淺談深開挖工程規劃設計之地工考量(上)
☆ 李魁士 ☆☆劉慶豐
摘要
本篇探討深開挖工程於規劃時，依地層條件、作業空間、施工機具、工址環境等因素就施工法、擋土壁種類、擋土壁之壁厚與貫入深、支撐系統、抗浮破壞對策之建議選用對策提供初步評估資訊，並就相關考量事項加以說明。

關鍵字：深開挖、擋土壁、貫入深、支撐系統、抗浮破壞、順打工法、逆打工法、半逆打工法

一、前言

         工程方案在規劃評估之際，通常應就施工可行性、工期、經濟性與風險等因素加以評估選擇。然而仔細評估每一個方案所適用之施工法費事耗時，除非該方案情況特殊，否則則可依過去之經驗迅速地評選較佳方案。本文僅就一般地下空間開挖工程（特別是明挖支撐工法）於評估規劃階段選擇各種施工措施時，就常考量因素與適用時機作一經驗之整理與說明，以供一般工程方案規劃之參考。

二、開挖工法之選擇

         地下空間結構型式與形狀之決定應視功能需求與所欲採用之工法而定，規劃時，功能需求與施工法之選擇應彼此互相配合調整，方能得一便利、安全與經濟之方案。目前國內一般大樓之地下室開挖多採明挖支撐工法。而公共工程之地下空間開挖工法則會視其條件而考慮採明挖支撐工法或鑽挖(如潛盾、NATM或推進)隧道工法來進行施作。一般而言，鑽挖隧道工法較不受開挖深度而影響其經費，依部份案例資料顯示開挖深度在約超過15m時，明挖支撐工法即不具經濟性，但鑽挖隧道工法則受地層條件與施工技術之限制，其一次施作空間難以過大。以交通隧道為例，常因工程安全需求而規劃安排相鄰兩隧道間應有適當之間距，致使鑽挖隧道工法較明挖支撐工法有較大之用地需求。通常規劃設計者應依工程方案之設計條件、地形與地層條件、環境條件等因素，就施工可行之方案中選擇安全、對環境衝擊小、工期短與經濟之施工法。各種施工法各有其細節上之考量，可參考相關文獻。本文後續僅就明挖支撐工法在深開挖工程方案規劃期間所需進一步決定項目之考量因素作概略說明。

三、明挖支撐工法

         明挖支撐工法依施作順序一般可區分為順打工法(Bottom up)、逆打工法(Top Down)及半逆打工法(Semi-Top Down)等三類。
         (一)一般最常使用者為順打工法，是在構築擋土壁後才由地表輔以必要之支撐措施往下開挖至底後，再由底部往上構築所需之結構物。
         (二)逆打工法則在構築擋土壁後，先打設地面層結構後並利用其為開挖所需之支撐系統繼續開挖下去，適合開挖面形狀不規則之基地。同時利用勁度大之樓層結構體作為擋土支撐可減少開挖引致周遭之地盤位移。此外大樓之地下室與地上樓層可同步施作，可縮短工期。但此工法因工作性不佳，國內在十餘年前經幾個案例之施作成果不盡理想後，便漸較少被採用。但基於國外對此工法之施作技術已較前成熟，近年來國內幾個超高層大樓案中又再度被採用。
         (三)類似逆打工法，半逆打工法係在先完成地面層結構後，再改採順打工法構築。為減少開挖引致周遭之地盤位移以保護鄰產及在道路上施工為減少對交通之衝擊，半逆打工法近來在都會區之公共工程中(如捷運系統)逐漸地被檢討其採用之適用性。

四、擋土壁型式之選擇

(一)各種擋土壁型式之施工可行性
         擋土壁型式抉擇之首要條件在於依地層條件選擇施工可行之擋土壁種類，表二說明一般常見之擋土壁種類在不同地層中施作之適用性概況。壁體勁度與周遭環境允許之地盤變位是影響深開挖擋土壁種類適用之主要決定因素。此外，於地下水位下開挖時，常亦因施工袪水之不可行或鄰近環境不允許大量降水而須選用止水性佳之擋土壁。除此之外，部份地方政府亦有其特別之規定，如台北市政府工務局曾於民國78年12月16日以北市工建字第68405號訂頒之『台北市建築工程基礎開挖安全措施管理作業要點』，則有如下之原則規定：
         基礎開挖擋土壁工法之設計，應遵守下列原則：
         1.建築基地其開挖深度相等之水平距離範圍內有鄰房情況：
                 (1)禁止使用鋼軌襯板擋土壁工法。
                 (2)凡地下開挖深度達八公尺以上，一律採用地下連續壁擋土壁工法，並設置必要之安全觀測系統，惟遇岩盤或卵礫石層地質而致無法以連續壁擋土壁工法施工時，經核准得採其他適用工法。
                 (3)開挖深度未達八公尺，得視地質及地下水位情況，選擇適當擋土工法，惟為防止流砂，湧水發生及地盤下陷，須實施灌漿等補助作業，以維鄰房基礎穩定性。
         2.建築基地其開挖深度相等之水平距離範圍內無鄰房情況：
                 (1)凡地下開挖深度達十公尺以上，一律採用地下連續壁擋土壁工法，惟遇岩盤或卵礫石層地質而致無法以連續壁擋土壁工法施工時，經核准得採其他適用擋土工法。
                 (2)開挖深度未達十公尺，得依地質狀況及最高水位情況，詳實分析設計適當擋土工法，惟仍需實施止水灌漿等補助措施。
(二)各種擋土壁之施作費用、工期及風險
         工程安全性、工期及費用則是進一步評估選擇擋土壁種類之主要考量項目。影響這三者之因素極多，就費用而言，在土層中施作之影響變數較少，其費用高低概略如表一所示。至於在土層中施作之工率則亦約略與其費用成正比。而於卵礫石層與岩層地盤中施作擋土壁，則因需採特殊之施工機具，其施工之可行性受地盤特性影響極鉅，且由於其擋土壁施作之造價與工期往往佔整體工程有很高之比重，規劃時宜就各擋土壁型式加以評估以設計最適宜之方案。表二為擋土壁需貫入在高地水位下之土層與軟岩層地盤中，各種可施作擋土壁種類之概略比較情形，供擋土壁型式初步選擇評估之參考。

表一 常見各種擋土壁在不同地層之施工可行性
地層
種類		 土層 卵礫石層 岩層 適用之開挖深 土層中施作費用 備註
鋼軌襯板【透水】 適用 詳附註1 不適用 最淺 最低


鋼版樁 適用 不適用 不適用 淺 低 詳附註2
預壘樁【透水】 適用 不適用 不適用 淺 低


特殊鋼樁襯板或噴凝土襯砌【透水】 不常用 適用 適用 中 中 詳附註2
混土排樁(SMPW) 適用 不適用 不適用 中 中


鑽岩排樁【透水】 不常用 不常用 適用 深 中 詳表二
連續壁 適用 特殊機具
適用		 特殊機具適用 深 中 詳表二
全套管切削樁 不常用 適用 適用 深 高 詳表二
註：1.視礫石層緊密情形、打樁機具能量、鋼軌樁之勁度而定。
　　2.部份特殊施工法(如鋼劈靂等工法)則可將特殊鋼樁或鋼版樁打入礫石層或岩層中

表二　高地下水位下之土層與軟岩層地盤中施作擋土壁之比較
擋土壁施作型式 說明 機具情形 考慮採用時機
排 連續排樁(切削樁) 1.以全套管鑽掘機進行切削樁工作。
2.止水性佳(受施工機具之精度及重疊切削厚影響)		 1.國內目前約有超過60部之全套管機具，其中全迴式鑽機約有20部(全迴式鑽機較搖管式鑽機施作之切削樁精度較高，工進較快、止水性亦較佳)，但機具購置成本高。
2.國內目前較大型之施工工程實蹟：
(1)台北市鐵路地下化新店溪過河段工程－榮工處。
(2)中油公司NO.2海水進水口、引水道及海水進水渠道新建工程－中華工程/安暉、昌鎰。
(3)其他		 1.工期長，但可以多部機具同時施築彌補，費用較連續壁高。
2.於地盤中有障礙物(如既有基礎、河海之拋石等)需貫穿時，是最為適用之擋土壁種類。
　 排樁+止水壁 1.於土層中加打一止水性之遮斷壁以達止水性。
2.用地空間需求較多。		 1.國內施工機具普遍。 用地大時，可考慮之。
樁 排樁+止水灌漿 1.於透水性高之地層進行止水灌漿。
2.受止水灌漿品質控制不易之影響，其止水性與安全性較難掌控。		 1.國內施工機具普遍。 周遭無重要結構物時可考慮採用之。
連續壁 削岩式之挖岩機 1.如土層量多時，於土層中以一般連續壁挖掘機(如BW. MHL)，遇岩盤再改採削岩式之挖岩機進行開挖。
2.如土層量少時，可全採削岩式之挖岩機施作
3.壁體精度較佳。
4.工進快。		 1.國內目前以削岩式之挖岩機施工之工程實蹟有：
(1)台北市內湖中國時報－達欣／昌益。
(2)台北市捷運南港線CN258標－珠江。
(3)台北新店北新路極景大廈－長鴻／永裕(卵礫石層)。
(4)其他。
2.國外削岩式之挖岩機製造商或專業承包商有：
(1)德國BAUER － Cutter
(2)法國SOLETANCHE － Hydrofraise
(3)日本TONE BORING － EM Drill
(4)荷蘭FUNDEX － Cutter
(5)日本OKUMURA
(6)意大利CASAGRANDE
(7)意大利RODIO
(8)其他		 1.國內因工作量不多，因而國內目前暫無機具（曾經採購使用後又賣出國外），工程量大時可再自國外引進(租/購)機具。依案例經驗資料顯示，當連續壁工程數量大於8000m2時，具由國外租借機械進來施工之競爭性，惟該數量受地層特性影響極鉅，因其造價高，宜就個案進行評估。
2.若考慮使用擋土壁作為結構物壓重與抗拔樁之抗浮對策時（詳8.2節），連續壁較排樁容易與主體結構結合且可行。
連續壁 鑽岩機引孔後再以抓力強之抓斗式之挖掘機挖掘(如採用MASAGO, BAUER＆LEFFER等) (1)先以鑽岩機進行引孔，工進受鑽機數量影響。
(2)再以抓斗式之挖掘機開挖。
(3)壁體精度較削岩式之挖岩機施作之連續壁稍差。
(4)引孔間之岩體不易清除，其施工難易度影響施工工率、費用、品質極巨。		 1.國內目前現有MASAGO抓力強之MEH抓斗式挖掘機約4部。
2.國內目前以抓斗式挖掘機於岩盤中施工之工程實蹟有：
(1)台北捷運中和線CC278標－德國B+B＆東怡／特建
(2)三峽恩主公廟－明建
(3)台北研究院路太陽大帝－同發營造／漢陸
(4)汐止東帝士-─漢陸
(5)中和天下為公─漢陸
(6)中和力霸山河─漢陸
(7)米羅大地─特建
(8)台北市捷運新店線CN221標，兒童交通公園內之豎井－青木、新亞(卵礫石層)
(9)其他		 1.採用削岩式或抓斗式之挖掘機其工進及工程費受工程數量、岩層強度、壁體深度、入岩深度、工期限制、施工場地...等因素影響。一般而言，壁體長度超過鑽岩機在一次不接樁可進行引孔之深度時，在工進與費用上即可能較不具競爭性。
註：表中之諸多市場調查資訊，基於時間之因素及市場供需情形，部份資訊亦有隨時更新改正之必要。此外，因調查範圍有限因而亦可能有所疏失，在參考引用時宜多加斟酌。






圖二 連續壁特殊單元之開挖施作示意(引自文獻1)		 (三)擋土壁之施作淨空需求
         在選擇合適之擋土壁型式或進行施工用地之規劃安排時，除考慮各種機具對該地層條件下之適用性外，亦需考量工址現場允許之施工作業空間，除壁體打設挖掘之機具施工作業空間，亦應考慮到其他配合或運送車輛之通行與作業空間。此等施作空間之安排情形及工期之要求限制將影響施工機具與機具組數之選擇與安排，亦將直接反映至費用上。一般而言，各種同類型之壁體打設挖掘機具多配備於制式之履帶台車或車輛上，其所需之施工空間因而亦大同小異。於作業空間受限時，規劃設計者更應對可能使用之機具所需之作業空間預作安排，以國內深開挖工程最常見連續壁挖掘機為例，其施工作業一般最好有如圖一所示之空間。另常見於橋下施作淨高不足時，則需考慮採事先降挖或使用限高型特殊機具施作，其相關之配合作業與費用亦需一併予以考量，參考照片一。
(四)穿越管線群之連續壁施作規劃
         公共工程在既有道路上施工常需面臨既設管線群之障礙，最單純之施工方式是將管線先遷移。但依公共工程委員會曾根據統計資料所作之報告指出，管線遷移是繼用地取得外造成公共工程延誤之第二大主因。為確保工程不致因管線遷移不順而影響工進，如何運用擋土壁特殊之施作方式以減少管線遷移(特別是耗時且難以遷移之特殊管線)，宜在規劃設計階段預作考量，必要時可事先請管線單位預作準備遷移，以免影響工進。
         連續壁因其開挖抓斗大，且施工快捷，連續壁因而係為國內深開挖工程最常使用擋土壁種類之一。而在高地下水位之深開挖工程擋土壁種類中，現今最常使用且效果普遍仍可接受者為連續壁。遇既設管線群之障礙時，除先進行管線遷移外，亦可考量採施作連續壁特殊單元之方式來避開管線群，其運用之工址條件首先需應有可施作深導溝以便先作管線群保護措施之環境，以避免壁體挖掘施作時損傷管線。在其連續壁施工單元之安排時亦需配合適當之預留空間，以便進行連續壁特殊單元之施作，參考圖二。以國內最常見MASAGO之MHL型連續壁挖掘機為例，其開挖抓斗淨寬約2.3m，進行連續壁特殊單元之施作時，兩管線（群）間之間隔宜有2.5m以上，但一般仍宜有如圖三所示之配置。在完成管線（群）間之挖掘後，利用橫移抓斗方式挖掘被處理管線（群）下方土體，一般可處理之管線（群）寬約可達2m。如被處理管線（群）寬超過2m時，國內仍有部份特殊改良之機具亦可處理之，參考圖四。進行連續壁特殊單元之施作雖可解決部份難以遷移之管線，可省卻管線遷移之費用，但其施工工率低、費用高，規劃設計時亦須一併考量之。此外，該壁體之垂直度亦較差而難以符合施工規範一般對壁體垂直度之要求，規劃設計與施工放樣時在淨空之考慮上應預留較大之壁體垂直度偏差以免將來影響使用功能。另進行連續壁特殊單元之施作時，管線（群）下方如為岩層時，則該岩層處即無法施作連續壁，亦是需加以考量。
   
<未完待續>