CMC靜水壓力釋放層技術對建築產業的價值

□朱順清／亞記營造工程股份有限公司
□李明書／中測科技股份有限公司

摘要
        台灣地區民間建築地下空間需求日益迫切，目前都會區新建結構物大多設置4~6層地下室。伴隨著地下室開挖深度增加，首先面對的就是基底浮力的問題，特別是地下水位較高的區域，浮力問題的處理更是決定建築物品質及開發費用的關鍵因素之一。傳統長期性抗浮工法如：抗浮樁、壓重法等隨著基礎開挖深度增加，相對提高施工費用及施工時間，對於建築物開發成本及要徑工期造成極大的負擔。要降低這些困擾，新型排水抗浮工法-「CMC靜水壓力釋放層技術」是值得考慮的方式。
        「CMC靜水壓力釋放層技術」採用疏導方式解除地下水浮力的影響，在建築構思階段即將這種工法列入規劃，除了能得到抗浮、防滲效果外，還能因為基底水浮力(水壓力)的降低，減少部份基礎結構、擋土支撐、基底防滲等設計，達到降低工程費用與縮短施工時間等效益。唯本技術在使用上，對於地層透水性、擋土設施具有一定的要求，須經分析研判確定符合條件後方能使用，以確保長期使用上的安全。

一、前言

        隨著世界各主要都市人口的快速成長，為解決停車位普遍不足的問題，各地區大都採用配套政策，鼓勵地下空間的開發。以台灣及中國大陸為例，目前建築物開發除了法定停車位、增設停車位以外，另鼓勵開發單位設置獎勵停車位[1][2]，以優惠政策、實質補貼等方式，刺激地下空間的停車運用。此外，以節能減碳的考量點出發，地下人行通道及商業賣場等的鼓勵開發，也在許多重點都市大力推動中。
        地下室構築首先面對的就是擋土支撐、地下水浮力、地下室防滲漏等問題，其中又以高地下水位地區基底浮力問題最讓設計單位耗費心力。因為傳統的抗浮方法，花費的時間及工程費用極高，在品質、成本、工期這常呈現相互牴觸的工程三要素上，設計單位必須絞盡腦汁取得其平衡點。特別在這講求效率與效益的時代趨勢中，尋求對業主最有利的解決方案，便成為爭取業務的關鍵因素。
        針對地下水浮力問題，「CMC靜水壓力釋放層技術」兼具提升建築物品質、降低工程成本及縮短施工時間等全面性的優點，可以讓設計單位同時達到業主的多項要求，提供建築產業相當程度的價值優勢，是一項值得引用的工程技術產品。

二、CMC靜水壓力釋放層技術(CMC hydrostatic pressure relief layer technology)

        「CMC 靜水壓力釋放層技術」是一種新型排水抗浮工法，主要原理是在基礎下方建構具有過濾、導水、集水、出水等功能，且於結構物使用年限內具永久性效能的人工排水層，利用基礎下低透水地層(土層或岩層)之透水特性，將基底蓄積的靜態水壓力轉換成動態滲流壓，並將滲流至基底的地下水以自然溢流方式加以過濾、匯集後，經過氣密式的集水系統及可控制基底水壓力的出水系統，排放到筏基水箱或專用水池內，再利用建築物原設計的排水系統排除，或回收再利用的一種工程技術[3][4][5]。
        本工程技術在台灣又稱「基底減壓工法」或「筏基減壓工法」。在設計上運用複合式人工排水層及集水網管鋪設於基礎下方，以便將滲流到基底的地下水截流、疏導、排除，確保結構物基礎安全，並防止鋪設範圍上方地下室基礎版潮濕、滲漏。因此適合於新建結構物作為基底全面抗浮及防滲使用。
        由於「CMC 靜水壓力釋放層技術」與傳統抗浮工法採用截然不同的設計理念，相關各項效能比較，如表1所示：

三、CMC靜水壓力釋放層技術的價值

        傳統長期性抗浮方法如：抗浮樁、壓重法等均採用力量平衡的觀念進行設計，因此隨著基礎開挖深度增加，相對提高施工費用及施工時間。此外，結構物雖然因力量平衡而處於穩定狀態，但基礎下方仍然維持著極大的水壓力持續作用，對於防止結構裂縫及施工縫滲漏問題，需要進行更嚴謹的止漏措施。
        「CMC 靜水壓力釋放層技術」因為採用疏導方式將基底水壓力控制到一個較小的定值(通常在筏基1.5~2.0 T/m2之間；版基0.2~0.5 T/m2之間)，藉由此項作用本工程技術可以達到的效益可分為以下兩部份：
(一)工程效益
        1.保障低層區基礎浮力安全
        本工程技術可以解除地下水浮力影響，防止結構物上浮產生破壞。
        2.基礎全部改為壓力控制，降低差異沉陷產生。
        將原本高層區基礎呈現壓力控制，低層區基礎呈現浮力控制狀況，改成全面壓力控制，藉以降低差異沉陷量提升建築物安全。
        3.解除地下室施工縫長期滲漏問題
        本工程技術藉由基底全面鋪設的人工排水層，將滲流到基底的地下水截流、過濾、疏導，使其不再向上溢流到基礎版上的施工縫及結構裂縫。
        4.縮短地下室施作工期
        本工程技術於工地執行僅需要約2,000m2/2~3天的要徑工期，與傳統抗浮工法比較，可縮短非常多的作業時間，對於建築個案而言，在財務槓桿減少利息支出與提早推案獲利上，能夠提供很大的貢獻。
        5.縮短基礎構築降水時間
        在都會區進行深基礎開挖時，開挖降水造成鄰損的問題常為基礎開挖首要考慮項目。本工程技術於基礎水箱構築完成後即開始發揮作用，解除地下水浮力影響，因此在確定本系統發揮作用後即可逐步解除基地內外降水，一方面減少降水及維護人員費用，另一方面可以降低鄰損發生的可能。
        6.保障施工期間不因長期降雨造成基礎上浮或破壞
        當構築中的建築物上部重量不足卻遭逢連續強降雨時，即可能造成結構物上浮或基礎版中央產生張力裂縫，採用本工程技術可即時排除地下水浮力影響，確保施工中結構物安全。
        7.節省抗浮樁、水箱填重及防滲漏施工費用
        使用本工程技術可免除原有傳統抗浮工法的設計與施工，兼具鋪設區域全面防止地下水滲漏的危害，對於施工經費的節省，具有顯著效果。
(二)優化效益
        1.考慮部份低層區基礎改為版基
        在基底水壓力有效降低的條件下，基礎承受向上彎矩減少，低層區基礎可在不影響法規要求的功能性水池(如：消防水池)數量下，考慮將低層區基礎改為版基設計，以減少工程費用。
        2.考慮減少基礎厚度
        同上述原因，因為基底水壓力降低，基礎勁度及防止滲水等級[6]均能適度降低，因此可經結構設計單位評估後，適度減少基礎厚度或地樑深度，降低施工費用。
        3.減少挖方及擋土設施深度
        在適度減少基礎厚度、地樑深度或將筏基改為版基的條件下，因為開挖深度減少，可減少基礎底部挖方及週邊擋土安全措施的貫入深度。
        4.於減少基礎厚度及開挖深度條件下，評估減少支撐層數或數量
        在減少開挖深度的條件下，可評估在確保安全無虞情況時是否能夠減少安全支撐的層數，或調整安全支撐的間距，以節省工程費用。
        一般而言，「CMC 靜水壓力釋放層技術」對於建案的效益評估，可參考表2項目內容進行分析：

        排水抗浮工法對於解決地下水浮力問題，具有相當明顯的效益。以中國大陸上海浦東著名的金茂大廈裙樓為例，即採用排水抗浮工法抵抗地下水浮力，依據文獻記載僅減少基版厚度部份即節約了人民幣約二千多萬元(約新台幣一億元以上)[7]。「CMC靜水壓力釋放層技術」較上海金茂大廈使用的技術更為考慮週詳，具備更多項複合性效益，於適當條件下可同時節省基礎厚度、開挖土方量、擋土設施深度、基底防滲漏等多項施工費用，在初期規劃即配合設計單位將所有產生價值同時列入考慮，可以達到最大效益。

四、實際運用案例

        「CMC靜水壓力釋放層技術」(或稱「基底減壓工法」、「筏基減壓工法」)，目前在台灣已完成約60 個案例，每個案例均對開發單位提供不同程度的貢獻。現列舉其中一個案例，進行簡要介紹：
        工程地點：臺北市內湖區
        建物型式：地上26層、地下6層
        原設計基礎型式：全面筏式基礎
        開挖面積：3,900平方米(約1,180坪)
        開挖深度：GL-15.2 m~GL-22.4m(原地形斜坡)
        擋土設施：擋土排樁貫入開挖面下3.5m
        擋土支撐：安全支撐4~6層
        基礎地層：砂頁岩互層偶具節理(岩盤面傾斜)
        地下水位：約GL-1.5m
(一)進行價值評估時業主提出抵抗地下水浮力需求問題：
        1.針對浮力解決方案，是否有更好的基底解決方案?
        2.是否可以減少挖除具有良好承載力且開挖難度較高的基底岩盤?
        3.本案抗浮原設計為筏式基礎，再於筏基內部回填混凝土抵抗上浮力，是否為最佳方案? 是否可完全解決本基地水浮力影響?
(二)初步價值評估：
        1.本案基底岩層屬於優良承載層：針對26F／B6F建築投影面積荷重約36T/m2，柱荷重直接置放於岩層上，相當於椿長為零的模式，基腳作用於岩層荷重約為50 T/m2～100 T/m2間(4m×4m)。
        2.依沉陷分析結果：直接將荷重座落於本基地岩層，柱與柱間的最大差異沈陷量小於0.3cm～0.5cm，柱與柱之撓曲度小於1/400，不會產生結構性裂縫。
        3.基礎唯一問題：依結構物60年生命週期，建築技術規則要求最高水位分析，基底處之上浮力至少為15.2 T/m2。傳統設計採用抵抗高彎矩筏式基礎，在內部空間回填混凝土加重，若有不足再設計抗浮基樁，藉以克服地下水浮力過大的可能破壞，是目前的標準解決方案。
(三)因為浮力問題仍為本案癥結之一，經過多次諮詢各界專家意見，達成價值評估結果：
        1.本基地地層符合基底水浮力很大、但滲流量很小的條件，符合「CMC靜水壓力釋放層技術」的運用。依物理原理將高於設計水位、但流量很小的滲流水，以溢流方式導入筏基水箱再加以排出，達到永久性控制基底下水位，設計時即不需同時考慮最高及最低變動條件。
        2.若規劃基底水位在底版下，由岩層資料及計算結果，本基地總滲流量為 3～10 m3/day，可完全排除版基之基底水位使接近零的條件，則原設計內部填重的筏式基礎總厚280cm，便可變更為不需抗高水浮力之版式基礎厚度100cm ，且可保證基底無水壓力，亦無滲水條件；又因基底座落於岩層上，亦不會產生差異沈陷裂縫，確保整體基礎安全。
        執行方式因考慮建築物功能性水池(如：本身消防水池、中水池、廢水池)等需求，基底全面採用「CMC靜水壓力釋放層技術」之替代設計方案與傳統設計方案作比較；依表2項目綜合評估後，替代設計方案在降低工程費用及縮短工期皆具有相當大的效益。
        1.傳統設計方案：         (1)全面筏式基礎
        (2)回填混凝土
        (3)低層區設置抗浮基樁
        2.替代設計方案：
        (1)全面基底減壓工法
        (2)筏式與版式基礎複合設計(如圖2)
        (3)減少擋土排樁、開挖岩方、鋼筋、模板、混凝土等工程量

五、適用條件

        依表1結構物抗浮工法比較表中所列，考慮「CMC靜水壓力釋放層技術」使用上之安全及經濟合理性，對於地層條件有一定要求。基本上須符合下列條件[3] [4] [5]：
(一)地層透水性質及擋土設施配合條件：
        1.採用水密性擋土設施設計時(如圖3：連續壁、擋土排樁+止水灌漿等)：基礎下方到擋土設施底端，必須有厚度大於2m且滲透係數k≦10-4cm/s的土層或岩層。
        2.採用非水密性擋土設施設計時(如圖4：擋土排樁)：基礎面上方及下方2m範圍必須全部為滲透係數k≦10-5cm/s的土層或岩層。
        3.採用邊坡式開挖(明挖)設計時：基礎面上方及下方2m範圍必須全部為滲透係數k≦10-5cm/s的土層或岩層，並須評估地層水平滲透係數(kh)及垂直滲透係數(kv)之影響。地下室完成開挖面回填時，最下方須配合回填至少2m滲透係數k≦10-5cm/s的低透水性土壤。
        4.經評估基底土層或岩層每平方米、每天的滲流水量Q≦0.03m3的結構物。

(二)地層承載力、潛變隆起條件：
        考慮採用「CMC靜水壓力釋放層技術」的結構物，多為單純浮力控制或局部大面積浮力控制的建築型式，當基底水浮力釋放後，基底土壤承載力是否能夠符合結構物荷載要求，基礎沉陷量或開挖隆起量是否符合法規要求[8] [9]，一般採用下列模式進行分析：
         (1)依據應力平衡概念，基底土層應力條件應符合下列公式(5.2.1)要求：
        Pc ≥ DL-Pw-Pf (5.2.1)
        式中 ： Pc ─ 基礎下土層前期最大荷重
        DL ─ 基礎底版對土層的有效靜荷重
        Pw ─ 採用CMC靜水壓力釋放層技術時基底處的固定滲流壓
        Pf ─ 基礎結構(如：承載樁)的允許支承力
        (2)基底土層為天然沉積土層，應考慮不得產生長期潛變隆起要求；基礎開挖面低於最高水位線時，必須注意水位變動產生浮力，且須分析因有效垂直壓力不足而產生的長期潛變的隆起變形條件，設計時基底土層應力條件須符合下列公式(5.2.2)要求：
         (DL-Pw) ≥ Pc (5.2.2)
         (3)若基底土層在解壓狀態即為過壓密狀態時，分析結構物由施工產生的再壓密沉陷量時，應採用徑向再壓密係數Cr計算。
        (4)以本工程技術選用的固定滲流壓Pw計算基礎版對土層的有效垂直應力，並以沉陷量公式計算總沉陷量及差異沉陷量，其各項分析結果均應符合法規要求。
         (5)配合結構設計將各柱位的設計荷重進行基礎沉陷量分析時，基版下的水壓力只需以本工程技術設計選用的固定滲流壓Pw計算。基礎外的水壓力使用長期性地下水位設計，垂直向及水平向地盤反力係數依照地下水位面下地盤反力係數設定。

六、適合運用的工程類型

        下列結構物或工程類型適合在結構規劃設計階段進行評估：
         (一)有高低樓層區、地下室全面開挖的建築工程
         (二)結構體全面抗浮力不足的建築工程
         (三)地下停車場工程
         (四)可能影響政府形象的公共工程
         (五)有工期、預算限制並須競標的統包工程
         (六)對於地下室空間品質要求較高的建築(如：大型賣場、電子廠房、高級住宅等)
         (七)定期需要清理的蓄水池、沉澱池等
         (八)施工過程嚴格要求基礎版不得上浮或傾斜的精密廠房(如：晶圓廠房、生技廠房等)

七、結語

        「CMC靜水壓力釋放層技術」是以大於建築物生命週期能夠達到功能性目標而開發的工程技術，已經累積了大量的成功案例，在適當的地層條件下，本工程技術在施工成本、工期、環保、節能等效益上，均較傳統抗浮、防滲工法更具有更大的價值優勢，且可免除基礎版因高額靜水壓力長期作用造成的滲水維修問題。由於本工程技術之設計較以往排水抗浮工法更為考慮周詳，近年來逐漸受到工程界及開發單位矚目。本文主要針對「CMC靜水壓力釋放層技術」價值分析上進行介紹，有關本工程技術相關資訊，可參考百度百科網站介紹。

參考文獻

         [1]內政部營建署，「建築技術規則建築設計施工編」第五十九之二條。
[2]北京市政府，《關於推進城六區居住區機動車停車設施新建工作的通知》措施四條文。
[3]上海市建築建材業市場管理總站，《CMC 靜水壓力釋放層技術規程》，上海市建築產品推薦性應用標準：DBJ/CT077-2010[S] , 2010。
[4]中測科技股份有限公司，「CMC 靜水壓力釋放層工法」產品說明書。
[5]百度百科，「靜水壓力釋放層」，http://baike.baidu.com/view/9977010.htm
[6]中國建築資訊網，《高層建築混凝土結構技術規程》，中華人民共和國行業標準：JGJ 3—2002/J 186—2002。
[7]俞建強(1999)，「深大基礎工程中的新技術-靜力釋放層的應用」，建築施工 第21卷，第19-21頁。
[8]內政部營建署，「建築技術規則建築構造編」第七十八條。
[9]中華人民共和國建設部(2002)，《建築地基基礎設計規範》，中華人民共和國國家標準：GB 50007-2002。