基底減壓抗浮技術研討與應用於鶯歌鳳鳴滯洪池公園工程

張炎生／美國普渡大學 土木博士
陳水龍／中聯工程顧問股份有限公司 總經理 土木技師

摘要

        基底靜水減壓抗浮技術乃是運用“疏導、解壓”的排水抗浮原理，建立一種智慧型系統制的工法，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功能的人工排水層，是利用基礎下土層或岩層之低透水特性，將基底蓄積的靜態水壓力轉換成動態滲流壓，以自然溢流方式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，可解除地下水浮力對結構物的影響，兼具降低地下室潮濕、防滲漏效益，節省施工時間、費用的環保工法。
        近期應用於鶯歌東門溪鳳鳴滯洪池公園工程，針對滯洪池原為增重箱型筏基進行優化設計，採用基底減壓抗浮工法，主要為防制滯洪池排水時上浮及破裂，亦減少筏版厚度、土方開挖及四周RC排樁深度，達到縮短要徑工期、節省工程成本等效益，施工時減少環境影響，符合綠建築多項指標。近日颱風豪雨入侵，成功發揮了蓄洪並降低洪峰流量的功能，大幅改善了鶯歌鳳鳴地區及桃園龜山工業區長年積淹水的問題。基底減壓抗浮工法經過實際效果的驗證，確實是一個相當值得推廣的工法。

一、前言

        隨著城市化發展的加速，地下空間的運用越來越受到重視，而當面對極端氣候日益頻繁的挑戰,都市防洪亦不再只是單一的工程問題,更需要融合環境永續與市民參與,於是結合景觀、遊憩、生態的「滯洪池公園」應運而生。
        滯洪池公園是一種多功能複合式的都市基礎設施，它的核心功能是在短時間內承接、暫存大量的地表逕流或洪峰水量，以減輕下游區域的淹水壓力。但它並非僅僅是一個大水窪，現代的滯洪池設計更融入了公園休憩、生態保育與環境教育等多元功能的地下空間。所以，平時它是居民休閒、親近自然的好去處；一旦面對強降雨，它便搖身一變，成為保護城市安全的「海綿」或「保險箱」。
        隨著地下工程向大規模、超深度的方向發展，而地下設施深開挖首要面對的就是擋土支撐、地下水浮力、地下建築物上浮破裂及壓力型滲漏等問題，其中又以高地下水位地區基礎底部浮力問題最讓設計單位耗費心力。傳統長期性抗浮工法如抗浮樁、回填荷重等措施隨著基礎開挖深度而增加，相對提高了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。因此對其進行技術改進有著巨大的市場需求，且材料與能源消耗高，不利於可持續發展。針對地下水浮力問題，「基底靜水減壓抗浮技術」的功能性目標，兼具提升建築物安全與品質、降低工程成本及縮短施工時間等全面性優點的價值，可以讓設計單位同時達到業主的多項要求，提供建築產業的價值優勢，是一項值得引用的工程技術產品。

二、基底減壓抗浮技術工法

(一)設計理念
        常規的地下結構抗浮措施通常採用“抗”的思路解決地下結構的抗浮問題，而「釋放浮力法」是通過降水和排水等措施降低和釋放基礎底板下的水浮力，採用“放”的思路解決地下結構的抗浮問題。
        運用“疏導、解壓”的排水抗浮原理，創立了可以解決新建及既有結構物基底浮力問題的「基底減壓抗浮技術工法」，這是一種智慧型的排水抗浮工法，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(詳如圖1)，且於結構物使用年限內具永久性功能的人工排水層，利用基礎下土層或岩層之低透水特性，即在平均單位面積出水量≦ 0.03m3/m2.d (粉土、粘土、互層、岩層等)，將基底蓄積的靜態水壓力轉換成動態滲流壓，基底水以自然溢流方式加以過濾、匯集後，再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，解除地下水浮力過大對結構物的影響，兼具降低地下室潮濕、滲漏效益，節省施工時間、費用的環保工法。
(二)關鍵技術創新點
        傳統的疏導排水抗浮工法種類很多，常見的如倒濾層法、盲溝排水法等，這些技術存在施工耗時、污染性高、需加深基坑深度、影響地層承載力、易造成差異沉降加大及長時間使用後碳酸鈣結晶阻塞等問題，且無法運用於解除既有結構物的浮力危害。「基底減壓抗浮技術工法」針對傳統排水技術的缺點進行優化，從關鍵材料性質與配套產品、總體系統工藝與適用條件、合理化分析方法與設計等入手，開展原創性、系統性地研究，僅需約1.0公分厚度便可完全解決排水抗浮及防滲工程應用上的系列問題，形成成套的技術與標準的系統工程，本創新點的核心內容有：
1.新型透水複合材料:
        創新性研發並構建了一種超薄、高效、耐久的透水材料與結構系統。由過濾層（一級高滲透阻流濾層）、導水層（超導水格網層）及保護層（聚乙烯保護膜）組成，採用了高密度聚乙烯(HDPE)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等薄型高滲透、高導水性塑化材料，厚度小於1.0mm。
        一級高滲透阻留濾層可有效防止粒度≧75μm 的土壤顆粒通過，保障系統不堵塞。超導水格網層導水能力高於級配料，厚度僅7mm不影響基礎承載力，不產生自帶沉降。水平導水材料均具耐高壓(>800kPa)、高延展特性(拉伸率>14%)特點，不會因沉降、地震等因素造成系統失效。具有透水性和導水性高，即時疏導地下水使基底壓力穩定；厚度薄，不影響承載力和不增加挖深；拉伸率大，適應建築變形能力強；不受地下水酸鹼性影響、可長期使用不劣化等優點。
2.三種靜水壓力釋放工法:
        「靜水壓力 釋放層」工法屬於全面鋪設新型透水複合材料；「靜水壓力釋放帶」工法屬於局部條狀鋪設帶狀;「靜水壓力釋放管」工法則是將材料經加工後，成為圓柱型透水管以點狀方式配置，適於已建成之基底。
        靜水壓力釋放管是由過濾層（一級高滲透阻流濾層）、導水層（非對稱超導水格網管）、穩流層及多孔管組成的四重管；以點狀方式配置，垂直安裝於基板下墊層到土壤之中，使壓力水順利導流入 集水系統；實現了對既有結構抗浮功能改造升級或抗浮事故的處理，且對結構基礎底板破壞 性最小，造價低。
3.智慧排水系統:開發了氣密式出水系統設計，有效防止了基底細粒料擾動和碳酸鈣結晶阻塞，保障了長期使用。研發並採用了滲流壓監測兼反沖洗系統，採用固定滲流壓設計，實現了基底水壓的實測監測與動態釋放，便於迅速排除堵塞問題。
4.配套理論分析方法:「基底靜水壓力釋放技術」主要理念是將基底靜態的高額水壓力轉換成穩定的動態滲流水壓力，藉以降低基底版下地下水浮力的影響，有限的排水量的控制是關鍵。明確提出了基底釋放水浮力法適用條件，基於土體滲流場與水力學基本理論，建立了基底以下土體長期滲流量分析、周邊環境地下水位元分析、基底動態滲流壓仿真類比分析等配套的設計計算方法。解決了如何評估靜水壓力釋放技術可行性與有效性的問題，避免基底透水量過大，造成排放系統負荷過大和過濾層長期滲透型阻塞及影響週邊水文條件等問題。
5.系統總體工藝與設計:系統建立了基底靜水壓力釋放技術系統總體工藝與合理化設計。是在基底下方設置靜水壓力釋放層，將基底下的壓力匯集到集水系統，並導流至出水系統後進入專用水箱或集水井中排出，從而釋放部分水浮力。形成了透水系統、集水系統、出水系統、滲流壓監測系統(兼反沖洗孔)等成套系統工藝。採用了高效的新型透水複合材料、專利全氣密式系統，和固定滲流壓力自然溢流方式的智慧排水系統相結合的集成創新總體設計。實現了基底壓力的穩定並減小對周邊環境的影響，具有高效穩定、可長時間使用、施工週期短、節約材料、污染公害小等優點。
        此創新工法是開發了超薄、高透水性和耐久性的釋放層核心材料，從而提供了全方位、系統化的新技術，有效解決了深大地下結構抗浮所面臨的安全、可持續發展和環境保護等問題，為地下空間開發提供了有力的技術支撐，經過30年及百件以上無客訴案例。

三、實際應運案例-鶯歌鳳鳴滯洪池公園興建工程

(一)工程概述
        新北市政府為改善東門溪防洪計畫於鷹歌區東門溪鳳三路及龍五路交叉口處興建鳳鳴滯洪池工程(以下簡稱本工程)(位置詳如圖4.)。於地面層打造近3公頃的公園，還給都市一抹綠，讓防洪與休閒兼顧，打造市民有感新生活的多功能空間。本工程由川祥營造有限公司承包，本建案型式為基底位於GL-8.56m沉泥質卵礫層上，建構102×102×6.4m之中空型蓄水池，頂版面填土2.0m。常時地下水位約位於GL-3.0m，雨季時地下水位具有近似地表潛能。
        依據建築技術規則要求，必須以結構物60年生命週期中之可能最高水位GL-0.0m進行分析。本工程開挖底面GL-8.56m處之地下水壓力 (Pw)max＝8.56 t/m2。依此標準評估，工程完成後，蓄洪前須先排空內部蓄水，本工程靜荷重小於未來最高地下水位時之上浮力，底版會因上浮力過大而上浮或破裂，無法符合基礎構造設計規範2.10章節針對基礎抗浮之安全性，須有適當解決方案。本基地決定採用「自平式基底減壓工法」此種依時動態平衡的設計，以改變基礎底部靜水壓力過大，使基底透過減壓層滲流至內部，動態降低基底靜態水浮力，取代填重或抗浮樁，解決短期基底水浮力過大之基底上浮及破裂兩項問題。
(二)基底減壓項目的功能性需求目標與統包範圍
        1.大底版下之基底水壓力控制小於約PW＝5.0±0.5 t/m2 （GL-3.5±0.5m）;
        2.基底版於保固期內，保證無任何因上浮力過大因素造成結構體整體上浮、剪力破裂及基底版產生壓力型滲漏水之長期安全及滲漏問題。
        3.基底減壓統包工程範圍:版基底部基底舖設面積，即本案之全部版基A＝110.9m×110.9m。本項目為抗浮系統的功能性統包工程，川祥營造公司委交中聯工程顧問公司(以下簡稱CUC公司)負責施作，包括由檢核設計、材料、施工至保証系統功能符合需求目標。舖設完成至結構體完成，經2次基底水位高程及施工期滲流量監測，驗証符合統包功能性目標。
(三)工作內容
        1.依據CUC公司符合ISO9001認証流程－第二階主要分為五個階段作業：前置作業、減壓層舖設作業(要徑工期)、管件續接及觀測設備安裝作業、建物構築期間觀測及辦理結案。
        2.基底減壓舖設SOP執行流程－ISO第三階:材料訂購、材料進場、舖設前準備、放樣、材料吊放、舖設T-4000過濾層、舖設水平集水管網、舖設HF20導水格網、舖設PE保護層、以ㄇ型釘、營釘或壓重固定、出水系統上通管安裝、觀測井上通管安裝、配合澆置PC時修補、安裝出水系統、安裝觀測井保護蓋板、基底水壓力及出水量監測、提交維護手冊。
(三)工程設計要求
        「基礎底版減壓抗浮工法」屬於依建物壽年之功能性產品，符合大自然物理原理及大地工程滲流原理的設計，正常條件皆不須任何維修之綠工法產品。本工法之特點為：使用材料之功能品質須大於60年要求外，亦須確保整體減壓系統功能大於結構物設計壽年。本工程使用之相關設計規範，分別敘述如下：
1.基底土層垂直向主應力的穩定需求：Pc≧DL－Pw≧1/4Pc
        Pc＝前期垂直向固結主應力
        DL＝基底版對岩土層的有效荷重
        Pw＝設置『基底減壓層』之基底處之靜水壓
2.物理性阻塞防止設計
        為防止本工程可能造成物理性阻塞，規劃設計時符合下列原則，以確保長期使用安全無虞：
        (1)基礎下地層最小土壤顆粒之沉降向下之速度大於地下水向上滲流速度三倍以上土層。
        (2)工程過濾層使用合於FHWA永久性過濾／排水之選材規範。
        (a)過濾要求：
於Cu≦3時O95(過濾層)≦1.8D85(土壤)
Cu＞3時3D15(土壤)≦O95(過濾層)
        (b)排水要求：
k(過濾層)≧10k(土壤)
        (3)排水格網流量要求：
        (a)Q(排水格網)＞Q(土層)
        (b)材料抗壓強度＞建物基礎面承載力
單層格網強度≦80 t/m2(800KN/m2)
        (4)排水管與排水層規範：
流量：Q(排水管)＞Q(土層)
3.礦物析出物阻塞防止設計
        為防止減壓層長期使用後可能造成礦物結晶造成阻塞，規劃設計時採用下列設計，以確保整體系統長期使用安全：
        (1)於進入筏基水箱之進水管安裝逆止閥及排氣閥，以阻絕空氣進入集水管網路及排水格網層中，防止Ca++離子析出與空氣中之CO2結合為CaCO         (2)進水管口低於水箱中之水位面，防止地下水流出時接觸空氣中之CO2。
4.安全係數設計
        「基礎底版減壓抗浮工法」於設計時，排水系統安全係數大於實際需求量5倍以上，足夠應付永久性使用之要求。
        
5.長期監測及維護措施
        配合埋設之監測儀器每半年定期檢測。工程觀測期間，若發現基底減壓層水壓力≧5.0±0.5 T/m2，即目視發現地下水溢至基版面，通知CUC公司負起統包責任，依約檢核或維修，至整體系統恢復原有功能。
(四)優化設計
        施工現場問題難點:基坑開挖面積廣闊需分區塊開挖施工、施工時間長危險性高、地下水位高施工期間降水問題等。經與CUC公司合作採用「基底減壓抗浮工法」，優化設計施工方案如下表:
(四)執行時間
        本工程於112年11月簽訂合約後即展開施工規劃、材料採購及加工等工作，並於113年6月21日申報開工，並分6區段分別於113年6月、113年7月、114年3月、114年7月、114年8月、114年12月，由CUC公司專業工程人員在施工現場配合土方開挖進度分階段執行安裝工作，並無使用到要徑工期，施工照片詳附圖6-11。
(五)完工數量
        鳳鳴滯洪池工程執行項目及數量分別如下：
        1.基底水浮力區減壓層(內含不織布、格網、防水PE布)鋪設，總面積約12,299m2。
        2.集水管網平均為8×8m (外部批覆不織布)總長度約3105m以上。
        3.直立進水管總成50處(出水系統)，裝設於入滲水池中邊牆。
        4.施工期之基底水位觀測井12組。

四、結論

        (一)新北市鶯歌區鳳鳴滯洪池可蓄洪約6.2萬噸水，可達到東門溪護岸達25年防洪保護標準，可改善桃園市龜山工業區及鄰近地區長年淹水問題，讓兩市居民在大雨來襲時能更安心，地面層也將打造近3公頃的公園，帶給都市一抹綠，讓防洪與休憩兼顧，打造市民有感新生活的多功能空間，是目前最重要的城市基礎建設之一。
        (二)隨著城市化的發展，深大地下工程的運用是必然的趨勢，也相對凸顯地下結構的抗浮問題。傳統抗浮措施如抗拔樁等，其工程費用占地下結構造價約20%-50%，而且大量使用高耗能材料，對於環境 污染影響巨大。為改變傳統抗浮技術的缺點，排水抗浮工法的價格低、污染小等優勢是工程界有效解 決地下結構抗浮問題最佳途徑。基礎底版減壓抗浮工法由於功能效果顯著、施工簡便，對於受水浮力控制之地下空間，極具經濟效益並兼具節能減碳之優點。
        (三)CUC公司因已執行逾30年一百多個案例，皆符合功能性目標，即最佳佐証。基底減壓抗浮工法與抗浮樁之價值分析比較，具有較高之安全性，施工工期短，減少棄土，減少環境影響，常態出水可做為植生中水及補注深層地下水，符合綠建築多項指標。
        (四)整體而言,「基底減壓抗浮工法」經過實際效果的驗證是一個相當值得推廣的工法。除了可以克服浮力問題外,也可以避免一般建築物深基礎底部結構性滲漏的困擾。該工法最適宜運用於滲透係數低之地層且較深開挖基地(例如地下停車場、地下商場等),值得多加推廣。





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.內政部營建署，「建築技術規則建築構造編」第七十八條。
3.內政部營建署，「建築物基礎構造設計規範」內政部營字第9085629號，2001年。
4.章致一，「CMC靜水壓力釋放層工法」產品說明書，中聯工程顧問股份有限公司。
5.歐章煜，深開挖工程–分析設計理論與實務[M].科技圖書股份有限公司，2009年。
6.莊武雄，三十八年工程實錄.詹氏書局，2009年。