陳建民 技師
駿馳工程公司 李明書、劉益宏 副總經理
摘 要
都會區建築物多層地下室設計已成為目前建築結構的主流,開挖過程萬一遭逢開挖面湧水,不但造成工期延誤,也可能對於鄰近道路及構造物,形成破壞或引發工安事故。開挖湧水形成的原因很多,解決方式各有不同,利用適合的低壓灌漿技術,進行湧水封堵及周邊地層改良,可以同時達到止水及降低地層擾動等目的。本文針對適用基礎開挖湧水治理技術進行介紹,並提出低壓灌漿應用案例作為參考。
一、前言
隨著都會區地下空間需求量激增,基礎開挖日益加深,相對衍生出許多工程挑戰,基礎開挖湧水即是其中一項。所有工程在施工前,必定經過詳盡地質調查及規劃設計,但礙於地質條件的不確定性,基礎開挖湧水事件,仍時有所聞。基礎開挖湧水,在施工程序中雖歸類於突發工程事故,但因其可能造成重大工安事故及社會危害,施工前的妥善應變規劃、營造單位的處置方式,及執行單位的實務經驗,便成為災害處理成功與否的關鍵要素。
傳統作業觀念中,遭遇基礎開挖湧水的應變方式,常採用增加點井降水、高壓噴射注漿封堵,或LW速凝水泥漿擠壓灌注等方法處理[1]。但因為造成湧水的原因及產生性狀不同,傳統處理技術可能不是最有效、省時、經濟的方式。隨著工程科技的發展,灌漿工法、機具設備及灌漿材料,已經有了大幅度的演進,特別是低壓灌漿技術及新型化學藥劑的搭配運用,提供了較小地層擾動條件下,達到湧水封堵、地盤改良等工程需求的更佳選擇。
圖1 基礎開挖湧水淹沒地下室
圖2 基礎開挖湧水(約位於GL-20.0m)
二、基礎開挖湧水形成原因與解決方法
(一)形成原因
常見造成基礎開挖湧水的原因,有以下幾類:
1.開挖面下擋土設施存有瑕疵,形成透水路徑[2]。
2.地層變異過大,開挖面局部上舉力破壞,形成低透水性封堵層破裂管湧。
3.地層夾埋封堵不完全的管件、鑽探孔、降水井、古井或腐木等異物,形成透水路徑[3]。
4.基樁(壁樁)、中間樁、逆打樁或降水井側向封堵不完整,造成湧水孔隙。
5.降水井(解壓井)抽水泵故障或斷電,造成砂土層管湧或低透水性封堵層上舉破壞[4]。
6.人為擾動,如開挖後增設基地內降水井、高壓噴射灌漿等,造成低透水性封堵層穿孔。
7.天災、工程延遲等因素,造成開挖面潛變隆起,形成低透水性封堵層裂隙。
近年來由於工程管理及規劃設計日益嚴謹,設計疏失造成開挖湧水的情況逐漸減少。但由於無法預期的地層夾埋及封堵不全造成開挖湧水情況,反而時有所聞。特別是舊屋拆除、新建多層地下室建築的工程項目,常因早期基地內設置的抽水井管(古井)或地層鑽孔,造成地下室開挖至舊有建築基礎高程下方時,突然發生局部湧水現象,形成施工危害。
圖3 地中舊有鑽探孔造成基礎開挖湧水
圖4 地中舊有管件(古井)夾埋造成基礎開挖湧水
(二)解決方法
解決基礎開挖湧水的方法,須依照湧水成因選擇適當封堵方式。工法選擇時,亦須顧及後續開挖及基礎施工等特性,避免復建工作進行時,湧水情況再度發生或造成工作不便。目前常用的開挖湧水封堵方法,分別敘述如後:
1.加強降水[5]、[6]
在基地內、外增設降水井(或解壓井),以降低基地內地下水位方式,解除或減緩開挖面湧水問題。加強降水方法,適用於開挖面下為有限水補給地層,在鄰近設施密集的都會區,運用加強降水處理時,須提升周邊設施沉陷監測頻率,同時考慮鄰近市政排水系統負荷能力。
2.高壓噴射灌漿
高壓噴射灌漿採用土壤置換方式成型,對於地層具有擾動性。在地下水持續湧出條件下,容易造成水泥漿析離流失,形成湧水狀況加劇的反效果。高壓噴射灌漿搭配速凝水泥漿材,適用於湧水壓力及流量較小的樁側補充灌注、存在瑕疵擋土設施外側止水隔幕成型等狀況,對於承壓水層大量湧水情況,封堵效果較差。
3.低壓灌漿
早期低壓灌漿封堵,多採用一徑式灌漿工法,搭配LW速凝水泥漿,對湧水位置進行填充、擠壓封堵。但因為速凝水泥漿液的固化時間略長,且固化時間不易控制,當遭遇出水量較大時,漿材固化前常會被析離或沖散,無法達到封堵效果。此外,速凝水泥漿屬於懸濁型漿材,在地層中滲透性較差,注入地層後常因無法均勻分布,導致改良後地層止水加固成效不彰。
隨著灌漿技術的發展,二徑式灌漿工法(二重管灌漿工法)及熱瀝青灌漿工法,可以在短時間內達到漿材固化效果,迅速封堵湧水路徑同時加固周邊地層。茲針對開挖湧水低壓灌漿封堵技術,介紹如後。
三、低壓灌漿封堵技術[7]
低壓灌漿,通常指利用灌漿設備,將出口壓力小於4000kPa的適當漿材,注入土壤中或岩層縫隙,以滲透、擠壓、劈裂、填充等方式,達到地層加固、湧水封堵或降低地層滲透係數的單一或複合目標之工程行為。採用低壓灌漿技術時,需要隨時監控灌漿壓力及漿液流量(流速),以避免漿液對於地層造成過度劈裂、抬昇,或對本基地周邊地下設施,如鄰房地下室外牆、地下連續壁、洞道、箱涵、管路等地下結構,造成過度擠壓。此外,於可能存在裂隙的地下結構附近,進行灌漿作業時,需要特別注意各項監測數據,一旦出現急遽壓力或流量變化,極可能發生漿液流入地下空間情況,應盡快暫停灌注作業,查明原因,以防止損壞既有地下結構功0能。
(一)低壓灌漿技術分類
低壓灌漿,依照其使用條件及目的不同,運用的機具設備、執行方式及使用漿材,也存在較大差異。規劃時必須依照工程條件,選擇適當的灌漿技術搭配運用,方能得到預期目標。常見的低壓灌漿工法,及其優、缺點與適用範圍,如表1所示。
表1 常用低壓灌漿工法[8]、[9]、[10]
名稱 |
淺層灌漿工法 |
雙環塞灌漿工法 (馬歇爾管灌漿工法) |
單管灌漿工法 (一徑式灌漿工法) |
二重管灌漿工法 (二徑式灌漿工法) |
熱瀝青灌注工法 |
優點 |
l灌漿機組較小,設備可快速動員。 l施工過程使用手持式衝擊鑽機,鑽孔斷面小,可降低地層擾動。 |
l預埋馬歇爾管(Sleeve pipe),可依需求分層灌注。 l鑽孔可採用鑽堡施工,改良深度較不受限制。 l同一位置可依改良目的,選用及灌注不同種類漿材。 l可同時進行多孔灌漿,縮短施工時間。 |
l採用單層管進行鑽孔與灌注,可依需求分層灌注 l同一位置可灌注不同種類漿材。可依改良目的選用漿材。 l灌漿機具、漿材取得容易,技術門檻較低。 |
l採用二重管進行鑽孔與灌注,可依需求分層灌注 l同一位置可灌注不同種類之漿材。可依改良目的選用漿材。 l可灌注瞬凝漿材。 l適用不同類型地層灌注。 |
l單液型漿材,不需要特殊條配。 l漿液以溫度作為固化控制機制,屬於物理性反應,不受配比影響。 l適用於各類地層大量與高壓湧水封堵。 |
缺點 |
l以手持方式鑽孔及埋設管材,鑽孔能量小,改良深度無法過深。 |
l施工過程使用鑽堡衝擊式鑽孔,鑽孔斷面大,對地層擾動相對較大。 l於地下水位下鑽孔,較具風險性。 l受限於施工空間。 |
l不適用於淺層灌漿。 l不適用瞬凝漿材。 l於快速流動水條件下,漿材容易析離。 l於礫石層中鑽孔速度較慢。 |
l不適用於淺層灌漿。 l二重管管材較不普及,成本較高。 l於礫石層中鑽孔速度較慢。 |
l漿液黏滯度隨溫度變化,於土層中生均勻擴散性略差。 l機具設備需於高溫下作業,施工防護須謹慎管理。 l漿材取得途徑受限。 |
適用範圍 |
l淺層地盤孔洞填充改良。 l改良深度GL-2.0m以內。 |
l深層地盤滲透灌注改良。 l可採用水平地層灌注。 l改良深度GL-1.0m以下。 |
l深層地盤擠壓或劈裂灌注改良。 l改良深度GL-1.0m以下。 l地下水位以下地盤改良。 |
l深層地盤滲透、擠壓、劈裂灌注改良。 l可採用不同角度灌注。 l改良深度GL-1.0m以下。 l地下水位下地盤止水、加固改良 |
l各類地層填充、擠壓、黏結灌注改良。 l可採用不同角度灌注。 l改良深度GL-1.0m以下。 l各類土層湧水封堵。 l破碎岩層湧水封堵。 |
(二)漿材用量[11]
低壓灌漿漿材用量,常採用下列公式進行估算,但因為現場地質條件複雜,相關參數得參考既有文獻資料及設計人員累積經驗訂定。應特別注意的是,分析計算後的灌注量僅為估算值,實際使用量應透過現場試灌或分次灌注後,依據現場監測數據適當調整。
圖5 有限元素法灌漿壓力梯度分析模型示意圖
四、基礎開挖湧水低壓灌漿封堵應用案例
(一)現場描述
本工程位於都會區精華地段,基地面積約947m2,建築物規模地上19層、地下6層,基礎開挖深度GL-23.25m,採用逆打工法施工及樁筏基礎,搭配加強扶壁設計。當建築物開挖至接近基礎底面時,鄰近降水點井及地中壁周邊,發生4處湧水現象,湧水量約20.9 m3/小時。因為出水中夾帶細砂,為防止地層發生掏空現象,同時保護上部已完成的地下室設備,營造單位緊急採用注水及加強開挖面下點井降水方式,維持動態水壓平衡於GL-19.5m高程位置,同時召集專業廠商,研討湧水封堵工作。
圖6 地中壁周邊湧水、湧砂
圖7舊有地中井管湧水
(二)地質條件及地下水位
基地所在位置屬於沉積地層,根據本工程地基調查報告書所列資料,地表下共分10個層次,GL-39.67m以上主要為黏土、粉土及中細砂互層,以下為蘊含承壓水的高滲透性卵礫石夾中細砂層。開挖範圍平時地下水位約GL-3.0m。相關本基地簡化土層參數表,如表2所示。(未完待續)
表2 基地簡化土層參數表
層次及說明 |
層底深度 |
單位重 |
凝聚力 |
摩擦角 |
滲透係數* |
GL-(m) |
γt(t/m3) |
C’(t/m3) |
φ’(º) |
k(cm/s) |
|
1. 回填表土層(SF) |
1.23 |
1.90* |
0* |
28* |
1.0×10-4 |
2. 黃棕色夾灰色粉土質黏土層(CL1) |
3.13 |
1.92 |
0 |
22 |
1.0×10-6 |
3. 灰色粗中細砂層偶夾薄層黏土及少量礫石(SM1) |
9.17 |
1.99 |
0 |
27 |
1.0×10-3 |
4. 灰色細砂層(SM2) |
13.00 |
1.99 |
0 |
29 |
1.0×10-3 |
5. 灰色黏土層夾薄層粉土質細砂(CL2) |
25.1 |
1.90 |
0 |
27 |
5.0×10-6 |
6. 灰色粉土質細砂層(SM3) |
28.23 |
1.91 |
0 |
30 |
2.0×10-3 |
7. 灰色黏土層夾薄層粉土質細砂(CL3) |
34.33 |
2.00 |
0 |
29 |
5.0×10-6 |
8. 灰色粉土質細砂層夾黏土(SM4) |
39.67 |
1.99 |
0 |
32 |
1.0×10-3 |
9. 灰色中細砂層夾少量礫石(SM5) |
46.73 |
2.01 |
0 |
32 |
1.0×10-2 |
10. 卵礫石層夾灰色中細砂(GM) |
50.00 |
2.20 |
0 |
40 |
5.0×10-2 |
* 標示為常用經驗值。
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