靜水壓力釋放層技術∼
在上海市地下空間結構抗浮工程中的應用價值分析

□章致一／中聯工程顧問股份有限公司 總經理 土木執業技師
□束 昱 ／上海同濟聯合地下空間規劃設計研究院 院長 同濟大學教授
□李明書／中測科技股份有限公司 經理


靜水壓力釋放層(基底減壓工法)工作原理
摘要
        上海正在發展成為國際化大都市，地下空間資源勢必被加速開發利用。由於上海特殊的地質條件，對地下空間結構物，必定有浮力與承載力不均問題，從而產生對基礎結構體差異變位元過大的裂縫與壓力滲漏等後果。本文系統介紹在臺灣早己發展成熟的岩土工程新工藝---靜水壓力釋放層技術(1)。因靜水壓力會對地下空間結構的基版底形成浮力，經由靜水壓力釋放層，可以改變為基底局部土層為滲流網狀態，浮力由土重平衡便不需額外結構體的平衡。該項新技術與傳統的抗浮樁等技術措施相比，具有工期短、成本低、耐久性好、安全度高、水資源可綜合利用等特點，是一種綠色低碳型岩土工程新技術。根據臺灣地區多年的研究與應用實踐證明，該項技術在大陸及上海地區的地鐵車站、多層單建式地下車庫、多層裙房地下室等地下空間工程中具有良好的實用推廣價值。

一、前言

        國際大都市的發展過程，當地上空間不足與土地價格昂貴時，開發利用地下空間是一種主流發展趨勢。地下空間工程自然有很多岩土工程問題，尤其是深開挖基坑與地下公共工程。本文就地下空間結構物基礎版下的長期靜水壓力(浮力)，針對結構體局部與整體穩定的影響及單層基礎版在靜水壓力的滲漏問題，提出兩種符合岩土工程理論的不同解決方案，並進行不同價值效益分析，為決策者選擇提供科學依據。
        根據調查分析，目前上海市對於基礎版下長期靜水壓力問題的解決方案，主要採用版基承受靜水壓的水壓力，成為版底上浮力，集中由抗浮基樁傳遞至超固結的土層，以摩擦力錨固，做為解決方案。此方案是類似樑柱結構系統的力學架構(圖1)。至於基礎底的單層基版尚有滲漏問題，則採用自然蒸發、補漏、導水或防水工程維修處理。
        多年來，抗浮基樁被認為是安全、可行與符合力學與規範的解決方案，是結構上最佳解決方案。但是，隨著新科技的發展與應用，岩土工程界已經認為這並非是唯一最佳解決方案。近年來，國際與臺灣的岩土工程界，在具有適當低透水性的地質條件及擋土設計，利用滲流壓原理，將作用於基底版的靜水壓力，完全轉移至基底下的土重承受(圖2)的解決方案。這項利用滲流壓原理的岩土工程技藝，已經過二十年以上徹底的研究，完全成功的實踐案例超過五十個。2010年6月，經過上海市建築建材業市場管理總站的審核和批准，由臺灣中聯公司發明的靜水壓力釋放層技術已經被認定為上海市新技術新產品標準。該項新工藝新技術產品在臺灣己非常成熟，具有先進技術性、創新性，與抗浮樁產品比較，是一種綠色建築工程技術新產品。且在不同制高點的價值層次、效益都非常高，所以不論在符合安全、品質，對開發與建築業主均有實質的價值利益，對上海市地下空間的長期發展，及國家的節能、減碳政策，都可以發揮積極有效和顯著的價值效益。

二、地下空間結構體的浮力與壓力型滲漏問題

        假設建物生命週期的最高水位為地表，建物中空基礎的開挖深度(圖3)，即基底，基底的最大靜水壓力(最大水浮力)：
        
        地下空間結構，類似地下涵洞空間(圖4)，且位於地下水位面以下，則此地下空間的頂面與底面間的水壓力差等於涵洞空間的高度：
        
        當結構體的單位重量小於結構體排除的水重時，整體結構便有緩慢隆起潛能；即使結構體的單位重量大於基底的單位靜水壓力產生的浮力，仍需考慮基礎底版靜水壓力對底版本身的結構行為。底版下保持長期靜水壓力，由混凝土施工縫及收縮縫的壓力水滲漏問題(照片1、2)。


三、固定功能型需求，不同的標準解決方案

        固定功能型的問題必有明確的多重的解決方案—不同學科的思維，形成不同標準化產品的解決方案
         (一)以結構力學原理的解決方案
        針對基底靜水壓力過大，會使基底隆起、破裂或上浮的功能需求。規劃期若採用結構力學原理為思維的解決方案如下：

        此種標準化解決方案的結論，抗浮椿產品是解決基底因浮力產生隆起、裂縫問題不可或缺的零件。以結構力學的觀點，抗浮樁是此種解決方案的必要關鍵產品。且抗浮基樁已行之多年，有設計規範，是最可靠、有效的最佳解決方案。
         (二)以岩土工程動態滲流壓原理的解決方案
        針對基底靜水壓力過大，會使基底隆起、破裂或上浮的功能需求，以岩土工程的動態滲流壓原理為思維，提出解決方案：

        在公式(3)中，基底向上的浮力是結果，而基底靜水壓力才是真正原因。因此，利用岩土工程的滲流壓原理，只要有效降低基底版下的靜水壓力。當靜水壓力可控制時，浮力便不是必然須解決條件。因此，公式(3)中，基底向上的浮力顯然由基底靜水壓力控制。所以，在適當的地質條件與深基坑的擋土設計，若能有效降低基底下因水位產生的靜水壓力，且土層承載力足夠時，便不需要公式(4)中的抗浮椿。因此建造抗浮樁所衍生的問題，須消耗鋼筋混凝土、汽油等重要資源及造成環境污染、工期、資金周轉的問題皆一併消除。
        上海市的主要地質構造，是河海相的沈積地層，依地層中的粒間主應力與地質歷史分析，上部約25～30m為正常壓密態(NC)的沈積層，下部為經歷冰河期超固結壓密態的沈積層。此種地層構造超過2/3為ML與CL地層，其中ML沈積層的透水係數約為，CL粘土層的透水係數約為，皆為低透水性至近似不透水性地層。此種地質構造最適於採用岩土工程滲流壓原理，解決基版下靜水壓力造成過大浮力問題，而且愈深的基坑有愈大的價值效益。
        以岩土工程的動態滲流壓原理，在基底下裝置的靜水壓力釋放層，將滲流至此層的滲流水排除時，因低透水地層的阻抗非常大，使滲流速度非常緩慢，當土層的有效土重大於滲流的阻抗力時，滲流水的壓力經由阻抗力而轉成與有效土重的平衡，且不影響基坑外滲流網。

四、兩種解決方案的價值比較

        以岩土工程的專業，抗浮樁在正常壓密態(NC)沈積地層的摩擦力很低，某些地區的岩土規範中規定，在重大公共工程中只能採用混凝土的有效重，只有在超固結土中才能採用超固結部份的主應力與椿表面產生的摩擦力。施工層面而言，抗浮樁必須用重大機械施工，及產生的廢棄物，嚴重影響周遭環境：交通、二氧化碳、噪音、震動、空氣污染等專案。對開發商與社會層面，抗浮樁佔用較多的要徑工時與成本，對業主的財務影響非常大。且抗浮樁必須使用國家寶貴的資源—汽油、鋼鐵、混凝土、廢棄物、重機械、交通、污染等，影響國家整體經濟持續的發展潛能。
        以建物生命週期及整體社會資源判斷，抗浮樁造成地下空間污染(已知目前的深基樁已至GL-80m)、妨礙都市地下交通及公共設施發展的空間(很多國家定義地下空間超過一定深度是屬於國家的資產)。未來都市改建或房屋重建，基樁必須拔除，不但形成另一種廢棄物，且妨礙基礎施工及破壞爾後地下基礎的地層構造。
(一)兩種解決方案的優缺點
        針對基底靜水壓力過大，針對基底隆起、破裂或上浮的功能需求，假設以抗浮基椿產品及靜水壓力釋放層產品做為解決方案時，以工作流程、時間、工期、環境因素及國家資源等專案，各自優缺點如表2所示。
表2　兩種解決方案的優缺點

五、依不同制高點的價值效益

        不同的解決方案，站在不同的制高點(位階)，考慮影響的關鍵因素便不一樣，因此，產生的價值效益比便不一樣：

(一)對開發商／建築公司的價值效益有關



(二)對總工/總經理的價值效益有關

(三)對規劃者/設計院的價值效益預估

(四)對上海市/國家的價值效益預估

六、結論

        通過上述分析比較可以看出：在有效解決地下空間結構的抗浮問題上，抗浮基樁與靜水壓力釋放層，都符合工程力學原理及設計規範，但引用的思維及解決問題的側重點不同，不同解決方案的投入產出性價比也有顯著差異。當考慮建物生命週期包含較長的時間，包含上海市未來公共地下空間(地下交通)的發展及國家整體資源與經濟發展潛能時，會得到不同層級的價值效益。對於重視資源、環境、效率、效益的上海及大陸地區，針對解決相同功能問題時，不僅應考慮建設階段的短期費用，更應考慮地下空間設施的整體及長期的價值效益，作為選擇與決策的科學依據。
        筆者認為：已經在上海獲得政府推薦推廣使用的“靜水壓力釋放層技術產品”，在有效解決地下空間結構的抗浮工程應用中，具有非常顯著的成本經濟價值、環境效益價值和綠色低碳價值，具有良好的推廣應用潛力。

說明

         (1)靜水壓力釋放層技術-此項技術產品由中聯工程技術顧問股份有限公司於1990開始研發，最初名稱為「筏基減壓工法」，並取得六個國家專利及多項授獎表揚。本工法自研發完成迄今已在台灣地區圓滿完成50餘個案例，期間經過多次改良，適用性涵蓋筏式基礎、版式基礎及筏版基混合設計等多種基礎型態。為配合其多樣性運用功能，於台灣地區更名為「基底減壓工法」，並於2010年推廣至中國大陸上海市，經中國國家級專家認証，評定為「上海市建築產品推薦性應用標準」。為配合本工法原理特性，經專家建議，於中國大陸使用之標準化產品名稱為「CMC靜水壓力釋放層技術」(Technical for CMC hydrostatic pressure relief layer)。本技術產品具備標準化製程條件，針對相同功能性問題，以一定的SOP作業流程、材料及符合國際品保認證ISO管制程序，可提供業主可靠、有效的專業解決方案。