¶ 高速公路耐震補強工程具特殊性之補強案例資料｜12. 跨斷層補強考量（1／2）
發布機關：交通部高速公路局
版本／性質：111年7月；耐震補強工程案例
原始來源：官方出版頁 ｜ 官方原始PDF
使用提醒：本件為111年7月出版的耐震補強案例資料，非通用設計或施工規範；各專題的地震需求、地質條件、材料數值及施工限制須連同原工程背景閱讀。
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-以M41 標國4 豐原高架橋為例
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跨斷層補強考量 -以 M41 標國 4 豐原高架橋為例
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跨斷層補強考量 -以 M41 標國 4 豐原高架橋為例 摘 要 高速公路為臺灣地區南北交通大動脈，在國家整體防災計畫中，扮演最重要之防災運輸生命線， 災害發生時，橋梁為維生線不可或缺之一環。國內橋梁耐震設計規範於民國 97 年除新增最大考 量地震(回歸期 2500 年)作用下，允許結構物產生極限塑性變形至結構韌性 R，另開始考量活動 斷層近域效應，導入斷層近域調整因子 NA、NV，相較於民國 84 年公路橋梁設計規範，地震力係 數大幅提高。活動斷層錯動引致大規模地震，在近斷層區域產生相當大的地震動及劇烈之地變 形。其地表錯位及長週期脈衝效應產生的大速度和譜速度需求，對分布性構造及地下結構，例 如地下管線、橋梁、隧道等構成更嚴重之威脅。本文以國道 4 號豐原高架橋為例，提出因應鄰 近斷層橋梁之補強策略，期能於震後國道橋梁仍可維持防災運輸能力。 關鍵字：橋梁耐震補強、斷層 一、前言 民國 97 年，國內橋梁耐震設計規範除新增最大考量地震(回歸期 2500 年)作用下，允許結構 物產生極限塑性變形至結構韌性 R，另開始考量活動斷層近域效應，導入斷層近域調整因子 NA、 NV，相較於 84 年公路橋梁設計規範，地震力係數大幅提高。同時現行公路橋梁耐震設計規範之 近斷層效應，並未包含經濟部地質調查所於 99 年公布之三義斷層、大甲斷層、鐵砧山斷層、彰 化斷層等斷層，因此高速公路後續路段橋梁耐震補強工程將新增之斷層一併納入對國道橋梁之 影響。 活動斷層錯動引致大規模地震，在近斷層區域產生相當大的地震動及劇烈之地變形。近斷 層地震的基本特徵包括：(1)高地震動值；(2)低頻的速度脈衝(Pulse like)；(3)顯著的永久地表位 移；及(4)上、下盤效應。因斷層錯動在近斷層區域引致之地震特徵除對單一結構造成威脅；其 地表錯位及長週期脈衝效應產生的大速度和譜速度需求，對分布性構造及地下結構，例如地下 管線、橋梁、隧道等構成更嚴重之威脅。 學者由全球與斷層錯動相關之地震調查與觀察，分別針對斷層錯動之參數建立經驗模型， 包含斷層之地表破裂面(線)之可能最大錯移量(MD)、平均錯移量(AD)與震矩規模(Mw)、斷層破 裂長度(SRL)、破裂面寬度(W)的相互關聯經驗式(Wells and Coppersmith，1994)。以臺灣 1999 年 車籠埔斷層錯動引致集集地震為例，其震矩規模 Mw 7.6，斷層之破裂長度約 100 公里。GPS 觀 測資料顯示車籠埔斷層兩側水平錯移量達 2.4 至 10.1 公尺(Yu et al., 2001)，位移量主要集中在斷 層北段，南段位移量較小，符合(適用)前述經驗模型。本計畫以經驗模型進行標的活斷層之地震 錯移量評估，並建立錯移量之機率曲線，做為橋梁耐震設計與安全評估之參考。 12-1
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二、耐震補強第 M41 標基本工程資料說明 國道 4 號豐原高架橋於 91 年 2 月完工，管轄機關屬高速公路局中區養護工程分局苗栗工 務段。橋址位於臺中市神岡區及豐原區，起訖里程為 9k+819~17k+485，穿越臺中系統交流道、 臺 13 線(后豐路)及新山線鐵路等路段，所鄰近之斷層由西向東分別有屯子腳斷層、三義斷層及 車籠埔斷層，其中三義斷層於朴子穿越豐原高架橋。 第 M41 標工程範圍係近斷層 300 公尺之國道 4 號豐原高架橋，工程里程為 10k+519~17k+245， 17k+245 以東(橋墩 P177~A2 橋台)範圍配合國 4 豐潭段新建工程併入「國 4 豐原潭子段第 C711 標豐勢交流道工程」施作。豐原高架橋基本資料及結構型式詳如圖 1 及表 1 所示，其中台 13 線 以西橋梁(含橋墩 P132 及 P133)採用 76 年公路橋梁設計規範設計，台 13 線以東則以 84 年規範 設計。本橋於施工期間遭遇 921 地震影響，致部分施工完成之箱形梁位移，盤式支承及支承座 損壞，橋墩鋼筋變形等，臺中系統路段損傷較為嚴重，歷經 6 個月時間修復。 第 M41 標工程基本資料如下： 1. 工程名稱：國道高速公路後續路段橋梁耐震補強工程(區段 1-2)第 M41 標 2. 工程地點：國道 4 號 STA.10k+519~17k+245 (臺中市豐原區、神岡區) 3. 主辦機關：交通部高速公路局 4. 執行單位：交通部高速公路局第二新建工程處 5. 設計、監造單位：台灣世曦工程顧問股份有限公司 6. 承攬廠商：義力營造股份有限公司 12-2
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圖 1 第 M41 標近斷層 300 公尺範圍橋梁 表 1 第 M41 標橋梁一覽表 上部結構 下部結構 橋梁分類 平均 橋長 設計 橋梁名稱 橋寬 （m） 橋台 橋台 橋墩 橋墩 規範 （m） 連續 工法 TYPE 種類 型式 基礎 型式 基礎 豐 原 高 架 就地澆注逐跨 6966 15.15 連續- 扶 穿 橋（西向） 工法/支撐先 直 單 直 76/ 鉸接/ 進工法/預鑄 壁 5 越 連續- 基 柱 基 84 豐 原 高 架 預力混凝土 I 式 橋 剛接 6966 15.15 橋（東向） 型梁工法 三、耐震補強工程設計 3.1 橋址鄰近活動斷層之地震力考量 依據經濟部中央地質調查所 99 年 5 月公布之斷層資料，本工程範圍內，豐原高架橋距離引 致大規模地震之第一類活動斷層(屯子腳、三義、車籠埔斷層)較近，依交通部頒「公路橋梁耐震 設計規範」(98 年 6 月)第 2.4 及 2.5 節之規定，此橋梁必須考量第一類活動斷層之近域效應。101 年 12 月國家地震工程研究中心「公路橋梁耐震性能設計規範研究(第 2 期)」整合地調所 99 年 5 月公布之斷層資料依行政分區規定之近域效應設計參數(NA、NV)如表 2，本表與 108 年 1 月部 頒「公路橋梁耐震設計規範」規定相同。 第一類活動斷層考量近斷層地震之實際需求時，應以工址短週期設計水平譜加速度係數 SII,S = 反應譜等加速度段之工址放大係數 Fa * (0.8NA)、工址一秒週期設計水平譜加速度係數 SII,1 = 反應譜等速度段之工址放大係數 Fv * (0.45NV)、 工址短週期最大考量水平譜加速度係數 S III,S = Fa * (1.0NA)與工址一秒週期最大水平譜加速度係數 S III,1 = Fv * (0.55NV)計算之。 若可獲得橋址距離斷層線之最短距離，或另有特殊考量者，得依據距離反應 NA 與 NV 值之 變化，依據「公路橋梁耐震性能設計規範草案複審成果報告書」整理如表 3 至表 4 所示。工址 與活動斷層之距離，應以經濟部中央地質調查所公布最新之活動斷層位置為參考，計算工址與 地表面斷層破裂線最短距離，斷層線若不明確，可額外考慮斷層面可能之帶寬。 新增之「三義斷層」及「彰化、大甲、鐵砧山斷層」等其他第一類活動斷層之活動斷層近域 效應則依 101 年 12 月國家地震工程研究中心「公路橋梁耐震性能設計規範研究(第 2 期)下冊」 之規定辦理。本計畫工程採用除依據表 3 至表 4 選取近域效應調整因子外，並與現行交通部「公 路橋梁耐震設計規範」與 102 年 11 月「公路橋梁耐震性能設計規範草案複審成果報告書」(如 表 2) 依行政分區規定之近域效應設計參數(NA、NV)數值做比較，取大值作為橋址鄰近活動斷層 12-3
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之地震力考量依據。表 5 為本工程橋梁與其對應之第一類活動斷層及近域調整因子近域效應彙 整表。 表 2 各第一類活動斷層近域調整因子 NA 與 NV 475 年 2500 年 斷層名稱 等級 II 地震力 等級 III 地震力 NA NV NA NV 1. 獅潭斷層 1.14 1.17 1.13 1.21 2. 屯子腳斷層 1.14 1.16 1.13 1.21 3. 車籠埔斷層 1.12 1.18 1.13 1.25 4. 梅山斷層 1.19 1.22 1.15 1.24 5. 大尖山斷層、觸口斷層 1.08 1.08 1.11 1.21 6. 新化斷層 1.12 1.08 1.15 1.15 7. 花東縱谷地區斷層 1.21 1.29 1.16 1.29 （米崙、瑞穗、玉里、池上與鹿野斷層） 8. 彰化、大甲、鐵砧山斷層 1.15 1.16 1.13 1.22 9. 大茅埔-雙冬斷層 1.15 1.16 1.11 1.23 10. 新城斷層 1.04 1.08 1.09 1.16 11. 三義斷層 1.04 1.08 1.09 1.16 12. 六甲斷層 1.05 1.08 1.05 1.12 13. 旗山斷層 1.08 1.09 1.09 1.16 資料來源：「公路橋梁耐震性能設計規範草案複審成果報告書」（102 年 11 月）及「公路橋梁耐震設計 規範」（108 年 1 月）。 12-4
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表 3 近車籠埔、屯子腳斷層之 475 年設計地震及 2500 年最大考量近斷層調整因子 NA、NV r≦2 2＜r≦5 5＜r≦8 10＜r≦12 12＜r≦14 8＜r≦10 r＞14 斷層名稱 km km km km km km km 車籠埔斷層 1.23 1.16 1.07 1.03 1.03 1.00 N.C. NA （475） 屯子腳斷層 1.28 1.20 1.10 1.10 1.00 N.C. N.C. 車籠埔斷層 1.36 1.32 1.22 1.10 1.10 1.00 N.C. NV （475） 屯子腳斷層 1.31 1.25 1.15 1.15 1.00 N.C. N.C. 車籠埔斷層 1.25 1.20 1.10 1.03 1.03 1.00 N.C. NA （2500） 屯子腳斷層 1.26 1.17 1.05 1.05 1.00 N.C. N.C. NV 車籠埔斷層 1.50 1.45 1.30 1.15 1.15 1.00 N.C. （2500） 屯子腳斷層 1.42 1.32 1.15 1.15 1.00 N.C. N.C. 註：N.C.為不須考慮近斷層效應，回歸一般震區辦理。 資料來源：「公路橋梁耐震性能設計規範草案複審成果報告書」（102 年 11 月）。 表 4 近三義斷層之 475 年設計地震及 2500 年最大考量近斷層調整因子 NA、NV 斷層名稱 r≦2 km 2＜r≦4 km 4＜r≦6 km 6＜r≦8 km r＞8 km NA（475） 1.10 1.05 1.00 1.00 N.C. NV（475） 1.15 1.10 1.05 1.00 N.C. NA 三義斷層 1.20 1.10 1.05 1.00 N.C. （2500） NV 1.35 1.20 1.10 1.00 N.C. （2500） 註：N.C.為不須考慮近斷層效應，回歸一般震區辦理。 資料來源：「公路橋梁耐震性能設計規範草案複審成果報告書」（102 年 11 月）。 表 5 豐原高架橋與其對應之第一類活動斷層及近域調整因子近域效應彙整表 近斷層調整因子 鄰近斷層 475 年 475 年 2500 年 2500 年 （NA） （NV） （NA） （N ） V 三義斷層 1.10 1.15 1.2 1.35 車籠埔斷層 1.23 1.36 1.25 1.50 屯子腳斷層 1.28 1.31 1.26 1.42 12-5
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3.2 三義斷層錯動量評估 斷層錯動量評估在地震危害分析與工程設計有相當重要性。尤其對於通過或鄰近活動斷層 的公共工程，例如道路、橋梁、輸油與輸水等維生管線系統的耐震評估與補強，除了考量地震 的近斷層效應外，斷層可能引致地表錯動，對橋梁工程的影響亦為關鍵因素。 三義斷層對本案豐原高架橋可能之斷層錯動量依國震中心評估結果，錯動量平均值 Dm 約在 0.74~0.83 公尺之間，建議錯動量約 0.83 公尺，詳如表 6。其中斷層錯動量 Dm 為沿斷層破裂面 之滑動距離，其水平向及垂直向之斷層錯動量與斷層淺地表之幾何傾角相關。 三義斷層之淺地表傾角（θ）為 25°，其水平向、垂直向斷層錯動量可分別以 Dm*cos（θ）、 Dm*sin（θ）估算之。本案建議豐原高架橋對於三義斷層之錯動量影響範圍如圖 2 所示： 1. 位於三義斷層下盤側（西側）之橋址，距離斷層 50 公尺內採用 Dm，50 至 100 公尺採用 Dm/2。 2. 位於三義斷層上盤側（東側）之橋址，距離斷層 100 公尺內採用 Dm，100 至 200 公 尺採用 Dm/2。 3. 以上之外範圍可不考慮錯動量。 表 6 三義斷層對國道 4 號豐原高架橋建議斷層錯動量一覽表 上下盤位置 建議斷層錯動量 水平向斷層錯動量 橋梁名稱 （三義斷層） （公尺） Dm*cos（θ） 下盤（0~50 公尺） 0.83 0.75 下盤（50~100 公尺） 0.42 0.38 豐原高架橋 上盤（0~100 公尺） 0.83 0.75 上盤（100~200 公尺） 0.42 0.38 12-6
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