方式再判別。 5.裂縫分區頂部、肩部、側壁上、中、下及地面，判別為張裂區、擠裂區、剪動區、環向破裂區、複合破裂區及正常區。表面之壓碎區及幅射狀開裂區，應透過其它檢測方式，檢測是否存有襯砌與地盤界面間之空洞或土石堆積。 6.檢核是否有基腳沈下、側溝擠壓、地面隆起、噴泥或流出土砂等現象。第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 161 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處區段位置檢查(測)開始地形斷面形狀隧道外作業 (1)隧道內作業支撐地質遙測岩體分類雨量施工災害水文頂拱地震肩部 (2)內表面異狀展開圖側壁 (3)GIS 套疊點底面仰拱板塊應力 (4)環境因子判釋：淺覆蓋附屬設施崩落垂直荷重偏壓地滑塑性壓崩落裂縫漏水材料劣化與瑕疪 A B C D 鄰近坑洞地下水文鄰近工程 (5)踏勘確認：無緊急之需求視需要修補地滑地表陷落水文工程圖 5.2-1 檢測與異狀處理作業流程圖一第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 162 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 A B 比對環境因素及濁音剝落潛勢鄰近區段破裂模式剝離表層 (打音敲擊) 外力模式判斷直接敲除清音襯砌結構分析設計局部表面浮石清理判斷裂縫 D 長寬度整體(視裂縫長寬範圍而定) 視需要架設支保判斷裂縫鋼線網或鋼纖維型式噴凝土(具低收縮性、耐水性、早強、附著性佳) 開裂視需要打設岩栓剪裂壓碎劈裂斷面展開圖分區(對照變形) 頂拱、肩部、側壁上部、側壁中重新打設具韌性部、側壁下部(區分為內擠張裂襯砌並閉合抑拱區、剪裂區、外擠壓碎劈裂區) 比對環境因素外力模式判別施工時期資料垂塑集偏地水承地地直性中壓震壓載層滑土壓荷剪不下重動足陷壓 E 圖 5.2-2 檢測與異狀處理作業流程圖二第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 163 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處地滑 C 邊坡穩定滴水滲水龜裂灌漿止水滴水、漏水、噴水周圍地盤加固是接縫處開裂內面補強否是止水帶導水管地層下陷 E 空洞回填空洞、襯砌完整性檢測下陷回填夯實襯砌應力分析與補強設計足夠淨空檢核不足內面補強裂滲漏水處理裂縫修補 C 降挖或擴挖空洞填實襯砌修補周圍地盤加固加設仰拱圖 5.2-3 檢測與異狀處理作業流程圖三第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 164 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處三、隧道外環境條件之輔助隧道外調查之項目，主要以瞭解大區域環境條件為目的，項目包含了： 1.套疊隧道路線於地形圖、地質圖、不同時期遙測影像。 2.地表踏勘並對照地滑、鄰近工程、水源與隧道的相對位置。 3.區段之側向或軸向近地表面者，需對比地表是否有潛移現象。 4.不利環境影響因素評分，可應用表 5.2-2，瞭解各種環境下不利的影響，以提供長期統計評估之用。表中的因子係一參考數值，僅反映其影響程度，在編訂原則上分數愈高，通常表示該環境因子對隧道穩定性愈不利。部分外力作用之評估須藉由環境因子組合來評估，如偏壓需由上覆蓋深與側覆深之比例關係評估。塑性壓區分為膨脹壓與擠壓兩種，膨脹壓視膨脹礦物含量與水文狀況而定，擠壓則常視覆蓋深與岩體強度之比例而定。根據前述流程研判的異狀，如與外在環境變異造成作用於襯砌應力之增加，或是襯砌弱軟化造成支撐力的不足，可進一步透過數值模擬分析量化其影響程度，或概略反求作用應力的變化。四、案例應用為說明本研究前述的異狀成因判別模式作業流程，本研究選擇一鐵路隧道為例，說明異狀成因判別的各項作業流程，參附錄二。第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 165 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 5.2-2 不利環境影響因素評分例不利影響評分項目覆蓋深(ISv) 現地應力 0 無 1 小 2 中等 3 中至大 4 大 - 0~20m 20~200m 200~800 m - 0~10m 10~50m 50~100 m - 0~10m 10~50m 50~100 m 4 次擠壓區麓山帶/ 逆斷層區 5 800m 以上 100m 以上 100m 以上擠壓區中央山脈海岸山脈 >6 級 5~25MPa 1~5MPa <1MPa 40~40 破碎砂泥岩互層多孔性火成岩 20~40 <20 破碎風化火成岩、綠色片岩黏土斷層泥環向側覆蓋深 (ISh) 縱向側覆蓋深 (ISa) 板塊作用水平向應力分區 (ISt) 地震震度(EQ) <2 級岩石單壓強度 >50MPa 相當 GSI 值 >80 地膨脹潛能質層面走向與隧道縱軸夾角層面傾角地表水 - 張裂區盆地/正斷層區 3 25~50MP a 60~80 一般沖積區厚砂岩石灰岩大理岩破碎砂頁岩互層 0~15 度 15~30 度 30~45 度 45~60 度 >60 度 30~0 度臨凸型平直坡面或無此條件 45~30 度 60~45 度季節性間歇流水溪床下 75~60 度 90~75 度常流水河床下近水庫蓄水線下方破碎砂岩礫石層破碎硬岩石灰岩、大理岩斷層泥有水側流水正常層序向斜軸部噴水 - 常流水臨坡趾溪床旁邊厚泥岩、完整岩體三組以下大間距節理岩體 - - 內面水壓水量無滲水正常層序背斜軸部滴水內面漏水形態無 - 間歇流水地水文地質下水地質構造第五章襯砌異狀成因與影響因素研判之探討 – 166 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處第6章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 6.1 前言本計畫針對國內隧道工程地質特性以及隧道維護管理現況，提出檢測對策草案相關建議。對於完工初期或初次進行的隧道安全檢測、營運維護管理平常實施的隧道檢查，以及為詳細掌握檢查階段所發現的異狀而進行的標準檢測，皆需快速有效地掌握異狀在隧道中的位置，以提供進一步詳細檢測作業的基礎。因此，隧道檢查或安全檢測的成果，必須能達到早期識別出異狀相對的影響程度、指示異狀空間位置以及提供後續詳細檢測參考資訊等基本要求。同時，透過隧道檢測技術之探討獲知，應用光學原理的檢測技術適用於三維面狀的檢測，具有全面性與快捷性的優勢，適合襯砌表面的檢測作業，故於初期檢測、隧道檢查以及標準檢測作業的前期作業最為適用。惟此類檢測技術目前多仰賴外商，不僅費用昂貴，而且難以滿足初期檢測與隧道檢查的頻率，因此為國內檢測技術開發的重點項目。援此，本研究有關隧道襯砌非破壞性檢測技術的改善、研發或引入國外新技術之工作，乃訂定「早期識別出異狀相對的影響程度」、「指示異狀空間位置」以及「提供後續更詳細檢測的參考資訊」等三個基本目標，以建立技術開發的主軸，並積極尋求適用的原理與科技。另外，本計畫透過隧道安全評估準則之探討以及安全影響因子的研析獲知，隧道襯砌的變形、襯砌背後存在的孔洞以及異狀的空間分佈型態等，為安全評估的重要項目，因此選定影像嵌接、隧道襯砌雷射掃描、熱紅外線影像等三項技術，尋求國內其他進行中的研究計畫合作進行開發工作。除此之外，並提出隧道位移力學機制回溯方法，由隧道剖面的量測歷史記錄推求隧道所受之外力分佈。影像嵌接技術可應用於襯砌異狀展開圖的製作，使襯砌檢測作業與異狀表示更簡易明瞭。隧道襯砌雷射掃描技術可應用於隧道斷面變形監測，以低成本、快速與高精度為目的來達到隧道斷面的測量或掃描作業。紅外線熱影像技術可應用於襯砌背後孔洞等異狀的偵測與定位，作為早期識別異狀的工具。其中隧道位移力學機制回溯方法與熱紅外線影像技術詳參本計畫案第二年度期末報告與本報告附錄三、附錄四，本章僅對影像嵌接與雷射掃描量測技術兩項第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 167 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處進行介紹。本計畫有關隧道影像展開技術之研究工作，係配合國立台北科技大學材料及資源工程學系之「隧道影像展開與嵌接技術」研究共同執行。 6.2 隧道影像展開與嵌接技術之開發影像展開與嵌接技術係為便利檢查人員繪製隧道襯砌表面的異狀展開圖而開發，不僅可將異狀的空間分佈更精準的描繪，亦可指示隧道檢查的重點位置，便於觀察，為費用昂貴、動員耗時的隧道掃描技術之替代選擇。 6.2.1 影像展開嵌接的考量與相關理論背景一、異狀展開圖之概念以往的隧道檢查或安全檢測作業，若未安排隧道掃描作業，檢查成果常以空白圖紙直接繪製裂縫分佈簡圖，並標示損壞的狀況，即無座標亦無任何可供參考的特徵物(如電信凹槽、電力凹槽、消防凹槽或其他位於特定位置的管線)。在簡圖繪製完成後，要進行後續的檢測或是維修補強作業時，經常發生無法確認該處或該裂縫，甚至遍尋不著的窘狀。究其主因，即在於隧道襯砌為重覆的單調景物，可供辨識的特徵太少，繪製的簡圖僅有異狀的特徵，不具備隧道本身的參考物，而輔助的照片又僅在特殊的位置與角度才容易辨認之緣故。因此國外在隧道檢查過程通常會建立一襯砌表面的掃描影像，並標示異狀的分佈位置與特徵，以供隧道檢查甚至是安全檢測作業的參考，即所謂的異狀展開圖。此圖係將襯砌表面的影像展開成一平面，並於該平面繪製襯砌表面的各種景像，如裂縫、滲水等各種異狀，並可標示避車洞、各種凹槽、管線以及號誌等各種交控設施，對於隧道檢查而言，可以清楚的指示既有異狀的位置與形貌，減少檢查人員搜尋的時間，並可直接提供檢查作業記錄使用的底圖，為隧道納入維護管理作業的基本圖資。近年來數位攝影技術突飛猛進，不僅數位相機普及率高，利用數位相機於隧道內昏暗的環境取得影像亦無困難，若能利用此種普遍而且操作簡單的設備取得影第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 168 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處像，經過內業處理建立隧道襯砌異狀展開圖，不失為襯砌非破壞性檢測技術的另一突破。因此，本研究乃透過影像展開與嵌接技術的開發，嘗試將不同視角攝取所得、景物呈現變形的影像，轉換為類似各景物皆於無限遠處正視的影像，並準確地展示於隧道展開後的平面座標上，提供繪製異狀展開圖快速、有效的基本圖。二、隧道展開之原理一張拍攝好的影像並不具有座標，若要使其做為往後檢測或維修補強作業的參考，則須具有座標系統。因此在進行影像嵌接之前，必須先將隧道由原本的三維座標系統依據幾何關係轉換至二維平面座標，以便將拍攝到的影像展示於正確的位置上，再配合影像嵌接技術，類似拼圖一般，接合出欲檢視的區域供異狀判釋。此方法優點為：可針對局部區域(異狀較明顯處、異狀存疑處…等)製作襯砌展開圖；可局部更新不同時期拍攝同一處的影像，以便檢視或追蹤異狀有無擴大跡象、或評估修補後的效果。欲將隧道進行座標轉換，需瞭解每個隧道皆有其個別的尺寸(如圓心位置、半徑、圓心角、隧道長度…等)，也必定有用來描述此隧道的三維方程式；以一個簡單的半圓形斷面隧道為例(半徑為 r、隧道長為 L)，如圖 6.2-1，自行定義座標系統為三維卡式座標系統(Cartesian coordinate)，假設座標原點為隧道起始處之路面中心，沿隧道斷面徑向為 X 軸、垂直路面方向為 Y 軸、沿隧道縱深方向為 Z 軸(簡化為直線隧道)，則此隧道之三維方程式如(6.1)式： ⎧⎪ X 2 + Y 2 = r 2 ⎨ ⎪⎩0 ≤ Z ≤ L for Y ≥ 0........................(6.1) 假設在襯砌上某一控制點(CP1)之縱深為 Z1、仰角為 β1 ，如圖 6.2-2，則此點之三維座標為： ( X1, Y1, Z1 ) = ( r cos β1 , r sin β1, Z1 ) ..............(6.2) 圖 6.2-3 即為此隧道展開後之平面，自行定義座標系統為二維卡式座標系統，左第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 169 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處下角 A 點與左上角 B 點分別對應圖 6.2-2 之 A、B 點，則此矩形平面之長即為此隧道之縱深 L，寬即為圖 6.2-2 中之 AB 弧長(πr)，假設座標原點為隧道起始處之頂拱位置，沿隧道縱深方向為 m 軸、垂直隧道縱深方向為 n 軸，頂拱線即位於 n=0 處。則上述控制點(CP1)在此展開平面之二維座標為： ⎧m1 = Z1 ⎪ ...................................(6.3) ⎨ 90D − β1 ⎪n1 = × π r 180D ⎩ ( ) 經過上述的幾何方法，即可由隧道尺寸求得展開後的平面；而襯砌上的任一點，也可由此點的縱深及仰角得知其在平面上的位置，提供影像展開時座標轉換之用。當然，上述是以最簡單的半圓形斷面為例，對於公路隧道常見的多心圓斷面、或鐵路隧道常見的馬蹄形斷面而言，其三維方程式就複雜的多，但基本的原理還是相同的。須注意的是，上述控制點(CP1)轉換至平面後的座標( m1 , n1 )是建立於自行定義的座標系統下，單位則視隧道尺寸單位而定，最常用的單位為公尺。但影像是以像素 (pixel)為單位，要得知轉換後的座標是位在哪個 pixel 的位置，就與轉換後輸出影像對解析度的要求有關。若需可辨識 5mm 裂縫解析度的影像，則輸出影像的解析度需設定為 100 pixels/m，此時 CP1 在影像上的位置為( 100 × m1 , 100 × n1 )(單位： pixel)；若需可辨識 1mm 裂縫解析度的影像，則輸出影像的解析度需設定為 500 pixels/m，此時 CP1 在影像上的位置為( 500 × m1 , 500 × n1 )(單位：pixel)，以此類推。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 170 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-1 半圓形斷面隧道(1/2) 圖 6.2-2 半圓形斷面隧道(2/2) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 171 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-3 半圓形斷面隧道展開平面示意圖三、理論背景本研究利用單眼數位相機作為取像工具，測試用之相機型號為 Canon EOS 350D，最高可達 800 萬像素，可輕易獲得高解析度影像，有利於微小異狀之判釋。以隧道的設計數據或簡易的測量數據建立座標系統，將數位相機所擷取的影像經過旋轉、扭曲與座標轉換後，貼至隧道展開後的平面便可完成影像的嵌接工作。影像展開與嵌接技術主要包括座標轉換方程式與控制點的建立兩個重點項目。以下依相機投影原理、座標轉換與控制點的建立等項目，詳細說明之。 (1) 相機投影原理相機拍攝所得到的相片，是透過中央透視投影(perspective projection)所呈現的結果，如圖 6.2-4 所示。越靠近相機的物體，在影像中會顯得比較大，越遠的物體則愈小；矩形的物體在經過中央透視投影轉換之後，會呈現不同的矩形或梯型的變化。因此，若要將相片中共平面的影像恢復成平行投影(orthographic projection) 的影像(正射影像，如圖 6.2-5)，可以經由座標轉換的數學運算方式達成。但隧道第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 172 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處襯砌常是拱型的曲面，若要製作隧道襯砌的平行投影影像，則必須將曲面切成一塊塊的小平面，以近似平面的方式來達成。因此影像展開即類似將中央透視投影轉換成平行投影的過程。以下本文以原影像代表相機拍攝所得的中心透視投影影像，並以新影像代表經過平行投影轉換的隧道襯砌展開影像。圖 6.2-4 中央透視投影圖 6.2-5 平行投影(正射投影) (2) 座標轉換欲達成高精度的影像展開與嵌接作業，投影轉換必須要得知精確的相機姿態與被攝物體之間的關係、以及被攝物體表面座標或平面方程式，以利進行正射影像的校正。依據國內外隧道安全檢測作業的檢討得知，目前隧道內的掃描作業大多數第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 173 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處無法取得掃描設備的空間絕對位置，而係採用近似估算的方式。換言之，攝影位置未知，被攝物體的表面方程式也是未知，因此只能採近似估計的方式進行計算。座標轉換方法分為解析法座標轉換與橡皮伸張法(rubber sheeting)座標轉換兩種 (吳聲傑，2001)。解析法必須使用大量控制點，配合非線性轉換方程式求解轉換參數，計算過程與作業流程皆非常複雜，且需要取得攝影姿態與相機參數等數據方能進行，惟如前述，目前此類數據在隧道安全檢測作業的取得費時費力，本研究暫視為無法獲得，故不使用較嚴密的解析法求解。在經過測試多種轉換方式後，本研究選用橡皮伸張法，配合雙線性內插法來進行座標轉換。雙線性內插法(bilinear interpolation)是一種效果不錯且執行效率快的內插法，常用於影像重新取樣上，其是利用相近的四個整數像素值來求出新的值(劉鴻明， 2005)。如圖 6.2-6 中，我們要計算 P(x)的新值，而 P(x)從目的影像推回至原始影像的位置則介於四個整數值的像素點 A、B、C、D 之間，而且它們與 P(x)的間距也是已知的，這個間距只要計算出 P(x)跟像素點 A 的間距，這些鄰近點若是離 P(x)越近，表示對 P(x)的越有貢獻，亦是表示此點的值對 P(x)有較多的影響，反之，則對 P(x)的影響力也就越小。可以利用底下的數學式來描述線性內插法： ∧ f ( x ) = (1 − d ) f ( xk ) + df ( xk +1 ) ................(6.4) 而雙線性內插法的方法，就是做三次線性內插的運算求得的。首先，會計算 A 點和 B 點對 P(x)的貢獻，要先計算出 E 點的像素值就是要執行一次線性內插法： E = (1 − α ) B + α A......................(6.5) 接著再計算 C 點和 D 點對 P(x)的貢獻，要先計算出 F 點的像素值需要再執行一次線性內插法： F = (1 − α ) D + α C.....................(6.6) 最後，再對 E 點和 F 點執行一次線性內插，即可計算出 P(x)真正的像素值：第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 174 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 P ( x ) = (1 − β ) E + β F ................(6.7) 上述是雙線性內插法的基本說明，若是加上座標系統的概念，則可用下列公式來描述： ⎧⎪ X = a + bu + cv + duv ........................(6.8) ⎨ Y = e + fu + gv + huv ⎪⎩ ⎡a⎤ ⎢ ⎥ ⎢b ⎥ ⎢c⎥ ⎢ ⎥ ⎡ X ⎤ ⎡1 u v uv 0 0 0 0 ⎤ ⎢ d ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ...........................(6.9) ⎢ ⎥=⎢ ⎣ Y ⎦ ⎣0 0 0 0 1 u v uv ⎦ ⎢ e ⎥ ⎢f⎥ ⎢g⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣ h ⎥⎦ (L=AX) 其中，a,b,c,d,e,f,g,h 為轉換參數，u,v 為影像的原始座標，X,Y 為轉換後的新座標。利用影像中的四個控制點，對應到新的影像座標後，利用 8 組觀測方程式(每個座標有 X、Y 兩組觀測方程式，四個座標共八組)求解 8 個未知數(a~h)，並利用最小二乘法求解參數。在此式中 L 與 A 為已知，X 為未知矩陣，以最小二乘法求得 X 矩陣的步驟如下：令 N = AT A ， U = AT L 則 X = N −1U 。當以上 8 個轉換參數皆求得後，即可將新影像中每一個 pixel 代回原式中，便可知應從原影像中的哪個 pixel 擷取像素值。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 175 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (a)原始影像 (b)目的影像圖 6.2-6 雙線性內插法說明圖 (3) 控制點建立本研究採用的影像展開嵌接技術必須在影像中存在控制點，且每張拍攝的影像至少須涵蓋四個以上，因此拍攝前必須於現地選擇並佈置完成控制點。而每個控制點所需量測的參數如前述之縱深與仰角，縱深可利用皮捲尺或任何可量測水平距離的工具或儀器來獲得；而仰角可利用雷射光源搭配任何可量測垂直角度的工具或儀器來求得。會以這兩者做為控制點參數，一方面容易求得，一方面是不須以人力在襯砌上佈設控制點，可大幅減少外業時間，亦不會有隧道尺寸大小的限制。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 176 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 6.2.2 隧道襯砌影像展開與嵌接程式之開發基於前一節之方法學，本研究開發一「隧道襯砌影像展開與嵌接程式」，以利使用者將現地所拍攝之隧道襯砌影像做處理，並可進一步標示異狀的分佈位置與特徵，以供隧道檢查甚至是安全檢測作業的參考。本程式為視窗化介面，操作較易上手，如圖 6.2-7 所示，程式中提供五種常見形式的隧道斷面可選擇，依使用者輸入的斷面參數與控制點參數進行影像轉換。圖 6.2-7 隧道襯砌影像展開與嵌接程式介面第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 177 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 6.2.1 技術開發測試之作業流程一、佈設數條正交格線本測試以一大型木質模擬隧道為對象，隧道高 3.27m、寬 1.90m、長 5.0m，在平行隧道長軸方向共佈設 8 條紅線；而平行隧道橫斷面方向共佈設 3 條藍線，因此隧道沿縱向被分為四環。佈設這些正交格線的用意，在於測試所拍攝的影像在展開嵌接之後，直線是否仍維持直線、紅線與藍線是否仍維持正交，若能盡量的保持原狀態，則表示展開後的影像愈不失真、精確度愈高。佈設結果如圖 6.2-8。二、控制點佈設與量測影像展開與嵌接的精度受控制點的位置而影響，因此控制點的佈設必預考慮影像展開嵌接的精度要求。對於隧道異狀展開圖而言，點位誤差在十公分至數公分以下應屬可接受的合理範圍，故本研究有關影像展開嵌接技術亦以此一精度做為技術開發的目標精度。以前述之木製大型模擬隧道為例，說明控制點的佈置。控制點必須以四點圍成一個矩形的方式佈設，每一塊矩形為影像嵌接時的一個單位。矩形佈置的點位，在經過相機攝影之中心透視投影轉換之後，會形成梯形影像區塊。共平面的區域（例如側壁）可使矩形越大越好，但必須考慮相機攝影的涵蓋範圍。曲面部分則越小越好，不過曲面切的越細，則內業處理將花費越多的人工，因此端視對成果的要求而定。本測試在隧道頭尾以及三條藍線上佈設控制點，五處縱深分別為 0m、1.23m、 2.57m、3.75m 以及 5m，以雷射光源架高在離地 1.6m 處，分別量測每一控制點的角度，控制點分佈如圖 6.2-9，左圖為縱深 0m、右圖為縱深 1.23m 之控制點分佈，以此類推。可注意到在每一佈設控制點的橫斷面上，兩側壁的控制點可以很少，但在曲面上為求精度會佈設較密集，約相鄰 5°~15°即佈設一點，共將曲面切割為 10 個小區塊。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 178 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處三、實地拍照在控制點佈設完成後，開始對矩形區塊拍照。矩形區塊在透過相機的中心透視投影原理成像之後，區塊大多呈現梯形，如圖 6.2-10 所示。座標轉換的目的即是將此梯形區塊再轉換為矩形區塊，如圖 6.2-11 所示。相機鏡頭的透鏡變形亦影響影像嵌接的結果，透鏡變形愈大，結果愈差。廣角鏡頭可以在一張相片內涵蓋較大的區域，減少一環影像所需的相片數量，但卻可能存在透鏡變形的問題。因此建議使用透鏡變形小的鏡頭進行攝影。在拍攝相片時，若盡可能垂直攝影面拍攝，也就是盡量使得矩形區塊依舊保持矩形，則影像展開為平面的效果與精度必然較佳，但也大大的限制了拍照的方式，且每環也需拍攝較多張相片，增加外業時間；本研究亦嘗試做斜拍測試，即相機與襯砌垂直線夾一角度(約呈 40°)拍攝，探討影像展開嵌接後與垂直拍攝的差異。雖然拍攝角度越大單張影像能容納的範圍就越大，能夠節省拍照張數，但卻會犧牲掉影像解析度，因距離鏡頭越遠的物體可辨識度越差，且閃光燈補光的範圍也有限，距離越遠也就越昏暗。然而，單張影像拍攝的範圍與影像解析度也有密切的關係，以本研究使用的 Canon EOS 350D 單眼數位相機為例，設定 800 萬畫素做拍攝，所得的單張影像大小(寬 × 高)為 3456 × 2304(pixels)，假設要求影像解析力為 1mm，則在拍攝時的範圍就不得超過 3.4m × 2.3m 左右，且此數值是就平面範圍而言，若是拍攝曲面則範圍應更加縮小。因此拍攝角度的拿捏也是相當重要，若能在適當的角度範圍內做拍攝，即可在不損及影像解析度下減少拍攝張數，且通常斜拍影像的鑑別度也較高，較不易與其他張影像混淆。四、內業處理在完成拍攝之後，接下來是將影像載入程式中，標定出影像中的控制點位置，此時程式將自動擷取各控制點之座標值；接著給予各控制點之幾何參數，此時程式計算出控制點展開後之座標值，即可利用這幾個點位計算轉換參數，並進行影像第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 179 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處的再取樣(resampling)，使影像重新組成為矩形，並貼附於正確的位置上。將其餘影像重複上述動作，即可嵌接成隧道襯砌展開圖。圖 6.2-8 正交格線佈設完成圖(上:頂拱；中:左側壁；下:右側壁) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 180 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (a)縱深為 0m 之控制點分佈 (b)縱深為 1.23m 之控制點分佈圖 6.2-9 控制點參數量測示意圖第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 181 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-10 拍攝後矩形區塊呈現梯形圖 6.2-11 轉換後區塊恢復為矩形第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 182 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 6.2.2 技術測試與應用一、模擬隧道測試結果 (1) 影像展開與嵌接成果測試共分為兩組，第一組是盡可能垂直襯砌面拍攝所得的影像，以降低座標轉換過程所造成的誤差，作為斜拍測試的對照組，一環的矩形區塊共拍攝 11 張影像，圖 6.2-12 為正拍第一環之影像。第二組為斜拍測試，相機與襯砌垂直線約呈 40°夾角拍攝，一環僅需拍 5 張影像，圖 6.2-13 為斜拍第一環之影像。圖 6.2-14 為正拍影像之襯砌展開嵌接圖，圖中並標示了中心線(頂拱線)與起拱線的位置，其中中心線為黑色虛線，每 1m 有一紅色標記，用以估算距離；兩條起拱線以外為兩側壁，以內為曲面的部份。可觀察到每條正交格線仍維持著直線，紅線與藍線也幾乎仍維持著正交，可說是相當良好的嵌接影像；缺點是每個區塊幾乎都來自於不同張影像，每一張影像的光源及曝光程度不同，導致嵌接出的整體影像色彩較不均勻。圖 6.2-15 為斜拍影像之襯砌展開嵌接圖，可觀察到紅線仍維持直線，而藍線在曲面的部份由於是斜拍的關係，會有些微彎曲的現象，不過由於佈設的控制點較密集，使其大致上還是維持著直線。也因為是由較少張的影像嵌接而成，整體色彩也較為均勻。 (2) 空間誤差探討接著探討展開影像空間誤差的部份，無論正拍或斜拍，在拍攝時相機與物體多少皆會呈一傾斜角度，越靠相機的部份在影像中會顯得比較大，越遠的部份則越小，若強制轉換成正射影像，與實際物體就會有些許差異，由於本研究之方法是以控制點座標內插決定影像中其他點之空間位置，因此控制點處誤差必為零，而以相第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 183 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處鄰兩控制點之中點差異性最大。瞭解以上特性後，本測試在木質隧道襯砌壁上佈設了 40 個點位，如圖 6.2-14 中之藍色點，位置皆於鄰近四個控制點圍成之矩形塊幾何中心，期望求得影像展開後此些佈設點位的偏移量。圖 6.2-14 中橙色點位為嵌接此影像所使用之控制點，淺綠色線相交處為佈設點位展開後理論上應在的位置(無誤差時)，觀察圖中 40 個藍色點位與理論位置皆有些許的誤差，各點誤差計算如表 6.2-1 所示，表中各點位展開後之理論值與實際值 XY 座標為影像處理軟體中的座標值，比例尺亦只適用此圖，僅供計算過程參考。由計算結果可以發現誤差較大點位皆在靠近地面之襯砌壁上，此是由於太低的位置較不易垂直拍攝。每一張影像空間定位的誤差最大處，整體平均為 2.19cm。圖 6.2-15 為斜拍展開影像，與圖 6.2-14 相較，40 個藍色點位與理論位置偏離更遠一些，各點誤差計算如表 6.2-2 所示，誤差最小點位為 6.83cm，誤差最大點位為 13.34cm。每一張影像空間定位誤差最大處，整體平均為 10.2cm，相對於整個隧道尺寸而言，如此的點位誤差應在可接受的合理範圍，不至於發生日後到現場遍尋不到圖上異狀之窘境。由以上的測試成果可知，斜拍角度不超過 40°，且在曲面部份約每 10°佈設一控制點，可預期得到不錯且空間定位誤差不大的襯砌展開嵌接影像。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 184 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-12 正拍影像(第一環) 圖 6.2-13 斜拍影像(第一環) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 185 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-14 正拍影像之襯砌展開嵌接圖第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 186 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-15 斜拍影像之襯砌展開嵌接圖第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 187 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 6.2-1 正拍影像各佈設點位誤差值計算表展開後理論值 Y(mm) 點位 X(mm) 1 33.13 277.716 2 33.13 247.175 3 33.13 216.775 4 33.13 186 5 33.13 155.887 6 33.13 139.261 7 33.13 109.182 8 33.13 78.39 9 33.13 48 10 33.13 17.428 11 82.11 277.716 12 82.11 247.175 13 82.11 216.775 14 82.11 186 15 82.11 155.887 16 82.11 139.261 17 82.11 109.182 18 82.11 78.39 19 82.11 48 20 82.11 17.428 21 130.165 277.716 22 130.165 247.175 23 130.165 216.775 24 130.165 186 25 130.165 155.887 26 130.165 139.261 27 130.165 109.182 28 130.165 78.39 29 130.165 48 30 130.165 17.428 31 176.57 277.716 32 176.57 247.175 33 176.57 216.775 34 176.57 186 35 176.57 155.887 36 176.57 139.261 37 176.57 109.182 38 176.57 78.39 39 176.57 48 40 176.57 17.428 展開後實際值 X(mm) Y(mm) 33.086 279.727 32.835 247.259 33.14 216.05 32.799 185.987 32.685 155.999 33.943 139.061 33.64 109.096 33.299 79.238 33.312 47.736 33.603 15.23 81.935 279.84 81.673 247.335 81.673 215.974 81.748 185.909 81.787 156.076 82.665 139.137 82.434 109.074 82.472 79.165 82.554 47.779 82.368 15.46 130.276 279.84 130.16 247.603 129.861 216.05 129.972 185.986 130.009 156.001 130.507 139.137 130.584 109.145 130.32 79.061 130.201 47.581 130.3 15.435 176.136 279.84 175.642 247.523 176.441 215.974 176.211 185.986 176.403 155.997 176.937 139.102 176.629 109.221 176.673 79.165 175.751 47.689 176.901 15.448 空間定位最大誤差值(理論-實際) dX(mm) dY(mm) 圖上距離(mm) 實際距離(cm) 0.044 -2.011 2.01 5.27 0.295 -0.084 0.31 0.80 -0.01 0.725 0.73 1.90 0.331 0.013 0.33 0.87 0.445 -0.112 0.46 1.20 -0.813 0.2 0.84 2.19 -0.51 0.086 0.52 1.35 -0.169 -0.848 0.86 2.26 -0.182 0.264 0.32 0.84 -0.473 2.198 2.25 5.89(max) 0.175 -2.124 2.13 5.58 0.437 -0.16 0.47 1.22 0.437 0.801 0.91 2.39 0.362 0.091 0.37 0.98 0.323 -0.189 0.37 0.98 -0.555 0.124 0.57 1.49 -0.324 0.108 0.34 0.89 -0.362 -0.775 0.86 2.24 -0.444 0.221 0.50 1.30 -0.258 1.968 1.98 5.20 -0.111 -2.124 2.13 5.57 0.005 -0.428 0.43 1.12 0.304 0.725 0.79 2.06 0.193 0.014 0.19 0.51 0.156 -0.114 0.19 0.51 -0.342 0.124 0.36 0.95 -0.419 0.037 0.42 1.10 -0.155 -0.671 0.69 1.80 -0.036 0.419 0.42 1.10 -0.135 1.993 2.00 5.23 0.434 -2.124 2.17 5.68 0.928 -0.348 0.99 2.60 0.129 0.801 0.81 2.12 0.359 0.014 0.36 0.94 0.167 -0.11 0.20 0.52 -0.367 0.159 0.40 1.05 -0.059 -0.039 0.07 0.19(min) -0.103 -0.775 0.78 2.05 0.819 0.311 0.88 2.29 -0.331 1.98 2.01 5.26 Avg.=2.19cm 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 188 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 6.2-2 斜拍影像各佈設點位誤差值計算表展開後理論值 Y(mm) 點位 X(mm) 1 33.13 277.716 2 33.13 247.175 3 33.13 216.775 4 33.13 186 5 33.13 155.887 6 33.13 139.261 7 33.13 109.182 8 33.13 78.39 9 33.13 48 10 33.13 17.428 11 82.11 277.716 12 82.11 247.175 13 82.11 216.775 14 82.11 186 15 82.11 155.887 16 82.11 139.261 17 82.11 109.182 18 82.11 78.39 19 82.11 48 20 82.11 17.428 21 130.165 277.716 22 130.165 247.175 23 130.165 216.775 24 130.165 186 25 130.165 155.887 26 130.165 139.261 27 130.165 109.182 28 130.165 78.39 29 130.165 48 30 130.165 17.428 31 176.57 277.716 32 176.57 247.175 33 176.57 216.775 34 176.57 186 35 176.57 155.887 36 176.57 139.261 37 176.57 109.182 38 176.57 78.39 39 176.57 48 40 176.57 17.428 展開後實際值 X(mm) Y(mm) 35.973 279.529 36.226 248.008 36.325 215.935 35.875 186.039 37.08 155.897 37.174 139.16 35.737 109.067 36.22 79.252 36.599 47.172 36.35 15.574 86.307 279.525 86.808 248.026 85.99 215.363 85.083 186.011 86.217 156.022 86.37 139.231 85.189 108.961 85.959 79.754 87.127 47.109 86.697 15.554 133.932 279.513 134.414 248.12 134.166 215.942 133.524 186.029 133.605 155.981 133.562 139.205 133.517 109.105 134.174 79.234 134.378 47.209 133.956 15.783 180.491 279.504 180.922 248.068 180.639 215.882 179.932 186.057 180.632 155.967 180.859 139.244 179.916 109.122 180.776 79.193 181.053 47.264 180.843 15.877 空間距離最大誤差值(理論-實際) dX(mm) dY(mm) 圖上距離(mm) 實際距離(cm) -2.843 -1.813 3.37 8.83 -3.096 -0.833 3.21 8.40 -3.195 0.84 3.30 8.65 -2.745 -0.039 2.75 7.19 -3.95 -0.01 3.95 10.34 -4.044 0.101 4.05 10.59 -2.607 0.115 2.61 6.83(min) -3.09 -0.862 3.21 8.40 -3.469 0.828 3.57 9.34 -3.22 1.854 3.72 9.73 -4.197 -1.809 4.57 11.97 -4.698 -0.851 4.77 12.50 -3.88 1.412 4.13 10.81 -2.973 -0.011 2.97 7.79 -4.107 -0.135 4.11 10.76 -4.26 0.03 4.26 11.16 -3.079 0.221 3.09 8.08 -3.849 -1.364 4.08 10.69 -5.017 0.891 5.10 13.34(max) -4.587 1.874 4.96 12.98 -3.767 -1.797 4.17 10.93 -4.249 -0.945 4.35 11.40 -4.001 0.833 4.09 10.70 -3.359 -0.029 3.36 8.80 -3.44 -0.094 3.44 9.01 -3.397 0.056 3.40 8.90 -3.352 0.077 3.35 8.78 -4.009 -0.844 4.10 10.73 -4.213 0.791 4.29 11.23 -3.791 1.645 4.13 10.82 -3.921 -1.788 4.31 11.29 -4.352 -0.893 4.44 11.63 -4.069 0.893 4.17 10.91 -3.362 -0.057 3.36 8.81 -4.062 -0.08 4.06 10.64 -4.289 0.017 4.29 11.23 -3.346 0.06 3.35 8.76 -4.206 -0.803 4.28 11.21 -4.483 0.736 4.54 11.90 -4.273 1.551 4.55 11.90 Avg.=10.2cm 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 189 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處二、現地隧道應用在室內大型隧道確認此技術可行之後，本研究團隊於 96 年 10 月 30 日至宜蘭縣南澳鄉境內之東澳隧道進行現地測試。東澳隧道為民國 62 年十大建設中，北迴鐵路興建工程之一，於民國 69 年正式通車營運，目前已廢棄不用。隧道斷面如圖 6.2-16 所示，上半拱型部份為三心圓弧，由半徑 2.22m(圓心角 92°48’)與半徑 2.80m(圓心角 43°36’)之圓弧所構成；圖中 R.L 為軌頂面，即路面位置，路面至起拱線垂直高度為 2.73m，路面中心線至側壁距離為 2.38m。現地拍攝里程從 10K+340 至 10K+399(隧道南口)共計 59m，嵌接影像如圖 6.2-17 與圖 6.2-18 所示；隨後可將此影像放至空白異狀展開圖並進行異狀描繪，如圖 6.2-19~圖 6.2-22 所示，其中紅線為裂縫處、綠線為發生白華處、藍色區域為滲漏水範圍，由成果可知此技術用於實際隧道確實可行。圖 6.2-16 東澳隧道襯砌斷面圖第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 190 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 10K+340 10K+370 圖 6.2-17 東澳隧道襯砌展開嵌接影像 1/2(里程 10K+340~10K+370 共 30m) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 191 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 10K+370 10K+399 圖 6.2-18 東澳隧道襯砌展開嵌接影像 2/2(里程 10K+370~10K+399 共 29m) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 192 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-19 東澳隧道異狀展開圖 1/4(嵌接影像) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 193 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-20 東澳隧道異狀展開圖 2/4(嵌接影像) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 194 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-21 東澳隧道異狀展開圖 3/4(異狀描繪) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 195 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-22 東澳隧道異狀展開圖 4/4(異狀描繪) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 196 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 6.2.3 檢測資訊整合與 3D 視覺化平台隧道安全檢測之項目有許多，常用以檢測襯砌表面異狀之方法為目視描繪、影像掃描或拍攝相片等；而常用以探測襯砌背後不可見之異狀則有透地雷達、地電阻等方法。當工程師獲得此些檢測資訊後，最常遇到的問題就是各種資料的介面難以整合，往往需拿著現地描繪之異狀展開圖與現場照片對照，再與透地雷達等影像比對，需花費許多時間才能做出合理之判斷。常見之各項檢測資訊表示方法如圖 6.2-23 所示，左方為現地描繪之異狀展開圖，右方為標示區域之現場拍攝照片，下方為標示區域之透地雷達影像；如此看似整合性的表示方法事實上仍不夠直接，在介面的聯結上仍須憑藉經驗以及一些想像才能「大致」達成，例如欲瞭解圖 6.2-23 中襯砌表面影像與透地雷達影像間的關聯，可能就需要一些想像。有鑒於此，本研究嘗試開發一 3D 視覺化平台以整合隧道檢測之資訊，透過三維展示平台改善以往檢測資訊間難以溝通的問題。程式使用套裝軟體 MATLAB®撰寫，透過 MATLAB®的矩陣運算能力，將影像存入矩陣並予以座標化，進行三維展示。同樣地以東澳隧道為測試對象，三合技術工程團隊於 96 年 9 月 20 日「隧道安全檢測技術系列研討會」當日對東澳隧道進行透地雷達檢測(GPR)，檢測里程配合襯砌拍攝同樣由 10K+340 至 10K+399，共施測隧道環向與縱向數條，施測位置示意如圖 6.2-24 所示，各位置之透地雷達成果影像如圖 6.2-25~圖 6.2-26。東澳隧道 10K+340 至 10K+399 之襯砌展開嵌接影像如前小節之圖 6.2-17 與圖 6.2-18 所示，本研究嘗試於三維平台整合襯砌影像與現地施測之透地雷達影像，成果如圖 6.2-27 所示，此平台可任意旋轉放大至合適之觀察視角，透過此種類似虛擬實境(Virtual Reality)的方式將可輕易瞭解襯砌表面與背後異狀之關聯性，有效改善檢測資訊間難以溝通的問題。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 197 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 164k+770 164k+780 厚度公尺 ( ) 圖 6.2-23 常見之各項檢測資訊表示方法圖 6.2-24 東澳隧道透地雷達施測位置示意圖第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 198 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (a) 10K+340 環狀斷面 GPR 影像 (b) 10K+343 環狀斷面 GPR 影像 (c) 10K+346 環狀斷面 GPR 影像 (d) 10K+349 環狀斷面 GPR 影像 (e)10K+352 環狀斷面 GPR 影像 (f)10K+357 環狀斷面 GPR 影像 (e) 10K+362 環狀斷面 GPR 影像圖 6.2-25 10K+340~10K+362 環狀斷面 GPR 影像第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 199 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 10K+340 10K+399 (a) A 測線(縱向)透地雷達影像 10K+340 10K+399 (b) B 測線(縱向)透地雷達影像 10K+340 10K+399 (c) C 測線(縱向)透地雷達影像 10K+340 10K+399 (d) D 測線(縱向)透地雷達影像 10K+340 10K+399 (e) E 測線(縱向)透地雷達影像圖 6.2-26 A~E 測線(縱向)透地雷達影像第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 200 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.2-27 3D 視覺化整合平台展示第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 201 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 6.3 隧道襯砌雷射掃描技術之開發掃描(scanning)與測量(survey)有意義上的差異。一般而言，測量的目的是求某特定點位在空間中的位置，針對隧道檢測作業而言，即是測定隧道線型與斷面形狀等幾何數據。而掃描是泛指取得該特定點位的屬性資料，例如透地雷達資料、紅外線熱影像資料、數位影像色彩資訊等。本章所介紹的三維雷射技術係透過被動式立體視覺法(Ni, 2005)取得人造雷射入射一待測物體表面的雷射影像，並透過影像處理技術求取雷射光源所在的影像座標值，提供後續建構待測物體表面三維座標的基準。在方法學上此技術兼有掃描與測量的特性，雖就資料取得與影像處理而言，比較類似掃描技術，惟因目前著眼於求取隧道斷面幾何，就目的觀點而言偏向測量的方式，故本研究暫以雷射掃描技術稱之。隧道襯砌雷射掃描技術與隧道位移力學機制回溯方法的研究工作，係配合國立台灣大學土木工程學系之「三維雷射掃描技術於隧道工程之應用」與「隧道剖面量測技術及相應應力增量回溯分析」研究共同執行。主要係利用雷射掃描配合影像處理技術之新方法學，測出隧道剖面足夠精度之三維座標值，並期望以此技術為雛型，建構隧道變形長期檢測甚至監測之技術。 6.3.1 雷射掃描與立體成像原理一、雷射掃描原理 Boehler ( 2001, 2002 )，依照三維雷射掃描儀器掃描原理之不同，將其分為時間差法(time of flight)以及三角法(triangulation)兩大類，其中三角法中又可分為單相機法及雙相機法，本節以下簡介各種方法的基本原理。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 202 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (1) 時間差法自測站發射出一脈衝雷射光至待測物體表面，再接收經由物體表面反射回來之訊 1 號，計算雷射由發射至接收之時間差，利用距離 d = C ⋅ Δt 之關係，由已知之光 2 速 C 及時間差△t 計算掃描儀與待測物體間之距離。相較於使用三角法測距之掃描儀，依據此原理之掃描儀，雖可測得較遠之距離，但在近距離時，由於時間差變化較小，導致量測之精度較差。目前市面上利用此原理施作量測之三維雷射掃描儀器包括：Cyrax 2500、MENSI GS100、Optech ILRIS-3D、RIEGL LMS Z-360 i。 (2) 三角法此方法主要係利用三角形之幾何關係求得待測物體與儀器間之距離，可利用單相機及雙相機三角量測法施作。測距方法係由掃描儀發射雷射光至物體表面，記錄入射光與反射光之間的夾角，利用在基線另一端之相機接收待測物體反射之訊號，而雷射光與相機之間的基線長度已經過率定得知，如此即可利用三角形幾何關係求得掃描儀與待測物體間之距離。利用此種原理測距之掃描儀，在近距離(<2m)之精度優於使用時間差法之掃描儀，但通常其最大測距範圍也較小。測距之精度受限於本身基線長度影響，而測距誤差亦隨量測距離增加而增加。市面上使用此原理施作掃描之儀器主要有 MENSI S10、S20(陳國永，2004)。 1. 單相機三角測量法利用雷射光打在待測物體上，由另一側之相機攝影該光點，形成三角關係，而雷射頭與相機位置為固定基線長度，藉此計算待測點之座標位置。如圖 6.3-1 所示。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 203 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.3-1 單相機三角量測法(Boehler and Marbs, 2002) 2. 雙相機三角測量法此方法係將雷射光束發射至在待測物體上，由兩側相機拍攝該光點，形成三角關係，如圖 6.3-2 所示。相較於單相機三角量測法，本法以兩相機位置做為固定基線長度，藉此計算待測點之座標位置。圖 6.3-2 雙相機三角量測法(Boehler and Marbs, 2002) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 204 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處二、立體成像原理 (1) 主動式立體視覺法利用兩台相機，對空間中一點 w(world point)進行取像，在兩相機取得之影像平面上，可分別記錄此點，再利用各別影像上之 w 點與各別之透視中心之向量延伸交於空間中同一點上，則此點即為 w 點之空間三維座標。如圖 6.3-3 所示。而現有隧道量測系統中，DIBIT 之成像原理，便是利用此方法。圖 6.3-3 主動式立體成像原理 (2) 被動式立體視覺法由於一台相機只能決定一條向量，無法定出空間中一點之三維座標，因此需要一輔助的外在條件，扮演上述主動式立體視覺法中另一台相機之功能，使空間中一點之位置能夠予以確定；在實務上通常會使用雷射光源做為輔助的外在條件。如圖 6.3-4 所示。本研究亦採用此方法，利用可見之雷射光源配合影像處理之方式，建構出隧道剖面之三維座標值。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 205 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 d d rr q q cc pp 圖 6.3-4 被動式立體視覺法(Ni, 2005) (3) 投影幾何與三維重建 Ni and Capart (2006)為觀察實驗室內地下水補注及湧出所造成地形之變化，建立出一套雷射掃描量測技術，藉以將實驗過程中地形發展情況量化。此雷射掃描技術係利用一台 DV(480 × 640 pixels)做為主要取像機具，配合一輸出功率為 12mW 之線雷射做為輔助光源，針對試驗過程取得一系列雷射光源影像進行分析，建構出不同階段地形發展之數值表面模型(digital surface model, DSM)。此雷射掃描量測技術經改良後即為本研究中隧道剖面量測技術部分的主要架構(曹峻瑋， 2006)，其成像原理說明如后。此雷射掃描技術之三維投影幾何關係可由圖 6.3-4 表示。圖中 S 為雷射線，π代表雷射所在平面，P 為相機投影中心位置。S 為欲求得坐標之物體，位於投影中心 P 與影像上一點 R 的射線上，S 可以寫成： JG JG JJJG JJJG JG G S = S (λ ) = OP + PS = p + λ q .................................. (6.10) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 206 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 JG JJJG 其中 p = OP , λ 為待定參數，而 G JG G G q = d + ρ r + γ c .................................... (6.11) JG JJJG G G d (6.11)式之 = PQ , r 、 c 為影像坐標的單位向量於 x-y-z 坐標下之向量大小。此處引入一個重要假設，令雷射線所在之平面π平行於圖 6.3-4 中之 Y-Z 平面，且其位置可寫成： x = L ................................................... (6.12) 代回(6.10)式，得到： JJG JJG JJG S1 (λ ) = p1 + λ q1 = L ............................ (6.13) JJG JG 當 p1 、 q1 與 L 均為已知時，可求得 λ 之值。 (6.11)式寫成矩陣形式變成： ⎛ 0 0 0 ⎞⎛ ρ ⎞ ⎛ρ⎞ ⎟ ⎜ ⎟ q = ⎜⎜ r c d ⎟⎜ ⎟⎜ γ ⎟ = M ⎜ γ ⎟ ............................... (6.14) ⎜ 0 0 0 ⎟⎜ 1 ⎟ ⎜1⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 其中 M 為一矩陣。將(6.14)式代入(6.10)式，則得到： ⎛ x⎞ ⎛ρ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ y ⎟ = p + λ M ⎜ γ ⎟ ................................... (6.15) ⎜z⎟ ⎜1⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 若雷射點於空間中位置已知，將(6.15)式改寫成：第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 207 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 ⎛ λρ ⎞ ⎛ x⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ λγ ⎟ = A ⎜ y ⎟ + b ........................................ (6.16) ⎜ λ ⎟ ⎜z⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ −1 −1 上式中 A = M , b = − M p 。若 A 與 b 矩陣已知，便可求得雷射點於影像上的坐標。且因 A 、 b 兩矩陣有部分變數相關，故共有 11 個未知數而非 12 個，需要至少 11 個方程式才可解得。假設一校正點之空間坐標 ( xk , yk , zk ) ，影像坐標 ( ρk , rk ) 均已知，以矩陣形式表示： ⎛ ρ k ⎞ ⎛ a11 a12 λ ⎜⎜ γ k ⎟⎟ = ⎜⎜ a21 a22 ⎜ ⎟ ⎜ ⎝ 1 ⎠ ⎝ a31 a32 a13 ⎞ ⎛ xk ⎞ ⎛ b1 ⎞ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ a23 ⎟ ⎜ yk ⎟ + ⎜ b2 ⎟ ................... (6.17) a33 ⎟⎠ ⎝⎜ zk ⎠⎟ ⎜⎝ b3 ⎟⎠ 推導後得： a11 xk + a12 yk + a13 zk + b1 ⎧ ⎪ ρ k = a x + a y + a z + b ........................... (6.18) ⎪ 31 k 32 k 33 k 3 ⎨ ⎪γ = a21 xk + a22 yk + a23 zk + b2 ............................ (6.19) ⎪⎩ k a31 xk + a32 yk + a33 zk + b3 一已知空間坐標與影像坐標的校正點可提供兩個方程式，因此至少需要 6 個校正點才能得到 A 、 b 兩矩陣所有未知數。當實驗過程中相機位置固定不變時，以 6 個校正點便可求得相機的姿態與位置，並可用來取得其他未知點的空間坐標。 6.3.2 試驗設備與流程一、試驗儀器隧道襯砌雷射掃描技術僅用簡單之儀器設備，包括攝像機具、雷射載具與全測站三大類。攝像機具包括相機以及腳架兩項，本研究所使用之相機為 Canon EOS 350D 數位第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 208 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處單眼相機，提供最大解析度 800 萬畫素並搭配 Canon EFS 18-55mm 與 Sigma EX 12-24mm DG HSM 鏡頭進行鏡頭扭曲(distortion)之評估與比較。測試結果發現 Sigma 鏡頭較穩定，故以下僅整理其結果。雷射載具幾經改良，由最初之點雷射固定於傾斜儀，至自行設計新型載具(圖 6.3-5)，最後乃採用雷射墨線儀做為雷射源。本研究所使用之雷射墨線儀為 Novatex MP-9，可持續打出四條水平、四條垂直雷射線，即空間中一水平與兩垂直面，儀器頂蓋有水平氣泡，使用時必須先定平。其實體影像如圖 6.3-6，詳細規格列於表 6.3-1。本研究以全測站所為量測結果的比較基準，其型號為 Leica TCR705，支援有稜鏡與無稜鏡兩種量測方法。本研究均使用無稜鏡法進行量測。Leica TCR705 全測站詳細規格如表 6.3-2。另為比較目的，本研究亦採用法國 RIEGL 公司之 LMS-Z360i 三維雷射掃描儀進行部分測量工作，該儀器主要規格如表 6.3-3 所示。表 6.3-1 雷射墨線儀詳細規格本體大小雷射功率雷射輸出 ψ90mm × 120 mm 5 mW 四垂直四水平腳架規格長 140 cm 雷射精度電源 1mm / 5m 三號電池 × 2 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 209 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 6.3-2 Leica TCR705 型全測站詳細規格量測部份水平測角垂直測角測角精度物鏡放大倍率測距方式最大量測距離測距精度量測時間 360° 360° 5” 30× 雷射測距 3500 m 2mm+2ppm < 1 sec 系統部份資料儲存資料傳輸元件定心重量儀器尺寸工作溫度 > 8000 筆 ISEX / GS18 / GSI 16 / 雷射定心 5.0 kg 150 mm×207 mm×360 mm -20℃~50℃ 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 210 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處表 6.3-3 RIEGL LMS-Z360 i 儀器詳細規格測距功能量測範圍 60 m ~ 200 m 最小量測範圍量測精度 1m ± 6 mm(平均)，± 12 mm( single shot ) 量測解析度量測速率 5 mm 8000 點/秒雷射波長雷射安全等級 904 nm Class 1 掃瞄功能垂直掃瞄掃瞄範圍掃瞄機制 0°~90° 儀器旋轉/稜鏡來回擺動掃瞄速率最小角度增量每秒 1 ~ 20 次 0.01° 角度解析度 0.002° 水平掃瞄掃瞄範圍 0° ~ 360° 掃瞄機制掃瞄速率儀器旋轉/稜鏡來回擺動每秒 0.01°~15° 最小角度增量角度解析度 0.01° 0.0025° 其他相關資訊資料輸出 TCP/IP，10/100 MBit/sec 電源供應儀器尺寸 12-28 V DC 490 mm × 210 mm (長×周長) 重量 13 kg 工作溫度儀器存放溫度 -10 ℃ ~ 50 ℃ -20 ℃ ~ 60 ℃ 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 211 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (a) (b) (c) 圖 6.3-5 雷射載具實體影像 (a)側視圖 (b)前視圖 (c)後視圖第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 212 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.3-6 Novatex MP-9 雷射墨線儀二、試驗流程 (1) 控制點佈設及量測本研究掃描於施作前，需事先佈設數個控制點，並利用全測站進行其三維座標值之量測，以做為未來分析時校正相機的相關參數。 (2) 架設雷射光源雷射光所照射到的位置即為量測數據之處，因此雷射光源的架設需與欲量測的斷面吻合。 (3) 架設相機與攝影控制點相機的架設必須讓攝影範圍涵蓋所需量測的斷面和控制點。第一張相片可視需求進行對焦，以求得較清晰的影像。完成對焦後，在完成整個斷面測量前，即不能再更改焦距。第一張相片的目的是利用控制點來求算攝影機的姿態，因此必須力求控制點的影像清晰，此時環境光源是必要的。在斷面測量期間，只要環境光源不要蓋過雷射光源即可。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 213 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (4) 開始斷面測量—拍攝雷射光點開始攝影時，相機位置及姿態即不再移動。每拍攝一張相片後，移動雷射光點的位置，再拍攝下一張，持續此步驟至雷射光點涵蓋整個斷面。若需拍下一個斷面，則只移動雷射光源至其他斷面上，繼續此步驟，但相機位置必須固定不能移動。 (5) 內業計算處理拍攝的影像並計算出斷面座標。本研究以 Matlab 作為剖面量測部份之分析軟體，並採 Capart et al.(2002)所撰寫之立體成像程式進行雷射點的三維坐標擷取。拍攝時周圍如有光源存在，可增加相機曝光時間來使影像上呈現完整的雷射剖面，然而增加曝光時間會使影像整體亮度提高，導致程式分析時較容易抓到雜點。為避免分析結果出現雷射點以外的點位，在照片進行分析之前可先以影像處理軟體將雷射剖面以外的影像部分調暗(圖 6.3-7)，之後再進行坐標擷取之分析。取得雷射點三維坐標後，使用軟體 SigmaPlot 繪製三維曲線與 DTM (數位高程模型)。圖 6.3-7 去除周圍光源一、誤差評估方法在研發新測量技術時，必須以傳統測量技術做為參考，以便檢驗新技術的適用性，以下首先說明導線測量的定位精度評估方法。導線的測量精度可用誤差傳播理論，推導每一個導線點上的導線點精度與測量點第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 214 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處精度，設兩導線之關係為： X = X 0 + S × sin θ Y = Y0 + S × sin θ Z = Z 0 + S × sin α 其中 X 0 、 Y0 表示原導線點的座標，X、Y 表示新導線點的座標。S 表示測距觀測值， θ 表示測角觀測值。由此計算公式所推導的誤差傳播公式如下： ⎧ σ = ( sin θ )2 × σ 2 + ( S × cos θ )2 (σ / ρ )2 s θ ⎪ x ⎪ 2 2 2 2 ⎨σ y = ( cos θ ) × σ s + ( S × (− sin θ ) ) (σ θ / ρ ) ...................(6.20) ⎪ 2 2 2 ⎪ σ z = ( sin α ) × σ s 2 + ( S × cos α ) (σ α / ρ ) ⎩ 其中 σ X 、σ Y 表示 X 座標與 Y 座標的誤差值，σ S 、σ θ 分別表示測距誤差與測角誤差。其中 ρ 為一個弧度(rad)等於 206265 秒。如以一全測站測量一個距離 50m 的點位為例，其誤差包括測距誤差與方向角觀測誤差兩部分，分別探討如下：距離誤差一般的形式為： M D 2 = A2 + B 2 D 2 ......................................(6.21) 其中 A 表示測距誤差之常數項，受儀器自身的波形分解能力所限制。B 表示與測量距離有關的誤差。若儀器測距精度標示為 2mm+2ppm，以 D=50m 而言，誤差為 2.0mm。由此可知在短距離測量中，B 項之影響極微，可忽略不計。斜距(D)化算為水平距(S)的公式如下： S = D cos α ⎧ .........................(6.22) ⎨ 2 2 2 2 2 ⎩ M S = (cos α ) M D + ( D sin α ) ( M α / ρ ) 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 215 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處若假設仰俯角為 3 ° ，儀器測角精度為 1 秒，則水平距誤差為 2.0mm。由成果可知水平角化算誤差也同樣可忽略不計。整體的測距誤差可近似為儀器的測距誤差加常數項，即 2mm。而方向觀測誤差公式： M ri 2 = C 2 + C0 2 .........................................(6.23) Si 2 其中 C ：表示測量員瞄準稜鏡時的觀測誤差 C0 ：反射稜鏡之安置誤差 Si ：測站至測點距離在近距離時，方向觀測之誤差主要是由稜鏡之安置誤差所引起的，故式中之 C 2 項可忽略(陳俊男，1986)，(6.23)式則變為： M ri 2 = C0 2 Si 2 M ri × Si = C0 = const..............................................(6.24) 導線測量由測角及測距所合成，為達到經濟適用之目的，應盡量使測角與量距的精度相當(史惠順，1996）。因此 M s = M ri × Si = const..............................................(6.25) 若以此公式計算，測角精度需在 1 秒才足夠。雖然儀器本身的量測精度是 1 秒，但是若考慮稜鏡的對點精度，在 50m 的距離下，誤差已經到達 10 秒左右。由於近年來測距技術的進步，測角精度已經難以與測距精度一致了。故以目前的測量設備來說，導線距離越遠，精度會越高。綜合距離觀測與角度觀測之誤差，若以隧道導線為例估計誤差，假設導線觀測水第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 216 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處平角 180 度，距離 50m，綜合距離觀測誤差(2mm)及角度觀測誤差(在 50m 處，誤差為 10 秒)之後，點位誤差為 σ x =2.4mm，σ y =2.0mm。當每增加一個導線點，誤差隨之傳播，簡易的誤差傳播計算方式為： ⎧⎪ σ x5 2 = σ x1 2 + σ x2 2 + σ x3 2 + σ x4 2 ...............................(6.26) ⎨ 2 2 2 2 2 σ σ σ σ σ = + + + y1 y2 y3 y4 ⎪⎩ y5 經過五次的誤差傳播之後，點位誤差 σ x =4.8mm， σ y =4.0mm。在進行隧道收方測量時，每一個觀測點的誤差需累積該測站的誤差，繼續誤差傳播。傳統斷面測量方式經由前述方式概略估計，其定位誤差在 3mm 以上。且隨導線點的數量增加，其誤差逐漸增加。本研究利用 RIEGL 三維雷射掃描儀掃描大型模擬隧道試驗結果發現，距儀器較近之剖面，其獲得之襯砌表面空間座標點雲資訊較密集，隨剖面與儀器距離增加，其獲得之點雲資訊有減少之趨勢，此係儀器固定於一點，掃描遠處影像的特性。 ∑ (量測值 − 觀測值) ，則利用 RIEGL 三維雷射掃描若定義均方根誤差 RMSE = n 儀剖面分析結果顯示，剖面最佳之均方根誤差(root mean square error, RMSE) 約 10 mm。 2 二、試驗結果以下將本研究所開發之雷射掃描量測技術分別於大型模擬隧道與現地隧道進行應用，大型模擬隧道以新型雷射載具做為雷射光源，現地隧道則以雷射墨線儀做量測。 (1) 模擬隧道量測結果使用新型雷射載具於大型模擬隧道(大小如圖 6.3-8)進行量測，控制點位置與拍攝照片如圖 6.3-9(a)。將分析所得之剖面與全測站所量剖面於空間中之位置繪如圖第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 217 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 6.3-10，詳細誤差大小統計於表 6.3-4。 (2) 現地隧道量測結果於東澳隧道以雷射墨線儀投出鉛直雷射線標記量測剖面，圖 6.3-11 為兩台雷射墨線儀同時開啟所拍得之照片，剖面量測結果與全測站測得之校正點之空間關係如圖 6.3-12，點位統計所得之誤差列如表 6.3-5。表 6.3-4 大型模擬隧道分析結果項目 X 方向 Y 方向 Z 方向 X-Z 方向合計 X-Y-Z 方向合計誤差量(mm) 第二組 1.213 17.547 9.334 9.412 28.02 第一組 3.054 12.444 2.241 3.788 12.854 第三組 2.951 9.445 1.267 3.211 18.09 表 6.3-5 現地隧道分析結果項目 X 方向 Y 方向 Z 方向 X-Z 方向合計 X-Y-Z 方向合計誤差量(mm) 1.1 7.6 0.3 1.14 19.7 第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 218 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.3-8 大型模擬隧道實體影像第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 219 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (a) (b) 圖 6.3-9 (a)校正點空間配置(b)大型模擬隧道拍攝照片第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 220 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.3-10 大型模擬隧道量測結果第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 221 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處圖 6.3-11 現地隧道拍攝照片圖 6.3-12 現地隧道量測結果第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 222 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處三、誤差來源與討論量測方法的精度受控於過程中各階段之誤差大小，以下將本技術之誤差來源逐項列出，並概估經誤差傳播後整體之精度，以提供後續改良與應用之重要參考。由前述兩組試驗結果可發現 Y 方向(車行方向)誤差最大。此現象係因成像原理基本假設限制雷射剖面須平行 X-Z 平面，因此試驗進行時必須調整儀器以使投射出來的雷射剖面符合此項要求。若雷射剖面與 X-Z 並非完全平行，而存在一交角時便容易於 Y 方向造成較大的偏差量。一般而言，隧道內測量較重要者為 X-Z 方向，如不計 Y 方向偏差量，則大型模擬隧道誤差在 2.88~9.42 mm，現地隧道之 X-Z 方向誤差則僅為 1.1 mm，成效相當良好。 (1) 誤差來源本研究所開發之雷射掃描技術，其誤差按流程可分為以下各項： 1.透鏡畸變：即透鏡扭曲所引起的誤差。一個鏡頭通常由數個透鏡所組成，而透鏡本身製作時若有所偏差，或者各個透鏡的光軸不共線等均使得光線在鏡頭中行進時不遵守針孔成像原理，而導致影像的扭曲。扭曲誤差因鏡頭與焦距而異，以本研究對現有鏡頭 Canon EFS 18-55mm 的測試結果，在角隅處最大扭曲量可達約 70 pixels(焦距=18 mm)。 2.折射效應：光線在相機中行進時，由光圈至成像面間因介質不同而發生的折射效應。此效應存在時，光線發生偏移，則圖 6.3-4 中 PQ 與 S 便不共線，對整體影響甚鉅。不過在近景攝影測量中折射效應一般可忽略，故本項視為足夠微小而可不計。 3.全測站：本量測方法乃藉由已知校正點位置解算相機位置與姿態後，計算出未知點的座標，故測量的精度受校正點量測結果高度影響。若量得之校正點資料原本就存在誤差，則此誤差將如同系統誤差持續存在整個分析過程中。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 223 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 4.程式計算誤差：又可分為擷取雷射點影像座標、選取校正點位置、運算時的誤差等項。 (2) 誤差改善針對三個主要誤差來源(折射效應影響過小，不予考慮)，以下提出改善之建議： 1.透鏡畸變：首先須選定透鏡畸變較小之鏡頭，並率定鏡頭的畸變差。率定所得之參數應用於正射拍攝得之影像，如此便可消除鏡頭扭曲所造成的不均勻變形，同時亦符合原理中針孔成像之假設。 2.全測站：本研究使用的全測站 Leica TCR705 測角精度為 5”，若用於量測寬 4m 的隧道中，100 m 外的點位，則存在約 2.5mm 之誤差。而全測站所量得資料對本技術之分析結果影響甚大，故如要提升整體精度，可增加觀測次數，或改採精度較高之全測站進行量測。 3.程式計算誤差：程式本身運算過程的誤差甚小，其主要誤差來自校正點部分須採人為點選的步驟，此部分可透過程式改寫來進行改善。隧道襯砌雷射掃描技術研發迄今，初步結果已為一適用於隧道襯砌之量測方法。未來於實地應用時，可由量測儀器與相機等設備精密度的提升著手，使量測成果符合需求。第六章隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發 – 224 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處第7章結論歷經工作團隊的努力與工程界各方支持，本計畫各項工作均已如期完成，說明如后： 1. 隧道安全檢測現況與案例彙整：包括 26 座國外隧道與 41 座國內隧道檢測案例，涵蓋其異狀特性、異狀位置、岩體狀況、隧道斷面、開挖支撐工法、施工記錄、安全檢測作業流程與後續處理狀況等，並依據非破壞性檢測技術之原理分類探討其應用特性與限制，以及檢討檢測作業方法與流程，內容詳見本報告第二章暨第一年度期末報告。 2. 隧道安全檢測管理準則之探討與建議：回顧國內外隧道安檢管理準則，並探討比較各準則考量之重點，並提出國內安全檢測管理準則之建議，內容詳見本報告第三章暨第一年度期末報告。 3. 隧道安全檢測評估準則之探討與建議：回顧國內外隧道安全評估準則，並進行系統性的比較與探討，提出安全檢測評估準則應用的限制與改善之建議，內容詳見本報告第四章暨第二年度期末報告。 4. 隧道異狀成因與影響因素研判之探討：彙整隧道異狀成因與影響因素，並提出判別影響因素的流程，可彌補既有安全評估準則尚無法充分描述隧道行為與可能破壞模式之不足，提供維修補強之重要參考，內容詳見本報告第五章暨第二年度期末報告。 5. 隧道襯砌非破壞性檢測技術與方法之開發，測試與開發多項技術與方法，包括： (1) 熱紅外線影像技術之測試；利用異狀影響襯砌熱傳導之特性，應用熱紅外線影像技術判定襯砌背後是否具有孔洞或潛在之危險，做為早期識別異狀的工具。經測試四座隧道結果顯示，此技術可於昏暗環境檢測出目視可見的表面異狀，也可發現襯砌背後已有異狀徵兆，但尚未發展至襯砌表面的潛在危險區段，惟當隧道內通風情況良好或襯砌表面完全潮溼致使熱傳導作用旺盛，致溫差不足時，無法顯現出襯砌異常之處，應改採或搭配其他第七章結論 – 225 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處檢測技術為宜。 (2) 影像展開與嵌接技術之開發：為便利檢查人員描繪與記錄隧道襯砌表面的異狀而開發，可將拍攝到的隧道襯砌影像接合成為影像展開圖，更精準的描繪異狀的空間分佈，亦可指示隧道檢查的重點位置，便於觀察，為費用昂貴的隧道掃描設備之替代選擇，且能整合其他資訊以 3D 方式展現，有效改善不同檢測技術之成果難以對比的問題，更能提供探討襯砌表面與背後異狀關聯性之利器。 (3) 隧道襯砌雷射掃描技術之開發：以雷射光源標示待測面後，由相機拍攝之影像，藉已知點座標推求影像上雷射點之座標。具有一次得到一個隧道剖面線形而非僅獲得單一點位資料的優點，且操作簡便，設備需求低，不僅可較快速測得隧道全面之座標，並可提供異狀區段隧道變為監測之用。 (4) 隧道位移力學機制回溯方法之開發：將同一剖面不同時期測量所得之剖面相比，由數值分析方法從兩者之差異回溯隧道所受之外力的變化，可提供做維修補強之重要資訊。以上技術經測試與現地隧道實做之驗證，已確定其可行性，並可供未來進行襯砌之非破壞性檢測與監測之參考。前述技術之開發與測試結合相關單位之數個研究計畫共同研究，以期發揮更大之效果。其中隧道襯砌雷射掃描技術與應力回溯分析方法係配合國立台灣大學土木工程學系研發中的「三維雷射掃描技術於隧道工程之應用(2006)」、暨「隧道剖面量測技術及造成隧道位移的力學機制回溯(2007-2008)」等研究共同執行；襯砌影像展開與嵌接技術及其 3D 展示平台之開發，以及熱紅外線影像掃描之測試係配合國立台灣大學土木工程系暨國立台北科技大學材料及資源工程系開發中的「隧道影像展開與嵌接技術 (2006-2008) 」、「隧道檢測資訊整合與三維視覺化展示 (2007-2008)」、「熱紅外線掃描於隧道檢測之應用(2006-2007)」等研究共同執行。 6. 隧道襯砌非破壞性檢測技術的推廣應用：於 2007 年 9 月 20 與 21 日辦理隧道安全檢測系列研討會，內容包括檢測技術示範與推廣以及安檢技術探討與交流。承蒙各界共襄盛舉，研討會成功落幕，並達成隧道襯砌非破壞性檢測第七章結論 – 226 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處技術之推廣與交流的宗旨，內容詳見附錄六。第七章結論 – 227 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處參考文獻 1. Amberg Engineering, A. (2003). Simulation mittels PFC-Code, Amberg Engineering AG. 2. Anonymous (2003a). "Highway and Rail Transit Tunnel Inspection Manual." Federal Highway Administration and Federal Transit Administration. 3. Anonymous (2003b). "Highway and Rail Transit Tunnel Maintenance and Rehabilitation Manual." Federal Highway Administration and Federal Transit Administration. 4. Arends, G., Bielecki, R., Castle, J., Drabek, S., Haack, A., Nedbal, F., Nordmark, A., and Sterling, R. (2004). "Risk Budget management in progressing underground works." Tunnelling and Underground Space Technology, 19(1), 29-33. 5. Asakura, T. (1991). "Tunnel lining model test units." Quarterly Report of RTRI (Railway Technical Research Institute) (Japan), 32(2), 49. 6. Asakura, T., Ando, T., Omata, F., Wakana, K., and Matsuura, A. (1994a). "Behaviour of structurally defective tunnel lining and effectiveness of inner reinforcement." Doboku Gakkai Rombun-Hokokushu/Proceedings of the Japan Society of Civil Engineers(493 pt 3-2), 89. 7. Asakura, T., Ando, T., Sato, Y., and Kojima, Y. (1993). "Analysis on behavior of tunnel lining (2) - experiment and simulation on single track tunnel lining." 0033-9008, 34. 8. Asakura, T., and Kojima, Y. (2003). "Tunnel maintenance in Japan." Tunnelling and Underground Space Technology, 18(2-3), 161. 9. Asakura, T., Kojima, Y., Ando, T., and Sato, Y. (1992). "Analysis on the behavior of tunnel lining - experiment and simulation on double track tunnel lining." 0033-9008, 33. 10. Asakura, T., Kojima, Y., Ando, T., Sato, Y., and Matsuura, A. (1994b). 參考文獻 – 228 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 "Fundamental study on static deformation behavior of tunnel lining." Doboku Gakkai Rombun-Hokokushu/Proceedings of the Japan Society of Civil Engineers(493 pt 3-2), 79. 11. Asakura, T., Kojima, Y., Nakata, M., Sano, N., Omata, F., and Wakana, K. "Countermeasure for deformed tunnel lining by inner reinforcement." Tokyo, Jpn, 513. 12. Asakura, T., and Sato, Y. (1992). "How does tunnel lining get broken?" 0033-9008, 33, Publ by Railway Technical Research Inst, Tokyo, Jpn. 13. Asakura, T., and Sato, Y. (1996). "Damage to mountain tunnels in hazard area." Soils and Foundations(Special), 301. 14. Bauer, E., Gall, V., and Sauer, G. (1994). "Computer calculations speed tunnel-lining design." Civil Engineering (New York), 64(6), 46. 15. Boehler, W. Heins, G. and Marbs, A., 2001, ”The Potential of Non-contact Close Range Laser Scanners for Cultural Heritage Recording, Proceedings of CIPA International Symposium, Postdam, Germany. 16. Boehler, W. and Marbs, A., 2002, “3D Scanning Instrument, CIPA, Heritage Documentation-international Workshop on Scanning for Cultural Heritage Recording-Corfu, Greece. 17. Brady, B. H. G., and Brown, E. T. (1993). Rock Mechanics for underground mining: chapter 11 Rock support and reinforcement, Chapman & Hall, London. 18. Capart, H., Young D. L., and Zech Y. , 2002, “Voronoï imaging methods for the measurement of granular flows ”. Experiments in Fluids 32 (1), 121-135. 19. Chen, C.H. Wei F. Lee, C.H. Wang, Hsing-Tai Mei, Chia-Fang Chang (2005). "Procedure of Seismic Risk Assessment for Underground Transportation Tunnel " Proceedings of the 16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 20. Davis, A. G. "The nondestructive impulse response test in North America: 1985-2001." London, United Kingdom, 185-193. 參考文獻 – 229 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 21. Davis, A. G., Lim, M. K., and Petersen, C. G. "Rapid and economical evaluation of concrete tunnel linings with impulse response and impulse radar non-destructive methods." London, United Kingdom, 181-186. 22. Douxchamps, D., Devriend,t D., Capart, H., Craeye, C., Macq, B., and Zech, Y., 2005, “Stereoscopic and velocimetric reconstructions of the free surface topography of antidune flows.” Experiments in Fluids 39, 533-551. 23. Galli, G., Grimaldi, A., and Leonardi, A. (2004). "Three-dimensional modelling of tunnel excavation and lining." Computers and Geotechnics, 31(3), 171. 24. Gao, X.-Q., Qiu, W.-G., and Gao, Y. (2005). "Plane numerical analysis of mechanical behaviors of lining structure under high hydraulic pressure in mountain tunnel." Yantu Lixue/Rock and Soil Mechanics, 26(3), 365. 25. Geophysical Survey Systems, Inc., GSSI (1995). "GPR user maunal". 26. Gonzalez, R. C., Woods, R. E. and Eddins, S. L., “Digital Image Processing UISNG MATLAB”, Prentice Hall. 27. Haack, A. (1987). "The Maintenance and Repair of Tunnels from an international point of View." Maintenace and Repair, ITA-AITES, www.ita-aites.org, 0-36. 28. Haack, A. (1998). "Fire protection in traffic tunnels: General aspects and results of the EUREKA project." Tunnelling and Underground Space Technology, 13(4), 377-381. 29. Haack, A. (2002). "Current safety issues in traffic tunnels." Tunnelling and Underground Space Technology, 17(2), 117-127. 30. Haack, A., Schreyer, J., and Jackel, G. (1995). "State-of-the-art of non-destructive testing methods for determining the state of a tunnel lining." Tunnelling and Underground Space Technology, 10(4), 413-431. 31. H. Paul Barringer, P.E. (1998).，"Life Cycle Cost And Good Practices", San Antonio Convention Center San Antonio, Texas. 32. Highway and Rail Transit Tunnel Inspection Manual, FHWA (2003). 33. Highway and Rail Transit Tunnel Maintenance and Rehabilitation 參考文獻 – 230 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 Manual, FHWA (2003). 34. Kaiser, H., and Karbhari, V. M. (2002). "Quality and Montioring of Structural Rehabilitation Measures." 35. Kawata, H., Matsumoto, Y., Hachiga, A., and Okuaki, S. (1989). "Development of expert system (TIMES-1) for tunnel inspection and diagnosis." Quarterly Report of RTRI (Railway Technical Research Institute) (Japan), 30(3), 143-148. 36. Lee, I. M., and Nam, S. W. (2001). "The study of seepage forces acting on the tunnel lining and tunnel face in shallow tunnels." Tunnelling and Underground Space Technology, 16(1), 31. 37. Lei, G., and Yang, L.-D. (2005). "Application study on nondestructive detection method of electromagnetic wave in road tunnel lining quality detection." Yanshilixue Yu Gongcheng Xuebao/Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 24(SUPPL), 5081. 38. Liu, G.-B., Xie, K.-H., Shi, Z.-Y., and Yao, H.-L. (2005). "Interaction of surrounding rock or soil and lining of a pressure tunnel." Yanshilixue Yu Gongcheng Xuebao/Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 24(14), 2449. 39. Liu, T., Zhu, H., and Ding, W. (2004). "Safety analysis of secondary lining of a freeway tunnel." Yanshilixue Yu Gongcheng Xuebao/Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 23(1), 75. 40. Martin, D. (1989). "Nippon tunnel lining method (NTLM)." Tunnels and Tunnelling, 21(12), 50. 41. Mehta, P. K., and Monteiro, P. J. M. (1993). Chapter 5: Durability, Concrete - Structure, Properties, and Materials, Prentice Hall. 42. Nakamura, K., Ohtsu, H. and Takeuchi, A. (2006) “Development of a Tunnel Management System for Existing Railroad Tunnels”, ITA-AITES 2006 World Tunnel Congress & 32nd ITA General Asembly, Seoul, pp.1-7. 43. Ni, W. J., 2005, “Groundwater drainage and recharge by geomorphically 參考文獻 – 231 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 active gullies, M.S. thesis, Grad. Inst. of Civil Eng., National Taiwan University, Taipei. 44. Ni, W. J. and Capart, H., 2006, “Groundwater drainage and recharge by networks of irregular channels.” Journal of Geophysical Research-Earth Surface, in press. 45. OECD Scientific REHIBILITATION Expert Group FUNDING AND (2002). "MAINTAINANCE STRATEGY", AND Organization for Economic Co-operation and Development. 46. Pan, H.-K., Yang, L.-D., and Huang, K. (2005). "Research on unsymmetrical load effect and lining cracks of a highway tunnel." Yanshilixue Yu Gongcheng Xuebao/Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 24(18), 3311. 47. Peng, L., Yu, X., and Liu, S. "A safety evaluating system about lining load-bearing capability of tunnel fire." Taian, China, 1059. 48. Protosenya, A. G., and Lebedev, M. O. (2002). "Loads on lining of tunnel." Fiziko-Tekhnicheskie Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopaemykh(5), 10. 49. Rukin, V. V., Kuperman, V. L., and Kardash, J. A. "IN SITU TESTS OF ROCK MASS AND TUNNEL LINING AT THE NUREK HYDRO PROJECT." Paris, Fr, 570. 50. Spinewine, B., Capart, H., Larcher, M., and Zech, Y., 2003, “Three-dimensional Voronoi imaging methods for the measurement of near-wall particulate flows.” Experiments in Fluids 34 (2), 227-241. 51. S. Takata (2004) "Maintenance ： Changing Role in Life Cycle Management", Annals of the CIRP. 52. State of California Department of Transportation(1998). "Caltran Maintainnance Manual Guide". 53. Schreyer, J. (1998). "GSTT investigation: Guidelines for selecting construction methods for earth-laid lines." Tunnelling and Underground Space Technology, 13(2), 129-130. 參考文獻 – 232 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 54. Shirai, K., Tsuchiya, K., Okada, K., and Kawakami, Y. (1981). "STUDY ON STATIC BEHAVIOR OF DOUBLE LINING IN TUNNEL." 22(3), 108. 55. Slob, S., and Hack, R. (2004). "3D Terrestrial Laser Scanning as a New Field Measurement and Monitoring Technique." LNES, 104, 179-189. 56. Song, Y., Liu, Y., and Zhu, Y. (2004). "Application of response surface method to reliability analysis of monolithic lining of railway tunnel." Yanshilixue Yu Gongcheng Xuebao/Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 23(11), 1847. 57. Takata, S. et al.( 2004). "Maintenance: Changing Roles in Life Cycle Management. ", Keynote Papers, Annals of the CIRP Vol. 53 58. Terzaghi, K. (1946). Rock defects and loads on tunnel supports, Rock tunneling with steel supports, Commercial Shearing and Stamping Co., Youngstown, Ohio. 59. Toshihiro Asakura (2003). "Tunnel Maintemance in Japan", Tunnelling and underground space technology, Elsevier science. 60. Tunnel Management System User Manual, One Dot, FHWA (2001). 61. Von Rabcewicz, L. (1969). "Stability of Tunnels Under Rock Load." 21(6-7-8), 225-9. 62. Whittaker, B. N., Singh, R. N., and Sun, G. (1992). Rock Fracture Mechanics: chapter 4 Linear Elastic Fracture Mechanics and Fracture Initiation Theories, Elsevier. 63. Wang, W. L., T. T. Wang, J. J. Su, C. H. Lin, C. R. Seng and T. H. Huang (2001): Assessment of damages in mountain tunnels due to the Taiwan Chi-Chi Earthquake. Tunnelling and underground Space Technology, 16(3), 133-150. (SCI, EI) 64. Wang, T.T., W.L. Wang, T.H. Huang and C.H. Lee (2005): Tunnel Rehabilitation in Taiwan, Recently Cases Study, Int. Sym. on Design, Construction and Operation of Long Tunnels to Celebrate the Breakthrough of the 12.9km Hsuehshan Tunnel, 7-10, Nov.833-842. 65. Yin, J., Wu, Z., Asakura, T., and Ota, H. (2001). "Cracking and failure 參考文獻 – 233 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 behavior of concrete tunnel lining predicted by smeared crack model." Structural Engineering/Earthquake Engineering, 18(1), 1-11. 66. Yow, J. L., and Hunt, J. R. (2002). "Coupled processes in rock mass performance with emphasis on nuclear waste isolation." International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 39(2), 143-150. 67. Zhanmin Zhang.(1998). "Review of Current Geographic Information Systems Technology for TxDOT Pavement Management Information System", Texas Department of Transportation Research and Technology Transfer Section/Construction Division. 68. Zhong, S.-H., and Cao, D.-M. (2005). "Detecting depth of relaxation zone of tunnel surrounding rock by using landsonar on surface of rock or lining." Yanshilixue Yu Gongcheng Xuebao/Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 24(10), 1722. 69. 日本隧道技術協會 (1990)，「日本山岳隧道老朽化手冊草案」，日本。 70. 日本隧道技術協會 (1992)，「隧道老朽化對策有關之調查研究」，日本。 71. 日本道路協會 (1993)，「道路隧道維持管理便覽」，日本。 72. 日本鐵道總合技術研究所 (1993)，「隧道補強、補修手冊」，日本。 73. 朝倉俊弘等. (1998)，「變狀隧道對策工設計導則(日文)」，財團法人鐵道總合技術研究所. 74. 日本鐵道總合技術研究所（2000），「隧道維護管理手冊」。 75. 小島芳之、野城一榮、朝倉俊弘、小山幸則 (2000)，「鐵道隧道的覆工剝落事故之原因推定」(日文)，隧道地下，第 31 卷，9 號，第 63~70 頁。 76. 小島芳之、野城一榮、朝倉俊弘、小山幸則 (2000)，「鐵道隧道的新式保守管理」(日文)，隧道地下，第 31 卷，10 號，第 69~76 頁。 77. 日本土木學會（2002），「山岳隧道襯砌現狀對策」。 78. 西村和夫等 (2002) ，山岳隧道覆工的現狀對策(日文)，日本土木學會，東京。 79. 朝倉俊弘等 . (2003) ，「 Tunnel Deformation Mchanism(Japanese) 」， JSCE. 80. 猪熊明等 (2004)，隧道維持管理之實務(日文)，山海堂，東京。參考文獻 – 234 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 81. 劉寶書等 (1982)，「北迴鐵路完工報告」，榮民工程事業管理處。 82. 陳俊男 (1986)，「自由測站法網系精度之研究」，國立成功大學航空測量研究所碩士論文。 83. 田永銘 (1992)，大地材料之吸水回脹行為，國立成功大學木工程研究所博士論文。 84. 史惠順 (1996)，「平面測量學」，國立成功大學航空測量研究所出版。 85. 中華顧問工程司 (1997)，武界隧道安全評估及修復可行性，台灣電力公司。 86. 聯合大地工程顧問公司 (1997a)，「東部鐵路改善北迴線清水隧道檢測評估及改善建議-成果報告」，交通部鐵路改建工程局東部工程處。 87. 聯合大地工程顧問公司 (1997b)，「東部鐵路改善北迴線蘇澳-南澳間原有隧道檢測評估及改善建議-成果報告(南澳隧道) 」，交通部鐵路改建工程局東部工程處。 88. 聯合大地工程顧問公司 (1997)，「崇德隧道檢測評估及改善建議」，東部鐵路改善工程局。 89. 黃燦輝等 (1997)，「老舊交通隧道之安全檢測、維修與補強技術研訂(I) 」，交通部。 90. 黃燦輝等 (1998)，「老舊交通隧道之安全檢測、維修與補強技術研訂(II) 」，交通部。 91. 黃燦輝等 (1999)，「震後隧道結構快速診斷手冊之建立與震後隧道結構快速補強手段」，財團法人台灣營建研究院。 92. 何泰源 (1999)，“隧道之安全評估”，「隧道自動化安全檢測、維修與補強技術」，台北，第 55~84 頁。 93. 何泰源、黃燦輝、鄭富書 (1999)，“隧道之維護管理方式－調查、安全評估及維修方式之探討”，「隧道自動化安全檢測、維修與補強技術」，第 31-54 頁。 94. 蔡道賜、王文禮、諶家瑞 (1999)，”隧道之安全檢測技術”，「隧道自動化安全檢測、維修與補強技術」，台北，第 85~114 頁。 95. 黃燦輝 (1999)，”台灣隧道安檢、維修與補強之現況”，「隧道自動化安全檢測、維修與補強技術」，台北，第 1~30 頁。 96. 財團法人台灣營建研究院 (2000)，「橋梁隧道材料府蝕劣化原因之探討及防參考文獻 – 235 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處治對策(二) - 隧道篇. 」，交通部科顧問室。 97. 王文禮與王泰典 (2000)，「鐵路山線三義一號隧道現場勘察與評估」， 921 集集大地震鐵路災害復舊記錄，台北，第 76~102 頁。 98. 交通部 (2000)，「橋梁隧道材料腐蝕劣化原因之探討及防治對策(二)」。 99. 交通部(2000)，「隧道材料劣化防治技術導則」。 100. 葛文忠、俞旗文 ( 2001 )，「立體影像掃瞄系統於隧道工程之應用」，二十一世紀土木工程技術與管理研討會。 101. 吳聲傑 (2001)，「應用幾何校正法輔助無人載具空拍影像從事調查分析之研究」，國立中興大學水土保持學系碩士論文。 102. 林銘郎等 (2001)，「台灣地區特殊地質狀況之調查評估」－工作項目 C，行政院公共工程委員會，台北。 103. 中華顧問工程司 (2002)，「九二一地震三義隧道檢測及改善工程報告」，交通部臺灣鐵路管理局，台北。 104. 張真良 (2002)，「紅外線熱影像分析探討隧道襯砌之劣化情形」，行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告(NSC 91-2211-E151-004)。 105. 陳清泉、呂守陞、廖肇昌、李有豐、許鎧麟(2002)，「公共工程延壽政策及相關技術之探討」，行政院公共工程委員會專案委託研究計畫，財團法人台灣營建研究院。 106. 張吉佐等. (2002)，台灣地區隧道岩體分類系統暨隧道工程資料庫之建立(第三期)，行政院公共工程委員會，台北。 107. 曾義星、史天元 ( 2003 )，「三維雷射掃瞄技術及其在工程測量上之應用」，中國土木水利工程學刊。 108. 洪振剛 (2003)，「以 FRP 補強結構之應用及檢測研究」，中原大學土木工程學系碩士論文。 109. 聯合大地工程顧問公司 (2003)，捷運隧道維護檢測案，台北大眾捷運股份有限公司，台北。 110. 陳國永 ( 2004 )，「3D 雷射掃描技術應用於隧道變形量測之研究」，國立中興大學土木工程學系研究所碩士論文。 111. 張明政 ( 2004 )，「三維雷射掃瞄技術應用於戶地測量之研究 ─ 以建物為例」，國立中興大學土木工程學系研究所碩士論文。參考文獻 – 236 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 112. 黃偉城 (2004)，「地面三維雷射掃瞄儀研究斷層變形之可行性 ─ 2003 年 Mw6.5 台東成功地震池上斷層之同震及震後變形」，國立成功大學地球科學研究所碩士論文。 113. 林承陽 ( 2004 )，「3D 雷射掃瞄在歷史建築數位模型之建構 ─ 以台北市大龍峒保安宮為例」，國立台灣科技大學建築系碩士學位論文。 114. 陳偉清 ( 2004 )，「空間資訊工程與大甲溪流域之災害研究」，建國科技大學土木工程學系送審升等副教授代表著作。 115. 賴志凱 ( 2004 )，「地面雷射掃瞄儀的精度分析與檢定」，國立成功大學測量及空間資訊學系碩士論文。 116. 聯合大地工程顧問公司 (2004)，「烏山嶺隧道安全檢測與補強方案設計」，嘉南農田水利會，台南。 117. 許榮達 (2004)，「隧道斷面收方技術開發與工程應用之研究」，中華大學土木工程學系碩士論文，新竹。 118. 沈永年 (2004)，「紅外線熱影像分析在隧道襯砌結構非破壞檢測之應用」，防蝕工程，第十八卷，第三期，第 241~248 頁。 119. 高公局(2004)，「高速公路橋梁延壽評估及案例分析委託研究計畫」。 120. 高雄港務局(2004)，「高雄過港隧道安全檢測補強設計及監測系統規劃執行工作」計畫書。 121. 關寶樹 (2004)，「隧道工程維修管理要點集」，人民交通出版社，北京。 122. 永碁工程顧問公司 (2004)，省道 20 號線嘉寶隧道地區後續監測計劃工作技術服務建議書，永碁工程顧問公司，台北。 123. 葛文忠、俞旗文 ( 2005 )，「三維隧道影像掃瞄儀應用於老舊隧道安檢」，第十一屆大地工程學術研討會。 124. 劉鴻明 (2005)，「Splines 應用於影像內插法之研究」，中原大學資訊工程學系碩士論文，桃園。 125. 傅子仁等 (2005)，「東部鐵路改善計畫工程輯要」，交通部鐵路改建工程局東部工程處。 126. 林宏義 (2005)，「建築物外飾材施工品質之非破壞檢測」，朝陽科技大學營建工程研究所碩士論文，台中。 127. 財團法人台灣營建研究院 (2005)，「高速公路橋梁延壽評估及案例分析委託參考文獻 – 237 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處研究計畫」，交通部台灣地區國道高速公路局。 128. 潘國樑 (2006)，「遙測學大綱」，科技圖書，台北，第 163~194 頁。 129. 聯合大地工程顧問公司 (2006)，「烏山嶺隧道安全檢測補充調查試驗」，水利署水利規劃試驗所。 130. 蕭富元、陳錦清、俞旗文、梁智信(2004)，「既有隧道目視檢測評估準則之建立與應用」，2004 岩盤工程研討會論文集，淡水，第 606~613 頁。 131. 曹峻瑋 (2006)，「三維雷射掃描技術於隧道工程之應用」，台大土木工程研究所碩士論文，台北。 132. 聯合大地工程顧問公司 (2007)，「南迴線金崙等七座隧道安全檢測與改善設計」，台灣鐵路管理局。 133. 邱雅筑 (2007)，「隧道剖面量測技術及相應應力增量回溯分析」，台大土木工程研究所碩士論文，台北。 134. 蘇峰民等 (2007)，「熱紅外線掃描於隧道檢測之應用」，國立台北科技大學材料及資源工程系專題研究成果報告，台北。參考文獻 – 238 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 (1) 安檢作業管理ㄧ、定義本準則為隧挖建造交通隧道維護管理之安全檢測準則。交通隧道泛指穿鑿山岳、興建於河海或地面下方，供車輛行駛之通道。解說： 1.交通隧道係建於地下之結構，主要之使用者多為道路交通用之車輛，依用途區分包括有公路道路、鐵路公路、捷運隧道等。 2.隧道建造方式通常可分為隧挖施工、明挖覆蓋與沉埋工法。隧挖施工為山岳隧道最常採用的工法，主要包括傳統工法及新奧工法(NATM)，明挖覆蓋工法常用於淺覆蓋地區及都市隧道，沈埋工法主要應用於過港隧道。 3.本準則主要為採用隧挖建造方式的交通隧道實施維護管理之安全檢測作業而訂定，其他用途隧道或採用其他方式建造之隧道，可參考本準則並考量其特性調整修正應用之。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-1 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處二、準則內容本準則係以交通隧道之土木建築結構安全檢測之規定為主，並考慮影響服務功能或服務品質的安全性因素。有關其他維護管理作業標準、項目安全設施服務標準之詳細或特定要求，應視個案隧道之狀況與需要，另行訂定。解說： 1.交通隧道之土木建築結構安全檢測，須面對之周圍環境、地盤條件，施工回質、襯砌結構狀況以及管理需求等條件，難以一概論之，因此安檢準則與相關作業規範無法硬性統一及規定，本準則僅就交通隧道之檢查、檢測、安全評估等作業，研定一綱要性基本要求。相關單位可基於個案需要與隧道狀況進行考量，基於本準則基本架構，進一步納入配套措施研擬完整的實施細則，以供維護管理以至於於安全檢測作業的規範。 2.交通隧道為一綜合性構造物，主要涵蓋土木建築結構及安全設施(如照明、通風、電力、給水、通信、火警、消防、避難指引、交控)等兩類；但本準則僅包含隧道土木建築結構。三、安檢目的隧道安檢為維護管理重要環節之一，其目的在於確保隧道應有之使用功能，藉檢查以及檢測等調查方式，充分掌握影響隧道結構安全性與耐久性之異狀，並適時採取適當之處理對策。解說： 1.交通隧道之安檢作業應針對公路隧道之隧道土木建築結構及安全設施的安全設計標準、預期服務水準與功能要求，採擇適當之作業方法，辦理檢查檢測作業，確保公路隧道平時行車之安全與舒適。特殊狀況應另外考慮。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-2 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 2.安檢作業必須達成早期發現異狀、掌握其變異性或發展性並評估其影響程度的基本要求，以符維護管理的目標。四、安檢作業階段安檢工作應配合隧道維護管理作業定期辦理，遭遇特殊狀況時應緊急或擇期辦理。解說： 1.交通隧道之安檢作業應在完工營運後即開始並持續進行，針對國內隧道現況，安檢作業可分為初次檢查(測)、隧道檢查以及安全檢測等類別。安檢作業流程如附圖 1-1 所示。 2.初次檢查係於隧道結構物開始使用前進行的檢查與必要的檢測作業，係為掌握完工初期隧道已經存在的混凝土表面狀況、施工縫、或是其他既存的損傷或劣化等異狀，做為日後安全檢測參考的重要依據。對於許多已開放使用的隧道，為納入隧道維護管理系統，第一次實施的安全檢測亦可視為初次檢查。對於已經實施維修補強作業的隧道，由於結構物的性能可能產生變化，維修補強後所實施的第一次檢查或必要的檢測作業，亦必需達到初次檢查的要求。 3.隧道檢查之目的在於早期發覺隧道異狀，並於發現異狀存在時，概略地掌握異狀之影響程度，進而判斷有無實施進一步檢測及修復處理措施之必要性。檢查作業依其實施之內容、時機與頻率等，可分為平時巡查、定期檢查及臨時檢查等三類。各類隧道檢查的頻率如附表 1-1 所示。 4.安全檢測之目的在於進一步詳細掌握檢查階段所發現之異狀情形，除判定處理對策之必要性及緊急性外，並可獲取修復設計與施工所需之資料。安全檢測依其實施內容、時機與目的，可分為標準檢測與詳細檢測二個主要階段。標準檢測係於檢查階段判斷隧道有進一步調查之需要時，所進行的正規檢測作業，以掌握隧道整體狀況為主要目標，可再分為標準檢測 I 與標準檢測 II 兩類：1)標準附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-3 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處檢測 I 主要針對隧道整體的狀況進行較全面性的調查作業，應在檢測階段開始時儘早實施；2)標準檢測 II 則視實際需要，作選擇性實施。詳細檢測則以提供實施隧道維修補強設計資訊為主要之目的，若隧道實施標準檢測後，維護管理有關劣化預測以及安全評估的重要影響因素資料不足時，亦可進一步實施。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-4 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附表 1-1 隧道檢查頻率與檢查對象檢查類別隧道狀況平時巡查任一隧道新完工隧道一般隧道定期檢查重要隧道 30 年以上隧道已出現異狀隧道臨時檢查一般隧道檢查頻率 1 次/日~1 次/週 1 次/月~1 次/半年 1 次/年~1 次/5 年 1 次/半年~1 次/1 年 1 次/半年~1 次/2 年檢查對象路面巡視襯砌表面、完整性襯砌表面襯砌表面、完整性襯砌表面、完整性襯砌表面、完整性、背後 1 次/週~1 次/年孔洞平時巡查時發現可能之襯砌表面為主，若異狀持異狀時、大量豪雨期間或續變化，則應包括襯砌完之後、地震之後、隧道內整性與背後孔洞發生事故時，隧道已出現異狀需持續追蹤異狀之發展時，其他特殊狀況 (如鄰近隧道興建工程時) 附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-5 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處隧道完工初次檢查(測) 記錄/安全評估採取緊急措施需要緊急措施不需要進一步詳細檢需要不需要平時巡查/定期檢查採取緊急措施地震、豪雨、火害發生需要緊急措施不需要臨時檢查安全評估緊急措施需要採取緊急措施不需要不需要進入標準檢測需要標準檢測安全評估不需要需要維修補強需要不需要需要詳細檢測需要詳細檢測維修補強設計與施工補強效果確認否是附圖 1-1 各階段檢測作業流程附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-6 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處五、安檢範圍交通隧道之安檢工作範圍包括可能影響隧道結構安全性與耐久性的土木建築結構與附屬設施，不同階段的檢查與檢測作業，依視其目的查覺並確認各種異狀之種類、規模、程度、範圍、與位置等定性與定量的現況資料，以符隧道安全評估與維修補強等維護管理需求之目的。解說： 1.交通隧道之結構安全受結構型式、地盤條件、周圍環境以及隧道使用狀況等因素所影響，其維護管理並有不同的法規規定。安檢作業應針對可能影響結構安全性與耐久性的土木建築結構，如隧道主體/避車洞/連絡通道之襯砌(含施工縫與伸縮縫)以及洞門結構等，進行襯砌表面、完整性以及背後孔洞等異狀的檢查與檢測作業。另外，安檢作業亦應考慮可能影響服務功能或服務品質的安全性因素，如隧道之附屬設施包括內裝修飾板、頂板、排水設施以及鋪裝路面等隧道構件進行檢查、檢測或試驗。 2.隧道土建結構之異狀，需注意之狀況如下： (1)襯砌裂縫：包括裂縫幾何分佈的類型、開裂寬度及深度、延伸長度、開裂速率。其中裂縫之分佈類型，約略可區分為沿隧道長軸方向之縱向裂縫；垂直長軸方向，稱為環向裂縫；及介於兩者間之斜向。安檢尤其需注意閉合型或系統性之結構裂縫。 (2)襯砌材料劣化：混凝土襯砌之影響因子繁多，須針對不同之隧道區段，定期檢測加以監控混凝土中性化深、強度值及鋼筋電位值，以確認其襯砌材料之劣化程度。 (3)變形：公路隧道之淨空變形要求雖不若軌道型隧道嚴苛，但襯砌之裂損常伴附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-7 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處隨淨空變化而產生，此部份需了解之淨空變化可包括淨空變形量及形狀變形、變形速率、整環錯移或下陷。如整環縱向位移、轉動及形狀改變；一般隧道之整體位移以下陷、側向移動較為常見；形狀改變現象則有頂拱下陷、側壁擠入、仰拱上浮及側向或斜向扭曲。 (4)滲漏水：位置、水量、水壓為基本之安檢需求資料，其中但水量、水壓之量測可大略估計襯砌背後地下水位高度；含砂量可估計背後空洞形成的速度，白華量、銹染、氯離子含量等則可與混凝土劣化程度相互比較連結，以瞭解混凝土在該環境下的劣化速度。對於局部滲漏水直接滴漏於行車車道中尤需注意。 (5)地表變形：地滑、地表沈陷。當隧道覆蓋厚度不足時，地滑的跡象可了解是否有偏壓的情況及其影響大小，而地表沈陷則可能出現於有鬆動土壓之處。 3.附屬設施於設計方面之考量雖不直接提供支撐力，但當其出現異狀時，有損及隧道服務性能之虞，甚或進一步擴大損害的可能，此部份異狀需注意狀況如下： (1)避車洞：隧道常因設置避車洞而擴大斷面，造成整體環狀支撐之勁度下降，當受到局部較大的外力時，如地震，應力集中，易於避車洞頂部混凝土開裂，甚至延伸至隧道主體，造成於避車洞上方主隧道襯砌破損。集集地震時於中部震度較大地區，即常發現此類情況。另亦常因設計或施工不當，如避車洞設於兩環之施工縫處。 (2)地面或路面：在未設仰拱的情況下，常無法抵抗現地應力，造成地面或路面隆起現象，甚至隧道側壁襯砌之起拱線亦常發現裂損進而滲漏之情形；座落軟土之公路隧道，則常因沉陷、施工瑕疵等因素，造成基礎裂損，於高水位之區域其隧道路面可能鼓起或經重車輾壓而易造成鋪面破損頻繁；於山岳隧道則路面破裂亦容易使地下水浸入，進而造成岩材弱化，尤其於泥岩等軟弱岩盤狀態下，在車輛之動態荷載下常造成噴泥的現象；變形過大時，路面會扭曲或跳動，而造成行車上的危險。行車車道有積水問題則需注意及處理，另已坑洞化之局部破損鋪面亦需儘速處理。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-8 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (3)排水溝：因外力變化造成破裂，破裂又使水流入原來無水之區域，周圍地盤因乾溼循環而弱化或加速混凝土劣化，甚或造成流路，帶出土砂，造成下方空洞；另水溝或截水溝蓋板因與鋪面有高差，易於車輛輾壓後產生彈跳，亦需注意。 (4)排水孔：在排水隧道，因受力變形或土砂流入導致堵塞，致使地下水位上升，水壓昇高，造成更多滲漏水自裂縫流出，甚或擴大襯砌破裂 4.此外，如檢測調查之資料不完全，致不能確實評估隧道異狀之產生原因時，且影可能影響隧道之營運，鄰近邊坡、房舍、水系與自然災害(如颱風、地震、土石流) 等周圍環境狀況需辦理調查。六、安檢計畫安檢計畫應考慮安檢目標與範圍、隧道型式、特性及可能之異狀種類，決定安檢之項目、順序、方法、範圍、數量、精度、交通維持方式、輔助調查方式/設備與期間。安檢計畫需有適當之彈性或分段辦理，俾利執行時得以配合現地實況，適度補充安檢項目或調整檢測位置。解說： 1.交通隧道之安檢應對自隧道全線以及隧道有異狀之範圍進行概略檢查開始，繼而進行個別的、局部的異狀之詳細調查，可依安檢目的的需求、工作預算、及數量等因素分階段實施。初期為掌握異狀發生位置，宜採全面性的普查，初步評定其安全等級，繼而為釐清異狀產生原因，具應採用更精密、深入的檢查方式，俾利安全評估及獲取修復補強資料等資料。隧道安全檢測作業不限定採用非破壞性檢測技術。 2.擬定安檢計畫時，須明瞭擬檢測隧道之施工型式、隧道配置、隧道長度以及使用現況等基本資料，並針對施工過程遭遇之地質岩體分類、不良地質分佈範圍、計測變形資料、困難施工範圍、區域地質構造、自然災害種類/頻率及例行維護附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-9 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處管理記錄等資料進行詳細的搜集、整理與檢討。 3.安檢計畫應以敘明安檢調查方法、實施範圍、實施位置、實施數量以及實施順序等為主，計畫之編擬至少應包括下列內容： (1)安檢目的。 (2)隧道概況(隧道位置、隧道施工狀況、隧道構造斷面與型式、結構配置、地質及水文、初步瞭解之異狀種類與概況等資料搜集成果)。 (3)安檢調查構想。 (4)安檢調查工作項目與內容(原理、工作執行方法、輔助設備、執行範圍與數量、記錄表格、安檢預期成果)。 (5)安檢工作交維與封鎖管制方式規劃。 (6)安檢工作組織規劃及聯絡方式。 (7)安檢工作預定進度及期限。 4.安檢計畫應具適當彈性，以應現地具變化狀況及實際與先前獲得之資料差異甚大時應變之需要。七、安檢構件管理為永續化之執行公路隧道安檢，交通隧道主管機關應考慮隧道之結構型式、結構配置、結構構件、安全設施種類等及可能之異狀種類，訂定管理代碼或配合資料庫之建立，以提昇管理效率及智慧化之管理。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-10 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處解說： 1.交通隧道之種類可包括有公路隧道、鐵路隧道以及捷運隧道等，其構築型式亦可包括有明挖覆蓋、傳統工法、沉埋工法與 NATM 工法等，其種類及構造型式複雜，為永續進行效率化及智慧化之交通隧道安檢作業，隧道主管機關應考量為其結構配置、結構構件、安全設施種類訂定管理代碼，或掃描襯砌表面影像、製作異狀展開圖並針對各異狀訂定追蹤管理系統，必要時則可配合建立資料庫進行智慧化之管理。 2.以長大型之交通隧道為例，其主要之結構配置可包括有隧道、聯絡通道、通風豎井、排水系統等類，可目視之結構構件則可包括有襯砌、施工縫、塗裝等。 (2) 檢測對象與技術一、檢測對象安全檢測應針對可能影響隧道結構安全性與耐久性的土木建築結構與附屬設施，包括隧道環境狀況、隧道主體結構以及附屬設施等，採取適當的檢測方法或技術進行檢測工作。解說：廣義的交通隧道安全檢測作業，檢測對象應包括隧道環境狀況、隧道主體結構以及附屬設施等。二、隧道環境狀況調查凡公路隧道之洞口段或淺覆蓋段之襯砌發現具系統性裂縫、開裂、滲漏等狀況，經檢討得擇適當之地質調調查與非破壞性安全檢測方法，以提供檢討地盤穩定性及推估受偏壓之可能性因素，以評估洞口段結構或淺覆蓋段結構之安全性。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-11 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處解說：對於隧道相關地形、地質及地下水條件之調查項目可參考附表 3-2 辦理。附表 1-2 隧道相關地形、地質及地下水條件之調查項目(黃燦輝與鄭富書，1997) 調查項目資地彈水地鑽孔內檢測地質調查法料表性文下孔速電孔溫調勘波調水探度氣徑度查查調查調查檢檢檢檢查查測測測測標孔室準內內貫荷試入重驗試試驗驗地層滑動、崩壞地 ○ ○ ○ 地形偏壓地形 ○ ○ 覆土厚度 ○ 地質分布 △ ○ △ ○ △ △ 地質構造斷層、褶皺 △ ○ ○ ○ △ 岩石、土質名稱 △ ○ ○ △ 岩相 △ ○ ○ 岩質、土質裂隙 △ ○ ○ ○ 風化、變質 △ ○ ○ ○ △ 固結程度 ○ △ ○ △ △ ○ ○ 含水層 ○ ○ ○ ○ ○ ○ △ 地下水地下水位 △ ○ ○ 透水係數 ○ 單軸壓縮強度(無圍 △ ○ 壓縮強度) △ ○ 力學的性質凝聚力、內部摩擦角變形模數、波森比 △ ○ ○ ○ N值地盤彈性波速度 ○ ○ 超音波速度 ○ 密度 ○ 物理的性質粒徑組成 ○ 液性限度、塑性限度 ○ 含水比、吸水比 ○ 粘土礦物 ○ 礦物化學的性浸水崩壞度 ○ 質吸水率、膨脹率 ○ 註：○表有效的調查項目或方法，△表調查項目或方法的有效性依場合而定附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-12 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處三、隧道主體結構安檢調查應充分瞭解適用於公路隧道之安檢方法與功能、特性，而選用適合安檢對象及安檢目標、精度之適當項目與技術。解說： 1.進行交通隧道之安檢，隧道之基本資料需予掌握，此部份之調查項目，可參考附表 1-3 辦理。 2.對同一之襯砌構件，因調查之目的不同，而會有不同之方法，如襯砌之厚度，可以透地雷達之非破壞性檢測方式進行安檢，亦可以破壞性之鑽心方式直接進行調查，抑或裂縫之調查，可以速率較慢之目視方式辦理，或以高速率之襯砌表面掃瞄(如 GRP5000、TS60、CDS 等)儀器進行記錄辦理；由於各種非破壞性檢測技術之檢測原理、適用性與精度均略有不同，故不同檢測階段適用情況檢討可參考附表 1-4。 3.公路隧道與鐵路隧道之安檢項目與適用性原則上大同小異，差異不大，但國內公路隧道多為 1960~2000 年所興建之隧道，部份於結構方面(如洞口段)多有配筋，配筋段檢測不易，採電磁法檢測需注意其干擾及精度解析。 4.於不同之隧道檢查與安全檢測階段，對於不同之檢測對象，建議需注意之項目可參考附表 1-5 所示。另依據各種非破壞性檢測技術的原理與特性，整理各檢測對象與項目適用的非破壞檢測技術，如附表 1-6 所示。檢測環境特殊時得視情況調整應用之。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-13 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處四、安檢原則 1.凡交通隧道已發現具系統性裂縫、開裂，經安全評估已需進行穩定處理者，應另辦理安全檢測調查，以充分瞭解並掌握影響因素，以供修復補強措施之用。 2.對於無設防水膜之老舊公路隧道，為瞭解襯砌狀況，必要時於經主管機關同意，得採鑽孔調查之破壞方式進行非破壞性檢測項目之驗證及輔助評估。 3.隧道安全設施於正常或緊急之狀況下應可正常運轉及動作。解說：無五、隧道監控交通隧道於營運使用階段可能受周圍環境變異、工程開發，甚或其他自身結構老劣化等因素之影響而降低其服務水準，主管單位應考量實施長期之觀測或配合精密之監測儀器進行監控。解說： 1.此部份主要可考量具高災損潛能區位之結構及周圍環境監控，包括地盤沉陷位移、隧道結構變位、襯砌剝落、隧道結構接頭鬆脫(沉埋隧道)、穿越斷層或破碎帶位置之代表性區段地盤下陷/錯動、邊坡滑動、洞口落石等情形，另亦可對潛在之結構或營運不利影響因子進行長期量測，如空氣品質、水質、水量、噪音等。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-14 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 2.另隧道若已發現特殊之異狀，為判明其影響性、變化速率或原因判別，主管單位應可考量設置適當之精密監測儀器進行監控。附表 1-3 隧道基本資料調查項目(黃燦輝與鄭富書(1997)建議) 調查項目調查資料來源路線名稱、里程、兩邊之工程日誌站名工程記錄隧道總長災害記錄斷面形式竣工圖構成隧道的諸線路等級維修的帳本要素線路構造線路縱斷面圖線路坡度線路平面圖資料庫曲線半徑運轉上的限制條件縮影片空間配置是否採電氣化方式建造年份、經歷年數設計、監造者施工業者施工記錄隧道的經歷補強、補修的記錄使用的歷史(經歷) 以往異常狀態的經歷災害的經歷將來計劃斷面尺寸襯砌厚度隧道的構造材質有無仰拱、支撐(strut) 備註藉由持續不斷之資料收集與整理，以能隨時提供所欲瞭解的情報附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-15 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附表 1-4 各種非破壞性檢測技術於不同檢測階段適用情況檢討非破壞性檢測技術光學技術導電與電子技術類物理波動技術類其他類目視/攝影/ 錄影檢測隧道淨空測量隧道影像掃描 (TS360 系統) 隧道影像掃描(DIBIT 系統) 熱紅外線掃描透地雷達檢測主要內容襯砌表面龜裂觀察、滲漏水襯砌、路面變位測量隧道全斷面灰階影像、溫度分佈影像、淨空剖面檢查適用情況標準標準檢測檢測 I II 詳細檢測 ○ ○ △ △ △ ○ ○ △ － ○ ╳ ╳ － ○ ╳ ╳ － ○ ╳ ╳ ╳ △ ○ ○ ╳ △ ○ ○ ╳ ╳ ╳ ╳ ╳ ╳ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ╳ ╳ ○ ○ △ △ ○ ○ △ △ ○ ○ 隧道全斷面灰階影像、隧道全斷面溫度分佈影像襯砌厚度、鋼筋位置、襯砌中存在的缺陷多相線性陣襯砌厚度、鋼筋位置、襯砌列電磁波雷中存在的缺陷達自然電位法鋼筋腐蝕電阻法鋼筋腐蝕敲擊回音法裂縫幾何及分佈超音波檢測裂縫幾何及分佈混凝土強度混凝土強度錘測試槍混凝土強度說明：○最適用，△適用，╳不適用，—視情況而異。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 –附 1-16 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書附表 1-5 隧道安檢各階段的檢測對象與項目檢查檢測階段檢查項目裂縫分佈裂縫寬度與發展速度襯砌淨空變形表面滲漏水 2 勾縫材料鬆落剝落襯砌內部缺陷襯砌厚度裂縫深度襯砌襯砌強度與完整劣化程度性鋼筋銹蝕與保護層厚度 2 勾縫劣化襯砌背後孔洞初次檢查(測) 尚無明顯已有明顯新完工異狀之營異狀之營隧道運中隧道運中隧道 1 ◎ ◎ ◎ 平時巡查－新完工隧道 ◎ － ○ 1 隧道檢查定期檢查一般重要 30 年以隧道隧道上隧道 ◎ ◎ ◎ 臨時檢查一般已出現異隧道狀隧道 ◎ ◎ ○ ○ 安全檢測標準檢測 I II 詳細檢測 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 1 ○ ○ ◎ ◎ ◎ 1 ○ ◎ ○ ◎ ◎ ○ ○ ○ ◎ ○ ◎ ◎ ○ ○ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ －－ ○ ○ －－－ ○ ○ ○ ◎ △ －－ ○ ○ ○ ◎ －－－ ◎ ◎ ○ ◎ ○ △ ○ ◎ ◎ ○ ◎ ○ △ ○ △ ○ ○ ◎ △ －－ △ ◎ ○ ◎ ◎ ○ ○ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ○ ○ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ○ ○ ◎ －－－ ○ ○ －－ ○ ◎ ◎ ○ ○ ◎ －－－ ○ ○ －－ ○ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ △ ◎ △ －－ ◎ △ ◎ △ ◎ △ ◎ △ ○ － ○ △ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ 說明：1.◎表極重要項目，○表重要項目，△表視情況選擇項目，－表非重要項目 2.僅於磚造隧道適用附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-17 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書附表 1-6 隧道安檢各檢測項目適用的非破壞性檢測技術檢測技術檢查項目裂縫分佈裂縫寬度與發展速度襯砌淨空變形表面滲漏水勾縫材料鬆落剝落襯砌內部缺陷襯砌厚度裂縫深度襯砌襯砌強度與完整劣化程度性鋼筋銹蝕與保護層厚度目視攝測繪影錄影電射掃描光源式攝像 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 電子式裂縫計載玻片量測、裂縫尺貼玻璃片 ○ ○ ○ 固定點測量斷面形狀測量 ○ ○ 熱紅外線掃描透地雷達 ○ ○ ○ ○ ○ ○ 打擊聽音法 ○ ○ 敲擊回音法超音波檢測 ○ ○ ○ ○ ○ ○ 史密電特阻錘、法貫入鎗自然電位法 ○ ○ 勾縫劣化襯砌背後孔洞其他破備壞性檢註測方法之配合 ○ ○ ○ 自然電位法需直接接觸鋼筋 ○ ○ ○ 附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-18 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (3) 隧道安全評估一、成果報告 1.安檢資料應依照對隧道營運安全的影響類型進行分類，或採數位化之方式進行系統式管理，以利長期之累積性分析評估。 2.安檢工作完成後，應撰寫安檢調查成果及評估報告。解說： 1.進行隧道之安全評估應參照隧道之背景資料、安檢成果進行彙整，俾能有效加以評估研析。 2.由於一般辦理維護管理之人員多與施工階段之人員有所不同，為利日後利用及後續者之評估研析，各種安檢紀錄及結果必須適當編輯成冊並數位化與電子化，以利保管及移交，必要時，相關成果宜以資料庫方式進行系統性管理，以避免資料遺失闕漏。 3.安檢調查成果及評估報告可依工作期程及計畫需求區分為安檢調查成果報告及安全評估報告。安檢調查成果報告主要為留存安檢調查成果，以供後續維護管理作業的參考。安全評估報告係專業人員依據安檢成果對隧道結構安全作出之評估及判斷。 4.安檢評估報告應由土木工程技師或大地工程技師校核簽證負責。二、安全評估安檢作業需彙整各項檢測技術所得資料，依據安全評估準則評定隧道的結構安全，針對既存或潛在影響服務功能或服務品質的安全性因素，亦應提出預警與建議。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-19 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處解說： 1.交通隧道的安全程度必需考慮結構性的安全穩定以及影響服務功能或服務品質的安全性因素，前者包括力學上的承載能力或耐久性能等隧道整體結構安全，後者則著眼於通行者的安全，如局部的襯砌剝落直接擊中行駛中的車輛、或掉落於路面造成車輛通行的潛在威脅等。安全評估必需針對前述兩種情況分別進行。 2.安全評估必需基於安全檢測過程調查所得的結果，考量異狀的現況、可能的發展性或變異程度、影響的範圍與程度、以及隧道維護的緊急性等因素，綜合評估。 3.依據國內外隧道安全檢測經驗，隧道結構安全可能受下列因素影響： (1)外力產生的異狀 (2)材質劣化產生的異狀 (3)漏水等產生的異狀 4.一般隧道異狀之產生受外在因素(外力變化因素)、內在因素(襯砌材質劣化)及滲漏水而影響，其中外在因素如隧道因地震、邊坡滑動、崩塌與斷層錯動、地盤沉陷位移等潛在性破壞因素。而隧道之內在因素則易在靜態條件下已有異狀產生，或隧道已含有產生異狀的潛在缺陷，在遭受地震等外力問題下，往往可能使這些異狀加速顯現出來，並加劇隧道異狀現況。 5.一般異狀原因很少單獨發生，大部分係多種原因同時發生而造成之異狀，抑或肇因於興建階段之設計與施工品質不良所致。由於隧道係地下結構物，作用於襯砌的外力以及襯砌狀態通常甚難充分明確掌握。一般均依異狀之特徵或簡單之檢測結果，據以推估異狀產生原因，其推估過程中，經驗因素比重仍大。隧道襯砌異狀的可能因素甚多，經日本土木學會彙總可如附表 3-7 所示。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-20 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附表 1-7 異狀原因分類表(日本土木學會, 2003) 與結構因素物關係分類外在因素內在因素自然因素人為因素地形：偏壓、地滑鄰近施工(開挖、回填、蓄排水) 地質：膨脹壓、擠壓、隧道上方其它(列車行駛振動、空氣壓力變鬆動岩土重壓、地盤沈陷、基腳動等) 外力之地盤承載力不足地下水：水壓、凍脹壓地震、地殼變動老化：中性化、風化、劣化火災環境漏水、有害水煙害鹽害、凍害骨材含泥量異常凝結材料混凝土打設時之溫濕度鹼骨材反應溫差應力(與養護有關) 乾縮(與養護有關) 養護不良過早拆模拆模時引發之突發荷重粒料分離襯砌背後空洞不均質之打設施工混凝土模具下陷接縫、施工縫施作不良打設中斷(形成冷縫) 支保下沈、振動防水工施作不良襯砌厚度不足防水工設計不良襯砌厚度不足混凝土強度不足側壁陡直設計側壓土重不足無設計仰拱排水工不良保護層不足，或無隔熱設計附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-21 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處三、安全評估等級之分類交通隧道安全等級之分類需配合維護管理作業需求與目的，考量不同的執行階段與執行方式所獲得的資訊，確實反映隧道現況與危害程度的級別，提供維護管理計畫的基本資料或緊急處理措施的參考。解說： 1.隧道安檢作業可分為初次檢查(測)、隧道檢查以及安全檢測等類別，檢查階段多以目視檢測為主，以早期發現異狀或發展性為主要之目的，一旦檢查階段發現隧道有異狀或異狀有變位時，則需判斷是否進行檢測作業，故其安全評估之結果需說明隧道是否可能有影響服務功能或服務品質的安全性因素，以及是否有進行安全檢測的必要性。 2.初次檢查(測)作業視檢測的項目與執行方式，其安全評估至少應達定期檢查階段的要求，惟國內部份隧道因完工年代已久，初次檢測作業可能無法完全蒐集安全評估所需資料，故可能無法全面性進行安全評估。此情況應於下一次進行的定期檢查中補足。四、檢查階段之安全評估方式公路隧道於檢查階段之安全評估旨在根據檢查記錄，以行車安全為前提儘早進行隧道等級評定，以決定後續階段之處理措施。解說： 1.發現影響行車安全之異狀時，須檢討進一步實施安全檢測工作(標準檢測等)之必要性，以掌握並深入瞭解隧道之實際穩定狀態。 2.檢查階段之隧道等級分類係依異狀程度分為 I、II、III 等三類，分類之目的在於附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-22 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處發現隧道異狀時，隧道檢查員可迅速決定處理對策。當判斷異狀對於車輛通行造成危險時，屬等級 III，除繼續實施交通管制等應急措施與對策，並應儘快實施安全檢測。當隧道異狀對車輛造成之影響不明確時，則屬等級 II，應擇期進行安全檢測。當隧道無異狀或異狀輕微時，屬等級 I，無實施安全檢測之必要，僅須配合隧道主管機關相關之養護體系繼續執行一般日常之檢查即可。其中若各類檢查項目所評定之隧道等級同時出現 III 與 II 等級時，則應以等級 III 為隧道之總體檢查安全等級。檢查階段隧道安全等級分類與評估標準，可參考附表 1-8 所示附表 1-8 檢查階段之隧道等級分類(黃燦輝與鄭富書，1997) 隧道等級處理對策之緊急性異狀程度 I 無異狀，即使有異狀亦屬輕微者無有異狀發生，惟尚不對交通造成障礙，施做初步維修並擇期實施安尚屬安全 II 有檢討是否應補強或修復之必要性全檢測異狀非常明顯，經研判無法確保通行車需立即施做初步維修並實施危險 III 輛之安全，必須實施緊急措施以及初步安全檢測，據以研擬正式復維修舊計畫安全附註：檢查階段之隧道等級係依據各調查對象之異狀影響行車安全之嚴重性，併考量處理對策之緊急性(即隧道是否需立即進行初步維修)，一般係以隧道整體為同一隧道等級評定之，惟必要時，可針對個別區段進行評定。隧道等級之決定，係以評定之各檢查對象中最危險等級之評定項目為準。 3.地下結構物之力學行為複雜，不易正確地檢查或預測，因此在隧道等級之評定上仍須輔以豐富之隧道工程知識與經驗。檢查人員可依各項檢查記錄資料建立異狀診斷表如附表 1-9，評定隧道等級，以儘早掌握處理時機。檢查階段隧道等級之評定應視檢查對象及異狀種類而定，並考慮異狀之型態與進展性等，以決定其評定基準。等級 II 與 III 之評定可參考附表 1-10 之隧道等級評定要項判定之；惟仍宜由有經驗之隧道專家為之。 4.鐵路隧道與捷運隧道因列車行駛造成較大的振動以及空氣壓縮的效應，可能形成較大的外力造成襯砌剝落，當隧道檢查發現襯砌裂縫，應採打擊聽音判別剝附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-23 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處落的可能性時，若屬濁音，則應立即建立異狀診斷表並實施初步維修工作，並列入未來進一步實施安全檢測之計畫。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-24 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附表 1-9 隧道異狀診斷表例區段位置斷面隧道名：里程：161k+320 區段編號：54 座標：E 形狀：馬蹄形高度：5 m 寬度：5 m 抑拱：有襯砌平均厚度：30cm 工法：傳統隧道工法用途：單孔電化鐵路其它：施工縫底部擠入區外張區側壁頂拱肩部頂拱肩部擠入區側壁襯砌內面異狀展開圖 N 起拱線頂拱中央線起拱線底部邊溝擠入區地面地面中心線 : 開裂 : 滲漏水 : 剪裂 : 其它劣化或襯砌材料不佳 : 劈裂襯砌本身無劣化區避車洞：小型避車洞側溝：向內擠壓破損附屬設施排水孔：無水、扭曲其它：電力架鬆脫空洞位置：頂拱中央縱長：3m 環寬：0.5m 厚：0.1m 岩性：砂頁岩薄互層相當 GSI：35 岩體分類：IV 膨脹潛勢：3 地盤材料主要弱帶與隧道軸向夾角：主要弱帶傾角：NA NA 水量：滴水(3) 形態：季節性間歇流水(2) 水文上游蓄水區：無上游集水區：20 公頃垂直覆蓋深：100m(2) 環向水平覆蓋深：200m(4) 現地應力縱向水平覆蓋深：300m(4) 鄰近地盤加解壓情況：無地震：無地滑或偏壓：無頂拱剝離清除裂縫修補受力模式塑性壓維修補強建空洞灌漿回填判別/整體頂拱上方空洞議異狀成因仰拱加鋼筋重鋪側壁肩部施打岩栓附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-25 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附表 1-10 檢查階段隧道等級Ⅱ及Ⅲ評定要項(黃燦輝與鄭富書，1997) 等級 III 等級 II 龜裂快速進展(裂縫寬度變形速率＞頂拱龜裂寬度達 3mm 以上 0.2mm/日，裂縫長度變化速率＞0.3m/ 龜裂且長度達 5m 以上之規模，日)，有呈塊狀掉落之可能性，恐對交且數量多時。通造成障礙時。混凝土有剝離及剝落等現象，或浮起浮起、剝未來可能造成剝落、浮起(擠部分有剝落之可能性，恐對交通造成壓)現象時。襯砌離、剝落障礙時。施工縫分施工縫錯動、開裂等，導致止水板或左述現象之發生對交通不離及錯動填縫料掉落，恐對交通造成障礙時。致造成障礙時。大規模之漏水，雖對交通不漏水因大規模之漏水，對交通造成障礙時。致造成障礙，但對隧道內之設施有不良之影響時。因龜裂使混凝土有剝落之可能性，恐左述現象之發生對交通不龜裂對交通造成障礙時。致造成障礙時。雖有較大之浮起、剝離及剝浮起、剝隧道頂拱附近發生浮起、剝離及剝落落現象，但對交通不致造成離、剝落現象，恐對交通造成障礙時。障礙時。以目視即可評定有明顯傾斜及沉陷洞門及洞傾斜時。又洞門背面及襯砌表面有清晰之左述現象之發生對交通不口邊坡、沉陷輪狀龜裂及傾斜之徵兆，恐對交通造致造成障礙時。成障礙時。因混凝土保護層掉落，致使鋼筋外左述現象之發生對交通不鋼筋外露露，恐對交通造成障礙時。致造成障礙時。邊坡有移動、下陷、龜裂、產生滑落左述現象之發生對交通不地表滑動崖、滑落崖擴大或隧道下方邊坡擠壓致造成障礙時。隆起，對交通造成障礙時。內裝變形、有大規模之變形、破損、脫落，無法內裝修飾版脫落，對交通造修飾版功能受損維持功能，並對交通造成障礙時。成障礙時。因土砂堆積、阻塞及不明原因，使排左述現象之發生對交通不積水水溝產生積水，對交通造成障礙時。致造成障礙時。路面及錯動、龜因側向及底面之應力變化，使路面及排水設施裂、路面左述現象之發生對交通不排水設施產生錯動、龜裂、路肩變形，及路肩致造成障礙時。對交通造成障礙時。變形檢查對象異狀種類通風、照明機械故震後通風及照明設施受損脫落、供電通風、照明等附屬設施脫等附屬設障、系統系統故障，對長大隧道通車營運造成落，對交通造成障礙時。施功能受損嚴重影響時。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-26 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處五、檢測階段之安全評估方式交通隧道於檢測階段之安全評估，主要是以隧道安全性是否能維護隧道預期功能及服務水準為考量，並參考異狀進展狀況、特徵及相關安檢結果，將修復處理措施訂定緊急次序。解說： 1.此階段係根據全盤(或重點部位)檢測成果加以詳細確認，對隧道異狀原因、程度作更深入之研析與探討。除了隧道結構安全性之外，通風、照明、消防等安全設施之預期服務水準維持及影響亦宜考慮納入評估。 2.以公路隧道為例，隧道等級可依對用路人及車輛安全之影響、對結構物安全之影響、對維護管理作業之影響及異狀之程度等四項進行個別評定，分類可分為甲、乙、丙、丁四級，如附表 1-11 所示，其中以甲級最為安全，接下來安全性遞減，至丁級時安全性最差。 3.各隧道主管機關可參考附表 1-11 內容，依所管轄隧道之性質，進一步加以修正，以訂定合宜之隧道等級分類標準。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-27 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附表 1-11 隧道等級分類與評估標準(黃燦輝與鄭富書，1997) 判定因素隧道對用路人對結構物對維護管異狀之程等級及車輛安安全之影理作業之度(詳附全之影響響影響註) 甲目前尚無目前尚無影響。影響。將來會變將來會變成重大。乙成危險。 (未來可能達丙等級) 遲早造成威脅，異常遲早會變丙外力作用成重大。下危險。丁危險重大幾乎無影響中等大明顯處理對策之緊急性經安全檢測後，無異狀或異狀輕輕微微，目前對路人及車輛尚無影響，惟仍須進行監視或平時檢查。異狀進行經安全檢測後，有異狀之發生，中，有功將來可能達到丙等級並對路人及能降低之車輛造成危險，須進行重點監可能。視，並須有擇期實施處理對策。異狀進行經安全檢測後，有異狀之發生，中，功能且異狀仍持續進行中，遲早對路亦持續降人及車輛造成危險，須儘快採取低中處理對策。經安全檢測後，異狀嚴重，對路重大人及車輛造成危險，須立即採取處理對策。 4.由於劣化現象種類繁多，各種劣化程度亦有不同，除隧道襯砌結構外，於洞口邊坡穩定、邊坡保護工、洞口排水設施、通風/消防/號誌/路面/內裝修飾版/排水 /照明等其他附屬設施主要異狀，則可配合上述甲、乙、丙、丁四級之劣化程度評估標準進行安全評估，詳附表 1-12。附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-28 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附表 1-12 隧道設施之劣化程度評定基準檢測項目劣化現象 1.洞口邊坡地表滑動穩定 2.邊坡保護保護工損壞工劣化程度 1. 無破壞跡象。 2. 坡面樹木或電線桿輕微傾斜；地表有小裂縫產生；坡面潮濕。 3. 坡面樹木或電線桿傾斜；地表產生張力裂縫；土石零星掉落；坡面滲水。 4. 坡面樹木或電線桿傾倒；地表張力裂縫貫穿坡面；地表滑移；土石崩落；坡面流水。 1. 無損壞跡象。 2. 地錨錨頭或岩釘頭輕微開裂剝離；坡面噴漿或混凝土格樑輕微龜裂；擋土牆或卵(塊)石護坡輕微外凸，牆角或坡面有少量土石。 3. 地錨錨頭或岩釘頭鬆脫，錨釘外露、銹蝕；坡面噴漿或混凝土格樑開裂明顯；擋土牆或卵(塊)石護坡開裂外凸，牆角或坡面有土石堆積。 4. 地錨或岩釘鬆脫、銹蝕嚴重；坡面噴漿或混凝土格樑嚴重開裂、保護工有掉落之虞；擋土牆或卵(塊)石護坡開裂錯動或傾倒。評分甲乙丙丁甲乙丙丁甲乙 3.洞口排水排水設施阻丙設施塞丁 1. 通風設施功能正常。甲通風設施髒污，影響通風品質。乙通風設施功 2. 3. 通風運轉不順或設施錨固有鬆動、歪斜現象。 4.通風設施丙能劣化 4. 通風設施故障，無法提供通風功能；通風設施錨固鬆脫，丁 1. 排水功能正常。 2. 排水設施(明渠、截水溝、排水孔等)部份淤塞。 3. 排水設施(明渠、截水溝、排水孔等)阻塞。 4. 排水設施(明渠、截水溝、排水孔等)完全失去功能。 5.消防設施 6.號誌標線 7.隧道路面消防設施損壞號誌損壞或標線不清有掉落之虞。 1. 無損壞情形。 2. 消防設施(警報顯示板及號誌、避難方向指示、火警偵測器、滅火器、消防栓等)少數設備損壞或無法發揮功效，不影響消防功能。 3. 聯絡道阻塞，車輛無法順利通過；消防設施(警報顯示板及號誌、避難方向指示、火警偵測器、滅火器、消防栓等) 超出一半損壞或無法發揮功效，影響消防功能。 4. 聯絡道阻塞，行人及車輛無法通過；消防設施(警報顯示板及號誌、避難方向指示、火警偵測器、滅火器、消防栓等) 多數損壞或無法發揮功效，嚴重影響消防功能。 1. 無損壞情形。 2. 部份交通號誌燈亮度不足或髒污，路面標字、車道線或反光路面標識部份模糊或不清，不影響行車安全。 3. 交通號誌燈部份故障，路面標字、車道線或反光路面標識部份無法辨識，可能影響行車安全。 4. 交通號誌燈全部故障，路面標字、車道線或反光路面標識無法辨識，易導致交通意外事故。路面沉陷或 1. 路面無異狀。 2. 路面微小沉陷或隆起，不引起使用者不舒適感。隆起 3. 路面沉陷或隆起或有坑洞，引起使用者明顯不舒適感。甲乙丙丁甲乙丙丁甲乙丙附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-29 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 4. 路面明顯沉陷或隆起，路肩變形或有坑洞，可能導致交通意外事故。丁甲乙 8.內裝修飾裝飾板鬆脫丙版丁 1. 排水功能正常。甲 2. 排水設施部份淤塞，水流受到阻礙但排水設施仍具有功乙排水設施阻能。 9.排水設施丙塞 3. 排水設施阻塞嚴重，水流受到嚴重阻礙。丁 1. 內裝飾版情形良好。 2. 部份內裝修飾版或磁磚鬆脫，不影響交通。 3. 部份內裝修飾版或磁磚脫落，對交通造成影響。 4. 大規模內裝修飾版變形、破損、脫落，對交通造成障礙。 4. 排水設施完全阻塞，路面積水漫流。 10. 照明設照明設施損施壞 1. 無損壞情形。 2. 部份照明設施損壞或照明亮度不足，不影響使用者安全。 3. 多數照明設施損壞，燈具有掉落可能性，能見度不足，可能影響行車及路人安全。 4. 照明設施嚴重損壞，易導致交通意外事故。 11.護欄 1. 無損壞情形。 2. 護欄螺栓鬆動，少許扭曲，金屬欄杆輕微銹蝕，不影響其原有功能。 3. 護欄扭曲明顯，金屬欄杆銹蝕嚴重，部份功能喪失，影響使用者之便利與安全。 4. 護欄傾倒、嚴重損壞，原有功能喪失，可能導致交通意外事故。護欄劣化甲：良好或無此項目乙：尚可丙：差甲乙丙丁甲乙丙丁丁：嚴重損壞附錄一隧道安檢管理準則之初步建議 – 附 1-30 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例案例隧道係受震後受損嚴重，經隧道內之踏勘調查，部份較嚴重之破損現象如附圖 2-1~附圖 2-6。為探討其受損的原因，本研究挑選隧道的兩個區段，應用前述的檢測判別流程，說明如後。案例隧道之基本資料如附表 2-1。選出二處之整體異狀區段，分別將基本資料與檢測資料，填入檢測圖表如 161k+300(附圖 2-7、附表 2-2)、161k+400(附圖 2-8) 與 164k+775(附圖 2-9、附表 2-3)，以下就各處依隧道襯砌表面與底面、襯砌本身完整性、襯砌與地盤界面、周圍地盤之順序討論之。 161k+300 之表面異狀為避車洞上方襯砌環狀大片崩落，露出背後防水膜，表面並無滲水現象，斷面形狀為一較寬扁之多心圓。襯砌本身及其與地盤之界面，經透地雷達檢測，頂拱上方混凝土密實度不佳，且有背後空洞或鬆動之地盤存在，此區段兩側配置大型避車洞。周圍地盤狀況，經比較地質及施工紀錄，得知該區段位於斷層帶，周圍地盤軟弱，岩體分類為 IV 類岩體，施工時曾發生頂拱坍落現象及近 4%之擠入變形，顯示上方地盤鬆動趨勢大。因此初步判別此區段之主要異狀成因有(a)頂拱襯砌品質不佳、(b)襯砌背後空洞、(c)周圍地盤軟弱、坍落潛勢大、(d)兩側避車洞配置於同一里程，較扁之環向結構形狀對上方荷重之承載較不利。 164k+775 之表面異狀為連續縱向頂拱上方中央劈裂且向上浮起變形，表面並無滲水現象。襯砌本身及其與地盤之界面，經透地雷達檢測，頂拱上方有背後空洞或鬆動之地盤存在。周圍地盤狀況，經比較地質及施工紀錄，得知該區段近於一背斜軸部，岩性為厚砂岩夾薄頁岩，岩體分類為 III 類岩體，施工時曾發生近 2% 之擠入變形，顯示擠壓潛勢大。因此初步判別此區段之主要異狀成因有(a)頂拱襯砌品質不佳、(b)襯砌背後空洞、(c)周圍地盤軟弱、坍落潛勢大、(d)兩側避車洞配置於同一里程，環向結構形狀對上方荷重之承載較不利。附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-1 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處隧道外調查依整體異狀之出現位置，依廣域環境條件，分佈大略可分為三區，並以地理資訊系統疊合異狀區於地質、地形圖上，如附圖 2-10 及附圖 2-11，將區域環境條件區分其中 A、B、C 為第一區，D、E、F 為第二區，G、H 為第三區。第一區之覆蓋深約為 25~45m，岩體為 IVa 類，為斷層破碎帶，岩性以砂頁岩互層為主，主要弱帶之走向與隧道走向夾角約 70 度，無偏壓地形，上方溪流集水區小，無常流之地下水，發生異狀區皆有避車洞，異狀以避車洞上方剝落及頂拱頂端之縱向開裂為主，綜合研判除地震振動外，所受外力以垂直之鬆動土壓為主，加上避車洞的設置使得整環之勁度較小，弱帶走向與隧道走向夾角較大，對隧道不利影響於縱向之延續性較小。二、三區之覆蓋深約為 125~150m，岩體為 III 及 IVa 類，鄰近背斜軸，主要弱帶之走向與隧道走向夾角約 20 度，無偏壓地形，無常流之地下水，部份異狀區設有避車洞，異狀以頂拱頂端之縱向擠壓劈裂為主，綜合研判除地震振動外，影響因素有背後空洞及所受水平向外力之塑性土壓為主，且弱面走向與隧道走向夾角較小，易發生縱向延伸較長的不利影響。由附圖 2-12 及附圖 2-13 之隧道內表面展開圖，環狀剝落主要分佈於設有避車洞處，異狀發生處之地質也較差，於 III 及 IV 岩類處最密集，覆土深僅約 40 公尺左右，顯示周圍應力不大；破裂出現於集集大地震發生之後，依此判斷，異狀的發生與較軟弱地盤與勁度較小的支撐襯砌，以及受近地表振幅較大之表面波強制變形有關。附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-2 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處一二三附圖 2-1 隧道沿線區域地質圖與襯砌損壞位置(改繪自王文禮等, 2000) 附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-3 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書北端十六份斷層帶 (僅有局部錯動現象) 南端一二三 0 500m S: H=1/2000 V=1/1000 附圖 2-2 隧道沿線地質縱剖面圖(改繪自王文禮等, 2000) 附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-4 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附圖 2-3 案例隧道 Sta. 161K+300 大型避車洞上方襯砌掉落 (大型避車洞環向混凝土掉落型態) (王文禮等, 2000) 附圖 2-4 案例隧道 Sta. 161K+380 小型避車洞上方襯砌掉落 (小型避車洞混凝土掉落型態) (王文禮等, 2000) 附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-5 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附圖 2-5 案例隧道 Sta. 161K+400 附近側壁及頂拱襯砌掉落，側壁防水膜外露 (側壁混凝土掉落型態) (王文禮等, 2000) 附圖 2-6 案例隧道 Sta. 164K+740 附近頂拱襯砌掉落，防水膜外露 (頂拱肩部混凝土掉落型態) (王文禮等, 2000) 附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-6 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處展左側壁 0° 視拱 30° 60° 里程圖環 90° 60° 右展拱左側壁 0° 30° 0°側壁視 30° 60° 里程圖環 90° 60° 右 30° 0°側壁 161K+400 164K+750 10m 10m 164K+740 161K+390 10m 10m 164K+730 161K+380 161K+430 10m 10m 161K+370 161K+420 161K+310 4 10m 10m 10 161K+410 161K+300 5 10m 10m 161K+400 2.6m 7.1m 7.1m 符號說明避車洞 2.6m 161K+290 2.6m 施工縫 7.1m 裂縫 7.1m 50 2.6m 裂縫寬度估計值 (mm) 混凝土掉落，防水膜裸露混凝土錯動，記號為下方混凝土密實度或完整性不佳區域透地雷達測線位置附圖 2-7 案例隧道震後隧道內表面調查成果(1/2) (王文禮等, 2000) 附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-7 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處展左側壁 0° 視拱 30° 環 90° 60° 里程圖 60° 展右側壁 30° 0° 左側壁 0° 視拱 30° 環 60° 里程圖 90° 60° 右側壁 30° 0° 165K+640 164K+810 10m 10m 164K+800 165K+630 5 10m 10m 10 165K+620 164K+790 164K+880 10m 10m 164K+780 164K+870 20 10m 10m 50 5 164K+770 164K+860 10m 10m 15 164K+760 164K+850 2.6m 10m 164K+840 2.6m 7.1m 7.1m 符號說明 7.1m 7.1m 避車洞施工縫 2.6m 裂縫混凝土掉落，防水膜裸露 50 裂縫寬度估計值 (mm) 混凝土錯動，記號為下方透地雷達測線位置 2.6m 混凝土密實度或完整性不佳區域附圖 2-8 案例隧道震後隧道內表面調查成果(2/2) (王文禮等, 2000) 附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-8 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 161k+300 161k+300 161k+290 161k+310 厚度公尺厚度公尺 ( ( ) ) 震後鬆動帶表示防水層位置震後鬆動帶附圖 2-9 區段一 161k+300 之表面異狀展開與透地雷達檢測襯砌完整性與背後空洞 (a)無仰拱 (b)有仰拱段附圖 2-10 隧道標準斷面(王文禮等, 2000) 附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-9 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 CL CL +6.720 +6.720 噴凝土噴凝土混凝土內襯砌混凝土內襯砌防水層防水層 +3.350 CL 東主線 3.50 CL 西主線 CL 西主線 +1.850 2.00 +2.170 CL 東主線 ±0.000 ±0.000 -1.710 -1.710 有仰拱段有仰拱段 +1.850 2.00 3.50 +1.100 無仰拱段 0 1.0 R= R= 2.2 5 無仰拱段 ±0.000 -0.150 ±0.000 2.00 4.50 標準避車洞標準橫斷面大型避車洞標準橫斷面附圖 2-11 隧道避車洞標準斷面(王文禮等, 2000) 附圖 2-12 案例隧道 Sta. 164K+775 附近頂拱襯砌縱向裂縫 (縱向平行裂縫型態) (王文禮等, 2000) 附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-10 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附圖 2-12 案例隧道軌道扭曲與襯砌崩落(王文禮等, 2000) 附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-11 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附表 2-1 案例隧道設計之岩體分類(王文禮等, 2000) 岩體情況岩體類別分類描述安定岩體 Ⅰ 主要為塊狀砂岩或砂岩與粉砂岩互層。破裂程度小，無斷層帶通過。可能局部滲水或湧水，對岩體強度影響甚小。輕度破裂岩體 Ⅱ 主要由砂岩、頁岩互層組成，夾薄層頁岩。破裂程度輕微，局部地區破碎較嚴重，若無適當支撐將導致楔形破壞。中度破裂或擠壓性 Ⅲ 主要由砂岩、粉砂岩互層組成，夾薄層頁岩。破裂程度顯著增加，多數與斷層帶共同發生，存在不利的不連續面方位。岩體大部份為層面間距相當小而厚度相當大的砂頁岩薄互層。高度高度破裂或擠壓性岩體軟弱無凝聚力地盤 Ⅳa 破裂且交錯頻繁之斷層帶造成顯著的岩體強度減低，此類岩體主要和大斷層帶有關。滲水量仍不嚴重。 Ⅳb 地質特性與Ⅳa 類相似。惟大量的滲水和寬廣的斷層帶造成隧道開挖面不穩定現象。 Ⅴa 主要為紅土礫石層。為不同型式之覆土層，大部份為大卵石與礫石夾雜砂質及沈泥質土壤。 Ⅴb 類似Ⅴa 類，大量滲水且地質鬆軟，開挖面呈不穩定現象。附表 2-2 案例隧道各岩體分類之設計支撐(王文禮等, 2000) 岩體輪進距噴凝土厚 φ25mm 岩栓長頂拱襯砌厚度鋼絲網鋼支保度(m) 分類離(m) 度(cm) (cm) Ⅱ 1.5~1.8 15 3~4 30 φ5×100×100 H100×100 φ5×100×100 H100×100 Ⅲ 1.2~1.5 20 3~6 30 φ6×100×100 H150×150 1.3~1.5 φ5×100×100 H100×100 Ⅳa 20 3~6 30 0.8~1.5 φ6×100×100 H150×150 φ5×100×100 Ⅳb 0.8~1.5 20 3~6 30 H150×150 φ6×100×100 φ5×100×100 Ⅴa 0.75~1.3 25 3~4 30 H150×150 φ6×100×100 φ5×100×100 Ⅴb 0.75~1.3 25 3~4 30 H150×150 φ6×100×100 附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-12 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附表 2-3 案例隧道震害部分整體異狀區影響因素整理(王文禮等, 2000) 混凝變形土密主要震受損輔助工／開支撐結構施工實度害影響型態法／特挖直應力配置災害完整因素等級殊處理徑 (%) 性斷層破大型 5次 161K+3 局部碎帶避三義 Ⅳa 4.1 －避車 A 45 Ⅰ －灌漿 00 附近不佳車洞配斷層帶 (19) 洞補強置斷層破小型岩體破 1 次 0.3 161K+3 碎帶避 Ⅱ、三義 Ⅳa B 33 －避車良好碎，抽灌漿 (註 1) 80 附近 (14) 車洞配 Ⅴ 斷層帶洞心坍落補強置斷層與岩栓小型 Ⅳa 0.3 三義 161K+3 C 24~33 軸力避車不佳良好岩 Ⅳ － (27~3 － 95~430 (註 1) 斷層帶 0) 層界面 8噸洞混凝土小型 164K+7 局部密實度 Ⅱ、 Ⅲ 1.5 －避車 D 122 －－－ 40 附近 (43) 不佳避車洞 Ⅴ 洞配置襯砌 Ⅲ 應力尚待研 Ⅲ、 164K+7 1.5~1 E 126 － (46~6 －－－良好值達 58~810 .8 Ⅴ 究 7) 235k sc 1次高度破 Ⅲ、 164K+8 130~1 Ⅳa F －不佳－灌漿補 2.3 －－ 42~880 50 (19) 碎地盤 Ⅴ 強岩體破前進支碎且遇撐， Ⅲ 擠壓地水弱 3.6~5 165K+6 105~1 G 環挖，灌－－不佳 Ⅱ － (35~3 .5 00~660 10 盤化，擠 7) 漿並重壓支撐設支撐破壞剪裂帶小型寬 165K+8 Ⅳa 2.5 －避車不佳避車洞 Ⅱ H 125 1.5m －－ 00 附近 (38) 剪裂帶配置洞岩體覆蓋斷層帶區震害位等級厚度／剪裂段置 (RM (m) 帶 R) 註 1：該位置接近隧道貫通點 161K+385，變形監測可能無法有效反應隧道行為。附錄二隧道異狀成因與影響因素研判案例 – 附 2-13 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附錄三隧道位移力學機制回溯之方法隧道完工後，工程師便僅能由隧道內部襯砌的變化或預埋之監測儀器得到隧道整體結構之行為，而最容易得到的物理量即為剖面位移，其他隧道內部作用情形如襯砌應力、岩栓所受摩擦力與拉力等均需依賴施工階段裝設之監測儀器方能獲得。因此，若能由隧道剖面位移得到作用於隧道之外力，便可在隧道出現少許位移時由外力分佈來預測未來位移的趨勢，於維修補強時對症下藥，從而大幅延長隧道的使用年限。將不同時間所得同一剖面之形狀相比較，若有所改變則代表這段期間隧道受到外力作用。由於隧道完成後關注焦點在隧道是否能維持其結構穩定，因此本研究的目的是找出兩個檢測時間點之間作用於隧道的外力，而非自開挖以來的所有外力。藉由分析檢測所得之剖面資料，可觀察出隧道是否持續受到足以影響安全與營運的外力，由詳細的外力分佈並可得知何處最可能發生破壞。以下將本研究所提出之外力回溯方法做一介紹。由研究流程開始，講述分析軟體的原理、兩個基本模型和從數個案例的分析結果統整出來的位移分離方法，最後總結外力回溯法之操作流程以及未來發展。一、研究方法為找出造成隧道位移的外力，本研究擬由多組已知外力與此外力造成之隧道位移歸納出系統性的外力回溯方法。研究方法為以數值分析軟體 ABAQUS 為工具，建立模型後給予各種不同外力，再由對應之隧道位移統整出隧道受力行為，並找出由位移反推外力的方法。統整研究結果後，已建立一完整之分析流程(如附圖 3-1)，隧道剖面位移資料可分別進行兩種處理。將位移資料輸入以數值軟體建立之襯砌模型可得各節點之反力，而位移分離方法可直接由位移資料判斷並歸類隧道的受力行為。另外本研究附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-1 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處以下所使用之剖面位移資料均由數值模型中的完整模型所輸出，而非現地所得資料。 (1) 分析軟體 ABAQUS 是一套以有限元素法為運算基礎的工程模擬軟體，能夠處理從簡單的線性分析到最具挑戰性的非線性問題。ABAQUS 提供多種元素與材料類型，可模擬典型工程材料如金屬、橡膠、聚合物、複合材料、加勁混凝土、可壓碎或回彈的泡沫材料，以及大地工程材料如土壤和岩石等。除了用於結構(應力/位移)問題外， ABAQUS 也能夠模擬眾多不同問題如熱傳導、質量擴散、電子物件的熱傳處理(電熱耦合的分析)、聲學、土壤力學(孔隙水與應力耦合分析)，與靜電分析。 ABAQUS 分析通常可分成三個階段：分析前 (Preprocessing) 、模擬階段 (Simulation) 、分析後 (Postprocessing) 。每個階段分別與以下檔案類型和 ABAQUS 產品相關(附圖 3-2)： z 分析前(Preprocessing)：定義預討論之物理問題的模型，並建立 ABAQUS 的輸入檔(input file)。模型可經由 ABAQUS/CAE 或以一般的文字編輯器建立完成。 z 模擬階段(Simulation)：在模擬階段，ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit 解出模型所定義的數值問題，解算所需的時間取決於問題的複雜性以及電腦性能，完成分析可能花費數秒鐘到幾天不等。 z 分析後(Postprocessing)：當模擬完成後，使用者便可將得到的位移、應力等基本變數進行後處理。ABAQUS/CAE 中的視覺化模組(Visualization module) 提供互動的後處理分析，能夠讀取輸出檔內的資料，並具有多樣化的展示功能，包括彩色輪廓線、動畫、變形形狀和繪製，以及 X-Y 分佈圖等。附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-2 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (2) 基本案例基本模型之主要用意為找出隧道變形的行為及其與外力之關係，故真實情況中許多因素如襯砌或岩體不均質、材料受力後進入塑性、襯砌與岩體無密合等均暫不納入考量。模型中採用如下假設： 1.典型平面應變問題(Ordinary plane strain) 2.材料為均質線彈性 3.隧道(襯砌)為圓形 4.襯砌與周圍岩體緊密接合無分離基本模型包含完整模型與襯砌模型兩種，完整模型模擬隧道受力情形，襯砌模型乃以位移反求隧道所受之外力，材料參數則如附表 2.1 所示。本研究數值分析部分，所有長度單位均為公尺(m)，力的單位則為牛頓(N)。 a. 完整模型完整模型包含岩體與襯砌兩種材料，為一 100 m×100 m 之正方形，半徑 5m 的圓型隧道位於模型中心，如附圖 3-3。模型下方邊界設輥支承、下邊界中點給予鉸支承；為減少外力複雜性，因此左右邊界條件均設為自由面。岩體部分同為一種材料，採用四節點的平面應變元素(CPE4R)；襯砌則以三節點梁元素 (B22)模擬。模擬過程共一個階段，即施加外力，由於本研究所探討的乃是造成兩次檢測之間隧道位移的外力，故不考慮重力平衡之影響。完整模型之分析過程圖示於附圖 3-3。將均佈載重施加於完整模型上邊界，所得結果如附圖 3-4。圖中綠色線條表示隧道初完工或前次量測時的剖面形狀，黑色線條代表受到如附圖 3-3 之外力後的剖面形狀。附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-3 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 b. 襯砌模型模型中僅有一圓形襯砌，所用材料與完整模型相同。由完整模型的分析結果可得襯砌受力後之剖面，將剖面中各節點位移取出，於襯砌模型內對應各點輸入水平位移(U1)、垂直位移(U2)與轉角(UR3)後，便可獲得節點反力。襯砌模型的分析過程如附圖 3-5，分析結果如附圖 3-6。由附圖 3-6 (a)可看出此外力造成襯砌兩側壁往外擴張，頂孔與仰拱處則向內擠壓；比對附圖 3-6 (b)，節點反力與位移向量反向，因而其負值即為節點所受外力，如此便已得到引致兩次量測時間內剖面位移之外力機制。二、位移分離方法整理多組數值分析案例後，本研究將隧道受力後之位移分為剛體運動與變形兩種，剛體運動分平移與旋轉，變形細分成遠域應力變化引致之變形與近域應力變化引致之變形(附圖 3-7)；其中旋轉行為在目前所討論的案例中並不顯著，因此不加以考量。對隧道營運有所影響，亦即會造成淨空改變的行為只有變形一項，剛體運動和轉動並不會使隧道內行車空間發生改變，而經過位移分離後，便可將我們所感興趣的變形行為單獨分離出來。以下幾節對位移分離法所定義的幾個名詞加以解釋，並講述位移分離的方法與操作流程。 (1) 名詞定義令隧道發生位移前各點坐標為 ( X i , Yi ) ，受力後坐標為 ( X i ', Yi ' ) ，則位移 (displacement, d) ：隧道剖面上任一點受力前後位置之距離， ( d , d ) = ( X ,Y ) − ( X ,Y ) 。 xi yi ' i ' i i i 剛體運動(rigid body motion)：不使隧道剖面上各點之距離發生伸長或縮短的運動行為。附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-4 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處平移運動(translation, t)：剛體運動之一種，運動過程中剖面各點與隧道形心之連線始終維持平行而無旋轉。由於本研究僅討論圓形隧道，且遠域應力變化引致之變形具對稱性，因此若不存在近域應力變化引致之變形時，平移量 t 相當於平均位 n ⎛ n ⎞ d d yi ⎟ ∑ ∑ xi ⎜ 移量， ( t x , t y ) = ⎜ i =1 , i =1 ⎟ 。 n ⎟ ⎜ n ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 變形(deformation, ut)：隧道剖面上各點之距離發生伸長或縮短之現象，變形量即 n ⎛ n ⎞ d d yi ⎟ ∑ ∑ xi ⎜ 為位移量減去剛體運動， ( ut xi , ut yi ) = ( d xi , d yi ) − ⎜ i =1 , i =1 ⎟ 。 n ⎟ ⎜ n ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 遠域應力變化引致之變形(deformation induced by far field stress changes, uf)：由遠域應力變化引致之變形經常是均勻且對稱的。近域應力變化引致之變形(deformation induced by near field stress changes, un)：由近域應力變化造成之變形，僅使局部剖面發生改變。上述定義之物理行為均以繪圖可參見附圖 3-7。 (2) 位移分離方法－基本案例基本案例位移前後剖面如附圖 3-8，按位移分離方法計算得水平與垂直平移量分別為(-2.043×10-7 m, -4.71 m)。將各點位移量扣除平移量後之變形量與初始坐標相加得到只發生變形的剖面形狀(附圖 3-9)，節點變形向量如附圖 3-10。為清楚表示隧道剖面上各點之物理量，此處以極坐標而非卡氏坐標來呈現，定義 X 正方向為 0 度、角度 θ 逆時針為正，則基本案例的變形量 ut 沿 θ 之分佈如附圖 3-9。對隧道安全而言，剖面淨空的變化為首要關注重點，因此將朝向襯砌圓環內部的節點變形定義為正，往外為負。套用此定義於基本案例，則得到如附圖 3-10 之變形量分佈圖。以下所有案例之變形量均考慮其正負。同時為掌握剖面確切的變形行為，亦將節點的變形向量納入討論。本研究以節點-形心連線與變形向量之附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-5 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處夾角來表現，自節點-形心連線旋轉至變形向量，若逆時針則為正，順時針則為負，並定義此夾角為 β(附圖 3-11)。基本案例的 β 角隨 θ 之變化如附圖 3-12。三、小結綜合以上內容，外力回溯方法包括建立襯砌模型與位移分離方法兩個要件。在隧道剖面位移已知的情況下，由位移分離法能夠直接判斷這些位移代表的意義，如最大主應力方向、外力大致分佈等。而將位移輸入襯砌模型，可得到剖面所受之完整外力，除了與位移分離法相互驗證外，更可提供確切、珍貴的力學機制。附表 3-1 數值模型採用之材料性質岩體(泥岩) 楊氏模數 E (GPa) 1.96 0.3 柏松比 ν 襯砌(混凝土) 26.5 0.15 資料來源：“蘭潭隧道專輯”，交通部國道新建工程局，2002 附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-6 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附圖 3-1 外力回溯方法研究流程附圖 3-2 ABAQUS 軟體分析流程附圖 3-3 完整模型分析過程附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-7 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處初始位置位移後位置附圖 3-4 完整模型分析結果：隧道位移前後位置圖附圖 3-5 襯砌模型分析過程附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-8 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (a) (b) 附圖 3-6 襯砌模型分析結果 (a)節點位移向量 (b)節點反力附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-9 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發交通部鐵路改建工程局東部工程處總結報告書附圖 3-7 位移定義與關係圖附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-10 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附圖 3-8 基本模型位移示意圖附圖 3-9 基本模型變形示意圖附圖 3-10 基本模型變形向量示意圖附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-11 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附圖 3-11 β 之定義附圖 3-12 基本模型 β 分佈圖附錄三隧道位移力學機制回溯之方法 –附 3-12 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試隧道安全檢測多以早期發現異狀與掌握既存異狀變化為主要目的，為營運中隧道維護工作極為重要的一環。在多種檢測對象與異狀中，僅有出現於襯砌表面的顯性異狀如龜裂、漏水等，易於隧道內直接觀測得之，其餘可能造成襯砌表面異狀的因素，如襯砌完整性缺陷、背後孔洞以及圍岩(土)狀況的變化等，皆需採用較複雜的儀器設備，耗費工時進行檢測。因此，尋求在維持隧道營運的條件下，具備簡易、快速、有效的非破壞性檢測方式，為隧道安全檢測十分重要的課題。熱紅外線掃描為一偵測物體釋放出之電磁波的技術，此檢測方法簡易，且快速可發現建築物之異狀(張真良，2002；洪振剛，2003；沈永年，2004；林宏義，2005)。本研究結合台北科技大學材料及資源工程學系開發中之熱紅外線影像掃描技術 (蘇峰民，2007)，並將之應用於隧道中，期望能藉由此方法判斷隧道局部之安全性。一、檢測原理物體表面溫度若超過絕對零度以上會輻射出電磁波，隨著溫度不同，其所輻射的電磁波強度與波長分布特性也隨之改變，由電磁波譜圖可得知，波長介於 0.75μm ~10μm 的電磁波稱為「紅外線」。附圖 4-1 為熱傳導示意圖，若天氣發生變化，使得隧道內空氣溫度上升，由熱傳導原理可知，過了一段時間後，正常無異常的襯砌會與隧道內空氣溫度相同；若在襯砌裡面有空洞的話，由於熱傳導率低，使得有空洞的襯砌表面會比正常的襯砌表面溫度還高；若襯砌中有水包，由於水的熱傳導率好，則含有水包的襯砌表面溫度會比正常的襯砌表面溫度還低，依此特性，可從熱影像圖的中襯砌溫度分佈狀況，而判斷襯砌異常情況。附圖 4-2 為某隧道頂拱之熱紅外線影像圖。附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試 –附 4-1 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附圖 4-1 熱傳導示意圖附圖 4-2 某隧道頂拱熱紅外線影像圖附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試 –附 4-2 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處二、試驗儀器本研究使用之熱紅外線影像測溫儀由日本 AVIO 公司生產，型號 TVS-200(如附圖 4-3)，為一種不需要接觸物件，即可觀測表面溫度的設備，並且顯示溫度，將熱影像顯示在彩色液晶螢幕上。其為輕小的設備，容易攜帶，因為靈敏度高採用長波段的檢知器，即使白天在太陽光輻射線下測量，也可以得到精準的溫度，而不會受到干擾。此儀器提供內建 3.5 吋液晶顯示螢幕，影像清晰，採用四個按鍵和十字式按鈕，操作方便，可量測溫度範圍為 -20~300℃ ，解析溫度 0.08℃以下，詳細規格如附表 4-1。搭配軟體為 TAS 紅外線熱像溫度分析系統，介面如附圖 4-4 所示。附表 4-1 熱紅外線影像測溫儀 TVS-200 規格表型號 TVS-200 測定溫度範圍 -20℃~300℃ 最小溫度解析度 0.08℃以下掃描速度 1/30 秒測定波長 8~14μm 測定視角 30.1°H×22.6°V（標準 22mm 鏡頭使用時）測定距離 30ｃｍ～ ∞ 有效顯示像素數 320H×240V 熱影像顯示 3.5 inch LCD 影像輸出 NTSC 或 PAL 外部介面 IEEE-1394 電源 AC100V/AC240V, 50/60Hz 消耗電力約 12W 可連續使用時間 1.5 小時以上（常溫環境下）操作環境溫度 -10℃~50℃ 尺寸(mm) 87(H)×112(W)×218(D)包含突起部分重量 1.6Kg 附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試 –附 4-3 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附圖 4-3 熱紅外線影像測溫儀 TVS-200 附圖 4-4 TAS 紅外線熱像溫度分析系統介面附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試 –附 4-4 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處三、現地試驗初步成果本研究之現地試驗選擇「山線鐵路三義一號橫坑隧道」以及「南迴鐵路多良一號隧道」進行紅外線熱像檢測，並與常用之透地雷達檢測影像、手繪異狀記錄、相片檢測記錄進行比對。 (1) 透地雷達影像與熱紅外線影像圖附圖 4-5 左圖為「南迴鐵路多良一號隧道」某段襯砌之透地雷達影像，圖中框起部分之熱紅外線影像如右圖所示，可看出此區段之影像顏色分佈均勻，無明顯異狀，經判讀後為正常區段。由透地雷達影像與熱紅外線影像圖的結果，可得知此區段之襯砌無異狀產生。 (2) 手繪異狀記錄表與熱紅外線影像圖手繪異狀記錄表為目視觀測時，將眼睛所能觀察到之隧道異狀依所在位置記錄下來，繪製成一張隧道異狀記錄表。附圖 4-6 左圖為「山線鐵路三義一號橫坑隧道」其中一段之隧道異狀記錄表，由表上可知在里程 0K+345 處右側壁上方有大量滴水的情形，此區段的熱紅外線影像如右圖，所呈現的溫度分佈均勻，研判可能是隧道襯砌內部充滿著水，由於水具有良好的熱傳導性質，使得熱紅外線影像效果並不是很好。 (3) 可見光照片與熱紅外線影像圖一般相機所拍攝出的影像即為可見光影像，具檢測襯砌表面明顯異狀的能力，但對於襯砌背後孔洞等異狀則無從得知。附圖 4-7 左圖為「山線鐵路三義一號橫坑隧道」部分之可見光照片，所框選出之區域看不出有明顯的異狀產生；右圖為此區塊之熱紅外線影像，觀察此圖的溫度分佈發現中間部分明顯溫度較低，四周溫度較高，疑似有水包的存在，研判此區段襯砌背後已有異狀徵兆，尚未發展至襯砌表面，為一潛在危險區段。附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試 –附 4-5 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 (4) 襯砌嵌接影像與熱紅外線影像展開圖本研究同時將第 6 章之影像展開嵌接技術應用於熱紅外線影像中，熱紅外線影像展開為平面後，再與已製作好之隧道襯砌展開嵌接影像做比對，則因具相同的座標系統，所以更易確認異狀的位置。附圖 4-8 為「南迴鐵路多良一號隧道」某段熱紅外線影像圖，此張影像中物體因具有較大的溫差而較易辨識出隧道的模樣。由於控制點未知，僅能以假設性的參數進行影像展開，展開後之熱紅外線影像如附圖 4-9 右圖所示，左圖為襯砌嵌接影像，黃框範圍為熱紅外線影像展開後大致之位置。由歷史記錄得知此區段過去曾經做過維修補強，由比對影像得知此區段的維修補強成效有限，仍有明顯的滲水現象產生。由以上之初步成果共可得到下列結論： 1. 熱紅外線影像不僅可以檢測出目視可見的表面異狀，也可發現襯砌背後已有異狀徵兆，尚未發展至襯砌表面的潛在危險區段。不過由於單張熱紅外線影像之像素數較少(僅 320*240 pixels)，拍攝距離對溫度解析力的影響將是後續研究需考慮的。 2. 熱紅外線影像測溫儀可以手持操作，在昏暗的隧道中較目視觀測、數位相機照相檢測能力更為優異。相較於透地雷達檢測，其所獲得的資訊也較容易判讀，而熱紅外線影像測溫儀對於使用者來說，操作簡便，迅速又安全。 3. 紅外線熱像測溫儀於隧道檢測時，必須有足夠的溫差才可以顯現出異常，若經過初期評估，此隧道溫差太小、不夠穩定，則較不適合使用紅外線熱像測溫儀來做檢測，須選用其它檢測方法較為適宜。 4. 將熱紅外線影像與一般相片進行展開與嵌接作業，較易比對異狀發生位置，有利於安全評估與後續檢測。但若要得到更準確的展開圖，如何佈設出在熱紅外線影像中可辨識的控制點將是後續研究的方向之一。附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試 –附 4-6 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附圖 4-5 透地雷達影像與熱紅外線影像圖比對附圖 4-6 手繪異狀記錄表與熱紅外線影像圖比對附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試 –附 4-7 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附圖 4-7 可見光照片與熱紅外線影像圖比對附圖 4-8 「南迴鐵路多良一號隧道」某段熱紅外線影像圖附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試 –附 4-8 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附圖 4-9 襯砌嵌接影像與熱紅外線影像展開圖比對附錄四隧道熱紅外線影像技術之測試 –附 4-9 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處附錄五歷年審查意見回覆一、第一年度審查意見暨回覆編號委員意見意見處理情形隧道襯砌非破壞檢測之開發，針對往後技術開發，應已在期末報告中做修改。請確定研究對象、主題及附屬部份（範圍：鐵路、公 1 路、水利、捷運、下水道隧道等）定義要清楚，以期研究方案之完備。台大團隊爾後召開本案「專家會議」的時間及地點，遵照辦理。 2 請儘早通知主辦單位出席與會。對於研究名稱，針對有關「檢查」、「檢測」、「安已在期末報告 1.4.2 節中增列 3 全評估」定義、要項，將來在期末報告中請明確說明。一「相關名詞定義」。請蒐集國內連續二次施工案例檢查資料，比較其重點已在期末報告第二章增列。 4 為何，作為往後研究方向參考。報告中，請補充檢測儀器介紹，其功能、性能及適用已在期末報告第三章增列。 5 時機。另在報告中流程圖請以中英、中日對照，以利完善。期中報告中圖示之照片是黑白印刷，將來在核定本報遵照辦理。 6 告請以彩色印刷，以利圖文表達之清晰。台灣國內鐵路隧道檢核資料較貧乏，請加強蒐集其相遵照辦理。 7 關資料，俾利增強充實其資料完備。研究報告關於檢測工法、檢測技術、操作流程，請詳已在期末報告第三章增列。 8 予列表，俾供日後選擇依循參考之用。國內鐵路隧道行車速度，請考量「風壓」造成對於隧有關鐵路隧道列車經過之振 9 道混凝土之裂縫、剝落之影響何在，請補充說明。動問題，已蒐集日本資料，補充於第五章中。隧道襯砌混凝土「老化問題」將來考量隧道地熱、化混凝土劣質化之影響說明於學性、水灰比大，造成混凝土表面粉化現象，影響隧第三章及第六章中，因應對策 10 道使用之年限甚鉅，請研究團隊詳加考量因應措施，部份，因非屬本研究中工作範俾利週延。圍，不予納入。隧道之「老舊」、「老朽」、「生命週期維護管理」、已在期末報告 1.4.2 節中增列 11 統計分析其定義如何？一「相關名詞定義」。第一年度期末報告簡報說明，請主辦單位邀請國內相遵照辦理。關單位、學者專家、鐵工局等出席會議，以利集思廣 12 益，以求做深入之探討與分析，俾據以參辦（開會場所預定在鐵工局召開，屆時請高工程司政源連繫協調辦理）。附錄五歷年審查意見回覆 –附 5-1 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處請研究團隊蒐集國內一個完整檢測隧道案例資料，遵照辦理，將於第二年納入。 13 （包括規劃設計，施工管理等，篩選其實用性），俾納入報告內，詳予介紹說明。 14 國內隧道相關單位有檢測實績案例，亦請詳細目錄列遵照辦理，參第二章。表，以供其他單位查詢。二、第二年度審查意見暨回覆 (1) 期中審查意見回覆編號 1 2 3 4 5 6 委員意見報告書提及熱紅外線影像掃瞄技術，已進行隧道襯砌背後孔洞之現場測試，係採實體或模擬假隧道辦理，建議期未報告前舉辦一場現地檢測說明會，俾利觀摩隧道檢測技術之應用。意見處理情形本研究團隊已於東澳隧道實施紅外線掃瞄技術的測試，成果將於第三年度中說明。現地檢測說明會與技術推廣屬第三年度工作，目前已進行二個隧道的現勘與檢測測試作業。人數較多時隧道現場不利進行試範作業，目前正評估說明會的地點與舉辨的型式，將於後續報告說明。本研究研發的襯砌雷射掃瞄技術目前研發的技術仍在測試階段，本項將於後原理為檢測技術之開發，其測試隧續工作性能明確後評估。道較適宜長度有多少?請詳予說明。期中報告 P51 頁中，建議增列震後震後立即檢查屬本報告所建議的臨時檢查立即檢查機制資料。乙項，已列入檢測作業的建議，其作業規範可參考黃燦輝等(1999)之報告。本報告將節錄其重要結果納入。針對大型模擬隧道，有關隧道頂拱目前研發的技術仍在測試階段，將於後續工部份施作掃瞄試驗，掃瞄結果之誤作性能明確後評估。差來源，因受限於相機拍攝範圍及影像解析度，在模擬試驗時，應如何克服其誤差之產生。並在隧道實務上該如何應用，請加以描述。報告書中「案例應用」論述鐵路隧遵照辨理，將於期末報告補充。道實例驗證，請研究團隊再補充提出規劃設計、施工管理，完整檢測等資料，俾納入報告內詳予介紹說明，以利國內隧道工程實務運用更有助益。北宜高雪山隧道滲漏水原因，可能雪山隧道乙案目前由業管單位組成專家顧是盲溝堵塞或防水膜破裂，但都得問評估中，目前對其檢測方式尚無定論。熱挖開隧道找漏水點，實務上不太可感應掃描原理與本研究測試中的熱紅外線附錄五歷年審查意見回覆 –附 5-2 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 7 8 9 10 11 行，國工局考慮採用「熱感應掃瞄」影像相同，本研究將於測試完成後，於後續儀器找出滲漏水的地方，檢測對策報告中說明。是否得當，請說明。為探討掃瞄技術的可行性與精確將於後續納入現有施工中隧道三維掃描設性，並結合既有之儀器配合測量應備的評估。用與研發掃瞄之技術，可得到較完整隧道剖面三維資訊，更能清楚了解隧道剖面整體之變化，以提供實際上運用與維修補強之參考。隧道火害異狀因素之分析與評若已知異狀為火害引起，則其成因明確，後估，其相關檢測與異狀處理作業流續擬將火害列入特殊案例引致異狀處理。程，請評估納入異狀成因判別說明。平時檢查記錄表格並修改(正)，建遵照辦理，已修正。議再加繪隧道斷面示意圖、檢查時間及勾選方式等欄位，以利建立隧道檢測資料庫之完整性。基於隧道襯砌非破壞性檢測技術目前已赴東澳隧道測試，詳第 1 項說明。之開發實用性，考量室內作試驗之可信度較低，建議以北迴舊線不營運之隧道(如東澳、武塔等隧道)做為模擬隧道檢測技術之開發實驗場所。製作研究計畫報告書，建議採雙面遵照辦理。列印方式裝訂。 (2) 期末審查意見回覆編號 1 2 3 委員意見意見處理情形設計課在辦理北迴線、宜蘭線檢測遵照辦理，補充於附錄一。案時，曾引進 TS360 與透地雷達等設備，試圖掌握異狀分佈，但是費用比較高昂，研究團隊提出的影像鑲嵌技術，費用較低，建議與 TS360 成果再進行比較，並說明其操作方式。完整的蒐集隧道施工原始的資料對國內隧道工程界針對設計與施工資料的保存於往後的異狀研判相當有助益，建長期以來皆有建言，並陸續建置各種完工報議納入研究討論。告，因應隧道檢測與安全評估之需求所需的設計與施工資料，整理於第四章中。東工處非維護管理單位，工程完工工程完工後設計與施工資料的保存以及其於後資料如何移交，維修單位如何對隧道檢測與安全評估的應用詳第四章。有關於這些資料妥善運用，建議加以說安全檢測作業的項目、費用等，本研究將於附錄五歷年審查意見回覆 –附 5-3 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 4 5 6 7 8 明。後續階段分析各檢測項目的現場作業速度與安全檢測作業如需委外辦理，有關相關室內配合工作，以供未來辦理委辦計畫檢測項目的編列，經費的考慮，請編列預算參考。加以說明。研究團隊對於雪山隧道滲漏水之事關於雪山隧道漏水問題，交通部有成立委員是否有看法。會，檢查結果皆是施工縫的問題，整個隧道一千多個施工縫，僅兩、三處漏水，其實機率是很低的。不過因為牽涉到用路人心理層面，現在處理滲漏水是以疏導的方式，不讓水流到路面，而襯砌是沒有大問題。本研究的影像鑲接技術以及雷射掃技術上僅能透過影像瞭解裂縫分佈，不過在描，能否探知裂縫深度？確定裂縫位置後可進一步使用敲擊回音法或多相線性陣列電磁波雷達探測裂縫深度。研究團隊開發的新技術，是否能實現地檢測說明會與技術推廣屬第三年度工際至隧道現場辦理實作示範，以利作，經多方評估後，希望下一年度能利用東各單位瞭解與應用。澳隧道辦理實作及研討會。隧道施工過程有許多監測器，請問部份儀器因防水膜等阻絕，完工後無法使這些監測儀器是否可以應用於安全用，但可以延用的監測儀器，建議儘可能繼檢測。續使用。近期南迴鐵路隧道檢測資料，請研遵照辦理，將於下一年度報告中補充。究團隊研議納入。三、第三年度審查意見暨回覆 (1) 期中審查意見回覆編號 1 2 委員意見意見處理情形有關影像嵌接部份，請問影像拍攝影像拍攝面積取決於所需的精度，如果是用時，面積應該取是多少？ 1200 萬畫素的相機拍攝，橫向為 4000 個像素、直向為 3000 個像素，因此若橫向拍攝範圍為 4 公尺，則每個像素代表 1mm，能辨識 0.5mm 的裂縫。若欲檢測更細微的裂縫，則需更近一些拍，但拍攝的照片會較多。說明於本報告第二章。影像嵌接類似航照鑲接處理，需用本研究將襯砌影像與座標測量工作分開處到地面控制點佈標的原理。如果在理，座標測量工作係開發雷射掃描技術求得隧道內，就必需把控制點標佈在側每一掃描線的座標，襯砌影像則運用光學相壁，例如每 5m 釘一個鋼釘，類用機配合影像嵌接技術達成，未來若隧道內全測量的方式先將鋼釘的座標值測面佈置精準的控制點，測量成果和影像嵌接出，結合隧道洞口佈設的控制點，可進一步進行類似航照鑲接處理，獲致更佳即可獲得所有控制點的絕對座標的效果。值。若嵌接的影像可以結合座標點，則安全檢測工作可以獲得更佳附錄五歷年審查意見回覆 –附 5-4 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 3 4 5 6 7 8 9 10 的效果，例如可以透過即時監測系統，配合列車行走的定位系統，通知列車行經附近時需減速等。影像控制點的選擇，有無需特別注隧道襯砌若採用鋼模支撐澆注混凝土，可採意的地方，建議加以說明。用鋼模接縫做為控制點。對於傳統木模支撐隧道或已實施維修補強隧道，則必需佈置控制點，每張相片須包含四個控制點，並知悉其里程及環向的方位，且與鄰接照片需有兩個控制點同時存在。有關影像的解析度影響裂縫檢測的拍攝範圍與影像解析度的配合，除每一像素精度，此部份如何計算，建議加以解析度外，因程式會進行影像再取樣，輸出說明。時必需再配合需求決定範圍。有關拍攝範圍之說明與程式輸出解析度之討論詳本報告第二章。雷射掃瞄硬體本階段改良後，在精雷射掃描量測方法除以新型硬體進行操作度上成果似乎不如前一階段所得，外，亦引入雷射墨線儀做為輔助設備。經測請說明後續改善措施，又如何得知試驗證本技術為可行之量測方法，並將所有成果確實得到改善？誤差來源以及改善方法一併討論，詳細內容如本報告第三章。拍攝影像過程當中，精度解析度是光源問題可以透過外接閃燈來補光，或利用與光源、距離有直接關係，有沒有手電筒，讓數位相機有微弱光源測光即可拍考慮到直接的影響或間接影響？攝。惟數位光學相機在昏暗環境中拍攝會因 ISO 值增加而降低解析度，因此本研究雖期望拍攝時可以不借助大型輔助光源，但相對的，顧慮方便性即可能犧牲解析度；要求解析度，則需要輔助光源。以紅外線掃描襯砌表面異狀，例如熱紅外線掃描技術開發的目的在於找出哪裂縫或襯砌背後孔洞，必要時應配裡可能有問題，再利用其他較精確的技術進合實際鑽心取樣等破壞性檢測來印行後續檢查，因此本研究測試其應用在不同證，以增加技術的精確與可信度。環境、異狀情況的檢測結果是否提供後續檢測的指引，並不強調其本身檢測問題程度與精度。紅外線掃描或透地雷達檢測，檢測透地雷達與熱紅外線檢測遇鋼筋皆會產生到有鋼筋的地方、洞口段、明挖段、干涉的問題，因此在檢測時需考慮到檢測段本體明挖段成效如何，請說明。鋼筋的間距、檢測器的解析度、透地雷達天線的頻率，了解其限制再使用。隧道檢測作業前應事先收集該隧道檢測作業應收集原始資料，本研究說明於第原有設計資料(工法、施工情況、滲一年度。水位置…)，以提供檢測分析之用。現地隧道受力相當複雜，如何運用隧道位移回溯方法詳細內容如第三年度期回溯方法得之受力情況？中報告，隧道各種情況的變形分離出來後，後續可依據隧道力學了解造成此現象可能附錄五歷年審查意見回覆 –附 5-5 – 隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發總結報告書交通部鐵路改建工程局東部工程處 11 12 13 14 是何種原因。紅外線檢測應用在隧道檢測上有何紅外線熱像儀非常敏感，在全濕的隧道或隧限制及困難處？道內風速過大易受干擾。不過以較簡易的方法即可達到部份的效果，填補國內目前技術的空缺，亦值得測試與推廣。未來將對這些限制條件做進一步的研討。建議研討會可以介紹國外管理準則已於研討會中辦理。走向，以及目前的發展狀況。建議期末報告交代研發成果智慧財遵照辦理，說明於第一章及第五章。產的權歸屬問題。有關技術推廣研討會時程的規劃，遵照辦理，敬悉，已順利完成研討會各項工請研究團隊與本處承辦人溝通聯作。繫，並洽鐵路局同意使用東澳隧道相關事宜。 (2) 期末審查意見回覆編號 1 2 3 4 5 6 委員意見意見處理情形本計畫的 3D 展示系統，可將隧道目前成果已可做出隧道的立體圖，並能直接測量的成果直接轉換成立體圖，免在影像上看出裂縫位置，同時與透地雷達等去複雜的影像處理程序。成果相比對。本研究目前成果未來有何發展計現有成果已可建立隧道完整的影像，未來希畫？望能開發裂縫的自動辨識系統，擷取裂縫長度與寬度，並計算裂縫分佈密度。另外考慮將施工階段的各種資訊如開挖面地質記錄等整合成隧道資訊管理平台，使使用者更充分掌握隧道資訊。本研究開發或測試之技術與許多單已補充說明於第一章及第五章。位或研究共同合作請研究團隊於定稿本中加入本計畫開發技術智慧財產權的歸屬。本階段專家會議中所提之意見請做已補充回覆於附錄。回覆，並列於定稿本中。影像嵌接技術能否針對拍攝角度、拍攝位置應盡量靠近隧道另一側，斜拍角度拍攝位置、相機鏡頭等做出建議，不宜超過 40 度，曝光時間目前採 1 秒，ISO 供使用者參考。設為 800，詳第一章內容說明。目前精度為 0.5 mm，如何提高解選用較佳的相機、較高解析度、拍攝範圍縮析度？小便可提高解析度。附錄五歷年審查意見回覆 –附 5-6 – 交通部鐵路改建工程局東部工程處 2007/09 隧道安全檢測技術系列研討會活動報導 1.活動介紹由「交通部鐵路改建工程局東部工程處」與「國立台灣大學嚴慶齡工業發展基金會合設工業研究中心」聯合舉辦的「隧道安全檢測技術系列研討會」，於 96 年 9 月 20、21 兩日在宜蘭展開，吸引官、產、學界共七十多人前來共襄盛舉，針對隧道安全檢測的現況與未來的發展進行深入的探討。本次活動特委託台灣營建研究院辦理，並承蒙台灣鐵路管理局與國內數家知名工程公司鼎力協助，使活動得以順利進行。本研討會分為兩大部分，第一部份為檢測技術示範與推廣，於宜蘭縣東澳隧道實地進行檢測技術之操作(照片 1.1)；第二部份為安檢技術探討與交流，於鐵路改建工程局東部工程處之一樓會議室舉行(照片 1.2)。詳細議程如表 1.1 所示。照片1.1 研討會Ⅰ─於東澳隧道前合影照片1.2 研討會Ⅱ─於東工處一樓會議室舉行表1.1 隧道安全檢測技術系列研討會議程研討會Ι – 檢測技術示範與推廣(9/20) 研討會Ⅱ– 講題講員隧道安全檢測技術現地示範： 1.隧道安全檢測技術介紹 2.光學技術類操作 3.導電與電子技術類操作 4.物理波動技術類操作 5.其他檢測技術操作王泰典助理教授/李佳翰先生蔡道賜博士/葛文忠研究員莊海岳先生/張芳銘先生邱雅筑小姐/蘇峰民先生 1.台灣隧道安全檢測之回顧與展望黃燦輝教授 2.安檢管理與安全評估準則之檢討與建議何泰源副理 3.隧道襯砌異狀成因判別與影響因素探討林銘郎教授安檢技術探討 4.隧道安全檢測技術之探討李維峰博士與交流 (9/21) 5.隧道安全檢測技術之新發展王泰典助理教授 6.隧道安全檢測案例(Ι) 周永川先生 7.隧道安全檢測案例(Ⅱ) 李佳翰先生 2.活動宗旨目錄 1.活動介紹 P.1 2.活動宗旨 P.1 3.研討會Ⅰ─檢測技 P.2 術示範與推廣 4.研討會Ⅱ─安檢技 P.6 術探討與交流 5.幕後花絮 P.9 6.鳴謝 P.9 二十世紀建設高峰全檢測多以目視觀察記期過後，國內進入「中、錄為主，部份規模較大老年期」的公共工程將的案例雖應用近年來研陸續升高，營運維護必發新技術，惟因檢測設將成為未來長期且頻繁備仰賴外商，相關安全的重點工作。隧道因構評估技術未臻完整，應築於地下，狹長的空間用上仍有諸多限制。限制了許多檢測技術的援此，交通部鐵路應用，高度的結構靜不改建工程局東部工程處定特性與複雜的力學行乃辦理「隧道襯砌非破為，加深了維護過程安壞性檢測技術之開發」全評估的困難度。回顧委託研究計畫工作，由十餘年來國內隧道的安國立台灣大學嚴慶齡工業發展基金會合設工業研究中心組成隧道檢測與維護技術研究團隊執行，並將研究成果有關檢測技術、安全評估與新近之案例，透過本系列研討會進行推廣與交流。隧道安全檢測技術系列研討會頁2 3.研討會Ⅰ—檢測技術示範與推廣照片3.1王泰典助理教授介紹講員第一天的研討會正式於9/20下午一點左右展開，地點為北迴鐵路東澳隧道，由於距離東澳車站近且現已停止營運，實為現地示範的絕佳場合。由於研討會的前兩天恰逢颱風過境，使得當天天氣並不穩定，雖然偶有陣雨仍澆不熄講員與學員們的熱情！一開始先由北科大材資系王泰典助理教授向學員們介紹當天各組操作示範的講員們(照片3.1)，包括聯合大地工程顧問公司規設部計畫主任李佳翰先生(照片3.2)、台灣大學土木工程學研究所-蘇峰民先生(照片3.3) 、三合技術工程公司技術總監-蔡道賜博士、中興顧問社大地研究中心 - 葛文忠先生 (照片3.4)、銢欣工程公司莊海岳先生、台灣大學土木工程系研究助理邱雅筑小姐、張芳銘先生( 照片 3.5) 等講員，準備向學員們示範目前隧道檢測常用的技術。以下摘要各講題之內容及活動過程。照片3.2 照片3.3 照片3.4蔡道賜博士(左)、葛文忠先生 (右) 照片3.5張芳銘先生(左)、莊海岳先生( 中) 、邱雅筑小姐(右) 隧道安全檢測技術介紹─王泰典助理教授 “初次檢查的目的在掌握隧道現狀與建立維護管理的基本資訊，其用處如同醫院的病歷表。” －王泰典助理教授王泰典助理教授向學員們簡單介紹目前國內在隧道安全檢測作業方面的相關規範、建議，以及非破壞性檢測技術的分類與項目等(照片 3.6)。黃燦輝與鄭富書 (1997) 曾建議隧道安全檢測、評估及維修補強流程，轉眼已十個年頭，在隧道安全檢測技術大幅提升下，相關檢測作業之建議亦有修訂的必要。黃燦輝等(2007) 更明確地定義各階段檢測作業之目的、時機、作業要點、檢測對象與相對應之檢測技術。建議應階段性地分為初次檢查(測)、隧道檢查與安全檢測；而在隧道檢查階段應區分平時巡查、定期檢查與臨時檢查，分別實施。在非破壞性檢測技術分類方面，可概分為：(1)光學技術類；(2)導電與電子技術類；(3)物理波動技術類；(4)其他類。各類別有其對應之檢測技術，不同檢測階段有其應檢測之對象與項目，再配合適用的檢測技術以達事半功倍之效。照片3.6王泰典助理教授向與會學員們介紹隧道安全檢測技術隧道目視檢測法─李佳翰先生隧道目視檢測法(描繪隧道異狀展開圖)為隧道檢測最常使用的方法，檢測儀器即是雙眼，係將隧道表面異狀採用類似正射投影的方式直接描繪於空白圖紙上，存在一定的困難度，必頇由具經驗的檢測工程師執行。照片3.7李佳翰先生講述異狀描繪技巧李佳翰先生將檢測用的空白異狀展開圖紙(圖 3.1)發予學員們，講述描繪異狀與空間定位的技巧以及困難性(照片 3.7)，讓學員們實際體驗檢測工程師在描繪異狀的過程！講述過程中提到，描繪異狀前必頇先確定圖例、隧道尺寸，並尋找隧道既有里程標或自行標註里程，配合圖紙上數條輔助線，將眼睛看到的異狀按比例繪製於圖紙上，另外亦可拍攝照片輔助判釋。圖3.1空白異狀展開圖隧道安全檢測技術系列研討會頁3 反彈錘詴驗法─李佳翰先生史密特反彈錘是目前較常用於簡易且快速測定混凝土強度的表面硬度法，係利用衝錘帶動衝擊棒撞擊混凝土表面，利用反彈數推測抗壓強度。李佳翰先生強調應選擇較平整的混凝土面做為檢測面，在檢測面上畫 5×4 共 20 個點，每點相距 3 公分，以史密特錘分別對這 20 個點打擊，所得讀數必頇依打擊角度作修正。李佳翰先生除以 L 型之史密特反彈錘(反彈數直接記錄於紙捲上)作示範外，亦讓學員實際操作，更能了解其檢測原理與步驟。(照片 3.8、照片 3.9、照片 3.10) 照片3.9李佳翰先生示範反彈錘操作照片3.8李佳翰先生講述反彈錘原理與方法照片3.10李佳翰先生操作示範酚酞指示劑法─李佳翰先生混凝土 pH 值一般在 12~14，空氣中的酸性物質會降低其鹼度(降至 7~9 左右)，稱為中性化，若中性化深達鋼筋的位置則容易產生鏽蝕。李佳翰先生表示， 1%酚酞溶液指示劑為檢驗混凝土中性化程度的簡易材料，指示劑遇 pH=8.5 以上之鹼性環境會變為紫紅色；而在 pH=8.5 以下之環境則維持無色。詴體做測詴，將酚酞指示劑塗抹於詴體表面，果然區分出兩種不同顏色，足以顯示此詴體有局部中性化的現象。之後亦檢驗隧道側壁襯砌上一處已有蜂窩現象的區域，指示劑呈現無色；另一處看來完整的區域，指示劑變為紫紅色，混凝土優劣程度立見高下！(照片 3.11) “混凝土中性化之測詴應於鑽心取樣後立刻進行，若混凝土與空氣接觸過久，則會逐漸中性化，影響詴驗準確度。” －李佳翰先生照片3.11李佳翰先生示範以酚酞指示劑法檢驗中性化程度示範中以一鑽心圓柱熱紅外線檢測技術─蘇峰民先生此檢測原理是利用熱紅外線影像測溫儀探測物體輻射出之電磁波，不同溫度的物體所輻射出的電磁波強度與波長特性也不同，立即可在測溫儀之螢幕中顯現差異。蘇峰民先生表示，將此方法應用在隧道檢測上，最大的優點是檢測速度快，能夠快速地瞭解隧道中哪個區段具有潛在異狀以及異狀程度。由於襯砌背後物質的不同亦會影響襯砌表面溫度：例如背後有水包將使襯砌表面溫度較低，有孔洞將使襯砌表面溫度較高，只要相鄰溫度差異在 0.08℃以上(就本詴驗儀器而言)即可被解析，換句話說，熱紅外線影像測溫儀具某種程度的「透視」能力！對後續檢測項目的規劃具有一定的幫助。(照片 3.12) 五指的隧道中影像依然清晰可辨！這也是其一大優點。建議同時亦拍攝相同位置的可見光影像，以供分析比對。(照片 3.13) 照片3.13蘇峰民先生與學員們熱烈討論示範中蘇峰民先生帶領學員們往隧道裡前進一小段，並檢視螢幕中顯示的溫差變化，熱紅外線影像並不像一般相機影像會受外在光源影響，就算處於伸手不見照片3.12蘇峰民先生解說檢測原理隧道安全檢測技術系列研討會頁4 隧道淨空測量─莊海岳先生銢欣工程公司的莊海岳先生對於隧道淨空測量具有相當豐富的經驗，當天為學員們講解測量隧道斷面的方法，而所使用設備為高精度無稜鏡反射之全測站(照片 3.14)。照片3.14莊海岳先生解說無稜鏡式全測站用法可視精度要求來調整(照片 3.16)。看似複雜的儀器在講員熟練的技術與精闢的講解之下，彷彿也變得平易近人！莊海岳先生提到，全測站架設在隧道中不妨礙通行之位置即可，利用觀測已知點(平面座標與高程 )稜鏡的方式，推求儀器位置。而在欲施測斷面之隧道壁上設置反光覘標的用意，在確保所量測的點位均在同一斷面上(照片 3.15)。接著莊海岳先生開始示範觀測照片3.15莊海岳先生講解反光覘標用途斷面測點，並表示量測點距照片3.16莊海岳先生示範淨空量測雷射掃描量測技術─邱雅筑小姐照片3.17邱雅筑小姐與學員們熱烈討論雷射掃描量測技術與使用全測站進行斷面量測之目的是相同的，但方法與成果與一般傳統測量確實有顯著的不同！舉隧道斷面測量為例，使用一般測量儀器僅能獲取少數點位資料，與真實隧道斷面尚有差距；而此雷射掃描量測技術特點即為一次量測可獲得整個隧道剖面幾何形狀，屬連續性資料，且設備需求與花費低，具很大的發展性。此技術所使用的雷射載具為邱雅筑小姐自行研發(照片 3.18)，並在講述中提到，雷射載具前方連續旋轉的反射鏡片能使雷射光點沿隧道剖面運行，配合相機的曝光時間，就可以得到具有完整雷射剖面的影像。接著藉由空間中數個已知座標的控制點進行影像分析，即可一次獲得整個雷射剖面的空間座標。未來待此技術發展成熟後，無疑是隧道變形監測的一大利器！照片3.18此技術使用之雷射載具隧道影像嵌接與展開技術─張芳銘先生照片3.19張芳銘先生解說原理與操作方法目前國內在檢測隧道襯砌表面異狀的方法還是以目視測繪為主，不僅費時費力且異狀在空間與圖紙上的定位亦有其困難性。為了找尋更方便的方法，此研究案開發這個技術，可利用實際相機拍攝的影像製作成檢查記錄使用的基本底圖，不僅可改善上述的缺點，大幅縮短檢測外業時間，也因設備隨手可得且操作簡易，對檢測頻率的提昇實有相當大的助益！在操作示範中，張芳銘先生利用自行製作的兩組雷射裝置，依照設計角度在襯砌上佈設數十個控制點，並講解對襯砌拍照時的要領(照片 3.19)。接著將所拍攝的影像載入自行開發的視窗化程式進行運算(照片 3.20)，襯砌展開影像立即呈現眼前！期望此技術往後能使隧道檢測變得更簡便、更有效率。照片3.20張芳銘先生示範程式操作隧道安全檢測技術系列研討會頁5 透地雷達檢測法─蔡道賜博士若光學檢測技術比喻為皮膚科，則透地雷達檢測法可比喻為內科，那麼稱蔡道賜博士為隧道的內科醫生也實不為過。透地雷達法是將高頻電磁波發射進入探測目標，在介電常數或電阻係數不連續面產生反射並由接收器來收錄，可用來描繪地層或結構物內部構造。象選擇適當頻率的天線才能獲得所需的資訊(照片 3.21)。在緊接著的操作示範中，專業的技術人員登上高空作業車並緩緩接近隧道頂拱處，一舉一動都吸引著學員們的目光(照片 3.22)；接著將天線罩緊貼襯砌並往前行駛了一段距離，即時顯示在螢光幕上的反射波蔡博士在講述中表示，影像，就彷彿斷層掃描影像隧道襯砌表面的異狀常常般的令學員們感到新奇卻與其背後的問題有關，透地難以瞭解，因為透地雷達影雷達檢測法就像在空間中像剖面圖的判釋是不容易取樣，測線的佈置端看檢測的，需要相當豐富的判釋經需求與經費多寡。而在天線驗才能做出正確的判斷。頻率選取方面，應就檢測對照片3.22透地雷達操作示範(1/2) 照片3.21蔡道賜博士講解透地雷達原理照片3.23透地雷達操作示範(2/2) 敲擊回音檢測法─葛文忠先生敲擊回音檢測法藉由敲擊檢測物表面發出較低頻之超音波，遇到不同介質後反射回表面並接收，在波傳時間與波速(量測值)已知的條件下，推求波在介質中行經距離。葛文忠先生表示，依照上述的波傳特性，敲擊回音在工程上的應用包含混凝土表面裂縫深度、內部瑕疵之探測，孔隙與蜂窩之偵測，鋼筋保護層厚度等(照片 3.24)。在詳細的講解原理之後，葛文忠先生向學員們示範如何操作(照片 3.25)，並提到近年敲擊回音法在日本的新發展及未來的趨勢。 “敲擊時的力道只影響波形大小，施力強則振幅大，有利於人為判斷，與裂縫物理位置並無關聯。” －葛文忠先生照片3.24葛文忠先生解說敲擊回音原理與方法照片3.25葛文忠先生操作示範隧道安全檢測技術系列研討會頁6 4.研討會Ⅱ─安檢技術探討與交流照片4.1東部工程處黃中杰處長致詞經過了第一天精采的現地檢測技術示範與晚上的休憩後，研討會第二天 (9/21)安排了靜態的系列講座，地點在交通部鐵路改建工程局東部工程處一樓會議室，依舊吸引滿場的學員一同參與。參加的學員們熱情不減，時間還未開始即已陸續入場，充分顯示相關各界對此次研討會的重視以及對此些議題關切的程度！上午九點三十分，研討會議程正式展開，首先請到東部工程處的大家長黃中杰處長致詞。致詞中提到東工處是國內具有豐富隧道建設經驗的單位之一，約在十幾年前，業務從原本已新建工程為主的情況，開始展開一部份營運中鐵路的維護工作，開啟了國內交通隧道安全檢測和維修補強的扉頁。以往國內隧道檢測作業多採費時費力的目視手繪方式；若採國外先進攝影掃描設備，則因租賃費用高而難以滿足檢測頻率。因此特別委託台大研究團隊辦理「隧道襯砌非破壞性檢測技術之開發」研究計畫工作，尋求安全、經濟、快速、可靠且適用於國內隧道的檢測技術，並藉由這兩天的研討會將過去兩年的研究成果向大家報告，除了把新觀念與新技術積極有效的推廣之外，亦希望能夠與在座各位互相交流。另外，黃處長在致詞中也特別感謝台灣大學黃燦輝教授與研究團隊過去的努力，以及大家的蒞臨指導，並預祝研討會圓滿成功！(照片 4.1)以下摘要各講題之內容及活動過程。台灣隧道安全檢測之回顧與展望─黃燦輝教授 “及早掌握襯砌異狀，評估其影響程度，並予必要的維護作業，對隧道營運管理極為重要，亦為經濟高度發展大興土木之後續關鍵課題。” －黃燦輝教授台灣大學土木系黃燦輝教授多年致力於國內隧道工程研究，亦是此委託研究的計畫主持人，本講題以宏觀的角度帶領大家回顧國內隧道安全檢測的歷史以及未來的展望。講述中介紹 50 年代萌芽期到現今維護期台灣隧道建設的演進，並強調隧道與一般結構物除複雜性與變異性不同外，隧道工程在完工後的營運階段長達數十年至百餘年之久！安檢與補強不可不重視(照片 4.2)。另外亦提到隧道常見各種異狀、國內檢測現況與相關規範，以及數種新開發的安全檢測技術；而安全評估準則與異狀影響因素的訂定也是此委託計畫的重點項目。可見建構一套自規劃、設計、施工、安全檢測至維修補強完整的生命週期維護管理制度確實有其必要性！照片4.2黃燦輝教授「台灣隧道安全檢測之回顧與展望」安檢管理與安全評估準則之檢討與建議─何泰源副理照片4.3何泰源副理「安檢管理與安全評估準則之檢討與建議」第二場請到台灣世曦工程顧問公司的何泰源副理，為我們帶來隧道安檢管理與安全評估準則的相關議題。何副理提到，隧道維護管理與人體健診其實非常類似，最大的不同是隧道變形相關資料取得不易且修復效果難以定量評估；而人的病症相關記錄豐富且治療後的效果明確(照片 4.3、照片 4.4)。講述中除針對國內外現有的安檢管理與評估準則做檢討並提出建議，亦與大家分享日本數個知名的鐵路隧道災害案例，令大家印象深刻(照片 4.5)！照片4.4 照片4.5何泰源副理為學員做詳盡解說隧道安全檢測技術系列研討會頁7 隧道襯砌異狀成因判別與影響因素探討─林銘郎教授台灣大學土木系林銘郎教授為國內工程地質專家，同時也是此委託研究的協同主持人，對於隧道異狀的成因有其獨到的見解。過程中以許多實地照片簡介隧道常見異狀，並說明由襯砌表面異狀推估形成原因的方法，進一步研究有哪些關鍵的影響因素。異狀原因大致可分為外力、環境等外在因素，以及材料、施工、設計等內在因素，而且各因素相互影響，要明確判別異狀成因是不容易的。林教授也介紹現有的襯砌異狀成因判別模式作業流程與相關案例，並且建議利用廣域地質、地形與異狀統計資料，會有助於比對異狀成因。照片4.7林銘郎教授介紹日本土木學會之異狀分類照片4.6林銘郎教授「隧道襯砌異狀成因判別與影響因素探討」照片4.8 隧道安全檢測技術之探討─李維峰博士台灣營建研究院的李維峰博士在講題一開始即引入了生命週期維護管理的概念，如此才能有效延長工程設施的營運年限。講述中詳細地介紹了各種隧道襯砌非破壞性檢測技術，以及在隧道中的應用實例；另外由於一般結構物的混凝土完整性檢測已發展相當成熟，李博士也介紹許多常用技術，包含比較新的地電阻影像剖面法，並以實際潛盾隧道與明德水庫溢洪道為案例來解說(照片 4.9、照片 4.10)。 “藉由襯砌內面、襯砌、界面與地盤的檢測對象之分類與異狀討論，可較清楚了解隧道異狀之機制，並易與檢查檢測及維修補強接軌。” －林銘郎教授照片4.10 照片4.9李維峰博士「隧道安全檢測技術之探討」隧道安全檢測技術之新發展─王泰典助理教授接下來的場次由台北科技大學材資系王泰典助理教授向大家介紹隧道安檢技術的新發展，同時他也是本委託研究的協同主持人。過程中介紹了國外代表性的隧道安全檢測技術，包括： TS360/GRP1000/3000/5000 系統、 CDS 光源式全斷面掃描儀、3D Video GIS 影像系統與多相線性陣列電磁波雷達等；以及本委託計畫所開發的新檢測技術，包括熱紅外線檢測技術、襯砌影像嵌接與展開技術、檢測資訊整合與 3D 視覺化系統、隧道襯砌雷射掃描技術與襯砌受力機制回溯技術等五項，期望可暫時填補國外先進技術在國內隧道安全檢測應用的缺口。照片4.11王泰典助理教授「隧道安全檢測技術之新發展」照片4.12王泰典助理教授介紹3D 視覺化系統隧道安全檢測技術系列研討會頁8 隧道安全檢測案例(Ⅰ)─周永川先生照片4.13周永川先生介紹日本部分隧道之異狀原因統計周永川先生為台灣世曦工程顧問公司地工部的計劃組長，一開始先介紹國內地下運輸結構物的簡史與興建狀況，接著大致介紹維護管理問題以及檢測之方法；另外舉了數個國內外受到不同地質作用下的隧道檢測案例，包括日本田子倉隧道、六十里越隧道、內之卷隧道、中越隧道以及高雄某潛盾隧道發生災害的處理及檢測過程。之建置及傳承。周永川先生也強調，隧道施工及維護階段之各項資料為進行安全評估及研判的重要資訊，應該以電子資料庫的方式進行系統化照片4.14周永川先生「隧道安全檢測案例(Ⅰ)」照片4.15 隧道安全檢測案例(Ⅱ)─李佳翰先生照片4.16李佳翰先生「隧道安全檢測案例(Ⅱ)」接下來是由聯合大地工程顧問公司的李佳翰主任與大家分享更多國內外隧道安檢的一些案例，聯合大地工程顧問公司在國內隧道的檢測經驗相當豐富，也有許多精采的案例可供大家參考。李主任將所介紹的案例區分為公路隧道、鐵路隧道、水利隧道、捷運與高鐵隧道等。在公路隧道方面介紹了台 8 線某隧道、 149 甲線某隧道、台北市公路隧道群；鐵路隧道方面則有北迴線中的九座隧道、南迴線中的七座隧道；而在水利隧道中有桃園某隧道、台南某隧道；捷運與高鐵隧道則舉了台北捷運隧道群、德國 ICE 高鐵隧道群等。李佳翰主任也整理了各類隧道檢測重點，並強調現今隧道安檢已逐漸朝向「非破壞性」與「自動化」方向發展。綜合座談照片4.18與會貴賓與學員進行綜合座談在系列講題結束之後，緊接著的是綜合討論時間，讓學員們有機會提出相關看法與研究團隊互相交流。討論中黃處長先就自身的工程經驗發表對隧道安全檢測的看法，果然引起在場學員們陸續地提問，問題大多與設計、施工、養護單位對於隧道安全檢測認知差異有關。研究團隊也強調，資料留存的好壞對後續檢測與維護具有決定性的影響，完整資料庫的建置是迫切需要的。照片4.19 綜合座談照片4.17 隧道安全檢測技術系列研討會頁9 5.幕後花絮 6.鳴謝本次研討會能夠順利進行，要感謝諸多單位與多位工作人員的配合，將這兩天的活動辦得既豐富又有內涵，以下：台灣鐵路管理局台灣世曦工程顧問股份有限公司聯合大地工程顧問股份有限公司交通部鐵路改建工程局東部工程處財團法人中興工程顧問社國立台灣大學嚴慶齡工業發展基金會合設工業研究中心三合技術工程有限公司國立台灣大學土木工程系國立台北科技大學材料及資源工程系財團法人台灣營建研究院銢欣工程公司以及這兩天熱情參與的官、產、學界相關工程人員！

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