深開挖工程設計通論

       RIDO在國內深開挖中是使用極廣的程式,由於其簡單易學,因而常是基礎開挖分析時最優先考量的分析程式。然而就深開挖工程而言,其所牽涉之範圍極廣,諸如開挖時引致之地表沈陷、鄰近結構物之變位及對既有管線之影響等,而所需考量之分析因素亦相當多,諸如地層狀況、岩土特性、強度參數、地下水位、擋土壁貫入深度及其穩定性等,有時亦需考量地下水之影響而決定採用總應力分析或有效應力分析法等。由於深開挖工程進行施工時即與鄰近之環境(即建物、地表、地質及地下水等)有交互的影響關係,因而將分幾點來探討。

一、深開挖分析之考量

一般在進行深開挖工程分析時,不論應用何種程式(國內目前除RIDO外,較常使用的是TORSA、FLAC及PLAXIS等)都會遇到如何選取地層參數的問題,而其中又會有一些導出參數如地盤反力、土壓力係數Ko、Ka、Kp及彈性模數E甚至岩土強度參數(若試驗值不足時)等均需加以考量及選取的。由於在地質調查階段,常會因現地施鑽之情況或受限於其他原因而無法取得足夠之薄管進行室內力學試驗求得所需要的地質強度參數,以致在分析時有“失之桑榆”之撼,惟在迫於“需分析”的前提下,常會採用鑽探過程中取得極為容易的標準貫入試驗N值做為依據,來評估強度及勁度等參數。由於這些力學特性參數與N值關係之經驗公式常隱含著相當多的不確定性因子,因而在選用時也是見仁見智,目前在國內雖已有一些如表一所示之經驗公式可供參考。因此,分析(如RIDO)結果常需加以研判壁體變位及應力(包含彎矩、剪力)在當時之地質條件下是否合理。另外,值得一提的是,以N值求得靜止、主動及被動土壓力係數,於設計時應將其隨深度而變化之因素考量在內。

表一 較常用之評估公式

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 隨著基地大小及開挖方式的不同,其支撐方式亦有差異,在分析上均需加以考慮,通常以順打工法進行開挖支撐型式則採用內支撐,而若有趕工或其他之考量,則採用逆打工法,樓板即作為支撐。另在開挖空間較狹窄之情況下,為使開挖作業順利進行,其支撐系統亦有採用地錨背拉方式。採用內支撐系統即是以H型鋼作為支撐(包含角撐與斜撐)及橫擋,而每一支撐間距通常都以不超過6~7m為原則。當開挖面積較大時便需採用中間柱,此中間柱長度大約與擋土壁同深,其做法類似基樁先於預定位置處施鑽一孔,灌注混凝土至一定深度後插入中間柱並將孔隙回填。當臨近重要之結構物如高鐵、高架橋基礎或建築物時,則設計上需加入近接施工之概念。

二、擋土壁體之研選

 擋土壁體型式的決定,大致上是依其屬於臨時或永久設施來考量,其中永久擋土設施均採用連續壁較多,而臨時擋土設施除連續壁外,以鋼板樁較為常用,其他尚有鋼軌樁、排樁等。對於上述擋土壁之優缺點如表二所示,由於鋼板樁使用較廣,特將其使用時機說明如下。

表二  擋土壁之優缺點比較

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(1)  在都會區或建物較為密集的地區,採用鋼板樁做為臨時擋土設施時,為避免噪音、振動之影響,打設時會考慮採用單價較高的無振動式鋼板樁。另外,在壁體變形要求較為嚴謹之開挖、止水性要求高或鄰近結構物敏感時,亦有採用勁度較高的連續壁作為臨時擋土設施。

(2)  在跨河或溪水中行開挖,通常都以雙層鋼板樁(如照片一所示)作為擋土及擋水設施,而鋼板樁中間則回填粘性土壤(如圖一所示)以防止外側的河水滲入開挖區內,目前尚有一接合較為緊密型式(止水性更佳)之鋼板樁,使用於水中開挖時,僅須單層即可。

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照片一 雙層鋼板樁圍堰                                                        

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圖一 跨河開挖之雙層鋼板樁

(3) 在礫石層中之臨時擋土設施,在無地下水之情形下,考量其自立性頗佳,可採用鋼軌樁加橫板條,若地下水位高,則需以止水性較佳之鋼板樁,但為貫入礫石層中,故有時會以沖水式鋼板樁來施做。另外,在台中地區,因其礫石之粒徑大於1.0m者相當多,且質地堅硬,一般之鋼軌樁、鋼板樁層或預壘樁等極難施工,因而形成以人工擋土柱工法來作為擋土設施之獨特現象。

另外,對於含有回填土、磚塊或礫石等回填土地層時,常常在導溝開挖就有坍孔現象(如照片二所示),因而為避免施作連續壁失敗引致後續開挖不順利,通常會採用:(1)於連續壁兩側打設臨時性鋼板樁,(2)於導溝下方施作地盤改良,等兩種方法,其中採用方法(1)時,當連續壁施作完成後較難拔除並增加工期,且拔除過程中亦會影響鄰房及既有結構物;採用方法(2)時,由於可達到止水效果、固結土壤及提高地層強度等,因而,本工法較常被採用。在防止連續壁作業可能引致之坍孔、包泥或穩定液流失等情形下,地質改良採用單管之高壓噴射攪拌工法(CCP工法)較為常見。

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照片二  回填土層於導溝開挖時可能引致坍孔

三、深開挖之抽排水

 在深開挖工程中,地下水處理是一個相當重要的議題。地下水位之高低不僅影響擋土結構之型式,同時在開挖過程中亦會因地下水入滲而引致施工進度緩慢。黏土層因其滲透係數相當低(約<10-7m/sec)亦無所謂砂湧或上舉力破壞等問題,因而開挖時常不需抽水;砂性土壤或礫石層因其滲透係數通常會大於10-5m/sec,開挖時地下水很容易流入開挖區內而造成施工不便,因而設計時均需考量降水至開挖面下約1.0m,以保持開挖面之乾燥,施工時則採用集水坑、深井或點井等方法來排水。

四、軟弱地層深開挖

 在極軟弱至軟弱粘土層中進行基礎深開挖之設計,常會考量土壤提供被動阻抗甚低及施工擾動降低土壤強度等因素,而嘗試將擋土結構之貫入深度加長並提高支撐系統之勁度及增加階數等措施來因應,惟實際開挖過程中卻仍無法避免擋土結構產生過大變位情形,嚴重者甚至會引致局部或整體破壞。

為克服上述問題,早期的作法是將連續壁公單元面崁入堅硬岩盤(或礫石層)以降低連續壁變位,近年來則相繼地使用內(或外)扶壁式連續壁或地中壁來增加壁體之摩擦力,以減少壁體變位量。另外則有於開挖區內(未進行開挖前)採用高壓噴射灌漿進行全區之地盤改良,除可以減少壁體本身之變位量、增加開挖區內之被動土壓力及提高土壤強度與勁度等之外,又可克服隆起破壞,使開挖工作順利進行,因而也較常被應用。然而,進行地盤改良過程中卻也會衍生出一些設計及施工上之困擾,諸如:灌漿孔周圍土壤變形、擋土壁外擠變位(如圖二所示)、激發超額孔隙水壓力、地表隆起及改良樁間土壤之力學特性變化等。因此,施工時需控制灌漿之施工品質,才能避免擋土壁產生極大之外擠變位。目前較常被應用於開挖區改良之灌漿工法有JMM、AUGER及JSG等工法,其優缺點比較如表三所示。

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圖二  灌漿引致連續壁外擠變位

表三 深開挖地盤改良工法之優缺點

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於軟弱粘土層開挖區內部進行地質改良後,土壤之整體強度提高,被動阻抗隨之大幅提高,而反映在設計分析上的則是抗內擠(Squeeze-in)之安全係數增加,壁體之變位及支撐軸力相對降低。因此,就設計經驗而言,於台北軟弱粘土中進行地質改良之改良率以介於12.5%~22.5%較為適宜,若低於12.5%則改良效果不顯著,而高於22.5%時則壁體有擠裂之虞;另相同改良率下採用小口徑之改良樁所獲得之改良效果較採用大口徑之改良樁為佳,而改良樁常用之設計直徑以80cm或100cm為較佳。

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五、結語

 台灣地區地質狀況變化頗大,在地狹人稠的都會區中,大樓基礎開挖工程頻繁,開挖規模及深度也有逐漸加深、加大的趨勢,迫使每位技師朋友也需練就一身開挖分析的絕技,以便從容的應付各種不同地質條件、開挖形式及不規則開挖基地等之狀況。由於工程界已有相當豐富的開挖分析設計經驗,因而雖有些分析程式並無明顯或清楚之理論依據,但在地層參數、支撐強度及擋土結構勁度等之適度折減考量下,加以“工程師之研判(engineer judgment)”後,分析結果通常是“令人滿意”的,然而當遇到有極軟弱或具潛變等之地層條件時,則此“工程師之研判”便須謹慎小心。因此,未來對於基礎深開挖工程之分析、設計仍需要更進一步的與工程實務相結合,才不致與實際開挖有出入。

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