行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
應用三向度分析探討地中壁用於深開挖之分析與設計
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2211-E-146-003- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 華夏技術學院營建管理科 計畫主持人： 謝百鉤 計畫參與人員： 林亦郎 黃國樑 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 95 年 10 月 30 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫期末報告
應用三向度分析探討地中壁用於深開挖之分析與設計
Three Dimension Analysis of Application of Cross Wall to
Analy-sis and Design of Deep Excavation
計畫編號： NSC 94-2211-E-146 -003
執行期限：94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日
主持人：謝百鈎
華夏技術學院營建管理系
摘要 本研究以實際開挖案例，針對地中壁 及扶壁減少壁體變位或地盤沈陷之功效進 行探討。研究結果顯示，設置地中壁及扶 壁可以有效的減少擋土壁最大側向變位量 分別約為 78％及 36％。設置地中壁減少的 擋土壁最大側向變位量約為設置扶壁的 35%。設置地中壁及扶壁可以有效的減少 開挖之最大地盤沈陷量分別約為 79%及 48%，設置地中壁減少的最大地盤沈陷量 約為設置扶壁的 39%。很顯然的，地中壁 可以有效的減少開挖位移，且距地中壁距 離越近，減少效果越佳。地中壁所在位置 之擋土壁仍有小量的位移，其主要係由於 地中壁承受軸向壓力所造成之彈性變形。 在扶壁部分，若扶壁的長度較長、深度較 深時，扶壁亦可相當程度的減少壁體變位 或地盤沈陷。 關鍵詞：深開挖、地中壁、地盤位移 AbstractThis study uses actual excavation his-tory to discuss the effects of cross walls and buttress walls on reducing the wall deforma-tion or ground settlement. The results show that the maximum lateral wall deformation reduced by cross walls and buttress wall is 80% and 44%, respectively. The maximum lateral wall deformation reduced by cross walls is 35% of the buttress wall. The maxi-mum ground settlement reduced by cross walls and buttress walls is 82% and 60%, re-spectively. The maximum ground settlement reduced by cross walls is 40% of buttress walls. Obviously, cross walls could effec-tively reduce the excavation-induced move-ments, and the effect is better when it is
closer to the cross wall. The maximum wall deformation is very small at the position of the cross wall, and it basically belongs the elastic deformation caused by axial compres-sion on the cross wall. In this study, the but-tress wall could reduce the wall deformation or ground settlement at a certain level be-cause the length and depth of the buttress wall exceeded the regular design values.
Keywords: Deep excavation, cross wall,
movement, 一、前言 地中壁（Cross Wall）乃是於開挖之前 施作一道牆，連接兩相對之擋土壁，其力 學作用機制類似支撐構件，這種支撐構件 在開挖之前即已存在，且具有強大的抗壓 強度。隨著開挖的進行，地中壁可以提供 強大之抵抗側向位移的力量，以抵抗開挖 區外之側向土壓力。因此理論上，開挖後 地中壁所在位置之擋土壁的變形將受仰 制，擋土壁之側向位移減少，進而可減少 開挖區外側之地盤沉陷，而達到鄰產保護 的功用。 扶壁的構築與地中壁類似，乃於開挖 前施作一道有限長度的混凝土壁體垂直於 擋土壁，但不連接至對面的連續壁。由於 扶壁並未連接到對面的擋土壁，因此當擋 土壁產生位移時，可能會推著扶壁往前移 動。由於扶壁減少擋土壁側向位移或地盤 沈陷的機制不如地中壁明確，且由於完整 案例不多，因此扶壁減少壁體位移的效果 具有相當爭議。 根據台灣地區採用地中壁之深開挖案 例監測結果顯示，地中壁對減少連續壁變 位之效果甚佳，因此台灣地區近年來應用 地中壁減少壁體側向變位的案例日漸廣
泛，有逐漸取代地盤改良的趨勢。台灣地 區雖然也有許多深開挖採用扶壁作為減少 壁體變形的手段，但扶壁是否能夠有效的 減少壁體變形，仍然有所爭議。雖然地中 壁及扶壁在深開挖工程的應用很多，但有 關地中壁及扶壁行為的研究卻是相當的缺 乏，目前的分析設計皆停留在半經驗的階 段，尚無適當的分析模式可供使用，主要 的原因是缺乏完整的案例。 二、研究目的及方法 從學理上看，地中壁及扶壁減少地盤 位移之效果應該和其設置位置、間距、斷 面、材料及施工品質等因素有關。對地中 壁及扶壁之效果及行為的瞭解，目前仍處 於累積經驗之階段，尚未有成熟之研究成 果出現。本研究規劃為三年期研究計畫， 本研究計畫為第一年，研究內容以案例研 究為主。由於對每個開挖案例而言，皆相 當於一個大規模的現地試驗。因此若欲對 地中壁及扶壁行為有進一步的瞭解，有必 要對這些案例進行有系統的整理及研究。 本研究計畫以實際開挖案例之監測資料， 針對地中壁及扶壁抑制地盤位移之功效進 行探討，期能對深開挖工程設置地中壁及 扶壁之行為，有進一步的了解。 三、研究成果 3.1 案例之工程與地質概況 3.1.1 工程概述 本工程案例位於台北市信義計劃區。 開挖面積 6974m2，為地下七層、地上 30 層之鋼構造建築物。基礎開挖時採逆打工 法施作，共計分九階段開挖。本基地開挖 邊長為 121.8m，寬 66.1m，開挖深度為 32.5m。各開挖階段之側向支撐包括 1F 及 B1 層採用樑版系統(版厚分別為 25cm 及 20cm)，B2~B6 層為 61cm 厚無樑版系統， B7 層為 20cm 厚樑版系統，第九階開挖採 用臨時圍樑及斜撐系統，基礎開挖施工剖 面圖如圖 1 所示[1]。 本開挖工程之擋土壁採用厚度為 1.5 公尺的連續壁。連續壁深度為 56.8~61m 不 等，以貫入卵礫石層 4m 為原則，平均深 度約 57.5m。其設計混的凝土強度為 280 kg/cm2。另於南北側設 3 道厚 1.0m、45m 深之地中壁，並於跨度較大處設立 10 道厚 度 1.0m、深度 55m 之扶壁。地中壁及扶壁 在深度 1.5m(少部份為 6.0m)以上回填現地 土壤，深度 1.5m(少部份為 6.0m)至 22m 間 之混凝土強度為 140kg/cm2，深度 22m 以 下混凝土強度為 245kg/cm2。開挖時地中壁 及扶壁則隨開挖面之下降而逐階打除，總 計地中壁及扶壁所佔之面積(294.65m2 )約 為基地開挖面積之 4.2%。 3.1.2 地質狀況 本基地屬基隆河流域沖積區之基一 區，其沉積物以顆粒較細之粉土及黏土為 主。與台北市典型之松山層比較，第五及 第三次層之砂性土層常尖滅不見或不完 全，使得第六與第四次層之粉土質黏土常 無明顯劃分，故本區內常形成一個厚達 30m 以上之黏性土層[2]。根據地質調查結 果顯示，各鑽孔地質參數詳如圖 2 所示 [3]，地層由上而下歸納成下列五個主要層 次，地下水位約位於地表下 3m，深層地下 水壓之水位面約位於地表下 10m。 圖 1 基礎開挖施工剖面圖 圖 2 現地土壤之試驗資料
3.2 監測計晝及結果 本工程設置壁內傾斜管12支（編號為 SI-1~SI-12），裝設深度70m，管底穿過景 美層(卵礫石層)而進入岩盤約5m，以確保 傾斜管底部處於不動點。由於傾度管SI-1 裝設僅埋設到GL.-40m，故於其壁外補設同 深度之壁外傾斜管SO-1。沈陷點共168點， 設於鄰近道路及空地上。傾斜管及沈陷之 配置如圖3所示。 SI-1 SI-12 SI-2 SI-3 SI-11 SI-4 SI-5 SI-6 SI-7 SI-8 SI-9 SI-10 SEC10 SEC9 SEC4 N Counterfort wall SO-1 Diaphragm wall 0 51015 20 25 30 (M) Scale 圖3 監測儀器配置圖 傾斜管SI-8及其所對應之地表沈陷監 測斷面SEC8均設置於主體連續壁與地中 壁之交接處，其量測結果可直接顯現地中 壁抑制之效果。傾斜管SO-1及其所對應之 地表沈陷監測斷面SEC1均設置於主體連 續壁與扶壁之交接處，且距主體連續壁與 地中壁之交接處約10m，其量測結果可直接 顯現扶壁及局部地中壁抑制之效果。傾斜 管SI-9及其所對應之地表沈陷監測斷面 SEC9均設置於距主體連續壁與扶壁之交 接處約7m，且附近並無地中壁，其量測結 果可直接顯現局部扶壁抑制之效果。 圖4所示為這三支傾斜管及其對應之 地表沈陷監測斷面在主要開挖階段之量測 結果。圖4(a)顯示僅有扶壁存在之擋土壁位 移(SI-9)及地盤沈陷(SEC9)均不算小；到達 最後開挖階段時，最大擋土壁位移及地盤 沈陷分別為74.4mm及30.4mm。圖4(b)顯示 在地中壁所在位置之擋土壁位移(SI-8)及 地盤沈陷(SEC8)在各開挖階段均很小；最 大壁體位移及最大地盤沈陷分別為 26.1mm及12mm；在初始開挖階段，擋土 壁體下半部顯示出現近似於直線位移型 態；達最後開挖階段時，開挖面(GL.-32.5m) 附近之擋土壁呈現曲率很大量之凹型位 移，開挖面下方之擋土壁則呈現近似直線 段位移，此為地中壁抑制主體連續壁變位 之效應所致。圖4(c)所示為在兩道地中壁中 間及扶壁所在位置之擋土壁位移(SO-1)及 地盤位移量(SEC1)介於前兩者之間，最大 擋土壁位移及地盤沈陷分別為47.4mm及 13.4mm。
(a) SI-9 和 SEC9
(b) SI-8 和 SEC8 S et tl e m e n t (m m ) D ep th (m ) (c) SO-1 和 SEC1 圖4 SI-9、SI-8和SO-1及其對應之斷面監測 結果 本基地其餘傾斜管及對應之沈陷監測 斷面量測結果與傾斜管 SI-9、SI-8、SO-1 及其對應之沈陷監測斷面相似，只是大小 不同。表 1 及表 2 為各個開挖階段之最大 傾斜管及沈陷監測結果。 根據 Ou 等人(1996)的研究[4]，由於連 續壁角隅處之拱效應，角隅處之壁體變形 及地盤沈陷均很小。本案例之地中壁從近 地表處開始構築至近壁體底端，其作用近 似於角隅的拱效應。圖 5（a）所示為最大 擋土壁側向變位與其距離角隅或地中壁之
關係圖。 根據 Ou 等人（1993）對台北地區深開 挖的研究[5]，在沒有扶壁、地中壁或地盤 改良時且處於平面應變狀態時，本案深開 挖產生之最大壁體變形量約為 0.4%*開挖 深度=0.4%*32.5m =130mm。以本案傾斜管 SI-8 處之連續壁為例，此處連續壁距離角 隅約 26m；根據 Ou 等人(1996)的研究[4]， 連續壁最大變形量約為平面應變狀態連續 壁最大變形量之 90%，即連續壁最大變形 量約為 117mm。將達到平面應變時之最大 壁體變形(130mm)及達到 90％平面應變之 最大變形量(117mm)及其與角隅之距離關 係亦放入圖 5(a)中，可以顯現最大壁體位 移變化之曲線及上限值，如圖中之虛線段。 表 1 各開挖階段最大側向變位(單位 mm) stage 1 2 3 4 5 6 7 8 9 SI-1 9.6 12.6 20.0 22.7 28.3 29.2 38.7 45.1 44.0 SI-2 10.0 22.1 25.2 28.6 28.6 31.8 40.1 45.9 52.6 SI-3 12.1 20.4 23.8 37.5 50.6 55.0 64.2 71.0 72.6 SI-4 10.3 12.8 22.5 24.5 31.5 37.5 36.7 42.2 44.7 SI-5 34.1 35.4 36.5 41.7 52.0 62.5 62.7 68.7 68.4 SI-6 9.9 14.1 18.0 25.4 - - - - 50.4 SI-7 3.9 8.5 14.5 22.4 35.7 39.2 40.4 40.3 39.6 SI-8 - 10.1 14.3 14.8 19.9 19.1 23.4 29.0 26.1 SI-9 11.7 20.2 26.7 37.5 45.1 49.2 59.0 73.7 74.4 SI-10 9.3 23.2 20.3 27.3 32.4 36.1 47.1 51.0 54.8 SI-11 8.5 11.3 12.6 14.7 12.7 19.0 19.2 34.9 27.2 SI-12 4.9 10.2 12.4 15.6 19.9 21.2 25.8 27.7 36.4 SO-1 3.4 13.8 17.5 19.0 25.6 34.8 40.0 46.5 47.4 表 2 各階段開挖最大沉陷量(單位 mm) stage 1 2 3 4 5 6 7 8 9 SEC1 - -5.3 -6.6 -7.5 -7.1 -8.4 -8.1 -14.1 -13.4 SEC2 - -5.3 -6.3 -5.6 -8.0 -7.3 -12.1 -12.7 -13.1 SEC3 -0.5 -6.8 -8.6 -14.2 -20.1 -22.8 -21.6 -22.5 -25.8 SEC4 -3.4 -7.4 -11.1 -12.7 -16.5 -17.5 -17.3 -17.5 -16.2 SEC6 -1.5 -8.9 -9.1 -9.2 -13.0 -9.8 -12.1 -20.9 -17.9 SEC7 - -3.9 -5.6 -7.2 -7.5 -9.5 -10.7 -12.2 -14.0 SEC8 - -4.1 -3.6 -10.6 -9.4 -8.8 -11.7 -13.4 -12.0 SEC9 - -8.4 -9.8 -13.0 -15.7 -24.2 -27.0 -28.2 -30.4 SEC10 - -7.3 -7.7 -10.8 -13.6 -21.5 -24.2 -27.4 -27.3 同樣的，將最大地盤沈陷量與其距離 角隅或地中壁之關係示於圖 5(b)。根據 Ou 等人(1993)[5]的研究，在沒有扶壁、地中 壁或地盤改良時且處於平面應變狀態時， 本案最大地盤沈陷量約等於 0.5*最大側向 變位量 =0.5*130mm=65mm。以本案傾斜 管 SI-8 處對應之沈陷監測斷面為例，此處 地盤距離角隅約 26m，地盤最大沈陷量亦 約 為 平 面 應 變 狀 態 最 大 地 盤 沈 陷 量 之 90%，即最大地盤沈陷量約為 58.5mm。將 達 到 平 面 應 變 時 之 最 大 壁 體 沈 陷 量 （65mm）及達到 90％平面應變之最大變 形量（58.5mm）及其與角隅之距離關係亦 放入圖 5(b)中，可以顯現最大沈陷量變化 之趨勢及上限值，如圖中之虛線段。 0 10 20 30 40
Distance from the cross wall or corner (m) 0 20 40 60 80 100 120 140 SI-8 SI-12 SI-6 SI-2 SO-1 SI-10 SI-5 SI-3 SI-9
Near cross wall Near counterfort wall Near cross wall (estimate) Estimate SI-11 SI-4 SI-7 SI-1 ? (a)擋土壁最大側向位移 (b)地表最大沉陷 圖 5 開挖引致壁體最大側向位移和距壆隅 或連續壁距離之關係 由圖 5(a)及(b)中可知，傾斜管 SI-8、 SI-11、SI-12、SI-6 處之連續壁及其對應之 地盤沈陷，僅受地中壁抑制影響或扶壁影 響輕微，因此其距離地中壁愈遠，壁體變 形 量 或 沈 陷 量 愈 大 。 連 續 壁 在 傾 斜 管 SI-1、SI-3、SI-4、SI-7、SI-9、SI-10 處有 扶壁或附近有扶壁存在，因此最大壁體變 形量或沈陷量小於實線或虛線段。這種趨 勢顯示，本案例之扶壁對減少連續壁側向 變形量及地盤沈陷量有一定的功效。
如表 1 所示，傾斜管 SI-8 及 SI-9 處擋 土壁在最後開挖完成時之最大側向變位分 別為 26.1mm 及 74.4mm；假設在沒有地中 壁、沒有扶壁狀況下，傾斜管 SI-9 處擋土 壁最大位移亦為 117mm。很顯然的，設置 地中壁及扶壁可以有效的減少擋土壁最大 側向變位量分別約為 78％及 36％，設置地 中壁減少的擋土壁最大側向變位量約為設 置扶壁的 35%。同樣的，從表 2 可知，上 述兩支傾斜管對應之地盤沈陷監測斷面 （SEC8 及 SEC9）在最後開挖完成時之地 盤最大沈陷量分別為 12mm 及 30.4mm；假 設在沒有地中壁、沒有扶壁狀況下，地盤 沈陷監測斷面 SEC9 處最大地盤沈陷為 58.5mm。很顯然的，設置地中壁及扶壁可 以有效的減少開挖之最大地盤沈陷量分別 約為 79%及 48%，設置地中壁減少的最大 地盤沈陷量約為設置扶壁的 39%。 3.3 壁體側向位移行為探討 地中壁乃是在開挖之前施作一道牆連 結相對之擋土壁，這道牆在開挖之前就已 經存在。本案例之地中壁採用連續壁方式 構築，混凝土構造之地中壁應該具有強大 抗壓能力。因此一般認為地中壁所在位置 處之連續壁應不致產生側向變位，但監測 結果仍顯示有約 15mm 左右之側向位移 量。造成此位移量之原因究竟為地中壁的 壓縮、或是施工不良所致，值得進一步探 討。 圖 6(a)及(b)所示為開挖至最後階段 時，最下層支撐下方之擋土壁的自由體力 平衡圖。圖中假設開挖外側作用於擋土壁 上的土壓力均達到主動狀態，這是因為根 據監測資料顯示，每個深度之擋土壁均有 側向位移之故 。 根據 Padfield and Mair (1984)[6]，砂土層的主動土壓力應該採用 Caquot-Kerisel 土壓力理論(1948)[7]，粘土 層之主動土壓力可用下式計算之： ) 1 ( 2 c c K c Ka a w v a (1) 上式中， 為垂直覆土應力，v K 為主動a 土壓力係數， c 為凝聚力或不排水剪力強 度，c 為擋土壁體與周圍土壤之剪力強度w 或摩擦力。根據歐章煜和胡敏一(1998)[8] 的研究，對於混凝土牆或連續壁，c 可以w 合理的假設為 2/3 的土壤不排水剪力強度。 由於擋土壁每個深度之側向位移量不 大(平均 15mm 左右)，為探討極端狀態，乃 假設開挖內側作用於擋土壁上土壓力處於 靜止土壓力狀態(或 Ko 狀態)，如圖 6(a)所 示。根據以上土壓力的假設，然後根據圖 6(a)之自由體的力平衡關係且依據彈性理 論，可得擋土壁之側向位移量約為 19mm。 為探討另一個極端狀態，假設開挖內 側黏土層土壤之強度完全發揮，其土壓力 已經達到被動狀態。但由於擋土壁近底端 處位移量仍很小，因此仍舊假設處於靜止 狀態(或 Ko 狀態)，如圖 6(b)所示。開挖內 側作用於擋土壁之被動土壓力可用下式表 示如下： ) 1 ( 2 c c K c Kp p w v p (2) (a)連續壁前的土壓力採靜止土壓力 (b)連續壁前的土壓力採被動土壓力 圖 6 連續壁體彈性位移的計算
上式中，Kp為被動土壓力係數，其餘符 號與式(1)相同。同樣的，根據歐章煜和胡 敏一(1998)[8]的研究，對於混凝土牆或連 續壁，c 可以合理的假設為 2/3 的土壤不w 排水剪力強度。 根據以上所述土壓力的假設，然後根 據圖 6(b)之自由體的力平衡關係且依據彈 性理論，可得擋土壁之側向位移量約為 4mm。 由以上可知，本工程地中壁之彈性變 形量約介於 4mm~19mm 之間，而現地監測 結果顯示，地中壁平均位移量約在 15mm 左右。事實上，由於擋土壁有向開挖區位 移的現象，開挖區內側土壓力不可能處於 靜止土壓力狀態，應該稍微大於靜止土壓 力，且應該遠小於被動土壓力。再者，本 工程地中壁與主體連續壁間之接頭處理採 用連續壁側面端版接頭方式施工，在澆注 地中壁混凝土之前，使用鋼刷清除端版附 近及附著於端版上之污泥，但在清除過 中，鋼刷產生轉動之現象，可能稍微影響 施工品質，故稍影響地中壁抑制壁體變位 之效果。因此可以合理的研判，本工程之 地中壁產生約 15mm 左右的位移量，應該 是由於彈性變形之故。 如圖 7 所示之扶壁的基本構造，扶壁 的勁度通常遠高於附近土壤，因此當擋土 壁向開挖區位移時，扶壁將對周圍土壤產 生相對位移。因此除了擋土壁前方土壤和 扶壁後端土壤都提供側向抵抗力之外，扶 壁之側面與土壤之剪力強度或摩擦力將提 圖 7 扶壁的基本構造 供額外的剪力抵抗，使得側向抵抗力增 強。本工程之扶壁長度約在 6 公尺至 15 公 尺之間，扶壁又從近地表處開始構築，直 至近擋土壁底端，因此扶壁之兩側面提供 許多額外的抵抗力，因而達到減少壁體位 移或地盤沈陷的效果。 四、結論 綜合本計畫目前的研究結果，有以下 結論： 1.地中壁減少擋土壁側向位移或地盤沈陷 的機制在於，地中壁採用連續壁方式構 築，混凝土構造的地中壁具強大抗壓強 度，其作用類似於支撐構件，這種構件 在開挖前就已經存在。因此理論上，地 中壁所在位置變位應該相當小，基本上 屬於彈性變形。本工程地中壁與主體連 續壁間之接頭處理採用連續壁側面端版 接頭方式施工，在澆注地中壁混凝土之 前，使用剛刷清除端版附近及附著於端 版上之污泥，但在清除過中，鋼刷產生 轉動之現象，可能稍微影響施工品質， 故稍影響地中壁抑制壁體變位之效果。 因此可以合理的研判，本工程之地中壁 產生約 15mm 左右的位移量，應該是大 部分由於彈性變形之故。 2.扶壁減少擋土壁側向位移或地盤沈陷之 機制在於扶壁之兩側面與土壤之剪力強 度或摩擦力提供額外的剪力抵抗。本工 程之扶壁長度約在 6 公尺至 15 公尺之 間，扶壁又從近地表處開始構築，直至 近擋土壁底端，因此扶壁之兩側面提供 許多額外的抵抗力，因而達到減少壁體 位移或地盤沈陷的效果。 3.研究結果顯示，設置地中壁及扶壁可以有 效的減少擋土壁最大側向變位量分別約 為 78％及 36％。設置地中壁減少的擋土 壁 最 大 側 向 變 位 量 約 為 設 置 扶 壁 的 35%。設置地中壁及扶壁可以有效的減 少開挖之最大地盤沈陷量分別約為 79% 及 48%，設置地中壁減少的最大地盤沈 陷量約為設置扶壁的 39%。 4.根據地中壁及扶壁位置及監測結果，本研 究建立了擋土壁體最大位移及地盤沈陷 與距離角隅或地中壁的關係圖，未來可 做地中壁或扶壁初步設計的參考。未來
仍待有更多的案例資料，以使本關係圖 更為完整。 五、計畫成果自評 本研究規畫為之三年期研究計畫，目 前進行計晝的第一年研究工作，主要著重 於案例的研究及行為的探討。 本研究的成果已整理成論文，並已投 稿至 Journal of GeoEngineering。 六、參考文獻 [1] 三 力 技 術 工 程 顅 問 股 份 有 限 公 司 (2004)，「統一國際大樓新建工程大地 工 程 施 工 顅 問 專 業 服 務 工 作 完 工 報 告」。 [2] 吳偉特(1988)，「台北盆地地盤分區土 壤之工程特性」，地工技術雜誌，第二 十二期，第 5~27 頁。 [3] 三 力 技 術 工 程 顅 問 股 份 有 限 公 司 (1998)，「太子建設開發股份有限公司 信義段四小段基地地質調查報告」。
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