國工局規劃組羅財怡、劉懋基/撰稿圖片提供
一、計畫內容
本計畫自國道4號臺中環線豐原端里程約17k、台3線西側約1.4公里處起，以高架方式通過豐原都市計畫農業區及第六公墓後，往南以隧道穿過豐原東南側山區，出隧道後跨越烏牛欄溪續往南沿丘陵地轉西南，經過新田靶場北側再跨越中89區道、新田營區西北緣南行，終點於潭子區潭興路165巷附近與台74線銜接，路線全長約11公里（包括橋梁長約5.1公里、隧道長約3.8公里、路工長約2.1公里）。本計畫豐原端起點設置豐勢交流道並以連絡道連接台3線，於潭子地區設置潭子交流道、潭子連絡道（長約1.2公里，東西向分別銜接中89區道、潭子外環道《福貴路》），及豐原連絡道（長約2.2公里，南北向分別銜接豐原大道、潭子區仁愛路），終點以潭子系統交流道連接台74線快速公路，路線平面如圖1所示。
本計畫主要構造型式係以橋梁及隧道為主，其中橋梁部分計有主線高架橋6座，長度約5.1公里；連絡道橋3座，長度約0.6公里；交流道匝道橋14座，長度約7公里。包含台74線拓寬段，總計本計畫橋梁全長約13.9公里，橋面積約24萬平方公尺。
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圖1 計畫路線平面示意
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二、創新作為
本計畫引進之創新作為將以新材料與營建自動化、景觀及設計精緻化、環境永續等三方面進行探討，分述如后，實際應用於本計畫路線之區位如圖2所示。
(一)新材料與營建自動化
1.輕質混凝土
輕質混凝土具有下列優點：(1)其單位重γc=1.9t/m3，重量較一般混凝土（γc=2.4t/m3）輕約25%，可降低結構物自重、減少橋墩基礎尺寸，並降低地震力影響；(2)因減少橋墩與基礎尺寸，亦減少開挖面積，降低環境影響；(3)可將廢棄資源再行利用作為輕質骨材，如利用水庫淤泥等，節省材料及資源。
本計畫起點C711標之豐原高架橋P1~P7橋墩之路段係沿用原有PCI梁與橋墩基礎，採調整既設橋墩高度之方式進行橋面拓寬，為減輕既有設施的荷重，故新建橋面板採fc'=280kgf/cm2輕質混凝土(圖3)，使用數量約2,700 m3。
因輕質混凝土具有上述優點，為加強此材料之推廣及應用，經評估後，本計畫C711標豐勢交流道連絡道橋上構箱形梁亦施做fc'=350kgf/cm2輕質混凝土，使用數量約2,050 m3。
國道6號石灼巷跨越橋係國內第一座採用輕質混凝土施作之橋梁，其上部結構之輕質骨材混凝土曾於泵送過程發生塞管導致澆置困難，藉由上述案例之經驗回饋，本計畫於設計階段蒐集國內外輕質骨材混凝土泵送之相關研究與工程經驗，並在中部地區實際試做，探討分析輕質骨材混凝土泵送之關鍵問題後，經評估可透過輕質骨材之選擇、預濕處理、配比設計等方法進行工作性之改善解決此問題，未來施工時將不致再發生類似情形。
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圖2 計畫路線創新作為之區位示意圖
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圖3 輕質混凝土照片
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2.高強度鋼材
現階段國內公共工程與建築用鋼材大多在A709 Gr.50範圍內，並未有更高階產品使用，由於歐美及亞洲等先進國家已有使用高強度鋼材的多年經驗，為了提升國內營建材料使用，故將高強度鋼材運用於本工程，其使用優點如下：(1)結構強度較高，可提升橋梁耐震性及結構安全性；(2)高強度鋼材 在銲接時可免預熱，現場直接施作、施工性佳；(3)可節省鋼材，提升工程經濟性與節省資源。
經評估後，擇定於本計畫第C714標潭子交流道工程之潭子高架橋(圖4)鋼橋段上部結構使用高強度鋼材，係國內高速公路橋梁首次採用高強度鋼材，希望能藉由本工程拋磚引玉，提升未來國內各項公共工程對於高強度鋼材之使用率。
此外，經與使用傳統鋼材之結構相較，雖然高強度鋼材單價較高，但用量較省，兩者工程費差異不大，對工程建造成本影響有限，確有其推展之可行性。
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圖4 潭子高架橋模擬示意圖
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3.多螺箍橋墩工法
民國99年潤泰集團所屬潤弘精密工程公司，將所發展應用於建築工程梁、柱鋼筋施工自動化14項相關專利，無償釋出供國內業界使用，其中包括「柱多螺箍」。
國工局曾於民國100~102年期間委託國家地震中心進行營建自動化橋梁墩柱工法之研究，探討多螺箍橋墩工法應用於國道橋梁之可行性(圖5)，並就傳統鋼筋混凝土橋墩與多螺箍橋墩之施工性、經濟性及耐震性進行研究探討。
使用多螺箍橋墩工法之優點如下：(1)採自動化機械加工生產，提升工程施作效率及施工品質﹔(2)採預組鋼筋籠吊裝施作，減少工人高空作業時間，可降低工安事故發生風險；(3)減少現場鋼筋綁紮工人、舒緩缺工問題（工率為傳統鋼筋混凝土橋墩之87%）；(4)多螺箍圍束效果佳，可減少箍筋用量（約少30%）、節省材料，達到節能減碳的效益；(5)多螺箍筋橋墩柱之韌性明顯優於傳統橋墩，抗震性能提升。
因採用多螺箍工法有上述優點，經檢討評估後將其應用於本計畫路線終點之潭子系統交流道匝道橋梁，共計有41支橋墩，為國內首次採用多螺箍工法應用於高速公路橋梁墩柱之案例。
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圖5 多螺箍工法應用案例
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(二)景觀及設計精緻化
1.豐原聯絡道景觀橋
本計畫豐原聯絡道跨越旱溪之橋梁，為落實不落墩於河川行水區之環評承諾，需以大跨度橋梁進行設計。依此特性於設計階段時分別研擬不同橋梁造型之方案如斜張橋及雙拱橋等，經評估研選後，採用不對稱結構型式之斜張橋，跨徑為138公尺。其特色係鋼索從錨定塊以輻射狀向上展開至橋塔，再於橋塔另側向下擴展至梁身。橋塔及梁身微彎展現受力韌性，成功傳遞了斜張橋結構「力與美」的意象。從各角度觀看皆有立體感，並配合夜間光雕，形塑成為豐原與潭子交界處的新地標，如圖6及圖7所示。
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圖6 豐原聯絡道景觀橋模擬示意圖(日間，由西南往東北觀看斜張橋)
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圖7 豐原聯絡道景觀橋模擬示意圖(夜間光雕，由西北往東南觀看斜張橋)
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2.帽梁及橋墩美化處理
計畫起點的豐原高架橋P1~P7橋墩之路段，因新建豐勢交流道匝道高架橋之故，使橋墩數量增多，造成橋下空間產生較繁雜之感。而豐勢交流道係位於豐原都市計畫區，鄰近區域民房住家較多，為提升本計畫工程美學與美化道路周圍環境，除延續國道4號主線既有橋墩造型外，並將帽梁以門拱的圓弧造型進行美化處理，加強工程之景觀及設計精緻化，如圖8及圖9所示。
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圖8 豐原高架橋橋墩帽梁美化處理示意圖
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圖9 完工後既有豐原高架橋下空間模擬示意圖
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3.橋梁斷面銜接處理
本計畫主線豐原高架橋及潭子高架橋係採預力混凝土箱形梁、場鑄逐跨工法以及上構鋼箱梁、場鑄RC橋面板吊裝等工法施作，由於混凝土箱形梁及鋼箱梁之深度不同，為避免銜接時產生不協調之景觀，乃將鄰近交界面處之鋼箱梁進行深度漸變，以順接混凝土箱形梁，俾提升本計畫工程的景觀及設計精緻化，如圖10所示。
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圖10 橋梁斷面銜接處理示意圖
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(三)環境永續
1.既有PCI梁再利用
計畫起點主線豐原高架橋係將原有高速公路設計高程抬高以跨越台3線東行，該路段既有國道4號主線高架橋上構為PCI梁，考量環境永續構想，乃運用吊裝工法將結構完好的PCI梁吊離工區暫存，待橋墩調整設計高度後再行吊回安裝，以完成主線橋梁上構之興建。本計畫豐原高架橋橋墩P1~P7路段之84支既有PCI梁將可全部再利用，另因應豐勢交流道匝道橋梁布設，將再新建32支PCI梁。而豐原高架橋利用既有PCI梁，與興建全新橋梁方案進行比較，可節省工程費約2,000萬元，以及減少碳排放量約3,200噸，減碳率約60%，落實節能減碳與環境永續之設計理念，其現況照片及施作位置如圖11所示。
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圖11 既有PCI梁再利用之現地照片及施作位置示意圖
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2.不排水隧道
本計畫隧道為履行環評承諾並落實環境保護措施，採用不排水隧道之設計，成為國內第一條高速公路全線採用不排水隧道之案例。本計畫路線中之豐原1號、2號、3號等三座隧道分別長約1.8公里、0.4公里、1.6公里等，隧道全線之斷面皆設計仰拱，且使用全周式防水膜包覆，以減少地下水流失、保護水資源，達成環境永續目標，如圖12所示。
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圖12 不排水隧道施作案例
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3.綠道路先導與認證
本計畫道路引進綠道路2.0版之資格認證作業，係為國內高速公路首例，期望在設計階段即能系統性導入永續思維，並以工程永續指標進行量化績效之評估，讓民眾確實瞭解本計畫綠色工程內涵。綠道路認證係由非營利組織、主要為美國華盛頓大學所發起的綠道路協會，由第三方進行驗證及進行國際交流，以取得各項永續指標之客觀反饋值，瞭解計畫工程的綠色設計、綠色材料、綠色工法等內涵。相信藉由本計畫之永續指標內容及成本等資訊，可作為國內其他公共工程執行之參考，且本計畫之執行經驗可作為未來機關內部或我國導入工程永續標章審議制度之基礎，落實與推廣節能減碳與環境永續之理念。
三、結 語
在民意高漲及用地取得困難的現況下，本計畫雖選擇了環境較為受限的折衷路線，但藉由從永續公路出發，採提升耐震設計、災後快速修復之構想策略，及以新材料與營建自動化的技術提升、工程美學的精緻化設計、綠色高速公路的永續實踐三大項目之設計理念，將使本計畫成為兼顧國道興建與技術提升與民意期待之現代化公路。
