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臺南鐵路地下化之挑戰:地下水與古蹟

文/吳建宏教授/85級系友

吳建宏1 李振誥2 李德河1 陳俊樺3
1 成功大學土木工程學系
2 成功大學資源工程學系
3 臺灣世曦工程顧問公司鐵道工程部

1. 前言

  臺南市區鐵路地下化工程為臺南市市區內近數十年來難得一見的重大公共工程建設。臺南鐵路地下化計畫工程範圍,起點在大橋車站南端(臺鐵里程K355+300)處,終點則在大林路平交道以南600公尺處(臺鐵里程K363+530)(圖1), 路線位於現有臺鐵軌道東側並與之平行。鐵路地下化採明挖覆蓋工法,在鐵路沿線施設地下連續壁作為擋土壁體。舊臺南市區東西向交通受到鐵路平交道的阻礙,在尖峰時間常形成嚴重的交通擁塞現象,臺南鐵路地下化改善此種困境。此外,並改善了舊鐵路沿線的景觀與交通。

圖1 臺南鐵路地下化計畫範圍(交通部鐵道局:https://www.rb.gov.tw/showpage.php?lmenuid=3&smenuid=84&tmenuid=129&pagetype=0)

  由於施工地點穿越臺灣府城的城內,且該工程係以連續壁為地下擋土構造,地下連續壁體打設至岩盤,由於該壁體有良好的阻水性,參考日本社團法人地盤工學會(2004)曾指出連續壁將會對地下水產生影響的情形(圖2)。當連續壁貫入不透水層時,可能會在地下形成長條形的止水屏障,進而影響原地下水的流動,最終影響工程沿線兩側原地下水位分佈。連續壁的阻水所可能造成的影響,即在上游側地下水流可能受連續壁阻隔而造成水位上升,使得土壤內孔隙水壓提高,增加原地中結構體底部上浮力;淺層土壤則由原先未飽和狀態轉變成飽和狀態,未來發生強震時增加土壤液化災害的潛能;而在地下水流動的下游側,原先來自上游的補注可能因連續壁的阻隔使之中斷或不足,促使地下水位面下降,土壤有效應力增加,地層中土壤可能產生壓密沉陷,破壞原地表面結構物或地中維生管線。

此外,由於鐵路地下化穿越古台灣府城,期施工必將使埋藏於鐵路沿線的古蹟出土。

因此,本文將介紹臺南鐵路地下化施工中鐵路地下化工區附近地下水的分布及所伴隨出土的古蹟兩個課題。

圖2 連續壁阻斷水流造成的環境影響示意圖(社團法人地盤工學會,2004)
2. 臺南鐵路地下化之挑戰

2.1鐵路附近地下水分布

  鐵路地下化連續壁對地下水的影響,是該工程的工程課題之一,本研究利用美濃地震之後臺南市內進行臺南市中級土壤液化潛勢地圖建置計畫中所增加的現地鑽探孔位,以量測分析的方式,定出地下水在鐵路地下化工區上游的影響惟範圍。

  圖3為林朝棨(1971)所繪臺南都會區地質分區,圖中橢圓形的部分為臺南台地,成功大學便在臺南台地之上。由成功大學出發,經北門路轉向西走公園北路,跨過公園路之後,便成為下坡,一直到西門路民德國中,西門路以西在荷蘭時代為台江內海的範圍;從成功大學向東出發,走小東路,經過中華東路與榮民醫院之後,便開始走下坡,一直到中山高速公路,進入大灣低地,因此臺南台地的東側邊界應該是在榮民醫院到中山高之間,西側邊界大致以西門路為界,北側大致以奇美醫院附近柴頭港溪,南側則到臺南機場與二仁溪附近為邊界,因此,臺南鐵路地下化的工區是在臺南台地偏西的位置。

  圖4為41口監測井分布的位置,其中北界為鹽水溪、南界為二仁溪、西界為臺灣海峽、東邊界為許縣溪。在鐵路地下化開始之前便開始量測地下水位。利用Modflow軟體,輸入現地高程、透水層等幾何參數後劃定網格,配合水力傳導係數、比儲水率、比出水率、地下水補注、降雨量等參數,模擬2019年8月鐵路地下化施工前的地下水分布(圖5),結果顯示,鐵路附近地下水分布呈現橢圓形,應與臺南台地地形有關,向四周流出,因此,該工區的地下水上游應該是到榮民醫院附近,榮民醫院以東的部分地下水則向東流到大灣低地中。此外,臺南台地上地下水位高程最高的部分則是在永康砲兵學校南側,復國路西側臺南台地的邊緣,以及後甲圓環南側。相關研究除了釐清鐵路地下化工區影響地下水的範圍之外,未來還可以作為臺南都會區地下水保育與開發時之參考資料。

2.2古蹟

  圖6為臺灣百年地圖網站(https://gissrv4.sinica.edu.tw/gis/tainan.aspx)中臺鐵軌道與1896年所繪製臺南府迅速測圖中臺灣府城疊合後示意圖,顯示臺鐵軌道穿越臺灣府城內,並在北側大北門附近(今天的北門路與小東路口)穿過府城大北門城垣,在南側則穿越大東門與小南門之間的城垣牆(今天的府東街與樹林街一段之間)。迄今鐵路地下化工程中已經陸續發現位於小東路地下道南側之府城大北門段城垣殘跡(圖7)、在後火車站附近發現疑似火車轉車台遺構(圖8)( https://news.ltn.com.tw/news/life/paper/1361140)、在小東路與東豐路間之既有鐵軌東側發現疑似清代民宅殘跡(圖9)等等,使台南的古蹟遺址的數量增添不少。

圖6 臺鐵軌道與臺灣府城關係圖
圖7 小東路地下道南側府城城垣殘跡
圖8 火車轉車台遺構
圖9 清代民宅殘跡
3. 結論

  臺南鐵路地下化工程為日治時期臺鐵開通之後,再次影響今後百年臺南發展的重大公共工程。與其他都會區的鐵路地下化工程相比,臺南古都在土木工程建設上必須考慮對埋藏於地下古蹟文物的新發現與如何保存的問題。另外,因為連續壁結構而造成的地下水影響,更使這個工程成為成功大學土木系與資源系師生聯手解析地下水問題的一個重要案例。

參考文獻
  1. 林朝棨,臺南地方的第四紀地質,經濟部聯合礦業研究所,第1-29頁,1971。
  2. 社團法人地盤工學會,地下水流動保全のための環境影響評価と対策―調査・設計・施工から管理まで,2004。