軟弱土層鋼襯鈑工作井崩塌案例紀實

鋼襯鈑工作井適用於土壤強度高、側向土壓力小及地下水位低之地層,軟弱土層鋼襯鈑工作井之設計與施工,需特別考量地質特性影響,以確保開挖過程施工安全。惟目前國內缺乏相關規範可供參循,施工時發生崩塌損鄰事件時有所聞。基此,本文筆者以案例紀實方式分享工作經驗,期有助於工程技術提升,避免災害事故重複發生。

案例工程概述

本案例為某中大管徑地下管線埋設工程,部分路段採推進工法施工,工作井設置於交通繁忙、地下管線密集之都會區道路口。工區腹地狹小且緊靠鄰房大樓,依地質鑽探資料研判,開挖面以上皆為軟弱土層(圖1)。

原設計以H型鋼樁加鋼鈑為工作井開挖擋土設施,因施工條件限制無法按設計圖說施工,變更設計後改以鋼襯鈑施作。鋼襯鈑工作井設計型式為橢圓形,設計規格ψ3.5m×10.41m,開挖深度7.5m(圖2),屬於軟弱土層中進行深開挖工程。

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圖1工作井施工位置圖

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圖2工作井設計平面圖及剖面圖

崩塌事故說明

本案例於工作井施工期間,有不明水源從開挖面流入坑內。當開挖至GL-3m時,靠鄰房側發生大量土石坍落,造成鋼襯鈑壁體側向變形(照片1)。當承包商將坍落土石清除,完成鋼襯鈑壁體修復,隔日欲進行擋土支撐架設時,發現安定層混凝土表面有斷裂痕跡,研判下方土層有淘空情形,隨即要求現場工人、機具撤離工作井,並於井內以鋼管支撐回撐。

正當承包商規劃進行灌漿回填作業時,工作井內鋼襯鈑陸續傳出異響,鋼管支撐發生挫屈破壞,安定層混凝土突然下陷掉落,鋼襯鈑壁體受擠壓扭曲變形。坑內ψ150mm PVC水管接頭鬆脫,自來水溢出流入工作井(照片2)。另人行道版塊下方土層淘空,地下埋設管線懸空外露(照片3),排水溝溝底下陷及溝壁斷裂,溝內水流大量湧入坑內淹沒工作井。

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照片1工作井壁體側向變形

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照片2 工作井崩塌現場情況

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照片3擋土壁外側土層淘空

緊急應變處理

崩塌事故發生後,承包商依災害緊急通報程序通知相關單位人員,進行緊急應變處理(圖3),以防止二次災害發生。首先,聯絡當地管線搶修單位,關閉漏水管線制水閥,避免自來水持續溢出淹沒工作井。緊急於坑內回填土砂,平衡工作井內外側土壓,避免崩塌範圍擴大。

人行道版塊下方設置臨時支撐,土層淘空處回填低強度混凝土(CLSM),避免造成路燈、交通號誌等公共設施受損。工作井內以鋼管支撐回撐加固,避免鋼襯鈑壁體變形擴大,造成外側路面塌陷。最後,確認工作井四周呈穩定狀態後,設置安全防護設施,封閉工區禁止人員進入崩塌區域。

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圖3緊急應變處理措施

事故原因分析

本案例工作井開挖施工期間,流入坑內不明水源經檢測為自來水,漏水點為工作井旁廢棄2”PVC水管,因封管處管蓋鬆脫滲漏,土方開挖時坑內抽排水作業,促使滲流水沿鋼襯鈑與開挖面間隙流入坑內,工作井外側土層於水流沖刷下,發生大量土石坍落擠壓鋼襯鈑,造成擋土壁側向變形。加上人行道下方排水溝未設置鋼筋,地基流失後造成沈陷破壞,溝內水流夾帶土砂大量流入工作井,加速擋土壁外側土層淘空(圖4)。

其次,承包商對坍落土石處理不當,以超挖方式清除擠壓鋼襯鈑土石,造成安定層下方地基淘空。施工時移除臨時擋土支撐,完成擋土壁修復後,未立即回撐及進行背填灌漿。故當安定層混凝土因自重下陷掉落時,鋼襯鈑壁體無法抵抗側向擠壓力,造成工作井崩塌扭轉變形。此外,施工期間經常連日豪雨,工作井內積水混濁開挖面泥濘,不易察覺出土壤流失土層淘空情形,進行緊急應變處理,最終導致崩塌事故發生。

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圖4工作井崩塌原因示意圖

原地重建對策

承包商依據崩塌事故檢討結果,研擬工作井原地重建對策(圖5)。茲分項說明如下。

一、阻斷流入坑內水源

軟弱土層中進行深開挖工程,開挖面穩定性為施工成敗關鍵。針對流入坑內不明水源,尋找漏水點修復滲漏管線後,進行人行道下方排水溝復舊,阻斷流入坑內水源路徑,避免水流夾帶土砂流入工作井內,破壞開挖面土層穩定性。

二、增加外側土層穩定性

軟弱土層開挖面自立性較差,除以地盤改良提高土壤強度與止水性外,另於擋土壁外側打設穩定樁(50kg鋼軌樁,L=9m,間距50cm),貫穿開挖面短期45°主動破壞面,增加外側土層穩定性,避免土層沿弱面滑動滑動坍落。

三、調整開挖作業規劃

鋼襯鈑工作井採逆打方式施工,無支撐開挖深度不宜過大,設計安全係數宜採保守,故重新調整開挖作業規劃(表1)。安定層完成後每層土方開挖深度減低為1m,土方開挖完成後立即組立鋼襯鈑,背填灌漿完成後隔日始能進行下層開挖作業。

四、遷移坑內老舊管線

工作井內如有未遷移之地下管線,除土方開挖過程造成出土不便外,壓力管線受損後容易引致二次災害發生。故將坑內吊掛保護之老舊ψ150mm PVC水管,臨時遷移至外側人行道上,並設置水閥開關控制水流,避免大量自來水溢出淹沒工作井。

五、設置臨時擋土支撐

鋼襯鈑工作井屬非剛性擋土結構,尤其橢圓形直線段壁體勁度小,擋土支撐及背填灌漿未完成前,無法承受側向土壓力。故工作井開挖期間設置臨時擋土支撐,避免鋼襯鈑因灌漿壓力或坍落土石擠壓變形,影響下層鋼襯鈑組立施工。

六、更換協力廠商工班

原開坑協力廠商缺乏軟弱土層施工經驗,崩塌事故發生後已無心力繼續施作,承包商遂更換鄰近標案有經驗工班進場施作。大型施工機具改由承包商提供,協力廠商僅需負擔人力工資,避免為降低機具費用不當趕工超挖情形。

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圖5工作井原地重建對策

表1工作井開挖擋土作業規劃

項次 工作內容 天數
1 AC路面切割及打除運棄 1
2 工作井四周及坑底地盤改良 5
3 第1層土方開挖(GL-0m~GL-1.5m)、第2~3層鋼襯鈑及第1層加強環組立、安定層混凝土灌漿(GL-0.5m~GL-1.5m) 1
4 第1層鋼襯鈑及鋼襯鈑護欄組立(GL+0m~GL+1.5m)、安定層混凝土灌漿(GL-0m~GL-0.5m) 1
5 安定層混凝土養護 2
6 第2層土方開挖(GL-1.5m~GL-2.5m)、第4~5層鋼襯鈑及第2層加強環組立 1
7 第1層擋土支撐架設(GL-2m) 1
8 第3層土方開挖(GL-2.5m~GL-3.5m)、第6~7層鋼襯鈑及第3層加強環組立、背填灌漿(GL-2.5m~GL-3.5m) 1
9 第4層土方開挖(GL-3.5m~GL-4.5m)、第8~9層鋼襯鈑及第4層加強環組立、背填灌漿(GL-1.5m~GL-2.5m) 1
10 第2層擋土支撐架設(GL-4m) 1
11 第5層土方開挖(GL-4.5m~GL-5.5m)、第10~11層鋼襯鈑及第5層加強環組立、背填灌漿(GL-4.5m~GL-5.5m) 1
12 第6層土方開挖(GL-5.5m~GL-6.5m)、第12~13層鋼襯鈑及第6層加強環組立、背填灌漿(GL-2,5m~GL-3.5m) 1
13 第3層擋土支撐架設(GL-6m) 1
14 第7層土方開挖(GL-6.5m~GL-7.5m)、第14~15層鋼襯鈑組立、坑底PC澆置 1
15 施工底版鋼筋綁紮及混凝土澆置、背填灌漿(GL-6,5m~GL-7.5m) 1
16 施工底版混凝土養護、背填灌漿(GL-5.5m~GL-6.5m) 7
17 第3層擋土支撐拆除 1
18 推進坑內佈場作業 4
小計   32


結語

本案例工作井崩塌發生於工區內,所幸無人員傷亡及鄰房損壞情形,承包商進行緊急應變處理後,崩塌範圍未進一步擴大。後續經事故原因檢討與研擬因應對策,原地重建作業於復工後2個月內順利完成(照片4)。

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照片4工作井原地重建完成

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