內政部建築研究所 研究計畫期末報告 基礎工程施工抽水對基地環境安全影響 與防災對策 計畫主持人 : 陳組長建忠 協同主持人 : 陳宗禮 研究單位 : 內政部建築研究所委託單位 : 計畫編號 : MOIS 921011 執行期程 : 九十二年二月至十二月 中華民國九十二年十月十七日
內政部建築研究所研究計畫成果 ( 期末 ) 報告 基礎工程施工抽水對基地環境安全影響與防災對策 計畫主持人 : 陳建忠組長顧問 : 黃斌黃玉麟陳怡睿倪至寬協同主持人 : 陳宗禮研究人員 : 謝舜傑徐登文陳太農吳維庭研究助理 : 陳俊琦許嘉真 研究單位 : 內政部建築研究所計畫編號 : MOIS 921011 執行期程 : 九十二年二月至十二月 中華民國九十二年十月十七日
基礎工程施工抽水對基地環境安全影響與防災對策目次 前言第一章緒論 1-3 一 研究計畫背景與目的 1 第二章地下水 4-14 一 地下水之認識及特性分析 4 二 基礎工程施工與地下水位控制 10 三 地下水之調查方法與研判要領 11 第三章地下水與地形 地質 河川 地域 地層之關係 15-28 一 地下水與地形之關係 15 二 地下水與地質之關係 17 三 地下水與河川之關係 20 四 地下水與地域之關係 23 五 地下水與地層之關係 25 第四章地下水與基礎挖方工法選定之關係 29-60 一 大面積大規模之挖方工法 30 二 大深度之挖方工法 31 三 不規則挖方平面之挖方工法 32 四 非山坡地之傾斜地之挖方工法 33 五 極軟弱地盤之挖方工法 35 六 極堅硬卵礫石層地盤之挖方工法 38 七 山坡地之傾斜地之挖方工法 41 1. 坡頂傾斜地 2. 坡腰傾斜地 3. 坡腳傾斜地 八 山溝地區基地之挖方工法 45 九 地下層層高較大時之挖方工法 47 十 擋土牆段差下方基地之挖方工法 52 十一 鄰房高樓淺基條件之深挖方工法 53 十二 岩盤基地之深挖方工法 55 十三 鄰接基地同時開挖之挖方工法 57 第五章基礎挖方工法與地下水災變類型 61-71 一 管湧 (Piping) 現象 61
二 泉湧與砂湧 (Boiling) 62 三 挖方底部地盤之鼓起 ( 與隆起同稱為 Heaving) 65 四 安息角挖方斜邊坡底部之洗掘坍塌 66 五 流砂現象 (Quick Sand) 67 六 挖方底部地盤凍結之鼓起 71 第六章地下水位控制 ( 抽水 ) 工法及井口配置 井深選定 72-137 一 地下水位降低之意義 74 二 地下水位降低施工法之選定 76 三 地下水位降低 ( 抽排水 ) 施工法及其適用條件 77 A. 重力排水工法 B. 強制排水工法 四 地下水位控制井之井口配置與井深計畫 104 五 地下水位控制井之抽水時機及水位控制要領 119 六 基礎挖方坑之內 外地下水位控制要領 129 七 透水性與不透水性交互地層之地下水控制工法 134 第七章平地與坡地 坡腳平地 河岸邊基地之地下水特性 及處置要領 138-145 一 一般平地地下水 138 二 坡地地下水 140 三 坡腳平地地下水 141 四 河岸邊基地地下水 143 第八章封井與封孔 146-156 一 舊有 新設深水井孔之湧泉抑制與封井方法 146 二 支撐中間樁孔之封閉方法 153 第九章地下水災變類型及防災對策工法 157-207 一 泉湧 砂湧之災變及防災對策工法 157 二 管湧洗掘掏空之災變及防災對策工法 163 三 基礎挖方底鼓起之災變及抑止對策工法 188 四 海水浸透地盤地下水災變及防災對策工法 194 五 坡腳基地湧泉之災變及防災對策工法 199 六 預備井, 復水井, 觀測井, 洩壓井之設置及應用 201 結言 基礎工程施工挑戰地下水應有之思維 208 附一 基礎工程施工與地下水災變防止之施工規範條文 修訂建議 213 附二 地下水災變潛勢區域及判識方法 ( 北 中 南 ) 241
主持人 : 陳建忠 ( 內政部建築研究所安全防災組長 ) 協同主持人 : 陳宗禮 ( 一梅達工程顧問有限公司總經理 ) 研究人員 : 謝舜傑 ( 長榮大學助理教授 ) 徐登文 ( 中興大學教授 ) 陳太農 ( 成功大學教授 ) 吳維庭 ( 內政部建築研究所安全防災組研究員 ) 研究顧問 : 黃 斌 ( 成功大學教 授 ) 黃玉麟 ( 中興大學教 授 ) 陳怡睿 ( 長榮大學教 授 ) 倪至寬 ( 台北科大副教授 ) 研究助理 : 陳俊琦 ( 一梅達工程顧問有限公司副總經理 ) 許嘉真 ( 長榮大學土地開發與管理研究所 ) 註 : 本研究報告書為期末報告, 文稿僅為文字初稿, 附圖與實例照片尚整理中未及置入, 章節與頁數亦為臨時編成尚待研討修訂
Abstract Keywords: Underground water, Geotechnical engineering, Failure mechanism, Remedial measure, Disaster, Ground water pumping, The excavation and construction of basement involve geotechnical engineering, structural engineering and foundation engineering, and they are also the integration of construction methods, construction technologies and construction experiences. Groundwater can be a treacherous enemy to the excavation and construction of basement if neglected. The fact that groundwater may not be located near the foundation depth at a given point in time, does not necessarily insure its permanent absence. Potential changes in the groundwater level, and the possibility of artesian pressures must be evaluated. The presence of groundwater and/or artesian pressure can significantly influence both stability and settlement. This research is the extension of the project failure mechanism and remedial measure of foundation construction disaster, that was completed in 2002. The results show that disasters due to groundwater are the most widespread and serious in foundation incidents, Therefore, this research focuses on safety influence of foundation construction with ground water pumping. This study will review the design and construction in practice and propose key points that may be overlooked. The corresponding profound theorems will be elaborated and put to practice. The scope of this systematic study which is friendly in reference will be as wide as possible. The final results can benefit the workers and engineers on the job site and provide suggestions for amendment of construction specifications.
前言 在地下基礎工程施工中, 地盤中所存在之水常常成為極為重要的問題, 也就是說 地下工程施工之許多事故, 幾乎都是由地盤內之水所導致的 說法並不過份, 況且, 因為水的流動造成土質強度的降低或因水流洗掘土壤而形成土砂流出引起災害的事故之情形, 多得不勝枚舉, 因此, 在土方挖掘作業中, 其挖方面深度低於地盤中之地下水位時, 或挖方作業之同時, 由基地周圍向挖方坑內流入之水如無法即時排出, 則亦造成挖方作業之困難, 也因此, 在挖方作業之前, 大都先實施土質調查及地下水位調查等, 再作成地下水位降低並予控制之抽排水施工計畫及檢討挖方之施工順序 挖方施工作業中所產生之事故或災害, 絕大部份都係地下水之抽排水作業不當或不足所引起, 尤其是最近之建築, 其地下室之層數愈來愈多 挖方深度也愈來愈深, 因此, 對於地下水之抽排水作業的重要性也愈來愈受重視, 由土質性狀之瞭解與地下水蘊藏地層 類型 水位 流向之正確研判, 擬訂綿密妥善之抽排水工程計畫是挖方作業中不可或缺的 在擬訂地下水位控制抽排水施工計畫並成功地實施施工作業, 不可或缺的三個條件, 列之如下 : 1) 充分地實施有關抽排水施工計畫的調查 土質調查與地形 地勢調查 地下水位調查 透水性調查 與海 河川之距離及地層之連結性等之廣域性地質資料
挖方時期 季節中之降雨量 水位變化等之水文資料 施工用之排水設施 ( 如公共下水道 ) 之排水能力調查 2) 正確的地下水特性分析與研判, 並對各種抽排水施工方法之優劣點, 充分深入瞭解及認識 3) 擬定正確 合理 有效的地下水位控制抽排水施工計畫, 且施工管理必須十分良好, 妥善執行之 目前國內工程界在基礎工程基地開挖之設計與施工時大多忽略對地層中存在的地下水之適當處置對策, 僅僅依地質調查報告書內之建議地下水位來評估水壓力納入擋土安全措施之設計檢討而已, 設計重點僅著重在擋土措施之結構強度檢討及如何設計出足夠堅固可以承受土壓水壓等作用側壓的擋土牆與支撐設施, 至於應如何施工所設計的設施 ( 戰備 ) 及運用此設施來達成安全施工的目標 ( 戰術 ) 都乏著墨, 尤其關於地下水在施工前 施工中 施工後會有什麼變化及應注意事項等更是隻字不提 ( 可能根本不知道要提什麼, 或許認為只要設計出強度足夠的擋土設施就可以, 至於安全與否根本與設計無關, 何況設計圖上都有加註 僅供參考 字樣把 安全責任 推得一乾二淨 ), 還好國內的專業廠商經驗豐富看到不可行的設計乾脆二話不說不屑一顧的重新設計一套來施工, 更妙的是設計者連氣都不吭一聲, 任由專業廠商恣意妄為, 地下水抽排水作業更毋庸置言, 完全任由鑿井業者恣意施工, 反正只要抽得出水且抽得乾不妨礙挖土施工就滿意了, 從來沒有人去注意監督, 也不知道要如何監督, 抽排水計畫究竟正確否更不知道應如何評估, 長久以來工程界一直延續此種渾沌不明得過且過的心態迄今仍無改善, 從基礎工程施工災變案例的研究與統計可以發現屬於地下水的災變為最多, 對基地周邊安全環境的影響最大, 災害情況也最嚴重, 損鄰事件頻頻糾紛不斷, 我們不得
不加以重視並深入研究地下水抽水之有效防災對策, 本研究案即針對此課題作施工經驗的總整理, 力求研究架構的完整性納入相關的實際問題與思維, 希望能藉此觸發對地下水挑戰的宏觀思維與完整的思考模式, 並提供實際救災經驗成功有效的工法與對策思維, 網羅廣泛層面的有關議題, 以淺顯易懂的通俗語言簡要描述, 務求將專家的知識能成為一般工程人員的常識, 並期望能將目前的微觀思維層次提昇至宏觀思維層次, 少談理論多論實務, 希望能夠在短期內對工程界從事設計與施工的工程人員在思維的啟發與經驗的提昇有實質的助益, 並能夠藉本研究提出之子議題觸發學者專家之後續研究熱潮更深入探討相關理論, 經驗的傳承應可有效降低災變的風險及扼止災變的形成, 有效的對策工法之學習應可抑制災變不致束手無策, 安全施工不是靠小心, 若無有效對策, 災變照樣會發生, 防災 減災 制災 救災乃工程師的天職, 希望藉由本研究提出之思維與對策能對施工災變的抑制與抑止有所裨益 研究案主持人陳建忠協同主持人陳宗禮謹識九十二年十二月
第一章緒論 一 研究計畫背景與目的 : 建築物之地下層及基礎挖方工程之施工, 乃集 大地工程 結構工程 基礎工程 以及 施工法 施工技術 施工經驗 等之大成, 並非是一種單一 技術 單一 工程科學 地下層挖方 之目的乃 築造建築物之基礎 挖方成功而基礎設計錯誤則效果為零 ; 挖方 使地盤失去原有的平衡狀態, 必需以適切的安全擋土措施予以維護, 人盡皆知 ; 但 安全措施 施工之目的乃係 維護周邊鄰近結構物之安全及周邊地盤之穩定 即令對大地工程有透徹之研究, 若乏對既有之鄰近構造物之營造方法 年代 施工方式 結構特性 基礎型式之認知及對擋土措施之施工法 施工技術之認知及應用方式經驗, 則亦無法達成安全維護之目的 安全施工 是所有工程技術人員努力的目標與基本的要求, 然而 施工災變 卻層出不窮, 輕則損鄰, 重則傷亡, 究竟是技術能力與經驗不足? 或施工不小心? 或營建體制不良? 或設計錯誤施工不良令人百思不解! 建築物之地下層及基礎施工, 所面對的是構造極為複雜的 大地 尤其具有之十多億年歷史的 地球, 經由大氣循環與水循環歷經百年 千年 萬年形成地球表面的大地與海洋, 以人類有限壽命中所習得之有限知識與經驗欲挑戰此大地, 猶如以卵擊石, 地層構成係千萬年形成, 猶如生物之 DNA, 自有其血統及遺傳因子, 愈深之地層歷史愈久, 故開挖愈深其所需面對之地層愈複雜挑戰性也愈高, 因此, 在面對如此複雜多變的大地, 除了應依據既有之土質理論研究之大地的微視觀來研判之外, 更應以大地形成之歷史的巨視觀作為研判之修正, 才不致 以管窺天 作出錯誤的研判與計畫導致重大之施工災害或吃悶虧, 尤其近年來科技之進步與都市計畫之發展, 逐漸有了作地下層深開挖的機會與技術, 在深挖方施工中我們同時可以享受到探究歷史考古的樂趣, 同時也應警覺到, 往日的理論與施工經驗只不過限於大地表層的研究而已, 不能夠完全的依賴過往的經驗及有限的理論知識作為執行施工作業的方針或依據 而應以一種開拓新大陸的前鋒者之 1
心態來從事新的研究 自然科學正以日新月異的速度向前發展, 作為直接推動生產力發展的技術科學, 是在不斷辨證地肯定和否定自身的過程中前進的 一個科技工作者不但要善於遵守和應用規範 規程和定理, 而且應該成為勇於向傳統的規範 規程和定理挑戰的戰士 大地的歷史與複雜性, 以當今的科技水準依然難以解明, 我們不得不承認一半理論一半經驗的事實, 儘管施工災變是不可避免的, 但其有害程度是可以控制的, 經驗的傳承應可有效降低其風險 大地 是大自然歷經百年 千年 萬年形成之物, 並無所謂好與壞之分 土壤似 肉, 地下水似 血, 血肉相連方得萬世生機, 人類及生物亦得以生存與生活於其上 工程之地下挖方, 均需 局限開挖, 將建築物或構造物之基礎植入其中 ; 因此, 挖植入基礎時不能只挖其 肉 ( 土方 ), 不止其 血 地下水 水文 之維持, 吾們稱之為 水土保持 亦即 血肉相連 不可分離, 肉 ( 土 ) 若無血 ( 地下水 ), 即乏生機而壞死 地盤之成份即為 土粒子 地下水 空氣 三種 ; 依其構成之比例 成份之不同, 而各有其特性, 因此, 地下層挖方需識其 性 ; 在淺層無地下水之表層挖方與深層有地下水之裏層挖方, 其工法與技術是截然不同的 肉挖深必流血, 血脈相連, 若不予止血, 則其周邊之肉必然壞死 ; 同理, 在地下水位以下之開挖, 為何需以 止水性 擋土牆來止血, 其理甚昭 ; 地盤若失水 ( 肉中無血 ), 周邊地盤豈有不受損害之理? 施工損鄰及災變亦因之形成 本研究之課題即針對 地下水 之控制技術及基礎工程施工中基地內 外 地下水文 及 地下水位 之控制手法, 作經驗及學理之探討, 分北 中 南之大都會區, 不同之地層構成與地質及地下水文, 全面探討其不同之防災對策, 以實務經驗為主軸, 以災變案例為引導, 將專家的 知識 轉換為一般工程人員的 常識, 以求其 廣泛性 與 普遍性 之地下水災害防止之成效 本研究課題, 係延續九十一年度 建築基礎施工災害之破壞機制與預防對策 之研究案中, 災變案例最多, 災情最嚴重之 地下水的災害, 作深入探討 大地之地質條件雖複雜, 地下水之動態雖多變但亦非無脈絡可尋 在本研究內容中, 將提出對目前之設計與施工, 最容易忽略的計畫觀念, 及積三十多年之實務經驗 2
與有效防災對策 ; 將艱深之理論予以實用化, 化繁為簡, 深入淺出, 作有系統之整理, 求其普遍化與廣泛性, 俾利業界作有效之參考, 及施工規範修訂參考 工程施工災變發生的原因, 主要是實際負責現場施工的技術人員之知識與經驗不足, 而有足夠知識與經驗的專家都不在現場, 防止施工災變之鑰即 預知可能之災變類型, 並謀求防災對策工法 若乏對策, 光是小心施工, 災變照樣發生, 因此, 如何將專家的知識與經驗轉換為一般工程人員的常識, 以通俗的語言來達成經驗的傳承, 才是本研究的主要方法與目的 3
第二章地下水 一 地下水的認識及特性分析 在瞭解地盤中之 地下水 對於挖方工程之重要性之後, 首先必須認識什麼叫做 地下水? 我們首先要瞭解, 地盤中之土壤乃由 土粒子 與 水 為主要之構成因素, 而土壤的性質乃由土粒子間隙中的 水 來支配的, 這個存在於土粒子之中的水通常我們稱它為 地下水, 地下水 由 天水 ( 雨水 ) 或 地表水 等所形成, 而存在於地盤中之土砂岩石等之空隙或裂縫之中, 依其存在於地盤中之形態, 可將地下水作如下之分類 : 礦化水化石水 地下水 處女水 溫泉水 吸著水 循環水 毛管水皮膜水 重力水 ( 自由水 ) 層狀水裂罅水 湧泉水 地下水之分類吸著水 : 由土粒子表面之吸著力作用, 吸著之大氣層所含有之水蒸氣之水, 如以 105 之高溫乾燥之即可將之除去 毛管水 : 土粒子之周圍或粒子之間隙中, 因表面張力作用所存在之水 皮膜水 : 附著於 吸著水 之外側, 因植物之根部吸收或蒸發而產生移動之水 重力水 : 不受土粒子之支配, 而以其重力之支配存在於土粒子 4
間隙中自由移動之水, 又稱為 自由水 ( 即狹義之 地下水 ) 在上述之 地下水 分類中, 對於土方挖掘作業具有直接而重要之關係者即為 重力水 ( 自由水 ), 一般即稱之為 地下水, 其存在形式之不同又可分為 自由水面地下水 與 被壓水面地下水 兩種 ( 參照下附之模式圖 ) 所謂 自由水面地下水 乃為其水面與通風帶直接連接著, 在土中受大氣壓之表面所限定著的地下水, 此種水面稱為 地下水面 ( 常水面 ) 被壓水面地下水 則為 地下水面 以下之地層內所存在之 地下水, 受不透水性地層限制其水面之上限與下限 一般情況下, 被壓地下水 都存在於 自由水面地下水 之下側, 此兩者之間, 由黏土 沉泥等不透水性地層隔離著, 如果, 將此不透水性地層穿透, 則 被壓地下水 會冒出至 被壓水面, 這種 被壓水面地下水 也就是一般工程人員所不瞭解或完全無知之 怪異地下水 ( 明明在挖方前試掘至某種深度, 還看不到有地下水, 可是 地質鑽探報告資料 中, 卻列明地下水位在某一深度而覺得奇怪, 甚或自作聰明地以為是地質鑽探報告資料不準 5
確的情形相當多, 事實上, 乃係對地下水之知識不足也 ) 或在地下層挖方施工中發現, 自中間支持樁或擋土牆之邊緣湧出泉水狀之地下水來 ( 因中間支持樁或擋土牆之埋入深度, 穿透了挖方底面下之不透水性地層, 達於其下之透水性地層, 形成地下水之管路, 當 被壓水面 高於挖方底面時, 自然就會循此管路湧出下層之 被壓地下水 了), 因此, 如果在挖方預定深度以下, 有不透水性地層且其地層之厚度不大而在底下又有一層透水性地層, 且挖方作業中之擋土牆或中間支持樁必須施工至此透水性地層中之深度時, 或在黏土 沉泥等不透水層之下側有砂或砂礫層存在時, 都必須視為其有 被壓地下水 之存在而一定要詳加測定 被壓地下水, 來作為挖方工程之地下水位控制抽排水施工計畫的依據, 同時擬定及檢討其對策 ( 目前在地質鑽探報告書中均乏著墨或提示 ) 一般所稱之 地下水面 即 地下水位 或 常水面 ( 位 ), 此乃 地下水 與 大氣壓 維持平衡狀態之水面也 一般因氣象條件 季節 地形之變化及測定之方法等具有很敏感的變化, 且因毛細管作用而有變化, 因此, 欲調查地下水面 ( 位 ) 時, 儘可能以大口徑之井口 ( 例如 30~60cm 以上之口徑的水井或鑽探時在土質調查孔中安裝內徑 40mm 以上之多孔管 (Strainer) 等方式 ) 作數日間以上之測定, 較為可靠及準確 而在調查 被壓水面地下水 時, 井內之水面的深度可稱為 被壓地下水位 ( 面 ), 但此時必須將水井上側之 自由地下水 予以遮斷, 如果沒有妥善地遮斷自由地下水, 則所調查之被壓水位必有出入, 若依此調查結果來作施工計畫之依據, 是非常危險的 ( 參照下圖所示 ) 6
上圖中 (a) 所示, 第一滯水層為自由地下水位, 第二滯水層之被壓水頭可以得知並確認第二滯水層有被壓地下水之存在, 但如 (b) 所示, 其第二滯水層之水頭在第一滯水層之自由水面以下時, 則無法得知觀測孔內之水頭到底係被壓水頭或由第一滯水層滲入者, 因此, 必須如圖 (c) 在上下滯水層之間的不透水層部份之井口套管外圍, 用環塞或注漿固結予以密封, 將其上下滯水層完全隔離遮斷後, 才可測定水位 ( 自由地下水位並非水平面而多與地形近乎平行之斜面, 而被壓地下水位則屬連通管原理, 挖方面之湧泉即為被壓地下水 ) 除了 自由地下水 及 被壓地下水 之外, 尚有一種地下水存在, 此乃係自由地下水之特異形態, 稱之為 宙水, 即表示積存在比較小範圍之不透水地層上之地下水, 猶如隱藏於地底下的池塘 ( 參照下附圖示 ); 此種 宙水 之地下水乃限於由下雨等之來源而形成之滲透水, 在短期間之抽水或施工中之排水的作業迅速消失了的地下水, 雖然 宙水 在施工上不致於造成太大的障礙, 但是, 在潛盾施工或土方挖掘作業中, 因 宙水 之規模大小而造成湧水致土砂流出, 形成地盤表面下沉或挖方周邊地盤之不良影響是相當可怕的, 因此也疏忽不得 ( 調查中不易發現而又確實存在 ) 7
自由水面 被壓水頭及宙水面之存在模式示意圖 8
自由水滯水層 被壓水滯水層及宙水滯水層模式圖例 9
二 基礎工程施工與地下水位控制 在挖方擋土工程中, 對於地下水的檢討重點, 大致如下 : 1) 地下水作用於擋土牆之水壓力 2) 挖方地盤之欲施行 乾式作業 (Dry Work) 的排水工法之選定 3) 被壓水或排水所產生之地下水位差, 對挖方地盤之不良影響 4) 地下水抽排水作業, 對近鄰所產生之影響 5) 採用安定液泥水工法時, 對 ph 值之影響, 排水時之水溫及水質是否適合等 因此 地下水之調查 對於 基礎工程之規模 工法 深度 內容 基地周邊近鄰之條件 等, 都必須一併加以綜合地考慮, 依其施工目的來設定調查計畫才可以 由前述之地下水的認識, 它存在於複雜多變的地層中, 確實不太單純, 而地盤乃由土粒子及其間隙中存在之水與空氣三者所構成, 因此, 在處理土方之同時, 也必須對地下之水的處理方法一併考慮之 ( 一般在鑽探報告書及設計圖均乏著墨或提示 ) 在土方挖掘作業前, 如果能將地下水位降低, 則可獲得下列之效果 :( 降低地下水位須隨挖方深度需求逐層降低, 不可一次降太深, 因挖方中坑內之地下水仍屬擋土支撐之功能 ) 1) 地下挖方在乾作業狀況下施工, 作業效率可提高 2) 可防止砂湧 泉湧 (Boiling) 及管湧 (Piping) 之破壞 3) 對鼓起 (Heaving) 破壞之防止, 極具功效 4) 挖方坡面之洗掘現象不會產生 5) 可減輕擋土牆周邊所承受之水壓力 ( 透水性擋土牆 ) 6) 可平衡擋土牆兩側地下水上流 下流之水位差異水壓 ( 止水性擋土牆 ) 10
三 地下水之調查方法與研判要領 地盤土質調查資料常見之問題 <1> 地盤土質調查缺乏 計畫 鑽孔位置 深度之計畫? 目的? 未依地盤土質特性及計畫挖方深度 ( 基礎深度 ) 考慮設計者之需求數據, 而僅迎合規範之需求深度及孔數作交待 ( 規範本身規定不足, 仍有補正修訂之空間 ) 鑽孔取點在基地中央 ( 僅適用於基礎設計 ), 是否適合引用 為 擋土措施 之計畫參考, 未予考慮 地質鑽探要求項目不明確 ( 土質 地層差異, 需求不同 ) <2> 地下水位認知不清, 往往不透水地層之鑽孔中的 棲止水, 將之視為地下水位, 或將 壓滯水頭 ( 深鑽孔時 ) 視為 自 由地下水水位 ( 淺挖方時之計畫與深層之壓滯水頭無關 ), 易造成計畫者 ( 設計者 ) 之誤判 <3> 挖方擋土計畫之地盤對象為周邊之地盤, 非為基地內地盤 ; 往往周邊均無鑽孔調查, 而直接引用基地內鑽孔之調查資料 來設計擋土措施 ( 周邊地下管線埋管回填層成施工陷阱 ) <4> 地盤簡化土層參數表, 只適用於小規模基地或淺挖方, 大規 模 ( 面積 ) 或大深度挖方時, 其四周之差異極大, 未見報告書 中提示註明 ( 易造成設計時誤判, 而未依四周地質 地層 條件不同分別設計, 尤其在傾斜坡地之坡腳平地其差異極大 ) <5> 調查報告書中, 對側壓力之判定太過草率, 易為誤用 ( 如 : 粘土質不透水地層, 應為土壓 水壓合成之側壓 ; 砂土或卵 礫石等透水性地層, 則為土壓與水壓分離之側壓, 多未加註 明, 且在不同地層變化時, 亦少見有正確之側壓判明方式 ) ( 土壓之形成為持續漸進增大, 水壓則為瞬間滿載, 行為不同 11
, 地層土質不同其側壓行為亦不同 ) 透水性地層與不透水性地層 地層變化時, 地層構成關係 擋土牆之剛性或撓曲性之別 臨時性與永久性擋土牆之別 主動土壓係數與被動土壓係數之解明 卵礫石層與岩層時 側壓之收斂關係之考慮 <6> 調查報告書中之 基礎分析及建議 與 擋土設施與開挖面分析及施工建議 及 結論與建議, 對工法及對策大多太過武斷偏執, 乏專業之深度 ( 甚至有些饡探廠商兼營基礎工程承攬時, 大多會建議採用自己的專長工法, 誤導設計者 ) <7> 調查報告書中對於 地下水 之研判僅就微觀思維陳述鑽探孔測出之結果, 對其究竟係 自由地下水水頭 或 被壓地下水水頭 並未予以辨別明示, 且缺乏宏觀思維, 對於基地周邊地形 地域 地質 地層之環境條件與地下水關係及影響並無著墨, 亦乏提示地下水特性分析與設計或施工時應注意之事項, 未達到專業水準 地下水之調查方法與研判要領 地下水 乃蘊藏於地面下地層中之水, 在不透水性之粘土質或沉泥質粘土地層中的地下水, 並不會自由流動, 屬於 吸著水 與 毛管水, 它只能影響土壤之性質, 含水量多則土質軟弱, 含水量少則土質堅硬, 含水量若達飽和則土質類似流泥之膠體, 一經擾動即呈液化完全無自立性 ( 挖土時挖掘孔迅速淹沒不見痕跡 ), 此種存在於不透水性地層中之地下水, 無法以抽排水工法 12
予以排除, 但也不會因地下水自由流動造成地盤掏空之災害 ( 此類地層大多在河岸邊之沼澤地或回填之水塘, 台北市天母 大直 內湖 信義計畫區基地多屬此類地質 ) 而在具透水性之砂土質或砂質沉泥地層中的地下水, 則會自由流動, 屬於 自由水 ( 重力水 ), 若失去平衡則會產生重力流動並帶動土砂造成地盤掏空或滑動崩坍, 形成嚴重災變, 在基礎深開挖中大多會遭遇此類地層, 故在作地層調查時應將地下水調查列為重點, 對 自由地下水 與 被壓地下水 分別詳細調查 ; 此外, 另有一種含飽和水的細砂層, 雖含大量地下水, 但因砂土顆粒太細致以一般之抽排水工法無法排水降低地下水位 ( 砂粒會塞住抽水井濾網 ), 其狀似流體 ( 俗稱砂膏 ), 若因挖掘失去平衡則會似溶解般呈液態流動, 非常令人恐怖且措手不及, 一下子就崩潰了一大片, 此類狀似液體之細砂土層俗稱 啞吧砂層 或 流砂層, 最難應付也最可怕, 因此, 在地下水調查時亦應同時注意砂土顆粒之粒徑大小, 以利於判斷及早防範或改變工法 ( 此類啞吧砂層大多在河岸邊之砂質灘地, 台北淡水河河岸環河南 北路附近基地多屬此類地質 ) 地下水是動態的, 它與地形 地質 地層 地域 河川之關係密不可分, 影響甚大, 在作地質調查之前, 應以宏觀大地學觀點預先研判來擬定調查計畫, 不能僅以工匠心態從事地質調查, 而應以專業工程師立場提供足夠之地層地質資訊以供設計與施工作出正確計畫 地質調查 猶如 病理檢驗, 地層鑽探 猶如 穿刺切片, 地下水調查 猶如 驗血驗尿, 土質試驗 猶如 細胞檢驗, 地層鑽探地質試驗報告書 猶如 病理檢驗分析報告書, 將成為設計者或醫生作計畫與診斷之主要參考依據, 因此 大地技師 就像是 病理檢驗師, 負責提供專業研判給 13
設計者或醫生參考 基礎工程施工挑戰的對象乃大自然大地, 若以戰爭來比喻, 敵人就是大地, 地質調查 即為 刺探敵情, 地質調查報告書 即為 敵情分析報告書, 此第一手的 情報 即為擬定 戰略 ( 施工法 ) 戰備 ( 安全措施 ) 及 戰術 ( 施工管理 ) 之主要依據, 施工中之 觀測報告 即為 戰況分析, 戰爭欲勝利就要掌握 正確的情報, 如果情報渾沌不明則一定是一場生死不確定的混戰, 最糟糕的是錯誤的情報將導致失敗的結果, 因此, 地質調查 只是一種 科學, 地質調查報告書 中的 研判分析 則是一種 藝術, 它是集知識 技術 經驗 智慧 功力之大成, 也是大地技師的職責, 如何提供設計者正確的敵情分析才是應努力的目標 ( 目前尚未達到應有水準 ) 至於 結論與建議 則應保留給設計者思考與決策的空間, 不宜以偏執的觀點與有限的知識經驗妄下斷語 ( 目前大多如此 ), 使得設計者毫無轉桓的空間 ( 設計者才是戰略的決策者, 應予尊重, 不要以為他不懂 ) 反而應在 研判分析 上多下功夫, 由 微觀大地 宏觀大地 加上自己現場踏勘對基地周邊環境認知的 專業思維 與 經驗觀點 綜合評估並詳實敘述, 提供對設計者有用 有益 有效 正確 客觀的大地情報 14
第三章地下水與地形 地質 河川 地域 地層之關係 一 地下水與地形之關係 地下水 隱藏於地表下之透水性地層中, 其水頭 ( 位 ) 並非水平, 而係沿著地形與大氣壓平衡的高高低低之曲面, 由物質之重力原理在地層中滲透流動著, 沿著地形由高往低匯聚成流, 再往溪谷匯集, 露出地表, 聚流入河川流向大海 ( 此即所謂之 水循環 ) 大地之 水循環 的水則由 大氣循環 而來, 河川 海洋 地表之水份蒸發至大氣層形成 雲霧, 再因氣溫 氣流將 雲 霧 變成 雨 雪, 降於山岳或平地, 溶解滲入地下成為地下水, 再依上述之 水循環 程序反復循環不息, 此即地球的生命力 地下水 沿地形由高往低流動, 它是動態的, 並非靜態的, 高山 丘陵之地形乃因造地運動形成, 平地 盆地之地形乃因沖積 沉積形成, 河川 溪流之地形乃水流沖刷形成, 各有其因由, 且其地層構成 地質亦不同, 高山 丘陵地係以岩層 ( 基盤 ) 為底與表面覆土層所構成, 其地下水有兩種型式 : 層狀之 自由地下水 ( 存在於覆土層 ) 與脈狀之 地中水 ( 存在於岩層中 ), 其 自由地下水 之水位與大氣壓平衡沿山坡滲流往坡腳平地匯流, 若覆土層之土壤透水性不良, 地下水則會沿著覆土層與岩層之間的層境流動, 而岩層中的脈狀 地中水 則在岩層縫罅流動, 若露出水脈會似管狀湧泉噴湧, 其水勢十分驚人, 否則只在岩層中蓄積不會流溢出來 ( 北宜公路坪林隧道工程即遭遇此破碎岩層之地中水災變而受阻, 後來才以熱瀝 15
青灌漿止水工法解決 ) 在坡地調查地下水與地下水位並不易, 且難以準確, 明明在實施調查時測得之地下水位, 在下了一場豪雨後的一週內, 地下水位會突然暴漲, 此乃因地形關係使坡地之地下水不易蓄積而向坡腳洩流致調查時測不到因氣象變化時之差異水位, 若設計者缺乏經驗, 即可能以調查報告作為設計依據而釀成災變之因 ; 尤其坡地岩層中之 地中水 根本無法測知, 若施工中挖到水脈, 一時應變不及束手無策, 或盲目抽水, 極可能形成大災變或嚴重之損鄰事件 ( 如台北市天母一坡腳平地工程之地下抽水致損鄰 846 戶案例 ), 挖到坡地或坡腳平地之地中水或抽地下水, 猶如殺雞 割喉放血 包死無疑 故對於地下水與地形之關係及特性, 不能不有正確的認知, 否則極易踏入此設計及施工之陷阱而損失慘重 ( 台北市信義計畫區松仁路有一重大災變案例 ) 岩層中之脈狀地中水實例照片 坡地及坡腳平地之地下水型態與地形之關係概念圖 16
二 地下水與地質之關係 地質 由地盤鑽探取樣經試驗分析而得, 屬於 微觀大地學 之實驗室理論分析, 猶如醫學之切片檢驗作病理分析一般, 地盤土壤之主要成份為 土粒子 空氣 水 三種, 在地質學中依其土粒子之粒徑大小又分為 卵石 礫石 粗砂 中砂 細砂 粉土 ( 沉泥 ) 粘土 紅膠土 等, 再依其土粒子含量比率顯示 顆粒分析, 與土壤性質相關之 密度 比重 自然含水量 孔隙率 液性限度 塑性限度 等等參數來表述試驗分析結果, 此亦即表述土壤中之 土粒子 空氣 水 三種成份的比率, 比率不同其性質亦不同, 不同地區也不會有同樣的比率, 面對如此複雜且千變萬化的大地如何準確研判其性質, 著實讓一般工程師們千頭萬緒摸不著邊際, 因此迄今大多數的工程師都不得不承認大地學仍然是 一半理論, 一半經驗 的事實, 光學理論若乏經驗則難以深入堂奧一窺究竟 其實, 複雜多變的 大地 地質 就如同 人體 性格 一樣的複雜而難以捉摸, 以個人短短三十多年實際與大地挑戰之經驗得到如下的感受 : (1) 土壤 似 肉, 地下水 似 血 (2) 血 ( 地下水 ) 肉 ( 土壤 ) 相連, 才有生機 (3) 肉 ( 土壤 ) 若無 血 ( 地下水 ), 即乏生機 (4) 大地開挖 就如同 手術開刀 (5) 土粒子 就似 細胞 且各有其 DNA (6) 有限人生之有限知識 難以探究 無限大地 (7) 大地 地質 就似人類 體質 (8) 大地 特性 就似人類 性格 17
地下水 存在於地盤中直接影響 地質, 若因工程施工需求必須改變地質, 則只要處理地盤中之地下水即可, 地盤中可採用抽排水工法處理地下水的地質, 其條件是要具有透水性, 一般以地盤之透水係數 1 10-4 cm/sec 為分界點, 大於則屬透水性, 小於則屬不透水性, 另外亦可以顆粒分析中 砂 卵礫石 含有比率大於 50% 之地層或 沉泥 粘土 含有比率少於 50% 之地層屬於具透水性地層, 依此原則即可判別, 唯在實務經驗中, 經常遇到正巧在此分界點上下的地層, 究竟該歸屬透水或不透水地層? 十分令人疑惑, 只好將此種地層稱為 非良性透水層 可能產生地下水災變的地層即為具透水性的地層, 也是本研究之重點, 至於無法採用抽排水工法來改變地質的不透水性地層, 須採用脫水壓密工法或注入固結工法來改變地質的研究則不納入於本研究中 地下水 蘊藏於 透水性地層 中, 可以自由流動, 也因其流動在非控制狀態下極易釀成地下水災變, 故如何由地質調查資料中研判地層中之地下水 ( 如何找出挑戰目標 ) 及應如何去調查 ( 計畫 ) 與其性狀之認知 [ 水量 水質 ( 礦物質或海水或有機質 ) 水位 ], 在施工計畫 防災對策上都是非常重要的, 所謂 知彼知己, 百戰不殆, 認知敵人, 找出敵人才能打勝仗 地下水 潛伏於透水地層中因地勢及水量關係其滲流速度快量又大之地下水層稱為 伏流水, 有如地下河流潺潺不息, 此伏流水以一般抽排水工法無法達成袪水目的, 即使採用泥水工法施作基樁或連續壁在伏流水層中不但易坍孔, 甚至連已澆置混凝土之樁體水泥漿也會被沖失而形成 骷髏樁 ( 壁 ), 因此研判地下水究竟屬於蓄積水或伏流水極為重要, 其應對方法為施工區域外圍在伏流水層之水頭 ( 上流 ) 以臨時性遮水牆 ( 如止水性鋼板 18
樁 ) 予以阻擋分流至施工區兩旁, 以誘水法將水流支開並減緩流速後再施工地下 R.C. 連續壁與基礎樁, 此種無法以抽排水工法控制之地下伏流水只好改用誘導工法排除而不去硬碰硬, 順應自然而非抵抗, 四兩撥千斤才是技術性思維 19
三 地下水與河川之關係 地下水 為 物質, 物質 就有 重力, 有重力就會由高往低移 ( 流 ) 動, 積涓水而成溪流, 集溪流而成河川, 匯百川而成大海 此乃大自然之鐵律, 蘊藏於地層中之地下水, 在地底下因重力作用而流動著, 依地層地質會自己找出流動的路徑, 最終會歸入溪流河川 ( 地下水之露頭 ), 自古以來, 人類 擇水而居 形成部落, 及至發展成都市與大都會, 也可以說大都會區都在河川兩岸, 由台北往返高雄之飛機上, 若天氣晴朗, 往下一望當知所言不假, 大都會區建設最多, 因此, 在基礎工程須挑戰地下水的機會也最多, 偏偏地下水就在大都會區之地盤下滲流入河川, 也因此在大都會區之基礎工程施工災變中以地下水災變為最多, 災變形成之主因在於認知不足與經驗不足, 地下水 之 流動 狀態稱之為 水文, 既會 流動 自有 流向, 在地質調查之報告書中僅陳述 微觀大地學 之基地地盤資料 ( 地文 資料 ), 對於地下水之調查亦僅載明測得之 地下水位 而已, 至於影響施工計畫最大的 地下水文 則甚少著墨, 以致於使設計者在設計時只偏重於如何利用工程技術來抵抗大地之威脅 ( 如設計了堅固的止水性擋土牆來抵抗土壓及地下水壓 ), 而卻忽略了因此對 地下水文 產生的影響 ( 止水性擋土牆在地下形成了 地中水壩 阻擋了 地下水流, 改變了 地下水流向, 也改變了 地下水文 ), 由於 地下水文 的改變使得 地質 也跟著改變, 更因此使得原來在施工前所作的地質調查結果變成錯誤的設計參數 ( 施工前的地質與施工中的地質變化成為不同的性質, 地下水 水頭 之水位遽昇而 水尾 之水位則因地下滲流水無法供應而遽降 ), 在下了一場豪雨之後即可能形成擋土 ( 水 ) 牆崩垮之 地下水災變 ( 台北市基隆河岸邊之 基河路力霸百老 20
匯 與 民族路濱江果菜市場 及台南市 海安路地下街 案例 ) 地下水是動態的, 是有流向的, 由 宏觀大地學 之觀點, 大都會區之地盤中的地下水水文及地下水流向可由河川 ( 近海都會區則為海岸 ) 所在方位來研判, 以工程基地所在, 與河川 ( 海岸 ) 鄰近側應為地下水之 水尾, 相反側則為 水頭, 極易判斷 地下水流向 之判別與 擋土工法 之選定有絕對的關係, 為防止 地下水災變 之關鍵即在於如何維持 地下水文, 而地下水文可由 河川 ( 海岸 ) 之地理位置簡易判定, 僅由 微觀大地學 之 地質鑽探調查報告書 作為設計與施工之依據是不足的, 如台南市海安路地下街案例經驗之鑑, 其南北走向數公里長之止水性地下連續壁猶如萬里長城似的地中水壩, 將由東向西 ( 向海岸 ) 之地下水流完全阻擋, 破壞了地下水文, 使得施工中災變頻頻, 損鄰無數, 鄰近房屋沉陷 傾斜 倒塌 損傷, 承包商疲於奔命, 工期拖延八年, 承包商不堪損失而倒閉, 糾紛不斷, 損失難以估計, 其實只是對地下水與河川 ( 海岸 ) 之關係及地下水文之維持對策認知不足, 設計錯誤 ( 戰略錯誤 戰備不足 ), 承包商又缺乏經驗 ( 戰術不良 ) 苦無對策, 責任歸屬難以釐清爭議不斷, 如此慘痛教訓應可避免, 卻只差在 地下水文認知不足, 真叫人扼腕 地下水調查 在河案邊且地質屬於透水性極佳之 卵礫石地層 的基地地盤是不易測出正確 地下水位 的, 此乃因地盤只是地下水的經路, 地下水因鄰近河川加上地層之透水性佳, 會迅速洩流至河川, 不會蓄積或停留, 也因此在施工前測得之地下水位甚低, 幾乎與河川水面相差無幾, 若依此資訊設計, 就會落入陷阱, 錯誤而不自知, 因為在施作止水性擋土牆之後 ( 成為地中水壩 ) 阻擋了地下水流, 在水頭側之地下水位會遽昇甚高, 地下水 21
壓亦會增加甚多, 使得原設計之假設條件渾然不同, 造成強度不 足致生災變, 故在河岸邊基地雖經確實調查得到之地下水位, 仍 應考量擋土牆工法後再作取捨, 勿踏入設計陷阱 22
四 地下水與地域之關係 地下水 乃由地殼表層之 大氣循環 與 水循環 產生, 它蘊藏於地層中, 台灣為海島地形, 又屬地震帶, 因板塊擠壓造山運動以中央山脈將台灣島分隔成東西兩邊, 也因地震震央大多在東部宜蘭花蓮一帶 ( 約在台灣島之中段 ), 故台灣北部山脈因擠壓方向為東南向西北, 致山脈走向均呈東北向西南, 且山坡地亦多顯現東南側為順向坡西北側為逆向坡之地質 ( 順向坡易滑動 ), 而台灣中部與南部之山脈則呈南北走向, 加上台灣島之氣候特性颱風 東北季節風帶來豪雨, 不斷沖刷形成土石流並構成河川, 因中央山脈之分界, 西部河川流向由東向西, 東部河川則為由西向東, 北部則因有大屯山火山與觀音山火山爆發使地層陷沒海水倒灌形成古代的台北湖與現在的台北盆地, 由台灣島形成之歷史研究角度 ( 宏觀大地學 ) 來看, 很容易可以瞭解其地形形成之原因與各個地域之特性, 台北大都會區為盆地地形, 台中大都會區為土石流 ( 卵礫石砂土即為殘跡 ) 沖積扇地形, 嘉南平原為沖積 沉積交互平原, 台南 高雄大都會區則為沖積砂土平地 ( 台南地區尚有泥岩層, 高雄地區則全為砂土層, 唯此兩地區均近海岸, 臨海區域均為海水浸透砂土地層 ), 此外, 東北部之宜蘭平原為沖積平原, 地層中地下水極豐, 水位亦高 ( 稻田多稻米產量高 ), 羅東地區砂土粒子極細且含飽和水有流砂地層存在, 此皆為台灣各地域之地層地質特性, 若能由 宏觀大地 先對 地域性 地層地質有所認知, 則在作地質調查 ( 微觀大地 ) 時才能抓住重點得到有效且正確的資料, 否則漫無計畫及目標是無法利用調查結果作出正確的設計與施工計畫的 台灣的河川坡度陡峭, 一遇颱風豪雨易形成土石流, 河水迅速流向大海, 河道狹窄, 河水甚少停留, 河床乾涸多為土石流殘 23
跡之卵石與砂礫石, 因此都在上游興建水庫來蓄積水源, 近年來又因地球之溫室效應與聖嬰現象, 水資源逐漸短缺, 使得存在於地層中之地下水資源成為眾所矚目的焦點, 對地下水水權之管制亦十分嚴格, 台灣中南部河川多屬此類河床乾涸之情況, 其河川兩岸基地地層透水性佳且地下水位亦低, 至於如台北盆地等地勢較平坦地域之河川, 其河道支流較多且較婉延曲折, 河水水位較高河濱沼澤地也多, 河床多屬沉泥土質沉積土 ( 無卵礫石砂土 ), 支流河川交會點前段地域之地盤多屬沖積砂土質地層 ( 如台北盆地之三重市 社子島區域 ), 後段地域之地盤則多屬沉積粘土質與沖積砂土質交互地層 ( 如板橋市 永和市 中和市區域 )( 河水上漲或洪水淹沒期會形成沉積粘土層, 河水低退或洪水消退期會形成沖積砂土層, 層層疊疊, 其土層厚度則顯示期間之長短, 層次之多寡則顯示此地域在歷史上洪水淹沒之次數 ), 而河濱沼澤地則多為河川河口潮汐上漲調節水位之存水區 ( 如台北市大直 內湖之基隆河濱區域 ) 或河口海水倒灌淹沒之區域 ( 如台北縣五股 蘆洲一帶區域 ), 此即由大地形成歷史之 宏觀大地學 來研判大地之 地域地層土質特性 與 地下水 的方法與思維 每個地域有每個地域的歷史, 每個地域有每個地域的地層構成與地質特性, 各個地域依其地理位置 地形 與河川之距離 地勢, 均各有特性, 若能在作地質調查之前先由 宏觀大地學 之觀點來研判該地域之地層與地質特性再作出調查計畫, 則必可直接切入重點獲得有效的地質資料 24
五 地下水與地層之關係 地下水 滲流於透水性地層中, 依重力原理流動, 地層的構成並非規則的層次, 其厚度亦非一致, 因此可以說 透水性地層 即為地下水之 管道, 表層自由地下水受大氣壓力之壓制, 沿地形起伏此層地下水就似裝在盆中之水, 而裏層的深層地下水 ( 受壓地下水 ) 則似連通管, 視其水頭之高低決定壓力大小, 若在水頭以下之受壓地下水因上覆不透水層穿透 ( 穿孔或破洞 ) 與大氣層相通, 則會依其壓力噴湧出來, 而且會似湧泉般狂洩不止, 直到受壓水層 ( 連通管 ) 內之地下水壓降低至破洞高程為止, 此現象在山坡地尤其明顯, 曾有一位於山坡地坡腰之寺廟前院之大池塘, 數百年來均湧泉不斷 ( 其實就是坡腳地盤下受壓水層之水頭 ) 保持一定水面, 就在一次坡腳平地基地進行基礎工程之地下連續壁擋土牆壁孔掘削施工至某一深度時, 突然發生孔內湧泉不斷 ( 其實是挖掘到地下受壓地下水層 ), 沒幾天坡腰上之寺廟前院大池塘內的池水就乾涸了 ( 此地下受壓水層與池塘是連接的地層 ), 大家還以為是犯了什麼大忌引起神明怒氣呢!! 後來坡腳基地基礎工程完成後一段時日, 寺廟池塘的水才再度湧泉慢慢回復原來的水面, 後經大地專家解明大家才恍然大悟 ( 池塘的水是由坡頂滲流而來, 並繼續往下經受壓水層滲透, 寺廟前院池塘窪地正巧是此層受壓水層的水頭 ) 此一案例所幸坡腳基礎工程採用止水性擋土 ( 水 ) 牆, 形成地中水壩才能使上方之池塘水回復, 否則後果將不堪設想 ( 會在基礎挖方中形成管湧 洗掘掏空 地盤滑動 大崩塌等接二連三之大災變 ) 最近發生在台北市天母東路坡腳基地施工抽水損鄰 846 戶之案例即為對受壓地下水層地下水處理不當所致, 此種受壓地下水層即似連通管道故其影響範圍會很廣, 而且只發生在受壓地下水層的上游區域 25
地下水 蓄積於透水性地層中, 隨地層之形狀呈層狀 脈狀 管狀 片狀, 其層中水壓力視其水頭 ( 位 ) 之高低而定, 山坡地因底部基盤層為岩層 ( 不透水層 ), 表層為覆土層, 若覆土層具透水性則層內地下水呈層狀, 若覆土層透水性不佳則其地下水會在覆土層與岩層之層境間自己找出一條 ( 層 ) 透水路徑, 呈片狀滲透至坡腳平地下, 此片狀透水層在地質調查中很容易被忽略或錯過, 因此在地質調查時遇到覆土層與岩層層境務必取樣詳予分析及確認, 在實務經驗中最簡易的研判方法可以目視法觀察山坡地表面, 若林木茂密雜草叢生, 則其下必有此片狀地下水層存在, 若山坡地表面光禿一片或有地盤滑動跡象, 則其下必無此片狀地下水層存在, 此坡地之片狀地下水層若通暢則對坡地覆土層之土壤有穩定作用故其上能草木叢生穩定地盤, 此即 風水地理師 所稱之 龍脈 ( 水脈 ), 水脈通暢則地盤穩定故其 風水地理 必佳也, 尤應注意, 坡地地形之 谷溝 底下之岩層面必有相當厚層之透水層, 此亦即坡地之主要洩水地下水溝道, 坡地 谷溝 之形成乃因岩質軟弱且地下水豐沛經年沖刷蝕成, 故坡地谷溝下方之平地大多為崩積地盤 ( 其土源即谷溝沖蝕崩解之積土 ), 此即大地地形形成之自然現象, 這是地質調查在選點時必備之常識 ( 若選點錯誤便無法獲得有效的地質資訊, 也容易作出錯誤的研判 ), 一般在此坡地之坡腳平地最容易形成地下水災變的地下水即此坡地地下水, 坡地地下水平時不易調查, 也測不到, 但在豪雨之後數日卻可變成豐沛地下水源源不斷沖洩而下令人措手不及釀成大災變, 故此 地下水 與 地層 之關係常識不能不有所認知, 不可盡信地質調查結果, 否則會吃悶虧而死得不明所以 平地地盤另外有一種地層構造, 在表土層下為透水性良好之砂土地層, 其下層則為不透水性之泥岩層, 砂土層內地下水豐沛 26
水位亦高, 此類地盤下之泥岩層層面並非平面或斜坡面, 而大多是高低起伏有峰有谷的層面, 其凹凸不平之凹谷就像是池塘一樣, 在作地下水位控制之抽排水井配置計畫時, 若井位未在凹谷位置而選在凸峰處, 非但抽水效率不佳, 水位亦無法降低至水位控制目標, 導致基礎挖方坑內泥濘不堪無法施工, 甚至釀成災變, 因此, 遇到此類地層時, 應在基地內外作較密集之地質調查鑽探孔, 並將各鑽孔之泥岩層面高程作成等高線平面圖 ( 不透水層等高線 ), 再由地底下不透水層面之峰谷位置來決定地下水抽水井之配置, 此即抽水之 殺雞割喉法 利用水之重力原理, 只要把凹谷之水位降低至凸峰以下, 凸峰區之水必往凹谷流動 ( 高處往低處流 ), 凸峰區雖無抽水井亦可降低水位, 為了能夠達成 四兩撥千斤 之技術效果, 預先認知此地層特性, 並以詳細調查確認是必要的 ( 依施工經驗透水砂層下若為砂岩層或黏土層, 其層面多為平面或斜坡面, 唯若是泥岩層, 則其層面多為凹凸不平之起伏面, 其因可能係泥岩面受地下水浸泡而密度較小區域易蝕溶之故吧, 此類地層在台南市東區多屬之 ) 27
利用挖方底下不透水地層面等高線研判窪谷配置抽排水井實例 28
第四章地下水與基礎挖方工法選定之關係 地下水 與地形 地質 河川 地域 地層之關係十分複雜且密不可分, 而基礎挖方深度 面積規模與地盤之地層構成及挖方深度內遭遇之地下水挑戰性對於評估選定 基礎挖方工法 有決定性的影響 ( 戰略 ), 對於設計結果 ( 戰備 ) 亦具舉足輕重的地位, 除了必要的安全性要求外, 也直接影響施工成本 工期 作業性 基礎挖方工法 主要分為 擋土牆工法 與 支撐工法 兩類, 依地層構成 地質 地下水特性評估及周邊環境條件與挖方深度 面積規模來決定究竟應採用 止水性 或 透水性 ( 地下水關係 ) 剛性 或 橈曲性 ( 側壓變形關係 ) 之擋土牆 ( 猶如作戰時之盾牌 ) 以及 剛性 ( 逆築工法之 RC) 或 彈性 ( 型鋼 ) 支撐 ( 猶如作戰時之武器 ), 其中擋土牆除了要平衡地盤因挖方之應力解放產生之土壓外, 若地層中有地下水層存在, 尚須平衡水壓與防止因地下水流動造成的地下水災變 基礎挖方挑戰大地之主要對象為地層土壓與地下水壓, 若將之視為一場戰爭, 基礎挖方工法即為戰略, 擋土 ( 水 ) 牆與擋土 ( 水 ) 支撐即屬戰備, 戰略是否正確, 戰備是否充足, 左右施工之成敗, 故其重要性不言可喻 地層中之土壓與水壓其行為完全不同, 土壓由挖方使地盤應力解放而產生, 也可以說土壓是由現場工程師製造的, 不挖就不會增加, 一開挖就會增加, 其增加土壓力之大小則由土質來決定, 依土質工學已可準確評估各種土質之最大 ( 終 ) 土壓力, 但是土壓力的形成並非一挖方就馬上產生, 而是須一段時間才會形成, 其所須時間之長短則由土質之黏著力 ( 粘土 ) 或內摩擦角 ( 砂土 ) 來決 29
定, 其行為乃漸進而持續, 雖然是慢慢來但也不停的來, 直到其達成最大 ( 終 ) 土壓力才會停止, 亦即剛挖方後其土壓力並非依土質工學計算而得之土壓力, 當最大土壓力達成土壤就不再滑動 ( 安息角之名即由此而來 ), 土壤不再滑動土壓也不會再增加 水壓之行為則截然不同, 水壓力之大小由其水頭 ( 位 ) 高低來決定, 水壓之形成為瞬間滿載, 且可由水位控制來控制其水壓力 基礎挖方工法選定常見之問題及應考慮事項列述如下 : 一 大面積大規模之挖方工法基礎挖方若屬大面積大規模, 其基地地層之變化一定差異極大, 挖方坑周邊所面對之地層構成與地質各邊不同, 即使同一邊之左 右 中區段也可能不同, 尤其地下水有其流向, 水頭 水尾所在方位也不同, 對擋土牆之側壓影響也不同, 因此, 設計或計畫時所引用之土質參數絕不可採用土質調查報告書中的 簡化土質參數表, 而應依各邊之相關鑽孔之參數個別作設計或計畫, 甚至若該邊之左 右 中區段的地層土質不同, 亦應分別設計或計畫, 周邊地層地質條件不同, 若不予區別而取簡化或平均值直接簡化設計, 不但無法真正反應實況, 甚至可能因差異太大而造成災變 大面積大規模基地挖方, 通常不適用內支撐擋土工法而採用背拉支撐工法或無支撐之島式開挖工法, 由於各邊之地層地質條件差異, 當然非得分別設計不可, 若擋土牆又採用止水性牆, 在地下水水頭側會形成地中水壩, 遮斷地下水流使地下水位遽昇地下水壓增大, 一般容易忽略此種施工後之變化, 未對此側擋土牆特別加強設計, 致生災變, 應特別注意 ( 台北市民族東路濱江果菜市場災變案例即缺乏地下水之應對知識與經驗擅作主張將原設計的內支撐擋土工法變更為島式無支撐挖方工法, 其自立性擋土 30
牆連續壁就只在台北魚市場之地下水水頭側受不了下雨後水位急昇水壓激增而折斷崩塌, 其餘三側卻安然無事, 此案由知名之大地專家提案原以為是改變工法可降低成本縮短工期的價值工程, 可惜經驗及功力不足而生災變功虧一簣, 專家變成專門害死人家的人, 結果成本不但沒有降低反而損失不貲, 工期也延誤一年多足資為訓 ) 二 大深度之挖方工法近年來由於地下施工技術日益進步, 土地利用需求日殷, 都市內停車場不足, 建築物高度越來越高, 地下層越挖越深, 此種大深度挖方所須挑戰的地層也越來越複雜, 遭遇的地層屬於老地層 ( 挖方深度達 20M 約屬三萬年前地層, 深度達 30M 則約屬十萬年前之地層 ), 在施工經驗上越來越陌生, 越來越感經驗不足, 當然地層層次也越多, 遭遇地下水層之種類與特性機率越高也越複雜, 除了自由地下水層與被壓地下水層外還有更下層之 下被壓地下水層, 大深度地下地層之土壤, 不但土粒子形狀不同, 連石礫顏色 貝殼化石也不同, 土壤壓密度也比淺層地層密度大, 在實務經驗中不禁會懷疑深層土之土壤力學是否仍與淺層土之土壤力學相同? 傳統之土壤力學公式是否仍適用? 土壓力是否會收斂? 因為以傳統之土壤力學公式估算之側壓與實際觀測結果差異甚大, 蓄積在地層中之深層地下水行為也不同, 是否應對深層地層土壤力學作更進一步的研究以探討解明其差異, 此將是一個新課題留待日後繼續深入研究 大深度之挖方由於土壓 水壓極大, 除了採用地下 R.C. 連續壁擋土牆工法外已無其他工法適用, 而型鋼內支撐工法亦有其極限 ( 多層支撐欲依賴中間支持樁支持不易, 且中間支持樁長度過長 31
也不易正確植入 ), 故大多採用與預植鋼支柱支持樁配合之逆築工法, 利用地下層結構體來支撐 ( 剛性支撐 ) 的方法, 此工法所依賴之地下 R.C. 連續壁由於壁厚較厚且深度又深施工不易, 加上施工限制必須一單元一單元唌接, 其壁體形成垂直接縫亦不可免, 若此垂直之單元接縫有包泥或蜂巢等瑕疵, 止水性不佳而漏水, 則遇地下水層會形成 管湧災變, 造成鄰房 道路沉陷傾倒之重大災變, 此類災變案例極多且災情慘重不可不慎 三 不規則挖方平面之挖方工法挖方平面不規則乃常見之情況, 如長溝形 梯形 彎月形 菜刀形 中腰形 鋸齒形 半圓弧形 三角形 截角方形 鞋形以及斜坡面之各種平面形狀等, 各式各樣不一而足且各有特性, 加上每一邊之環境條件 ( 超載力 ) 地層地質( 側壓力 ) 均有差異, 應各別作擋土牆設計, 不可只取一代表性斷面就唏哩呼嚕設計出來, 如此十分危險, 何況如果採用內支撐擋土工法, 其支撐力之來源乃依賴兩端互相平衡, 分攤側壓較大的一端必為主動側壓 ( 例如鄰房側為土壓 水壓再加超載 ), 分攤側壓較小的一端為了平衡支撐力則必然變成被動側壓 ( 僅有土壓 水壓, 因力小而會變成被動土壓來平衡 ), 再加上因挖方平面不規則使得支撐必有至少一端與擋土牆呈斜交支撐, 側壓力與支撐軸力成三角函數關係, 若支撐反力不足, 擋土支撐軸力亦不足 ( 支撐軸力最大值即反力值 ), 即使支撐斷面再大, 強度再強也沒有用, 採用內支撐工法在不規則挖方平面時, 如何取得平衡反力及確認反力是必要的設計檢討, 否則側壓大側之擋土牆因支撐力不足而大肚變位, 反力不足側之擋土牆則受對側推擠而退縮變位, 造成地盤沉陷 鄰房傾斜之災變, 一般設計者大多忽略此點, 只著重於檢討支撐之強度耐力, 卻忽略鄰房安全維護, 此亦為何使用大斷面支撐 ( 業主捨得多花錢 32
求安全 ) 施工仍然無法避免鄰損而莫名所以之因 ( 設計未抓住重點, 再認真小心施工亦無效 ) 在反力不足之情形下, 必須採用不等深度挖方 預借土壓工法 來平衡, 或輔以局部 R.C. 支撐 ( 可撐亦可抗拉 ) 配合型鋼支撐 ( 只能撐不能抗拉 ) 來抑制變位 平面形狀極不規則的基地挖方通常須採分區施工之方式將基地分割成適合內支撐工法的區塊, 分區先後施工才能克服支撐平衡的問題, 或採用逆築工法 逆築內支撐倂用工法 逆築單側島式支撐工法來克服不適用內支撐工法之基地 四 非山坡地之傾斜地之挖方工法基地周邊地面並非都是水平面, 擋土措施主要對象乃基地周邊地盤而非基地內, 基地面積若較大周邊地面有高差幾乎不可免, 若其高差大 ( 稱為傾斜地 ) 在挖方擋土工法上因難以支撐平衡高低兩端 ( 高差段之支撐一邊懸空無法取得反力 ), 且在傾斜側之支撐架設也較不易 ( 必須呈階梯形 ), 不但在擋土牆設計上造成困擾且在支撐斷面配置計畫亦成難題, 若採用斜仰支撐 ( 俗稱鐵砲撐 ), 則必須低側表層地盤反力足夠, 偏偏地表層之土壤大多較鬆軟, 同時必須承受兩層支撐之反力, 一般狀況下大多無法滿足此需求, 如何取得足夠反力即為挖方工法設計之重點 ; 最常見的設計疏失為 ( 缺乏經驗之設計者 ) 設計擋土牆時只將傾斜地四周之挖方深度各別依假設支撐點 ( 不管該假設支撐是否為有效支撐 ) 及土質參數來分別設計及選定工法, 而忽略了反力不足的支撐乃無效支撐, 雖設計圖上畫有支撐, 也按圖施工, 但該支撐根本無支撐力 ( 虛支撐 ), 因而形成支撐瓦解挖方面崩塌之災變 最常見的設計疏失為在傾斜地之低側, 因挖方深度淺主動土壓小如土質又不具透水性, 就採用鋼軌 型鋼母樁木襯板擋土牆 33
工法, 忽略了此低側並非承受主動土壓而是由高側而來的側壓反力之被動土壓力, 殊不知母樁襯板擋土牆工法根本無法承受被動土壓 ( 母樁會似刀子切陷入土中 ), 故根本無反力 ( 支撐為徒具形式之無效支撐 ), 導致對側 ( 高側 ) 擋土牆成為無支撐之自立狀態造成崩垮坍塌之災變, 其實低側擋土牆之設計重點並非擋土而是如何製造反力, 此牆不但要比高側擋土牆更強且須檢討背土土質之被動土壓是否大於所需求之反力 尤其在高側採用止水性擋土牆時會阻擋地下水流擾亂地下水文, 使得高側擋土牆因地下水位遽昇水壓急增, 破壞支撐原有的平衡致低側反力不足, 造成嚴重災變 [ 應注意地下水文之維持, 必要時應採取止水性擋土牆在挖方面下透水層中 放水門 ( 連續壁單元採深刀淺刀, 一高一低之齒狀壁底 ) 使地下水在挖方底仍可暢通 ( 唯地下水層若在挖方面上則須採用遮水壁 )] 傾斜地不同於山坡地的地方在於其地層及土質特性不同, 傾斜地乃一般平地中之地表有高差坡度的基地, 它的土質與平地同樣由砂土 粘土 卵礫石 崩積土 過壓密砂土等土壤構成, 依地域地層形成歷史層層疊疊之地層所構成, 其地層中之地下水為蓄積滲透型態存在, 遇地形變化才會滲流, 而山坡地則由覆土層與基盤層所構成, 覆土層為極度風化之土壤, 其土質視基盤層之岩質屬性而定, 若岩質為砂岩則其覆土層土質為砂土, 若岩質為泥岩則其覆土層土質為粘土, 若岩質為頁岩則其覆土層土質為砂土粘土混合土, 覆土層表土則因與大氣層長期接觸均屬壤土, 此壤土為地球最珍貴的資產, 在其中植物的根 動物蟲卵才得以生存, 也因此在山坡地鑿岩挖填土築路時都會先刮除表土層堆放路旁俟道路完成再作為邊坡覆面植生土以利穩定邊坡, 也唯有此壤土才利於植生護坡並非由地底挖出的土都能植生存活的, 因此表 34
土一般可視為生物而非地盤 ( 大地之地質調查均對地表 1.5M 厚左右之壤土視為表土不作任何試驗分析 ) 山坡地之基盤層為岩層, 大多不透水, 雖岩層中亦存有地下水但以脈狀水脈形式存在岩層裂隙中, 一般不稱為地下水而稱為地中水, 而地下水則存在於覆土層與基盤岩層之層境, 其地下水位沿坡地地形呈坡面與大氣壓平衡, 故山坡地之地下水與傾斜地之地下水是截然不同的 傾斜地的地下水因地形關係大多是滲流著的動態水, 因此在選擇工法時應儘量不破壞其水文, 不得已時亦應存著施工時遮水, 施工後通水的觀念來作計畫, 採用永久性遮 ( 止 ) 水壁時應在水頭側 ( 上流 ) 抽水, 水尾側 ( 下流 ) 復水, 並在地下水層等深之地下結構設置地下水流之連通管, 使地下水層暢通, 回復原有水文 五 極軟弱地盤之挖方工法地層中之含水量可以左右土壤的性質, 在砂土質地層中的地下水因可以自由流動, 故可採用抽排水工法將其袪除來改變砂土性狀, 在土質試驗報告中砂土質地層測出之自然含水量都很低, 且無塑性, 除了含飽和水之細砂層狀似流體 ( 啞吧砂 ) 難以袪水外, 其他砂土質地層均可強迫抽排水來改變性狀利於施工, 然而粘土質地層卻完全不同, 由於粘土質土粒子粒徑很小 (5μ,0.005 MM 以下 ), 若細粒徑土之粒子非常細小 ( 小於 2μ) 時則其比表面積變成很大, 便產生界面活性等之凝聚特性, 界面活性增大則土粒子與間隙水的物理 化學作用變成很活潑, 在土粒子表面形成吸著水層且作用於土粒子間的物理 化學作用將增大, 結果導致細粒土之黏性 塑性的力學性質十分卓越且形成非常複雜的綿毛化構造 ( 淡水粘土與海水粘土雖在程度上有差異, 但均為密接粒子之集合互相呈連鎖狀構成大空隙之形式 ), 如果將飽和之粘土的力學行為 35
放大來看, 可以說含水量很低的飽和粘土 ( 如高度壓密之粘土 ) 顯示著固體 ( 彈性 ) 的性質, 可是將含水量逐次增加則飽和粘土會變成黏彈性或塑性的舉動, 若再增加含水量則飽和粘土會變成糊狀而由黏塑性的舉動變成黏性的舉動, 接著, 便呈懸濁液而具有液體狀之流動性 ( 流體狀 ), 此種含水量高的飽和粘土當受外力作用時, 土粒子變成不安定, 因此易成為軟弱土 ( 有機物質更可以助長上列性質, 因此有機質土也屬於軟弱土 ), 粘土層是否屬軟弱土之簡易研判方法以 N 值來判斷 : N<2 為極軟弱粘土 5>N 2 為中度軟弱粘土 8>N 5 為普通堅硬粘土 15>N 8 為堅硬粘土 30>N 15 為極堅硬粘土 N 30 為過堅硬 ( 固結 ) 粘土此外, 由自然含水量與液性限度試驗值之比較亦可研判, 若自然含水量 液性限度, 其土質必為糊狀爛泥或流泥之 極軟弱地盤, 此種地層在挖土時挖掘洞會瞬時回脹填補根本來不及看出挖土坑洞, 就似用湯匙舀湯不著痕跡, 足見其側壓之行為特性為瞬間滿載 ( 與一般土壤之漸進持續的行為迴異 ), 且側壓力極大幾近水壓 ( 主動土壓係數 Ka=0.6~0.8) 又來得很快, 在作挖土計畫時若經驗不足很容易形成內支撐瓦解 擋土牆折斷崩潰之大災難, 有時快到災變發生連在基礎坑內的施工人員都來不及逃生而傷亡, 此乃因其側壓又大又快, 當挖土時由一邊依次挖至另一邊為一般的施工程序, 但在此種極軟弱地層中, 先挖的一邊一降挖該區段之擋土牆與支撐馬上就受側壓增加之作用, 尚未挖掘的另一邊仍未受力, 若擋土牆採用連鎖扣接之鋼板樁因每片受力大小與時點不同, 變形時點也不同, 在挖方中即可聽到鋼板樁扣接槽 36
因變形時點不同而嘎嘎作響, 且擋土支撐亦因每道受力時點前後 不同產生支撐構架之錯動致接點螺栓剪斷, 霹啪之聲時有所聞但 卻不易尋知其所在, 若未能及時補換最後將導致支撐挫屈瓦解而 崩垮, 一片一片的鋼板樁就向彈鋼琴一般先後起伏, 如曾身臨其 境會令人萬分恐怖且餘悸猶存, 對付此種極軟弱地層在設計時千 萬不可以靜態視之, 擋土牆工法務必選用剛性較大者以防止變形 差異過大破壞支撐構架之平衡與挫屈耐力, 土方挖掘程序更應對 稱進行, 由兩邊同步開挖往中央收尾, 絕不可由一邊往另一邊以 防止支撐受力時點差異期間過長致支撐受力不均造成接點破壞, 更因此種極軟弱地層易形成挖方底部隆起災變, 設計擋土牆之貫 入深度要足夠, 而又因擋土牆剛性要大貫入深度又要深其牆體自 重當然會更重, 偏偏此極軟弱地層之摩擦支持力又低, 若未在設 計時確實檢討確認, 則挖方完成施工階段會因地盤支持力不足致 沉重的擋土牆似菜刀一般切入下沉而使支撐拱起瓦解 ( 台北市松 仁路亞歷山大大樓災變案例 ), 其防止對策為擋土牆在軟弱地層中 相當間距應設計足以支持擋土牆自重之支持樁直達地下支持地層 ( 岩層或卵礫石層 ) 極軟弱地層採用剛性大之深擋土牆以防止地質特性之變數, 觀念正確, 但卻忽略了牆體自重大反而成為災變之風險, 經驗不足, 為了防災反而釀成災變, 不能不記取慘痛教訓 此類極軟弱地層存在於古代沼澤地或湖泊遺址, 如在台北市 大直 內湖 西湖 天母 信義計畫區 關渡平原等地區均屬此 類地層, 其地質極特殊且 N 值僅為 1~1/2, 災變與損鄰案不勝枚舉 ( 日本將此類地盤歸類為 特殊地盤 或 特殊土 ) 極軟弱地層因呈糊狀或流泥, 欲採用泥水工法施作剛性之地下 R.C. 連續壁在壁孔掘削中因土質極軟弱致孔壁回脹快, 抓斗來回抓掘會造成周邊地盤沉陷及鄰損, 其防止對策為採用鋼板樁作為外側深導溝以防止孔壁回脹, 否則尚未挖方已造成損鄰就失去施作安全擋土措施的意義了 37
六 極堅硬卵礫石層地盤之挖方工法緊密之卵礫石層地盤十分堅硬, 一般基礎施工機械不易施工, 卵礫石地層之地質又分為卵礫石粘土質 ( 不透水性地層 ) 與卵礫石砂土質 ( 透水性地層 ) 兩種, 卵礫石地層本身就是一種結構, 它由粒徑較大的卵石 粒徑較小的礫石 砂土或粘土三者構成, 卵石與卵石的空隙由礫石充填著, 礫石與礫石的空隙則由砂土或粘土充填著, 也由於卵礫石之比重大, 因壓密作用使此類地層都非常密實堅硬, 它不屬於岩層, 也不屬於土層, 故岩石力學或土質力學都無法解明其力學性質, 可是迄今尚無卵礫石學之研究可供應用, 卵石有圓形與扁平形及楔子形等不同形狀, 其粒徑 形狀不同內摩擦角也應有不同, 但是在土質試驗究竟應如何評估仍然莫衷一是, 因此不論所評估的內摩擦角多少, 設計時也只保守的取最大 45 0 為設計參數, 雖然稍嫌保守但因尚無研究只好如此 卵礫石地層中欲施作擋土牆或基礎樁並不容易, 除了打釘植入與抓掘構築工法外幾乎無其他工法可以克服, 採用打釘植入工法之鋼材除高碳質鋼軌樁或 SM200 材質型鋼外, 一般之 SS41 材質型鋼或鋼板樁等均無法釘入, 採用抓掘構築工法則因泥水工法之逸水造成抓掘孔壁崩塌問題亦難度甚高, 尤其扁平形與楔子形的卵石也容易夾住抓斗之爪縫造成抓斗卡住無法拔出之施工障礙, 至於基礎樁施工因卵礫石地層透水性佳在地下水位以上地層易因逸水坍塌故大多採用乾掘工法配合全套管護壁抓掘施工, 台中市地區屬卵礫石砂土層且地下水位高之區域因卵石粒徑較大, 採用抓斗機械配合衝擊鎚 (Chisel) 仍然難以克服且成本高, 於是發展一種以人工潛在水中挖掘的方式來作為樁孔 井孔 擋土壁孔, 使用簡單的潛水罩套住頭部扛在雙肩再由地面以空壓機打入空氣供水下工作人員呼吸, 也因屬性命交關之危險性作業故大多為夫妻 38
檔雙人組合一上一下的工作組合, 此方式雖為古老的鑿井工法, 但因採用人工手掘卵石於小桶再以捲揚機吊起並以預先備妥之粘土丸 ( 置入水中不會溶解 ) 糊填於掘後之孔壁卵石缝隙以防止崩塌之方式, 對地盤之擾亂最少, 穩定性亦高, 施工安全性一般不成問題 ( 唯仍有少數孔壁崩塌活埋事故, 此乃因工人粗心未確實糊填粘土或貪心一次挖太深來不及糊填孔壁就崩孔了 ) 且成本比機械挖掘低成功率又高, 但此工法仍有可能罹患潛水夫病之慮, 屬於非人道之工法之列 卵礫石砂土 ( 透水性 ) 地層基地其挖方深度若達其地下水位以下, 如未降低控制水位, 則地下水會由挖方坡面滲流洗掘卵石間之砂土導致卵石鬆動而崩塌之災變, 因此, 地下水位控制之抽排水是必要的, 但若卵石粒徑過大致鑿井不易也只好採用上述之人工鑿井法來克服, 至於卵礫石粘土 ( 不透水性 ) 地層如林口台地 ( 古新店溪土石流沖積扇残跡 ) 桃園 中壢一帶之堅硬卵礫石粘土地層, 其挖方幾乎可採用無擋土垂直或安息角明挖方式, 或頂多在地表層採用釘鋼軌母樁連襯板都不用的擋土挖方工法即可達成挖方目的 ( 無地下水 ), 但在新社區開發地仍應注意其道路邊之排水溝在每塊基地都有預設之排水管口埋至基地邊緣不易發現, 當下了一場豪雨後雨水流入路邊排水溝一時無法宣洩, 溝內之水會由與基地相連之地下預設排水管口沖洩至已挖方基地坑內, 此時挖方坑為該地區之最低點, 因此該地區所有排水溝渠之水會全部往基地挖方坑流入, 沖刷結果必成大災變, 因此在新社區基地挖方前必須先找出排水溝之接管位置並將管口暫時以砂包或水泥砂漿封閉以防釀成災變 尚且在堅硬卵礫石粘土地層挖方若基地條件容許安息角明挖, 日後尚須回填周邊, 因地層之不透水性在下了一場豪雨後雨水滲入周邊回填層無法滲透至地層 ( 原有挖方坑就 39
像一個臉盆裝滿了水 ), 重則會形成將已完成之地下層結構體上舉浮起之災變, 輕則在地下層結構施工接縫造成漏水不斷之困擾, 切勿輕忽, 最好不要自作聰明以為明挖可節省施工成本, 仍應選擇釘鋼軌樁無回填之方式為宜 卵礫石砂土地層其實乃往昔土石流之殘跡, 此類地層大多在坡地坡腳與河川之間的地域, 其透水性極佳, 故地下水調查不易確實 ( 平時水位低, 下雨後水位急昇差異極大 ), 加上若採用止水性擋土牆工法又會形成地中水壩阻擋水流破壞水文, 前已述及, 故在工法選定時應予考量並擬定適切之對策 卵礫石砂土地層之深挖方擋土牆設計, 因土壓極小 ( 若不擾動它本身就是一種安定的結構 ), 但水壓大 ( 若採用止水性擋土牆就必須承受水壓 ), 而深挖方勢必遭遇地下水, 因此在選擇工法時就必須依施工規模 深度 周邊環境條件來決定利多弊少之合理工法, 要知道沒有一種都是優點沒有缺點的工法的, 對付大自然的有效方法就是順它切勿逆它或試圖抵抗它, 能夠四兩撥千斤的方法才是真技術 極堅硬卵礫石地層在作設計時所採用之地層地質調查報告書應確認其調查日期, 如果日期久遠已相隔一段時日最好重新調查不宜直接採用, 因台灣近年來砂石材料短缺且河床砂石禁採致價格高揚, 一些不肖廠商大多會以租地或以公共工程為名作掩護盜採卵礫石再以工業廢棄物與垃圾回填掩耳盜鈴, 如有不察常會在卵礫石地層基地挖到垃圾谷而生災變, 明明地層地質調查報告是卵礫石地層鄰地也是卵礫石沒想到挖到垃圾堆而傻眼, 這是台灣獨有的現象且不罕見, 更糟糕的是施工基地確是卵礫石而鄰地卻是廢棄物垃圾, 在土質工學中又找不到垃圾山地盤工學可資應用, 原設計的地質條件假設全然廻異, 當然計畫選用的工法與所有 40
設計全都錯誤了, 施工災變也無可避免 這種情況地層地質調查 也沒錯, 設計都依據調查資料也沒錯, 可是災變卻發生應該是錯 誤才對, 那究竟是誰錯? 真傷腦筋!! 七 山坡地之傾斜地之挖方工法山坡地之地質特性如前所述主要由覆土層與基盤岩層所構成, 覆土層屬於土質工學, 基盤岩層屬於岩石工學, 兩者性狀截然不同, 土層有側壓 ( 土壓力 ), 挖土時須擋土壓, 岩石為固體無側壓但有滑動力, 雖不須擋土但須抑止或抑制岩層之滑動, 岩層有節理, 視其節理之角度其滑動傾向與滑動穩定性不同, 岩層之滑動力則視滑動節理以上之岩層厚度與岩質而定, 岩層一旦滑動以區區擋土工程是無法抵抗的, 擋得了土, 擋不住山, 故岩層一旦滑動只有逃命一途別無他法, 此外, 岩層鑿岩開挖坡面 ( 垂直或斜面 ) 一旦曝露於大氣層, 岩層曝露面所含水份會蒸發而乾縮龜裂風化然後層層剝落, 遇雨水更加速沖蝕, 或因乾縮產生岩壁裂解而崩落造成落石災害, 因此, 岩層雖硬且無側壓若任其曝露而無護面仍然會形成災變, 在設計或計畫時, 應考慮開挖岩壁曝露時間長短決定須否加設噴漿護面防止風化, 切勿輕忽 山坡地之傾斜地挖方分坡頂 坡腰 坡腳基地位置不同其應對方法也不同, 茲分列其特性與注意要點如下 : 1. 坡頂傾斜地山坡之坡頂屬無水域, 大多無地下水蓄積故開挖坑大多為乾挖無須考慮地下水處理的問題, 且設計擋土牆時亦無須考慮地下水壓力, 有很多大地或結構技師缺乏此常識與經驗自己又沒主張僅依設計規範套用公式來計算, 結果在坡頂深挖方案例設計出厚度達 2~3M 41
之擋土牆嚇死業主, 後來也因此失去工作, 原來是因不懂岩盤的力學性質而將無側壓的岩層化為土層依土壤力學計算土壓力, 再依一般平地考慮地下水壓力的方式來考慮地下水位 ( 事實上根本無水壓, 若下豪雨覆土層滲入之水會往坡腳流失不會蓄積, 而岩層又不透水那來水壓力?), 結果自己憑空想像出一大堆與事實差異頗大的側壓鑽入牛角尖而無法跳脫, 才設計出令人噴飯也無法接受的結果 ( 並非會設計而只是會計算的計算手, 不是設計者 ) 坡頂傾斜地挖方坑一定有坡頂面 左右兩側斜面 坡腳面, 由於岩層之節理大多為斜角, 因此, 在坡頂面與左右兩側斜面三面必有順向 逆向 斜交三種挖方坡面各據一方, 各坡面有不同的滑動傾向, 一般而言, 逆向 斜交坡面均為穩定坡面不會滑動故只須處理護面防止風化, 至於順向坡面則為設計施工之重點, 必須設置岩層滑動抑止設施 ( 如抑止樁而非擋土牆 ) 來抑止滑動 ( 除了表層覆土層外並非擋土 ), 以樁來串住岩層為最佳對策 ( 四兩撥千斤 ), 而非設置厚重的擋土牆來擋 至於坡腳面一般挖方深度雖不深, 唯均在覆土層中且背土又係斜坡故土壓很小, 一般都採安息角明挖法, 但在挖方底之基礎設計時應注意此區段底部多屬土層而非岩盤, 其支 42
持力及行為與坡頂側區段岩盤之彈性支持地盤完全迴異, 是否需加設樁或墩基使基礎之地盤支持力與行為一致仍希設計者斟酌 2. 坡腰傾斜地山坡之坡腰屬乏水域, 上有坡頂下有坡腳, 地下水不易蓄積只屬於地下水之經路, 基礎挖方時不但要對付坡頂的地盤條件還要留意坡腳地盤的穩定, 由於屬乏水域其地下水大多不會蓄積, 也難以確實調查地下水 ( 雨季與平時差異極大 ), 坡腰挖方情況大致與坡頂相似唯其覆土層厚較厚且土質較鬆軟, 須應對土層土壓較棘手 ( 土層須擋土卻又無法架設支撐, 故大多採背拉地錨支撐 ), 還有雨季時坡頂滲流而來的地下水與岩層中湧出之地中水, 至於擋土牆施工同時要對付土層 ( 泥水工法不可行必須乾掘 ) 與堅硬的岩層 ( 一般採用岩鑽 Rock Auger 或全套管 All Casing 工法來克服 ) 3. 坡腳傾斜地山坡之坡腳屬豐水域, 地下水含量極豐且以蓄積狀態存在, 山坡地之湖都在山腳下即為明證, 坡腳之覆土層很厚且多屬崩積土 ( 坡度較緩區段 ), 可由地勢之陡峭或緩坡研判其覆土層之厚薄與基盤岩層之岩質軟硬, 陡峭者覆土層較薄基盤岩層岩質較硬且地下水層薄量少, 若為緩坡則覆土層較厚岩層深且岩質軟地下水層厚量多, 其上之坡腰必為谷溝地形, 此乃宏觀大地學, 由此初判後再作為地 43
質調查計畫選定鑽探孔位置之基本依據, 否則漫無計畫隨機選鑽孔位, 雖依規範要求孔數完成地質調查仍無法正確研判, 且可能會造成誤判而作出錯誤之設計及計畫 坡腳基地挖方面積若較大則會同時遭遇上述兩種土層厚薄不同地下水層深淺不一的情況, 視其挖方深度計畫在何區段應採止水性擋土牆 ( 岩層露出區段地下水層在挖方面以上若不能止水又無法抽水控制一下大雨必造成湧水洗掘掏空之災害 ), 在何區段應採用透水性擋土牆 ( 岩層在挖方面以下地下水可以抽排水工法控制水位宜保持其水文, 若採用止水性地下連續壁工法擋土牆也要放水門 ) 應有正確的選擇, 坡腳傾斜地之地下水來自坡頂側, 因此只要正確適切處理好坡頂側的地下水幾乎已成功了一半, 但應注意所對付的非僅平時的地下水而是還有更可怕且飄忽不定的下雨後急遽增加的地下水 ( 災變幾乎都在雨後發生 ), 至於擋土支撐工法之選定要點可參照一般傾斜地之工法即可 山坡地之傾斜地與平地傾斜地主要的不同就在於地層構成 地質特性 地下水形態三者, 尤其雨後地下水大小隨雨量大小而定十分難以捉摸或預估, 最好勿予阻擋 ( 地下水脈在土岩層境 ) 維持其既有的路徑 ( 水文 龍脈 ), 以免斬斷龍脈破壞風水地理致生災變 此外, 傾斜地挖方四周其深度 地層 節理 地質 地下 44
水條件均不同, 因此四周須分別作不同的設計, 絕不可馬虎而僅以一種工法 一個代表性的擋土牆斷面圖就作交代, 尚且擋土牆 ( 或滑動抑止 抑制措施 ) 應加繪立面展開圖明確交代四周不同之設計以及挖方坡面之土層岩層關係, 一般僅有平地設計經驗的設計者若沒有山坡地常識並掌握特性常會設計錯誤而釀成大災變 ( 山坡地災變成因九成以上都是設計錯誤, 施工不當的很少 ) 山坡地之傾斜地主要災變來源都在坡頂, 發生時機都在豪雨後, 因此對於坡頂 ( 基地外別人的土地 ) 的地層地質調查與研判非常重要, 可是因土地產權的問題難以取得此重要資料只能由基地內之地層地質調查資料來推測這是十分危險的, 而且目前的規範規定多少面積要作多少地質調查鑽孔也是不合理且無效的 ( 基地內鑽孔資料只能作為基礎設計參考, 對防災對策而言再多孔也無用 ), 有經驗的設計者可由踏勘來研判而經驗不足的設計者則大多引用基地內鑽孔資料為依據是不正確的 至於工法之選擇, 土木工程與建築工程需求不同有些工法並不適用仍應留意 八 山溝地區基地之挖方工法鄰近保護區山坡地之山腳平地大多屬山溝下之崩積土所構成, 也有一部份原本是蓄積地下水之池塘沉積而成之地盤 ( 屬沉泥粘土或沉泥砂土, 視岩質而定 ), 此種, 山溝地層之特性為基地土質大多屬沉泥之軟弱地盤而周邊卻是岩盤, 基地土質軟弱, 但基礎兩側卻是座落於岩盤上, 呈 V 字型之岩層將建築物之基礎卡住兩側中央卻是軟弱層, 對擋土工程而言因周邊為岩層側壓極小並不成為問題, 可是岩層面起伏不定高低不等亦為其特色, 周邊擋土牆之設計也因之變化不定, 此時一般之鑽探報告資料 ( 依規範要求 ) 並無法詳細研判周邊之土層厚度與岩層面深度, 也因之無法正確 45
設計各區段之擋土牆或選擇工法, 此時必須採用探針工法 (12M 以內用鋼軌,12M 以上用 H 型鋼 ) 探出土層厚度 ( 岩層面深度 ), 並將探查結果繪出周邊地層構成立面展開圖再依各區段土層厚度來分別設計擋土牆 ( 含工法選擇 ), 其中土層最厚岩層最深之區段即為地下水的源頭, 也是地下水位控制井應設置之位置, 利用殺雞割喉放血的原理自地下水之上流源頭予以攔截達成降低挖方坑內地下水位使乾式作業得以順利施工 山溝地區基地地層特性大多是三邊岩層一邊土層, 採用探針工法先確認周邊岩層面深度並繪出立面展開圖, 與開挖計畫深度比對相互之關係後即可作出各區段的擋土牆工法選擇, 由周邊展開圖可明顯看出起伏不平的岩層面即可確認地下水滲流層高程 ( 岩層面以上與土層之層境即滲流路徑, 此層境之土質透水性必佳 ), 其層境最低處或缺口處亦可斷定為地下水之水脈 ( 一般為層狀水脈 ), 此水脈不可用止水牆阻斷地下水流應維持暢通以免破壞水文, 此地下水脈流平時水量雖不大但遇下雨後至少一週內會急遽增加 ( 由山坡地山區滲入覆土層內之雨水變成地下水將匯集流經此水脈 ) 欲以抽排水工法來控制幾乎不太可能, 故仍以順應自然為上策 順便值得一提的經驗為有關基礎設計要領, 由於山溝地區之地層特性大都在挖方完成構築基礎時會發現建築物基礎底部地盤三邊座於彈性之岩層上, 另一邊與中央區則座於塑性之軟弱地盤上, 因此中央區及土層地盤邊最好考慮依山溝底 V 型岩層面設置長短不一之支持樁以防止基礎不均勻沉陷的問題, 否則等建築物完工後陸續產生牆壁 梁 版結構龜裂的後遺症就後悔莫及了 山溝地區基地大多為平地或緩坡傾斜地, 可由周邊坡地坡度研判基地底下岩盤面斜度及岩質軟硬 ( 坡度越陡岩盤面越斜岩質 46
越硬 ), 其土質大多為砂質沉泥內含卵石 ( 礫石較少 ) 或岩塊, 且一般狀況下其透水性以土層底下與岩層之層境為最佳, 上層土層則較差, 為避免阻斷地下水文 ( 尤其下雨後或豪雨時 ) 擋土牆工法不宜採止水性牆, 若不得已必須採用 ( 土層厚挖方深時 ) 亦應在底部岩層面處放水門留下地下水水流經路使能暢流, 如土層較薄地下層結構基礎已在岩層面以下完全阻斷地下水脈則必須在基礎層中設置連通誘水管維持地下水暢流至下流 ( 水尾 ), 否則地下結構體會成為地中水壩改變地下水文完工後仍會形成地質災變, 此山溝地區基地的特性對缺乏經驗的設計者最容易疏忽應予留意 九 地下層層高較大時之挖方工法地下層深挖方採用內支撐擋土工法配合止水性剛性之地下鋼筋混凝土連續壁擋土牆來抵抗周邊地層的土壓與地下水壓乃大家熟悉的工法, 但是雖然有了堅固的盾牌 ( 剛性擋土牆 ) 與攻擊武器 ( 支撐 ) 的裝備來挑戰大自然的大地仍然經常打敗仗造成損壞鄰房事件, 且災變連連時有所聞, 到底是什麼原因讓工程師們如此無把握? 雖然小心翼翼施工卻災變照樣發生? 雖然對災變案例的研究論文一篇又一篇的發表然而迄今對於災變防止仍然無十足的把握? 究其原因無非是大自然大地太複雜多變, 以人類有限的智慧與經驗去挑戰大地無異是以管窺天 以錐測地, 撇開複雜的問題不談單就內支撐擋土工法而言其平面配置計畫問題已在前述之 不規則挖方平面之挖方工法 中論及 ( 支撐兩端之作用力 反力平衡問題點及對策 ), 至於與挖方深度有關的斷面配置計畫問題述之如下 : (1) 地下層結構斷面 層高 鄰房地下層之關係及利用地下層挖方依計畫一層一層往下挖, 一層一層往下架設擋 47
土支撐來平衡因挖方產生之土壓水壓, 一般狀況下挖方施工中都不會有問題, 唯擋土支撐只是臨時性支撐終究要拆除的, 取代此擋土支撐的是永久性地下層結構, 因此支撐的斷面配置必須以地下層結構斷面為主來計畫才能逐步取代安全達成擋土任務, 以往缺乏經驗的設計者 ( 或許只能稱為計算手 ) 常忽略此力學上之取代需求而任意設定支撐斷面配置高程就唏哩呼噜計算設計出來了, 結果常造成支撐與結構體衝突致無法施工之困擾, 或因衝突必須拆除支撐才能施工結構體致在無取代支撐之情況下造成擋土牆因支點減少而變形突增, 接著周邊地盤沉陷 鄰房傾斜陸續發生, 損鄰事件糾紛頻頻之因多屬設計疏失而非施工不當, 尤其公共工程嚴守 按圖施工 規定, 設計錯誤 ( 設計者往往不願承認 ) 又不准變更還要施工負安全責任真是豈有此理, 最近雖已有改善但仍然偶見, 設計擋土支撐只考慮挖方程序而忽略拆除程序之影響即為錯誤設計毋庸置疑 挖方成功而拆支撐時失敗功虧一簣 最近因建築物之停車位需求及機械式立體停車場之發展使得地下層空間之有效利用成為新需求, 地下層高都加高至 4.5M 左右而且都設在土壓水壓最大之最下層, 挖方時該樓層須架設兩層支撐, 造成結構施工時須一次拆除兩層支撐使擋土牆因無支撐高度增加而加大變形量的問題, 此狀況下之最佳對策為先拆除下層支撐 ( 已有結構體取代 ) 並在上層支撐下方擋土牆構築 R.C. 扶壁抑制變形 ( 取代支撐 ) 後再拆除上層支撐, 等上層結構體完成再敲除扶壁 鄰房地下層及基礎深度與基地挖方深度之關係對挖方計畫有直接影響, 與鄰房臨接之擋土牆在挖方時除了須承受土壓 水壓外在挖方深度超過鄰房地下層基礎以下時尚須承受鄰房自重影響之超載力, 此時鄰房已在基地挖方面之上 ( 等於懸空 ), 只要擋土 48
牆稍有動靜鄰房就會受影響, 因此擋土支撐之任務舉足輕重尤其支撐著力點更是關鍵, 在鄰房基礎底深度上下最好設有支撐以承受遽增之超載力, 在考量支撐斷面配置之各種條件後再選擇適切位置, 如鄰房基礎為基腳基礎時更應在支撐平面配置上妥予計畫 (2) 擋土牆之剛性與橈曲性, 一般平地基地其挖方周邊環境條件許可且無鄰房威脅時若挖方深度不深在經濟性考量下可以採用橈曲性擋土牆工法 ( 如鋼軌 型鋼母樁襯板工法, 鋼板樁工法 ), 此類擋土牆之牆體材料為預製成品只要選用適當的斷面尺寸並沒有品質問題, 唯其缺點為變形大支撐間距不能太大 ( 垂直間距不可超過 3M) 牆深受限, 一般只適用於挖方深度 10M 以內之挖方工程 ( 台北市有明文規定不准採用, 台北縣則須提報審議 ) 若在都會區內房屋櫛比鱗次密集區域內之基地對鄰房保護要求嚴苛應禁止採用此類工法, 否則損鄰糾紛無法避免 ( 擋土牆變形大導致周邊地盤沉陷鄰房傾斜 ), 因此, 橈曲性擋土牆大多只適用於郊區或廠房及土木工程基地 ( 此類工法又稱為強撐弱牆法 ) 一般在都會區內之基地其周邊環境條件大多有一或二 ( 角地 ) 面臨接道路 ( 建築線 ) 有二或三面緊接鄰房, 防止基地周邊地盤沉陷為必要的需求也是保護鄰房的唯一條件, 因此如何架好支撐控制擋土牆變形成為最重要的課題 此外地下深開挖因側壓大且會遭遇地下水層故不論在市區或郊區基地具橈曲性擋土牆已不適用, 上述需求之狀況下剛性擋土牆工法 ( 如 R.C. 排樁 R.C. 連續壁工法 ) 為最適工法, 不但可以減少變形也可以承擔巨大側壓, 對於地下層高較高之情況亦可加厚牆身來克服, 此外尚可拉大支撐配置間距減少支撐層數及利用強大的支撐預壓力有效控制變形 ( 此工法又稱為強撐剛牆法, 若支撐之外推力大於側壓力甚至可達成負 49
變位 ), 可依需求設計施工所需之牆體厚度 深度 勁度 強度, 並且可在現場施作 ( 無噪音 無振動 ), 又可永久作為地下結構外牆, 其唯一缺點為須良好的施工管理, 施工品質較不易掌握, 若有瑕疵仍需適時正確補修, 否則仍有釀災之可能 (3) 支撐段數 ( 層數 ) 計畫地下層層高較大時會使得原來慣用的挖一層土方架一層支撐, 作一層結構拆一層支撐的施工模式變成作一層結構拆兩層支撐, 擋土牆之設計方式一般以經濟性考量及施工性要求, 在支撐斷面配置計畫大多採取垂直間距不超過 3.5M 為原則 ( 間距大則牆須較厚成本高 ), 而在機械式雙層停車的層高需求則為 4.5M, 因此該層就必須配置二層支撐以符合需求, 挖方階段尚不成問題但在拆除時此二層支撐若不同時拆除就無法施工上一層結構, 而一次拆除兩層支撐與原來之支點條件變更當然擋土牆之應力也與原來條件不同, 擋土牆之變形量也會增加致周邊地盤沉陷量加大損鄰事件因此產生, 採用 R.C. 扶壁取代支撐工法或許可解決一時的問題但永久性之擋土條件改變之因素若無詳加檢討問題仍然存在, 因此支撐段 ( 層 ) 數之計畫仍應在周全考量後再作決定, 最近還有地下立體停車場的設計方式, 其層高達 20~30M, 一次須拆除 7 ~9 層支撐才能施工上一層結構, 此種情況下就必須採用 R.C. 環撐或水平扶壁支撐工法來解決, 支撐段數愈多其中間支持樁之承載力就愈大, 如何施工中間支持樁又成為一個新課題, 此時逆築工法可能是最佳對策 採用內支撐擋土工法其 H 型鋼材支撐應力亦有極限, 一般市面使用之最大斷面尺寸為 H-400x400x13x21 在最小施工平面間距 5.5m 且採雙併 (2H) 之最大支持力也不過 550~600T 而已, 因此支撐架設段數若達 7~8 層已屬極限 ( 側壓分攤力太大 ) 況且中間支持樁 50
準確植入已很不易, 超過此極限則必須改用 R.C. 支撐或逆築工法來應對了 (4) 島式支撐與逆築支撐 ( 中間層及最下層 ) 地下層挖方若平面不規則或面積過大採用內支撐工法已無法應對 ( 支撐力無法平衡或支撐長度過長 ), 若挖方深度不深可採用中央島式開挖邊區島式支撐或分區內支撐單側島式支撐之島式工法來克服, 但島式支撐之反力來之於先行施工之結構體, 且取得反力點乃結構之樓層面梁版或柱頭 ( 柱身不可 ), 因此一層結構架設一層支撐尚無問題, 但若樓層高較高必須在一個樓層中架設兩層島式支撐時會有一層支撐難尋反力點形成支撐配置計畫困擾, 且邊區擋土牆側支撐支點必須離開結構版面才能符合支點取代的要求, 因此島式支撐大多呈斜仰支撐 ( 又稱鐵砲支撐 ) 或下斜支撐 ( 反力取自版下梁柱邊, 梁中央不可 ), 故在樓層高較高層中大多採一層下斜支撐一層斜仰支撐之島式支撐來應對, 拆除時仍應如前述輔以 R.C. 扶壁分別拆除不宜兩層同時拆除 ( 在地下水位高水壓大之地層條件下不宜選擇島式開挖工法, 唯恐島式邊坡長期放置受內無外有不平衡地下水壓作用於擋土牆而形成變位增大失控 ) 若地下層挖方深度較深, 挖方平面不規則或面積大, 內支撐工法或島式工法均無法適用時採用逆築工法應是唯一選擇, 一般逆築工法以結構體 R.C. 作為支撐 ( 剛性支撐 ) 一層一層往下挖方施作地下結構, 不管深度多深 平面多不規則 面積多大都不成問題, 但是遇到地下層高很高時 (4.5M 雙層停車場 ~30M 地下機械停車塔 ), 逆築工法不能一次挖那麼深, 也不能設計足夠厚度之擋土牆來抵抗龐大的側壓力, 此種狀況下必須採用下垂扶壁 下斜 R.C. 支撐 R.C. 水平支撐 R.C. 扶壁 R.C. 環撐等工法輔助才能安全 51
施工, 往昔採用水平或下斜鋼支撐因搬運 吊裝 架設 拆除 懸吊 ( 無中間支持樁 ) 都不易且須租金成本目前已漸少被採用了 十 擋土牆段差下方基地之挖方工法基地與鄰地之境界為段差擋土牆之情況雖然特殊但亦不罕見, 此類基地大多在坡地坡腳或坡腰其段差高程有相差十幾公尺者而以擋土牆分界, 上方基地在施工上較不成問題, 下方基地若離開擋土牆退縮挖方也不成問題 ( 擋土牆基加設托基即可 ), 唯若下方基地進深不足為建築空間需求必需作基地全面開挖時由於擋土牆幾乎都有少許斜坡面且牆基不深, 基地境界線在上方牆頂, 下方牆腳面實際上已退縮了約 2M, 如因建築物設計需求 ( 車道 停車位 變電室等 ) 不得不開挖至境界線以構築地下室時除了要挖掉擋土牆基礎外還要自牆腳面挖進 1~2M 並依所需深度挖空 ( 擋土牆懸空 ), 一般工程師可能會認為根本不可能作到, 其實並不難, 只是要摒除傳統的思維方式才能破解此難題 上述之擋土牆段差下方基地全開挖因為此類段差地形之地層構成大多與山坡地類似, 表層為覆土層, 裡層為基盤岩層, 擋土牆基礎一定構築在基盤岩層上, 基礎以下地層應屬岩層, 也可以想像段差擋土牆下方基地地質應是岩層居多, 基地前段面臨道路 ( 建築線 ) 側則為上段土層下段岩層之地層構造, 在此種地質條件下挖方側壓並非來自挖方坡面 ( 岩層為固體無側壓 ) 而是來自基地地面以上的擋土牆自重及懸空之段差坡面地層土岩重量, 因此擋土牆既然是要擋來自上方的荷重當然應以水平配置才正確 ( 一般擋土牆乃垂直配置 ), 可採用 H 型鋼排樁 ( 岩層 ) 或鋼管管幕 ( 土層 ) 作為水平擋土牆, 施工時只要在既有擋土牆腳 R.C. 鑽水平孔深入背土岩層中再植入 H 型鋼樁或鋼管材並於孔內注入水泥砂漿就可 52
變成永久性 R.C. 排樁擋土牆 ( 樁材應突出至少 1.5M), 然後再依估計載重算出採用型鋼斷面容許支持力所需支撐樁間距配置在既有擋土牆腳基地沿牆線鑽孔深達計畫挖方深以下植入支撐樁型鋼並以水泥砂漿根固底部作為垂直支撐 ( 傳統為水平支撐 ), 此垂直支撐之反力來自挖方底地盤, 再於支撐樁頂裝設油壓千斤頂, 並於突出之水平排樁材下方千斤頂之間架設水平型鋼作為圍令材, 在油壓千斤頂加壓往上頂住並加預荷力後整體支撐擋土系統就完成了, 只不過與傳統概念之水平支撐系統剛好差了 90 0 ( 水平變垂直支撐 ), 然後就可以進行無擋土無支撐之岩層開挖一直到底 掌握特性 認清目標 改變思維 利用環境 就地取材即可輕易破解施工難題, 能四兩撥千斤的技術才是真技術 十一 鄰房高樓淺基條件之深挖方工法基地深挖方除了要面對較複雜的地層地質條件之外, 鄰房環境條件亦為主導挖方工法的重要因素之一, 鄰房為高樓代表的意義為超載力大, 鄰房淺基代表的意義為超載作用點高, 建築基地的基本條件是至少一邊境界線為建築線 ( 臨接道路 ), 也就是無鄰房超載的一邊, 一般深挖方採用之擋土牆工法一定要具備剛性 ( 減少變形量 ) 與止水性 ( 深層一定會遭遇地下水層 ), 採用內支撐工法一定要求支撐兩端力的平衡, 如同上述之鄰房高樓淺基之環境條件擋土牆承受之側壓, 鄰房側為土壓 + 水壓 + 大超載力另一道路側則為土壓 + 水壓, 如此明顯可見支撐兩端的力量非但不同且差異極大, 較大之側必呈主動力, 較小之側必呈被動力, 結果內支撐平衡的基本條件為主動側 ( 鄰房側 ) 被動側 ( 道路測 ) 主動土壓 + 水壓 + 超載力 被動土壓 + 水壓 53
如果主動側 > 被動側則鄰房側擋土牆必向道路側推擠, 鄰房必沉陷 傾斜, 損鄰事件就發生了 支撐只是傳遞力量的工具 支撐本身並無支撐力 沒有足夠反力的支撐為無效支撐 ( 支撐再粗再密也無效 ) 的思維應予牢記, 此即雖然架設夠粗夠密的支撐, 也小心翼翼的施工但是仍然無法避免損鄰之原因, 翻閱目前所有案例之擋土措施結構設計計算書你可以發現到都只是在檢討擋土牆與支撐的強度, 但是對於所假設的支撐是否可以取得足夠的反力 ( 無足夠反力的支撐乃無效支撐, 等於無足夠支撐力的虛支撐 ) 幾乎都未加檢討, 運氣好可僥倖過關, 運氣差則造成損鄰糾紛, 到底是在設計支撐 擋土牆還是在設計安全的措施? 令人不解, 結果是 : 擋土牆 支撐都安好無恙而應該保護的鄰房卻損壞了!!( 損鄰原因為設計失誤而非施工不當, 設計擋土牆與支撐的目的乃保護鄰房而非保護支撐與擋土牆 ) 在鄰房高樓淺基之條件下, 採用內支撐擋土工法因巨大超載力之作用使得支撐兩端的主動與被動側壓無法達成平衡致生損鄰, 其應對之對策工法如下 : (1) 利用緊接鄰房之擋土牆作為鄰房托基版樁, 將鄰房超載力移至挖方底以下使超載力不作用於擋土牆 ( 轉移法 ) (2) 利用不等深挖方預借土壓達成支撐兩端力之平衡 ( 鄰房側淺挖道路側深挖以加大的土壓平衡鄰房超載力 ) 上列對策工法在軟弱地盤 ( 主動土壓大被動土壓小 ) 務必採用, 鄰房緊接著時採托基轉移工法, 鄰房未緊接無法施作托基時採預借土壓工法, 否則損壞鄰房無法避免 54
十二 岩盤基地之深挖方工法岩盤基地之深挖方因係屬岩層挖方, 其側壓並不是重點, 但若是深挖方則會遭遇各式各樣不同的岩質, 如砂岩 頁岩 泥岩 石英砂岩 泥炭層 瓷土 凝灰岩等, 有硬有軟, 有堅實有破碎, 有節理無節理, 有順向有逆向有斜交等等變化無常而且不知道在何處何深度會以何種形態 層次 厚度出現, 因此在工法的選擇上萬分困擾, 也無法以區區幾個鑽孔來研判, 故作岩層調查除了要以宏觀大地學作初步研判外還要在現場作試挖坑以目視來確認岩層構成, 尚且岩層深挖基地多屬坡地, 四邊挖方坡面之岩層岩質厚度節理都不同, 挖方深度環境條件更不一樣, 設計時也須分區分段個別為之, 其複雜性不言可喻, 最合理有效的設計方式其實是一面挖方一面修正設計就似隧道設計施工方式一樣 岩盤深挖方若須作垂直坡面開挖則需設置滑動抑止樁, 此抑止樁之設計以抵抗岩層間之滑動剪斷力為主並非擋土壓 ( 岩層為固體無側壓 ) 故樁徑不必太大且宜間隔配置不可密接 ( 密接排樁等於將岩層切斷使岩層更容易滑動 ), 如抑止樁配置後仍嫌抗剪力不足可在樁後加作一排或數排樁 ( 採間跳式配置 ) 串於岩層中 ( 樁長可減 ) 補強之即可, 樁孔鑽掘應採乾鑽 ( Rock Auger 岩鑽法 All Casing 全套管工法 ) 不宜採濕鑽或泥水工法 (Boring Hole 正循環廻水沖鑽法 Reverse Circulation 反循環泥水工法 ), 以免岩層因泡水軟化或水滲入岩隙反而促成滑動, 常見很多沒有經驗的設計人員把岩層當土層隨便自鑽探報告中擷取參數用土壤力學公式算出假設土壓再加上滿水位地下水壓作為擋土牆側壓來計算擋土牆, 設計出大口徑密接排樁擋土牆 ( 因為岩層無法用連續壁工法施工 ), 更有甚者還因岩層堅硬樁長又長難以達成密接施工還在樁縫設計止水灌漿來擋地下水, 真是令人噴飯, 而且這種又笨又不入 55
流的設計者還不少呢!! 這樣的設計結果不但大口徑樁需採用大型重機械在崎嶇不平的坡頂施工十分危險 ( 作業面地坪支持力不均易造成傾覆事故 ), 非採用泥水工法也無法鑽孔, 採用泥水工法又會浸泡岩層軟化岩質及促進滑動趨勢, 樁體鋼筋籠又長又重不易吊放又危險 ( 重機械傾覆事故 ), 澆置水中混凝土量多又不易 ( 預拌車無法爬坡必須使用幫浦輸送 ), 如此又危險 又不利於岩層安定 又不易施工 又高成本且根本沒必要一無是處的設計, 套句台灣俗語 好鱉殺得屎尿齊流 何苦來哉? 為了應對如此複雜多變的岩層構造與岩質在設計時根本無法準確預測開挖過程中何時何處會出現何種岩層何種岩質, 因此所施作的滑動抑止樁最好採用型鋼材料勿採用鋼筋籠, 此乃因深開挖岩層所需之抑止樁樁長甚長如採型鋼材其接合 切割 斷面變化 分段吊放容易且材料品質易確認, 樁體灌漿容易控制品質又可因應設計需求靈活變化 ( 沒有接頭不良灌漿不實斷樁等顧慮 ), 最大的優點在於岩層開挖過程中不論何處何深度何區段之挖方坡面遭遇破碎 粉質軟岩或鬆散之頁岩 泥炭 石英砂 凝灰岩等自樁縫崩解背土掏空或岩縫湧出地中水沖刷掏空時之突發狀況即可將抑止樁體水泥砂漿敲除露出型鋼翼鈑在以鋼板焊接於樁體上封補該區段 ( 變成加勁之鋼板樁 ), 然後再於鋼板背側掏空處作水泥砂漿充填灌漿, 這種就地補破洞的方法不但材料取得容易施工簡單又快速而且鋼板背側空洞之灌漿除了填補置換鬆散背土外尚可達成膠合軟岩強化岩質的作用 ( 背側空洞越大灌漿後之厚水泥塊勁度越大岩層滑動越不易且此處永不風化剝落 ), 對於地中水湧泉處只要加水玻璃固結劑即可作止水灌漿, 有了樁體中之型鋼作靠山遇到緊急突發狀況就可兵來將擋水來土掩, 四兩撥千斤無往不利 56
岩層基地之深開挖所需遭遇的岩層岩質如此的複雜並非一般經驗的設計與施工人員所能應對的, 不管你有多少經驗在地球上沒有兩個完全相同地層地質的基地, 不管你調查的多詳盡也不可能對基地的岩層岩質瞭解的一清二楚, 在這種狀況下一切都是未知只是依個人經驗及膽識來作初步設計, 至於施工中會遭遇什麼情況誰也沒把握, 因此在設計時不宜訂下太僵硬的規定而應留下一些彈性容許檢討修正設計的空間, 依個人的經驗建議在岩層基地深開挖應分區分段施工, 以先行施工區所習得之經驗來修正後施工區之工法對策其風險最小成功機率最大, 先淺試一遭找出問題點與困難點並研究應對之最佳對策, 然後大膽下手小心施工一股作氣迅速完成挖方工程 十三 鄰接基地同時開挖之挖方工法鄰接基地同時開挖有兩種狀況, 一種為緊接著, 另一種為隔著一條巷道, 緊接著的基地有境界面擋土牆工法選擇及開挖時機配合的問題, 例如同樣採用地下鋼筋混凝土連續壁擋土牆先行施工者若因土質不佳或施工不良造成孔壁坍方則其壁體混凝土凸出塊 ( 像抱烏龜一樣 ) 將形成後施工者的地下障礙物阻礙施工, 即使互相都有稍微退縮施工仍難避免, 在有地下水層的基地又必須選擇具止水性的連續壁作為擋土擋水牆, 因此也成為鄰接基地彼此須要協議的課題, 其最佳解決對策為先行施工者在施工中若發現有孔壁崩塌狀況時必須在連續壁鋼筋籠外側加設鋼網與帆布以防止壁體水中混凝土澆置時外溢形成凸出塊 此鄰接基地在挖方程序 時機 地下結構體施工進度等計畫均須事先協調否則支撐之反力不足可能形成災變 ( 先行施工基地之支撐將因後續鄰地之挖方失去反力而使另側失去擋土支持力 ), 隔著巷道的鄰接基地雖無 57
擋土牆施工困擾但擋土支撐問題仍然存在 ( 挖方後巷道變成隔在兩邊擋土牆之間的夾層土 ), 若雙方無法協議同步施工時則另外必須在設計前協調工法選擇, 一邊選用內支撐工法 ( 挖方深度較淺者 ), 另一邊選用逆築工法 ( 挖方深度較深者 ), 或者兩邊都選擇逆築工法 鄰接基地同時挖方除了上述之考量外, 若選擇內支撐工法仍應注意地下水壓平衡的問題, 緊接著的基地在緊接區段擋土牆外側不但沒有土壓也沒有水壓, 兩邊擋土牆是互相依附的狀態, 其擋土牆設計是否應該會跟其餘三邊不一樣? 而隔巷道的鄰接基地因地下水文及地下水流速之改變 ( 在巷道隔土層中 ) 又會造成何種不利的影響 ( 短期與長期 )? 這些問題在選擇施工法時都是需要慎思的 施工計畫階段常見之問題與解決對策如下 : <1> 計畫者 ( 設計者 ) 對現況完全不瞭解, 就依據地盤土質調查資料直接作設計 地盤周邊高程 基地內外地上 地下物 鄰接構造物 ( 鄰房 ) 之基礎深度 型式 基地開挖外廓線與周邊鄰接地上 地下物之關係尺寸 <2> 計畫者 ( 設計者 ) 對施工法之認知不足, 所選定之工法常滯礙難行或不具經濟性 極軟弱或流砂質地盤中之地下 RC 連續壁工法 導溝施工? 58
掘削孔壁回脹? 掘削施工中之坍塌? 自重支持力檢討? 極堅硬之礫石層 崩積層或岩盤中之地下 RC 連續壁工法 孔壁掘削之難度? 逸水之坍塌防止? 無側壓力情況下, 採用銅牆鐵壁? <3> 計畫者 ( 設計者 ) 在設計階段中, 常一味尋求計算數據中之解 脫而誤用工法 -- 業障 被動土壓不足 ( 軟弱地盤 ) 採用 地盤改良工法, 只隨便定一個可滿足 計算式 的數據, 不管到底達得到否 隆起破壞無法滿足 ( 極軟弱地盤 ) 時, 不管計畫挖方深度之深淺, 就將擋土牆設計至底下極深之堅實地層中, 忽略其經濟性 在技術上無能解脫時, 為保護自我而尋求數據上之滿足, 規避責任 不顧經濟性與業主之死活及施工之可能性之心態, 缺乏技術者之風範 -- 俗稱 職業障礙 ( 簡稱 業障 ) <4> 挖方施工計畫 ( 設計 ) 乃需維護 周邊 安全為主旨, 在四周 條件 環境均不同時, 往往未顧及而只隨便取一個斷面 設 定一個側壓, 就稀哩呼嚕代入電腦算定一個結果來了, 到底 安全否? 沒人有把握 -- 非為 設計 而僅作 計算 而已, 十分危險!!( 沒有 A Type B Type 之設計 ) 目前國內之專業分工制度雖各司其職, 在地下挖方工程中所有工法選擇 ( 戰略 ), 擋土牆 支撐設計 ( 戰備 ), 施工計畫 ( 戰術 ) 全都依據地質調查報告 ( 情報 ), 倘若情報錯誤或情報研判錯誤後頭仗也不用打了 ( 包輸無疑 ), 等到災變產生後再互相推托責任, 建築師首先會推給承包商說是施工不當 ( 可是都按圖施工且在監 59
督下施工的 ) 承包商也會歸咎於是設計失誤, 結果證明是設計錯誤後再推給土木結構技師 ( 因為是委託他設計的 ), 土木結構技師再推給大地技師 ( 因為是依據地質調查報告資料數據及建議設計的 ), 大地技師再推給建築師 ( 因為鑽探孔數及深度 位置是他指定的 ) 或以大地工學 ( 土壤力學 岩石力學 ) 來辯解 ( 已依規範及理論 ), 推來推去各顯神通並非為了正確的設計而是推卸責任 ( 台北汐止林肯大郡災變案例結果是統統有罪全部判刑 ) 專業分工的專業技師制度表面上各司其職似乎很完美, 每個專業環節都有人把關環環相扣, 其缺點則是若其中有一個環節出錯則將全盤功虧一簣, 即一步錯棋滿盤皆輸, 解決此缺憾的有效對策則為腦力激逿, 在設計 計畫完成施工前再邀集各專業有相當經驗的專家 ( 局外人 ) 與設計計畫人 ( 局內人 ) 舉行施工防災計畫說明會進行腦力激盪沙盤推演找出漏失或錯誤應修正之建議, 就似醫院手術前須各科醫師會診才能確定手術方針一樣的制度, 將風險降至最低, 後悔要來得及, 才能彌補獨斷專行的缺點 ( 台北縣政府工務局已施行三年成效頗佳 ), 如此也可使專業技師簽證制度專行獨斷的風險降至最低達到完美的境界 60
第五章基礎挖方工法與地下水災變類型 在挖方工程中, 因 地下水 所產生之問題大致如下 : 管湧 (Piping) 泉湧 (Boiling) 砂湧 (Boiling) 挖方底鼓起 (Heaving) 一 管湧 (Piping) 現象在疏鬆之砂質地盤挖方時, 在擋土牆背側之土砂隨著地下水之湧水現象而流失且形成了擋土牆背側地盤之空隙, 然後, 地下水又流向這個地盤空隙集中之, 致使此空隙逐漸擴大, 結果造成了挖方場周邊地盤之沉陷, 這種現象稱之為 管湧 (Piping) 破壞 ( 參照附圖及實例照片 ) 像母樁擋土橫板工法之擋土牆並無止水之性能, 稱之為 透水性擋土牆, 因不似止水性擋土牆可以控制外圍之地下水流出, 因此, 其施工缺點為因外圍地盤之地下水壓作用地下水會由擋土牆滲流出來, 而且極不易抑制, 若已選錯工法則施工時應特別注意 但即使選擇像地下 R.C. 連續壁工法之 止水性擋土牆, 若其壁體或單元接縫有瑕疵產生滲漏仍會爆發極嚴重的管湧現象之災變 61
透水性擋土牆之管湧現象災變實例 止水性擋土牆瑕疵之管湧現象災變實例 二 泉湧與砂湧 (Boiling) 如果擋土牆係止水性擋土牆時, 雖然外圍之地下水不致於由壁體滲流出, 但因一般自然土質之地盤, 多為不均質之土質構成者, 地下水因擋土牆內外水位差之 靜水壓作用, 也會找出水流的路徑, 從挖方地盤底下土質較脆弱的地方像泉水一般地噴湧出來 ( 稱為泉湧 ), 此時, 如果土質又屬疏鬆砂土, 則砂土會似沸 62
騰般跳動湧舞 ( 稱為砂湧 ), 此種泉湧或砂湧現象均稱為 Boiling 砂湧 (Boiling) 現象之形成, 因擋土牆內外之地下水位差所產生之靜水壓使細砂或較粗之沉泥粒子, 將會隨著此噴湧之地下水而構成泥漿或土砂沸騰似的噴湧著, 這種夾雜土砂之湧泉現象, 稱之為 砂湧 (Boiling) 破壞 ( 參照附圖及實例照片 ), 而這種砂湧 (Boiling) 現象一發生, 則由沸騰噴湧土砂之處開始向外圍逐漸擴大管湧 (Piping) 之破壞範圍, 在離開相當距離之外圍地表, 就會產生地面下沉的損害了 挖方底面之砂湧 (Boiling) 及泉湧 (Piping) 之地盤破壞實例 ( 局部放大照片 ) 63
挖方底面之砂湧 (Boiling) 及管湧 (Piping) 現象之實例明顯可見土砂及地下水之沸騰噴湧之情形 母樁橫板工法之透水性擋土牆 之管湧 (Piping) 破壞模式邊破 壞沉陷之模式 止水性擋土牆之砂湧 (Boiling) 及 管湧 (Piping) 對挖方底及周 挖方底面砂土下之靜水壓差大且地盤為透水性良好之砂地盤最易產生, 而其產生砂湧之位置 大多在擋土牆埋入深度 d 之一半 ( d 2 ) 距擋土牆周邊 d / 2 範圍內形成 預壘 R.C. 排樁之非止水壁在挖方底部之管湧 (Piping) 64
預壘場鑄排樁擋土牆縫隙之管湧 (Piping) 現象造成之土砂湧出洗掘之破壞實例 一般人習慣稱此種現象為流砂, 其實 流砂 (Quick Sand) 現象 並非如此, 這種現象也屬於管湧 (Piping) 之一種, 大多發生於非止水性擋土牆, 而其土質雖為透水性砂質地盤, 但因砂之粒子極細, 不易抽排水, 因此含水量無法減低, 而因重力作用呈液狀向挖方側流出, 造成背土之洗掘淘空而致崩塌沉陷, 此亦非常危險之一種破壞現象 類似上述之砂湧 (Boiling) 現象發生後之砂質地盤如果係用來作為建築物之支持地盤 ( 直接基礎之型式 ) 時, 因已失去設計時所預估之地盤支持力, 在建築物完成後, 將產生不均勻下沉或傾斜, 同時, 因傾斜而造成屋頂或牆面之龜裂而形成漏水之原因, 因此, 在遭遇時必須迅速謀求補救之對策, 不可輕視或忽略之 三 挖方底部地盤之鼓起 ( 與隆起同稱為 Heaving) 砂質等透水性良好之地盤挖方工程中, 如果任其挖方底部之滲透水的動水勾配超過一定限度時, 在擋土牆之內側邊緣底部之土砂將會鼓起而產生擋土措施之破壞, 在採用止水性擋土牆時, 雖可以將其埋入深度加深來防止, 但是, 如果是透水性擋土牆, 就無法繼續作挖方施工了 尚且, 如果在挖方底部或其下側, 挖 65
到剩一層薄薄的不透水性地層時, 其不透水地層之上層地盤可以抽排水而下層地盤沒有抽排水 ( 此下層地盤中的水係被壓滯水層之地下水 ), 因其被壓地下水之水壓力大於其上部之薄不透水地層的土壤重量, 就會將此層不透水地層頂起而產生挖方底之鼓起致破壞擋土措施了 ( 詳如附圖 ) 又, 如地盤調查用之鑽掘孔或場鑄樁 ( 尤其是全套管工法 ) 之鑽孔, 穿破不透水層至被壓滯水層中時 ( 擋土支撐之中間支持樁也相似 ), 經常發現會在其孔邊緣湧出地下水及土砂的現象, 也是這個道理 ; 此種情形極不易處理 ( 施工對策容於後述 ) 應特別注意防範之 ( 此種鼓起現象亦稱為 Heaving, 但與粘土或沉泥軟弱地盤之隆起 (Heaving) 不同 ) Pw > Ps ( 被壓水壓力 )>( 不透水地層土重量 ) 挖方底地盤之鼓起 (Heaving) 四 安息角挖方斜邊坡底部之洗掘坍塌 在採用安息角邊坡式開挖工法中, 若未適切降低並控制地下 水位, 則地下水將集中至斜坡底部流出, 致該處地盤洗掘軟化而 66
形成斜坡面之滑動崩壞 ( 如下附圖 ) 斜坡底之地下水滲流及逐次崩壞之情形 五 流砂現象 (Quick Sand) A 如下圖所示之地層斷面情形, 當之地區挖土時, 正好挖穿了不透水之黏土地層而達於底下之滯水砂層, 如果此砂層又剛好係為地下水飽和狀況之被壓滯水砂層, 因被壓水頭 ( 位 ) 很高 壓 A 力很大而將區之挖方底的土砂和地下水 ( 被壓地下水 ) 一起噴湧而出, 此大量且源源不斷的湧砂現象, 稱之為 流砂 (Quick Sand) 現象 流砂 (Quick Sand) 現象之模式圖 67
支撐中之間樁孔因穿透被壓地下水層湧出源源流砂之實例 如遇此 流砂現象 實在十分恐怖可怕, 無論如何挖掘, 也挖不完, 挖了, 一下子又湧滿了 ( 國內業者俗稱之為 活砂 或 啞吧砂 ), 再不斷地挖, 則擋土牆周邊全部下沉致擋土措施全部崩壞, 其危害之範圍一直擴大 以往曾有工程業者多人有遭遇之經驗, 因不明其道理而拼命蠻幹, 與此 活砂 賭氣者, 大多損失慘重甚或因賠償周邊鄰房損害而傾家蕩產者亦為數不少, 實令人聞之不寒而慄, 萬一有此遭遇, 宜即刻灌水穩定並停工, 俟擬妥對策 ( 施工對策容於後述 ) 後, 先作好準備工作及預防措施後, 才可復工, 否則必遭慘敗也 ( 前述之砂湧 (Boiling) 及管湧 (Piping) 即為 流砂 (Quick Sand) 現象之極輕微的一種, 一般此流砂地層大多存在於河岸邊之地盤, 如台北市西門町 環河北路 延平北路 萬華一帶及宜蘭縣羅東鎮市區均曾發現 ) 68
流砂地層之挖掘實例 ( 狀似液體瞬間溶解 ) 69
流砂地層砂膏 ( 液狀砂 ) 由中間樁孔噴湧實例 70
六 挖方底部地盤凍結之鼓起 在氣候酷寒地帶, 因地盤內之地下水受氣候影響, 在低溫狀況下凍結而產生地盤膨脹浮起之現象, 造成建築物之破壞, 此乃由於地表面相當之深度範圍內, 受酷寒氣候之低溫作用, 使地下水形成凍結而致地下水之體積膨脹, 向大氣層方向 ( 地表面 ) 浮起的原因而致地盤之破壞 ; 此種現象在國內除高山山區之外, 極為罕見, 但, 如我國東北及蒙古一帶之地區, 如地下水蘊藏豐富之地區亦有此種現象, 為了將來國家建設之需要, 故順此提出說明之 地盤凍結膨脹之主要因素, 列之如下 : 1) 土質之構造影響 沉泥以下之微細土粒子最易凍結 2) 溫度之影響 視氣溫與水溫之相對質而定 3) 地下水之含量影響 以地下水之蘊藏量多寡而定 71
第六章地下水位控制 ( 抽水 ) 工法及井口配置 井深選定 地下水位控制之抽排水施工法及施工管理要領 論及地下水之抽排水工法之前, 首先要說明為何在本課題所定之名稱為 地下水位控制 (Ground Water Control) 而不直接採用一般所慣用之如 地下水抽水 抽地下水 或 地下水抽排水 等名詞呢? 因為大家都知道 地下水 乃係大自然之物, 在整個大地之中, 地盤因它而平衡, 而有其特質存在, 在工程之需求上而言, 根本無法將整個大地之中的 地下水 全部抽乾, 況且, 更無此必要, 尤其是 地下水 的存在形態, 亦循環於大氣層 ( 雲 霧 水蒸氣 ) 與地盤之間, 因氣溫增高而蒸發, 因氣溫降低而降雨, 又回歸於大地之中, 如此循環不息也, 因此, 在工程名詞上 地下抽排水 抽地下水 等, 僅係整個工程作業中, 對地下水處理的一個片段動作而已, 不足以概括整個地下水之處理作業, 所以, 未能貼切代表工程之名稱, 而因吾們在地下水處理的工程作業上, 其目的係在於 在某個施工時段之間, 將地下水位予以控制而達於工程之安全 經濟及效率之施工需求 而已, 它具有 時間性 而並非係永久性的作業, 因此, 認為以 控制 來代表其作業之狀態, 應較為貼切與易解, 而 控制 的目標乃指 地下水位 (Ground Water Line 簡稱 G.W.L.) 而言, 並非是 地下水 本身, 因此, 本課題將之定名為 地下水位控制 之理即在此, 而 抽排水施工 僅係 控制地下水位 的一種手段而已, 需將地下水局部地自地盤中 抽出 並 排去 另一指定之地點, 因之併稱為 抽排水 施工 ; 希諸君牢記, 應用於地下挖方工法 72
中之地下水處理, 稱之為 地下水位控制抽排水, 以別於一般 飲用水或工業用水之 鑿井 的 抽地下水 作業 有關工程施工用之 地下水處理施工方法 迄至目前已開發 了很多, 且均應用於實際工程之上, 惟依其處理之方式而言, 可 大致分為 地下水位降低工法 與 地下水止水工法 兩大類, 茲將之列之如下 : 地下水位降低工法 重力排水工法 集水井排水工法深井 (Deep-well) 工法吉曼士井工法 ( 德國吉曼士氏開發之工法 ) 暗渠排水工法 明渠排水工法 Pilot-Tunel 工法真空吸水 Boring 工法 地下水處理工法 強制排水工法 地盤固結工法 點井 (Well-Point) 工法高揚程點井工法真空深井工法電氣滲透工法藥液注入工法凍結工法 地下水止水工法 止水壁工法 壓氣工法 地下連續壁工法 ( 壁式, 柱列式 ) 止水板樁工法 ( 鋼板樁, 鋼管樁 ) 強制攪拌置換工法 (C.C.P. Jet-Grout 等 ) 不透水性黏土壁工法 所謂之 地下水位降低工法 ( 或稱 降低地下水位工法 亦可 ) 乃係以集水井等集中地下水抽排或使用點井 (Well-Point) 水中泵( 沉水泵 ) 等積極地抽水, 而達到降低地下水為的目的之施工方法 ; 依地下水集結方式之不同, 又可區分為 重力排水工法 與 強制排水工法 兩種方式 73
重力排水工法 乃利用地下水本身之重力作用而產生之自然滲透集結地下水, 此集結之地下水的抽排水工法較具代表性者為 集水井排水工法 及 深井 (Deep-well) 工法 等, 此種工法, 為求提高其排水效果, 必須使用於透水性較佳之地盤條件中 強制排水工法 乃利用真空吸引力及界面帶電層之電荷的移動, 強制性抽排地下水的施工方法, 其工法中, 以點井 (Well-Point) 工法最受廣泛採用, 可靠性也較高 另外, 還有 地下水之止水工法 乃由化學液注入 地盤凍結 壓氣及止水壁之施工方式, 使施工區域內, 不讓外圍之地下水流入的施工方法, 但是, 常常因為地盤的條件關係, 沒有辦法將地下水完全遮斷, 因此, 大多以與其他之地下水位降低工法併用的方式為之 一 地下水位降低之意義 在各種土方工程中, 如果對地下水之處理方式不適當時, 不僅僅對本工程產生極大之影響, 有時候會形成很嚴重之危險事故, 因此, 對地下水處理工法之選擇, 除了必須以詳盡的地盤調查作基礎之外, 更須掌握地層之構成地質及地下水之狀況等, 依工程之規模 地下水處理之目的 對周邊所產生之影響等有關事項, 作綜合性的檢討, 才可作決定 一般之地下水位降低工法實施的目的大致如下 : (1) 斜面之安定 因地下水位之降低而增加其有效應力及支持力, 對於 Open-cut ( 開挖 ) 或安息角斜面之安定或在防止地盤滑動之工法上, 亦十分有效 ( 詳如圖示 ) 74
(2) 挖方面湧水防止 因地下水之抽排形成下水位勾配, 將地下水位降低至所預定之深度以下, 同時, 也可將地下水之滲透遮斷及防止了由擋土牆底面內緣之湧水, 使得可以作乾作業之土方挖掘施工, 更因此, 在工期 工程成本上之減輕, 增高了安全性, 都十分有效 (3) 流砂 (Quick Sand) 現象之防止 滲透水壓超過一定限度以上時, 在粘土質地盤中會產生挖方底鼓起或稱為 隆起現象 (Heaving), 而在砂質地盤中, 則會產生 砂湧現象 (Boiling), 其防止對策為, 將地下水位勾配控制在容許值以下, 而實施地下水位降低之作業 (4) 擋土牆之側向壓力荷重之減輕 作用於擋土牆之靜水壓, 相當於水深與水之單位體積重量之積, 如果深度較深, 其作用靜水壓也大, 致可能對結構物之變形或破壞, 有不小之影響, 且為了抵抗此巨大之側向壓力荷重而採較大斷面之支撐等, 在施工成本上將增加及作業性降低極顯著, 因此, 將地下水位降低可去除以上之不利點, 如 (1) 之情形地下水位之降低, 可 75
增大其有效應力, 不但水壓力減小且主動土壓力亦將減小及被動土壓之增大等效果也有, 因此, 對於擋土牆之側向壓力荷重之減輕 ( 水壓及土壓等 ) 十分有效 (5) 上浮壓力之減輕 因地盤以下之被壓水壓降低而使上浮壓力減輕, 在挖方底面之不透水性地層的土重量如果比被壓滯水層的上浮壓力小, 則會形成挖方底盤膨鼓凸起之事故, 但如將地下水位降低, 則其上浮力亦會減輕 (6) 促進黏土層之壓密 因地下水位之降低而去除了土塊之上浮力, 也相當於上部載荷量之增加的效果, 應用此種現象來促進地下之軟弱粘土層的壓密, 達成強度增加的目的 二 地下水位降低施工方法之選定 地下水位降低工法之選定, 可依土層構成之土壤的粒度分析結果, 如下附之 排水計畫選定圖表 中之粒度曲線, 來作概略性的判別 ; 此表中, 乃將一般性的地盤在擬定排水計畫時, 可一目了然, 但實際採用時, 必須採用其改良型或複數工法之併用組合的情形也很常見, 在選定工法時, 必須對地層之層次狀態 各地層之構成土壤的相對密度 地下水之性狀以及工程的特質 對周邊所產生之影響等, 多角性的觀點作綜合檢討 擬定計畫並付 76
諸實施才可 排水計畫選定圖表 上表中 : a: 在水中挖方也可以 b: 理論上之重力排水可能範圍 c: 水位較高, 有產生上浮水壓力危險時, 必須強制排水的範圍 d: 僅以重力排水很費時間, 必須強制排水的範圍 ( 真空排水 ) e: 強制排水法 ( 點井工法 ) 的必要範圍 f: 電氣滲透工法必要之範圍 三 地下水位降低 ( 抽排水 ) 施工法及其適用條件 A.重力排水工法集水井排水工法 集水井排水工法 為以往最常用之抽排水工法, 它利用在基地內挖坑設置之 鍋形 之集水井, 將地盤中滲透進來的地下水, 利用抽水泵 ( 沉水式水中泵 真空抽水泵等 ) 將湧進之水排出 77
現場之外的一種排水方法, 一般使用於透水性較佳之礫石或砂礫地層且挖方深度較淺 ( 約 5.0M 程度 ) 又無砂 ( 泉 ) 湧 (Boiling) 或流砂 (Quick Sand) 之慮的挖方作業中, 大多利用木板或模板之類的材料作井口之擋板, 作成集水井, 其井深大約比預定挖方深度深 1~2M 左右 井口之直徑約為 0.9~1.6M 程度, 視挖方面積之大小, 沿擋土牆設置數處集水井且在擋土牆之邊緣設集水溝, 將滲出之地下水導入集水井中, 與井口底下之滲入湧水一併抽排至現場外, 井底為過濾地下水需敷以一層碎石, 來過濾由井底湧入之地下水土砂 利用抽水泵之集水井排水工法略圖 集水井排水工法在達成目的後, 其井口之處理 ( 廢井 ) 方式與深水井工法相同 ( 參照後述 ), 本工法的優點在於, 設備簡單 施工成低廉且可依地盤湧水之狀況, 任意調整集水井之位置及數量, 但因滲透水中夾帶之土砂易沉澱於井口中而將水中泵淹埋, 因此必須時常清理淤泥且隨著土方挖掘作業之進行, 集水井也必須 78
作數次之移動, 比較麻煩, 為此工法之缺點 ; 在集水井之底部敷以適量之砂礫石級配等過濾材料, 為防止抽水泵吸進土砂之有效方法, 另外還有一種改良式集水井排水工法, 可稱之為 過濾井 (Filter well) 排水工法, 此工法乃將原有之集水井中插入管壁鑿孔呈多孔狀之套管, 作為過濾管並於其外圍四周充填粗砂及礫石作為過濾材, 而在挖方作業之同時, 進行抽排水之工法 集水井抽排水工法 在適用上, 因對於地盤之安定面有下列之問題存在, 應十分留意之 : 在湧水量大之情況下, 欲在挖方底面不擾動之情形下就停止排水十分不易, 且地盤在挖方後, 強度上亦會有少許變化 如鋼板樁等擋土牆因具止水性, 在砂質地盤中挖方時, 極易產生砂湧 (Boiling) 現象之危險性 ( 如附照片之實例 ), 在採用自然滲透之集水井排水工法時, 存在擋土牆背後之地下水位, 不可能因挖方坑內之排水而降低水位, 因此, 如果挖方較深, 則擋土牆之內外水位差將變大, 而形成因滲透水壓發生砂湧 (Boiling) 之現象 透水性之擋土牆, 其外圍之地下水與土砂會由橫板間隙流入, 產生管湧 (Piping) 洗掘掏空現象而致擋土牆背面之地盤下沉陷沒 由上述之問題中可知, 在採用集水井排水工法時, 應對滲透流之解析充分研究並檢討其安全性, 此種工法, 雖然在挖方工程中被廣泛採用, 但是, 實際上除了小規模工程以外, 大多與其他地下水位降低工法併用者為多 79
鋼板樁擋土牆在透水性良好之砂質地盤中, 因擋土牆內外之地下水位差之靜水壓 ( 滲透水壓 ) 作用而產生砂湧 (Boiling) 現象之實例 透水性良好之砂質地盤, 產生砂湧 (Boiling) 之地下水與土砂自坑內湧出沸騰之實況 集水井之例 ( 鍋井工法 ) 80
沉水式水中泵之外觀 水中泵 (Pump) 性能表 口徑水量 揚 程 (m) (mm) (l/mi n) 10 15 20 30 40 50 (2 ) 80 (3 ) 200 500 100 (4 ) 1,000 160 (6 ) 2,500 100 V 用 動力 (KW) 重量 (kg) 動力 (KW) 重量 (kg) 動力 (KW) 重量 (kg) 動力 (KW) 重量 (kg) 1.5 50 2.2 62 3.7 76 1,5 66 3.7 85 5.5 100 11 180 2.2 80 5.5 93 7.5 100 15 200 3.7 102 7.5 115 11 160 22 300 19 160 30 350 深井 (Deep well) 工法在重力排水工法中, 最有效且最常用的工法即為 深井 (Deep well) 工法, 由於最近地下層之挖方有愈來愈深層化之趨勢, 為了防止 被壓地下水 所造成之災害及達成安全挖方作業的目的, 在透水性良好的地層中, 此種深井工法廣受採用且非常有效 81
深井工法 之施工方法, 乃利用 Earth-Drill 掘削機或 Benoto 掘削機 衝擊式(Percussion) 鑿井機, 在井口預定位置掘削井孔 ( 直徑約 1.0M~1.2M ) 直達井深之預定深度, 在孔中置入多孔管 (Strainer) 之套管, 並於多孔套管之外圍填以過濾材料 ( 碎石 粗砂等 )( 多孔套管之直徑約 600mmΦ), 在多孔套管之中吊入沉水式水中泵, 即構成此深井之排水井, 在井口掘削地中孔穴時, 應避免使用泥水掘削工法, 以免破壞其地盤之透水性, 一般均以套管 (Casing) 式掘削為原則, 其深井之施工程序詳如下列示意圖 利用鋼製套管外管掘削插入 在中間多孔管與外套 在多孔管之套管內, 吊入高 地盤中 ( 外徑 100cm, 長度 管之間充填過濾材之 揚程之沉水式水中泵抽水排 與井深相等 ) 在中間吊入 碎石等, 並將外套管 水, 則深井完成, 可開始作 多孔套管 (60cm ) 拔出 業 深井之抽水係用沉水泵 真空泵或高揚程水中泵來抽水, 視抽水之深度 ( 揚程 ) 而決定 ( 如前附水中泵性能表參考 ) 地下水乃由地盤滲透經過過濾層 ( 多孔管外圍 ) 而進入多孔套管內, 因此, 如果所採用之過濾材之粒徑不適當, 則其集水效果不佳, 甚至也有可能把細砂等都往地上抽排而造成地盤之淘空下陷之災害, 因 82
此, 必須特別留意採用之過濾材粒徑 過濾材之粒徑選擇, 可參 考下表為之 ( 一般狀況下均採用 5 分 ~6 分之碎石 ) Dn : 通過百分率 n% 之土粒子徑 深井使用之過濾材料與井口周圍之土的關係表 深井工法 最有利之點為單一口井的揚水量就相當多, 且 如利用高揚程的抽水泵時, 也可將很深之滯水層的地下水抽上來 深井排水工法之降低水位模式 ( 如左圖之作業模式 ) 但 深井工法 在 施工成本上比 集水井工法 或 點井 工法 為高, 在選用時, 宜與其他工法 比較之 件如下 : 深井 (Deep well) 排水工法的適用條 湧水量很大, 以點井 (Well-point) 工法等, 無法排水時 大規模之寬廣現場, 須作大量之降低水 位時 抽排深層之被壓滯水層之地下水時 深井 (Deep-well) 之配置及井口數乃依基地全部所需求之地 下水位降低值及抽水泵之容量而定 ; 為使基地全面之水位均等下 83
降, 依地盤之透水係數及其他條件, 大約定在 15M~20M 左右程度之間隔來配置, 且深井配置之位置, 應考慮地下挖方之重機械 ( 推土機等 ) 之作業動線勿衝突或形成阻礙 深井之詳細施工方法如左圖所示, 其所用之多孔套管採用鋼管或旋楞鋼管 (Corrugated Pipe), 在滯水層之相當位置, 將管壁挖長方形或長橢圓形孔呈多孔狀之加工 ( 使用瓦斯溶斷器加工此裂孔或以鑽孔方式鑽 30 MM Φ 之孔亦可 ), 其開口率約在 10~ 25% 左右程度, 而在與結構體之基礎深度接觸部份 ( 耐壓盤部份 ) 不可作套管之開孔, 以便在深井封閉時, 防止在多孔套管部份形成滲水, 然後再深井之詳細構造圖於多孔管 (Strainer) 部份之外圍, 以不鏽鋼金屬網 (10~20Wire Mesh ) 包紮, 作為濾網之用 ( 材質一定要用不生鏽之不鏽鋼金屬網 ), 在多孔套管底部取 90cm~100cm 左右 ( 也有主張取 3~5M) 之不開孔底管並加蓋封閉 ( 一定要 ) 此部份, 乃用以容納沉澱之砂泥用, 在深井排水作業中, 應適時以水尺檢測砂泥之沉澱情形, 如淤泥很多必需予以浚渫清理之 84
深井排水工法之施工參考例圖 85
鑽掘式井孔掘削作業情形 ( 乾式 ) 抓戽衝擊式 (Benoto) 井孔掘削作業情形 ( 乾式 ) 深井之多孔管 (Strainer) 套管之濾水用裂孔實例 ( 鋼管 600) 多孔套管之底部 ( 以鋼板焊接將底蓋裝上而封閉之情形 ) 86
深井之上部配管例 井孔掘削完成吊放多孔管之情形 深井 (Deep-well) 之閉鎖 深井排水工法在降低地下水位的功能上雖十分有效, 但是, 在達成地下水位降低之施工目的之後, 必須將深井閉鎖廢除 ; 如 果在深井的閉鎖方法上有錯誤或疏忽, 將來建築物完成之後, 大 多由此深井閉鎖位置產生地下水滲漏的現象, 不但非常困擾而且 欲作補修亦十分困難, 因此, 在採用深井工法來降低地下水位時, 必須事先擬妥周全完善之閉鎖施工計畫, 否則後果相當嚴重, 一 般採用之深井閉鎖施工方法, 其步驟如下 : 1) 在沉水式水中泵仍在繼續抽排水的作業狀況下, 將點鎖線部份之套管切斷之 ( 該部份為無裂孔開孔之耐壓盤部份 ) 2) 將多孔套管之凸出基礎底盤 P.C. 的部份殘留於外圍之濾網拆除並清掃套管之外圍, 將止水板之鐵件焊接於套管之上 87
( 深井周邊之地盤稍微挖深 20cm 左右 ) 3) 先將深井之套管周圍用 P.C. 搗灌密實, 然後, 再於其上施工基礎版之 R.C., 將套管外圍焊接之止水板埋入基礎版 R.C. 之中, 並特別注意 R.C. 之搗灌確實勿使有蜂巢現象 4) 準備妥在工廠預先加工焊接好的套管蓋子上面附有止水凡爾的自給式泵 ( 如圖示 ), 突然將沉水泵拔出, 用此蓋板蓋上取代之, 並將此套管蓋板焊接於 ( 步驟中所焊接好的角鋼 (L-65 65 6) 上, 將止水凡爾開放著並仍舊繼續抽水, 而其止水凡爾上方之排水管, 用螺紋接合之接頭接連 ( 可以隨時轉開拆除上段 ) 5) 在不使建築物上浮之情況下, 將止水凡爾關閉並中止排水作業, 將止水凡爾上部之螺紋接合部份拆開並轉上管帽鎖緊之並焊接固定封死 6) 在確認沒有漏水之情形後, 如左圖所示將補強鋼筋與基礎版之主筋焊接並將 R.C. 搗灌確實 ( 參照後附之詳細大樣圖 ) 若萬一還有發現漏水時, 再將此部份之 R.C. 鑿除, 再次排水重新補修確實 深井 (Deep-well) 閉鎖處理要領圖例 88
<A> 地盤之被壓水頭 ( 位 ) 較高時 使用深井排水達成施工目的後, 以自給式泵取代沉水泵 作如下圖方式之閉鎖處理 深井閉鎖處理方法例圖 89
<B> 被壓地下水之水位 ( 頭 ) 不很高之情形 深井排水之作業達成施工目的後, 將井口蓋板用螺栓 (Bolt) 旋緊固定之 ( 如下圖 ) 即完成最終之閉鎖處理 90
吉曼士井工法 本工法乃德國工程師吉曼士 拜耳 歐尼爾所研究開發而普及之工法, 現在稱之為 吉曼士井工法 吉曼士井排水工法 乃將小口徑之多數井口呈一列式或長方形或圓形方式, 以 6~12M 左右之間隔配置於施工區域內 ; 一般情形下, 其井口之套管徑約 200 MM 左右, 自套管下端向上在 4.5M 至 9.0M 的長度之間挖許多小孔, 並包紮著過濾網於孔洞之外圍作為多孔管 (Strainer) 之用, 在此套管中置以 150 MM 之吸水管 (suctionpipe) 於其中, 再由地面之一支集水管 ( 頂管 Header Pipe ) 連結之, 集中於一個高吸水泵上抽取地下水, 來達成排水目的的一種工法 ( 如下圖示 ); 在透水性良好地層且挖方深度不深之情況下使用此工法, 其抽排水降低地下水位之效果極佳 吉曼士井排水工法模式 91
Pilot-Tunnel 工法 本項工法亦係重力排水之一種, 雖與建築工程無多大關係, 但今日都市市區內之上 下水道工法所常用之 Shield ( 潛盾 ) 工法 中, 經常需引用此工法, 因此, 在本節文中略予敘述, 以正確認識之 在潛盾隧道 (Shield-Tunnel) 施工中, 由於地上物之限制及建築物之障礙, 而無法由地面上施工降低地下水位或化學液注入作業時, 必須由隧道內部之掘削先端施作 Pilot-Tunnel 工法 及其內部之各種挖方安定處理工法 ; 在 潛盾工法 中所採用 Pilot-Tunnel 工法, 在機能上可以視為與山岳隧道工程之引水坑 調查坑及導坑等, 相類似之各種坑道的特徵相同之功能 在這種工法中,Pilot-Tunnel 本身非僅僅利用為引水坑之用而已, 尚可由坑內直接對地層之對象施行有效的排水處理及化學液注入之施工作業, 但是, 施作 Pilot-Tunnel 工法 所增加之工期及施工成本, 在計畫時必須充分檢討其施工條件並慎重決定是否適合採用 Pilot-Tunnel 之配置與本隧道之關係位置, 可配置如下圖所示之方式, 一般在大型斷面之潛盾 (Shield) 中, 為了較經濟, 大多設置於本隧道之內部中, 此種情況下, 用於 Pilot-Tunnel 之弓形櫬片 (Segment) 可在本隧道掘進作業中, 依次撤除之 如設於本隧道之外部時, 在潛盾隧道 Shield Tunnel 完工時, 必須將此施工於外部之 Pilot-Tunnel 予以回填復原之 (a) 設於本隧道內部之配置情形 (b) 設於本隧道下方之配置情形 92
(c) 設於本隧道外部之配置情形 Pilot-Tunnel 與本隧道之位置關係之配置例 Pilot-Tunnel 之降低地下水位工法之構造斷面如下圖所示, 欲 排除 Tunnel 上部之滯水層的地下水, 將先端加工成多孔管之引水管 設置如下圖而向坑內排水, 由於係採用重力排水方式, 成本低廉, 在透水性佳之地盤中, 集水面積也極廣, 可達成極高之排水效果, 唯在透水係數為 10 2 cm / sec 以下之地盤, 必須採用點井強制排水 Pilot-Tunnel 引水管之施工斷面 93
真空吸水 Boring 工法在山岳隧道施工中, 如遭遇大量之湧水或地下水位高而產生掘進之困難時, 一般都在隧道之前端地盤中鑽孔來排水, 此種工法稱之為引水之 真空吸水 Boring 工法 在山岳隧道工程中, 大多採用此種工法之理由, 乃由於隧道距地表面很深, 根本無法由地表面來排水的緣故 真空吸水鑽孔 Boring 工法之施工如下圖所示, 一般在掘進坑前端之周邊地盤設置之, 有時也有自迂迴坑之側壁向本坑側之掘進前端前方施工者 下圖中, 向上之引水 Boring ( 鑽孔 ), 地下水將經由多孔管 (Strainer) 部份自管內自然流入至孔口, 為了增強排水之效果, 也有用真空吸水之作用來排水, 另外, 向下之引水 Boring ( 鑽孔 ) 則採用深井 (Deep-well) 工法來排水 真空吸水 Boring 工法 之引水孔設置方法, 列之如下 : (1) 如導坑或迂迴坑等, 沒有足夠之作業空間時, 先作出擴幅之作業基地來施工井孔 Boring 之作業 (2) 使用穿孔機 (Boring Machine) 依所定之深度鑽孔, 一般在需要作 真空吸水 Boring 工法 的地盤, 大多地質不佳地層破碎, 因此, 均採用二重管套管方式來掘削孔洞 (3) 二重管削孔完成後, 內管拔出時即插入多孔管, 最後再將外管套管拔出, 完成排水孔 ; 也有預先將外管加工成多孔管而只拔出內管的方式 (4) 向下之排水孔內, 設置沉水泵開始排水, 而向上之排水孔如採用真空吸水之排水方式時, 必須將管口密封以免漏氣 ( 真空吸水乃利用大氣壓將地盤中的地下水吸出 ) 穿孔機 (Boring Machine) 目前均已自動化又稱為 鑽堡 94
, 與自走式履帶結合一般用於地 ( 岩 ) 錨鑽孔 平面圖 A~A 斷面圖 ( 掘進坑前端部 ) 縱斷面圖 B~B 斷面圖 95
鑽堡穿孔機 (Boring Machine) 之外觀例 B.強制排水工法點井 (Well-Point) 工法 點井 (Well-point) 工法乃係利用插入於地盤中之水管的下端附近之地盤使之形成真空狀態而強制將地下水集中排出地下水的一種工法 此種工法可利用於揚水量較大之砂至礫石層, 也可用於透水系數 4 5 k = 10 ~ 10 cm/ sec 左右之沉泥質地盤 中, 但因其係利用大氣壓力, 因此, 其揚程亦有限制, 大約可達自露頭管 (Header Pipe) 以下 5~6M 左右之程度的地下水位降低之用, 如欲將地下水位降低更深時, 只好配合挖方作業之進行, 施作多段式之點井來降低地下點井之地下設置斷面圖水位 點井之下端濾水管外徑約 5~7cm 左右 ( 長約 1M 左右 ), 其管壁挖成多孔狀, 並於外圍以 3mm 左右之網目的過濾網包覆之, 再以 0.5mm 網目之包覆網圍繞之, 以防止吸水時流入土砂粒子於管內, 96
點井之施工情形及實例如下圖及後附之實例照片所示 點井 (Well-point) 工法之構成系統圖 點井 (Well-point) 工法之分歧揚水管及露頭管 (Header Pipe) ( 集水管 ) 之配置例 97
點井 (Well-point) 工法之真空抽水泵與集水管之接合配置狀況實例 點井 (Well-point) 工法降低地下水位方式之特點為自透水性大之砂層及礫石層至透水性較小之沉泥質地層的地盤, 均可達成地下水位降低之目的, 適用範圍極廣, 其設置方法很簡單且在排水工法中可靠性極高, 因此, 大多與深井 (Deep-well) 工法併用之 點井工法之真空吸水原理, 乃利用大氣壓力與管內之真空度之壓力差, 將地盤中之地下水強制往管內集中, 在理論上, 其揚程應為 10.3M 左右, 惟因實際上它也吸入空氣, 因此, 無法達到完全真空之狀態, 再加上排水管內之摩擦, 以致實際上之揚程界限在 7M~8M 左右, 實用性之計畫上, 大多採取 5~6M 程度之揚程者為多, 其在斜坡式挖方或擋土牆挖方之施工情況, 多採多段式, 如下附圖所示之情形 點井設置一段之情形 98
點井設置二段之情形 多段式之點井設置方式圖例 利用點井工法之地下水位降低方式示意圖 點井之構成斷面圖 點井下端之濾水管構造圖 點井之濾水管之噴水及吸水之構造原理 (Griffin 式 ) 99
點井 (Well-point) 之設置方法, 利用其前端之濾水管 ( 如前附之構造圖示 ) 直徑約 5~7cm 長度約 1M, 外圍包覆以防止土砂侵入之過濾網的管頭, 目前所使用者稱之為 自射型 (Self-Jetting Type), 在前端裝置有高壓水噴射用之噴嘴 (Nozzle) 及球型閥 (Ball Valve), 其前端之點井濾水管與揚水管接合後, 以噴嘴噴出高壓水來削孔而插入於地盤之內, 此時, 球型閥之鐵球受水壓向下擠壓而使水自噴嘴中射出水流, 相反的, 當揚水時, 鐵球會被吸向上而使下端封閉致地下水向濾水管之吸水孔吸入管內 ( 詳如前附圖所示 ) 當點井之管插入地盤內之後, 將其管之外圍投入粗砂, 使之形成 Sand Filter ( 過濾砂 ), 如因不透水層或孔壁崩塌, 使得砂之充填不易達成時, 可預先以 Sand Pipe 打入地盤中, 先充填粗砂後再將點井洗入插於其中即可 ; 在揚水管之頂端, 用黏土將之填塞封閉之, 使其保持氣密性, 以利真空吸水之用 在揚水管與集水管 ( 露頭管 Header Pipe) 之間的連結, 因較易吸入空氣, 使得真空吸水之效率減低, 因此, 大多採用橡皮或 PVC 製之軟管來連接並束緊之, 使其保持高度之氣密性 ( 此段之連結管稱之為 Swing Joint), 然後, 利用裝置於地面上之真空抽水泵, 將地下水抽排至地面, 降低地下水位 高揚程點井工法前述之點井 (Well-point) 工法中, 知其有效之揚程僅為 5~6M 程度, 如欲達揚程 8M 以上時, 就非得設置多段式之點井不可, 但如果採用 高揚程之點井工法 時, 在施工實績上有達到 13~30M 左右之實例, 其工法之方式如下 : 1) 利用活塞式等之機械性運動之抽水泵 : 渦卷泵方 100
式 回轉泵方式 往復泵方式 2) 利用流體之運動或壓力之抽水泵 : 空氣泵方式 (Air-lift 方式 ) 噴射泵方式(Jet-pump 方式 ) 3) 水噴射方式及空氣噴射方式以上之各種方式中, 以採用 Jet-pump 方式作為高揚程點井工法者為最多, 如左圖所示, 利用高壓水或高壓空氣, 自頸部向上噴射 ( 驅動作用 ) 使得噴流之後方形成負壓狀態, 而將下端之點井濾水管外圍之地下水吸入, 並向上排出的方式 使用噴射泵 (Jet-pump) 的方式在裝置上比較簡單, 同時, 維護也較容易, 高揚程點井之構造方式但, 當高速之噴流與低速之吸入水流混合時, 其能量之損失極大 效率較低為其存在之問題點, 應注意之 真空深井工法本工法乃將深井 (Deep-well) 工法之多孔管內施以真空度, 以增大其揚程的工法, 因此 真空深井工法 乃具備了 深井工法 及 點井工法 的特色之排水工法 抽水井口之設置方法與深井工法之情形完全相同, 其相異之處僅在於如下圖所示, 在多孔管之上端用粘土充填予以封閉並於其上以混凝土封閉之, 使其保持氣密狀態, 而使管內施予真空度之相異點而已 ; 依其真空度而將地下水強制吸入管內, 再以管中設置之沉水泵向地上揚水抽排之 此種工法, 在透水層與不透水層交互重疊之地層中, 且層厚較薄之情形下, 特別有效, 因此種地盤之構造, 無法期望其重力 101
滲透之排水效果, 必須採取強制性集水之手段, 才可達成抽排水之目的, 惟因真空吸引之故, 在井口周邊之土砂較易吸進管內而造成過濾材之網目阻塞, 因此, 在採用時宜特別留意過濾材之選擇 真空深井之上部構造方式 電氣滲透工法 電氣滲透工法 之強制排水方式, 乃利用電流而形成水之 流動, 亦即利用電氣滲透現象, 來達到排除地盤中之地下水的工 法 一般在利用 真空吸排水工法 無法排水之透水係數為 10 6 cm / sec 以下之地盤中, 必須使用 電氣滲透工法 才可以達成 排水之目的 在一般挖土方作業中, 在透水係數為 k = 10 6 cm/ sec 以下之土質 102
中, 幾乎沒有排水的必要, 但是, 在含水量較大而易於產生流動化 ( 糊狀 ) 之粘土地盤時, 因脫水可以使其地盤安定, 一般此種工法大多與點井 (Well- point) 工法併用者為多 ; 將點井做為陰極, 而另於地盤中配置陽極, 通電後, 地盤中的含水將由陽極向陰極移動 如左圖所示, 在軟弱之粘土地盤中釘入電極, 將此電極與直流電源 (D.C.) 連接, 使其在地盤中形成電場, 則黏土內部之水, 將由正極向負極流動, 此種現象稱之為 土壤之電氣滲透 現象 ; 如在負極上使用點井之類的排水器具, 將流入之水吸排出地面, 則地盤將因脫水而壓密, 此即利用電氣滲透之 壓密法 注意 : 地盤內之含水, 有時也會由負極向 地盤中水之流動 正極流動, 其理由容於後述 此外, 如將某種藥品或金屬 ( 例如鋁等 ) 之電解液, 利用電氣 滲透或 游動 注入於地盤中, 使之產生沉積固結而強化地盤強 度之工法, 稱之為地盤改良工法中之 電氣化學固結工法 離子 (ion) 之游動 : 水中之微粒子 (ion) 在浮遊狀態時, 如後附圖所示微粒子 ( 離子 ) 會移動, 此種現象稱之為 離子之游動, 剛好與電氣滲透現象同相反, 但本質上則是相的, 都係水與粒子之相對移動 離子 (ion) 之游動現象 界面帶電層之模式圖 103
電氣滲透現象 原屬於 界面電氣化學 之研究範圍, 為了讓大家能瞭解此種現象之原理, 大致說明如下 : 凡異質物體之接觸, 不論任何物體都會產生所謂的 接觸電氣, 雖然接觸之物體, 一個是固體, 另一個是液體也不例外, 例如眾所周知的電池, 乃利用適當的電位差 ( 接觸電位差 ) 所構成, 此時, 固體的那一邊係帶正電荷或那一邊係帶負電荷, 乃依其物質之情況而定, 二者之中, 其誘電率較大的一側為正電, 較小的一側為負電, 此為 Coehn 法則 ; 現在假定將固體之界面視為帶負電荷時, 如上圖所示, 則固體之表面接近部份即存在著吸引來的正離子, 依其距固體表面之遠近, 其正離子之濃度逐次擴散而形成 帶電層, 亦即所謂之 電氣雙重層 之形成 如果將上圖視為進了水的界面帶電層之模式圖毛細管來考慮 ( 土粒子中之含水狀態 ), 並將之賦予電場, 則其正離子必向負極移動, 因為這種離子之移動, 則離子周圍之水和作用之水, 就會與離子一起向負極移動, 其結果, 水都向負極集中過來, 這就是所謂的 電氣滲透現象, 同時, 我們也可以想像到, 水之流動量將與電場之強弱或界面之帶電層電位的高低成正比例之影響 土壤之間隙, 我們可將之視為一種毛細管, 當然, 依其斷面積因場所不同而異, 總之, 我們可將之考慮為連結之毛細管, 就似毛細管群一般, 因此, 依電氣滲透之方式來脫水的方式, 就稱之為 電氣滲透工法 ; 此種工法, 目前在國內尚無人採用過, 因此, 無施工實例可資參考, 謹作如上之介紹 四 地下水位控制井之井口配置與井深計畫 論及抽排水井之井口配置與井深計畫須先瞭解抽排水井之揚 水量究竟應如何評估計算才能作為計畫之基本依據 ; 104
揚水量之計算公式 在瞭解了地下水位降低工法之排水各種工法之後, 對於揚水 量之計算公式亦簡介如下, 以供作抽排水計畫及管理之參考 : 自由地下水之情形 (1) 重力排水井 深井 (Deep-well) (a) 完全貫入之情況 ( 自由地下水 ) QW= ( 2 2 πκ Η hw ) 2.3log( R ) r w Q w : 單位時間之揚水量 ( cm3 / sec ) k : 透水係數 ( cm / sec ) H, h w : 由不透水層至水面之距離 ( cm ) R : 影響圈半徑 ( cm ) r w : 揚水井口之半徑 ( cm ) (b) 部份貫入之情況 ( 自由地下水 ) 2 2 π k[( H s) t ] r Q w s w = [ 1+ ( 0 + ) sin( ).. 30 10 1 8 ] 230log( R/ rw ) H H ( 如 r / H 15. 時, 則與完全貫入之公式近似 ) t : 井口下端至水面之距離 ( cm ) s : 井口下端至不透水層之距離 ( cm ). 105
被壓地下水之情形 (c) 完全貫入之情況 ( 被壓地下水 ) π k( 2DH D h Q w ) w = 230. log( R / rw ) Q w 2π kd( H h = w ) 230log( R / r ). 2 2 D : 被不透水層夾於中間之透水層厚度 ( cm ) w (d) 群井之情況完全貫入之被壓水井口群 H hp = 1 n R Σ Q i kd i = wi ln π ri 2 1 完全貫入之重力井口群 H hp = 2 2 1 n R Q i k i wi π Σ ln = 1 ri Q wi : 第 i 號井口之揚水量 R i : 影響圈半徑 ( 近似 R 之平均值 ) r i : 第 i 號井口至 p 之距離 n : 井口數 106
(2) 點井 (Well-point) 工法 (a) 將各式同樣之點井所圍繞部份視為一口井來考慮之計算 r r 0 = 0 A π ( 等價面積 ) 2( l1 + l2) = 2 π ( 等價外周 ) (b) 流入排水溝之水量計算 自由水時 Q L H 2 he 2 2 = ka w 被壓水時 H Q L he= w k D a 在基地全體之揚水量決定後, 再決定點井之支數, 此時之 揚水量考慮為揚水開始時之量, 由下式求之 : n Q = 3 n q : 必要之支數 Q : 全體之揚水量 q : 點井一支之吸水量 吸水量依真空度 透水係數 水位降低深度等 1 4 而異, 概略值為 k = 10 ~ 10 cm / sec 時, 相對之 q = 10 ~ 30l / min 其次求點井之間隔 ( m ): L a = n ( 但 a < 20. m ) L : 集水管 (Header Pipe) 之全長 ( m ) (3) 影響圈半徑 ( R ) 影響圈半徑乃因揚水所致之地下水位降低所及之距離為計算 107
揚水量時必要之定數, 此影響圈半徑, 由透水層之透水性 揚水之持續時間及井口之水面降低量等因素所左右, 不能一概而論, 但此定數在公式中係由對數來表示, 因此, 其數值如有少許之誤差, 對揚水量之計算不致於造成太大的誤差, 有關影響圈半徑 R 之試驗式如下 : (a) Sichardt 式 R= C( H h w ) k 此式中 k = m / sec C = 無次元 ( 重力井時為 3000, 一列之點井時為 1500~2000) t (b) Weber 式 R= 3 H k n 此式中 n = 空隙率 t = 揚水時間 (c) Kozney 式 t Qk R = 12 n π (d) Schoklich 之經驗值 細砂 5~10M 中砂 50M 粗砂 100M 礫石 500M (e) 非平衡式 (Tneis 之公式 ) 上列之 (a)~(d) 之各公式係為揚水開始地下水位在一定狀態 下之解法 ( 平衡式 ), 此非平衡式乃針對地下水位之降低隨時間而 變化之狀態來考慮之揚水量計算公式 108
2 T Q= s r s u= 0.0796W ( u) 4 Tt 此式中 W ( u ) : 井口之關數 ( 另表 ) t : 求揚水量時之揚水持續時間 ( min ) T : 透水量係數 ( 透水係數與透水層厚之乘積 ) m2 / min s : 降低水位量 (H h)( m ) r : 掘削平面與井口假定時之半徑 ( m ) S : 貯留係數 ( 自由水時為 0.25 以下被壓水時為 1/100~1/1000 以下 ) 地下水之抽排水施工主要目的是控制水位, 達成地下層之挖方及結構體的施工作業, 而並非可以無限制地施作抽排水作業, 因此, 在作抽排水施工畫時, 應考慮以下所列之各項影響, 來作出正確適當的抽排水井口配置與井深計畫 : ( 地下水位之降低效應檢討 ) 採用排水工法, 當然可以使地下水位降低, 但, 同時對於周邊地下水之利用狀況 ( 井水之使用 ) 或因水位降低而使地盤下沉等之影響程度也形成了問題 ; 因地下水之抽排而產生之地盤下沉的原理, 在砂質地層中, 係因排水使砂更緊密致地層全體產生收縮的緣故 ( 脫水壓密收縮 ); 而在粘土質地層中, 則因地下水位之降低使水頭壓力減小, 致地層本身之荷重成為下層地盤的負擔而形成壓密下沉的緣故 ; 此種壓密沉陷現象, 在被壓水頭降低時, 十分顯著, 尤其在軟弱地盤中為最頭痛的問題, 非但難以控制甚至於其壓密下沉效應可能持續 6~7 年之久 ( 砂質地層則屬瞬時壓密不致有持續效應 ) 大面積粘土地層地盤之低成本的地質改良強化工法即利用此抽水壓密工法 ( 砂樁工法亦屬之 ), 因此, 粘土質地盤又稱為 壓縮性地盤 其理即此, 若是周邊有鄰房其基礎型 109
式又屬直接基礎 ( 基腳基礎或浮筏式基礎 ) 之條件下, 雖因施工需求非得採用抽排水降低地下水位才能施工時, 千萬不可貿然抽地下水 ( 地下水層水頭之水壓乃支持上層粘土質地層之主要支持力, 若因抽水降低水頭喪失水壓支持力在粘土層中之建築物基礎將全部沉陷, 而且沉陷時機會在抽水一段時間後持續相當久, 不會因為已經停止抽水就不再繼續下沉了 ), 此種情況下必須檢討採用遮水性擋土牆將基地內 外地下水層隔離之對策工法 ( 容於下述 ) 此外, 在砂質地盤中採用止水性較高之遮水性擋土牆, 其底部未貫入不透水層中予以阻斷地下水層且僅僅在挖方內側實施抽排水作業時, 會使得擋土牆之內 外形成極大之水位差, 而因滲透流之作用產生泉湧 砂湧 (Boiling) 或流砂 (Quick Sand) 等之災變原因, 此外在腐植土或泥炭 (Peat) 層所堆積而成之地盤中, 因抽排水作業抽除其中之地下水時, 也會產生急激之壓密現象 擋土牆之貫入深度檢討在軟弱地盤中, 因採用上述之抽排水工法會對周邊產生多大的影響, 是可以預先想像的, 因此, 在要求擋土牆之止水性的同時, 也必須對排水方式所需之埋入深度加以檢討, 例如附圖 (a) 所示之情形, 採用母樁擋土橫板工法或場鑄 R.C. 柱列樁工法等無止水性之擋土牆時, 會從擋土牆之縫隙流出水及夾帶土砂而造成地盤之鬆弛 下沉 崩壞之事故 即使採用了具止水性之擋土牆, 當挖方側之水位下降時, 在背土側之水位也會跟著下降 ( 埋入深度不足無法隔離內外地下水層, 因滲透壓而形成 ), 因此, 宜視地層之情況, 務必將遮水壁向下延伸至插入底下之不透水層為止 ( 如下附圖 (b)) 此情形下常會遇到另外兩種狀況, 一種是擋土牆依開挖深度設計出所需貫入深度 ( 力學平衡需求 ) 離底下不透水層尚有一段距離, 若全面加深則施工成本過高, 若不加深又有抽水危 110
害的問題 ( 遮水性需求 ), 此時最好採取在力學需求之貫入深度以下以無筋連續壁 ( 或簡易配筋 ) 加深插入底下不透水層達成遮水性需求, 另一種是擋土牆之力學需求貫入深度以下相當深度根本找不到不透水層可作遮水壁時則須在擋土牆內外均設置抽水井, 內井抽水降水位達成乾式作業的目的, 外井作為控制滲透壓之預備井只作間歇性抽水 ( 必要時 ), 直到基礎底結構施工完成再停止抽水 如下附圖 (c) 之情形, 由於被壓地下水使得挖方底面之安全無法確保 ( 亦即有鼓起破壞之可能 ), 因此, 須將被壓水層之地下水抽排洩壓之, 以求減少被壓水之上舉鼓起的力量, 可是, 卻又因為同時也減少了粘土質地盤之浮力而變成了一種載荷重之負擔, 使挖方底面以下之地盤產生壓密下沉, 因此, 在這種情況下, 應將擋土牆之埋入深度加深, 插入於次下層之不透水層之中, 使成為遮水壁 如前述若次下層不透水層很深無法作成遮水壁時則應考慮設置復水井實施復水作業 惟應注意被壓水層水量極大不易以區區抽水井來控制, 且日後封井不易仍以少碰為妙, 高雄市漢揚百貨工地曾有花費一億元才解決挖方底被壓水層湧水災變案例之慘痛經驗 (a) 透水性擋土牆滲透水作用 (b) 遮水壁應貫入不透水層 111
(c) 遮水壁貫入次下層不透水層 (d) 抽水井與復水井之配置防止被壓水壓造成鼓起破壞 抽排水井之井口配置在開挖基地中究竟應將抽排水井之井口配置在什麼位置就要看挖方工法及地下結構柱梁平面配置來決定, 井位之選定最基本的原則是不能與支撐或結構柱梁衝突否則會無法施工, 其次是抽排水井的輸水軟管要便於吊掛固定, 井口數之決定可依抽排水工法及井深之影響範圍 ( 前述之揚水量計算公式 ) 來評估, 由於此項大多委託專業廠商建議為之且依實際施作井口數計價一般較不成問題, 且欲臨時追加鑿井亦可快速達成, 尤其一般採用止水性擋土牆遮水壁將挖方坑內外地下水層分隔只須抽排坑內地下水而已, 故大多取井口間距 8~10m 左右來配置若有不足再追加即可 最近在擋土牆設計觀念上已有顯著的進步採取以橫膈壁切割分隔 (Diaphragm Wall) 方式將基地區隔成幾個區域使各區獨立, 如此不但使各區地下水位控制可獨立進行而且在防止砂湧 泉湧 被壓水壓湧泉等災變的效果十分顯著, 萬一發生在搶救上也較容易 至於超大面積基地開挖一般並不採用內支撐工法, 抽排水井 112
之輸水軟管無處吊掛且軟管又多又長, 抽水幫浦之電源電線如何配置也是一大難題, 若擺在開挖面上會形成施工障礙, 況且太多的輸水管一起排水到基地周邊排水溝其排水量若無法容納將形成水災, 在台南成功大學醫學院暨附屬醫院工程案例施工時就遭遇此情況, 由某知名大地顧問公司設計其依地質調查資料中之地層地質及透水係數等參數依理論計算, 再依基地面積配置了 268 口井, 而挖方工法為鋼板樁擋土牆配合地錨後拉支撐之超大面積明挖方式 (180mx360m 超大面積 ), 試想 : 空蕩蕩的開挖基地沒有支撐, 如何配置 268 條電纜供電? 268 條輸水軟管如何拉到基地周邊的排水溝? 268 台抽水幫浦一起抽水需要多少電力? 268 條輸水管排出的地下水如何流入排水溝?豈不釀成大水災?類似這樣的理論與實務差距所鬧出之大笑話實例希望不會再發生!! 其實此工程最後乃採用殺雞割喉法僅以 9 口抽水井配置於挖方底下之不透水層 ( 有高低起伏之峰與谷 ) 之窪谷處就解決了, 此抽水井位置之配置要領乃先由 56 個地質調查孔的地層構成資料中找出挖方底以下之不透水層層面高程, 在描繪出其等高線圖, 由此圖即可找出窪谷位置, 再估計抽水井深度及其影響範圍初步算出所需井口數, 並核對是否與結構柱梁位衝突, 如此即可完成地下水位控制抽排水井口適當的配置了 ( 參照後附實例計畫圖 ) 如果挖方底以下相當深度仍無不透水層不得不需要設置較多抽水井口時, 也要利用接駁方式來配合, 基地中央區之抽水井抽水至邊區抽水井, 再由邊區抽水井抽出基地外排水溝排除, 其抽水時機亦應分區分段施行 止水性擋土牆若非遮水壁 ( 牆底在透水層中 ) 時, 為防止抽水降低坑內地下水位時之內外水位差產生滲透流而形成砂湧 泉湧之災變, 抽水井位宜配置於擋土牆邊且井深達與牆底 ( 如牆厚較厚 113
時亦有設置於擋土牆內者 ) ( 參照後附圖 ) 止水性擋土牆若為遮水壁 ( 牆底在不透水層中 ) 時, 因已將挖方坑內外地下水層隔離, 抽水井位宜配置於基地中央區且井深達坑內透水層底下 1.5~2.0m 左右即可 ( 參照後附圖 ) 止水性擋土牆底下遇傾斜岩層面, 一側貫入岩層為遮水壁, 另外一側未達岩層為非遮水壁, 則遮水壁側抽水井宜配置於擋土牆外側且井深達岩層面下 1.0~1.5m 左右, 用來控制岩層面之地下水脈地下水, 否則須將遮水壁底放水門 ( 齒狀一深貫入, 一淺不貫入 ), 非遮水壁側抽水井位宜配置於擋土牆內側且井身至挖方底下透水層底下 1.5~2.0m 左右即可 ( 參照後附圖 ) 以挖方底以下不透水層面等高線圖選定抽排水井口數及配置實例 非遮水壁止水擋土牆之井口配置 遮水壁止水性擋土牆之井口配置 114
止水性擋土牆底傾斜岩層面遮水壁側與非遮水壁側之井口配置 止水性擋土牆深與地層關係之抽水井配置 抽排水井之井深計畫抽排水井之井深計畫的基本原則為井深需比計畫挖方底深及需在挖方底以下之透水地層中, 若挖方底為不透水層則井深至挖方底以下約 1.5~2.0m 深即可 ( 可將挖方底表水抽出 ), 若挖方底為透水層則視井口配置密度與抽水井之揚水速度及可影響範圍來決定井深, 但仍不宜超過擋土牆深度以免抽到擋土牆外側之地下水造成地盤脫水壓密沉陷 抽排水井井孔深度計畫乃以計畫挖方深度為原則設置, 而其 115
孔內之抽水幫浦的吊掛深度才是控制地下水勾配 ( 抽水時水位並非水平的, 欲控制之地下水位係指此水勾配之最高點而言 ) 的主要重點, 挖方施工中坑內的地下水壓仍是抵抗外側地下水壓的有效因素 ( 屬於挖方底下之支撐力的一種 ), 因此坑內地下水位是隨挖方計畫一層層往下降 ( 控制在該層挖方底面下約 1m 以下 ), 並非將其一次抽乾 ( 若一次抽乾會造成內外水壓失去平衡, 尚未挖方即形成擋土牆之變形量增加 ), 正確的水位控制井其內之抽水幫浦並非置於井底而是懸掛著的, 依井口配置間距與水勾配之需求隨挖方深度層次逐次往下降低吊掛深度來達成 控制 地下水位的目的, 抽水井設置的目的是要 控制 水位而非 抽水, 此即與一般抽水井之差異 ( 參照下附圖例 ) 抽水井孔深度與抽水幫浦吊掛深度及地下水勾配之關係圖 地下深挖方常會同時遭遇自由水層與被壓水層之情形, 深及被壓水層之抽水井抽不到自由水層的地下水, 抽出之水量雖很大也無法降低自由水層的水位, 此時必須分層個別作不同井深之抽水井計畫 ( 參照下附圖示 ), 個別處理各層地下水, 不能混為一談, 否則必徒勞無功 116
自由地下水層與被壓地下水層之抽水井深計畫要領圖常有少數抽水專業廠商對鑿井抽水雖很專業但對於基礎工程挖方之地下水位控制抽排水的道理卻一知半解, 甚至對地層與地下水的關係也不清楚, 連自由地下水水頭與被壓地下水水頭如何分辨更不懂, 在上述之情況下抽水井深在被壓水層中抽水量很大而自由水層水位卻降不下去, 就以為井口數不足而要求追加抽水井, 業主與現場工程師也不知其所以然, 以為不無道理, 拚命抽水的結果不但沒有達到目的反而把基礎底部地盤支持力減低了, 現場工程師應具備此基本知識絕不可放任廠商亂抽水還以為抽久一點就可以了, 地下水抽水只是手段並非目的, 真正目的是控制水位, 且屬臨時性的 117
被壓地下水層中之抽水井抽水對自由地下水層水位控制無效 118
五 地下水位控制井之抽水時機及水位控制要領 地下水位控制之手段乃利用抽水井抽水降低地下水位, 其目的為開挖基地範圍內可實施乾式作業 (Dry Work); 地下水為開放水系, 它是源源不絕並非以區區抽水井可予抽乾的, 因此抽水僅是達成控制地下水坡降的手段, 在一定時期之內維持一定範圍及深度內不受地下水之干擾, 抽水並非目的故此抽水井應稱之為 地下水位控制井 才能與其他用途之抽水井區別 抽取地下水的同時就必須排水, 若排水量不及抽水量則必造成淹水, 因此在作抽水計畫時亦須同時評估排水之可行性調查, 如排水溝之斷面 排水容量 流向等均應詳加調查, 假定基地周邊條件容許且面積又大, 可以採用透水性擋土牆工法施工時必須抽水降低地下水位其排水量也大, 而抽水對象包括基地周邊地盤源源不絕的地下水, 倘若基地外圍排水溝無法容納如此大量且長期間之排水量時則必須考慮改用止水性擋土牆之遮水壁來阻斷基地內外地下水層 ( 只須抽取基地內有限之地下水 ), 再以外圍排水溝容許排水量以下之抽水量, 慢慢抽排坑內地下水直到達成降低坑內地下水位的目標 (1) 抽水降低水位地下水位控制井依擋土牆之牆體止水性 對地下水層遮水性 抽排水範圍及深度等關係作成井口配置與井深計畫後, 其鑿井設置抽水幫浦之時機一般都在擋土牆工程完成 最上層挖方完成 最上層支撐架設完成之後 ( 少部份預設井供擋土牆施工用水或地下障礙物撤除用之抽水井, 在基地內者日後移作水位控制井, 在基地外者日後移作預備井或外水位觀測井均一併規劃先行設置使用 ), 抽排水啟動時機則在挖方深度將低於地下水位之前, 水位降低目標為各層計畫挖方底面下約 1m, 在各層水位控制目標深度未 119
達成前不得進行該層挖方作業, 水位控制井除可抽水外亦可兼觀測之用, 一般在市區內基地基礎工程挖方為維護周邊地盤與鄰房穩定幾乎都採用止水性擋土牆 ( 性能 ), 且作成遮水壁 ( 功能 ), 因此只抽挖方坑內地下水 ( 有限 ) 不抽坑外地下水 ( 無限 ), 也由於遮水壁包圍的基地內地下水層中之水為定量, 故水位控制井抽水降水位並予控制一般不是問題, 如果發現抽水量大而水位降不下去或降幅小即可預知止水牆有瑕疵或遮水壁有問題 ( 若不儘速處理管湧災變不可免, 周邊地盤及鄰房沉陷傾斜損害亦必生 ) (2) 排水之處理將自地盤內抽出之地下水放流於下水道或河川之中, 但是有時也必須向底盤內再實施復水之義務 ; 排水之處理有關之檢討, 分為 排水量 與 水質 二方面來討論之 在排水量之檢討方面 : 如沉砂槽等之場內處理及場外之排水管或排水溝等之容量, 是否足夠容納其排水量之確認, 倘若, 不足或政府機關另有規定時, 有時也必須在場外新設排水管的 在施工現場之排水量的測定方法, 可利用 直角三角堰 之方法與 四角堰 之方法來測定, 此二種方法之排水量計算圖表如下表所示, 此圖表中, 依堰之水深 h 之測定值, 即可求出其排水量 ( 但, 四角堰之情形, 其寬度 b 以 0.1M 來計算之 ) 120
3 註 : 排水量 Q ( m ) 乃依下列公式計算而得 : sec 直角三角堰 ( 沼知 黑川 淵澤公式 ) 52 / Q= Kh ( 單位 :m) 0 004 02 h K = 1.. 354 + + 014.. ( + )( 009. ) h 2 D B 四角堰 ( 板谷 手島公式 ) Q= Cbh 32 /. 0 00295 h C = 1. 785 + + 0. 237 h D ( B bh ) 0. 428 + 0. 034 BD ( 單位 :m) B D 直角三角堰立面 例 1. 採用直角三角堰時 : 四角堰立面 水深 h =0.2M 查表得排水量 Q =1.5M 3 / 分例 2. 採用四角堰時 : 堰之寬 b =0.45M 水深 h=0.16m 查表得 Q =0.7M 3 / 分 ( b =0.1M 時 ) b =0.45M Q =0.7 0.45/0.1 3.2M 3 / 分 排水量測定裝置之桶槽 [ 稱為槽口水槽 (Notch Box)] 之大小 形狀, 依各槽口堰之大小在日本工業規格 JIS 中有明文規定, 但在施工現場所使用者, 雖有若干誤差惟影響不大, 茲列舉 JIS 規格型式之槽口水槽形式如下 : 121
槽口水槽 (Notch Box) ( 排水量測定裝置 ) [ 三角堰之槽口水槽, 參照下附之實例照片 ] 此外, 向現場外之排水, 如係污濁之泥水, 是不被許可的, 因此, 必須通過沉砂槽沉澱土砂排出清水才可 ( 參照下附實例照片 ), 尚且, 地下水本身之水質如帶有鹽分 酸性 鹼性等之性質強烈時, 也必須經過中和處理後才可排放 ; 對排水之水質標準, 各地區有不同之規定, 宜事先確認查明之 ( 參照下附施工實例照片 ) 直角三角堰之槽口水槽 (Notch Box) 排水量測定裝置之外觀及施工實例 ( 後側為沉砂槽及中和藥液槽 ) 122
沉砂槽及水質酸鹼性中和藥液槽及攪拌機械設備施工實例 直角三角堰之槽口水槽 (Notch Box) 外觀實例 ( 排水量測定裝置 ) ( 點井工法之施工例 ) 123
排水量測定裝製之槽口水槽 (Notch Box) 外觀及點井排水工法施工例之集水管 (Header Pipe) 與排水管之關係施工實例 地下水水質之酸鹼性 ph 值中和裝置操作盤外觀例 地下水排入公共排水溝或下水道前之沉砂槽施工例 124
(3) 抽排水速度地下水之抽排水目的已於前述及, 由於有挖方底面地盤之乾式作業 (Dry-work) 及鼓起等之防止 周邊地盤下沉防止 擋土牆背側之水位降低等之顧慮, 因此必須計畫合適之排水速度 方法來達成此排水之目的, 地下水位之降低不可過速, 但如排水速度太慢, 也無法達成降低地下水位的目的 例如 : 在集中豪雨過後, 地下水位急遽上昇, 形成地盤鼓起之危害或作用於擋土牆之側壓急遽增大的危險情況, 都必須很敏捷的來應對, 實施急速之排水作業 ( 外預備井啟動抽排水 ), 但是另一方面, 若因僅僅在擋土牆的內側作急速排水, 使得被動側壓之水壓力減少, 且因砂質地盤之收縮致被動側壓抵抗減小, 使擋土牆之平衡受到不良的影響 尚且, 在挖方底面地盤防止鼓起之施工對策上, 所施行的降低被壓水頭之目的之抽排水作業時, 也必須注意覆土之重量與被壓水頭上舉力之平衡, 妥善地管理定量之排水加以控制 此種排水工法, 除非在特別緊急之狀況下, 一般都採取較緩和的將所需之排水量排出的方式為之 ( 控制地下水位 的目的, 並非把地下水抽光, 地下水是抽不乾的 ), 因此, 排水之速度與工法, 應依工程之內容及目的來採取合適的方式, 才是正確的 (4) 抽排水作業停止時機抽排水作業中, 欲停止抽排水之時機, 應充分檢討之 在建築施工中之建築物重量對於因停止排水而產生地下水位之回復所形成的上浮力之平衡, 此上浮力如超過建築物已完成部份之重量, 則建築物會遭遇上浮之破壞而致歪斜 浮起, 甚至結構體之損傷, 應特別注意之 ; 在計畫時就預先計算妥建築物在完成至那一階段時之重量才能與地下水浮力平衡, 或其地下水位應控制在某 125
一高程以下來預防, 否則損失是相當大的 此點極易為施工管理人員所疏忽, 在國內發生很多之基礎上浮破壞實例, 大多數皆忽視了地下水位造成之上浮力的可怕, 而造成了鉅大的損失 ( 參照下附實例 ) 因地下水位回昇之上浮力造成之建築物上浮梁斷裂之實例 地下結構體完成停止抽排水造成上浮災變示意圖 自備之發電機裝置在排水作業期中, 完全依賴電力之能源來達成, 如果萬一停電了, 所有的排水作業將全部中止而無法繼續抽排水, 也因此地下水位將急速回昇而造成擋土架構及地下基礎結構之危險狀態, 故在抽排水控制地下水位的期間, 應預備發電機之裝置, 以防止 126
萬一停電時造成無法挽救的災害 地下水位控制之抽排水施工管理要領 地下水位之 控制 中, 抽排水施工作業僅為其 控制 之手段, 顧名思義, 欲控制地下水位, 其重點及要領乃在於 施工管理, 並非僅採用抽排水之工法就可以達到控制之目的, 因為地下水位之控制 過與不及 均有不良之影響, 需恰當適中為要, 茲將其施工管理之要領列之如下 : a) 施工前 ( 排水計畫之擬訂 ) 地盤之調查是否確實, 並對地層之構造 土質特性加以深入的檢討 地下水之自由水位 被壓水位檢討 現場附近之地形及水文資料檢討 擋土牆埋入深度與地層關係 滲透流等之檢討 揚水試驗及水質試驗結果之研判 排水方式及配置之檢討 地下水位降低工法之選定檢討 ( 井口數 口徑 深度等 ) 砂湧 泉湧 (Boiling) 管湧(Piping) 及流砂 (Quick Sand) 現象防止對策之檢討 排水量及水質對放流之下水道 河川等之影響檢討 b) 施工中 ( 地下水抽排水施工作業 ) 地下水抽排水速度之檢討 抽排水機械運轉及功能之檢查 地下水位降低情形之檢查 有無必要加設排水井口數或加大排水量之檢討 對地下水位之變化檢討, 抽排水井之排水控制 127
抽排水井之運轉調節之檢討 地下水位超過預定控制深度而持續下降時, 可減少排水泵之運轉或作間歇性運轉, 以調節之 颱風或豪雨時之排水速度增強對策及停電時自備發電設備之檢查 土方挖掘作業中之突發性湧水對策檢討 排水作業停止時機之檢討 ( 防止浮起之對策 ) (c) 施工後 ( 排水作業停止 ) 抽排水井口之閉鎖方法及施工效果之確認 分區分段, 排水井口停止作業之檢討 基礎底洩壓井設置之檢討 地下水位回昇狀況之觀測 地下水位控制用之排水井的利用檢討 註 : 地下水位控制之目的達成之後, 在廢除排水井之時, 可將其在結構體地下層內之井口留下數口, 以濾水之多孔管插入廢井之中 ( 口徑縮小約 3/4"Φ 之 PVC 管 ) 並於露出地下層部份加設 止水凡爾 或水龍頭控制之, 作為地下水浮力之 洩壓井口 之用, 當地下水位因停止排水作業而回昇時, 為防止結構體之上浮破壞, 可利用此 洩壓井 來調節地下水之上浮壓力, 無需任何電力或其他動力, 且又可留為日後地下停車場之洗車 清洗地坪或工程用水之用十分經濟, 為免費之永久用水, 讀者諸君不妨試試, 十分有效 128
六 基礎挖方坑之內 外地下水位控制要領 基礎挖方形式視其周邊環境條件 地層地質條件 挖方規模 深度條件來選定, 唯一共同原則為須在基地範圍之內施工, 若基地面積廣闊且未臨界開挖則可採用安息角邊坡無擋土無支撐明挖工法, 若係臨界開挖則非得採用擋土牆作局限挖方不可, 擋土牆又分為具止水性與非止水性 ( 性能 ), 止水性擋土牆又分為遮水壁與非遮水壁 ( 功能 ), 支撐工法種類繁多如內支撐 島式支撐 背拉支撐 逆築支撐... 等工法, 其工法之選擇各式各樣均有考量, 而與地下水位控制有關者依其特性分述如下 : (1) 安息角邊坡明挖安息角邊坡明挖之挖方坑遇透水性地層必須降低地下水位以達成乾式作業的目的, 其挖方坑內 外地下水位控制要領與上流 ( 水頭 ) 下流( 水尾 ) 地下水位控制要領均有必要也各不相同, 此種挖方工法必須面對大地地下水的挑戰對象最為廣泛且難度最高, 等於是赤手空拳在對付四面八方敵人一般, 如果沒有具備宏觀大地的認知常識與相當的施工經驗及功力, 必將被打得落花流水毫無招架之力, 僅具有大地基本理論知識是不足以作出正確的地下水位控制計畫的 施工計畫前地質及地下水調查要領採用此挖方工法在作地質調查時就必須對挖方坑外之地盤實施詳盡的調查 ( 真正的敵人對手在外圍而非基地挖方坑內 ), 尤其應注意的是各邊各區段都不同, 地下水位之調查也要能夠研判出地下水之流向與上流下流所在方位才算是調查完整, 僅僅遵照規範規定在基地中間施作地質調查鑽孔是不足且無效的 ( 只有效於作基礎設計, 對於開挖周邊真正要挑戰的對象地盤卻茫然不知, 只能盲目作戰碰運氣而已, 規範中並沒有規定鑽探位置只有 129
最少孔數與最小深度及多少範圍內至少應有之孔數 ), 就算在挖方範圍內多鑽幾倍孔數也沒有用, 等到施工災變發生後才怪罪地質調查不確實或實際地質與調查結果不同乃一般常見的經驗不足者的推托之詞, 可以採用安息角明挖的基地面積都很大其地層與地質的變化也一定很大, 僅僅憑藉挖方坑內幾個鑽孔就可以用想像去揣測周邊地層地質, 如此包山包海自以為是的作施工計畫未免太粗心了, 孫子兵法中不是有 知彼知己, 百戰不殆 的銘言嗎? 地層地下水研判要領地下水蘊藏於透水性地層中, 欲知地下水之狀況先要確認地層之透水性及辨識透水層之所在深度 層厚與開挖深度之關係以及周邊各區段之地下水位, 由地層之透水性可研判地下水滲流速度, 由透水層深度與開挖深度之關係可研判必須將水位控制在何種深度, 由透水層層厚與開挖深度之關係可研判地下水量及評估水位控制井之井口配置密度及井深計畫, 由周邊各區段之地下水位高程之比較可研判地下水流向及其上流 ( 水頭 ) 下流 ( 水尾 ) 方位, 綜合這些資料就可以作出地下水位控制計畫了 地下水位控制井配置計畫要領地下水水為控制抽排水井之配置原則與要領如下 : 挖方周邊抽排水井配置於邊坡外圍 上流區段井口配置密度應大於下流區段 井深應達預定挖方深度以下之透水層中 若透水層高於挖方底, 井位應往外退, 井深至透水層底下約 1.5~2.0m( 依透水層起伏井深深淺不一 ) 若挖方較深, 井口可分多段配置以所須水位坡降分別設定各段井深於邊坡之上中下段構成斜向水勾配 井口配置密度視井深及地盤透水性而定, 井深較深 130
井口間隔可較大, 透水性較差井口間隔須較密集 井深不宜太深以免造成廣域之脫水壓密沉陷影響, 如影響區超出境界外宜分段設置井口 挖方坑內抽排水井平均分佈配置 井口配置密度視挖方底地層之透水層殘留厚度決定井深較深井口間距可較大 井深不宜太深以免抽水影響基底地盤之支持力 若挖方底地盤為不透水層則可不設抽排水井, 採用重力排水集水坑以沉水幫浦接力式抽排即可 若周邊地下水位控制得當, 挖方底地盤也非被壓水層時, 挖方坑內應無大量地下水可不必設置抽排水井, 採用集水坑重力式排水即可 (2) 透水性擋土牆工法明挖透水性擋土牆工法如主樁襯板擋土牆 間跳式排樁 密接式排樁工法等, 顧名思義在擋土牆內 外地下水是相通的, 只不過為了局限開挖而採用擋土牆作成垂直的開挖坡面而已, 對地下水而言與安息角邊坡明挖並無不同 ( 挖方邊坡不同而已 ), 故其內 外地下水位之調查研判與地下水位控制井配置計畫要領幾乎完全一樣, 可參照前述為之, 惟若挖方深度較深且周邊條件不容許將外水位降低至挖方底以下時則應慎重考量是否適用此工法 (3) 止水性擋土牆工法明挖止水性擋土牆工法如鋼板樁 地下 R.C. 連續壁擋土牆工法等, 顧名思義乃以擋土牆將內 外地下水隔離, 類似地中水壩為了局限開挖而採用止水性擋土牆構築一個密不透水的城堡以阻 131
絕外患 ( 土壓及地下水 ), 有了堅固的城堡就不必在乎外地下水了, 因此只須作挖方坑內有限且安靜的地下水位控制, 依挖方深度計畫一層一層往下降低水位控制在每層挖方底以下約 1m 左右即可, 擋土牆就似盾牌, 擋土支撐就似攻擊的武器, 不但可防衛也可攻擊, 又不必擔心抽排水降水位會造成周邊地盤壓密沉陷的問題, 此種工法之坑內地下水位控制井口配置與井深計畫及水位控制要領已於前述及, 希參照之 安息角邊坡明挖工法地下水位控制井配置平面示意圖 安息角邊坡明挖工法地下水位控制井配置斷面示意圖 132
透水性擋土牆明挖工法地下水位控制井配置斷面示意圖 133
七 透水性與不透水性交互地層之地下水控制工法 基礎工程挖方基地之地層, 常遭遇夾雜厚度不一的透水性砂土層與不透水性粘土層交互之地層, 其自由地下水與被壓地下水蘊藏於透水性之上 下砂土層中, 其間所夾之不透水性粘土層, 一般又稱為 隔土, 也由於此層隔土將上 下水層分隔, 對於抽排水工法降低地下水位形成極大的困擾, 若抽水井較深, 其抽排水量雖大, 卻可能無法降低上層之自由水層水位 ; 若抽水井較淺, 則只能降低上層地下水位, 卻無法有效控制下層受壓水層之水位, 如何斟酌地下水位控制井之井深, 成為現場工程師最頭痛的問題 ; 尚且, 若處理不當則有可能釀成大災變 況且, 在大都會區因土地欲有效利用, 建築物樓層高, 地下層又越來越深, 其須面對之地層也越複雜, 類似上述之透水與不透水交互地層可能會更多層次, 層層疊疊, 其挑戰性更大 一般此類透水性砂土地層與不透水性沉泥粘土地層交互之地層大多存在於河流與河流交會處的上流區域, 此區域地層之形成乃由沖積 ( 河水退去水位降低時期沖刷堆積層, 一般為砂質土層 ) 與沉積 ( 河水上漲水位上升時期淹沒沉澱堆積層, 一般為粘土或沉泥質土層 ) 疊成, 可由其地層厚度研判其歷史上沖積與沉積期間之長短 ( 層厚則期長, 每層之期間可能長達數百年或數千年甚至數萬年 ), 所謂 滄海桑田 大地地層就是如此形成的, 以大台北盆地而言四周環山由三條主要河川 ( 大漢溪 新店溪 基隆河 ) 匯集成淡水河流出海, 其中大漢溪與新店溪交會之上流區域即板橋市 基隆河與淡水河交會之上流區域即大同區延平北路 重慶北路 承德路及中山區中山北路 新生北路 松江路一帶地區 ( 社子島為沖積砂洲 ) 即為此類透水與不透水交互地層之典型案例 透水性與不透水交互地層其地層並非很單純的一層疊一層且 134
各層厚度一致, 一般多為尖契形斷面, 厚薄不一且層面呈傾斜角由厚轉薄到末端甚至於突然消失, 所以在小面積之一般基地地層調查中不易察覺, 只是將各鑽孔之地層斷面排在一起 ( 報告書中的地層斷面圖 ) 並將同性質土層連線後會發現地層厚薄的變化而已, 我們在同一地區同時進行多數基地開挖施工經驗中將各基地之地層調查資料統合後就可以發現此地層的廣域構成實際斷面情形, 甚至於還發現過在密集的地層鑽孔資料比對中相鄰鑽孔之地層斷面竟然完全不同, 明明有一層厚粘土層而在相鄰鑽孔卻突然消失無蹤, 起初還斬釘截鐵的認為一定是鑽探錯誤, 最後決定再鑽探一次結果仍然一樣, 後來研判結果才發現原來此厚層粘土乃呈塊狀而非層狀存在, 難怪讓人摸不著頭緒 ( 此類地層構造在台北市建國北路 仁愛路二段 新生北路一帶均曾發現 ), 此類型之地盤對自由地下水層與被壓地下水層之研判很容易造成錯誤應予留意 對應此類交互地層之基地開挖地下水之處理, 因地層變化複雜不易以地下水位控制井來控制, 在選擇擋土牆工法時最好採用止水性擋土牆 ( 若採用透水性擋土牆因牆背土層中之地下水無法有效排除, 會從樁縫不同深度滲流出來並夾帶土砂造成管湧洗掘掏空地盤沉陷之災變, 萬一挖方計畫失誤不得已遭遇時只好採用水平點井工法袪除各區段不等深度透水層之地下水穩定地層, 事後再施予充填固結灌漿填補地層空隙 ), 並且在擋土牆施工掘削壁孔時仔細記錄地層土質變化 ( 也是一種地層調查方式 ) 及確認壁孔底確實達到不透水層中 ( 壁體深度隨地層變化可能深淺不一, 鋼筋籠可不必加深只將下部加深部分以無筋混凝土加深即可 ) 作成遮水壁, 然後將所有地層資料綜合研判就可作出正確的坑內地下水位控制井抽排水計畫了 ( 以配置不同井深之抽排水井分別處理不同地下水層之水 ) 135
透水性與不透水性交互地層之地層調查實例 136
透水層與不透水層交互地層廣域之構成斷面示意圖 透水性與不透水性交互地層止水性擋土牆非遮水壁施工斷面 透水性與不透水性交互地層止水性擋土牆遮水壁施工法斷面 137
第七章平地與坡地 坡腳平地 河岸邊基地之地下水特性及處置要領 地下水蘊藏於地層中隨地形 地域之關係各有其特性, 地盤 也因地下水之存在而穩定, 基礎工程挖方施工必須適切處置地盤 中土壤與地下水才能維持其穩定狀態, 土壤為靜態可依土壤力學 來近乎準確地予以評估與處置, 以擋土牆來界定開挖範圍與開挖 坡面及以擋土支撐來平衡因開挖之地盤應力解放產生的側壓力, 地下水則為動態且隨地形地域之不同而各有特性十分難以捉摸, 若非瞭解並認知其性格則無法確立正確的處置計畫而埋下形成災 變之因, 且其兇悍的程度以及如排山倒海而來的氣勢更令人難以 招架, 古代賢哲老子最尊崇水亦即此理, 如果能夠掌握水的特 性並順應她, 則原來潑辣兇悍的她也會變得溫馴柔順而可以輕易 駕馭她 ( 在此採用 她 來代表地下水而不用 它 或 他 乃因 其性格很像女人 ), 對應她 ( 地下水 ) 的要領為尊重她 ( 不可忽視地 下水的存在事實 ) 瞭解她 ( 認知地下水的特殊性格 ) 避開她 ( 利 用止水性擋土牆予以分隔地下水 ) 防範她 ( 利用遮水壁區隔地下 水 ) 誘導她 ( 利用誘水工法引導地下水 ) 順應她 ( 順從地下水流 向 ) 不招惹她 ( 放水門勿將擋土牆構築成地中水壩改變水文 ) 安 撫她 ( 挖方坑內地下水用遮水壁圍住使其動態變成靜態 ) 溶入她 ( 採用泥水工法水中作業之基樁 地下連續壁施工 ), 果能如此要 應付地下水並非難事, 在此所稱之地下水乃指會自由流動的重力 地下水而言, 依其所存在的地形 地域之不同將其特性分述如下 : 一 一般平地地下水 特性 地下水蘊藏於透水性砂土質地層中, 因地層構成 較為複雜大多分成上層自由地下水層與下層被壓地下 滯留水層 ( 可能不只一層 ), 水量豐沛呈蓄積狀態存在 138
處置要領, 安定狀況下滲流速度緩慢幾乎呈靜止狀態, 如遇抽 水或挖方深低於地下水位失去平衡則變成快速流動 ( 依賴撒嬌型地下水 ), 如未能妥為控制會因水流動帶動 土砂流動破壞地盤穩定釀成災變 ( 平地地下水災變多 發生在平時 ), 下層被壓滯水層則視其水頭高形成之水 壓力大小在壓制解除後會往大氣層方向呈湧泉般釋放 既快速且量大抑制不易, 故一般除非萬不得已都儘量 避免招惹她 ( 潑辣型地下水 ) (1) 採用止水性擋土牆阻隔挖方坑內 外地下水層 ( 分離法 支持法 ) (2) 儘可能作成具遮水功能之遮水壁 ( 安撫法 避開法 ) (3) 無法達成遮水壁功能時設置預備井 ( 輔助防範法 ) (4) 無法避免管湧 砂湧 泉湧現象產生時設置洩壓管 ( 順應法 誘導法 ) (5) 利用水位控制井抽排水控制地下水 ( 誘導抑制法 ) 一般平地之地下水處置要領示意圖 139
二 坡地地下水 特性 地下水蘊藏於覆土層與基盤 ( 岩 ) 層之層境透水地層中, 因重力關係地下水不停的滲透流動從未停止, 透水地層只是經路不是她的家 ( 非蓄積狀態 ), 呈層狀或片狀水層形式, 平時水量少但在豪雨後或雨季時則水量突增數倍泊泊不斷的滲流 ( 衝動附和型地下水 ), 若滲流速度超過層境透水性之負荷則造成地層滑動破壞形成土石流或泥流災變 ( 坡地地下水災變多在豪雨後 ), 她常是以不速之客的姿態出現而且超乎想像的強悍 潑辣 狂野且反臉無情 處置要領 (1) 採用透水性擋土牆及滑動抑止樁 ( 順應法 ) (2) 設置坡頂洩壓誘水管將地下水導入坡腳 ( 誘導法 ) (3) 設置截水排水溝防範豪雨激增之水量 ( 防範誘導法 ) 山坡地之地下水處置要領示意圖 140
三 坡腳平地地下水 特性 坡腳平地基地表面上看起來似一般平地, 實際上卻完全不同, 一般經驗不足的設計及施工人員大多以為是一般平地而忽略了其特性以致災變頻頻時有所聞, 而且一再重複發生, 其實只是未能認知此地盤之性格而處置不當而已 如前已述及坡地之坡腳為豐水域亦即地下水十分豐沛, 高山上的湖泊都在山腳下, 因此坡腳平地往昔不是崩積地盤就是湖泊水塘沉積而成的地盤, 其地層構成與土質當然不同於一般平地, 如同前述坡地源源不斷滲流而下的地下水即以此坡腳平地為終點轉變為流速緩慢的蓄積狀態 ( 寬容大量型地下水 ), 地下水量之豐沛自不待言 ( 富裕但虛胖體質不佳型 ), 因此也可以說坡腳平地地層中的地下水乃山坡地地下水之轉運站, 經此地盤蓄積整合後再分配至一般平地地層中, 不論地層土質屬透水或不透水都是含飽和水的狀態, 若是在沒有萬全的準備下貿然抽取大量的地下水則地盤必然因脫水而萎縮 ( 壓密沉陷 ) 形成廣大範圍的鄰損災變, 在此地盤施工需構築堅固的城堡 ( 厚擋土牆 ) 來抵禦挖方坑外圍虎視眈眈的豐沛地下水 ( 主要敵人 ), 此外還要隨時準備對付豪雨後自山坡地如萬馬奔騰般蜂擁而至的急激地下水, 若是錯估敵情城堡必然失陷災情慘重 ( 坡腳平地災變大多在豪雨後發生 ) 處置要領 (1) 採用止水性擋土牆非遮水壁, 如壁底遇岩層亦應採齒狀放水門不阻擋地下水脈 ( 順應不招惹法 ) 141
(2) 採用止水性擋土牆阻隔挖方坑內 外地下水地層 ( 分離法 支持法 ) (3) 絕不抽排挖方坑外地下水, 必要時亦僅可採用坑內洩壓管重力排水工法降外水位 ( 順應法 誘導法 ) (4) 利用水位控制井抽排水控制坑內靜態地下水位 ( 誘導抑制法 ), 絕不抽動態被壓地下水 ( 不招惹法 ) (5) 坑內必要抽排被壓水層地下水時務必以遮水壁將該地下水層阻斷使其成為靜態地下水層 ( 避開安撫法 ) 142
四 河岸邊基地地下水 特性 處置要領 坡腳平地之地下水處置要領示意圖 河川為表層自由地下水旅行之終點站, 亦為其歸 宿, 河岸邊基地地層之透水性大多極佳, 而其中蘊藏 之地下水也都歸心似箭急忙趕路無心停留, 也因此河 岸邊基地地層中的地下水幾乎是動態滲流著 ( 不安於 室 外向好動型地下水 ), 有如過客般來去匆匆, 其流 向極易辨識, 與河岸相反方向為上流 ( 水頭 ), 相同方向 則為下流 ( 水尾 ), 河川整治工程常見採用止水性鋼筋 混凝土護坡阻擋了地下水流乃錯誤的設計方式, 此種 改變水文的作法違反自然必遭反撲而失敗, 豪雨過後 地下水量增大流速更快, 在河岸邊基地開挖應先研判 水頭方位, 水頭側儘可能勿以止水性擋土牆直接阻斷 水流 ( 成為地中水壩 ) 或設法誘導水流勿硬碰硬招惹她 (1) 規劃前應先確認地下水之上 下流方位再選擇應對 工法 ( 擋土牆工法 挖方工法 ) (2) 若採用止水性擋土牆工法時其上流 ( 水頭 ) 部分應以 滿水位水壓力設計擋土牆以因應其施工後成為地中 水壩功能所須承受之負荷 ( 防範加強法 ) (3) 儘可能避免採用無支撐島式挖方工法, 不得以時在 143
地下水上流側應加設扶壁強化擋土牆之支持力 (4) 地下水上流 ( 水頭 ) 應加設 預備井 以應對豪雨後激增之地下水控制外水位, 下流 ( 水尾 ) 應加設 復水井 以補充被上流截斷之地下水, 減少上 下流之外地下水位差 ( 截長補短法 ) (5) 止水性擋土牆施工程序應從地下水上流 ( 水頭 ) 側先行動工施作將水流阻斷誘開使下流 ( 水尾 ) 地下水呈穩定靜態在水尾收刀 ( 完成圍堰之最後單元 ) 以防止孔壁坍方 ( 若在水頭側則會形成激流孔壁不易穩定 ) 河岸邊基地挖方施工之地下水災變案例 144
河岸邊基地之地下水處置要領示意圖 145
第八章封井與封孔一 舊有 新設深水井孔之湧泉抑制與封井方法 大都會區基地及周邊環境條件之特質與時代背景 大都會區之形成自有其地域條件與歷史, 羅馬不是一天造成的, 都會區幾乎都是新舊建築物櫛比鱗次分佈於大街小巷之中, 因此幾乎所有基地均非處女地而是拆舊建築蓋新房屋的情況, 其基地周邊環境條件十分嚴苛, 基礎工程施工對周邊環境安全影響至鉅, 有太多各式各樣新舊不同的鄰房須要維護, 周邊的馬路巷道佈滿老舊的地下埋設物 ( 如給水管 瓦斯管 電力管溝 電話管線 下水道污水管 排水溝等 ) 與地上物 ( 如交通號誌 路標 路樹 人行道 電線桿等 ), 不但鄰房基礎深淺不一高低不等 ( 超載力大小不等影響深度深淺不一 ) 地下埋設物也是深淺不同而且是開挖後回填客土 ( 並非地質調查報告書顯示之土質 ), 以處處危機步步陷阱來形容並不為過, 一般較年輕的設計與施工人員對於早期的營造方式及設計手法大多缺乏認知與研究, 也因此在設計與施工時狀況百出錯誤頻頻, 如果又碰到經驗不足的施工廠商以為按圖施工絕對沒錯 ( 若要求變更設計怕惹惱設計者, 若自行修正錯誤設計又須增加成本 ) 則施工災變或損鄰糾紛必無法避免, 以往大多遭遇此種狀況致業主與營建業者在處理災變賠償鄰房損失不貲, 引發對設計者的不滿與不信任感, 最近都會聘請有足夠經驗與實務歷練的專家顧問在設計時參與討論或設計後重新加以評估提出問題要求設計者修正, 甚至如有少數偏執且堅持不修正的設計者, 業主都會不惜解除委託更換設計者, 故目前已有大幅改善與進步, 政府主管機關也加強防災計畫審核作業 ( 設計結果並不代表安全 ) 邀集顧問專家會審務必將災變風險降低 146
大都會區基地除了周邊環境條件嚴苛之外, 基地本身條件也是問題重重, 諸如地下殘留舊基礎的障礙物之拆除 ( 有的舊基礎為地下二 三層深達 10~12m) 本身就是一個大工程, 設計者常予忽略並作出錯誤的設計 ( 把拆除舊基礎當成一般挖土來設計擋土牆與支撐, 在舊基礎深度內既有擋土設施為其地下結構體, 拆除時必須將就既有地下結構體構造深度一層支撐取代一層結構才能分層安全拆除, 設計者竟然連地下舊基礎都未調查也不知其情況就可以設計真是天才 ); 有的情況是設計的擋土牆位置與舊基礎地下結構牆柱梁重疊, 如不先拆地下結構衝突部分連擋土牆都無法施工, 如果要先拆地下結構又須另外設計一套淺挖方擋土措施 ( 一般都未設計 ), 若是先行拆了地下結構體在其基礎深度內又有新設的淺挖方擋土設施成為新障礙物而且深度內也是空空洞洞的, 若是回填客土也無法利用作為泥水工法施工的地盤, 一大堆的問題接踵而至, 可是從未見設計者有作任何設計更無設計圖可供參考 ( 國內設計水準還停留在此階段 ), 難怪目前國內大多數設計者都無法讓業主信任, 形成 設計僅供參考, 施工另行設計 的諷刺現況 都會區基地的設計重點與一般處女地的設計方式完全不同, 並非懂得一點大地理論與知識就可以設計的, 基礎工程的安全擋土設施設計的目的是要保護鄰房及維護基地周邊環境的安全, 並非只是在設計擋土牆與支撐, 如果連須要保護的對象都無所認知, 所設計出來的結果毫無用處根本一文不值, 令人不屑一顧, 台灣的都會區之時代背景乃處於都市更新期 ( 拆舊屋蓋新樓 ), 如果現代的工程設計與施工人員無此認知, 跟不上時代也不能滿足時代需求, 遲早會被時代所淘汰 台灣以前受日本統治, 都會區也是在日據時代開始建設成形, 再於光復以後重新建設發展而有今天的規模, 二次大戰期間台灣 147
都市受到美軍猛烈的轟炸幾乎被夷為平地一無所有, 我們的工程前輩辛苦的把台灣的都市從廢墟中重新建立起來 ( 從無到有的建設 ), 都市建築物的壽命大致為 50~60 年, 今天已到了該壽終正寢須要更新的時代了, 且改以現代的新技術在構築台灣都會區的未來, 我們這一代的工程師之時代使命為一方面從事破壞我們老前輩的建設成果 ( 破壞技術 ), 一方面在重建台灣的未來 ( 新建設技術 ), 但是現代的工程教育只著重在新建設技術的傳授與研究, 對於時代所須之破壞技術卻無任何著力也不見有人傳授, 因此如同前述之設計舊基礎拆除技術盲點也不忍苛責, 在這樣的時代背景下只好自我學習見招拆招別無他法 ( 靠經驗傳承來彌補此缺憾 ) 舊有深水井孔之湧泉抑制與封井工法 台灣在日據時代日本人幾乎都住在都會裏, 當時的日本人建設都市時雖也建立供水之水道系統, 但是很多日本人仍然畏懼遭到台灣人的毒殺報復, 因此飲用水部分大多自行鑿井抽水使用, 台灣的都市大多建設在平地河川周邊, 地下水蘊藏豐沛且無污染, 日本人的鑿井技術又好, 故大多取地層中之被壓地下水層之無污染水源作為飲用水, 並設有過濾槽稍加過濾及除臭即可飲用 ( 俗稱 過砂漏 ), 此類深水井井深大多達 200 尺 (60m) 以上深及被壓地下水層中, 最早期都以粗大竹子作為井水管 ( 當時可能尚未生產鋼管 ) 連接深入被壓水層, 利用水頭高自然湧泉方式取地下水 ( 無抽水幫浦, 可能當時電力尚未普及 ), 後來才採鋼管 (60cmΦ 外管 30cmΦ 內管, 其間再置入碎石木炭作為濾水層 ) 並置入黃銅製多段式高揚程抽水幫浦以電力抽水, 台北市中山北路一帶基地挖方中經常發現, 此舊有深水井在基地深挖方時經常湧泉不止且無法用地下水位控制井抽水來抑止, 不但水量極大且無法預期在何處會 148
發現, 若未即時處理挖方坑內將被淹沒無法施工, 且湧泉變成湧砂可能產生管湧災變 在基礎挖方施工中如發現舊有深水井, 首先要保留原狀絕不可貿然將露出之井管切除, 因為只要保留井管管口高度超過被壓水層水頭高則井管內的水仍屬靜態的, 不會有湧泉的現象出現, 也不致因湧泉水之流動而擾動水層中之砂土破壞原有的平衡狀態, 直到挖方全部完成並完成基礎版 R.C. 壓制挖方底地盤後, 預先備妥依井管口徑製作管口封蓋 ( 封蓋上加作小口徑洩壓管並附裝止水凡爾 ), 再切斷井管同時拔除揚水管及抽水幫浦 ( 此時井管會大量湧泉 ), 再儘速套上備妥的管口封蓋打開洩壓管凡爾 ( 讓湧泉由洩壓管冒出, 以輸水軟管將冒出之泉水排至遠處 ) 並將封蓋與井管焊接密封, 完成後再將止水凡爾關閉即完成封井作業 如果舊有水井為竹管 ( 大多已腐爛 ), 發現時應先在井位以塑膠管套上並勿挖開井位周邊土方, 塑膠管口應高於挖方面 ( 提高水頭湧泉會變小, 利用水頭壓制湧水量 ), 再調入灌漿機具進行固結止水灌漿封孔 ( 注入管應儘量深入井孔底部 ) 即可, 此種情況下湧泉可能會破壞地層而致灌漿仍無法完全抑止, 則應改變注漿位置移至井孔外附近由旁邊注入即可達成封井目的 ( 誘導注入固結法 ) 149
自地底挖出之舊有深水井實例照片 自舊有深水井拔出之多段式高揚程抽水幫浦實例照片 150
舊有深水井之封井實例照片 挖方底舊有深水井孔湧泉抑止止水固結灌漿作業實況 舊有竹管深水井孔套管提昇水頭壓制湧泉實例照片 151
新設地下水位控制井之封井工法及注意事項 地下水位控制井僅為抽排水井之一種, 其主要的差異即其屬性為 臨時性抽排水井, 只要達成其階段性任務後即可 ( 也必須 ) 撤井並將井口封閉, 地下水位控制井之井深必須達於透水性地層中, 鑿井時井管管口都是在地下水位以上但撤井時井管管口卻都在地下水位以下而且停止抽水作業, 此時井管反而變成了連通管, 當地下水位逐漸恢復超過井管管口就會形成湧泉, 一般若擋土牆屬於遮水壁已將地下水層完全阻斷在撤井後短期間內應不致有湧水現象, 封井時只要以基礎底版予以壓制即可 ( 挖方至底時井內水位已低於挖方面無須再繼續抽排水, 若無湧泉現象即可撤井了 ), 如擔心基礎上浮因仍有支撐中間支持樁孔可洩壓應無顧慮 地下水位控制井如擋土牆並非遮水壁時其水位控制期間須較長 ( 至少須要到地下擋土支撐拆除, 中間支持樁拔除並封孔後 ), 也因為抽水期較長使水井周圍變成透水性極佳地層, 撤井停止抽水後水位將更快速恢復極易形成湧泉現象且封井不易, 此時應採取分區封井方式, 先依抽排水量選擇保留井口繼續抽水 ( 水量大者保留 ) 將大部分井口先於封閉 ( 在井管內灌注混凝土即可 ), 殘留的井口應在檢討基礎上浮可能性後 ( 此時支撐中間樁孔已封孔 ) 選定封井工法, 無上浮顧慮者以灌注混凝土封閉井管再以基礎版壓制即可, 有上浮顧慮或湧水量大者應保留小口徑 (3/4"Φ)P.V.C. 洩壓管後封井, 俟結構體自重大於上浮力無上浮之虞後關閉洩壓管 ( 需要利用地下水時 ) 或以固結灌漿自洩壓管注入止水即可 ( 利用洩壓管當作注入管施行反滲透注入固結止水工法 ) 一般填塞封井工法 先洩壓後注入固結止水封井工法 152
二 支撐中間樁孔之封閉工法 擋土支撐之中間支持樁乃支持擋土支撐構架自重的支柱, 其支持力由其貫入挖方底下地盤之摩擦力而得, 因此一般挖方越深支撐所需層數越多自重也越大, 中間支持樁所需斷面也越大, 為了取得更大的支持摩擦力樁之貫入深度也越深樁長越長, 當然支持樁貫穿的地層也越複雜, 若因此貫穿到被壓水層, 不但樁體本身形成了通水管道而且到了拆除支撐並拔除中間支持樁時殘留之樁孔更成為通水孔道, 使得被壓地下水層的地下水如泉水般湧出來 ( 水頭高於挖方底 ), 若又帶動砂土湧出來將一發不可收拾, 厲害的情形下可能不到一小時就可湧出約十卡車以上的砂土, 周邊的地盤也應聲下陷, 可怕的大災變就形成了 ( 台南市西門路災變案例中不到三小時鄰房就沉下一層之深, 速度之快令人措手不及 ) 支撐之中間支持樁或施工構台支柱在設計時就要先考慮如何防止此類湧泉湧砂災變的問題, 茲將其設計要領述之如下 : (1) 先依條件計算出中間支持樁所需最少貫入深度 (2) 核對支持樁所貫穿之地層關係及能否避免貫穿被壓水層 (3) 如果未貫穿至被壓水層即可決定考慮日後拔出回收 (4) 如不得已必須貫穿但深度不多時應考慮改採根固工法縮減貫入深度避免貫穿被壓水層, 日後切除留置 (5) 如採用樁底根固工法仍無法避免貫穿被壓水層時應考慮貫入部分日後切除留置基礎底下 (6) 只要有貫穿被壓水層之情形應考慮配合根固工法在樁體周邊灌漿阻斷被壓地下水滲湧之通路 ( 同時可防止樁體鋼材腐蝕及利用為抗浮樁, 讓留置之基底樁發揮二度功能節約施工成本避免浪費 ) (7) 如樁長深入極深地層無法在挖方前先行灌漿根固, 在挖方 153
中仍應選擇適當時機補作, 否則等到發生湧砂時再補救可能已來不及或增加很多成本 ( 在靜態水中灌漿效果好成本低, 在動態水中灌漿效果差成本高 ) 中間支持樁孔之封閉工法 拔除支撐中間支持樁的時機都在擋土支撐拆除時, 地下結構體也完成到地下一樓底層, 中間支持樁拔出後直接與地盤地下水有關之關口就在基礎底版殘留之樁孔, 中間樁拔出時會帶出一些土砂並殘留土中之樁洞, 一般地盤土質為不透水性粘土時不會立即形成問題, 只要用土砂或混凝土填滿樁洞並將基礎底版樁孔用混凝土封閉即可, 但是因為混凝土會乾縮常常在樁孔施工接縫仍然會漏水, 因此仍須交由防水工來善後, 如果能按下圖所示方式在拔樁後用木棍或鐵棍將基礎版底樁洞斜戳擴孔後再灌注混凝土使成為酒瓶封蓋斷面形狀, 應可有效消除混凝土乾縮漏水的問題同時建築物越蓋越高自重越大, 使得此酒瓶封蓋狀之樁孔填塞物越壓越塞越緊密, 如此可使滲漏機率越低不失為經濟有效簡易之實用方法 (a) 中間樁拔樁時 (b) 基礎底樁洞斜戳擴孔 (c) 樁孔填塞完成 瓶塞式中間支持樁孔封閉工法 154
中間支持樁如果計畫切除留置時, 應在挖方底基礎底版中焊接截水板才能達成止漏效果, 截水板不宜太小才能使留置於基礎底之樁發揮抗浮之殘留功能及價值 ( 參照後附圖及實例照片 ) ( 中間支持樁切除面應低於基礎版面約 3cm 再覆以無收縮水泥砂漿 ) 155
留置之中間支持樁截水板施工平面圖及斷面圖例 留置之中間支持樁截水板焊接作業實況照片 留置之中間支持樁截水板焊接完成實況照片 156
第九章地下水災變類型及防災對策工法 一 泉湧 砂湧之災變及防災對策工法 砂湧, 泉湧 (Boiling) 徵兆砂湧 泉湧破壞 (Boiling) 乃指在挖方底盤附近之砂質地盤, 因產生向上之滲透流 ( 地下水壓所形成之滲透水壓力 ) 且此種地下水之滲透流比砂之有效力 ( 砂土之重力 ) 還大, 使得向上之滲透流將挖方底盤之砂質土被此水流湧起, 呈現砂土之沸騰狀態而破壞挖方底盤之現象, 因土質結構之情況, 若土質係由部份砂土 部份粘土所構成者, 則含砂較多之局部地盤有泉水般之地下水滲透流之現象可稱為 泉湧, 倘因土質全部為砂質土構成, 其地下水滲透流, 因水流湧起而帶動砂土如沸騰狀湧起之現象, 可稱為 砂湧, 而二者只因其湧水之程度與狀況略有差異而已, 其原理都相同, 均稱之為 Boiling 換句話說, 因地下水壓力而致挖方底面地盤呈沸騰狀態之湧起砂土現象稱為 泉湧 或 砂湧 此種現象之徵兆, 在地下水壓力不大時, 很難與一般湧水 ( 泉 ) 區別, 惟湧水 ( 泉 ) 並非僅在挖方擋土牆邊才產生, 而砂湧泉湧則只產生在挖方擋土牆之埋入深度 (d ) 之一半 (d 2 ) 範圍內, 因此, 是否屬於砂湧或泉湧, 可由此徵兆來判斷即可知悉 ( 如果湧水 ( 泉 ) 位置在離擋土牆貫入深度一半以上之距離或在基地中央區域則屬被壓水層之湧泉, 若是在擋土牆邊之湧泉則為止水性擋土牆在挖方底以下有包泥瑕疵破洞之管湧破壞, 此兩種現象一發生都應快速處理否則即將產生極嚴重之災變, 絕不可拖延救災行動致釀成災害 ) 157
一般止水性擋土牆底部若未貫入不透水層構成遮水壁時極易形成泉湧 砂湧 (Boiling) 災變, 其破壞力又快又大就似水筒破洞一般會把擋土牆外的地下水全往基礎挖方坑內灌入並將土砂帶入致外圍地盤快速陷沒, 使周邊鄰房一下子就傾斜或沉沒, 想搶救都來不及, 而且破壞範圍很大不可輕忽 泉湧 砂湧 (Boiling) 之現象 泉湧 砂湧災變致鄰房陷沒傾斜實例 158
檢討 依 Terzaghi 氏之實驗, 砂湧 泉湧 (Boiling) 產生之範圍大多不超出擋土止水壁的埋入深度 d 之 12 程度, 如 前圖示中擋土牆之下端深度 a a 的力之平衡, 以安全率來表 示則 F W = 2~ 3 U U : 過剩間隙水壓 U P P γ H G 1 W = γsub d = γw d 1 + e 上式中 = = γ sub : 飽和土之重量 G : 土粒子之比重 e : 間隙比 ( 孔隙比 ) w 泉湧 砂湧防災對策 (1) 地下水層遮水壁工法泉湧 砂湧之防止對策一般都採用遮水壁工法, 也就是把止水性擋土牆底埋設於不透水性之粘土層中, 將內 外地下水阻斷確實分隔, 此處要注意止水性擋土牆 ( 性能 ) 並不一定是遮水壁 ( 功能 ), 一定要能將擋土牆內 外地下水完全阻斷才能稱為遮水壁, 由於地層複雜多變深淺不一, 因此不透水層並非等深故在設計止水性擋土牆遮水壁前應確實研判基地周邊不透水層之不同深度並作出不同深度之遮水壁 ( 不應該周邊都是相同深度 ), 如果依據地層地質調查報告尚無法確實研判時也應該在設計圖上註明牆底應貫入不透水地層多少深度之基本要求, 施工時更應在壁孔抓掘中確認壁底是否確實埋入不透水層內, 如依設計牆深尚無法達到不透水地層中應主動加深並與設計者會同檢討確認 ( 若牆深已達力學平衡要求最少深度且已埋入不透水層而比原計畫深度淺時可不 159
必加深惟仍應與設計者會同檢討 ), 總之遮水壁不但要達到力學平衡之最少深度要求同時還要達到埋入不透水層的要求, 因此可知施工結果牆底一定是深淺不一的, 為了解決施工計畫上與實際施工上之差異在壁體鋼筋籠加工長度上產生之困擾, 鋼筋籠可依力學平衡要求長度加工而壁體加深部份只以無筋混凝土或簡易配筋施作即可, 如果能將擋土牆確實作成遮水壁則泉湧 砂湧現象不致發生, 災變亦不會形成了 (2) 外地下水位控制預備井工法如果在擋土牆力學平衡需求深度以下相當深度內根本無法找到不透水性地層時, 當然欲作成遮水壁的希望就落空, 此種狀況下只好改採地下水位控制之預備井工法來應對, 止水性擋土牆乃用來阻隔內 外地下水使挖方施工之長時期中可以只抽排挖方坑內地下水控制地下水位 ( 坑內之抽排水控制井 ) 達成乾式施工需求而不會影響挖方坑外地盤中原有地下水位造成脫水壓密沉陷效應, 惟若止水性擋土牆非為遮水壁時其牆底透水地層仍然內 外相通, 當挖方坑內地下水位逐漸降低則會形成內 外水位差而產生滲透壓, 當滲透壓形成後牆外地下水及開始由牆底向挖方坑底滲流, 此時若挖方坑底層地盤土質無法抵抗此滲透流壓力即形成挖方坑底部之湧泉或湧砂現象, 一般地盤土質並非純砂土或純粘土而是呈一定比例混合而成, 是否一定會產生泉湧砂湧現象雖可由前列之檢討公式作理論探討, 但因所採用的土質參數是否足以代表四周的地盤條件誰也沒十足的把握, 除非挖方底到擋土牆底之間有一層相當厚度的不透水粘土層存在否則都有可能產生, 萬一檢討評估有所失誤就會產生災變, 挖方安全性是不容許有不確定性風險的, 因此為了防止此不確定風險大多在挖方前在擋土牆外圍認為牆底地層土質透水性較佳之區段預先鑿井設置抽水井位, 160
這些抽水井在挖方施工中並不抽水只是備而不用故稱為預備井, 當挖方快要完成時發現泉湧或砂湧現象產生 ( 一般都在此時機才會形成 ) 即可啟動該區段外側之預備井抽水降外水位, 預備井抽水方式與一般坑內水位控制井不同而是採間歇性抽水, 利用急速抽水造成陡峭之水勾配 ( 水坡降 ) 降低擋土牆外側地下水滲透壓同時減少因抽水降低水位之影響範圍 ( 短期間強迫抽水其水坡降很陡滲透壓減少則挖方坑底就不致形成泉湧或砂湧現象了, 地下水的行為乃滲透流動因此速度不會太快, 預備井抽水目的乃減少牆外地下水的滲透壓而非降水位, 因此視控制效果採用間歇性抽水抽抽停停就可以 ( 停止抽水則水位即恢復原狀不致對周邊地盤產生影響 ), 其他未發生泉湧或砂湧之區段預備井就不必啟動備而不用, 此種抑制外地下水滲透壓之期間很短, 自發生泉湧或砂湧現象開始到挖方底 P.C. 完成頂多一週以內而已, 若是很嚴重的狀況只要基礎版 R.C. 完成就可完全壓制了, 預備井工法是對付泉湧砂湧最經濟 ( 節省加深擋土牆之成本, 抽水期間又短 ) 最有效 ( 一啟動即可抑止 ) 最保險 ( 事先根本無法斷定何區段會發生 ) 的對策工法, 而且還可以兼顧壁體瑕疵之管湧洗掘掏空災變防止對策工法與抑制擋土牆變位量之對策工法, 一舉數得何樂而不為 (3) 擋土牆壁體穿孔設置洩壓管工法在透水性地層採用止水性擋土牆但並未能作成遮水壁功能, 或設計時依據地質調查試驗結果所建議之參數評估並不致產生泉湧或砂湧, 同時也沒有事先施作預備井防範設施, 不論是計畫或設計疏忽或太樂觀評估而未作任何防範設施, 施工結果發生了泉湧或砂湧現象想補救也來不及時, 仍有一種快速抑制災變形成的防災對策工法可資應用, 亦即所謂的洩壓管工法, 此工法乃利用鑽孔機在接近挖方底部選擇動線良好的深度在止水性擋土牆上鑽 161
孔 ( 約 1"Φ 口徑 ) 直通牆外再以 3/4"Φ 之 P.V.C. 管用水沖洗入背土中, 此管外端裝置止水凡爾 (valve) 以利隨時控制開關, 另外一端差入背土中約 1.0~1.5m 以間距 3.0~4.0m/ 支配置洩壓管, 利用外地下水重力排水原理只要將凡爾打開牆外地下水即源源不絕傾洩而出, 此時擋土牆外側自洩壓管位以上水壓遽然消失水坡降亦即似抽水井抽水一般形成, 如此擋土牆之內外水位差減少滲透壓亦減小則挖方坑底之泉湧或砂湧即可獲得抑制, 等到挖方底 P.C. 覆蓋壓制完成再將洩壓管之止水凡爾關閉即可瞬間止水, 此洩壓管洩壓工法不但施工快速又簡單 成本低廉 不需能源與設備 ( 即使停電也可發揮功能 ) 效果顯著 且可視需要任意加減 隨意開關 控制自如, 如此順應自然借力使力的對策工法真是四兩撥千斤的技術寫照 洩壓工法與預備井工法原理相同但手段不同, 效果雖然稍遜一些但不失為緊急應變的好對策工法 ( 防止災變以快速應變爭取時間雖然採用效果稍差但有效的工法比採用最好的工法更重要 ) 此工法尚可應用於短期減少地下水壓力( 挖方及支撐架設空窗期 ) 抑制擋土牆變形量的對策及壁體瑕疵產生管湧洗掘掏空災變時之救災搶修應變對策工法 ( 參後述 ) 地下水層遮水壁工法 外地下水位控制預備井工法 162
(a) 非遮水壁發生泉湧砂湧現象 (b) 預備井啟動抽水抑制 利用預備井工法控制外地下水抑制泉湧砂湧災變 利用洩壓管洩壓控制外地下水抑制泉湧砂湧災變 二 管湧洗掘掏空之災變及防災對策工法 管湧 (Piping) 災變發生之原因乃挖方坑內 外地下水位差造成之滲透水壓遇到滲透路徑 ( 止水性擋土牆壁體瑕疵或地盤土質因素 ) 使地下水產生流動並挾帶土砂造成地盤掏空之現象 ( 洗掘掏空 ), 它依滲流路徑之不同有兩種狀況 : [1] 常見的止水性擋土牆瑕疵 ( 壁體單元接縫包泥或壁體本身包泥 ) 管湧災變 163
一般發生時機都在挖方至外地下水位以下相當深度時 ( 若無足夠的滲透壓也不致沖破包泥 ), 有的在挖方底之上 ( 如瀑布般沖洩而出 ), 有的在挖方底之下 ( 如湧泉湧砂般自壁體邊湧出 ), 甚至也有在建築物結構體完成後施作地下防水作業時才發生 ( 台北縣三重市重新貴族工地災變案例 ), 還有更令人不可思議的是竟然發生在已完工 15~20 年的大樓地下室 ( 台北市南京東路伊通街口及高雄市區等多起案例 ), 後面兩者完工後之案例都是挖方時未正確補修及未確實補修所致, 以往對壁體瑕疵的補修技術尚未成熟大多只由防水工作抓漏施工而已並確實將瑕疵補修完全故經年後仍會發生, 將來仍然陸續會有此類案例災變發生的 此類管湧災變發生機率最高時有耳聞, 其影響範圍則視管湧發生深度而定, 越深則越廣, 發生災變的速度也最快, 往往發現後不到一小時周邊地盤已經陷沒鄰房傾斜了想搶救也來不及, 一般如果對壁體施工之完整性沒把握或有瑕疵之疑慮時大多會在挖方到相當深度時段會預先備妥灌漿機具及水玻璃固結劑 備機待命 俟管湧現象一發現即迅速進行止水固結灌漿, 搶在地盤洗掘掏空發展至地表前搶修完成, 否則等到發現再去調動灌漿機具材料已經來不及了, 管湧徵兆之預警可利用外水位觀測井事先察覺, 如發現外水位突然降低即為將發生管湧的徵兆, 應迅速備妥搶救之準備 壁體瑕疵之認知 壁體單元接縫瑕疵一般都為包泥, 由於壁體施工限制必須一單元接一單元施作, 單元接縫由於泥水工法施工與掘削孔壁回脹崩孔等問題難免會卡住少許土泥在接縫端板或鋼筋籠上, 後續施工單元壁孔抓掘時也難免掉落土塊卡在接頭鋼 164
筋籠上, 這些局部性包泥極不易確實清洗, 壁體施工後就成為所謂的包泥瑕疵, 另外由於壁體長度或鋼筋籠重量超過一般吊車能力必須分段接合吊放, 在吊放下段鋼筋籠必須先卡掛於導溝上再與上段鋼筋籠焊接接合, 此時下段鋼筋籠若未水平卡掛有少許歪斜, 上段鋼筋籠因係由吊車吊著 ( 自由落體原理 ) 一定成垂直狀態, 如此一直一歪互相焊接, 鋼筋籠就成了弓形, 施工後再與後續單元接合其接頭下段會形成楔形缺口的包泥瑕疵 ( 上小, 越往下越大, 此接頭根本清洗不到 ), 若遇到此類瑕疵極不易補修應特別注意 接縫包泥瑕疵形狀雖大多為狹長型, 依補修經驗得知大多非孔洞穴形式而係似珊瑚礁的千瘡百孔 ( 石塊中包泥土有骨頭卻沒肉 ) 形式, 如此狀態欲以防水水泥砂漿補修因泥砂難以清洗故極不易確實, 除非利用湧水沖洗與灌漿充填固結之搭配補修才可能確實達成 ( 三重市重新貴族案例即因包泥補修不確實惹禍 ) 壁體本身包泥瑕疵一般都發生在壁體澆置水中混凝土施工中孔壁崩坍之泥砂掉落於混凝土中而形成骷髏壁 ( 有骨無肉 ), 發生位置都在道路側極不易事先察覺 ( 超音波檢測時尚未吊放鋼筋籠 ), 究其原因應係孔壁土質較不穩定而在澆置壁體混凝土時剛好有重車 ( 卡車 貨車 貨櫃車等 ) 轟隆轟隆經過促成孔壁土砂崩坍混入壁體混凝土中形成壁體包泥, 依經驗得知此類包泥瑕疵形狀多為扁平眼睛型孔洞形式, 而且洞口較大且純為泥砂一旦破孔, 湧水及土砂傾瀉而出必成大災變 ( 三重市重新路銀座案例, 連陸橋下加油站都陷落了 ) 165
壁體瑕疵之管湧災變防災對策 防止壁體瑕疵形成工法 (1) 齒狀摺鈑端板壁體單元接頭工法擋土牆因施工條件因素必須分單元逐一施作, 先行施工單元採用端板作為分隔界面, 同時利用端板作為先行施工單元壁體澆置水中混凝土之模板, 端板外預留搭接鋼筋與端板形成ㄈ型之母單元接頭, 後續施工單元則以鳥嘴型鋼筋籠公單元接頭嵌入契合搭接, 問題就出在此公母接頭在一先一後施工中必須放置於泥水中數日 ( 有些經驗不足的施工人員不知此嚴重性, 甚至放置達數十日之久 ), 後續施工時雖也有加以清洗, 但由於鋼刷或鐵片必須上下戳動清洗, 更容易擾動放置已久的接頭區段孔壁土壤之穩定 ( 此區段究竟清洗成果如何無法可確認 ), 不論在放置期間孔壁崩坍之土塊卡在接頭鋼筋上未能確實清除, 或是在後續單元水中混凝土澆置期間, 孔壁崩坍之土塊混入混凝土內都是造成壁體單元接縫瑕疵包泥的主因, 也是日後開挖形成管湧災變的原因, 防止此壁體瑕疵形成之考慮要點如下 : 壁體單元接頭放置時間應儘量縮短, 尤其土質較差地盤更應縮小單元尺寸及施工歷程經時, 一般接頭放置時間不宜超過 4~5 日應妥善排定單元施工程序 壁體單元接頭端板與搭接預留鋼筋交角不宜呈 90 0 直角, 宜改為 135 0 鈍角較不易卡住土塊 ( 不會卡土塊就根本不必清洗, 如有土塊卡住一刷即掉也卡不住 ), 改用齒狀摺鈑 ( 單齒或雙齒 ) 應為簡易有效之對策 ( 參照下附圖示 ) 採用弧拱形或鋸齒拱形端板延長壁體單元接縫形成之滲透路徑降低滲漏機率與風險 ( 參照下附圖示 ) 166
單齒狀摺鈑端板 雙齒狀摺鈑端板 壁體單元接頭齒狀摺鈑端板施工圖例 雙齒狀摺鈑端板壁體單元接頭施工實例照片 167
弧拱狀端鈑施工圖例 鋸齒弧狀端鈑施工圖例 (2) ㄈ型開口端板壁體單元接頭工法擋土牆施工遭遇極軟弱地盤 ( 糊狀沉泥無自立性快速回脹 ) 或易坍塌之卵礫石砂土層地盤或在河川水中施工時其壁體單元接頭區段因孔壁土質因素不容許放置等待後續單元施工, 因此接頭必須採用鋼板維持孔壁安定 ( 就似臨時擋土牆功能 ) 與端板構成似ㄈ型開口式端板 ( 類似基樁施工之全套管 ), 並於開口處以扁平長方形斷面鋼製連鎖封板 ( 又稱仕切板或封鎖管 ) 暫時封閉開口防止土砂進入接頭內 ( 後續單元掘削壁孔時 ), 俟後續單元吊放鋼筋籠時再抽除, 此工法施工成本較高但對於防止壁體接頭瑕疵效果卻是百分之一百, 在無法以安定液泥水工法施工之特殊土質地盤乃唯一可行的工法 ( 另有鋼製連續壁工法屬特殊工法不在討論之列 ), 日後回填地盤 ( 海邊人工島 海中人工島 廢土客土回填地等地盤 ) 條件下之擋土牆施工必將廣泛採用 ( 參照下附圖例及實例照片 ) 168
ㄈ型開口端板壁體單元接頭施工詳圖 169
ㄈ型開口端板止水壁施工實例照片 (3) 縮小壁體單元全包覆工法擋土牆施工遭遇無法以安定液泥水工法施工之特殊土地盤如糊狀無自立性快速回脹之極軟弱地盤或易坍塌之卵礫石地盤時, 因孔壁安定性不足必須爭取時間快速施工因此壁體單元尺寸應儘量縮小以一刀一單元 ( 約 2.75m) 為原則, 雖壁孔抓掘時之坍方可用混凝土填補, 惟若在澆置中孔壁回脹則會形成骷髏壁, 若孔壁坍方則會造成壁體本身之瑕疵成為挖方時管湧災變之因, 因此除了前述之壁體接頭須以ㄈ型端板之全護式維護接頭之完整性外壁體本身也需要採全包覆工法施工, 在回脹 170
快速之極軟弱地層採用帆布 ( 或不織布 ) 包覆方式, 而在卵礫石 易坍塌地層可採方格鋼網包覆於鋼筋籠外圍作為護網防止混 凝土澆置中坍方掉入壁體中形成瑕疵 卵礫石砂土地層掘削時之坍方實例 ( 超音波檢測 ) 小單元全包覆壁體施工實例 地下水位控制抑制工法 (4) 外地下水位控制預備井工法管湧災變之形成除了壁體瑕疵孔洞造成滲漏湧水外若能妥善控制水位 ( 沒有水也不會漏 ) 爭取壁體瑕疵補修所須時間也是一種經濟有效的手段, 當擋土牆施工中發現異狀或由施工 171
記錄 ( 超音波檢測與混凝土澆置記錄 ) 察覺異常有瑕疵疑慮時, 在進行挖方前, 預先於該瑕疵疑慮部位及預估深度之擋土牆外擇位鑿井作為地下水位控制預備井, 一般預備井都設置於瑕疵疑慮處之兩側, 井深須比瑕疵可能位置更深且達預定挖方深度以下, 此井備而不用, 挖方施工中應將壁體瑕疵疑慮部位列為一級警戒, 俟挖方中如有管湧徵兆即可啟動抽水降水位, 水位一降瑕疵處滲透壓減少就不致形成管湧現象, 也容許有足夠的補修時間 ( 正確的補修方式容後再述 ), 俟補修完成後再停止抽水回復水位同時利用水位滲透壓檢查確認補修成效 地下水位控制預備井抑制壁體瑕疵管湧災變示意圖 172
(5) 擋土牆壁體穿孔設置洩壓管工法如果擋土牆壁體瑕疵事先並未察覺而且也沒有設置預備井, 在挖方施工中發現壁體瑕疵 ( 發現有包泥若滲透壓不足雖不致馬上產生管湧, 但如有滲漏現象即為管湧之徵兆 ) 並有滲漏水現象, 想進行壁體補修若未配合外水位控制是非常危險的, 依經驗會發生管湧的位置大多不是挖方面以上看得到滲漏的地方 ( 滲透壓尚不足以沖破包泥 ), 而是挖方底下還看不到的地方才是危險的爆發點 ( 越下方滲透壓越來越大而且瑕疵程度越嚴重 ), 往往現場工程師忽視此徵兆以為找防水工人來抓漏就可以了, 而防水工並無擋土牆瑕疵會產生管湧災變的基本常識故大多只在壁體瑕疵處挖開一點深度清洗後即以急結水泥抓漏, 表面上滲漏暫時止住了但是壁体厚度有 60~90cm 僅表皮 5~8cm 的止漏防水裏面卻包著 55~85cm 的泥巴, 可以說根本沒有補修一樣, 也難怪有完工 15~20 年仍然產生管湧災變的案例 ( 台北市南京東路伊通街口與高雄市均有案例 ), 而且更因上段瑕疵先行止漏而阻擋了滲透壓宣洩的管道使得更加集中滲透壓於下段, 導致壁體瑕疵包泥 ( 下段瑕疵程度更嚴重 ) 由下段爆發開來一發不可收拾, 工程界有此笑話 : 施工品質越好越沒有瑕疵, 只要有一點點小瑕疵, 因為滲透壓無處宣洩反而容易集中而爆發管湧大災變 ; 施工品質越差到處有瑕疵滲漏, 反而因有滲漏的宣洩滲透壓更不易形成管湧災變, 即使發生規模與破壞程度也較小, 雖然是笑話但在經驗上卻是事實, 由此事實的經驗不禁讓我們想到如果反其道而行 : 既然有了會失控的壁體瑕疵, 如果能夠製造一些可以自由自在控制的人工瑕疵 ( 漏水 ), 將既有的外地下水滲透壓適時宣洩 ( 引導宣洩路徑之誘水工法 ) 則可有效抑制管湧 ( 也是一種宣洩行為, 只是如果在 173
無法控制的地方宣洩則會形成災變 ) 現象形成, 止水性擋土牆壁體穿孔設置洩壓管工法抑制管湧災變的觀念即由此而來, 順應自然以重力排水原理, 四兩撥千斤迅速有效達成降低外地下水位的目的 止水性擋土牆施工瑕疵設置洩壓管抑制管湧災變示意圖 (a) 立面示意圖 (b) 斷面示意圖 利用壁體設置之洩壓管降低外地下水位抑制管湧災變原理 174
擋土牆設置洩壓管洩壓控制外地下水位之實例照片 175
地盤洗掘掏空抑止工法 (6) 外部地盤超高壓噴流固結止水工法由前 (1)~(5) 項所述有關管湧災變之防止與抑制各種工法不論有無事先計畫施工妥善, 在遭遇發生管湧現象時, 如果沒有有效對策並快速搶救, 災變規模將似滾雪球般越滾越大甚至於最後無法收拾, 因此而傾家蕩產者比比皆是, 因此如何迅速有效的抑止管湧形成地盤洗掘掏空陷沒災變乃眾所欲知之事, 一般常用的對策工法為超高壓噴流固結止水工法, 此工法乃用 200~400kgf/cm 2 的高壓力將水泥懸濁液噴射注入地盤快速充填地盤空隙並配合水玻璃固結劑快速將注入材料膠凝固化 ( 約 10~40 秒鐘即可膠固, 視水玻璃濃度及需求時間而定, 太快膠固則易塞管形成施工障礙, 太慢膠固則會被管湧水流沖散無法膠固, 如何拿捏非常專業 ) 以佔有被管湧水流洗掘掏空之地盤空洞取而代之, 當壁體瑕疵部位被注入固結材料充填置換後管湧水流即停止, 包括壁體瑕疵包泥部分因已被管湧水流沖刷清除以膠固之水泥填充, 故也同時補修完成 ( 壁體全厚度 ), 湧水停止後仍不可停止注入 ( 因為地盤空洞究竟有多大無法得知, 如不一股作氣繼續將空洞填滿則地下水仍會往此空動聚積, 且空洞上方地盤土砂仍會繼續崩落直至達到地表陷落為止 ), 應一股作氣灌滿地盤空洞使其形成一塊大水泥塊, 此水泥塊無透水性當然地下水也會離此往其他地層滲流而去了 ( 不但完成瑕疵補修同時又構築了防水層一舉兩得 ) 管湧發生位置都在挖方較深時 ( 滲透壓大才能沖破包泥 ), 且在透水地層中 ( 有水才會湧水, 因係砂土層才容易被湧水沖刷而掏空地盤 ), 發生時機多在挖方將近完成時 ( 若疏忽以為即將過關則易樂極生悲 ), 發生速度非常快速往往在幾小時內周 176
邊地盤就陷沒了, 若壁體上段有瑕疵滲漏就是下段即將發生管湧的徵兆, 先不必急著抓漏 ( 自然洩壓可降低管湧形成之機率 ), 而應趕緊調入止水固結灌漿機具材料 備機待命 才是有經驗的工程師 ( 不管會不會發生, 搶救首重時間, 剛發生時只是地盤下方掏空而已地表仍不致有陷落災害, 雖然知道要如何搶救但是沒有機具材料的準備臨時調度仍須相當時間, 以管湧破壞速度之快絕對來不及, 而且搶救所花費的成本與時間將增加數倍, 何況還要擔負鄰損責任與賠償更會被勒令停工, 損失將難以估計 ) 採用超高壓噴流固結工法搶救抑止管湧災變, 由於注入壓力可達 2000tf/m 2 (200kgf/cm 2 ) 以上, 對採用內支撐挖方工法的工地應特別留意注入壓力對擋土支撐產生之影響, 適度調節注入壓力, 否則反而會破壞原有的支撐架構, 若採用低壓注入雖亦可行惟如注入速度不足將流失至挖方坑內損失注入材料且達不到止水的目的 ( 湧水量小之情況下才可行 ) 177
超高壓噴流固結止水工法抑止管湧災變施工示意圖 178
(7) 挖方坑內反滲透注入固結止水工法採用超高壓噴流固結止水灌漿工法雖可以達成抑止管湧災變的目的, 但其施工條件是擋土牆外圍地盤未陷落或不致於陷落否則施工機械在地盤面無法施工或施工時也會跟著陷落, 況且施工機具又多又龐大佔地很廣, 在基地動線不良 ( 機具一組約兩卡車, 若施工構台較小可能放置不下 ) 或受限時 ( 如鄰房緊接著的情況 ) 根本無法施展, 如遇緊急情況還須要吊車配合佈置施工機具浪費時間延誤搶救時機, 有施工死角與靈活度較差為其缺點 ; 此種狀況下另外有一種簡易靈活的反滲透注入固結止水工法可資應用, 此工法所使用之機具為一般中低壓充填灌漿機具配合特製之 Y 字型注入管即可, 機具取得容易 設備簡單輕巧 施工成本低廉 施工動線不受限 ( 只要人員可以走到的位置都可以施作 ) 不須鑽機以手工即可灌漿為其特點與優點, 此工法於二十五年前 (1978 年 ) 由一梅達工程顧問有限公司開發使用迄今, 施工快速效果卓著救災無數, 早年台灣剛剛引進地下連續壁工法, 其施工機械設備簡陋, 施工技術生疏, 施工管理不得要領, 施工成果當然是一大堆瑕疵, 基地開挖結果更是狀況頻頻, 管湧災變不斷, 而當時超高壓噴流灌漿機械工法尚開發, 只能調用地質鑽探工的鑽掘機械 (B.H. 機 ) 與預壘樁工的水泥砂漿拌合機 (Mortar Mixer) 及砂漿輸送幫浦 (Sand Pump) 搭配作為搶救管湧災變的機具設備, 施工效率與成果尚無法令人滿意, 有時緊急調機具人工搶救常會獅子大開口, 迫在眉睫無奈之下只好任人宰割, 常常壁體破一個洞 ( 管湧 ) 就要花費一筆令人無法接受的鉅款, 甚至傾家蕩產聞之色變, 經常遇到業主驚恐得整個人都癱瘓了的可憐模樣, 真令人同情 在前述之時代背景與需求下, 被迫不得不研究開發可利用 179
簡易的對策工法與易到手的機具來克服管湧災變搶救的難題, 在一次偶然的機會領悟了抽水馬桶的虹吸原理 : 如果有一堆膠體在水中, 當水壓增加時因虹吸原理膠體必將被吸至漏水口, 如果該膠體為可膠凝固結的水泥而水為管湧的地下水, 發生管湧漏水的壁體瑕疵孔就是虹吸孔, 因此只要考慮如何在發生管湧位置之擋土牆背土側製造出那一堆膠體, 再利用漏水的虹吸原理將膠體帶到漏水洞口並予以固結, 就可以達成止水的目的了, 反滲透注入固結止水工法的基本思維即為此虹吸原理的運用, 順應自然的地下水重力流動的原理, 利用水流動的破壞力變成帶動膠凝固結體至漏水口的建設力, 四兩撥千斤不費吹灰之力就可達成目標 茲將反滲透注入固結止水工法之施工程序 施工要領 施工原理述之如下 : 施工程序施工要領 ( 施工原理 ) (A) 發現管湧漏水 ( 開始漏水逐漸變大砂土隨後湧出 ) (1) 備妥足夠砂包防範管湧漏水時洗掘大量砂土掏空背土地盤 ( 圍堵湧水防砂土流失 ) (2) 鑽孔設置洩壓管在管湧點兩側上方找尋堅實壁體鑽孔並以水洗方式差入長約 2.0m 3/4"ΦPVC 洩壓管 ( 洩壓降外水位 ) ( 洩壓後湧水變小, 牆背空洞上方土塊崩落湧水量變更小 ) (B) 注入製造水泥膠凝體, 利用重力滑落堵塞止水 (3) 設置 Y 字注入管利用一洩壓管作為注入管, 先注水確認注入管通暢 ( 管可洩亦可灌注 ) (4) 注入水泥懸濁液先注入不凝固之水泥懸濁液確認 180
注入路徑俟其自湧水處冒出即可 ( 順應水流誘導注入一進一出 ) (5) 注入水泥膠凝體抓住湧水變小時機 ( 湧水會時大時小, 變小即為土塊崩落堵住孔洞 ) 同時注入水泥與水玻璃在 Y 字管中混合成膠凝 (Gel) 體於孔洞後上方 ( 爭取時間大量快速注入避免沖散 ) (6) 膠凝體滑落瞬間堵住孔洞土塊被沖刷流失湧水又堵塞孔洞止水變大, 上方土塊繼續崩落導致已成形之膠凝體跟著滑落到洞口堵住並固結 ( 持續化學變化固結 ) 止住湧水, 牆背水位回昇水壓變大壓迫膠凝體緊塞孔洞 ( 膠凝體重力滑落 ) ( 此時湧水會瞬間止水但注入作業不能停止應乘勝追擊 ) (C) 充填背土空洞抑止管湧洗掘掏空產生地表沉陷 (7) 繼續灌漿直到牆背湧水停止牆背空洞仍在, 必須繼續空洞充滿注入材灌漿充填防止地下水聚積及地盤中土砂持續崩落 ( 充填固結置換 ) ( 因注入材之化學變化由膠凝變固結且成不透水之水泥塊具有防水效果, 壁體瑕疵也澈底補修完成, 打斷手骨顛倒勇 ) 181
(a) 製造水泥膠凝體於管湧上方 (b) 膠凝體重力滑落堵孔止水 反滲透注入固結止水工法抑止管湧災變補修壁體瑕疵示意圖 182
反滲透注入固結止水工法抑止管湧施工實例照片 183
[2] 較罕見的基礎挖方底管湧災變如果止水性擋土牆但非遮水壁之情況, 其牆體本身並無任何瑕疵但牆底地盤土質透水性極佳, 很容易產生泉湧或砂湧現象, 可是採用抽排水或地盤改良工法也妥善控制抑止 ( 一般泉湧或砂湧只發生在擋土牆貫入深度之一半距離範圍內 ), 照理說應該不致於發生挖方底面湧泉才對, 水這樣的物質其特性為無孔不入 ( 有孔必進 ) 並依重力流動, 挖方坑內外水位差產生滲透壓會促使外地下水尋找滲流路徑宣洩, 此時最短路徑之泉湧或砂湧已被有效控制 ( 水位控制 ) 或阻擋 ( 地盤改良 ), 因此地下水會積極尋找次要路徑 ( 亦即主要路徑範圍外 ) 來宣洩, 在透水性極佳地盤就有可能產生挖方基地較靠近中央部位之湧泉, 此種在泉湧或砂湧發生範圍以外之湧泉仍屬於管湧之一種, 此類管湧雖較罕見但是一旦發生其破壞性更大範圍也更廣, 往往基地周邊安然無恙而遠離基地外相當距離之地盤或鄰房卻產生沉陷傾斜之災變 ( 參照下附圖示 ) 地盤地質因素之管湧災變示意圖 184
地盤地質因素之管湧災變防災對策 管湧災變之成因為滲透壓與地質, 一般由地盤地質因素形成的地層一定是厚度很厚的砂土沖積地層, 此類地層大多位於兩條河流交會之下流沖積扇地盤 ( 如台北盆地之大漢溪與新店溪交會處下流三重市及基隆河與淡水河交會處之社子島 ) 且屬於深厚之粗砂土透水性極佳地層, 此類地層不但地下水位高且挖方深度及擋土牆貫入深度以下地層仍屬透水性極佳之粗砂土質, 因基地周邊環境條件嚴苛且挖方深度較深地下水位又高必須採用止水性擋土牆工法, 但又因地層地質因素無法作成遮水壁, 在這樣的情況下就要注意如何防止此種罕見的特殊管湧災變形成 ( 設計與施工計畫時不能忽略其可能性 ) (1) 深預備井滲透壓低減工法在上述施工環境條件下欲求抑制管湧災變首要方法便是設法消除其形成之因 -- 滲透壓, 由於此類管湧是否可能形成之研判不易以土質工學之公式準確評估, 仍須依賴施工經驗來判定, 一般都採用深達擋土牆底以下約 3~5m 之深預備井配置於擋土牆周邊 ( 內側 外側均可 ), 挖方至與外地下水位相當深度且發現坑內地下水位控制井抽排水量大而水位無明顯下降時即應啟動預備井實施間歇性抽排水來抑制管湧形成 ( 非為降低外水位, 僅抽底部地下水, 井管上段不設裂口 ) (2) 挖方坑底地盤改良工法管湧災變形成的另一因素為土質因素, 地盤土壤乃大自然之物各式各樣各有其性質, 惟仍可利用人為方法來改變其性質 ( 諸如提昇支持力 降低透水性 強化土壤抗剪力等 ), 採用此工法之施工必須有足夠改良厚度才有效果, 由於地盤改良施工方式為自地表垂直施作形成垂直之柱狀改良體, 故改良後之地 185
層對於垂直方向之土壤剪力與滲透性的效果並無法如預期應 勿抱太大期望 深預備井間歇性抽水降低滲透壓抑制管湧示意圖 挖方坑底地盤改良抑制管湧災變示意圖 186
(a) 管湧現象 (b) 鼓起現象 挖方坑底部中央區管湧現象與被壓水層上舉力鼓起現象之差異 187
三 基礎挖方底鼓起之災變及抑止對策工法 基礎工程挖方施工在挖方底部地盤之隆起 (Heaving) 有三種因素造成 : 因軟弱地盤塑性流動產生 --- 稱為隆起 (Heaving) 因擋土牆向內擠進產生 --- 稱為隆起 (Heaving) 因被壓地下水層浮力產生 --- 稱為鼓起 (Heaving) 上列三種因素中 乃因土質因素所形成唯有 係由地下水因素形成故以鼓起稱之以資區別, 惟英文均稱為 Heaving( 中國文化較精深才能以文字區別 ), 雖然都是隆起現象但其狀況仍有差異, 因軟弱地盤塑性流動產生之隆起, 除了土質 ( 只發生在粘土沉泥質地層 ) 因素外與擋土牆貫入深度不足有關, 其發生位置都在距離與擋土牆貫入深度相等距離之挖方底面區域, 因擋土牆向內擠進產生之隆起也屬土質因素, 但主要乃因擋土牆貫入段挖方坑內被動土壓無法與主動土壓平衡而在挖方最下層支撐面以下區段之擋土牆被壓迫向內擠進, 再因擠進壓迫挖方底地盤造成隆起, 其發生位置都在挖方坑底擋土牆邊之區域, 因被壓地下水層浮力產生之鼓起 (Heaving), 則視挖方底部不透水層厚度 ( 不一定一樣厚 ) 而定, 較薄的區域較易發生 ( 土重較不足 ), 因此其發生位置在挖方底部任何區域都有可能, 與擋土牆之貫入深度或土質軟弱與否並無直接關係, 而且發生之情況有可能是一丘一丘起伏不平, 就像被蚊子叮到腫起來一般, 因此特地將此種 Heaving 現象改稱為鼓起以資與其他隆起區別 ( 參照下附圖示 ) 188
軟弱地盤塑性流動之隆起 擋土牆向內擠進之隆起 被壓地下水造成之挖方底盤鼓起 (Heaving) 之模式 挖方底隆( 鼓 ) 起災變抑止對策工法 挖方坑底盤隆起 ( 鼓起 ) 之災變對基礎結構穩定與周邊地盤安全維護影響極鉅, 依其產生原因之不同其抑止對策工法亦不同, 茲分述如下 : 因軟弱地盤塑性流動之隆起 (Heaving) 抑止對策工法 加深擋土牆貫入深度, 遮斷地盤塑性流動 挖方底部地盤土質改良, 強化土質抗剪強度 挖方坑底加設橫膈壁, 分割區塊抑止隆起 因擋土牆向內擠進之隆起 (Heaving) 抑止對策工法 加深擋土牆貫入深度, 增強被動土壓抵抗 挖方底部擋土牆內側地盤土質改良, 強化被動土壓 挖方底部擋土牆內側加設肋牆 (Rib Wall) 扶壁, 增強壁 189
體剛性抑制變形 ( 土質極軟弱採用上列二法都無法達成 目標時 ) 因被壓地下水浮力之鼓起 (Heaving) 抑止對策工法 設置預備洩壓井, 適時洩壓卸除被壓地下水浮力 ( 土重與水浮力差異大時採用, 惟封井不易, 不得已時才用 ) 分區開挖分區壓制, 平衡壓制被壓地下水浮力 ( 土重與水浮力差異小時採用 ) 190
軟弱地盤塑性流動產生之隆起災變抑止對策工法示意圖 (a) 加深擋土牆貫入深度抑止工法 (b) 挖方底地盤改良抑止工法 (c) 加設橫膈壁分割區塊抑止隆起災變對策工法 191
軟弱地盤塑性流動產生之隆起災變抑止對策工法示意圖 (a) 加深擋土牆貫入深度抑止工法 (b) 挖方底地盤改良抑止工法 (c) 加設肋牆 (Rib Wall) 扶壁增強剛性抑制變形工法 192
擋土牆向內擠進產生之隆起災變抑止對策工法示意圖 (a) 設置預備洩壓井卸除被壓水層水浮力抑止工法 (b) 分區開挖分區壓制平衡壓制被壓水層水浮力抑止工法 被壓地下水浮力產生之鼓起災變抑止對策工法示意圖 193
四 海水浸透地盤地下水災變及防災對策工法 臨海地區之地盤都有海水浸透地盤區域, 如台南市都會區自海安路以西安平區至安南重劃區之地盤 高雄市都會區中山路以西鹽埕區 苓雅區 前鎮區 小港區之地盤都有海水浸透問題, 甚至在高雄市新光路附近地盤還發現有柴油浸透地盤 ( 中油儲油槽滲漏造成 ), 將來日益增多之海邊人工島新生地也一樣會有海水浸透問題, 因此不要以為地盤地下水都是一般常見的淡水 海水浸透地盤中施工不但應對方法不同影響也不同, 此種地層土質都屬砂土透水性高, 砂土屬海砂其顆粒較一般河砂細且形狀也不同含貝殼類細粒多, 採用一般安定液泥水工法施工掘削孔壁穩定性不佳易崩孔, 水中混凝土品質亦較差且極易產生包泥壁體瑕疵, 挖方施工中管湧災變易發生, 又因海水含氯離子易致鋼筋及鋼板 ( 單元接頭端板 ) 腐蝕, 不但減低擋土牆強度與耐久性而且日後端板腐蝕後形成滲漏孔隙 ( 使用鋼板越厚孔隙越大 ) 往往在完工十數年後還會形成管湧災變令人防不勝防, 不但如此而已, 在災變發生時之搶救中注入固結灌漿止水其注入材料不易固結而形成類似豆花或豆腐狀之物不會固結, 直到灌漿量多至一定程度將海水逼開才能達成固結止水目的 截至目前為止工程界幾乎完全忽視此種海水浸透地盤之施工環境條件的影響, 設計永久性之地下擋土牆兼地下外牆時都沒有考慮在含鹽分的海水中如何來調整使用之混凝土配比? 是否須要添加抗鹽之附加劑? 品質規格應作如何調整? 保護層厚度是否應加厚? 鋼筋如何防腐蝕? 採用於泥水工法之安定液是否適用? 等等問題而仍以一般淡水地下水的條件作同樣的設計, 地下基礎相當深的公共工程如位於原魚塭地回填之重劃區的台南市政中心 警察局 消防大樓以及海安路地下街等重要工程都是浸泡在含海 194
水地層中, 可以預見不久的將來必將成為爛腳漏水的建築物, 其他民間建築也同樣會一一浮現, 地下基礎若遭受腐蝕破壞, 建築物的安全性更令人擔憂, 這個嚴肅的問題卻很少有人論及, 反觀鄰國日本大多採用無筋連續壁遮水幕來阻斷海水浸透, 並且以防銹漆塗佈鋼筋施作地下基礎, 我國卻毫無任何對策且從未加以重視, 在設計規範中也無任何規定, 是否應速謀求改善值得深思 海水浸透地盤常見之地下水災變 如前所述在海水浸透地盤中施工擋土牆之前應確實作好地層地質及地下水質調查, 地層地質調查時尤應注意在施工深度內是否有古代之海床存在 ( 海床地質多為軟弱沉泥質砂土 ), 此種地層之穩定性極差幾乎沒有支持力, 在壁孔掘削中無法以安定液之液壓來穩定如未施予固化處理很容易造成崩孔災變 ( 台南市安平路運河邊基地在連續壁孔掘削中就曾發生崩塌災變使隔鄰之警察局庭院全部陷落埋沒了五十多輛機車 ), 若是僥倖過關也很容易在此古海床地層深度造成壁體包泥瑕疵 ( 水中混凝土澆置中崩孔 ), 而於挖方施工中形成管湧災變 ( 台南市海安路地下街民族路口古代為海岸邊之三仙宮災變案例鄰房下沉一層 ), 因此由經驗教訓得知此類地盤不可以一般地盤視之且均有其歷史, 研判時應以宏觀與歷史角度作修正才能正確作出判斷 有關地下水質應作水質檢驗確認其含鹽量並作安定液適用性實驗以確認添加劑之效果, 再以含海水之地下水作水中混凝土影響檢驗確認選定之添加劑之適用性, 同樣為海水浸透地盤其含鹽量不盡相同故其地下水質檢驗非常重要, 尤其在發生管湧災變之搶救時採用之注入材的水泥與水玻璃在膠凝固結效果的影響試驗更為重要, 否則會面臨搶救無效或延誤搶救時效而造成大災變 195
海水浸透地盤防災對策工法 (1) 加厚擋土牆保護層厚度 ( 最少 15cm 以上 ) 抗混凝土中性化 (2) 評估壁體可能瑕疵位置並設置預備井抑制管湧災變 (3) 地盤強化改良固化古海床軟弱地層防止崩孔災變 (4) 預先計畫壁體瑕疵補修工法及材料有效進行補修 (5) 將擋土牆作為臨時性措施另行構築主體結構地下外牆 196
海水浸透地盤之地質與地層構成之調查結果及其特性分析實例 197
海水浸透地盤壁體掘削施工中崩孔與瑕疵管湧災變實例剪報 198
五 坡腳基地湧泉之災變及防災對策工法 地盤為坡地時即可預知此地層必有岩層存在, 坡地主要由覆土層 ( 原係由岩層極度風化而成之土壤 ) 與基盤層 ( 各種岩質之岩層 ) 所構成, 坡地越陡則覆土層越薄岩層岩質越硬, 坡地越緩則覆土層越厚岩層岩質越軟, 覆土層屬土質工學範疇, 基盤層屬岩石工學範疇, 這是完全不同的領域絕不可混為一談, 覆土層內之水稱為地下水, 基盤層內之水稱為地中水, 地下水可用抽排水工法抽水控制水位, 地中水卻只能採用重力洩流, 岩石與土壤的主要差異就在其膠結性有無, 岩層挖方施工, 挖的是岩 ( 固體 ) 卡車載出去的卻是土 ( 粉體 ), 由此即可知其差異只不過膠結性有無而已, 以上所述之事實均為一般常識 ( 大家都懂的知識 ), 工程人員如果沒有此常識就難以立足工程業界了 在坡地坡腳基地施工除了要面對地下水之外還要面對地中水, 有關地下水之處置方法前已述及, 關於岩層中蓄積狀態之地中水卻只能在坡腳基地才能遭遇, 挖方施工中不一定能碰到, 但是有幸遭遇若乏經驗必被嚇得半死 ( 挖到地中水如瀑布或湧泉, 似萬馬奔騰般傾洩而出, 只能眼睜睜看著卻束手無策 ), 若無對策則災變必隨之而至絕不善罷干休, 如岩層滑動 崩解 落石等無法搶救的大災變必定發生絕對無法避免 坡腳基地湧泉災變之徵兆與研判要領 當坡腳基地挖方遭遇地中水之湧泉, 人力是無法抗拒的, 也幾乎無法預先調查得知 ( 如北宜公路之坪林隧道大湧水 ) 只能碰運氣與無奈的接受, 不過也不必太絕望, 因為自湧泉發生到災變形成仍有相當長的時間讓我們來作補救, 此種岩層地中水之湧泉其實與透水地層之管湧一樣, 只不過岩層為膠結固體不致如土砂之粉體, 受到水沖刷也不會迅速被洗掘掏空, 湧泉雖無法阻擋但只 199
要湧出之水為清水就表示岩層尚未滑動也是代表安全的意義, 若湧出之水由清轉濁就表示岩層已開始滑動也是代表危險的意義, 此時什麼都不要作趕快逃命切勿逗留或企圖搶救 ( 因為已經來不及了 ), 人力有限天威無窮只好避祂 讓祂 由祂, 等到岩層滑動演變告一段落 ( 不一定就是大災變 ) 湧出之水又變清了才可以進行後續的搶修補救穩定岩盤抑止滑動之作業 ( 人命優先切勿冒險, 雖會造成損失但是留得青山在不怕沒柴燒 ) 坡腳基地湧泉災變都只是局部性的, 損失不致太大因此不必為此冒險, 也不要外行充內行作什麼分析檢討, 因為大自然是最偉大的工程老師, 結論已在現場用現象告訴我們了, 謹記上述簡易的安全研判要領絕對沒錯毋庸置疑 坡腳基地湧泉災變之抑止對策工法 岩層中之地中水湧泉既無法預知也無法避免, 唯一的辦法就是謀求補救, 由於岩層都有節理若是因湧泉造成滑動也必在節理, 岩層中蓄積之地中水有穩定岩盤的功能, 一旦因挖到此水脈致地中水洩出猶如割斷動脈血液將流失而失去生機, 岩層之節理間穩定性必生變化, 若係順向節理產生滑動之速度會較快, 逆向節理或許不致有影響, 垂直斜角節理則會像翻書一般一層一層剝開 ( 傾覆 Toppling), 不論岩層構造如何雖很難由挖方坡面露出之斷面來準確研判 ( 岩層構造非常複雜有時一小段距離可能就有多種岩質多樣節理 ), 但是大自然會忠實的告知你, 只要由坡頂地表面之地表裂縫之蛛絲馬跡就可研判出端倪來, 岩層之穩定依賴其膠結程度與節理之摩擦剪力, 因此穩定岩層的對策工法應是以人為方式來增強其膠結性 ( 因滑動而粉碎部分 ) 與節理之摩擦力 ( 因滑動而喪失部分 ), 而且地中水流失所殘留之岩層空隙也須充填與膠合, 採用注入膠結充填工法, 以水泥為膠結岩層之主要材 200
料並充填岩層空隙, 由坡頂地表拉張裂縫鑽孔注入充填膠結, 由湧泉孔洞反滲透固結止水注入 ( 水泥加水玻璃 ) 堵塞湧泉孔洞即可抑止湧泉災變 ( 如遇岩層為順向節理時得視需要在抑止湧泉後再以岩層滑動抑止樁加強之 ) 六 預備井 復水井 觀測井 洩壓井之設置及應用 基礎工程挖方施工對付地下水僅是施工期間之臨時性工程, 須藉由鑿井深入地下來達成, 除了前述之抽水井於井孔內裝設抽水幫浦來控制地下水位外, 鑿井尚有各種不同的用途與功能, 茲分述如下 : (1) 預備井井的構造與抽排水井完全相同, 顧名思義, 此類井乃備而不用, 緊急情況時才使用之抽排水井設施, 由於採用止水性擋土牆工法在壁體施工時因地層土質關係或施工管理上難免有少許瑕疵產生 ( 水中混凝土澆置中斷水 孔壁崩坍壁體包泥 壁體單元接頭清理不實之包泥等 ), 此種施工瑕疵在施工中或施工記錄中都可研判得知, 但又無法在開挖前進行補修, 因此成為止水壁之漏洞 ( 地下城堡之缺口 ), 也是不定時炸彈, 在開挖中隨時可能引爆管湧洗掘掏空之大災變, 雖然有人嘗試用灌漿方式作開挖前之補救但成效不彰也無法確實, 最可靠的方式為採用預備井預先設置於有壁體瑕疵疑慮處之擋土牆外側, 井深與牆深同備而不用, 平時作為外水位觀測井之用, 開挖中如發現井內水位突然下降就可察覺壁體瑕疵處已有滲漏現象預警管湧災變即將發生, 此時應即檢查坑內壁體找出瑕疵漏水位置然後啟動預備井開始抽排水降水位 ( 太早啟動抽水會不易發現瑕疵處, 若無預設預備井等管湧發生再想鑿井已不可能且來不及 ), 局部 201
性外水位降低短期間抽水不致影響外部地盤穩定, 此時儘快進行壁體補修 ( 滲漏水壓大時無法補修, 外水位降低才能減少滲漏壓並爭取補修所須時間 ), 待補修完成後再停止預備井抽排水恢復外水位, 因此預備井主要功能為防止管湧災情擴大及提供補修所須時間, 非常有效且經濟的防救災對策 預備井也可用於防止抑制泉湧 砂湧災變對策, 更可用於深挖方水壓大時挖方與架設支撐期間減少水壓抑制壁體變位對策, 此外尚可應用於大面積挖方或溝槽形挖方與河岸邊基地, 因採用止水性擋土牆阻斷地下水流改變水文時, 在水頭側設置預備井配合水尾側設置復水井來平衡所造成之差異水位的水壓差 ( 因基礎施工改變水文須相當長期間才能恢復 ) 預備井應用於抑制管湧 (Piping) 災變示意圖 預備井應用於抑制泉湧砂湧 (Boiling) 災變示意圖 202
預備井 ( 水頭側 ) 配合復水井 ( 水尾側 ) 平衡差異水位示意圖 (2) 復水井復水井顧名思義即恢復水位之井, 此井與一般抽水井施工方式完全一樣, 唯一的差異是井內未設置抽水幫浦及井口加設注水管與壓氣管並將井口密封, 在井內注滿水後關閉凡爾 ( 也有採用壓力自動控制之逆止凡爾 ), 再以空氣壓縮機壓入高壓空氣壓迫井內之水滲入目標地層中 ( 視復水井管裂口設置區段深度而定, 可視復水目標地層注水至自由地下水層或被壓地下水層中補充地下水 ), 直到達成復水目標為止 一般復水作業在長期抽排水需求之工程現場都有必要實施, 尤其大面積開挖之基地對地下水文影響很大, 如果不施行復水作業則周邊地盤沉陷無法避免, 復水井都搭配抽水井一併作業, 對於因地下挖方之地下水位控制抽排大量地下水及採用止水性遮水壁造成地下水流向 流量 流速等水文的變化影響有相當的抑制效果, 可惜截至目前為止國內工程界尚乏此觀念鮮少見有採行之案例, 也因此挖方抽水損鄰頻頻大家都認為無法避免只是程度上的差異而已, 受損的鄰戶只好認命活該倒楣只能作無奈的抗議, 最近已有人提出地下水規範的要求, 是否利用本研究結果, 讓多數工程專家提昇認知層次後能夠提出具 203
體的地下水處置之設計及施工規範要求供大家遵行值得深思 復水井之構造詳細圖 復水井與抽水井之功能示意 (3) 觀測井地下水位控制利用抽排水來達成, 但是究竟成果如何則必須藉由水位觀測才能得知, 一般觀測地下水位大多以井孔為之, 大面積挖方基地則多採用明挖坑以肉眼觀測即可 ( 挖方坑內須確認挖方底部地下水位才能決定可否進行下階段挖方 ), 觀測井分為坑內水位觀測井與坑外水位觀測井兩種, 其目的並不相同茲分述如下 : (a) 挖方坑內水位觀測井挖方坑內水位觀測主要目的是確認水位控制成果, 以確定是否可以實施乾式作業, 一般坑內已有抽水井在控制水位因此可以利用作為觀測水位之井口不必另外再設置, 由於抽水井內水位視抽水幫浦吊掛深度及滲水速度而定, 故井內水位並非挖方底部地盤之水位, 除非因採用遮水壁將地下水層完全阻斷並停止抽水 24 小時以上所測之水位才較準確, 抽水井配置間距大 204
小在抽水時會形成弧形的水勾配, 而挖方所要求的控制水位是此弧形水勾配的峰頂水位 ( 最高水位 ), 也就是抽水井與相鄰抽水井之中央位置下方的地下水位, 如果在此位置設觀測井又會妨礙機械挖方作業故不可行, 因此大多在此位置以事先挖掘之明挖坑用肉眼來觀察峰水位, 但是明挖坑頂多也只能挖約 2.0m 深且範圍不能太大否則又會妨礙支撐之架設作業, 而一層挖方深度大多約 3.0m 左右, 實在也看不到實際水位只好以井內水位輔助用經驗來研判或是挖方中繼續再挖水位觀測坑來確認, 如果遇到水位一直降不下去, 而抽水井排水量又很大時就要注意可能是止水性擋土牆有瑕疵包泥破洞滲漏, 此即即將產生管湧災變的明顯徵兆, 應立即停止挖方並調止水灌漿機械入場待命, 同時以坑內既有之挖土機逐一挖開壁體單元接縫檢查滲漏部位與深度, 確認之後覆土或以砂包壓制即刻進行止水補修作業 ( 尚未爆發管湧災變前之抑止作業, 可採洩壓管洩壓再以止漏防水補修即可, 不一定要採灌漿止水工法, 惟若已爆發管湧則非採灌漿止水工法無法抑止 ), 是否壁體瑕疵滲漏亦可由坑外觀測井水位來輔助研判 ( 若是外水位降低即可確認滲漏無誤 ) (b) 挖方坑外水位觀測井挖方坑外之水位觀測, 對於施工中之安全維護是不可或缺的重要資訊, 由配置於各方位的水位觀測結果比較可以得知地下水的動態及流向, 由觀測水位之昇降情況可以得知管湧 砂湧 泉湧災變的徵兆及雨季水位水壓之增加, 一般水位觀測井交由觀測專業廠商負責施作與觀測, 但是如果計畫中已有預備井設置時則可利用預備井來作為觀測井使用即可 挖方坑外水位觀測井在山坡地或傾斜地之基地挖方時可發揮極大的功能, 由其坡頂觀測井與坡腳觀測井水位之明顯 205
差異可以看出地下水與大氣壓平衡之水位坡降及是否流暢的滲流著, 豪雨過後坡頂之地下水位激昇之情形並評估是否須啟動預備井以宣洩平衡此偏水壓防止擋土牆崩垮或滲漏掏空背土等應變措施 挖方坑外水位觀測井配置與觀測結果之應用示意圖 (4) 洩壓井當挖方底部地層為不透水之粘土質地層, 且其下方地層為被壓水層水頭又很高 ( 上浮力大 ), 如果評估挖方完成時挖方底殘留之不透水層土重小於被壓水層之水浮力, 而有鼓起災變之虞時應預先設置被壓水層之洩壓井來預防, 洩壓井之設置方法與一般之水位控制井不同, 其井管在自由地下水層中並無裂口且井深直達被壓水層中, 由此井口觀測所得之水位即為被壓地下水水頭 ( 水位 ), 井內雖置有抽水幫浦但並不抽水, 挖方施工 206
中此井管突出於挖方面上不可破壞或切短, 隨挖方深度逐漸加深此井管內水位仍然不變不致隨著挖方坑內水位下降, 直到依評估之挖方底以下不透水層土重相等之被壓水頭浮力平衡之深度以下時才開始啟動抽水降水位, 且一直控制水位直到計畫挖方深度挖方完成且基礎結構重量壓制能與被壓水頭水浮力平衡為止才能停止抽水, 只要此井管內水位低於井管管口被壓地下水不致溢出就不會造成施工困擾, 完成洩壓減少被壓水浮力之任務後即可擇期封井, 封井之工法可選擇灌漿固結止水工法或前述之深井封井工法均可, 洩壓井之施工要領在於井管管口一定要高於被壓地下水水頭, 只要在此條件下被壓地下水仍屬靜態水, 否則只要地下水自井管口溢出就會成為動態水, 井管內水為靜態水時實施灌漿固結封井很簡單, 若是動態水時灌漿時注入材料會被沖散不易固結封井就不容易達成, 此時只好採用深井封井工法才能解決封井問題了 ( 破船不會浮之原理 ) 採用洩壓井洩壓消除被壓地下水層水浮力抑制挖方底地盤鼓起 207
結言基礎工程施工挑戰地下水應有之思維 基礎工程之施工事故及補救對策之思維 基礎工程由於施工的主要對象為大地之 自然地盤 而地盤之土質構成及地下水位之變化又為極端複雜多變之狀況, 因此, 欲以目前之施工技術水準來完全控制土方工程之施工安全, 是不太可能的工程難題 ; 雖然在施工時充分掌握了如前所述之施工管理要領及施工方法, 仍然難免因為種種因素 ( 如設計不良 施工管理不善 選用工法不當 地下水位變化 超挖 支撐或擋土牆耐力不足 施工不良 地盤滑動或支持力不足 天候變化 地震或泉湧 (Boiling) 管湧(Piping) 隆起(Heaving) 等等之原因 ) 而產生各式各樣的施工事故, 造成了嚴重的損失, 使施工中斷 人員傷亡 鄰房損壞 傾斜及公共埋設物 ( 水道 電力 瓦斯 排水溝等地下埋設物 ) 損傷 道路破壞 交通中斷等, 並使得施工事故造成之損害的補修及復原, 必須花費相當鉅額的時間與金錢, 因此, 在基礎工程的施工管理上, 對於施工事故的認識及預防, 是必須學習的, 而對於各種施工事故之徵兆以及預防之補救對策, 也是從事工程現場施工管理的技術人員, 必備的基本知識, 並為不可缺乏的基本常識, 許多現場的施工事故之防止, 往往得力於現場施工技術人員正確地研判事故徵兆而冷靜 沉著並迅速 果斷的採取補救對策 在論及基礎工程施工事故及補救對策之本題前, 希望諸位務必具備下列之正確觀念, 並運用智慧的判斷 迅速的行動, 才可以達到防止施工事故的目的, 茲將防止基礎工程施工事故所必須具備的觀念列之如下 : 208
1) 地盤本身係 動態 的而非 靜態 的地盤的構成乃由 土粒子 空氣 和 水 三個主要因子而成, 在設計及計畫時, 吾們往往依據地盤的靜態調查 ( 土質鑽探及試驗 ) 來作為主要的設計及計畫基本資料, 殊不知, 因施工中之振動造成了地盤土質結構的變化 ( 如打釘或拉拔擋土板樁等, 對地盤造成了振動外力致砂地盤之液狀化, 粘土地盤之出水液化等 ) 或因天候因素所形成之地下水位之漲落 ( 下雨天之自由地下水位會上昇 ) 與挖方施工中, 因擋土牆或支撐本身之變形 挫屈所造成之周邊地盤的少許龜裂, 遇雨天, 因雨水的浸滲侵蝕而形成了地盤本身性質之變化以及突發性之地震振動造成的地盤結構變化等等多種因素, 導致地盤本身呈 動態 性的變化性質, 使得原來之設計及計畫之擋土安全措施經常發生耐力不足之情況, 是為造成施工事故之主要因素, 因此, 對地盤本身之施工對象, 應以 動態 視之, 勿過份信賴 靜態 的調查結果 2) 勿過度信賴設計或計算的結果, 計算只是設計過程在土質工程學上之各項理論, 由於地質構造本身之複雜 非均質及多歧性, 迄今尚未能達於理論化的境界, 因此, 幾乎所有的土質工程理論僅係近似或參考經驗而得者, 雖然在作設計或計畫時, 仍不得不採用此類之理論公式來作檢討, 但, 此檢討結果僅為近似值並非絕對正確之值, 因此, 切勿過度信賴計算的結果, 而必須依據土質之特性分析及經驗之研判, 運用智慧及經驗來預測地盤之可能變化的趨向, 才是正確的方法 ( 計算結果既非絕對亦非結論而只是一種評估的過程, 仍應加上智慧及經驗與設計者的主張綜合作出結論才叫做設計否則只是計算而已 ) 設計過程之計算一定有其假設條件與依據, 而地盤的條件與 209
特性在施工前與施工後是不同的 ( 例如止水性擋土牆施工後雖尚未開挖其地下水上流水位會上升下流水位會下降, 而透水性擋土牆則在開挖後地下水位會下降 ), 設計時就必須考慮此施工後的變化 ( 沒有經驗就不會想到 ) 去設計而非以施工前的地盤條件作設計 3) 任何施工事故, 在發生之前, 必定有其 徵兆 任何施工事故之發生, 均不可能 突如其來 而讓我們措手不及, 它必定有其 徵兆 ( 例如在崩塌之前, 必有地盤表面之龜裂 ), 只不過, 在現場的技術人員是否對其 徵兆 有認識而已, 而且基礎工程之施工事故具有之特性為 : 一產生施工事故之徵兆, 它以 持續而漸進 之形態呈幾何級數的速度加速地盤之破壞, 如果沒有適時迅速而適切的採取補救對策, 則必將達於破壞絕不會遽然中止 ; 許多事故的產生, 大多是現場施工技術人員, 對於事故徵兆之認識不足, 甚至茫然無知或雖對此徵兆加以注意, 但, 不知如何處理補救對策或未能迅速地加以制止其擴大, 以致眼睜睜地看著施工事故的產生, 而仍束手無策 觀測系統只是預警系統, 有設置觀測系統若只會研判而無對策並不安全, 安全施工不是靠小心, 若無對策且未及時災變照樣會發生, 只不過比記者早一點知道災難會發生而已, 因此一般常用 安全 觀測系統易讓人誤以為設置了觀測系統就安全了, 故應該把安全二字去除才正確, 觀測結果乃挑戰大地的戰況分析也是施工成果的成績單 210
4) 施工事故的防止對策, 在 時間 ( 迅速補救施工 ) 與採取之 施工方法 上, 仍以爭取時間 快速補救施工比採用良好的補救方法 ( 不只一種方法 ) 更重要在對付施工事故之防止對策上, 可採用的方法不只一種, 必然有多種施工方法可資採用, 雖然在施工效果上有所差異, 但是, 對於施工事故之防止, 仍以採取簡易 快速而施工效果稍差之施工法, 爭取 時間 ( 事故的產生乃持續而漸進且加速在進行, 絕不中止的特性 ) 比採用施工效果極佳但必須費時準備 複雜的施工方法來得有效 因此, 現場工程技術人員的 果斷力 是不可或缺的要素, 猶豫 或 無知 為施工事故防止之致命傷, 當機立決 與 快速的行動力 才是防止抑制災變的法寶 5) 氣象 是影響 地下水 最重要的因素地下水的來源是雨水, 而雨水則來自於大氣循環與水循環, 颱風帶來豪雨, 季節風帶來雨季雨量, 雨季提供地下水水量, 豪雨會使平時測得之地下水位急升, 基礎挖方挑戰地下水, 而氣象可以改變地下水之水量 水位, 地下水災變大多在豪雨後或雨季, 因此對氣象之認知十分重要, 例如地域性氣象 雨季時期 雨量統計 颱風路徑與地域風速 雨量之關係 地形地勢對地下水的影響等等, 都要有基本資料與常識, 如此就可預先防範不致於措手不及, 地下水災變就可化解於無形 ( 天文即氣象, 地理即地文與水文, 挑戰大自然的大地就要懂得天文地理才能防災制災 ) 6) 計畫 趕不上 變化 施工事故發生後即處於瞬息萬變的情況, 若一味埋首於 計 畫 而不及時付諸 行動, 則 計畫永遠趕不上變化, 最後 211
往往是徒勞無功 計畫 乃累積往日的經驗, 針對未來的推測擬定之行事方針, 但是施工事故的變化已是 今日不知明日事 的快速轉變, 計畫完成時環境及時空均已變化了 最佳計畫 乃 一面計畫, 一面同步付諸行動, 且在行動中依執行障礙再修正計畫, 變 變 變 是唯一的不變 7) 應變能力 比 理論 更重要擁有豐富的知識, 即可增加判識能力, 正確研判 ; 擁有充足的經驗, 即可迅速採取對策, 付諸行動 ; 狠猛 的行動力, 準確 的判斷力, 果決 的決策力, 乃遇到意外不測時, 能臨危不亂, 勇敢面對, 快速應變的基本條件, 成功 與 失敗 常取決於一念之間, 能作 肯作 若 不敢作, 不快一點作, 則仍是失敗 ; 行動力 乃一般人均缺乏的, 也是面對災變成功搶救災變唯一的要件, 切勿光說不練 212