∼以台北捷運工程之建物保護及地盤改良為例∼(上)
| □林茂成／臺北市政府捷運工程局工程司、國立臺灣海洋大學河海工程學系 碩士 |
|
一、前言 都市空間之立體發展強度與使用密度愈來愈高，也愈來愈複雜，使得工程技術面臨極大之挑戰，因之如何在寸土寸金之擁擠都市空間順利且安全的進行地下工程，避免影響或損害鄰近結構物，為現代都市地下工程施工之重要課題。但是建物保護措施之型式眾多，採用時之考量因素除了土層之適用性外，建物之構造型式、周邊環境、經濟性、以及承商對不同工法之熟悉程度等因素皆有關聯。因此，本文乃以都市地區大型工程建設之台北捷運工程於大地工程方面相關課題在設計、施工與管理上之考量進行探討，並以鄰近台北捷運工程之建物保護與地盤改良為重點，以作為爾後興建類似工程之參考。本文之探討以台北都會區大眾捷運系統建設之大地工程相關工作如地質調查、地面機廠與地面段之填土工程、垂直排水帶應用於軟弱黏土層改良、高架段基樁工程、明挖覆蓋段支撐、連續壁工程、兵樁與噴凝土方式（Soldier pile with shotcrete）之擋土兵樁工程、潛盾隧道及其附屬地盤改良工程、新奧工法、建物保護和監測系統等為一般範疇，其中與民眾最為關切之建物保護與地盤改良為探討重點。 二、文獻回顧 (一) 建築物允許沈陷值之探討由於影響建築物不均勻沈陷之因素極為複雜，因此有關建築物沈陷之允許值一般均係依據統計之實測調查資料而擬定。最大沈陷量與差異沈陷量為最早被採用作為擬定建築物允許沈陷量之參數，表一即為顏東利等（1991）根據不同文獻之建議所整理出來之鋼筋混凝土建築物允許沈陷量。此表顯示：（1）粘土層之允許沈陷量均大於砂土層，其主要原因為粘土層之沈陷速率較砂土層緩慢，因此建築物可逐漸調整其應力而不致於有過於急遽之變化，另砂土層局部變化之可能性較粘土層高，其沈陷量之預估較難準確掌握亦為原因之一；（2）除日本建築物學會允許承載於粘土層上之筏基可發生較大之最大沈陷量（20~30公分）外，其他所有研究者所建議之允許沈陷量相差並不大，砂土層上之獨立基腳允許最大沈陷量與差異沈陷量分別為2.5~5.0公分與2.0~3.0公分，粘土層上獨立基腳則分別約7.5~10.0公分與4.5公分；砂土層上筏基之允許最大沈陷量與差異沈陷量分別為5.0~8.0公分與2.0~3.0公分，粘土層上筏基則分別為7.5~12.5公分與4.5~5.6公分。
 三、地質調查與相關大地工程 (一) 概述台北都會區大眾捷運系統建設路線，大多在台北盆地軟弱地層範圍之內，是以在市區大樓林立中軟弱地盤內興建此涵蓋高架、地面與地下各種型式之捷運系統，工程複雜與困難度自不待言。而如何在軟弱的地層中選擇適當的工法，使其能合乎噪音、振動的環保要求，且不發生鄰近結構物產生龜裂等危害，達成安全、經濟與高品質的工程要求，更成為大地工程中難見的挑戰。 工程進行前大地工程方面首要工作為地質調查，因捷運路網遍佈整個大台北盆地，整體地層特性、水文狀況有必要作一通盤了解，同時調查掌握沿線土層變化與土壤力學參數，方能對症下藥做出最適當的設計，與選擇最適當的工法機具，而經濟安全地達成工程任務。 (二) 台北盆地地質狀況 臺北盆地歷經許多專家學者之多年研究，其形成的歷史與地層狀況簡述如下（亞新顧問，1987；李咸亨，1996；胡逸舟等，1996）： 臺北盆地是造山運動地盤陷落，入浸海水退出後，淡水河及其支流不斷沖積而成之產物。盆地下底部之岩盤，除盆地北方為大屯火山群之火成岩外，主要係由第三紀沉積岩所構成。岩盤以上為第四紀未固結之沉積物所覆蓋，在盆地中心，未固結物質厚度達250公尺左右，由下而上，可分為新莊層、景美層和松山層。 新莊層厚度由0至125公尺為灰或藍色泥砂層偶夾數公尺至十數公尺礫石；景美層厚度約0至140公尺由直徑10至20公分之黃棕色礫石層所組成；而松山層則為粉土質細砂與粉土質粘土或粘土質粉土交互之六個次層所組成。 第一次層為粉土層砂，厚度為0~15公尺之間；第二次層為粉土質粘土或粘土質粉土，厚度在0~19公尺之間；第三次層為粉土質細砂，厚度亦在0~19公尺之間；第四次層為粉土質粘土或粘土質粉土，厚度在6~29公尺之間；第五次層為粉土質細砂，厚度在2~20公尺之間；第六次層為粘土質粉土，厚度在2~8公尺之間，而整個松山層厚度約為40至70公尺。松山層之上為1~6公尺厚之棕黃色粉土質粘土表土層。 捷運系統隧道底部大致位於松山層中第四或第五次層中，地下車站結構最深開挖至第二次層，但大多數地下結構物位於第四次層中。高架段基礎剛座落於景美層礫石層或岩層等較堅硬的承載層中。  (三) 沿線地質調查工作之情形 捷運沿線地質調查工作，依其目的有分為兩階段：即初期地質調查工作與補充地質調查工作，茲簡述如下： 1. 初步地質調查工作 初步地質調查工作係由捷運局及其早期由總顧問協助規劃，現場鑽探工作由捷運局直接發包辦理，而現場試驗、室內試驗與分析工作則委託專業顧問公司辦理，其結果以為進行基本設計之依據。初期調查沿線約每200公尺設一鑽孔，車站以每站四孔，而機廠以每廠址十孔為原則，遇有土層變化較大或情況需要則視需要兩增加鑽孔。 鑽孔深度在地面段以至規劃路肩寬度1.5倍，明挖覆蓋段至開挖深度2倍，潛盾鑽掘隧道段則至預定隧道底部下6公尺（約一倍直徑），而高架段則需鑽至入承載層（岩層或卵礫石層）3至5公尺。在車站與機廠範圍另撰擇一至兩孔鑽至入承載層3至5公尺。此深度選擇係由設計者衡量不同型式結構所可能使用基礎型式與荷重影響範圍而訂定。 鑽探過程中約每1.5公尺或遇變層處進行一組標準貫入試驗並兼取擾動土樣，另在指定深度取3英吋薄管試樣以進行室內試驗。而在一些深度還進行現場十字片剪試驗與透水試驗，並取地下水樣以進行水質試驗。岩石試體則抽樣進行點荷重試驗。另沿線還進行地層電阻試驗以提供不同深度之地層電阻係數，以為機電系統接地極鈑規劃設計之參考。 室內試驗則包括一般物理性質試驗、剪力強度參數試驗（直接剪力、無圍壓縮、不飽和不壓密不排水與壓密不排水等三軸試驗）、體積變化試驗（單向度壓密試驗）、透水性質試驗與土壤化學試驗等。受委託之專業公司根據初步規劃路線之型態，將現場調查結果提出地層分佈資料、土壤力學參數、地下水位及水壓分佈，以供爾後細部設計顧問及施工廠商參考使用。水質分佈與土壤化學試驗結果，則被用來衡量結構體為達成使用壽命（100年）所應選擇水泥種類和施工中可能使用穩定液效果評估之參考（林軒等，1989）。 2. 補充地質調查及額外鑽探 在細部設計進行時，細部設計顧問公司可依各種工程狀況、地質需要或工法上之考量，提出其補充地質調查計畫，以求得其細部設計所需之資料。這些補充調查項目除加強初期地質調查之資料外，一般還包括比較特殊狀況之試驗，如動力三軸試驗、試坑之挖掘、大型抽水試驗與現場側向壓力試驗，地球物理探測與錐式貫入試驗等等。 在施工階段除高架段合約明定在每一橋墩位置，需在基樁施工前施鑽一孔以確定承載層位置外，其他如地面、地下或車站、機廠各種亦編列適當之預算（通常以一式方式）由承商依需要提出額外的補充鑽探計畫，經工程司同意後即可進行地質調查工作。 3. 地下水位與水壓觀測 由於臺北盆地曾因大量超抽地下水，而使水壓分佈呈非線性分佈狀態，為確實了解水位與水壓分佈狀態，以為側向力分析、抽水與工法選擇時之參考，在地質調查中於不同位置、不同深度埋設了大量水壓計與觀測井，並委託專業顧問公司每月量測一次，觀測結果每季出一份報告以提供給設計與施工者參考。根據過去多年來之觀測結果顯示台北盆地地下水位及水壓有逐漸回升至靜態分佈之趨勢。 (四) 相關大地工程課題 1. 地面機廠與地面段 地面機廠與地面段（如淡水線關渡竹圍一帶），通常會面臨較大之填方工程。因此，對所欲使用為借土區之材料，應取樣進行一般物理性質試驗，以確定此材料符合規範規定；並進行土壤夯實試驗，求取此材料乾土單位重與含水量關係圖，作為爾後檢核現場滾壓夯實效果之依據。 填方時應先進行試壓工作，以建立滾壓次數、每層厚度、灑水方式等，並進行工地密度與含水量測定，以確定夯實度能達百分之九十之要求。工地密度試驗可以傳統之砂錐法進行，亦可用核子密度儀法進行。 北投機廠與部份地面段地區，因地表下有厚度甚厚之軟弱粘土層，曾特別以預壓方式配合垂直排水帶，以加速粘土層之排水速率，提高土壤之剪力強度與減少其壓縮性。垂直排水帶的間距為1.5至2公尺，呈三角形分佈，深度約20至30公尺，填土厚度3至4公尺。 2. 高架段 目前高架段之橋墩皆設計以群樁為基礎，樁之口徑約1.0~1.5公尺以點承樁為主。在木柵機廠基礎部份，則有直徑2公尺長度12公尺左右之短樁（或稱墩基）。小部份北投地區、木柵線尾軌、內湖線部份路段因承載層較深，樁以摩擦力為主。因台北盆地地層下陷情形已有舒緩現象，基樁設計時淡水線有考慮可能之負摩擦力外，其他地區則無。 樁施工方式沒有限制，承包商得標後可提施工計畫，經捷運局同意即可採用。目前進場的機具常見約有反循環式或全套管式，而木柵線靠近山區一些短樁因無地下水且位於風化岩層中無崩孔之虞者亦有用人工挖掘方式施工。 基樁鑽孔完成後需做垂直度檢測，百分之二十以上之樁在澆置混凝土後，需進行完整性檢測，以檢核樁體是否完整。完整性檢測可採跨孔式超音波（Crosshole Ultra Sonic Method），一些短樁可用鎚擊理方式（Hammer）進行。若發現有斷樁現象，則需鑽孔灌漿或以鑿除方式處理。 另試樁方面則可分前期載重試驗（Prelimary Pile Load Test）和基樁驗證試驗（Pile Proof Load Test）。前期載重（林軒等，1980）應在基樁工程一開始時進行，係在樁身與底部設置一些監測儀器，在試樁過程可了解樁身摩擦力之分佈與點承力之大小，目的在證明工法之可行性與檢核設計使用之土壤參數是否合理。證實試驗則每三百支基樁必須至少進行一組，以品質控制為目的。試樁的方向包括垂直壓力、拉拔與側向等三方面。 3. 明挖覆蓋段 部份地下車站、隧道段、與潛盾隧道之工作井，有因地質狀況限制或開挖斷面太大或經濟方面考量，而採明挖覆蓋方式施工。 明挖覆蓋式之擋土結構大都採連續壁方式，連續壁因狀況不同，厚度約在0.8至1.5公尺之間。貫入深度則一般為開挖深度之0.7至1.2倍左右。設計時需考慮開挖面之穩定性、底部隆起、管湧和上浮等問題。另開挖所可能引起鄰近地區之沉陷，亦需估算與處理。一般細部設計顧問公司常用之分析軟體有Sheetpile Ⅱ、Wall 3、Flac、Excav、Rido 3 & 4等程式。 在過去工程中較特別的地區如位於新店之工區，其因地質特殊隧道位於卵礫石中，根據地質調查結果此層卵石粒徑可達30公分，此段明挖覆蓋之擋土結構係建議採用兵樁與噴泥土方式（Soldier pile with shotcrete），惟安裝兵樁時應注意噪音、振動等環保問題。 台北市捷運系統目前使用之隧道斷面為內徑5.4~5.6公尺外徑6.1~6.3公尺，相同地對施工機具並未加以限制；承商可提其認為適當之機具，然因台北盆地地下水位很高（約於地下2公尺左右），且隧道大都位於第四次層（粘土）或第五層（細砂）之間，一般泥水平衡式（Slurry Shield）和土壓平衡式（Earth Balance）或兩者混合式之機具（如加泥土壓平衡式潛盾機）被認為經濟安全之施工方式，但亦有配合壓氣工法式之潛盾機被採用者。（一）泥水平衡式：此機型多使用在儲水砂層或穿越河川、湖泊等水壓較高之地層。（二）土壓平衡式：此型潛盾機較適於軟弱粘性土及儲水性砂層施工，適用之土質範圍甚廣。（三）加泥土壓平衡式：此機型較適宜在砂質土含量甚高之地層施工（DD188標執行服務說明書，1992）。 5. 新奧工法（NATM） 台北捷運系統除潛盾隧道間之連絡通道多採NATM工法外，另原擬採用新奧工法的路段有三處，一為木柵線福州山區之岩石隧道、一為新店線臺電大樓附近之一般土層中、另一處則在板橋線板橋站附近。 木柵線福州山區岩石隧道係用岩石鑿掘機（Road Header）挖掘後，用噴泥土（15公分厚兩層鋼絲網）作第一次襯砌。新店線台電大樓附近隧道長度僅為162公尺，依經濟上之分析顯示超過300公尺以上之隧道方用潛盾機較合經濟原則。然在軟弱土層中用新奧工法，在國內為首遭，需以灌漿、壓氣或冰凍等輔助工法來解決施工中地下水湧出與使用挖面土壤有足夠強度不致塌落。 板橋車站及其相連約340公尺範圍內之隧道段，則因施工期間仍需維持地面縱貫線鐵路運輸之暢通而無法以全面開挖方式興建此地下車站，當初規劃是以兩工作井從旁側挖方式，以新奧工法分層施築此長約210公尺，寬約8公尺高約21公尺之地下車站（Mined Station）；惟板橋站後來因改線於舊板橋酒廠內，而採傳統之明挖方式施築。 6. 建築物保護 建物保護工作，首先需針對計畫沿線受施工影響範圍內之建物及結構物深入了解；於細部設計之前，更需先進行建物識別及基礎調查工作。而對建物保護之評估，多採用捷運施工已有之監測資料回饋分析，以預估開挖引致之地盤行為；並經由蒐集之文獻資料，建立各型建物或結構物保護容許變位值，以便對建物保護方法提出有效之對策，並編列合理之保護費用。 由於捷運路線之深開挖與隧道部份之施工，可能會造成鄰近樓房發生不均勻沉陷，而導致龜裂（部份地區隧道還穿越現有建築物底部）現象；目前捷運局係將施工範圍內可能危及之房舍，採就地保護或拆遷補償的方式處理。 就地保護一般採用夯實灌漿（Compaction Grouting）、高壓噴射灌漿（Jet Grouting）、微型樁（Micro Pile）工法等方式來加固鄰近建物基礎底部之土壤，或在開挖面底部灌漿以支承樑之觀念，防止開挖面四週過度變形，惟一般費用甚高。對一些較老舊房子而不列為古蹟者，則以拆遷補償方式處理以節省公帑。 7. 地盤改良 地質改良可分為改良土壤強度、減少土壤之壓縮性、透水性等。除三、（四）.1節中所述北投地區，曾以垂直排水帶改良基地基礎下之粘土層外；後續之捷運車站為防止如粉土質細砂層等地質於地震來臨時有液化之虞，需施予適當之地盤改良。垂直排水帶係以呈三角形分佈之夯實砂樁（Compaction Sand Pile）來進行地改，但此施工法產生較大之噪音與振動問題，曾造成附近居民抗議，迫使捷運局變更設計為以高壓灌漿方式改良土質，以增加此細砂層之強度，防止可能之液化（Liquefaction）發生。 此外，木柵隧道於施工中，方發現舊有煤礦坑洞致使土壤崩落；亦以水泥砂漿填塞大孔隙，繼以矽酸鈉與水泥混合漿高壓填補小孔隙，而改良鬆軟之土層，使隧道鑽掘得以繼續。 8. 監測系統 為確保施工安全，無論明挖段、潛盾段皆埋設一些監測儀器，以觀測施工過程之壓力、變形與水位水壓變化情形；常見之監測儀器有水位觀測井、水壓計、應力應變計、荷重計、沉陷點、傾斜管、傾斜板、隆起桿、伸張儀等儀器。由細部設計提出各種儀器裝設的位置與提供預警值等資料，施工承商自行負責觀測。捷運局早期聘有大地專業顧問公司常駐工地，協助分析觀測結果，遇特殊情況時需提處理之建議；目前此一工作，均由細部設計顧問之施工階段專業人員負責。 監測系統儀器、安裝及監測費用，約佔總工程費之0.6~1%，佔的比例相當高，顯示工程主辦機關對施工安全之重視。 四、建物保護與地盤改良 (一) 概述由於都市構造物包含民間與公共之老舊與新式建築，複雜性愈來愈高，使得工程技術面臨極大之挑戰；因此如何在擁擠之都市空間安全地進行地下工程，避免影響或損害鄰近結構物，為目前都市地下工程施工之重要課題。然而，建物保護工法繁多，採用時考量之因素除土層的適用性外，建物構造型式、周邊環境、經濟性、以及承商對不同工法熟悉程度等因素皆有關聯。因此，本文以台北捷運施工常採用之建物保護方法，於四、（三）節進行詳細之說明；其中「高壓噴射灌漿工法」因主要用於地盤之穩定性及止水性等考量，諸如潛盾工作井及連絡通道等之地盤改良，其應用範圍較為廣泛，另於四、（四）節進行說明。 (二) 細部設計之基本構想 1. 預估地盤變形行為 基於開挖將造成周遭地盤變形，地盤變形之預估是為建物保護之依據。而預估之方法，目前各細部設計顧問係依台北捷運施工經驗之回饋，再配合理論分析結果予以估算，而依不同之施工方式約略彙整如下： (1) 明挖覆蓋結構及車站 依據捷運各細部設計顧問其引用之相關文獻研究顯示，開挖導致地表最大沈陷量(δvm)，可從擋土壁體之最大側向位移量(δhm)推估之，其中Mana & Clough (1981)建議δvm = (0.5~1.0) δhm，Woo & Moh (1990)根據台北盆地開挖資料建議δvm = (0.25~1.0) δhm及Hsieh & Ou (1993)認為以δhm估計δvm是為較佳途徑，建議一般δvm = (0.5~0.75) δhm，但對軟弱土壤時，δvm有時可能達1.0δhm以上（如捷運內湖線之δvm目前即採1.0δhm進行設計）。  圖三 深開挖對鄰近建築物沉陷評估曲線示意圖 資料來源：捷運蘆洲線DL131設計標SES報告，P4-5。 由圖四及圖五之關係，可知δvm = 0.00175H，δhm = 0.0025H，所以δvm/δhm = 0.7，故一般設計標多建議採用δvm = 0.7δhm進行評估（部份如捷運內湖線之明挖覆蓋結構及車站因座落之地層主要為深厚之軟弱性土層方建議採用δvm = 1.0δhm進行評估），評估之沈陷槽曲線如圖二所示，另當建物基礎座落在開挖深度(H)一半以上時，其沉陷量仍依圖三評估之。在一半以下時，則沉陷量須乘上M的折減係數，其中M=0.8+0.4(1-h/H)，h為地表下深度（DL131標執行服務說明書，1999）。  圖四 台北捷運壁體最大變形量與開挖深度比值vs開挖深關係圖(無地質改良情況) 資料來源：捷運DL131標執行服務說明書，1999、李咸亨，1996。  圖五 台北捷運深開挖導致地表沈陷關係圖(無地質改良情況) 資料來源：捷運DL131標執行服務說明書，1999、李咸亨，1996。 潛盾隧道施工將引起地盤之沉陷，影響地盤沉陷之因素甚多，有些是在設計時即能預期的，如土層應力變化、開挖面軟化、襯砌變形、潛盾盾尾之空隙漏失及曲線段施工漏失等。此外尚有許多施中不確定之影響因素如超挖或蛇行、土倉壓力控制及掘進速率等，因此地盤沉陷的評估方法，各顧問公司均參考既有之台北捷運類似地盤條件之潛盾隧道施工監測資料，利用Peck等經驗法公式推估地表沉陷曲線，並以套裝程式回饋分析結果來評估，以估算合理之地盤沉陷量。 2. 建物保護沈陷控制準則芻議 取建物保護措施與否，主要係依據建物之變位，是否超出建物之容許變位值作為判斷之基準。建物之容許變位值之建立，除依據台北捷運之土木工程設計手冊外，一般均參照所蒐集之文獻資料如Skempton. McDonald (1956)、 Polshin and Tohar (1957)、 Grant (1974)、 Burlan and Wroth (1975) 以及國內顏東利、張桂才 (1991)、歐章煜等（1992）等，對建物允許沉陷量之探討；再根據施工區域之地質調查、建物識別及基礎調查成果，衡量施工區之地質特性、建物之規模、建物基礎型式、屋齡、屋況等資料，以建立適當之「建物保護沈陷控制準則」而明訂於設計圖說與施工規範中。  一般進行地下工程開挖施工時，常導致鄰近地盤位移、鄰近建物及結構物產生沉陷及傾斜之情形。在沉陷及傾斜量超出結構物之容許值前，必須採取適當之保護措施。台北捷運系統之地下工程施工，主要包括明挖覆蓋及潛盾隧道施工兩種，其中深開挖工程常見之建物保護方法，如圖六所示，依其應用原理及施作位置基本上可分為三大類型，包括： (1) 開挖基地內之方法 開挖基地內施作：包括 (a) 地中版（Grouting Slab）－採高壓灌漿方式施工。 (b) 地中樑（Transverse Beam）－採高壓灌漿或構築連續壁方式。 於開挖基地內施作建物保護施工之主要原理為：(i) 增加被動阻抗力，減少貫入深度及側向位移。(ii) 減少擋土設施的應力與應變。(iii) 增加土壤之抗剪力、地盤反力、承載力。(iv) 改良土壤之透水性，提高止水效果。(v) 用以補救擋土壁的施工或設計缺失（王復國等，1998）。 《未完待續》 |
