| □李順敏／台灣世曦工程顧問股份有限公司 大地工程部 □李魁士／台灣世曦工程顧問股份有限公司 大地工程部 □周永川／台灣世曦工程顧問股份有限公司 大地工程部 □胡志昕／新中光物理探測股份有限公司 |
|
一、前言 工程遭遇斷層、順向坡等先天不利環境條件，依其狀態研析及擬定適當工程對策有其必要，另遭遇於厚沖積層下之斷層或破碎帶以探挖方式調查執行困難，傳統上往往藉由地表地質調查及鑽探方式進行，惟實務上常由於深度深(>100m)，其走向、傾角等資訊之判定除甚為不易外，判定結果可能差異大。另依據交通部統計資料，台灣鐵公路橋梁數量計約12,800座，較現代的橋梁基礎可能多以鋼筋混凝土型式之基樁所構築，而早期甚至有以磚塊所構築的基礎；近30年內建造的國內橋梁(約佔85%)相關基本資料雖有保存，但仍有為數眾多的老舊橋梁基礎普遍有資料不完整與保存問題，故面對河中橋梁有沖刷問題而需作安全穩定檢核，或有地下洞道工程有近鄰施工或穿越行為，辨識橋梁地下基礎以研提施工障礙克服方案；沉箱基礎雖尚可利用鑽探方式調查，但逐墩調查不僅耗費大且不易，群樁基礎則更不易利用鑽探辨識確認；故採不同之非破壞性物理方式進行探測，為近年來之普遍應用技術，但因環境限制(如固床工)加上地盤材料、水文差異特性等條件，則常有判釋效果、精準度與適用性等方面之問題。茲以依實際案例說明介紹物理探測方法，並就其調查方法種類、工程應用限制及交叉比對判釋方式，以案例進行說明如下。二、地球物理調查方法種類與工程應用限制 (一)地球物理探測原理與技術工程地球物理勘探(engineering geophysical exploration)係解決構造物與水文地質等問題的一種非破壞性物理勘探方法；主要係藉不同地質與構造物在物理性質上的差異，並結合相關地質資料、工程勘察與探測資訊進而分析比對這些物理場及有關的地質構造。20世紀初，各類物探方法廣泛地用於礦勘與工程勘察；近期，因於儀器功能及探測鑑識技術大幅進步，且具“透視性”佳、效率高、成本低及於困難環境仍易執行測試等優點，故在工程探察範疇漸獲重視。但是各種物探方法仍有局限性，且還存在多解性，因此須選擇適宜之物探方法以進行綜合物理探測，並與地質鑽探資料作對比，始可獲得良好的地質鑑識成果。此類技術近年來於地下水文、地質構造、基礎、管線、垃圾分佈、空洞等方面之探測應用逐步成熟；所參採之地球物理技術原理主要係藉由不同地層、結構材料性質差異，藉不同儀器量測電阻、波速、介電係數等物理性質後，再研判結果，常用地球物理探測方法計有：(1)二維電阻率影像剖面探測、(2)三維電阻率影像剖面探測、(3)跨孔式電地阻影像、(4)超震波、(5)平行震測法、(6)井測透地雷達及(7)表面波探查等。其成果案例如圖2-1~2-2，施作原理、目的、使用儀器及執行成果詳列如下述表2-1。  地物探測技術方法原理各異，依需求及環境條件之不同而需調整探棒佈設，如探測成果遭遇材料介面反應較不 明顯、差異小之狀況，各地物探測法之精確性宜配合地質鑽孔或開挖探查方式並比對，以提昇提昇精度或驗證。  1.電阻率影像 電阻率影像剖面探測是將測點以等間距排列在一直線上，測點間距小，有高密度的探測資料以分析地層的電阻率分布。由於待檢測橋梁基礎尺寸多為未知，各種電極陣列的垂直或水平解析度及探測深度也不一樣，所以需因應待測區環境調整各項施測參數。適用於待測結構基礎之電導特性與週遭地層所組成之材料有較大差異之情形，施測前宜先蒐集待測基礎基本資料、周邊環境(有無干擾)及地層分佈情形。於河中探測，需注意是否有明顯受環境周邊鐵質性物質(如固墩鼎塊或加固基樁之鋼筋等)影響，致訊號干擾造成測讀資料雜亂之情形。電極間距越小解析度越高但測深越淺，間距越大則解析度差，施測時電極間距得依調查區及調查標的深度選定。一般而言，可依據調查目標範圍設定，探測深度最少需涵蓋橋墩基礎深度1.2~1.5倍。 2.超震波 可於裸露基礎外部施測(樁柱、墩柱)，適用於直接、沉箱或其他較淺基礎，較不適於群樁或較深基礎。待測結構物材料與周圍地層聲波阻抗越大效果越好，反之效果較差。 3.平行震測 本檢測法須鑽孔配合，並將受波器(三分量或單分量)置入孔底，震源則在舊基礎或地面設置之震源處敲擊，受波器每上升1m在地表起震一次(垂直疊加)並記錄之，依序由孔底施測至地表，施測孔與待測基樁之距離越近效果越佳。待測結構物材料與周圍地層聲波阻抗越大效果越好，反之效果較差。 4.井測透地雷達 需鑽孔配合，施測孔與待測基樁之距離越近效果越佳。待測結構物材料與周圍地層介電常數變化越大效果越好，反之效果較差。 5.表面波探查 在土壤或混凝土、柏油等表面皆可施作，但須注意側向有無速度異常結構物影響，可以採用背景震源法(適合較深層探查)或主動震源法(適合較淺層探查)。 三、物理探測實例探討 (一)鄰近隧道構造之斷層破碎帶探測案例為研析–隧道遭遇不良地質之影響，可能斷層破碎帶之範圍、分佈地層、可能走向與地下水分佈情形需予掌握，故於現地配置縱向測線，利用測區附近不同岩性可能之電阻率差異，以地電阻影像剖面進行探測並配合地質鑽孔輔助區域整體之地質構造判釋；探測前選定鄰近露頭進行露頭電阻率量測，以輔助比對。斷層測線除有以雙偶極排列(D-D Array)所獲之地電阻影像剖面成果外，另亦以三極排列(P-D Array) 取得地電阻影像剖面成果，以為交叉比對，如圖3-1(電阻率分佈推估的地層界面如圖中黑色虛線)。依電阻率特徵與對應之地層特性為(1)表層(覆土層)電阻率大多介於5-9 (ohm-m)，厚度約1-3m；部份電阻率介於14-50 (ohm-m)，厚度約2-5m。(2)泥岩/砂岩層，電阻率多<10 (ohm-m)，泥質含量高。(3)砂岩/頁岩，電阻率較高。由岩性特徵研判，測線東南側的砂/頁岩層中多見高角度或垂直狀電阻率等值線，顯示此砂/頁岩層中存有界面，裂隙可能發達且為疑似斷層，此易形成地下水通路(如圖中標示F(C)之破碎帶)。 另為避免既有隧道之結構物之鋼筋產生電流遮蔽效應，而使隧道下方地層真實電阻率失真，故於隧道四週配合鑽孔進行高解析度跨孔式地電阻影像探測，除可評估既有隧道下方地層完整性與岩性分佈，亦可屏除地表探測解析度隨深度加深而遞減的問題。施測採用多孔交替，以呈現隧道下方地層三維電阻率特徵，圖3-2利用四處跨孔式地電阻影像之三維探測成果(圖左)推估地層界面(如圖中黑色虛線)。圖中顯示淺層地層(高程113m以上)，其可能受隧道金屬結構物影響，致地層電阻率大多低於1(ohm-m)，由此研判隧道底部高程約113m。電阻率較高層段約10-30 (ohm-m)，依露頭量測成果、電阻率特徵與鑽探岩心資料研判，該層段為砂岩且岩體破碎，其餘層段為泥岩且岩體破碎，地層電阻率則多低於3 (ohm-m)，可能為地層水含離子濃度高使電阻率降低，另砂岩層段電阻率橫向不連續，推估鄰近此區域地層破碎具剪裂可能。圖3-2(右)為以3 (ohm-m)電阻率(對應剪裂破碎泥岩)繪製之等3D值圖，為推估剪裂破碎泥岩在隧道下方分佈情形。  維生幹管隧道穿越以現代沖積層(主要組成為未固結之砂泥堆積材料)及安山岩火山角礫岩(管線西端)之地層，依經濟部中央地質調查所2010年活動斷層資料，本路線有一第二類活動斷層穿越，但斷層基盤為盆地松山層所覆蓋，沖積土層甚厚，槽溝開挖並不可行，故採電阻率影像剖面探測法(Resistivity Image Profiling , RIP)進行地層構造探測，以期辨識斷層位置、剪裂帶範圍、覆土深、與幹管夾角等資訊，始利評估影響範圍及設置耐震設施，以避免受震所產生之斷層地盤位移肇致幹管變形破壞受損。 調查區附近因地層材料特性及位處交通繁忙要道且人工構造物林立，一般常見之反射震測、折射震測、地電阻影像或大地電磁波法等在此條件調查內之探查成果品質稍差，故改用表面波頻散法(SASW或MASW)，利用表面波頻散曲線反算得S波波速垂直測深曲線。將各測站之S波速度以相對位置排列成二維S波速度剖面(如圖3-3)(深度達100m以上)，推估可能的地質構造。 地層經探測，成果約略可區分有五，A層:Vs <300m/s，表層至深度25~70m不等，東西向深度側向變化大，以火山凝灰、鬆散泥砂及回填層為主。B層: 300  |
