香港大地工程之回顾.docx
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香港大地工程之回顾
香港大地工程之回顧
倪學仁
1背景
香港是位於中國東南岸端的一個陸地面積只有一千零八十四平方公里的城市。
在地理上，位於兩廣丘陵地區上。
大約百份之八十的土地是山坡，並不適宜興建民居。
唯一較大的平原是位於新界西北部的元朗平原，為香港的農業地區。
圖一﹕香港島鳥瞰景色
一八四一年，香港的人口只有七千五百四十人；至今，已有六百九十多萬人以香港為家。
大部份的居民都是聚居於維多利亞港南北兩岸狹長的市區帶和新興市鎮中，只有約百分之五的居民散居在市郊地區。
究竟這只有一千多平方公里的彈丸之地如何能承受如此高速的人口增長呢？
答案就是憑著精確的策劃和巧妙的工程技術，開山填海來增加土地的供應，以克服土地稀少的限制，讓不斷增加的人口能夠安居樂業。
香港大地工程的發展可從下面幾個主要領域中反映出來：
2填海工程
一九五零年代以前，香港仍是一個小港口，只具有雛型的城市發展。
市區是侷限在口兩岸的海傍。
房屋一般為三至五層高的樓房。
探勘工作只局限以探勘井為主。
而當時香港政府工務局的實驗室亦只對公路材料進行試驗。
圖二﹕啟德機場第一期擴建填海工程施工情
啟德機場為最早建於海上的機場之一；一九二四年至一九二七年間建築在一小片由填海得來之土地上。
一九四六年至一九五二年，香港人口由六十萬上升至二百七十萬。
為了應付因人口膨脹和商業發展而引致空運量的劇增，於五十年代，香港政府進行了第一期的擴建工程。
並於一一五二年開始進行機場的探勘工作，首次引入了衝擊式的鑽機。
在土壤力學實驗方面，則主要是以控制填方的質量為主。
當時的填方標準為夯實到大約百分之六十的最大乾密度及現場CBR值不少於20％，以能提供DC-6型客機之升降為目的。
在海上探勘方面，亦首次以現場十字片剪試驗來測定海相沉泥的厚度，以決定疏浚的深度。
整個填海工程共用了一千萬立方米的填海物料並使機場的跑道長度達到二千五百四十米。
此可謂香港大地工程的開始。
啟德機場工程的成功，開啟了香港以開山填海的方式取得額外的土地來應付五十年代後不斷膨脹的人口所需。
開山除了取得足夠的土方以供填海之用，亦可於山坡上開闢更多的平台以供建築房屋之需，使香港能得以快速發展為一個大都會。
而在大地工程方面的材料試驗和施工技術各層面（如水力堆填、土工布、疏水帶等），亦因此得以提昇。
圖三﹕香港赤臘角新機場
八十年代以前，香港大部份填海工程都會先移除海床面的海相沉泥再堆填。
但在八十年代後，隨著環保意識的加強，挖掘和堆棄海相沉泥所引起的環境污染問題己成為一社會爭論性的話題。
因此現時的填海工程都趨向保留海相沉泥，但又要求在一個指定的時限內完成製造土地計劃。
例如值得香港工程師們引以為傲的赤臘角機場，是在四十一個月內製造出一千二百四十八公頃的土地。
因此怎樣控制和評估沉陷量已成為現代大地工程師的主要挑戰。
3儲水水塘
由於人口的激增，需水量之需求也日益增加，並且開始影響了民生。
因此需要不斷地興建水塘將有限的雨水儲存下來應用。
隨著大灠涌水塘於一九五七年完成後，香港開始不斷地興建更多更大型之儲水水塘。
在大灠涌水塘的興建其間，由於水塘底層有一透水性強的沖積土層，因此引入了灌漿技術，以水泥加皂土作為灌漿的材料來構造水塘之止水牆。
此後灌漿技術廣泛地被香港建築界採用，來作為土壤改良的方法。
也推動了日後手挖式沉箱的出現。
圖四﹕船灣淡水湖主壩
到了六十年代，香港缺水的情形日趨嚴重，曾經經歷過每四天供水四小時。
在大灠涌水塘建成後，而另一較大規模的石壁水塘仍在建造時，由於在陸地上已經再找不到合適的地方以供建造大型水塘，香港政府唯有另闢途徑開始設計世界上第一個人工淡水湖---船灣淡水湖。
它依傍著新界東北郊的一個小海灣，在海面上修築一條全長2.1公里的堤壩，把小海灣封堵成為一個人工淡水湖。
整項工程於一九七四年完竣。
投產後全港儲水量增加達三倍之多。
船灣淡水湖的土石壩可以說是把啟德機場的跑道伸延出來，由於堤壩在海面下建造，而壩底有海相沈泥的存在，因此當時引進了較新式的探勘和採樣方法。
也開始發展了土壤力學方面的試驗，包括三軸試驗和現場觀察孔隙水壓的變化和壩體的沉陷量。
整個探勘和土壤力學試驗的費用高達港幣八百多萬元，在當時（一九六五年）來說是很罕有的。
圖五﹕船灣淡水湖平面圖
4邊坡
由於人口急劇膨脹，房屋的需求日趨殷切﹔因此很多房屋都在山坡上稠密地發展，以致邊坡數目不斷增加，而香港季節性雨量特別充沛，所以在邊坡安全問題方面所面對的挑戰特別嚴峻。
圖六﹕秀茂坪填土坡塌坡現場
第一代的公共房屋雖然已於一九五零及六零年代建成，但仍然未能滿足人口的需要，而導致大量山邊私建民房出現。
這些私建房屋，經常受火災、山泥傾瀉和颱風的威脅。
而新建的房屋也有很多是位於由開山所得的平臺上。
在當時，一般在設計土地平整時，人工削坡都是以十比六的坡度（約60o）開發，而谷地則以33o至35o的填土坡填平。
這些邊坡中，尤以填土坡之潛在危險較為嚴重。
其中以一九六零至一九六三年間建成的填土坡，因往往沒有得到恰當的夯實，當下雨時，雨水沿未經夯實的填土下滲，至底下的原生土面上形成一暫棲水，令疏鬆的填土出現液化現象，而產生山泥傾瀉。
在一九六四年，一個剛完成的填土坡在大雨中倒毀，土石流向下滑行了200公尺至一大型公共屋舍。
這次塌坡事件雖然沒有造成人命的損失，但使香港政府和工程界開始正視邊坡的問題。
圖七﹕寶山道塌坡事件
一九七二年六日十八日約下午一時，在連續下了三天大雨下，在九龍秀茂坪區的一個四十米高的填土坡倒塌。
土石流沖毀了一個臨時安置區，造成71人死亡60人傷的情況。
幾小時後，另一個大型塌坡在香港島的半山區寶雲道出現，一棟12層高的私人樓宇在山泥傾瀉中倒下，造成67人死亡20人傷的記錄。
針對此次事件，政府成立一專案小組；並於該年年尾委任一批工程師對日後所有的私人樓宇發展項目進行有關大地工程方面的審核和管制。
不幸地於一九七六年八月，秀茂坪臨時安置區在大雨中又發生另一次嚴重的塌坡。
當時至少有四幅填土坡倒塌，而造成18人死亡和24人傷。
這次的悲劇讓香港政府認識到沒有規劃的私建房屋以及未經夯實的填土坡皆潛伏著災難的危機。
事後，香港政府邀請了世界各地的大地工程專家組成一獨立的專案小組來作出調查，並根據小組的建議而籌備一獨立機構來統一釐定和規管與邊坡有關的勘察、調查、設計、建造、觀察、監管和邊坡維修保養的政策和程序。
隨著香港政府土力工程署於一九七七年七月成立後，香港的大地工程才能得以有系統地開始發展。
香港政府一方面通過對大地工程項目的審批來控制和提高新發展項目的質量，另一方面則發展防止山泥傾瀉計劃，將現有低於標準而具高風險的邊坡加以改善和處理，以提高邊坡穩定性。
由於香港地少人多，樓房在山坡上發展稠密，在地權上和土地利用上的問題，往往對邊坡的鞏固工程產生了限制，而且一般傳統式的邊坡鞏固方案的造價也比較昂貴。
因此香港必須發展出一套既便宜而又能適應當地特殊地質條件的鞏固工程。
因此，一九八七年，在深井靈光中小學的邊坡維修中，首次利用“泥釘”來作好邊坡的鞏固方案。
自此，“泥釘”就成了香港邊坡穩定的寵兒了。
一九九六年，香港土力工程處更編制了一套以“泥釘”作為邊坡鞏固方案的標準設計手冊，以供政府邊坡鞏固工程之用，省卻了設計的時間和費用。
圖八﹕深灣道塌坡事件
在過去二十年中，香港政府對邊坡的管制日漸嚴厲，土力工程處亦就每次的嚴重的邊坡倒塌事件進行調查，除了把事實記錄下來，以確定事件的成因外﹔亦從中吸取教訓，從而改善現有的規管要求，以避免同類型事件的再次發生。
如一九九四年七月，香港觀龍樓的一幅擋土牆在大雨中倒下，造成多人死傷的慘劇，事後調查是由於擋土牆後的一條排水管爆裂而引致，顯示了監察及維修斜坡附近的地下輸水管道的重要性，因此香港政府立例規定埋藏於地下的排供水系統應盡量遠離邊坡並需定期檢查和維修。
一九九五年八月的翡翠道山泥傾瀉事件，則顯示出在進行地質勘察和工程設計時，必需加強考慮軟弱夾層等不利地質結構因素對邊坡穩定性的影響。
而同年的深灣道山泥傾瀉事件則顯示定期清理邊坡上的排水系統的必需性。
圖九﹕新界青山天然邊坡土石流事件
過去五十年來，共超過四百七十人因人造邊坡發生山泥傾瀉而喪生﹔但同期間，則只有四人因天然山坡上的孤石下墜而死亡﹔至於因非人為活動而產生的天然邊坡倒塌事件而導致死亡，更無記錄。
但由於都市發展日趨市郊化，從一九九零年起，香港政府已展開對天然山坡的潛在風險作出深入研究。
現在已要求工程師於新發展計劃設計時，須就項目毗鄰的天然山坡作出風險評估。
圖十﹕香港的邊坡分類
目前香港的人造邊坡數目約有六萬幅，其中約有一萬八千幅是在土力工程處成立後建造的，這些邊坡相信是符合現今的法定標準。
其餘的四萬二千幅邊坡，約有一萬六千幅屬於高風險的邊坡，需要進一步的改善和鞏固。
其中位於私人產業範圍內的邊坡約佔三分之一。
由於未能符合現今安全標準的邊坡數目非常大，因此香港政府訂下了以下兩大目標:
∙在公元二零零零年把一九七七年前的不合符現行標準的舊有人工邊坡數目減少一半
∙在公元二零一零年之前把這類邊坡數目減少至原有數目的四分之一
圖十一﹕香港政府減低邊坡風險的政策構思
並通過下列的措施，以減少山泥傾瀉的風險﹕
1.改善現有的行政和規管架構以提高斜坡的安全標準
2.確保所有新建邊坡符合目前的設計標準
3.鞏固和改善現存不合標準的斜坡
4.定期維修和保養現有的邊坡
5.通過公眾教育、宣傳、發佈山泥傾瀉警告和透過資訊服務來提高市民對斜坡安全的意識
5基礎工程
樓房的一般高度在四十年代前多為三層的樓房，樓宇的基礎則主要為放腳地基（擴展基礎）、筏式基礎和木樁。
到了五、六十年代時，隨著人口和商業的膨脹，香港需要迅速興建大量樓房以適應社會的需求。
因此，在一九五五年左右，隨著樓宇高度限制的放寬，樓房也普遍由以前的三層的樓房而演變為五、六十年代的七層高樓宇。
而樓房的基礎也因為要適應不同的地質條件（尤其在新填海地區）和荷載，故多選用預鑄混凝土樁和現場灌注樁。
當時對樁基礎的要求是在兩倍設計強度下樁荷載試驗時樁頂端的沉陷量不大於15mm。
此項標準一直沿用至今。
在地質探勘方面，則多沿用標準貫入試驗來估計樁基礎的深度。
一般而言，設計時都會以在土層處標準貫入試驗數值為50至80的地方作為樁底的深度。
圖十二：
香港半山區一建築地盤以鑽孔樁作為建築物的基礎
到了七十年代以後，由於地價高昂，為了經濟的效益，樓房的高度己普遍增加至十六至二十層以應付日益殷切的需求，因此一般都會採用工字樁或手挖式沉箱等深基礎作為基礎。
工字樁一般都以在土層處標準貫入試驗數值為150至200的地方作為樁底的深度。
而手挖式沉箱則埋設在微風化的岩石中，一般岩石的容許承載力在設計時都會定為3000kPa到7500kPa。
隨著環保意識高漲，手挖式沉箱因為會引致施工工人患上矽肺病，香港政府在一九九五年全面禁止採用手挖式沉箱作為樓宇的基礎。
取而代之的則是大口徑的鑽孔灌注椿。
預應力混凝土椿在八十到九十年代，由於造價比較低廉，因此也曾風行一時。
但由於香港的地層往往有飄石和硬土層的存在，椿尖較易被破壞﹔尤其在填海地區，由於填土較軟弱疏鬆，在施工時，當碰到飄石和硬土層時，椿身也比較容易斷折，因而產生了很多的問題，故現在已不多採用。
八十年代後期由於噪音的管制，因此撞擊式的工字樁在市區內也漸漸式微。
但由於某些特殊環境和地質條件的限制（如山坡、石層很深或基地面積很小），大口徑的鑽孔樁在不合乎經濟效益或不適宜施行時，工字椿仍然是有其存在的價值。
但很多時改為以預先鑽孔的形式來施行，以減少對周圍建築群或邊坡的影響。
到了九十年代中期，四、五十層高的民房也已很普遍，而大口徑的鑽孔椿口徑也由一般的二公尺增到三點五公尺。
在香港啟德機場搬遷後，樓房的高度限制又進一步放寬，樓房會更向高空發展，因此促使基礎工程更向前邁進更新，以適應新的需要。
6深開挖
七十年代，商業發展蓬勃，大型的商場酒店亦如雨後春筍般大量興建。
由於地價高昂，而樓宇的高度與地積比都受到限制。
因此，在商業中心區的建築物，以地下室來取得額外的建築面積的情形亦日趨普遍。
圖＋三﹕新世界酒店深開挖截面圖
一九七五年，「新世界中心」，一個位於九龍尖沙咀區的新填海濱地上的綜合性商業發展計畫動土。
這個計畫佔地約二萬平方米，包括兩座大型酒店、一座甲級辦公大樓、停車場及包括有各種食肆的大型商場。
它是香港第一個建築工程引用了地下幕牆的技術。
開掘深度為十五米，幕牆深度為三十米，以岩錨作為臨時支撐。
此亦為香港深開挖的開始。
此後，很多商業樓宇亦爭相仿效。
其中以位於九龍深水區的擁有深二十七米九層地下層的西九龍中心廣場為此類建築的代表。
圖十四﹕香港半山區梅道一建築地盤在土地平整時以手挖式沉箱作為擋土牆
香港有很多項目發展都在半山區的地方發展，由於地權的限制，因此在土地整平時，深開挖往往都需要以永久或臨時的擋土結構物來配合。
在七、八十年代，後張力岩錨被廣泛引用作為永久性支撐，但由於需要對這類永久性的岩錨作出長期監測，且當岩錨因金屬疲勞而引致張力下降時，其補救方案非常困難而且昂貴，亦往往引起業主與發展商間的責任糾紛問題。
因此在八十年代未，政府已規定如非特殊情況必需外，以岩錨來作為永久性支撐物已被禁止。
現在為了經濟上的效益，這些擋土支撐結構物很多時候會與樓房結構和基礎合成起來。
不同的設計方案，會影響了建築成本和施工時間。
在作出方案選擇時，對於一個位處斜坡上的工地，由於地理環境的限制，工程難度會相應地提高。
因此，必須考慮到施工機械進出的困難、地質條件的配合、施工安全、臨時性工作平台和支撐的安排、邊坡鞏固和施工程序是否恰當等問題作出詳細的分析和周全的考慮，以免影響毗鄰的邊坡和建築物的穩定性。
這對於一個大地工程師來說，是一項嚴厲的考驗和挑戰。
隨著大型基礎建設工程項目和新市鎮的發展，深開挖已經愈來愈普遍，使香港的大地工程師，在這方面具有超卓的技術和經驗。
7隧道工程
香港地處多山，因此很多道路工程和土木公共設施（如輸水管道，電纜和煤氣等）都需要以隧道形式來相接。
大部份的隧道都是在岩石中建造，因此在施工上所碰到的困難並不大。
香港第一條隧道是九廣鐵路的畢架山隧道，於一九一零年興建。
此後，有多條輸水隧道隨著連接各儲水水塘而興建。
第一條行車隧道獅子山隧道本身亦是一條輸水隧道，從沙田濾水廠將食水輸送到九龍市區。
到了一九六七年，香港的隧道總長度已達到八十公里。
圖十六﹕海底隧道的縱切面圖
香港第一條過海隧道於一九六九年開始施工，而於一九七二年竣工。
它是一條以沉箱式製造的隧道。
每一節隧道都在岸上建造，再由拖船拖到預定的地方，再沉到海底預先整理好的基床上。
至今，香港已共有三條過海隧道是以這種形式來建造的，其中的西區隧道，更是東南亞笫一條三線雙層的沉管隧道，使香港成為大量興建沉管隧道的典範。
海底隧道雖然大大改善了香人的生活和工作模式，但對於香港的大地工程的發展而言，只是引用了地球物理學的海上勘察技術而已。
圖十五﹕香港東區過海隧道沉箱製造工場
香港的大地工程，其中最令人引以為傲的必定是地下鐵路系統，由一九七五年開始動土，第一期工程於一九七九年完成並開始營運。
由一九八○年到一九九九年間，客運量增加了三倍，其容載能力達到每小時八萬五千人次。
其三條路線共長四十三公里，其中三十四公里為地下隧道，而三十八個車站中有三十個站在地下建造。
最值得留意的是地下鐵路幹線所經過的地方大部份為已發展的市區和古舊的建築群。
於建造過程中，除了引進新的開挖技術外，採用各式各樣不同的施工方法以適應不同的地質狀況和實際需要；並發展出一套系統以觀察和控制由施工於引起的沈陷問題。
由於工程上的需要，香港從世界各地聘請了大約三百多位大地工程方面的專業工程師，亦使約二十家探勘公司和十家土壤力學實驗室得以成立。
香港的大地工程因此向前邁出大大的一步，達到國際級的標準。
圖十七﹕香港電燈公司以隧道鏜床來開挖電纜隧道
連接香港赤臘角機場的長青隧道，在一九八九年探勘時，首次引入以導向式水平鑽孔來測定隧道路線上的地質情況。
單一鑽孔長度達到一公里，而偏差則控制在三公尺以內，在當時來說是一項記錄，亦將香港的探勘技術提昇了。
策略性污水排放計劃雖然是一件廣為爭論的工程項目，但卻是香港有史以來最具規模和最深的隧道土程，隧道總長度達二十五公里。
由於每一段的隧道都有一更大長度，其中最長的一段隧道為由土瓜灣到昂船洲污水處理廠，全長達五點三公里。
而且所有的隧道都在地表下八十米的岩石層中建造，其中有一部份的深度更達地表下一百五十米；因此大部份的隧道都採用隧道鏜床來開挖。
7結語
由於篇幅所限，這篇文章對香港過去幾十年的大地工程作一簡略的回顧，其中只對某一些熟悉的、有影響性的或廣為人知的工程項目作出簡單描述和介紹，自難免有偏蓋全之慮。
香港大地工程的發展，主要是由於社會、經濟上的需要，再加上政府的大力推動下，才能有今天的成就。
在過去的發展過程中，有很多經歷是非常痛苦的。
作為工程師的一份子，我們除了繼承過往的經驗和研究成果，繼往開來，以工程學的精神解決難題，推動發展，為社會帶來積極及富建設性的進步外；還應當從以往的失敗、不當處理和過失中吸取教訓，避免重蹈覆轍。
隨著電子科技的日新月異，除了常常利用電子計算機軟體來幫助解決複雜的計算和設計問題外；亦同時利用來處理大量的數據分析和建立數據庫。
因此，有很多以前在大地工程方面未能解決的難題和疑問，現在都能開始有進一步的了解。
如地下水位變化與邊坡穩定性的關係、土壤的潛變、土壓力的大小等基本的設定，都能通過以電子儀器來進行長期的觀察和分析，來給予一個比較合理和更科學化的解說。
從而使大地工程能夠再進一步蓬勃地發展。
參考文獻
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