談地下室開挖擋土支撐問題
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王炤烈／台灣省結構工程技師公會 理事長 陽明交通大學土木工程博士、中正大學法學博士、中國政法大學法學博士 |
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前言 最近常聽到建築物地下室開挖施工時，發生鄰近地面下陷或鄰房損害之情況，例如「天坑」事件似乎已是常聽到之新聞。其實所謂「天坑」，應是指地下室開挖時所導致周邊地面發生之下陷情形，而當中損害最嚴重、外界最關切的，應是發生在今年9月初之基泰大直案件，該案件除基地旁之路面發生下陷外，更造成鄰房下陷、傾斜，有數十戶鄰房需要拆除、重建，而且當為擋土結構之連續壁更發生破壞、用於支撐之橫撐構造亦全面崩潰，如照片1。然依新聞報導，該工程在5月鄰房就有開裂等情況發生，但相關單位卻因該工程尚未進行開挖施工，而認為無危險性、可繼續施工；並在連續壁施工時發現有些施工不順情況，但施工單位與監造單位都未警覺與即時處理、化解災害發生，顯示一般工程人員對地下室開挖、擋土施工可能遭遇問題尚有待再強化之處。 照片1(取自網路新聞) 一、地下室開挖之擋土與支撐工程 在都市裡開挖地下室，為避免影響周邊房屋與公共設施，都需在開挖面四周設置擋土結構，以承載土壓力等側面應力，且在開挖面內亦須設置安全支撐結構，以避免擋土結構有過大變形和協助擋土結構之強度，如照片2方式。本文合稱此等擋土結構與安全支撐結構為地下開挖之擋土支撐工程，是地下室開挖不可或缺之工作。 照片2 另外，安全支撐結構是做為擋土結構之水平支撐，因以目前之開挖深度，如開挖面內無水平支撐，前述各種擋土結構之勁度與強度，甚難單獨來擋土，故安全支撐結構是當做擋土結構之水平支撐，以避免擋土結構有過大變形與造成周邊地面下陷。該項支撐結構在我國地下室開挖工程普遍都採用H型鋼，但因H型鋼之勁度關係，加上施工構台之需要，亦需要有垂直向之中間柱，來撐水平支撐構件；並為確實撐住擋土結構，在水平支撐構件中會設置千斤頂，利用千斤頂之預壓力，來壓撐住擋土結構；此外為使水平支撐能「連續」撐住擋土結構，在擋土結構與水平支撐間要設置「圍苓」(或稱支保工、wales)，緊貼住擋土結構，一般圍苓構件亦都採用H型鋼。 一般地下室開挖之安全支撐結構，需要配合開挖步驟，先完成擋土結構與安全支撐系統中之中間柱，再配合開挖程序，分階段設置水平安全支撐構件，例如常聽到之「三撐四挖」方式，即每開挖一階後、設置一層水平支撐構件，總共分四階開挖、設置三層水平支撐。基泰大直案即是採「三撐四挖」，但是在最後第四階開挖時，發生整個支撐結構破害與周邊道路與鄰房下陷之事故。 二、擋土結構設計應注意事項 當為開挖面周圍之擋土結構，一方面要有足夠長度，使開挖面下方之擋土結構有足夠貫入深度，以滿足穩定條件與變形條件，包括避免擋土結構發生內擠變位情形，以及防止開挖面土壤產生各種變形與損害，例如隆起、砂湧與上舉變形等；另方面擋土結構要有足夠的強度與勁度，以承載側向土壓、水壓與如鄰房等之超額附載，並避免過大側移變位，以使周邊地面不致有明顯下陷與發生鄰損情況。例如以連續壁結構為例，對於一般性質之土壤，其貫入深度約可取0.8∼1.0倍之開挖深度，對於較軟弱土壤則宜增長到1.2倍(即1.2×L，L為開挖深度)左右，當然在所選定之貫入深度下，尚須詳細計算各種可能破壞形式下之安全係數，要符合規範所規定之安全值，否則須再調整貫入長度。另外，連續壁厚度在一般性質之土壤約可取0.05倍開挖深度(即L/20)，對軟弱土壤則須增到0.067倍開挖深度(L/15)，其中連續壁強度尚須配合其內部鋼筋量檢核，該等強度與變位並要考慮開挖步驟與施工作業，計算時需按程序累加其受力與變位，並以最臨界狀況來設計。 擋土結構之長度與斷面除考慮開挖深度外，尚須視土壤性質、地下水位、周邊鄰房情況、支撐結構方式、施工程序等因素調整，其中土壤性質可依土壤改良後之性質來考量。當中，為避免發生內擠變位之貫入深度，是要以最下層橫撐位置，計算其外側主動土壓力產生之彎矩與開挖面下方被動土壓力產生之抵抗彎矩，由該兩彎矩之比值當為安全係數來評估。由於連續壁可完全阻水，其主動受壓側因會受水壓，將較其他型式之擋土結構為長，不同型式之擋土結構將會有不同貫入深度。目前一般擋土結構之穩定分析是在土壤鑽探調查階段進行，並會提出分析與建議，細部設計時再由結構技師檢核、評估或調整，而斷面設計則都是由結構技師來辦理。 至於軟弱地質，其土壤性質固然可考慮先經地改樁來進行土壤改良，以提升土壤性質，但土壤改良效果之驗證並不容易，有關土壤改良作業本文稱之為擋土開挖之輔助構造，將另於本文第四節中說明。此外，對於與連續壁變形有關之貫入深度，亦常會採用地中壁或扶壁來輔助與減少連續壁之變形，本文亦將此等構造列為擋土輔助構造，將另在「四.開挖擋土的輔助構造」中說明。 目前擋土結構之設計，是有多種計算機軟體可以計算，但大多是以二維方式來模擬三維開挖行為，雖大致可掌握各種擋土結構之斷面需求與安全性，但其計算用之土壤參數與假設條件均須靠設計工程師來判斷、輸入，尤其土壤參數複雜，除土壤調查工作要確實外，設計時仍應慎選各項參數值，並需注意施工條件與施工技術能否達成。 至於基泰大直案，其開挖深度L為11.95m，連續壁長度為24m(即貫入深度為12.05m)、厚度為60cm，如依上述概略尺寸估算，尚應足夠，但為何仍發生如此嚴重之損害，顯然地下開挖之擋土工程是複雜的，不是擋土結構設計計算沒問題，就可平安沒事，畢竟有些土壤參數較難掌握，且是與施工步驟與品質有緊密關係，需要監造與施工單位共同按每一階段之實際情形，作動態調整。 三、安全支撐設計應注意事項 如前述，安全支撐結構在台灣都是採用H型鋼，故其設計當然是依照鋼結構設計來進行，惟因支撐結構都屬臨時構造，其鋼構件與固定螺栓會重複使用，故在設計時須考慮斷面面積因重複使用之折減，施工時亦須注意各斷面之實際堪用情況。尤其，安全支撐結構系統之勁度較低，可能因一個接頭之損害就會造成全構架崩潰，且各接頭都是採用鉸接結合，而型鋼又是容易發生局部挫曲之斷面，故需注意偏心情形、構件支撐長度及應力集中等情形。例如，兩方向之水平構件要連接、傳力，以相互提供側撐；水平支撐構件支撐在圍苓H型鋼處，其斷面要加勁，以避免圍苓翼板受壓變形與鬆脫。此等缺失在一般鋼結構可能不會造成大災害，但對地下開挖之支撐構造，則有可能造成損害。 本文謹以小變位就可能導致整個安全支撐構架發生崩潰之可能性來說明：例如當開挖面之土壤發生隆起變位時，因中間柱是插在開挖面上，如其深度不足(未深入到未變位處)，則開挖面隆起時，會使中間柱亦跟著被抬起，而一般水平支撐構件與中間柱之連接，都採放置或簡單連結方法，當中間柱被抬起時，放在上方之各水平支撐構件亦會產生抬起變形，有可能因而造成水平支撐與擋土結構分離，而使擋土結構失去側向支撐，連續壁將會隨著發生內擠大變位，甚至折斷情形，當然跟著就會發生整個擋土結構破壞。 對於基泰大直案，雖是支撐結構先大變位崩潰或是連續壁先內擠破壞，尚待釐清，但依損害照片研判，中間柱似有上抬跡象。 目前我國一般安全支撐結構在設計圖都僅標示構件斷面大小，較無接合詳圖，但在施工時各項構件與接頭細節仍要注意，以避免發生斷面損害情形。尤其，各層水平支撐之設置與拆除，是要配合地下室各樓層之施工作業，各水平支撐間之高度不可過大，以免造成中間柱之無支撐高度過大，而降低強度，包括每階土壤開挖高度、不可超挖；每階水平支撐拆除前，其下方樓層之結構體要能替代、提供擋土結構之側撐，有時可能因高度過大，尚須加撐或回撐。對於安全支撐結構之施工，建議施工單位應依施工程序與設計圖方式，先行擬定設置與拆除計畫。 四、開挖擋土的輔助構造 對於開挖處土壤如較軟弱，例如N值較小或不排水剪力強度su值太低時，一般可考慮進行土壤改良，以提高土壤性質；另外亦可設置地中壁或扶壁，來直接頂住連續壁，使可更有效減少連續壁變形，且讓連續壁改以雙向方式受力，不再是單向受力與變形。其中，地質改良通常是在開挖面內之一定深度範圍設置地質改良樁，以平均方式提高擋土結構內部、開挖面下方之土壤性質，來增強被動區之土壤強度，使該土壤更能承受擋土結構向內擠壓之受力能力，讓擋土結構同時能滿足穩定及變形條件。一般常用之地改樁有兩種施作工法，一是高壓噴射樁，另一種是攪拌樁方式，但不論哪一種工法，因其改良範圍是在開挖面下方，不在地面附近，故較難驗證是否達到改良目標值，雖然可以控制地質改量漿液之配比、流速、壓力等，也可鑽心試驗地改樁之強度，但對該地質改良區域之平均土壤性質，尚無確實計算或驗證方式，故地質改良目標值建議不宜訂得過高，會不切實際。 該項地質改良樁應要在連續壁閉合、均完成後，再施作，以使地質改良之柱狀改良體能和已完成之連續壁發生擠壓式接觸，達到提高被動土壤強度之目的；另外，因該項地改樁是先以空打方式，至預定開挖面高程下方，再施作地質改良段，不論是採高壓噴射式或攪拌式施作，均需注意避免因施工時之水分或攪拌行為，而降低空打段之土壤性質，必要時須先回漿空打段；此外，對於有鄰房之地下室開挖，該項地改樁深度不宜超過連續壁深度過深，否則地改之擴脹作用，有可能造成鄰損情況。 基泰大直案因開挖面下方土壤之N值都很小，依報載資料亦是採用地質改良方式，來使土壤性質達到設計考量條件，其方式是採用80cm直徑、175kgf/cm2強度之水泥砂漿灌注，雙向間距均為1.8m之梅花式配置的地質改良樁，改良深度自開挖深度之-11.95m起、至-25m處。但現場施作時，為接續連續壁導溝下方之地改動員，是將該項地質改良工作提早到連續壁施工前就先施作，故因尚無連續壁，無法使地改後之土壤能與連續壁發生擠壓作用，來減少連續壁變位，另方面因地改範圍會到達連續壁預定設置處，造成連續壁挖掘困難，依報導該工程在軟弱地質施作26單元連續壁超過150天，顯示該案連續壁施工時應已有異樣情況。且地質改良時之擴脹作用，因無連續壁做隔離，更會造成鄰房有狀況；對於開挖下陷所造成之鄰損型態，不論是牆壁開裂與地面變化，應會與地改效應之擴脹行為所造成之鄰損方式不一樣，如施工團隊與監造單位較謹慎，或許在未開挖前就可發現問題，研擬出因應對策。 另外，地中壁與扶壁同樣是具直接頂住連續壁之功能，其中地中壁是設置在開挖面下方之兩側連續壁間，利用貫入深度範圍之兩側連續壁間相互抵擋作用，來側撐連續壁。一般地中壁適用於較長條形之開挖工程，基泰大直案如有設置地中壁，也許會是較佳選擇。 扶壁則未撐到對側之連續壁，是屬較短的構造，僅有單側接觸到連續壁，雖然一般扶壁是設置在開挖面下方之貫入深度範圍內，但亦可設置在開挖面上方，以降低開挖範圍內之連續壁變位，此種情形大都是因地下室每層高度較高或連續壁壁厚較薄時採用，但在開挖面以上之扶壁，於地下室結構體完成後需要打除。另扶壁構造不可太短，一般約要有8倍厚度或5m以上之長度，方能發揮頂住連續壁之功能。 五、擋土結構常見問題 由於連續壁在我國除當為擋土結構外，亦大都兼做永久結構體之一部分，其需注意事項，對永久結構這部分會是較重要，包括永久結構預埋鋼筋之正確性，及其預埋筋要彎回埋置到永久結構之梁、柱部分，因永久結構有些邊柱或邊梁之部分鋼筋會先預埋在連續壁中，等開挖後再與後加的永久結構結合，此部分因連續壁施工不容易控制誤差到mm等級之精度，常會有施工偏心、誤差問題，另有些鋼筋，例如梁、柱箍筋要與原預埋在連續壁中部分搭接，其中彎出、不斷掉這部分，現在對要拉出鋼筋大都採13φ鋼筋，以避免大號鋼筋現場不容易彎、易斷掉之問題，至於施工位置之精度部分，主要則須靠施工技術與謹慎施工來解決，惟這些部分與地下室開挖較無關。本文主要要探討開挖擋土這部分，其中最主要是擋土結構之空隙、漏水問題。雖然「連續壁」在擋土功能上是為連續體，但其構造與施工卻是不連續，是分單元來開挖、吊放鋼筋與澆置混凝土，常使用之MASAGO抓掘機具，一個連續壁單元長度大約4∼6m，其間是利用公母單元來接合。例如基泰大直案，連續壁總長約120m，是分為26個單元施工。連續壁每單元因是不同期施工，其間之接合是為施工縫，本就容易發生縫隙、蜂窩等情形，容易有滲水情形(如照片3)，有時在連續壁接縫之外側需先灌注如ccp(小口徑高壓噴射樁)等之止水樁。  照片3 對於如連續壁施工，如看到有含泥土之水量流出時(如照片4)，務必要謹慎，應要了解原因，並及時止水，避免流出量擴大，造成連續壁後方土層流失。另如澆置混凝土時，感覺側壁有土方崩落，或由澆置量發現可能有土方掉入時，應要記錄，當開挖到該處時要小心觀察，如看到連續壁體有大面積空洞時，應就要先填補，再繼續開挖。  照片4  照片5 六、安全支撐結構常見問題 安全支撐結構系統最主要是要撐住擋土結構，以防止擋土結構變形，故其重點包括本身要為穩定結構、具有足夠強度，並要能連續與緊密壓撐住擋土結構。其中「連續與緊密壓撐」之重點，除圍苓要連續黏貼在擋土結構面，及各水平支撐構件中之千斤頂要有適當預壓力外，圍苓之型鋼斷面在與水平支撐構件及其三角斜撐構件接合處要有加勁材，不要讓圍苓之型鋼翼板發生被壓彎之變形情形，目前有些圍苓會在型鋼溝槽及與擋土結構間之縫隙灌注混凝土。 另外安全支撐結構之中間柱亦是常發生問題之構件，一方面中間柱下端是植入在一水泥砂漿樁內，利用水泥砂漿樁之承載能力，使上方之中間鋼柱能承載所需之載重；另方面鋼柱之承載能力會與其無側撐長度有密切關係，如因超挖、或部分超挖(如照片6)，都會降低中間柱之能力；尤其上方如設有施工構台，各中間樁尚會有受力不平均問題，甚至會有拉拔情形。以上情況都有可能造成支撐系統失敗。  照片6 至於水平支撐構件，除了過度使用之舊構材外，一般是較不會發生問題，但對於深開挖，因有多層水平支撐，有時工地為好開挖、易出土，常會拆除部分水平支撐(如照片7)，對於支撐傳力系統亦要注意，避免發生力平衡問體。 基泰大直案之中間鋼柱是採長15m之H350型鋼，下方為強度175kgf/cm2、80cm直徑之水泥砂漿樁，長度8m(至地下-20m)，H350型鋼是植入3m深(至地下-15m)。雖是目前一般常見的設計方式，但不清楚其施工情形，惟從報載照片，中間樁似有隆起之跡象。另依崩潰後之照片，圍苓型鋼之翼板似亦有被水平支撐構件壓彎之情形。  照片7 七、監測系統應注意事項 目前一般地下室開挖工程都會設置監測系統，並制訂監測管理項目與其安全管理值大小。其中，常見之監測設備包括有水位觀測井、水壓計、建築物傾斜計、沉陷觀測點等，及埋設在連續壁中之鋼筋計、傾斜觀測管，以及設在水平支撐構件上之支撐應變計等。且會規定各項設備或儀器之裝設時間，其中裝設在連續壁中之設備，因連續壁施工完成後，將無法再埋設，尤其鋼筋應力計因量體小(如照片8)，容易裝置失效，更應小心裝設。當然監測作業並非僅在裝設儀器，尚需視工程特性，訂定管制項目與管理值。管理項目可包括工地四周之沉陷量、鄰房傾斜度、地下水位變化量、連續壁變形量、中間柱隆起值、連續壁鋼筋應力值、水平支撐之軸力值等。其中，有些管理值並非直接可由監測儀器量到，需要經計算分析，故應要有專業監測單位協助。且各管理項目應訂安全管理值、警戒值與行動值，一般是不希望超過安全值，如超過、甚至到達警戒值，則要會同專業人員瞭解原因與安全狀況，以擬定緊急應變計畫，而行動值是瀕臨危險之界線，應是不允許到達。 目前我國地下開挖工作之監測大都採用定期觀測，其觀測頻率將視施工作業內容與監測項目而有不同，當然也須視其管理值狀況，調整觀測頻率。對於各管制項目，除要注意其數值大小外，尚宜注意其變化，避免突然性變化，例如水位變化量，包括水位高度與每段時間之變化量都須注意，曾有案例每天容許水位變化量雖都很高、接近管理值，但因都未超過而未處理，結果連續幾天後就出了問題。 依報導，基泰大直案似曾有管理值超過警戒值之情況，惟施工團隊與監造單位可能無處理機制，而未即時處理。一般監測數值如超過安全範圍，除要增加觀察頻率外，更應注意狀況變化、探討與瞭解原因，並要研提對策。  照片8 八、結語 地下室開挖擋土工程因有些是屬假設工作，且大部分完成後會屬隱蔽部分，故過去常會不太注意，但隨著地下開挖深度越來越深，都市房屋密度也越來越高，又常會遭遇軟弱地質、地下水位較高情況，故如施工稍有不慎，輕者會造成天坑、重者可能會如基泰大直案，發生鄰房倒塌等重大事故。尤其，地下開挖之擋土與支撐問題，包含有結構、地工、施工與監測等專業，是為跨專業之工程；且有設計計算、施工技術與施工機具等部分，更是跨領域之技術，故過去工程界常會因未充分瞭解，而有疏忽現象，甚且有些單位尚推這非自己專業，然擋土支撐畢竟是地下室開挖之必需工作，如發生意外，不論對工程本身、或是社會大眾都將是重大事故，期望各界應要重視。本文謹就一些擋土支撐問題提出討論，希望能更增進工程界對該工作之瞭解，可避免再發生如基泰大直案之事故。 |
