114 專技高考高等考試 大地工程技師（二） 岩石力學與隧道工程及山坡地工程（含水土保持工程） 考古題詳解

核心觀念

現地應力是岩體在工程開挖前，原已存在於地層中的應力狀態，通常以三個主應力表示：最大主應力 $\sigma_1$、中間主應力 $\sigma_2$、最小主應力 $\sigma_3$，並須掌握各主應力的大小與方向。垂直應力常受上覆岩層重量控制，可初估為 $\sigma_v \approx \gamma H$；水平應力則受地質構造、地殼運動、地形、岩性與地質歷史影響，不能單以垂直應力推定。

調查結果會影響工程的穩定分析、支撐設計、施工方法與安全評估。岩體應力並非單一點的固定數值，會隨深度、地質構造與局部地形而變化；調查時應注意應力方向、量測尺度、岩體非均質性及鑽孔或開挖造成的擾動。

解題方法：以工程場域說明影響性

作答可先說明現地應力的工程重要性，再以具體工程場域連結「應力狀態如何影響設計與施工」。至少列舉三種；以下列出四種：

1. 隧道與地下洞室 開挖使原有應力重新分布，洞周可能產生應力集中、剝落、板裂、岩爆或塑性破壞。高地應力區的隧道支撐、襯砌與開挖步序須配合應力大小及方向；地應力方向也會影響洞室軸線配置與穩定性。

2. 礦場與資源探勘開發 井巷、採場及地下儲集層的開挖或開採會改變應力場，影響礦柱設計、巷道穩定、採掘順序與地層控制。油氣、地熱等井孔工程也須考慮井壁穩定、套管設計及誘發裂隙方向。

3. 水力壓裂、地熱與地下儲存 水力壓裂裂縫通常受最小主應力方向控制，現地應力有助於判斷裂縫起裂壓力、延伸方向及注入策略。地下流體注入與抽取也會改變孔隙壓力及有效應力，影響裂隙活化與地層變形。

4. 邊坡及露天礦場 岩坡開挖改變坡面附近的應力分布；現地應力與節理、斷層及坡向共同影響岩體破壞模式、坡面變形及支撐需求。大型邊坡分析若忽略原始應力，可能低估深部破壞或應力誘發裂隙的影響。

現地應力調查方法比較

下表列出六種常見方法。不同方法量測的物理量與尺度不同，工程上常以多種方法交叉驗證。

核心觀念

PCCR 是「臺灣岩體分類與隧道支撐系統」。題目要分清兩個層次：

1. 岩類（rock type）：依臺灣地質材料的特性，將地層歸為 A、B、C、D 四類。
2. 岩體分級（rock mass classification）：在岩類的基礎上，依其工程性質評定岩體級別，作為隧道支撐設計的參考。

四種岩類的判別考量包括：地質材料特性、岩體相關強度特性、岩體對水的敏感性，以及岩層地質年代。工程上也會檢視膠結程度、粗顆粒含量與地質構造等特性。

解題方法

作答時先列出四類岩體的主要特徵，再選至少兩類說明分級方式。A、B 岩類採用 RMR 值作為分級依據；C、D 岩類則依各自材料特性，以適用的定量或定性標準分級。

四種岩類的劃分概念

上述單壓強度是岩類判別的參考基準，不能只憑單一強度數值判斷；仍須配合地質材料組成與工程特性。

A、B 岩類的岩體分級依據

A、B 岩類依 RMR（Rock Mass Rating）值分級，級別以羅馬數字表示。兩類岩體採用不同的 RMR 對應門檻：

核心觀念

本題考查都會區捷運隧道的工法選擇。選擇工法時，須同時考量地層變化、覆土與地下水、地表建物及管線、施工空間、工期，以及斷層破碎帶的穩定與湧水風險。隧道長約 $2\ \mathrm{km}$、最大覆蓋深度約 $150\ \mathrm{m}$，且穿越土層、岩層、土岩混合地層及可能的斷層，宜按地質條件分段評估，不能只憑隧道長度或最大深度指定單一工法。

以下列出國內曾應用的四種開挖工法，並比較其適用性與限制。

解題方法

依施工方式，可先區分為機械式全斷面開挖、鑽炸或機械分部開挖，以及由地表向下施工等類型；再逐項檢視其對土層、岩層、混合地層及斷層的適應性。

一、新奧工法（NATM）

新奧工法以分部開挖配合即時支撐為核心，常用噴凝土、岩栓、鋼支保等支撐圍岩，並依地質與量測結果調整開挖步序及支撐。國內山區隧道及捷運隧道均曾採用。

• **優點：**斷面與施工步序彈性大，適合不規則斷面，也能依地質條件採全斷面、台階或分部開挖。面對土岩交界及局部破碎帶，可縮短進尺、加密支撐，並配合超前地盤改良或止水措施。
• **缺點：**仰賴現地地質判釋、施工監測及支撐管理；開挖面穩定、變形與湧水控制要求高。都市淺覆土區若周遭建物或管線對沉陷敏感，須嚴格控制開挖及地下水變化。
• **應用限制：**不宜將其視為不需地盤改良即可安全通過任何破碎帶的工法。遇高地下水、極軟弱土層或嚴重破碎岩盤時，通常須採取超前支撐、灌漿、降排水或其他輔助措施；高覆蓋深度下亦須檢核地應力、擠壓變形及支撐承載能力。

二、盾構工法（Shield Tunnelling）

盾構機在盾殼保護下開挖，並於盾尾組裝預鑄環片形成襯砌。土壓平衡式（EPB）及泥水式盾構常用於都會區土層隧道；國內捷運工程曾採用盾構施工。

• **優點：**開挖面可加壓支撐，能降低地下水與土體流失造成的地表沉陷；施工機械化程度高，適合長距離、斷面規則的隧道，可減少地表施工干擾。
• **缺點：**設備與始發、到達設施成本高，機具需依地層及地下水條件選型。管片接縫、盾尾空隙及同步灌漿品質會影響沉陷、滲漏及隧道成形。
• **應用限制：**岩層與土層交界、地層頻繁變化或岩塊強度差異大時，可能造成刀盤磨耗、掘進效率下降或開挖面控制困難。遇斷層破碎帶時，須評估湧水、地盤流失、刀具更換及盾構受困風險，並規劃加固、止水或地層改良措施。盾構機選型及刀盤配置須與主要地層相符。

三、鑽炸法（Drill-and-Blast）

鑽炸法以鑽孔、裝藥爆破及出碴循環開挖，通常搭配岩栓、噴凝土、鋼支保及監測控制。國內山區公路、鐵路及隧道工程曾廣泛採用。

• **優點：**適用於中硬至堅硬岩盤，設備相對具彈性；可依岩性調整開挖輪廓與進尺，面對斷面變化或局部地質異常時較易調整施工方式。
• **缺點：**爆破振動、噪音及飛石須控制；若爆破設計或施工品質不佳，會造成超挖、欠挖及圍岩擾動。

核心觀念

本題考查山岳隧道在施工階段的監測與營運階段的結構檢測如何配合隧道生命週期管理。兩者都在掌握隧道安全狀態，但工作目的與資料型態不同：

• 施工監測：在開挖及支撐施工期間，連續或定期量測圍岩、支撐與鄰近地盤的反應，確認施工安全，並供設計與施工調整使用。
• 營運檢測：隧道完工通車後，透過巡查、檢查及必要的詳細檢測，辨識結構與附屬設施的劣化或異常，評估其嚴重程度、發展情形及維修需求。

施工監測偏重「施工造成的反應是否受控」；營運檢測偏重「既有結構是否劣化、劣化是否發展，以及如何處置」。

解題方法

以「目的—範圍與項目—資料處理—成果用途」四個面向比較，即可完整作答。答題時須指出：營運階段仍可設置長期監測，但它屬於追蹤異常變化的工具，不能取代定期檢查與必要的結構檢測。

核心觀念

本題考查兩件事：一是依材料、運動方式、速度與影響範圍區分四種坡地現象；二是依各現象的破壞機制，選擇能量測其前兆或運動狀態的監測項目。監測設計須同時回答「量什麼、為何量、設在哪裡、資料如何判讀」。

邊坡監測的物理量可概分為：

• 位移與變形：落石塊體位移、地表三向位移、裂縫寬度、地中位移、坡面傾斜。
• 水文與氣象：雨量、地下水位、孔隙水壓、溪流水位。
• 運動與動力反應：流速、流深、振動、聲音或衝擊訊號。
• 地形與堆積變化：坡面及溪床高程、崩塌範圍、堆積量。

監測應由現地地形、地質與潛在運動型態決定；單一儀器只能量到特定位置或方向的變化，應搭配其他資料判讀。

解題方法：先辨識機制，再配監測量

作答時可按「運動型態 → 主要前兆或控制因子 → 監測量 → 布點與判讀」逐項說明。落石重點在危岩是否鬆動及是否墜落；岩屑崩滑重點在坡體位移與地下水；土石流重點在降雨觸發及溪溝內流動；深層重力變形則重點在大範圍、長期、深部的緩慢變形。

四種崩塌或變形現象的異同

四者都受地形、地質、水文及地震等條件影響，但監測尺度不同：落石著重單一危岩與行車受威脅位置；岩屑崩滑著重坡體及可能滑動面；土石流著重集水區、溪溝與下游影響區；深層重力變形則需長期掌握整個變形山體與深部位移。

各類型的監測項目與布設、資料處理

一、落石

1. 危岩位移、傾斜或裂縫開度 可使用裂縫計、伸張計、傾斜計、全測站或影像量測。目的在辨識危岩鬆動、轉動及裂縫擴展，作為落石前兆或封路警戒依據。儀器設於已辨識的危岩塊體、其後緣張裂縫或可能控制脫離的節理附近；另設穩定基準點。資料須扣除儀器零點、溫度效應與基準點移動，並檢視位移速率是否持續增加，不能只以單筆讀值判定。

2. 落石事件偵測：鋼索、光遮斷、衝擊或影像監測 目的在確認落石是否發生、估計發生時間及通過位置，提供道路即時警示。感測器宜設於可能落石路徑、攔石設施或道路上方的關鍵斷面，配置時須考量落石跳躍高度與可能繞過感測器的路徑。資料處理須校對時間、排除車輛、動物或風雨造成的誤觸發，並將事件訊號與現場影像或巡查紀錄比對。

3. 降雨量 可於代表性集水區或危岩上方設雨量計，用來掌握降雨觸發條件，建立雨量與落石事件的關聯。應使用適當時間間隔分析累積雨量及降雨強度，並與事件紀錄、裂縫或位移資料對照；雨量是觸發因子指標，不能代替危岩本身的位移監測。

二、岩屑崩滑

1. 地表位移與裂縫變化 可採全測站、GNSS、地表測量樁、伸張計或裂縫計，監測坡體水平與垂直位移、裂縫寬度變化。目的在辨識滑動範圍、滑動方向、分區及加速情形。測點應布在可能滑動體內的上、中、下坡及側界，並在滑動區外設穩定基準點；裂縫計跨越代表性張裂縫架設。資料須統一座標與基準、確認測點是否鬆動或遭破壞，並以位移時間序列及速率變化判讀。

2. 地中位移 在鑽孔內設置測斜管或多點式位移計，目的在找出地中變形深度、剪動位置及可能滑動面。鑽孔宜穿越預估滑動面，並進入較穩定地層；坡頂、坡中與坡腳可依地質分區布設。測斜資料應以孔底穩定段作參考，檢查量測方向、測管接頭及孔底固定狀況，再比較各深度累積位移曲線；

核心觀念

本題考查水對山坡地穩定的影響，以及地表、地下排水設施的功能。水會增加土體重量、提高地下水位與孔隙水壓，也會造成地表沖蝕、土體軟化或坡腳淘空。依有效應力原理，孔隙水壓 $u$ 上升會降低有效應力：

土體抗剪強度可表示為：

其中 $c'$ 為有效凝聚力，$\phi'$ 為有效摩擦角。排水設施藉由截流、導排逕流或降低地下水位與孔隙水壓，提升土體抗剪強度，減少沖蝕及滑動風險。

解題方法

依排水設施的位置與排除水流的型態作答：地表設施主要截除或導引逕流，地下設施主要疏排土體內的滲流水、降低水位及孔隙水壓。列舉至少三種設施，並說明其設置位置、導排對象及穩定效果，即可完整回答。

地表排水設施

1. 坡頂截水溝 設於坡頂或坡地上方，攔截上方集水區流向坡面的地表逕流，並導入安全排水路。可減少坡面入滲及逕流沖刷，降低土體含水量增加與淺層滑動風險。

2. 坡面排水溝或階梯式排水溝 沿坡面、平台或適當間距設置，將坡面逕流集中導排至坡腳排水設施。階梯式配置可縮短水流沿坡面流動的距離、降低流速，減少坡面沖蝕及溝蝕。

3. 坡腳排水溝與導水路 設於坡腳，用以收集坡面逕流及坡面排水溝的出流水，再導至穩定的排水出口。可避免水流集中沖刷坡腳、淘空坡腳造成支撐力降低。