從臺北捷運土城延伸線頂埔站地質談卵礫石層擋土設施

謝宇珩／臺北市政府捷運工程局北區工程處 代理處長

何啟誠／臺北市政府捷運工程局北區工程處 工程員

一、前言

捷運土城延伸線頂埔站周遭地質主要為卵礫石與砂岩層的混合地盤，且緊鄰科技園區，因此為確保開挖期間施工安全，曾針對各項擋土設施進行研討，在此擬將研討過程中針對國內較常於卵礫石層施作過的工法做一簡介，以供後續設計者作為工法選擇的參考。

二、基地概況

(一)工程規模

頂埔站位於新北市土城區中央路四段118巷與中央路四段52巷口之間(詳圖1)，為地下二層的島式月臺車站，車站長約292公尺，內淨寬約21公尺，開挖深度約21公尺，採明挖覆蓋工法施作，地面上設置有四個出入口、二個通風口、二個釋壓井。

橫渡線位於中央路四段52巷與三民路口之間，該段係作為列車換軌迴車之用，為地下一層至二層的明挖覆蓋隧道，橫渡線長約129公尺，寬約21公尺，開挖深度約21公尺。

各區開挖深度及所需擋土設施深度詳表1。

(二)地質條件

1.土層狀況：

本基地地質以回填層、卵礫石層及砂岩層為主，車站及橫渡線的土層分佈差異不大，各區域的土層簡化參數表詳表2，其中回填層為疏鬆的黃棕色粉質中細砂，約位於地表下0.8公尺至3.0公尺間，平均厚度約為1.2公尺；而卵礫石層約位於地表下1.5公尺至24.55公尺之間，平均厚度約20公尺成極緊密程度，平均粒徑可達20~30公分，而卵礫石間的填充物為黃棕色至棕黑色粗中細砂；另自地表下20.3公尺至最大鑽孔深度40公尺為灰黑色膠結不完全的砂岩層，該砂岩層經研判係屬桂竹林層，其膠結程度疏鬆，而岩石單壓強度為1~38kgf/cm2之間，RQD均大於95%，岩層尚屬完整。

2.地下水狀況：

本基地地下水位面約於地表下12公尺左右，地下水壓呈靜態水壓分佈。(詳圖2)

(三)鄰近構造物及環境狀況

1.鄰近建物擋土措施：

本基地西側緊鄰民宅私人建物，其主要建築物相關資訊如表3，東側為科技園區，其主要建物皆距離本基地稍遠，詳表4。

2.管線現況：

本基地施工範圍內密佈各式公共管線，包括電力、電信、雨水下水道、自來水、瓦斯、交通號誌、路燈、污水下水道、軍訊及有線電視等管線及設施，其中影響最大的線為ψ1350自來水管及2500mm*2500mm排水箱涵。

而上述管線原則以一次永久遷移或臨遷方式為主，若無法遷移之管線則以就地吊掛保護的方式處理。

3.道路交通狀況：

本基地位於新北市土城區中央路4段，該路段為台三線外，亦為銜接國道3號土城交流道聯絡道之主要幹道，路幅寬20公尺，中央採標線分隔。南向佈設1線快車道、1線混合車道；北向佈設設2線快車道、1線混合車道，部分路段有繪設路邊停車位。

4.震動、噪音要求：

本基地東側為科技園區，因此施工時對於機具的選擇需以低震動施工方式及機具為首要選擇，而若以連續壁施工機具進行震動評估，其結果如表5。

三、擋土設施的選擇因素

依據「建築物基礎構造設計規範」第八章基礎開挖中相關條文或解說已對擋土設施應考慮因素進行說明，其中8.6節要求擋土設施之設計至少應考慮下列因素：

(一)基地地質特性及擋土設施型式。

(二)地下結構物之構築方式。

(三)擋土設施之材料強度。

(四)擋土設施之水密性。

(五)擋土結構系統之勁度及變位對周圍環境之影響。

(六)基地開挖過程中各階段開挖面之穩定性。

(七)擋土設施與支撐之施工程序、時機及預力。

擋土設施基本上應為臨時結構物；但若作為永久結構物時，其設計應符合建築技術規則建築構造編各相關章節之規定，並應對施工期間各構件所產生之殘餘應力作適當考慮。

然筆者較喜愛林宏達教授主編的「深開挖工程設計及施工實務」第五章的建議，因其已將「建築物基礎構造設計規範」對於擋土設施需考慮之因素及要求加以整合、分類及具體化，而其建議的考量要件如下：

(一)地質條件

1.地質情況

(1).地層分佈

(2)地層之工程性質(剪力強度、壓縮性及透水性等)

(3)開挖時可能遭遇的問題

(4)擋土設施構築的難易性

2.地下水情況

(1)地下水位及水壓分佈

(2)是否存在壓力水層

(二)鄰近構造物及環境狀況

1.鄰近構造物

(1)構造物位置

(2)基礎形式、尺寸及深度

(3)結構物現況-容許沉陷量及角變量

(4)結構物荷重

2.鄰近管線

3.道路交通狀況

4.施工震動、噪音的限制

(三)工程規模(開挖深度、面積)

(四)基地狀況及施工條件

1.施工空間

2.地界線與地下外牆之距離

(五)擋土壁是否供作永久結構使用

(六)工程經費

四、擋土設施的種類

擋土設施的種類相當的繁多，如：兵樁工法(Soldier pile)、鋼版樁工法(Sheet piles)(詳圖3)、連續壁工法(Diaphragm wall，Slurry wall)(詳圖4)、手掘式擋土柱工法、主樁橫板條工法(Soldier pile with lagging，Berlin wall)(詳圖5)、預壘排樁工法(packed in Place pile)、鑽掘排樁工法、衝擊式排樁工法、全套管排樁工法(詳圖6)、反循環排樁工法、鋼軌樁工法、鋼劈礫工法(gun pile method)、拌合樁工法(Mixed in place pile)等，然國內對於擋土工法並無統一的分類，而薛春明先生曾於「松山專案之基樁開挖與支撐工程」中將現行各種擋土工法皆視為基樁，而以基樁的型式做一分類(詳圖7)；另詹氏出版社出版大屋準三先生編著崔征國先生譯「圖解新擋土計畫」則以是否為透水樁等進行分類(圖8)。

五、擋土工法介紹

國內較常用於卵礫石的擋土工法計有：擋土柱工法、主樁橫板條工法、排樁工法及連續壁工法，另板樁工法使用於卵礫石層時，因打設時較為困難，大多需另外配合特殊機具一併施工；而地錨工法運用於都會區時恐有侵入他人地權的問題，故板樁及地錨工法於本文中將不討論，而其他工法分述如下：

(一)擋土柱工法：(如圖9、10)

1.適用範圍：大多用於自立性良好，且無地下水的卵礫石地層，一般開挖深度約在20公尺以內，擋土柱之斷面尺寸長度大約為1至2公尺，寬度則視開挖區域擋土柱需要而設計，由30公分至60公分皆有，而擋土柱之間距大部分相距2公尺左右，台灣地區主要以台中地區的建築工地最常採用。目前，依工程施工機具的不同，可分為人工及機械施工兩類，而兩者的比較在行政院勞工委員會安全衛生研究所「擋土柱施工崩塌防護裝置研究」報告中曾彙整如表3。

2.工法介紹：

(1)人工擋土柱工法：

其主要工作為挖掘及構築柱體，而施作方式為先以挖土機械開挖約1.5公尺深再進行混凝土堤的施作，接著由工人拿著簡單的挖掘工具進行由上而下的挖掘作業，當遇地下水時，可採降水方式處理，否則施工人員需頭戴鐵罩，由地面人員供應壓縮空氣；另為防止壁面崩塌，每挖2~3公尺需撥漿一次，直到設計深度後開始封模或吊放套管，再將紮好的鋼筋籠吊入及澆置混凝土。因施作該工法的施工人員係以兩人為一組，一人於坑內挖掘，一人在坑口清運土方及注意坑內人員的操作，以防止壁體崩落，而施工人員通常係由夫妻或父子二人為一組，故又名夫妻樁工法。

(2)機械式擋土柱工法：

主要係以挖土機械來取代人工挖掘，其餘與人工擋土柱工法相同。

3.使用機具：推土機、載土卡車、挖土機、起土三腳架、捲揚機、灌漿設備、起重機、換氣設備、電焊機。

4.施工步驟：(詳圖11)

(1)基地整平

(2)機具準備

(3)清除地下埋設物或障礙物

(4)放樣、開挖棄土溝及設置抽水井

(5)裝設出土三腳架

(6)人工挖掘及穩固壁體

(7)封模或吊放套管

(8)吊放鋼筋籠

(9)澆置混凝土

(10)製作頂繫樑

5.優點：

(1)不受基地型態限制，施工彈性較高。

(2)造價低。

(3)施工機具及設備簡易。

(4)噪音量小及無空氣污染

(5)可多柱同時挖掘。

(6)樁身品質可靠度較高及適用於卵礫石強度高之地質。

6.缺點：

(1)採用人工式工法則施工人員的生命安全較無保障，需要勞力較多、工期較長，且地下水位以下施工時有其困難性，須配合進行施工區域降水。

(2)採用機械式工法則基地面面積愈小，其工作性及效率愈差，另混凝土的澆置約增加10~15%的損耗；受限於挖掘機具，故僅能取代較淺的基礎開挖。

(二)主樁橫板條工法：(如圖12)

1.適用範圍：適用於黏土、砂性土及卵礫石層，惟其勁度較低，因此常用於10公尺以內的淺層開挖，以台灣而言，多應用於桃、竹地區。

2.工法介紹：其利用鋼軌樁或型鋼(H型鋼或I型鋼)當作主樁，於預定擋土設施線上，每隔一定間隔採打擊、震動、壓入、預鑚或水沖來設置主樁，隨著開挖作業的進行，於主樁間嵌入木製嵌板(橫板條)，並在背後填土構成擋土壁。

3.使用機具：打樁機、載土卡車、挖土機、高壓泵、發電機、灌漿設備、起重機、電焊機。

4.施工步驟：(詳圖13)

(1)基地整平

(2)機具準備

(3)清除地下埋設物或障礙物

(4)放樣

(5)裝設導軌

(6)主樁打入或植入

(7)開挖土方並嵌入橫板

(8)開挖支撐

(9)拔樁

(10)樁孔回填

5.優點：施工簡單迅速、造價低且主樁可於拔除後重複使用。

6.缺點：

(1)主樁以錘擊方式貫入時，當遇較軟弱地層時，因其勁度較小，常導致較大的側向變位，故較不適合極軟弱地盤。

(2)當遇較堅硬的礫石層時容易偏斜，故垂直度差。

(3)壁體的止水性不佳，因此在地下水位高的地盤施作時需配合排水工法，且壁外土壤可能流失，易造成地面沉陷。

(4)打設或拔除主樁時，產生的震動及噪音可能會對鄰近建物產生影響，且主樁拔除後會遺留空洞，可能會造成鄰近地層的下陷，而導致後續需進行砂漿回填。

(三)排樁工法：

1.適用範圍：適用於黏土層、砂土層及礫石層，惟於卵礫石層及岩盤施工時效率較差，且其勁度較低。

2.工法介紹：排樁一般分為預鑄工法及場鑄工法兩種類型，其中預鑄工法因樁體本身係在工廠完成生產後方運至工地，再利用動力鎚或埋設法將預鑄樁震動貫入或植入預定位置，最後再於樁頂採壓樑連結即完成。而場鑄工法則依施工特性，分為衝擊式排樁及鑽掘式排樁兩種，而其施工方式係於現場將樁位線放樣完成後，分別在樁位上採用衝擊方式或鑽掘機械設備進行樁身之開挖，將樁內土方取出後放入製作完成之鋼筋籠或型鋼，再透過特密管由樁底灌入混凝土直至預定樁高，最後配合土方開挖後再將樁頂劣質混凝土打除後施作壓樑即完成。而目前國內常用的場鑄工法之ㄧ的預壘樁於提升鑽頭同時，由前端灌入砂漿，以擠出土砂；而另一種常用的拌和樁雖亦由鑽頭前端射出水泥砂漿，但該砂漿係作為與土壤混合來增加土壤強度之用。

3.使用機具：

(1)預壘排樁：開挖(鑽孔)機械及設備、高壓灌漿設備、起重機、運輸設備

(2)全套管排樁：保護套管及套管驅動設備、搖管器、旋鑽機或抓斗、特密管、起重機、電焊機

(3)反循環排樁工法：掘削機、鑽桿、鑽頭及鑽管、保護套管、起重機、特密管、振動樁錘等

4.施工步驟：

(1)預壘排樁：(圖14)

A.基地整平

B.機具準備

C.清除地下埋設物或障礙物

D.放樣

E.鑽機定位及垂直校正

F.鑽孔機鑽掘施工

G.灌漿機將水泥砂漿經鑽孔機的鑽桿內管灌入鑽孔，同時徐徐拔出鑽桿

H.吊放鋼筋籠及砂漿補注

I.移機

J.安裝繫樑

(2)全套管排樁：(圖15)

A.基地整平

B.機具準備

C.清除地下埋設物或障礙物

D.放樣

E.套管定位及垂直校正

F.鑽掘施工

G.吊放鋼筋籠

H.灌漿及抽拔套管

(3)反循環排樁：(圖16)

A.基地整平

B.機具準備

C.清除地下埋設物或障礙物

D.放樣

E.裝設保護套管

F.鑽掘施工

G.吊放鋼筋籠

H.混凝土澆置

I.樁頭處理及安裝繫樑

5.優點：

(1)成本低，當採用鑽掘式排樁時其噪音及震動小。

(2)採用預鑄排樁時其施工現場可保持較乾淨及施工時間較短。

(3)全套管排樁可適用於任何地層，如砂土層、黏土層、卵礫石、風化岩與軟岩等。

6.缺點：

(1)水密性不佳且不適用於大規模的地下開挖。

(2)採用預壘排樁時，當開挖深度位於地下水以下時易使孔壁崩壞且使水泥砂漿與崩壞土壤混合而導致強度降低。

(3)採用衝擊式排樁時其噪音、振動較大，且垂直度較差。

(4)採用反循環排樁時，地層中如有大卵礫石，恐無法由鑽桿排出，需用特殊挖掘器具。

(四)連續壁

1.適用範圍：適用於各種地形，目前施作深度已可達90公尺。

2.工法介紹：連續壁擋土結構乃先行在地中開挖某一長度的槽溝，再將鋼筋籠吊放入槽溝內以特密管灌注混凝土而形成一連續的鋼筋混凝土結構。

3.使用機具：連續壁挖掘機、載土卡車、灌漿設備、起重機、電焊機等。

4.施工步驟：(詳圖17、18)

(1)基地整平

(2)機具準備

(3)清除地下埋設物或障礙物放樣

(4)構築導牆

(5)連續壁挖掘機挖掘

(6)吊放鋼筋籠

(7)吊放特密管及水中混凝土澆置

5.優點：水密性佳且剛度較大、可當永久結構體。

6.缺點：機具設備龐大且所需的作業空間亦需較大、另施工工期較長、造價高；若未採用2公尺免敲除工法，則後續需敲除上部劣質混凝土將產生震動及噪音。

六、評估與檢討

(一)各區開挖深度皆大於10公尺以上，且考量整體剛性及止水性，故主樁橫板條工法不適用於本基地。

(二)本基地地下水面位約於地表下12公尺，惟依據契約第02240章祛水1.2.1規定「…，不得在開挖界線之外進行祛水，且祛水不得造成對鄰近結構物有害之沉陷。」，以及考量施工安全及工期壓力下，故擋土柱工法亦不適用於本基地。

(三)本基地地層主要以卵礫石層為主，其約位於地表下1.5公尺至24.55公尺之間，平均粒徑可達20~30公分，曾發現的最大粒徑為120公分，若採用反循環排樁恐無法由鑽桿排出，需另外配合使用特殊挖掘器具外，因該工法僅於靠近地表部分以套管保護，無套管處仍易發生坍孔，且現場無法提供固定設置泥沙沉澱池之空間。

(四)若採用全套管樁因其水密性不佳，必須輔以止水灌漿方能防止開挖階段發生漏水漏砂情形，將增加施工經費；且其施作過程，必須先將套管以搖桿機壓入土層中，而本基地地質以卵礫石層為主，故需先行破裂後再挖掘，其施工性較不佳，另其整體剛性低於連續壁擋土結構。

(五)若採連續壁擋土工法因其水密性較佳，且整體剛性較好，故對於鄰近地盤及構造物所造成之沉陷與位移遠較其他擋土結構低；另對於噪音、振動及經濟性而言，連續壁擋土工法較適用於本基地。

七、結論

連續壁擋土工法經評估雖較適用於本基地，惟若分區細部檢討，以本基地出入口B、C而言，其開挖深度13.1公尺，且距離鄰近建物較遠，則連續壁工法非最佳選擇，但因「臺北市建築工程基礎開挖安全措施管理作業要點」第三點規定「凡地下開挖深度達八公尺以上，一律採用地下連續壁擋土工法，並設置必要之安全觀測系統，惟遇岩盤或卵礫石層地質而致無法以連續壁擋土工法施工時，經核准得採用其他適當工法。」，雖該條文有彈性，但以目前設計單位的心態及預算許可下，連續壁工法仍會是主流工法。