基礎深開挖砂湧災害控制與復建案例之探討

□孫洪福／前榮民工程股份有限公司站長 根基營造股份有限公司副理
□張博碩／張弘憲聯合建築師事務所 專案計畫主持人

摘要
        營建工程深開挖工作，為目前大型公共工程所經常進行的工項，然而深開挖進行中所遇到的變數卻也往往不可全然預測與防範，一旦發生災變，也是最容易引起一連串連鎖的災害。其中，砂湧現象為深開挖過程最常見之災變來源，本文將以一實際災變經驗為例，自施工過程主要現象的發生、災害搶救控制，一直到復舊完成，依據砂湧理論背景、地層特性、探測資訊與監測儀器資料之一系列回饋與分析過程進行完整探討，藉由本案例循序漸進之策略研擬與處理方法，以期尋求並建立有效的災變因應模式，提供相關基礎工程施工借鏡與參考。

一、前言

        大型的公共工程，無論是交通運輸工程、都市維生管線工程或建築物之興建，時常須在有限的用地下進行最佳化之規劃與運用；並且在人文景觀、環保意識與減少對交通及環境衝擊之原則下，基礎建設朝向地下化與基礎深開挖的規劃與設計，在台灣已儼然成為一股趨勢。在近年來，捷運工程、鐵路地下化與電力電纜線的地下化佈設等便是最佳範例。然而，由於地下化與深開挖的規劃，加上地質條件的高度不確定性，工程災害的發生便爾有所聞。災害的發生並非是瞬間，施工過程中一定有脈絡可循，本文以筆者參與之「地下電纜線路暨冷卻機房工程」為例，探討冷卻機房深開挖過程中之砂湧災變事故之處理，並在災變發生時，如何進行災害控制並藉由相關資料尋找出問題之所在，提出具體解決方案，以順利完成復舊作業。本工程基地及相對地理位置如相片1所示，相關基本資料如表1所示。

二、開挖基地內砂湧事故

(一)災害事故發生原由
        本工程於連續壁及基樁工程完成後遂即進行基礎深開挖作業，開挖期間基地內設有二處抽水井，井深28m；基地外部四角隅處則設有四處緊急抽水井，井深16m。在前六階段開挖期間，均能有效地降低基地內水位。但於第七階段開挖前，基地東南側地下水位抽降不如預期，無法完全將該區域地下水降至開挖面下。地下室工程進行至第七階段開挖時，沿基地東南側距連續壁2、3單元交接端鈑50cm附近開始出現滲水情形 (如相片2所示)。
        惟於基地外部開始緊急降水後(GL-5m，常時地下水位為GL.-3m)，基地內水壓力降低，滲水情形改善後，施工持續進行。待最終開挖至EL.-13.05m、GL.-23.65m時，滲水再次發生，且基地內外之抽水井即使搭配使用，但滲水情形仍無法有效改善，因此現場安排鑿井機具至開挖面，欲增加施作一處臨時抽水井，預訂鑿井深度與既有抽水井相同(如相片2所示)，以處理積水問題，惟處理期間自井孔發生明顯滲流與湧砂現象，雖經緊急處置，湧砂量持續增加，導致基地周圍地面產生沉陷，鄰近矮牆與排水溝渠結構產生裂隙(災害事故之相關情形如相片3所示)。
(二)緊急應變處理與災害控制
        砂湧事故現象發生之時，立即採取向開挖區內回注水方式，平衡內外區之壓力，並歷經近12小時處理過程，自監測資料得知，連續壁與支撐系統已經穩定。相關緊急搶救措施處理步驟如圖一所示。砂湧事故發生後，立即對裂縫沉陷處進行回填與灌漿固結處理(如圖2所示)，同時加強基地安全監測、水位觀測，砂湧量測定與補充地質鑽探取樣及進行基地四周之災損調查，以穩定工區環境，控制災害影響程度。此一連串災害控制措施，事後證明已有效的防止災情擴大及引發連鎖效應，避免導致鄰近之高架道路與連接地下室之潛盾洞道位移破壞。

圖1 冷卻機房基地砂湧事故緊急搶救措施處理流程圖

圖2 冷卻機房基地砂湧事故沉陷區域緊急灌漿配置圖
        圖3為基地內原埋設之水壓計所測得之水頭高度變化，圖中亦標註第四至第七階段開挖時間與開挖面高程。自圖3與圖4得知自8/05發生日至8/15日間，基地內水位自開挖面下2.1m(EL.-15.1m)變化上升約為12m至高程值EL.-3.1m處。事故及復舊期間基地外水位井觀測結果如圖4，事故前南側地下水位約於EL.+5.2m，砂湧發生後開啟區外抽水井後，基地外南側監測水位資料最低達至高程EL.-0.5m。

三、事故處理與探查－由事故現象及影響記錄探討災害模式

(一)事故後基地內淤砂量預測分析
        1.基地內積砂：現地開挖區內注水及湧砂現象穩定後自第四層支撐位置量測該量測點之砂堆深度，以第四層支撐所在高程扣除測得之砂堆面高度，可求得砂堆頂面的深度。以現地於事故發生時已開挖至GL.-23.65m處，該量測點的砂堆厚度即為GL.-23.65m扣除砂堆面的深度，結果如表2及圖5所示。自積砂厚度測量可知，東南端積砂厚度最大，約在3.5m~5.5m間，積砂似由基地東南端向四周漫延，全區積砂厚度至少1.2m，經推估計算總積砂量約為1,409m3。
        2.基地外沉陷區域深度量測：南側連續壁外地面產生深度3m~5m的下陷量，面積約45m2；西側連續壁外地面產生深度約4m的下陷量，面積約20m2；東側連續外帶狀區域產生約30cm下陷量。
(二)補充地質鑽探－基地地層特性之分析
        為能瞭解開挖區外地層與水文特性，作為後續復舊計畫參考，因此在砂湧區域內外進行密集之補充地質調查與探測。事故後先於基地南側進行C-1孔鑽探，但僅以洗孔方式研判下陷區之地層分佈，施作深度至39.0m處。並配合後續施作三向度跨孔地電阻探測，另於基地外施做7處鑽孔，在基地內施作4處鑽孔，鑽孔位置如圖6所示，部份鑽孔隨鑽探進尺施作標準貫入試驗，並取得劈管土樣進行一般物理性質試驗。
        依鑽孔位置將砂湧事故後之基地外南側與西側補充鑽孔，以基地南側、東側補充鑽孔之土層剖面及細部設計基地內二處鑽孔進行比對，相關鑽孔位置如圖6，前後兩者鑽探資料之土層剖面對照如圖7所示。自事故後補充鑽探與試驗結果，基地連續壁外東南側的土層分佈尚稱一致。土層特性可概述如下：
         (1)自原地表(高程約EL.+9.7m)至高程約EL.+0.0m間為回填土或軟弱稠度之粉質黏土， 夾有粉質細砂或粉土層。黏土層N值約為3~5 。
         (2)高程EL.+0.0m至高程約EL.-22.5m間為粉質細砂夾砂質粉土或粉質黏土。參考原鑽探資料，當時鑽探所得此範圍砂土層N值多在15~36間，屬中等緊密砂土。但事故後南側鑽孔C-2之N值僅在6~18間，多為疏鬆砂土層。在基地東側C-4與C-5鑽孔，高程-13.0m以下砂土層N值介於21~25之間。
         (3)高程EL.-22.5m至高程約EL.-24.5m間為堅實粉質黏土或緊密砂質粉土，N值大於26。
         (4)高程約EL.-24.5m至高程EL.-26.8m間為極緊密粉質細砂，此範圍土層已位於連續壁底端，所得N值多大於40。
         (5)高程約EL.-26.8m以下，轉為極堅硬之粉質黏土或粉質泥岩，其N值大於30。在基地外局部鑽孔高程約EL.-27.5m至EL.-28.5m間，鑽得厚度1.0m至1.6m之粉質中粗砂夾礫石層，其透水性較上層粉質細砂為大。自南側補充鑽孔C-2得知，在深度33.5m以上的土層因湧砂事故影響，在事故後土層之SPT-N值，比規劃階段鑽探調查所得之N值為低，研判可能是土壤因湧砂，水流夾帶砂土形成空隙，土砂流入基地內，而使該深度範圍砂土層受到明顯擾動。至於高程約EL.-26.0m以下之中粗砂層，雖然其上存有細顆粒含量高之粉土或黏土層，但自埋設之水壓計量測資料結果，此一層次的壓力水頭多在高程約EL+5.0m左右，但深度16m量得之地下水位多介於高程 EL +6.14 ~ EL. + 6.86 m；意即深層之中粗砂礫石層並未存在較水位還大的水壓(如圖7所示)。

(三)基地破壞程度預測
1.連續壁單元完整性超音波檢測結果
        本工程連續壁施工共採28單元施作。各單元內配合鋼筋籠施作設置音波檢測管，並於澆築完成後，依規範規定進行各單元音波檢測。按實務經驗，跨單元端鈑間之檢測結果受端鈑材質及形狀影響，不易判讀檢測結果，因此單元內之檢測管測線上，並未施作跨單元探測。基地南側及東南角隅之鄰近連續壁各單元，其連續壁音波檢測結果皆為正常；然因本處為砂湧沉陷最大區域，研判可能存在一砂湧路徑於其中，故為探測之主要首選位置所在。
2.連續壁東南端三向度跨孔地電阻探測(3D-RIP)
        事故發生前，於最後第六及第七次兩階段開挖期間，東南端壁面第2及第3單元接縫附近為最先出現滲水的區域，但依據施工過程之超音波檢測結果，顯示南側第1、2及3 單元內測線間並無異常情事；惟依據基地南側最大沉陷區域所在之研判，故在調查可能之滲水路徑時，即先針對南端1、2、3 單元間的連續壁壁體及接縫進行調查，並在1〜3單元間採用非破壞性之三向度跨孔地電阻進行探測。探測孔SP1-1、SP1-2、SP1-3位於連續壁單元內，SP2-1、SP2-2、SP2-3位於連續壁單元外，探測範圍沿連續壁方向長度為4.0m，垂直連續壁方向長度為3.0m，探測孔佈設情形如圖8所示。
        三向度跨孔地電阻探測係要求得地層的電阻分布情形，地層的電阻率與地層的水含量、鹽度及分佈狀態有關；也與組成地層的固體顆粒的導電性有關。一般地層的電阻率主要決定於地層中水的含量、鹽度及分佈狀態。水的含量愈高、鹽度愈高或水的連通性愈佳，其電阻率愈低。地層的粒度愈細，其可交換離子(exchangeable ions) 愈多，電阻率愈低。因此可以由地層的電阻率研判地層的含水程度、粒度及岩性；並藉以研判地層的形貌及構造。但相同岩性在不同的區域所顯現的地電阻值差異非常大，地電阻量測成果必須配合當地地層狀況與探查之結構體組成加以比對，其地電阻影像剖面只能代表現地地下地電阻的相對性。本次探測係於事故發生且完成全面性低壓填充灌漿後進行，所得地電阻影像僅為事故後現況的探測結果，無法作為回溯事故前壁體與土層狀況之判斷資料。
3.三向度跨孔地電阻探測結果
        以基地內SP1-1探查孔為資料說明之原點 (X, Y, Z = 0, 0, 0)，X軸向東(向第三單元)漸大， Y軸向南側(基地外)漸大。將試驗區域內長寬深為3×4×27 m，總體積為324m3之地電阻資料，沿X軸方向每隔間距0.5m，整理求得Y-Z平面的地電阻影像剖面，如圖9所示。圖10為地電阻之立體展示圖與透視圖。自地電阻探測結果，有幾個區域為相對電阻值變化特殊之處，參酌連續壁壁體配筋及灌漿施工特性，綜合研判如下：(1)於X=3〜4m附近(第2與3單元接縫西側)深度約22~23m間(EL.-12.2〜EL.-13.2m)存在一相對低電阻區(圖8中間綠色區域)。該深度接近最大開挖面，亦為基礎版與地樑位置，連續壁內綁紮有結構預留筋，其尺寸多為D32鋼筋。研判局部預留筋影響電阻量測，此一量測誤差導致該區域相對低電阻的效應。

        此外，在深度37~39m間，亦可發現低電阻區塊。雖自RIP探測結果無法具體判定造成低電阻率之成因，但該二處可能是一個相對較弱的位置，此一研判結果將作為後續復舊方案研擬之重要參考。(2)圖9顯示在開挖面以上，連續壁內側深度約15.5m及18.3m附近存在高電阻區，研判為鋼支撐之型鋼材料，造成量測上的差異現象，而非壁體材料反映之高電阻率。(3)在深度31至36m附近，可看出電阻率特高的現象(圖9深紅色區塊)，量得的電阻高出一般連續壁混凝土的電阻率，但多位於Y=1.0~2.0m間，可能是局部瑕疵填充之灌漿材料所反映的電阻特性。

四、復舊計畫與方案研擬

(一)復舊工作處理問題
        為妥善安全地完成復舊工作，本次基地砂湧事故必須處理下列問題及提出因應之解決策略方案：
        1.封閉可能之湧砂通道：經RIP探測及研判，基地內湧砂可能由壁體單元接縫中相對較弱之間隙流入基地內。依補充地質調查資料，在局部區域之連續壁底下仍有厚度約3.0m左右之粉質砂土層，若以最保守之考量，連續壁底存在一滲流通路。雖然在搶救應變階段已施作區外的低壓充填灌漿，但是否已完全填補壁體或壁底的通路尚未可知，為進行基地內清理、開挖與建築工作，必須有效地封閉可能的通道。
        2.維護復舊施工之安全性：為要封閉湧砂的通路，預定以灌漿方式施工，但灌漿施工將對連續壁及支撐產生額外之應力，故需防範復舊施工對現有安全措施產生的不當影響。
        3.確認現有安全措施之穩定性：由於基地內積水對於基地外灌漿施工提供了支撐的效應，可減少雙環塞止水灌漿對擋土支撐的影響。但區內積水終究需要抽除，在抽除積水時，基地內支撐將承受區內解壓的效應。此外，由於第三至第六層支撐位於積水內時間逾兩個月，支撐結構與受力是否仍維持穩定，需要在復舊施工時逐層進行檢核，方能確保最後清理積砂作業的安全。
(二)解決方案之規劃與施作－雙環塞灌漿
        針對初步探測所得壁體或壁底中較弱區域，決定選擇採用壁體外雙環塞灌漿方式施作，本工法為排除影響灌注效果和施工等不安全因素之現行灌漿工法中可靠性最高之灌漿工法。本工法之特徵如下：(1)利用灌漿導管(Sleeve Pipe)可施灌多種灌漿材料於需要之位置。(2)可以均勻的依照計畫之範圍施灌灌漿材料。(3)沿灌漿導管上下可選擇任意之灌注位置。(4)同一位置可灌注不同種類之灌漿材料。相關施工規劃配置如圖11所示。
        灌漿施工自連續壁第1、2單元交界起施作長度約10.9m，寬自連續壁外側起施作2.0m範圍；灌漿管將自高程EL-25.4m以下預留至-30.23m處(即連續壁底下4.83m並深入補充地質鑽探結果為低透水黏土層內約2.0m)。灌漿施工按兩階段進行，依據三向度跨孔地電阻探測結果，第一階段灌漿深度在EL.-9.4m 至EL-25.4m間；第二階段係利用預留之灌漿管進行EL-25.4m以下至EL-30.23m間灌漿施工。
        沿壁體長約10.9m範圍內，先以鑽孔機置入套管並於套管內灌入標準配合比之封堵材料，繼而將外灌管依順序銜接，裝入套管內；再拔除套管使封堵材下降逐漸填滿至孔口為止。分兩次進行灌漿，第一次灌注以水泥皂土液(CB)填充土、砂空洞、軟弱部、水路等大間隙。第一次灌注完畢開始第二次灌注，用可滲透至土壤顆粒間之溶液型漿液；封堵材與第一次灌漿材料均採用懸濁型水泥皂土液。二次灌注材(SL)則以水玻璃及SL反應劑為主。灌漿區完成後進行共進行兩組透水試驗，其試驗值分別為：(1)深度25~26m之透水係數為5.94×0-6 cm/sec；(2)深度28~29m之透水係數為8.05×10-6 cm/sec。依其試驗結果顯示所進行之灌漿區域已形成一止水區塊，有效封閉可能之湧砂通道。
(三)基地內降水計畫與執行
        在緊急搶修作業與止水灌漿施作完成後，基地內積水位於連續壁現有頂端(高程+9.8m)以下約7.3m處，即積水深約15.6m。抽除積水為後續清理施工必要之措施，在抽除積水或停止抽水期間，亦可以觀察基地內積水壓力解除時，原來湧水湧砂的情形是否還會因此而產生，以檢核止水灌漿的成效，各階段降水程序規劃如圖11所示。抽除積水在南側壁體外雙環塞灌漿施工後進行，現地抽水井與水位水壓監測設施佈置如圖13所示。抽水設置相關的監測設施包括：(1)基地內電子式水壓計共裝設6處，在原3處探查孔內裝設電子式水壓計，深度分別在24m~25m間，以及較深之34m~37m間，（EP2-1, EP2-2, EP2-3）。另在基地內施作3處，埋設深度在26m~28m間（EP2-4, EP3-1, EP3-2）。(2)灌漿區外電子式水壓計共裝設2處，深度分別在20m與38m。（EP1-1, EP1-2）。(3)東側基地外水位井與水壓計：利用東側補充鑽探之C-5鑽孔，設置深度16.0m之水位井以及深度38.0m之水壓計。(4)為了因應復舊期間再次發生意外事故的可能性，於灌漿改良區外重新設置抽水井2處井深20m，以於必要時降低區外水位。因應抽水工作，待電子式記讀系統測試完成後，現場自10月19日開始抽除基地內積水，降水過程並區分為四個階段。
        本次降水過程於第四階段基地內東南側水位自深度16.8m降至19.2m處，在第六層支撐與積砂面已經出露，且在第六層副撐上發現湧砂處堆積一凸起直徑約1m之砂湧噴出口，噴出口表層覆蓋著凝固後之灌漿材料(如相片4所示)。並且發現自連續壁側仍有產生滲水情形，在逐步清理滲水區覆土後可發現滲水自S處滲水點滲出，如圖13所示。因應S滲水點滲水，再次開啟內外共三處抽水井，且進行南側雙環塞灌漿區補灌漿作業。

(四)異常狀況與研判處理
        自11/01日起至11/03止依序沿南側連續壁旁進行人工開挖，採分階槽溝方式開挖至原預定開挖深度22.85m處(EL-13.05m)並安排機具開始積砂清理工作，但在11/04上午約10:00時，東南側清理後之覆土區內出現滲水現象(稱之為E滲水點)，該處滲水係自8/05日鑿井後預留孔位置湧出。11/04日晚間安排鑿井廠商於E滲水點四周佈設四支點井並開始運作。E滲水點雖已施作點井，但滲水量並未減少，惟在點井施作範圍深度約26m附近，鑚得疑似灌漿固結後堅硬漿體，且在噴出口四周呈面狀分佈。11/05日再次檢查雙環塞灌漿管測試壓力，但均未發現壓力異常現象。這段期間基地外東側電子水壓計C5深度38m之深層水壓持續下降，研判此深度38m可能存在一滲流路徑，連續壁並未完全阻絕地下水所產生之滲流。
(五)緊急應變處理與復原
        綜合區外深層水壓變化情形，研判後決定緊急在東側連續壁外側施作深水井(編號為PW-E1)，施作深度至39.5m，但井管僅於34.0m~39.0m間開孔，抽水井內馬達置放於深度約38.0m處。11/7日傍晚開啟PW-E1抽水井後，E滲水點滲流情形減緩；11/8日再於PW-E1南側鄰近3m施作第二處抽水井(編號：PW-E2)，11/9日之後，E滲水點滲流情形轉為不明顯。基地東南側E滲流點區域在11/9日下午加深開挖，鋪設濾層將滲流導引至PW-2抽水井內，隨即整地並進行面域(長11m、寬6m、厚40cm)鋪築混凝土，以完成封頂並順利止水。
(六)基地內支撐軸力檢核
        隨著各階段抽水，自第三層至第六層支撐逐層露出水面後，依序分別測試支撐千斤頂受力情形，而測試結果顯示各處千斤頂均具有一定之軸力，並未於事故或降水期間逸失軸力。惟部份軸力呈現增大趨勢，但均未達警戒值；同時亦檢核連續壁與支撐、橫檔等構件，確認復舊後擋土壁體與支撐系統的安全性，俾以確保最後階段開挖與地下室結構施工安全。
(七)連續壁貫入深度穩定性檢核
        因應局部區域所得之土層分佈特性，在復舊抽水之前，針對連續壁貫入深度之穩定性再行檢核。由於深度33.0m之下土層仍為N值大於30之緊密砂礫土層，檢核結果顯示連續壁施作至深度GL.-35.2m(高程EL.-25.4m)，待基地內清除積水與覆土至深度GL-22.85m(高程EL.-13.05m）時，連續壁貫入深度仍足以維持穩定。

五、結論

        砂湧現象為深開挖過程最常見之災變來源，然而災變發生時重要的是如何採取有效的災害控制並且進行正確的災情研判，始能採取後續一連串的復建措施。本文中以一實際施工經驗為例，自施工過程主要現象的發生、災害的應變措施、災害破壞處的預測至復舊完成，相關結論如下：
         (一)本基地復舊過程除了阻絕南側壁面可能的壁體瑕疵外，降水期間則利用埋設之電子水壓計監測資訊，緊急應變採用基地外深層抽水，以控制區外地下水不再由可能存在之縫隙湧入區內，並且後續基地內以埋設濾管導水及澆置混凝土重力式封頂確實阻絕水壓滲流路徑之來源，為本次順利降水與安全完成之主因。
         (二)砂湧檢核與預防一般而言於設計階段前即已依據基地地質鑽探結果進行完整分析，因此在假設連續壁貫入深度皆滿足設計需求下，發生路徑的來源不外乎連續壁施工瑕疵、連續壁包泥、單元接頭不緊密、中間樁壁面滲水或其他非必要之降水施工作業等，因此上述施工過程除應落實施工品質外，更應避免深開挖後再新設深井降水施工作業，以防止深開挖期間所可能衍生之風險。
         (三)事故的發生原因因案而異，但緊急應變處理之模式則無差別，此外災變之緊急應變組織，是否能有效因應災害的控制與尋求有效支援，更是影響後續復建處理的重要因素。決策與指揮者應確實了解災害的發生來源、原因與型態，以最短時間控制災害所可能造成之影響，避免災害擴大。
         (四)依據事故緊急處理之過程，詳實紀錄災害發生時有關資料，例如：監測資料、災害範圍、破壞型式、地表沉陷量與受損資訊等，以作為緊急搶修之依據，並且提供後續作業之參考。
         (五)砂湧事故的復舊過程比初期規劃的降水開挖施工更具風險，因為災害的發生連帶結構行為、支撐系統、地層條件等設計參數與周邊環境均有重大改變，極有可能在方案選擇不當、保護措施不夠周嚴或是地質變異性的情況下衍生出二次風險。
         (六)災害事故一旦發生，則處理的時間長短、施工費用多寡與成效比例將取決於完整的資料建立與研判、專業團隊的應變分析及策略研擬、適當工法的選擇與循序漸進的有效執行。

參考文獻

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