國立交通大學
土木工程學系
碩士論文
圓桶型配置 JSG 地盤改良應用於
既有建物更新之基礎重建案例研究
Case Study of Cylindrical JSG Ground Improvement for
Renewal of an Old Foundation
研究生：李易昌
指導教授：方永壽 博士
圓桶形配置 JSG 地盤改良應用於
既有建物更新之基礎重建案例研究
Case Study of Cylindrical JSG Ground Improvement for
Renewal of an Old Foundation
研究生：李易昌 Student：Yi-Chang Li
指導教授：方永壽 博士 Advisor：Dr. Yung-Show Fang
國 立 交 通 大 學
土 木 工 程 學 系
碩 士 論 文
A Thesis
Submitted to Department of Civil Engineering
College of Engineering
National Chiao Tung University
In Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of
Master
In
Civil Engineering
August 2013
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
圓桶形配置 JSG 地盤改良應用於
既有建物更新之基礎重建案例研究
研究生：李易昌 指導教授：方永壽 博士 國立交通大學土木工程學系碩士班摘要
本論文主題為台北市基隆路上一基礎重建工程之地盤改良案例研究。探討利用舊連 續壁內圓桶形配置 JSG 高壓噴射灌漿改良土，於後續開挖支撐時抑止擋土壁水平變位及 地盤沉陷之效益。本基礎重建案例，保留舊擋土連續壁，於舊地下室中，進行 JSG 地盤 改良及加深擋土壁工程，研究中說明其施工流程、遭遇困難、及解決對策。根據監測結 果，探討高壓噴射灌漿造成舊連續壁之水平位移及地表沉陷，破除與支撐及開挖造成之 舊連續壁水平變位及基地周圍地表沉陷量，並將壁體水平位移監測結果與 TORSA 程式 分析結果比較，獲得以下各項結論。根據空地旁傾度管之監測結果，施作高壓噴射灌漿 會對於壁體水平位移造成影響(±3 mm 以內)。施作跳孔之 JSG 高壓噴射灌漿，隨施作點 距離壁體遠近，會影響地表面隆起及沉陷(±10 mm)。壁體外有外加荷載，開挖時，壁體 頂端位移小於壁體中間深度之水平位移(中 12.48 mm>頂 3.48 mm)；若壁體外無外加荷 載，開挖時，壁體頂端水平位移大於壁體中間深度之水平位移(頂 8.02 mm>中 4.4 mm)。 於舊筏基下之圓桶型 JSG 改良土中向下開挖，空地旁之壁體最大位移變化量為 1.23 mm。 根據本研究探討之舊壁體傾度管及地表沉陷點監測資料，在舊連續壁內施作圓桶型配置 JSG 高壓噴射灌漿及加深擋土壁，對於控制壁體水平位移及地表沉陷量有一定效益。 關鍵字：雙重管高壓噴射灌漿、地盤改良、基礎重建、連續壁水平變位、地表沉陷ii
Case Study of Cylindrical JSG Ground
Improvement For Renewal of an Foundation
Student: Yi-Chang Li Advisor: Dr. Yung-Show Fang Department of Civil Engineering
National Chiao Tung University
Abstract
This thesis introduced a case study which involved the on a renewal of an old foundation by applying cylindrical JSG ground improvement in Taipei. The old diaphragm wall was kept in this reconstruction project. Within the old diaphragm wall, the JSG ground improvement was applied to reduce the horizontal displacement of the old diaphragm wall and the surface settlement of the ground during the cutting and bracing. A deeper H-beam retaining wall was constructed to increase the retaining depth. This paper investigated the effectiveness of the JSG ground improvement and the H-beam retaining wall during the reconstruction. The construction procedure, difficulties encountered, and the solutions for the problem experienced. Based on the monitoring results, this investigation examined the displacement of the diaphragm wall and the settlement of the ground during grouting, cutting and bracing. The monitored field data were compared with those calcultated with software TORSA. The following conclusions were drawn. Based on the data monitored from the inclinometer, the JSG operation caused the adjacent diaphragm wall to move laterally up to ±3 mm. Following the distance between the grouting location and the monitored point, the JSG operation would cause the ground surface to settle or heave. With the reinforcement of a new cylindrical JSG ground improvement within the old diaphragm wall, the maximum lateral wall movement measured during the foundation renewal was 15.96 mm. Based on the monitored data, it was
found that the JSG grouting and the extension of H-beam retaining wall had been an effective measure to reduce the horizontal movement of diaphragm wall and the ground settlement due to the cutting and bracing process.
Keywords : Diaphragm wall; Displacement; Foundation renewal; Ground improvement; JSG; Settlement.
iv
誌謝
兩年前，來到陌生的新竹開始了研究生的生活，這兩年中學校老師提供了專業豐富 的課程、野外的實習、企業的參訪及工地的參觀，使身為一個未來工程師的我於能力上、 知識上更加開闊。 首先，感謝指導教授 方永壽博士在本人研究過程初期，以老師豐富的人脈為我找 到獨創性的研究案例，親自出面與施工單位、設計單位進行協商使我可以順利進入工地 研究；並在研究過程中以耐心、細心的態度雕琢我、指導我，教我如何以正確的態度進 行研究的過程；最後在研究的尾聲不厭其煩地挑出我論文中的盲點及缺點使本研究可以 更為完善。 於口試期間，承蒙張惠文博士及馮道偉博士的細心指導，藉由他們寶貴的經驗提供 我需多於論文上的建議，特此深表感謝。學期中，感謝同校的潘以文博士、廖志中博士、 黃安斌博士、林志平博士以及單信瑜博士於課堂上、書報討論中給予知識的傳承、常識 的介紹及經驗的分享。 於研究時期，感謝三力技術謝旭昇博士、王崑瑞經理在初期的引進以及程日晟學長 在中期對於有限元素程式分析的指導。感謝朝瀚實業楊易璋董事長、楊振東經理、工地 主任王大哥、地改師傅王大哥於地盤改良工項期間細心的指導，使尚未涉入社會的我有 更多的實際經驗。感謝森城營造張主任、邱主任、陳泰安大哥、陳裕安大哥、鄧大哥， 讓我在將近十個月的時間內可以自由進出本研究案例工地，在我有疑惑不懂的時候悉心 的為我解答或是幫我找到答案，並且提供我許多於研究上需要的資料。感謝永裕鋼鐵劉 主任，在工程架設支撐時期熱心且不厭其煩的回答我的問題。在校期間，感謝大地組上的每位同學、學長學弟妹，不論是鼓勵、讚美、批評、幫 忙都是不遺餘力。特別感謝同門的劉政學長，同學承佑、湘銘一起同甘共苦，學弟承劭、 慶祐、同心在我有需要的時候伸出援手協助。 感謝一路上陪伴的好友們，十三人團、六人行、國中同學、高中同學及大學同學， 尤其是和我同時期一起寫論文的人，大家的互相鼓勵、相互扶持才能度過這迷惘混亂的 最後幾個月。 感謝爸爸、媽媽讓我沒有任何經濟壓力下完成學業，在我對於自己毫無信心的時刻 依舊相信我做得到。感謝妹妹，我不在家的時候幫忙打理家裡一切，也給我極大的鼓勵。 感謝心靈導師魏老師的開導，常常在我迷航時為我點亮燈塔。感謝眾神明讓我生命一切 平安，也謝謝親戚朋友的支持鼓勵。 最後，感謝爺爺與吉利，在另一個世界保佑我、照顧我，讓我一切順遂。
vi
目 錄
摘要 ... i 誌謝 ... iv 表目錄 ... viii 圖目錄 ... ix 符號說明 ... xiv 第一章 緒論 ... 1 1.1 前言 ... 1 1.2 研究動機 ... 1 1.3 研究目的 ... 2 1.4 研究方法 ... 2 1.5 論文內容 ... 3 第二章 文獻回顧 ... 4 2.1 都市更新 ... 4 2.2 舊建物改建前之調查與檢討 ... 5 2.3 既有建築地下室拆除與重建 ... 6 2.4 深開挖工程 ... 7 2.4.1 深開挖工程簡介 ... 7 2.4.2 深開挖工程之破壞模式 ... 8 2.5 地盤改良 ... 9 2.5.1 地盤改良概述 ... 9 2.5.2 土層灌漿工法 ... 10 2.6 高壓噴射灌漿工法 ... 11 2.6.1 工法原理 ... 11 2.6.2 施工步驟及常用工法 ... 12 2.6.3 改良土特性 ... 13 2.7 國內基礎重建案例 ... 15 2.7.1 高雄捷運 O2 車站出入口 B 共構大樓 ... 15 2.7.2 台北金融大樓重建案例 ... 17 2.7.3 利用舊有連續壁進行地下室開挖案例 ... 18 第三章 帛詩華基礎重建工程 ... 20 3.1 工程概況 ... 20 3.2 地質狀況 ... 21 3.2.1 臺北盆地之地質介紹 ... 21 3.2.2 基地鑽探結果 ... 23 3.3 新建地下結構之施工概念 ... 24 3.4 監測系統 ... 263.4.1 監測儀器介紹 ... 26 3.4.2 地盤改良之施工監測 ... 28 3.4.3 開挖及支撐之施工監測 ... 28 第四章 地盤改良與擋土壁加深施工 ... 29 4.1 雙重管高壓噴射灌漿 ... 29 4.1.1 施工機具及材料 ... 29 4.1.2 設計樁位配置 ... 30 4.1.3 施工流程 ... 30 4.1.4 施工遭遇之困難及對策 ... 31 4.2 H 型鋼擋土樁加深擋土壁 ... 33 4.2.1 施工機具及材料 ... 33 4.2.2 設計樁位配置 ... 33 4.2.3 施工流程 ... 34 4.3 改良成果檢測 ... 36 4.3.1 取樣位置 ... 36 4.3.2 取樣方式及合格標準 ... 36 第五章 破除及支撐與開挖 ... 38 5.1 破除舊地下室樓版梁柱筏基及架設支撐 ... 38 5.2 加深開挖深度及支撐與建構新地下室樓版筏基 ... 40 5.3 施工遭遇之困難及對策 ... 42 第六章 數值分析與監測結果 ... 43 6.1 數值分析程式 TORSA 介紹 ... 43 6.1.1 分析原理 ... 43 6.1.2 控制參數之假設 ... 44 6.1.3 分析之輸入參數 ... 47 6.2 案例之 TORSA 分析模式確立 ... 47 6.2.1 案例之建立模式概念 ... 48 6.2.2 案例之輸入參數及施工順序 ... 48 6.3 監測結果與數值分析 ... 49 6.3.1 高壓噴射灌漿造成之舊連續壁水平變位 ... 49 6.3.2 破除開挖及支撐至構築新筏基造成舊連續壁之水平變位 ... 50 6.3.3 高壓噴射灌漿及開挖支撐造成之地表沉陷 ... 51 第七章 結論與建議 ... 53 7.1 結論 ... 53 7.2 建議 ... 54 參考文獻 ... 55 表 ... 59 圖 ... 69
viii
表目錄
表 2.1 既有建物資料調查項目及內容 ... 59 表 2.2 既有建物檢測調查檢討項目 ... 59 表 2.3 基地及鄰近區域調查項目及內容 ... 60 表 2.4 新建物與既有地下結構物之關係 ... 61 表 2.5 既有地下結構拆除重建之設計型態 ... 62 表 2.6 高壓噴射灌漿工法分類表 ... 63 表 2.7 JSG 工法砂質土之標準設計參數 ... 64 表 2.8 JSG 工法黏性土之標準設計參數 ... 64 表 3.1 臺北盆地地層劃分表 ... 65 表 3.2 松山層次層層序表 ... 65 表 4.1 改良土樁施工參數 ... 66 表 4.2 JSG 改良土鑽心試體取樣深度表 ... 66 表 6.1 簡化基地土層參數 ... 67 表 6.2 簡化改良土層參數 ... 67 表 6.3 分析模式之施工流程 ... 68圖目錄
圖 2.1 舊有基礎改建施工方法擬定建議流程圖 ... 69 圖 2.2 舊有建物基礎拆除及重建施工法 ... 70 圖 2.3 既有地下建物拆除工程與新建工程之相關事項 ... 70 圖 2.4 開挖工程之破壞模式 ... 71 圖 2.5 灌漿機制 ... 71 圖 2.6 高壓噴射灌漿工法原理 ... 72 圖 2.7 高壓噴射灌漿施工順序示意圖 ... 73 圖 2.8 高壓噴射灌漿管之噴嘴 ... 73 圖 2.9 高壓噴射灌漿 ... 74 圖 2.10 O2 車站出入口共構大樓位置圖 ... 74 圖 2.11 新舊建物地下結構及地質剖面 ... 75 圖 2.12 地下結構拆除及回填順序 ... 75 圖 2.13 新舊建物擋土壁配置 ... 76 圖 2.14 全套管擋土排樁斷面配筋 ... 76 圖 2.15 扶壁式地盤改良 ... 77 圖 2.16 建物周邊概況 ... 77 圖 2.17 地層剖面 ... 78 圖 2.18 新舊連續壁關係剖面 ... 79 圖 2.19 基地周圍狀況 ... 79 圖 2.20 新設圓桶形連續壁、地中壁及壁樁配置 ... 80 圖 2.21 地盤改良配置 ... 80 圖 3.1 案例位置 ... 81 圖 3.2 案例周圍環境 ... 81 圖 3.3 地盤改良配置俯視 ... 82x 圖 3.4 案例位置於北市工程地質分區 ... 82 圖 3.5 山腳斷層 ... 83 圖 3.6 臺北盆地由淡水河系沖積而成示意 ... 83 圖 3.7 a.地調所鑽探孔剖面線. b.XY 地層剖面 ... 84 圖 3.8 松山層的六個次層 ... 85 圖 3.9 松山第三及第五層次層在 K1 區有厚度減小 ... 86 圖 3.10 松山層第四次層遍布台北盆地全區 ... 86 圖 3.11 案例基地內之既有建物剖面示意及地層說明 ... 87 圖 3.12 舊連續壁深度不足應付新開挖深度示意圖 ... 87 圖 3.13 擋土壁側向土壓力傳遞 ... 88 圖 3.14 監測系統配置 ... 88 圖 3.15 土中傾度管 ... 89 圖 3.16 舊連續壁體內傾度管 ... 89 圖 3.17 新擋土 H 型鋼樁壁體內傾度管 ... 90 圖 3.18 地面沉陷點 ... 90 圖 3.19 建物沉陷點 ... 91 圖 3.20 水位計套管 ... 91 圖 3.21 水壓計套管 ... 91 圖 4.1 JSG 高壓噴射灌漿之施工機具 ... 92 圖 4.1 JSG 高壓噴射灌漿之施工機具 (續) ... 93 圖 4.2 案例使用之 JSG 高壓噴射灌漿噴嘴三視圖 ... 94 圖 4. 3 鑽頭及噴出口組合圖 ... 94 圖 4.4 對向高壓水試噴 ... 95 圖 4.5 JSG 改良土樁施作順序圖 ... 95 圖 4.6 舊有 B3 樓版切割 ... 96 圖 4.7 B3 樓版及筏基洗孔及埋設套管(GL. -13.5 m~ GL. -14.2 m) ... 97
圖 4.8 鑽機定位及清水試噴 ... 98 圖 4.9 下沖水鑽孔至設計深度 ... 99 圖 4.10 進行高壓噴射灌漿之鑽孔迴漿 ... 99 圖 4.11 投入鋼珠封閉下沖水口 ... 100 圖 4.12 鑽頭之鑽牙遭磨損 ... 101 圖 4.13 高壓噴射灌漿之迴漿 ... 101 圖 4.14 H 型鋼擋土樁施作機具 ... 102 圖 4.15 鑽頭前端之擴孔鑽牙及定位桿 ... 103 圖 4.16 400×400×13×21 H 型鋼斷面圖 ... 103 圖 4.17 H 型鋼擋土樁之位置圖 ... 104 圖 4.18 H 型鋼擋土樁與舊連續壁結合示意圖 ... 104 圖 4.19 舊有樓版切割及地下室周邊樑打除 ... 105 圖 4.20 施作引孔 ... 106 圖 4.21 螺旋鑽桿前端之上定位桿與鑽孔中之下定位桿 ... 107 圖 4.22 螺旋鑽桿向下鑽掘帶出 JSG 改良土體 ... 107 圖 4.23 於 B3 觀測螺旋鑽桿之鑽掘垂直度 ... 108 圖 4.24 砂漿自螺旋鑽桿之鑽頭噴出澆置 ... 108 圖 4.25 H 型鋼上之護耳 ... 109 圖 4.26 H 型鋼樁吊放插入砂漿樁 ... 110 圖 4.27 H 型鋼樁完成後之樁位偏移 ... 111 圖 4.28 改良土鑽心取樣之位置 ... 112 圖 4.29 鑽孔取樣 ... 113 圖 4.30 改良土鑽心取樣之取樣率 ... 114 圖 4.31 改良土鑽心取樣之岩石品質指標 ... 114 圖 4.32 JSG 改良土鑽心取樣無圍壓縮強度與深度關係 ... 115 圖 4.32 JSG 改良土鑽心取樣無圍壓縮強度與深度關係(續 1) ... 116
xii 圖 4.32 JSG 改良土鑽心取樣無圍壓縮強度與深度關係(續 2) ... 117 圖 5.1 JSG 地盤改良前就連續壁與地下室結構 ... 118 圖 5.2 JSG 地盤改良及 H 型鋼擋土樁完成 ... 119 圖 5.3 破除舊地下室樓版梁柱筏基及架設支撐之施工流程 ... 120 圖 5.4 破除舊地下室樓版梁柱筏基及架設支撐示意圖 ... 121 圖 5.4 破除舊地下室樓版梁柱筏基及架設支撐示意圖 (續 1) ... 122 圖 5.4 破除舊地下室樓版梁柱筏基及架設支撐示意圖 (續 2) ... 123 圖 5.5 H 型鋼圍令與舊連續壁間縫隙之填充 ... 123 圖 5.6 以油壓千斤頂施於水平橫撐施加預壓力 ... 124 圖 5.7 加深開挖及支撐與建構新地下結構之施工流程 ... 125 圖 5.8 加深開挖及支撐與建構新地下結構示意圖 ... 126 圖 5.8 加深開挖及支撐與建構新地下結構示意圖 (續) ... 127 圖 5.9 H 型鋼樁周圍填充砂漿樁 ... 128 圖 5.10 構築 B3FL 前置作業 ... 128 圖 5.11 H 型鋼擋土樁之切除、開孔 ... 128 圖 6.1 TORSA 彈塑性基礎梁示意 ... 129 圖 6.2 TORSA 梁元素自由度 ... 129 圖 6.3 TORSA 梁元素等值節點力示意 ... 130 圖 6.4 TORSA 程式模擬案例施工之至開挖最終階段基地剖面 ... 130 圖 6.5 基地周圍環境與擋土壁傾度管位置 ... 131 圖 6.6 地表沉陷點監測布設位置分區 ... 132 圖 6.7 JSG 高壓噴射灌漿造成之舊連續壁水平位移 ... 133 圖 6.7 JSG 高壓噴射灌漿造成之舊連續壁水平位移 (續) ... 134 圖 6.8 破除樓板開挖支撐至構築新筏基造成之舊連續壁水平位移 ... 135 圖 6.8 破除樓板開挖支撐至構築新筏基造成之舊連續壁水平位移(續) ... 136 圖 6.9 舊連續壁水平變位之監測結果(2013/5/28)與 TORSA 分析比對 ... 137
xiv
符號說明
B: 單位寬度 𝑐: 未改良土壤剪力強度 𝑐𝑚: 複合土壤剪力強度 E: 支撐之彈性係數 𝑓′𝑐:混凝土抗壓強度 𝐼𝑟:改良率(改良樁面積/改良區域總面積) 𝐾𝑎: 總主動土壓力係數 𝐾𝑝: 總被動土壓力係數 Ks: 支撐勁度 L: 支撐之有效程度 Pa: 主動土壓力 Pp: 被動土壓力 𝑞𝑢: 改良樁單軸抗壓強度 Sv：地表垂直沉陷量 Su: 未改良土壤之不排水剪力強度 𝑆𝑢𝑤: 複合土壤不排水剪力強度 t: 壁體厚度 𝑢𝑤: 水壓力 δh:壁體水平變位 𝜎𝑣: 總覆土應力 𝜎′𝑣: 有效覆土應力 : 未改良土壤摩擦角 m: 複合土壤摩擦角第一章
緒論
1.1 前言
由於都市居住人口數趨於零成長，使得都市永續發展理念由擴張主義逐漸轉成市中 心更新主義，因此都市更新、都市重劃、舊建物重建、舊建物改建等民生建設也因運而 生。但是要如何在交通量繁重、建築基地狹小、與鄰房相近等條件下的都會區中進行建 設而不對他人、他房造成影響或是破壞，這是一個重要的課題。 在將舊建物拆除重建的過程中，所產生的噪音、廢棄物、空氣汙染、振動等問題對 於周遭居民的影響是不容忽視的。最重要的是，在重建既有的地下室結構物時，在樓版 開孔、打拆樓版、架設支撐、開挖、架設樓版時，都不允許施工對於鄰房造成危害，因 此在舊建物拆除重建過程對於鄰房的保護工作極為重要。目前業界的應對工法莫過於將 基地下的土壤進行地盤改良(Ground improvement)為主，使建築基地下的土體可提高強 度、減小其變形、改善其透水性，進而保護周圍建設，避免其差異沉陷過大造成破壞。 地盤改良工法之內容多樣，其中以灌漿工法(Grouting)有噪音低、振動小、施工快速、 及施工空間小等多項優點，且又能明顯改善土壤之勁度、強度及降低土壤透水性，因此 在工程界廣泛被應用。 本論文主要探討以圓桶形配置的 JSG 高壓噴射灌漿工法，應用於保護一都市建物舊 有地下室結構拆除與重建之案例研究。1.2 研究動機
都會區中舊大樓地下室的拆除與重建工程需要注意的重點如下：(1) 如何於受到限 制的舊地下室空間及舊擋土設施緊貼地界的情況下，打拆舊地下結構體然後施作新地下 結構體；(2) 如何將舊有地下結構做最有效的利用；(3) 如何避免因拆除、開挖、支撐2 施工，使鄰近建物造成危害。對於以上的課題，近年來許多學界、業界的前輩都對於這 方面的問題提出相關案例研究。 何樹根等人(2007)，彙整出地下室重建擋土措施概念性工法及地下室拆除重建之概 念性工法，並介紹台北金融大樓重建之地下工程設計案例。。程日晟與盧怡志(2007)以 台北市北投區一建案為例，以新設圓桶狀連續壁於方形舊連續壁體內，再施作低壓固結 灌漿於兩者間，以減少地盤開挖及支撐時連續壁的變形及鄰房的沉陷。 本案例研究是以台北市基隆路之一建物更新建案為研究主題，其地盤改良施工法包 含：(1) 於舊地下室施作九道地中扶壁；(2) 舊連續壁內施作雙層桶狀配置的 JSG 高壓 噴射灌漿改良土；(3) 沿舊連續壁體內側配置的高壓噴射灌漿改良土壤、並新設 H 型鋼 擋土樁以加深擋土壁深度，綜合以上各項工法，來提高舊地下室拆除及新建物地下室工 程之穩定度及安全性。
1.3 研究目的
此案例研究之目的如下： 1. 介紹於舊連續壁內進行 JSG 地盤改良、加深擋土壁、及開挖支撐之施工案例 2. 探討連續壁內圓桶型配置 JSG 地盤改良配置對於舊有地下室重建之開挖的效益3.
藉由數值模擬程式分析本案例採用之特殊擋土設施，於開挖支撐時所造成的連 續壁變形及鄰近地盤沉陷1.4 研究方法
本研究依照台北市基隆路帛詩華重建工程現場施作情況進行探討，分析都會區舊建 物地下室拆除重建影響到的各個因素。依據案例監測結果探討特殊的圓桶形配置 JSG 高 壓噴射灌漿改良應用於重建舊有地下結構的效益。研究以套裝軟體 TORSA 分析此地盤 改良配置，來探討其對於舊連續壁水平位移及地表沉陷的影響，並將現地監測資料與軟 體分析結果相互比對。1.5 論文內容
本研究論文之內容如下：第一章為緒論，敘述本研究之動機與目的，以及對於研究 方法的簡述。第二章為文獻回顧，介紹都市更新中拆除舊大樓於原地建造新大樓之地下 室施工工法，深開挖施工所面臨的影響，介紹高壓噴射灌漿，及國內三個舊基礎重建案 例。第三章為帛詩華基礎重建案例之基地環境、基地位置、地質地質狀況、及施工監測 系統介紹。第四章說明 JSG 地盤改良與擋土壁加深施工，介紹本基礎拆除重建所使用的 地盤改良及擋土壁加深工法之相關施作內容。第五章說明破除及開挖與支撐工程，介紹 本工程於地盤改良完成後，實施破除舊有地下結構、架設水平支撐、加深開挖深度、及 構築新地下室樓版施工。第六章為監測結果與數值分析探討。第七章為結論及建議。4
第二章
文獻回顧
本論文研究都會區中舊建物重建更新案例，本章首先對都市更新之概念加以說明。 第二部分對於都會區之既有建築地下室拆除與重建及其擋土施工概念進行相關回顧。第 三部分探討重建時需施作深開挖工程之相關調查、及可能發生的災害。第四部份，對本 研究案例探討的高壓噴射灌漿地盤改良工法進行回顧。最後介紹國內三個建物基礎重建 的施工案例。2.1 都市更新
首先定義都市更新之宗旨。根據內政部營建署於民國九十九年五月十二日公布之都 市更新條例，總則第 1 條及第 3 條：「為了促進都市土地有計畫之再開發利用，復甦都 市機能，改善居住環境，增進公共利益；根據本條例所定程序，在都市計畫範圍內，實 施重建、整建或維護措施」。由此可知，都市更新需在兼顧社會、環境及經濟效益的影 響下，由政府、相關專家、策畫者以及民眾共同協商，來為都市規劃最適當的發展。 依據都市更新條例總則第 4 條，都市更新處理方式分成以下三種： 1. 重建：係指拆除更新地區內原有建築物，重新建築，住戶安置，改進區內公共設施， 並得變更土地使用性質或使用密度。 2. 整建：係指改建、修建更新地區內建築物或充實其設備，並改進區內公共設施。 3. 維護：係指加強更新地區內土地使用及建築管理，改進區內公共設施、以保持其良 好狀況。 本研究案例為拆除地上結構物，保留原地下擋土結構，向下增深開挖，再建築而上， 因此屬於重建項目。2.2 舊建物改建前之調查與檢討
一般建築工程案件在施工規劃及設計階段，需事先進行現地調查，針對該建案之地 質狀況、地下水位分布、周邊道路分布、未來交通動線規劃、鄰近地上地下建築物位置、 以及地下維生管線位置調查。若是事前的調查不盡周詳，小則需要檢討變更原設計而延 宕施工進度，大則會造成施工災害或是鄰近建物的損害(莊皇彬，2010)。本研究案例是 屬於拆除地上結構、以及部分保留地下結構之改建，因此在規劃設計階段除了前述調查 外，還須加上保留之既有建物調查、及保留擋土壁體的相關資訊。施工前之上述調查結 果，加上相關技師的設計，掌握建物現況及預估未來可能發生的情形，可增加施工時期 的安全性、以及降低施工時不確定因素發生的可能性。 關於舊建物的改建的研究中，吳銘剛等(2002)對既有基礎改建的施工方法建議施工 流程，包含事前調查、項目檢討與影響評估、以及施工計畫方案擬定三大步驟，如圖 2.1 所示。 另外，何泰源與陳聰海(2007)提出施工前之資料調查如下： 1. 既有建物調查 既有建物資料調查之項目包含設計及施工圖說的蒐集及內容確認，並實施既有 建物檢測調查。如有資料缺漏遺失可訪談當初參與設計及施工人員，以取得完整資 訊。既有建物資料調查及建物檢測調查相關內容彙整如表 2.1 與表 2.2 所示。 2. 基地及鄰近區域調查 調查內容包含基地之地界線及基地內外地中管線之狀況，這些管線均影響新建 結構物之配置。另外，對既有建物拆除時大型重機具之出入及其他施工作業，對鄰 近區域之影響等，均須納入調查範圍，如表 2.3 所示。 3. 地質調查 考量新建結構物的設計或既有地下結構物外牆欲做為擋土壁再利用時，為確實 評估土水壓力之大小，必須掌握地質狀況。尤應注意都市區早年地下水超額抽取問 題，地下水位上昇後之建物結構強度，是否滿足目前需求等問題。6 4. 其他調查 既有地下結構物拆除前，基於政府法令規範規定，必須向主管機關提出申請的 項目，包括建物登記、電力、電話、自來水、瓦斯、消防等，其適用法令條文及申 請程序等必須事前加以調查釐清，以利工程進度。 施工前，對於建案的規劃設計考慮是否完善、調查是否徹底，往往影響日後施工時 之工程進度。藉由考量前述研究中的調查項目，加上個案特別須注意調查部分來思考規 劃，將使後續工程作業更加順利。
2.3 既有建築地下室拆除與重建
在重建舊建物的工程中，地上結構物予以拆除的情況下，設計通常依據工程效益以 及建案現況，來判斷舊有的地下結構保留、或是拆除。 何樹根等(2007)提出四種舊有建物基礎拆除及重建之擋土措施概念工法如下： 1. 替代法：在舊擋土壁之內或之外另築新壁，來取代原有者，如圖 2.2a 所示。 2. 置換法：以機具切削破除舊擋土壁，並隨即構築新壁在舊壁原址上，如圖 2.2b 所示。 3. 新舊壁共同擋土：新擋土壁結合舊壁或補強舊壁，如圖 2.2c 所示。 4. 舊壁加強法：使用舊壁，並增加必要之地盤改良或其他工法加強舊壁，如圖 2.2d 所 示。 除上述概念工法之外，何泰源等(2007)根據日本基礎工雜誌(1997, 2005)，對既有建 物之新建地下結構物配置及施工法檢討後，整理出以下之建議： 基地內的既有地下結構物，常成為新建工程設計與施工上的限制條件，必須依據施 工前調查的結果加以分析檢討，以反應在新建工程之規劃設計作業上通常分成以下三個 重要部分加以討論。1. 新設擋土壁的型式及位置 新設擋土壁的位置必須與擋土壁型式、及施工法一併考量。既有地下結構物與 地界線有相當距離、或埋深很淺的情況，可以不影響新建物的規劃而單獨解體拆除， 但在都會區寸土寸金的情況下，幾乎不可見。一般新建物的地下結構物均與舊建物 的地下結構體、基礎、及基樁有密切關係，二者之相關連工項如圖 2.3 及表 2.4 所 示。 既有地下結構外牆如可利用做為新建物之擋土壁的一部分，在安全性及經濟上 均非常有利，但實際上並不多見。當既有地下結構外牆已相當接近地界線時，新設 擋土壁一般僅能設置於其內側，新設擋土壁的施工必須避開梁柱及基樁位置，且先 鑿穿樓板及基礎才可設置，其設計及施工上均遭受嚴格的挑戰。最近，在舊擋土壁 的位置新設擋土壁的工法(置換法)已逐漸普遍，大幅提升規劃設計的自由度。 2. 基樁的配置 新建物採用樁基礎時，必須檢討與既有建物樁基礎之關係。如既有基樁為小口 徑 PC 樁或樁頭淺之短樁，事先撤除的難度不大。但若是大口徑 RC 樁，且樁長較 長時，新建物的基樁需考慮偏心配置，並調查既有基樁之完整性，以決定是否可以 再利用。 3. 既有地下結構拆除重建之設計型態 基於上述新設擋土壁型式及位置、基地面積之有效利用、對鄰近區域之影響、 及工期與工程費等考量，新建地下結構可分為表 2.5 所示之 4 個設計型態，每個型 態在施工上各有優缺點，僅提供作為參考。
2.4 深開挖工程
2.4.1 深開挖工程簡介
開挖(Excavation)工程即是使用人力或機器將土壤或是岩石進行鬆動、破碎、挖掘並 運出之工程。在開挖過程中，由於挖掘動作會造成開挖土壤介面產生解壓效果，破壞了8 土層中的應力傳遞，而使得原本土壓平衡產生變化，此時就須要視分析設計結果適時地 加上支撐擋土設施以抵擋側向土壓力。 Terzaghi (1943)考慮開挖的穩定性問題時，定義開挖深度小於開挖寬度之開挖工程 為淺開挖，開挖深度大於開挖寬度者為深開挖(Deep excavation)，而後許多學者提出對 於開挖工程深度之不同定義。歐章煜(2002)提及，依現實狀況而言，開挖工程於分析設 計上所使用的電腦程式中並無所謂「深開挖」或「淺開挖」之區分，分析均一體適用。 亦即是說，二者在分析上所用的基礎理論是為相同，因此不須區分。
2.4.2 深開挖工程之破壞模式
於寸土寸金的都會區中，建物林立、腹地小且建物之建築線常與鄰房重疊，因此無 法以斜坡明挖方式開挖。而若未做擋土設施即垂直向下挖掘，開挖區鄰土會因失去側向 支撐而崩落，即會造成鄰近建物受損。故都會區深開挖工程大部分皆需要伴隨著支撐擋 土設施建造。但若事前的調查、分析及檢驗未達周詳，或是建造時期發生工程疏失，可 能使得設計之擋土結構不足以抵抗周圍土體的變化，進而產生工地災害。 基礎深開挖工程中主要發生的破壞模式如下： 1. 擋土壁管湧之災害 如圖 2.4a 所示，當有阻水效能的地下擋土壁發生破壞裂縫時，高於裂縫之壁外 地下水會經由此透水路徑產生滲流。當水力坡降大到足以破壞土壤顆粒間的黏結力 及摩擦力後，其地下水會混和土壤顆粒將其帶出至開挖基地內，其壁外破壞土壤同 時持續往上游面延伸，形成更大的滲流管道，此現象稱為管湧 (Piping) 。 2. 開挖面砂湧之災害 如圖 2.4b 所示，在開挖面下為透水性良好之土壤，如砂土時，由於開挖區抽水 使擋土壁內外部出現水頭差而引致滲流現象。當上湧滲流水之壓力大於開挖面底部 土壤之有效土壤重時，滲流水壓力可能造成開挖面土之砂湧 (Boiling)，造成破壞。 3. 開挖面隆起之災害如圖 2.4c 所示，隆起災害常發生在於開挖區周圍為軟弱黏土層，則可能因開挖 面上方土壤被移除，粘土剪力強度不足以抵抗兩側土體向下之覆土壓力，造成開挖 面隆起(Heaving)。 4. 擋土壁支撐系統之災害 開挖工程常搭配與擋土壁互相垂直的水平支撐系統，一般多採用各種尺寸的 H 型鋼架構。支撐系統之破壞因素包含細長比過大造成挫屈(Buckling)或是因為局部 構件如斜撐的架設不當、人為的施工不當、溫度變化的熱脹冷縮等，可能造成擋土 壁水平位移及周邊地面沉陷。 5. 擋土壁破壞之災害 如圖 2.4d 所示，在開挖工程中，除了與土壤之間側向力所造成的主動破壞及被 動破壞以外，擋土壁體入地盤深度不足亦可能發生壁體內擠造成破壞。此擋土壁體 施工不良如接頭施工不當、連續壁公母接頭處理不當、或是壁體鋼筋及混凝土配置 不當，皆可能對於壁體造成破壞。 開挖工程於事前對於場址環境需詳細的調查，在設計層面對依照業主需求作符合效 益計畫，選取對該場址相對最合適之擋土設施。另外，若是對於該場址之軟弱地盤進行 合適的地盤改良，亦可減少上述災害發生之風險。
2.5 地盤改良
2.5.1 地盤改良概述
在施工中遭遇到軟弱的地層或地下水時，大地工程師須以增加土壤的強度、減少地 層透水性、及減少土體之便行量，使工程得以順利進行，這種改變地層特性的方式稱為 地盤改良。Das ( 2007)指出，地盤改良是為了減少土體受壓之變形量、增加土壤的剪力 強度以及減少土壤之滲透性為要旨。施工人員使用的地盤改良方式有許多種形式，例如 夯實工法、振動擠壓工法、排水固結工法、灌漿工法、冷凍工法等，而本研究案例則是10 以灌漿工法中的高壓噴射灌漿工法為主要施工工法來進行地盤改良。
2.5.2 土層灌漿工法
大地工程界發展出許多施工型式的灌漿工法，來因應各種不同的地層狀況，以下分 別依照灌漿機制及灌漿壓力進行分類。 1. 依灌漿機制分類 (1)脈狀灌漿 (Intrusion grouting) 此方法適用於黏土層，如圖 2.5a 所示，脈狀灌漿又稱為劈裂灌漿，灌漿壓力稍 微高於滲透灌漿，漿液侵入土層內形成樹枝狀、脈狀之改良體，主要是用來增加滲 透性低的土壤之剪力強度及承載力。 (2)滲透灌漿 (Permeation grouting) 此工法適用於砂土層，如圖 2.5b 所示，在滲透灌漿過程中，漿液以低壓灌入 土層中，在不改變土壤顆粒排列方式的情況下，漿液填充顆粒間的縫隙。 (3)擠壓灌漿 (Compaction grouting) 如圖 2.5c 所示，美國土木工程師學會( ASCE 1980 )建議將坍度小於 1 英吋(25.4 mm)之濃稠漿液灌入土層內，形成球狀固結體以擠壓、夯實周圍土壤。此種灌漿方 式因漿液在土層中擠壓，通常會造成地層隆起，故多被用來扶正已傾斜之建物。 (4)高壓噴射灌漿 (Jet grouting) 如圖 2.5d 所示，在預定深度中，以高壓噴射水泥漿液、空氣、水，切割、攪 拌及取代土層。被切割之土壤與水泥漿液攪拌混合而膠凝硬化。部分被切削之土壤 受壓排出地表面，以漿液取代被排出之土壤，相關細節將在下一節說明。 2. 依灌漿壓力分類 (1)低壓灌漿 低壓灌漿工法所採用的壓力一般小於 0.98 MPa (10 kgf/cm2 )(廖洪鈞，1994)，其 基本原理為在不改變土壤結構的原則下，將漿液以低壓的方式緩慢注入並滲透進入土壤孔隙間，將空氣及水趕出土壤孔隙，固結土壤以達到止水、強化、及穩定地盤 的目的。 (2)高壓灌漿： 利用鑽桿末端鑽頭所噴射出之垂直方向水流，以向下鑽孔。在鑽桿緩緩向上旋 轉及提升的同時，在水平方向的噴嘴中噴出水泥漿、水、或空氣以形成堅硬不透水 的改良土( Soilcrete )柱體。其所形成的改良土之強度高、透水性低，故應用範圍甚 廣。灌漿壓力一般高於 19.62 MPa (200 kgf/cm2 )(廖洪鈞，1994)。
2.6 高壓噴射灌漿工法
高壓噴射灌漿是本論文最重要的地盤改良工法，故特此進一步說明。依照切削地盤 方法、使用鑽桿種類及切削壓力，高壓噴射灌漿主要分為單管 CCP( Chemical Churning Pile )工法、二重管 JSG( Jumbo Special Grout )工法、二重管 SJM( Super Jet-Midi )工法、 及三重管 CJG(Colum Jet Grout)工法，如表 2.6 所示。以下對於高壓噴射灌漿工法原理、 施工步驟、工法種類及改良土特性分別進行介紹。2.6.1 工法原理
高壓噴射流之所以能夠切削土壤，其原理大致可分下列數項，如圖 2.6 (王劍虹， 1984)。 1. 噴射流之動壓 因噴射流而產生的動水壓超過土壤所能承受之應力，使土層內的土粒子強制分 離及再重新組合。 2. 噴射流之脈動 噴射流體間歇性地衝擊地盤時，在土體表面上因蓄積流體負荷所產生的殘留應 力，因而促進土層之破壞。 3. 渦漩現象12 當土層內沒有空隙，受噴射流衝擊時，在衝擊面將發生壓力之變動； 或當土層 內有空隙時，使得噴射流產生亂流現象。 4. 水劈效果 此乃因噴射流的反力作用在噴軸垂直方向而產生推開土層的力量。
2.6.2 施工步驟及常用工法
高壓噴射灌漿工法的典型的施工順序如圖 2.7 所示，依照施工前後分別敘述 JSG 工 法施工步驟如下( JJGA, 2002 )： 1. 整地挖槽定位安裝 如圖 2.7(a)所示，將施灌地點以測量方法定位，並將高壓噴射灌漿專用機具移 置施灌位置上方，在施灌位置挖一沉澱池沉澱泥漿，以免迴漿(Slime) 流出造成環境 污染。 2. 鑽孔至設計深度 如圖 2.7(b)所示，鑽機定位後，向下鑽孔並以清水沖洗土層至預定深度。沖洗 時，出水口向下，並旋轉鑽桿切削鑽孔。 3. 預灌噴射 如圖 2.7(c)所示，削孔完成後，投入一顆鋼珠將鑽桿之下方出水口堵塞。再以 高壓(19.62 MPa)清水配合低壓(0.69 MPa)空氣施作水平方向噴射，以檢查鑽桿接頭 部分是否密接良好及漿液流動是否暢通。 4. 噴射灌漿 如圖 2.7(d)所示，以水泥系硬化材料水泥漿代替清水，在固定深度進行水平方 向噴射，並以設定之鑽桿回轉速率旋轉鑽桿。由於開始噴射水泥漿時，其流量不甚 穩定，若此時立刻提昇鑽桿，可能會造成改良土拌合不均。須待硬化材料流量穩定 後，方能提昇鑽桿。依設定的鑽桿提昇速度及回轉速率，噴射高壓水泥漿及低壓空 氣以形成改良土樁體。5. 改良成樁、提桿清洗 如圖 2.7(e)所示，灌漿完成後，將鑽桿拔出並以清水沖洗，確實做好保養工作， 以免影響後續工程灌注品質及器材使用壽命。 高壓噴射灌漿依照灌漿管設計的不同，分為單管、雙重管及三重管工法，如圖 2.8 所示三種灌漿管之噴嘴。以下介紹大地工程界常用之二重管工法及三重管工法： 1. 雙重管工法(如 JSG 工法) 如圖 2.9a 所示，係利用水泥漿液及壓縮空氣以同心雙重管傳遞，將內管的高壓(如 19.62 MPa)水泥漿及外管的低壓(如 0.69 MPa)空氣經同心環狀噴嘴同時橫向噴射， 水泥漿外圍形成環狀空氣膜，使噴射範圍得以加大。 2. 三重管工法(如 CJG 工法) 如圖 2.9b 所示，利用超高壓(如 39.24 MPa)清水及低壓縮(如 0.69 MPa)空氣削割 土層後，以低壓(如 1.96~4.90 MPa)水泥漿液混合土壤，稱為三重管工法。此工法是 經由同心三重管，由鑽孔上端將高壓水、空氣同時橫向噴射以切削周圍土體，藉水 及空氣之壓力將部分泥漿經由鑽孔排出，同時在鑽孔之較下端，將水泥漿以低壓注 入殘餘泥漿中，混合凝固成改良土樁體。 本重建工程所使用的工法為 JSG 工法。依據 JJGA(2002)對於其工法之標準設計參 數，如有效直徑、鑽桿提升速度、硬化材單位噴射量及灌漿壓力有公布相關參考資料， 如表 2.7 及表 2.8 所示，分別對於砂質土及於黏性土設計不同施工參數。
2.6.3 改良土特性
高壓噴射灌漿改良土的特性，與原土層及混凝土都不相同，影響因素包含：土壤種 類、漿液的配比、噴射流動、噴嘴大小、鑽桿的提昇速度及旋轉速度等 ( Gallavresi, 1992 )。 Yahiro et al. ( 1982 )為了探討影響改良土直徑及強度的各項因素，在東京附近 Koto-ku14 的土層中進行試灌，得到下列結果： 1. 在不同土層中，所得改良土之直徑亦不同。在砂質土中，其改良的直徑比在粘土層 中改良土直徑為大。 2. 噴射流的壓力越大、以及噴出量越大，不論在粘性土或是在砂質土層其直徑都增加。 3. 當硬化材(水泥漿)流量越大時，所得的改良土單軸壓縮強度及直徑都增加。 4. 鑽桿旋轉速率越慢時，所形成的改良土直徑越大。而提昇速度越快時，所形成的改 良土直徑越小。 5. 土壤種類不同，其單軸壓縮強度亦不同。在砂質土中改良，其強度較大；在粘性土 中改良，其強度較小。 依據台北捷運工程設計監造經驗，王劍虹等(1994)提出改良土特性如下： 1. 水灰比：當漿液水灰比增加時，改良土之強度會降低。 2. 水泥用量：改良土強度隨漿液每單位體積使用的水泥量增加而增加。 3. 土壤種類：砂及礫石改良後強度較高，粉土及粘土改良後強度較弱。 4. 養治時間：改良土的強度隨養治時間增加而增加，但增加之速率小於混凝土之強度 增加速率。 5. 灌漿方式：採單管、雙重管或三重管的灌漿方式，對所形成改良土之性質影響很大。 Kauschinger et al. ( 1992 )指出，改良土樁徑依施工法及土壤顆粒而不同。單管工法 於凝聚性土壤內形成之樁徑為 0.4~0.8 m，於粒狀土壤內形成之樁徑為 0.5~1.2 m。雙重 管工法於凝聚性土壤內形成之樁徑為 0.8~1.6 m，於粒狀土壤內形成之樁徑為 1.0~2.4 m。 三重管工法於砂土及粘土內形成之樁徑分別為 0.5~3.0 m 及 0.5~1.5 m。
2.7 國內基礎重建案例
2.7.1 高雄捷運 O2 車站出入口 B 共構大樓
本案例為高雄捷運 CO1 區段標、O2 車站出入口 B 共構大樓新建工程(何泰源與 陳聰海，2007)。設計將基地上之原光復戲院(地下一層，開挖深度 5.3 m，連續壁厚 度 0.5 m、深度 16.5 m)，改建成捷運出入口共構大樓(地下三層，開挖深度 13.05 m， 擋土排樁直徑 0.8 m、深度 25 m)。以下介紹案例之基地位置概況、基地地質狀況、 舊大樓結構拆除、新擋土結構施作、舊地下結構拆除工程、及施工遭遇問題。 1. 基地概況 本工程基地位於高雄市鹽埕區大勇路與新樂街口，如圖 2.10 所示。基地舊建物 為光復戲院，是一 RC 構造建物(4F / 1B)；本工程設計將此處新建一 RC 大樓(8F/3B)， 且與高雄捷運 O2 車站之 B 出入口共構。圖 2.10 顯示，基地北側緊鄰國泰大樓(14F/3B)， 其筏基底部約在地面下 14 m，以厚度 0.6 m、深度 23 m 之連續壁為地下室外牆；東 側緊鄰四樓與七樓民房；南側毗鄰新樂街商店區；西側連接位於大勇路之捷運 O2 車站。 2. 基地地質狀況 基地之地層主要由粉土質黏土及粉土質細砂所組成，地質調查結果顯示，地表 下 50 m 以內之地層大致可分為 5 個層次，由地表向下分述說明如下(見圖 2.11)：第 1 層次為回填級配層(SF)，所在高程為 GL. 0 m~ -1.1 m；第 2 層次為軟弱至中等堅實 粉土質黏土夾粉土質砂層，所在高程為 GL. -1.1 m~ -8.6 m；第 3 層次為中等緊密之 粉土質砂層，所在高程為 GL. -8.6 m~ -21.5 m；第 4 層次為中等緊密之砂質粉土層， 所在高程為 GL. -21.5 m~ -28.8 m；第 5 層次為堅實至極堅實之粉土質黏土層，GL. -28.8 m~ -50.0 m，下方為堅硬之砂土質粉土層，地下水位於 GL. -0.8 m~ -2.15 m。如 圖 2.11 所示，新建地下結構之最終開挖面位於第三層次之粉土質細砂，全套管切削 樁施作之設計為第四層次之砂質粉土。 3. 新擋土結構施作16 為了避免大樓重建工程之地下開挖造成鄰房損害及施工災害，且新建地下擋土 結構避免與舊擋土壁衝突為原則，在開挖基地東側及南側於舊連續壁內側施作全套 管切削擋土樁。基地西側於連續壁外側施作擋土樁，基地北側與車站共構，如圖 2.13 所示。 配合共構大樓地下結構開挖範圍，配置了ψ0.8 m 全套管切削擋土排樁共 165 支 於上述周邊，深度為 25 m，依照工程進度分作先行樁 83 支及後行樁 82 支，其排樁 之斷面配筋如圖 2.14 所示。 4. 舊大樓結構拆除工程 為配合 O2 車站整體施工時程，舊光復戲院結構體分為地上結構拆除及地下結構 拆除。第一階段先行將地上 4 層結構自屋頂逐層向下拆除，並將拆除之建築碴料回 填於地下室內，以避免整體結構荷重過輕，造成地下室發生上浮。 第二階段之舊地下室結構、水箱、及筏基拆除，於確認新設擋土排樁壁體之施 工品質及止水性後，開始分區破除。受限制於舊地下室狹小空間施工，且開挖區內 林立中間樁、抽水井、及水位觀測井等設施，因此設計單位將開挖區分為 12 區塊， 依照順序予以破除結構並回填，如圖 2.12 所示。 5. 施工遭遇困難 根據作者以往經驗，地下開挖工程會有擋土設施止水性不佳之狀況，需於開挖 前確認擋土壁體之阻水性功能，以防止開挖時有漏水、漏砂情事，進而會對鄰房造 成災害。 本案例在有限的地下空間施作開挖破除，其施工動線為影響施工進度之一大因 素，因此需於事前規劃周善，以免妨礙共構車站之工程進度。 此外，於施工前的開挖分析結果顯示，於新設之擋土排樁內進行開挖之壁體變 位可能過大。為減少開挖變位對鄰近建物造成不利影響，除增加臨時水平支撐系統 之勁度及預力外，再於擋土壁內側施作扶壁式高壓噴射灌漿地盤改良(圖 2.15)，可有 效減少開挖過程中擋土壁之水平變位量。
2.7.2 台北金融大樓重建案例
本設計案例為何樹根等(2007)介紹台北市金融大樓重建工程設計案例，該建物地上 結構因 921 地震受損，遂於原地拆除並重建。原建物為 14F/4B 之大樓，其舊筏式基礎 開挖深度為 GL. -12.4 m，以建造舊資料顯示地下擋土結構為厚 0.7 m 之連續壁(西側深 度 26 m、其餘三側之深度為 23 m)。 以下對設計案例基地周圍概況、基地下狀況、新擋土結構施作、舊地下結構拆除工 程規劃、及施工遭遇問題介紹。 1. 基地周圍概況 基地位於台北市松山區南京東路三段與敦化北路交會處，其位置如圖 2.16。基 地東側為寬 70 m 敦化北路，北側為寬 40 m 道路，東北側有穿越道路之人行地下道， 西側為地上 12 層地下 1 層之大樓，南側隔一 8 m 寬之巷道有一地上 12 層地下 2 層 之大樓。 2. 基地地質狀況 鑽孔資料顯示，基地所在位置之地層剖面如圖 2.17 所示。新基礎最終開挖面 (GL.-14.4 m)之土層為粉土質黏土層(CL)。新設擋土連續壁深度為 GL. -37m。依序經 過之土層為粉土質黏土層(CL1)、細砂質粉土或粉土質細砂層(SM1)、及粉土質黏土 層(CL2)。平均地下水位在 GL. -2.5 m 處。 3. 新擋土連續壁施作 新建物設計為地上 14 層地下 4 層之大樓，其筏式基礎開挖深度為 GL. -14.4 m， 保留舊擋土連續壁，並新設一厚度為 0.7 m、深度為 GL. -7 m 至 GL. -37 m 之連續壁， 如圖 2.18，於舊壁內側 0.25 m 處，其新舊壁搭接深度為 GL. -7.0 m 至 GL. -23.0 m，。 設計上，考量舊連續壁可能有包泥、大肚、及垂直度有誤之狀況，無法於當時 施工紀錄得知，因此以新作擋土壁內縮 0.25 m 進行設計，以避免新壁施工時遭遇舊 壁阻礙。新壁與舊壁間 0.25 m 之縫隙，於施作連續壁深導溝牆及施作連續壁時，以 混凝土填充。18 由於連續壁施工機具無法挖掘既有建物之鋼筋混凝土，施工單位以分區方式將 新連續壁經過之舊地下室結構破除，並施作導溝及隔艙牆，導溝牆內及隔艙範圍回 填機具可挖掘之砂石級配或土方，使局部區域之土壓可平衡，而後遂施作新連續壁 於設計位置。 4. 舊大樓地下室開挖及拆除規劃 於新擋土連續壁施作完成後，施工單位以一階拆除、一階架設支撐交互施工， 以順打工法施工至最終開挖面。 5. 施工遭遇困難 本案技術上最困難之處在於保留舊連續壁、及在舊地下結構保護下加深新地下 室深度，結合新舊連續壁作為新大樓之地下擋土壁。如上述所提，施工前需考量舊 壁之變形狀況，並事先準備施工時發生問題之解決對策。施工前需詳細規劃，保留 舊地下室及施作新連續壁之施工步驟及施工動線，以免施工期間各單位介面溝通不 良，造成工進延宕甚至引發工程災害。
2.7.3 利用舊有連續壁進行地下室開挖案例
本案例為台北市北投一大樓利用舊連續壁，加上基地內新建之圓桶形連續壁擋土設 施，搭配內側十字型地中壁、壁樁、攪拌樁及低壓固結灌漿等地盤改良工法，來避免新 地下室開挖時壁體內擠變形及鄰房損壞。程日晟與盧怡志(2007)介紹基地概況、圓桶形 連續壁與地中壁之配置、地盤改良內容、及施工遭遇困難。 1. 基地概況 本基地為台北市北投一閒置十年之工地，內已有厚 0.5 m、深 20 m 之方形連續壁及 直徑 0.8 m、1 m、及 1.2 m 基樁若干支，地下室尚未開挖，地上亦無建物。如圖 2.19 所 示，基地西南側為承德路，西北側隔 8 m 巷道有 2F 鄰房，東北側為二排地上四層頂樓 加蓋一層之鄰房，東南側緊鄰一新建中之地上 12 層地下 1 層大樓。 地質鑽探顯示，基地自地表下 5.4 m 至 30.3 m 為一層厚約 25 m 極軟弱之黏土層，本案預定最終開挖深度為 14.65 m，基礎工程施工皆於此土層中進行。 2. 圓形連續壁及地中壁配置 因舊有連續壁深度僅 20 m，其貫入深度並不符合本案之開挖深度(14.65 m)之要求， 故設計於基地內設置一貫入深度較深之剛性擋土結構以提高開挖穩定度。 基本規劃於基地內構築厚度 0.8 m、深度 39 m、直徑約 23.9 m 之圓桶形連續壁，以 截斷隆起之破壞圓弧，如圖 2.20 所示。另於圓桶形連續壁體內配置厚 0.8 m、深 31 m 之 十字地中壁。並於基地四處角落，配置深 39 m 及 50 m、厚度 0.8 m、長度 2.5 m 及 6.0 m 之壁樁加強，及配合地上結構之荷重需求。 3. 地盤改良 如圖 2.21 所示，以攪拌樁及低壓固結灌漿二種工法固結新舊連續壁間之軟弱黏土， 確保開挖時作用於舊連續壁外側之土壓力可傳遞至新設圓桶形連續壁，以避免舊連續壁 可能發生之內擠破壞。並可控制向下開挖造成之壁體側向變位，以保護鄰房及降低舊連 續壁承受之應力。 4. 施工遭遇困難 本案例遭遇之主要問題在於，其舊連續壁及基樁完成時間已經過十年，相關的施工 紀錄無從得知，因此施作新圓形連續壁之導溝時，曾遭遇未知深度之舊基樁，迫使設計 顧問需進行設計變更，影響工進。並因為無法確實得知舊連續壁之變形狀況，因此無法 直接將新建擋土結構緊貼舊壁施作，需使用多項施工法及時間來提高本基地之開挖安全 性。
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第三章
帛詩華基礎重建工程
在人口眾多、交通繁忙的台北都會街道中，樹立著許多早期興建的大樓。隨著時間 的推移，這些建物在使用目的改變、建物損壞、空間不敷使用、以及商業利益等影響因 素下，都市發展及更新也因運而生，既有建物的拆除以及原地重建的工程案例也日益增 加。本研究探討的帛詩華新建工程案，即是一個都會區中重建案例，要如何在擁擠的都 會區中，施作不損壞鄰近建物的拆除及重建工程，是一個值得探討的課題。本章對此案 例之基地環境概況、基地地質、地下結構施工、地盤改良應用機制、及其監測系統加以 介紹。3.1 工程概況
本案例位於台北市信義區基隆路二段 149 號，如圖 3.1 所示，內政部地政司公布之 地籍為台北市信義區三興段三小段 406 號。本案例業主為宏普建設公司，營造廠商為森 城建設公司，基礎重建工程施工協力廠商為朝瀚實業公司。設計單位為王承熹建築師事 務所，大地工程專業顧問為三力技術工程顧問公司。 原建物為地上十二層、地下三層之辦公大樓，宏普建設設計將此建物改建成地上十 四層、地下四層之住宅大樓。基地西側緊鄰地上十二層、地下兩層之辦公大樓。東側隔 著基隆路二段 147 巷(路寬 5 m)為地上十二層、地下兩層之辦公大樓。南側為一閒置空 地；北側為基隆路二段(路寬 30 m)，如圖 3.2 所示。基地形狀為一梯形，基地四邊長由 北邊順時針排序約為 22.4 m、21.4 m、22.9 m、26 m ，基地面積約為 583 m2，舊基礎 開挖面積約為 468 m2。 本案例改建前之地下室有三層，筏基深度為 14.1 m，其擋土結構使用寬 0.7 m 、深 25 m 之連續壁。改建後之地下室增為四層，開挖深度達到 21.5 m。經設計公司計算後，基地改建工程保留四周舊擋土連續壁，及並增設 46 支長 22 m 之 H 型鋼預壘擋土樁(深 度 GL -12 m~GL -34 m)，來作為改建後之地下擋土結構。 為避免地下室開挖施工時造成鄰房損害、及降低拆除開挖工程之風險，設計單位安 排了九道寬 0.4 m、長 4 m 、深 12.1 m 之地中扶壁(Buttress)，以補強因樓版開孔破壞 之舊地下室結構。此外，如圖 3.3 所示，在舊連續壁體內側(GL. -14.2 m ~ GL. -34.0 m) 及開挖區中央環狀(GL. -14.2 m ~ GL. -28.0 m)，設計高壓噴射灌漿(JSG 改良土樁)，用 以增加開挖土體之強度，以防發生開挖工程造成災害。
3.2 地質狀況
圖 3.1 顯示本案例位置所在在台北盆地的東南方，該處鄰近台灣西部麓山帶之拇指 山山區。將案例位置套疊於台北市工程地質分區圖(李咸亨，1996)，如圖 3.4 所示，工 地是落在基隆河一區(K1)。以下分別介紹台北盆地之成因、地層分區、及基地鑽探結果。3.2.1 臺北盆地之地質介紹
1. 盆地成因 根據丹桂之助(1939)的研究，臺北盆地的形成，是由於林口台地東側的山腳斷 層(圖 3.5a)陷落，因而形成西高東低之地勢。山腳斷層的上盤即是現在的台北盆地， 如圖 3.5b 所示。 依據中央地質調查所歷年來鑽探資料得知，臺北盆地位於淡水河系中下游流域， 自盆地陷落後，以大漢溪、新店溪、基隆河及淡水河等河流沖蝕堆積(圖 3.6)，於第 三紀岩盤上形成沉積層，該沉積層厚度於盆地西北隅可達約 650 m，自此向東區、 南區高山遞減(陳文山等，2008)。 2. 盆地地層層序 地質學家(Wu, 1965；丹桂之助，1939；王執明等，1978；李咸亨，1996；洪如 江，1966；洪奕星等，2006；陳文山等，2008；劉平妹等，2008；鄧屬予等，2004、22 1994 )根據台北盆地形成的時間、形成區域、及層內岩性，將沉積層分層序。隨著 地質鑽探井數目增加、鑽探深度增深，地層層序分類也逐漸精細，從早期丹桂之助 (1939)分出松山層及林口層兩層到近年陳文山等(2008)將台北盆地劃分出松山層、景 美層、五股層、板橋層及關渡層五層，如表 3.1 所示。以下簡介基盤及各沉積地層 之深度及特性，並藉由地調所鑽探孔剖面線圖(圖 3.7a)及地層剖面圖(圖 3.7b)，表示 各地層之位置。 1. 基盤： 基盤為第三紀( Tertiary Period )之褶皺沉積岩盤，岩盤頂部深度自台北盆地 西北向東北變淺，目前得知基盤最深處在五股地區，深度約為 680 公尺。 2. 板橋層： 板橋層為盆地陷落後最早期發育之地層，堆積形成時間從 44 萬年前至 16 萬年前。整體以不整合型態堆積於基盤之上，厚度可達到 350 公尺。其下部約 300 公尺厚以層礫石為主，其上部則是包含砂泥層及火山泥流堆積物，見其剖面 位置。 3. 五股層： 五股層最厚可達到 160 公尺，其組成材料包含礫石、砂層及泥層相互交層， 礫石主要分布於台北盆地東南半部，而漸次向西北部轉為砂泥層。由於整體沉 積層向盆地邊緣變薄、顆粒變粗，因此到了東側及南側入山區，邊緣其岩性界 線就不易辨識，也常難與上層景美層區分。 4. 景美層： 景美層主要以礫石組成，中間夾帶些許紅棕黃色砂土，厚度可達到 50 公尺 以上，為工程中一適合作為承載的地層。此層厚度及顆粒粒徑都由台北盆地東 南向西北方向遞減，或是被關渡層地火山岩礫取代。由於礫石填充其中，其顆 粒間孔隙大，是一含水量豐富之主水層，因此若是工程開挖至此層，需特別注 意地下水所可能會產生的工程問題。 5. 松山層：
松山層分布自地表以下至景美層之上，是臺北盆地主要工程地質探討地層。 該層以黃棕色粗砂層及灰色泥層相互交合而成，最厚度達 110 公尺。除了砂層、 泥層之外，也含有海相化石、泥炭、植物化石及藍鐵礦，是一內含豐富地層。 由於泥砂交相出現，學者將松山層再細分出六個次層以茲區分，在下節做詳細 說明。 6. 關渡層： 關渡層是以同時異相之於上述四層而存在的地層，表 3.1 所示關渡層底下為 第三紀基盤、頂界為松山層中段泥層，厚度達 450 公尺。位於關渡平原至士林 一帶，主要是由於大屯火山活動而產生地火山堆積物而組成。 3. 松山層的次層 以臺北盆地內的淺層沉積層的工程特性，從地表至地下 30 公尺最為重要，而 這一區段以松山層為主。有鑒於此重要性，洪如江(1966)對淡水河與新店溪以東區 域的松山層，區分出六個砂、泥交互出現的次層(Sublayer)，如圖 3.8 所示。由下而 上奇數(1、3、5)次層為砂層偶夾礫石，側向連續性不佳，遠離主河道之盆地邊緣， 其砂層層厚減少至些許區域會消失，如圖 3.9 所示。偶數(2、4、6)次層為泥層，其 側向連續性較高，尤其是第四泥次層幾乎可以遍佈台北盆地全區，如圖 3.10 所示。 中央地質調查所修改吳偉特(1979)的研究，並蒐集整理期鑽井資料，將六個松 山層次層的土壤分類、特徵概述、沉積環境及地質解釋整理成表(表 3.2)，可以更清 楚的說明六個次層內的土壤分類及特徵。
3.2.2 基地鑽探結果
根據中聯工程公司(2012)於台北市信義區三興段三小段 406 號鑽探報告顯示本案例 之地質概況分布，如圖 3.11 鑽孔 AH-2 所示，由上至下分別為：24 第一層(CL)：厚 1.5 m 之表土(SF)下黃棕灰色粉土質黏土(CL)，分布於 GL.-1.5m~ GL. -5.0 m，此土層為松山層之第六次層。 第二層(GM/SM)：卵、砂礫石層(GM)夾灰色粉土質細砂(SM)，分布於第一層底至 GL.-16.7m，此土層為松山層之第五次層。 第三層(CL)：灰色粉土質黏土(CL)偶夾粉土質細砂(SM)，分布於第二層底至 GL. -27.0 m， 此土層為松山層之第二次層及第四次層合為一體。 第四層(ML~SM)：灰色砂質粉土(ML)漸變粉土質細砂(SM)，分布於第三層底至 GL. -33 m，此土層為松山層之第一次層。 第五層(GM/SM~CL)：卵礫石夾粉土質砂(GM/SM)漸變灰色粉土質黏土(CL)，分布於第 四層底至 GL -44.6 m，此土層為台北盆地之景美層。 第六層(Sandstone ~ Shale)：灰色砂岩(SS)漸變頁岩，分布於第五層底下。 根據台北市工程地質分區圖得知，案例基地位於基隆河一區 K1。K1 區的特性之一 即是松山層第三次層及第五次層厚度自台北盆地中央至西部麓山帶逐漸減少，如圖 3.13 所示。因此將案例地質鑽探結果套入松山層分層概念發現，位於台北盆地邊緣的案例基 地松山層第三次層消失，因此第二及第四次層合為一體。
3.3 新建地下結構之施工概念
本基礎重建工程設計將舊有地下室結構保留，地下開挖深度自 GL. -14.2 m 增加至 GL. -21.5 m。為了避免工程災害的發生、符合現有深開挖建造規範及降低工地災害風險， 施工上使用多樣穩固地盤的工法，第一部分是利用九道地中扶壁去補強已損壞的舊地下 室樓版結構。第二部分於基地之連續壁內施作兩圈環型配置的 JSG 灌漿工法，期此圓 桶型改良土配置發揮該形狀的抗壓低變形。第三部分於基地內側四周，貼著舊連續壁體 施作 JSG 灌漿工法，來穩固更深的地層，並於完成的改良土中施作預壘 H 型鋼樁，作 為開挖深度更深的擋土結構。以下為敘述這三部分的施工方式：1. 地中扶壁 設計單位及業主討論後決定，將本案舊的地下連續壁(深度為 GL. -25.0 m)予以 保留。在施工過程，因為將施工機具吊入及廢料吊出，須將舊 1F 樓版(GL. 0 m)、 舊 B1 樓版(GL. -3.3 m)及舊 B2 樓版(GL. -7.7 m)破壞，開工作口。為了防止已破壞 的舊地下結構在架設水平支撐前產生災害，故設計施作九道地中扶壁加以補強，扶 壁位置如圖 3.3。扶壁深度自地表到舊 B3 樓版(GL -12.2 m)、寬度為 4 公尺、厚度 為 0.4 公尺。施工人員將舊樓版之扶壁位置的混凝土鑿除，並於舊地下室內牆鑽孔、 灌入砂漿、植入鋼筋，將扶壁的鋼筋與舊樓版鋼筋、及舊地下室內牆植筋互相綁紮 後，澆置混凝土而成扶壁。 2. 圓桶型 JSG 地盤改良 本案例的地質鑽探調查顯示，本案例基礎向下開挖之土層屬於軟弱的黏土層， 更深度的開挖支撐施工可能造成連續壁水平位移及鄰近地區地盤沉陷，損害兩側高 達 12 樓之建物。 因此設計單位規劃於基地內部施作高壓噴射灌漿，以防止在開挖至新設計深度 時造成之施工災害。本案基地開挖面積僅 468 m2，屬於一小型開挖基地，因此在灌 漿設計上透過圓桶形改良土的形狀效應配置，將 JSG 改良土灌入舊筏基下方，形 成類似木桶型高強度抗壓核心，以期將開挖施工造成之連續壁水平位移及鄰近之地 盤沉陷降至最小。 3. 連續壁內側 JSG 地盤改良及預壘 H 型鋼擋土樁 為有效抵抗周圍土壤對舊連續壁施加的土壓力，並增加舊筏基下土壤勁度，設 計 JSG 地盤改良工程緊貼舊連續壁內側施作。為使土壓力由舊連續壁傳至新擋土壁 後，再傳至中間抗壓圓桶型配置 JSG 改良土，欲使其發揮最大效益，須於外圍 JSG 與內圈 JSG 改良土之間中施作連接點，讓側向土壓力順利地傳遞。此外，本案新開 挖深度為 21.5 公尺，而舊連續壁深度只到達 GL -25 m，其擋土壁以內的土層厚度 只有 3.5 公尺，依內政部營建署(2001)發布的建築物基礎構造設計規範及設計檢核， 舊連續壁深度是不足以應付新開挖深度(圖 3.12)。因此在設計時(圖 3.3)，於外圍已
26 改良完成的改良土樁中，自深度 GL -12 m 到 GL -34 m 施作貫入預壘 H 型鋼用以做 新設擋土結構。 結合舊地下連續壁、圓桶型 JSG 地盤改良、及 H 型鋼擋土樁之結構，其基地之側向 土壓力傳遞如圖 3.13。設計期望三項結構能有效均勻傳遞側向土壓力，使中間抗壓圓桶 型 JSG 改良土能發揮其形狀效果，有效抑止開挖時擋土壁的水平變位及周邊土壤及建物 的沉陷。並利用加深之 H 型鋼擋土樁及圓桶型 JSG 地盤改良土體，截斷開挖時基地下 產生之破壞圓弧，以達開挖時基地穩定。 於都會區中實施深開挖工程，最要注意的即是保護鄰房的完整及施工人員的安全。 為了確保開挖期間及建造期間的施工安全，施工單位於基地內部及外部都設置了監測的 儀器，下節將對本案例的施工監測系統進行介紹。
3.4 監測系統
於都會區中施工，須注意施工對鄰近建物之影響，並將其變化控制於安全範圍內， 且亦須管控施工期間工地內發生意外之風險，通常會依照需求進行監測系統的布設。本 案例新建工程於大樓林立、車水馬龍的基隆路旁，為確保施工期間之安全，須對鄰房、 道路及舊結構設施進行監測系統的安裝，其配置如圖 3.14。以下簡單介紹本案之監測系 統。3.4.1 監測儀器介紹
1. 傾度管 是一以測讀器感應外套管之相對傾斜程度，進而計算傾度管的相對側向水平位 移。以本案配置為例，工地設有土中傾度管、舊壁體內傾度管及新擋土型鋼樁內傾 度管。(1)土中傾度管( Slope Inclinometer in Soil )：施工前在基地四周鑽孔布置傾度管，如 圖 3.15 所示，其位置為圖 3.15 中之 SIS1~SIS4，用以量測擋土設施外之土層側 向位移。
(2)舊連續壁內傾度管( Slope Inclinometer in existing Diaphragm wall )：於舊連續壁體 中留存的舊紅色外套管中施作傾度測量，如圖 3.16 所示。其位置為圖 3.14 中之 SID1~SID4，用以量測舊連續壁體之側向位移。
(3)新擋土 H 型鋼樁內傾度管( Slope Inclinometer in new Diaphragm wall )：於新擋土 H 型鋼樁上布置紅色外套管，並於其中施作傾度量測，如圖 3.17 所示。位置為圖 3.15 中之 SID5、SID6，用以量測新擋土設施之側向位移。 2. 沉陷點 沉陷點為一不易變形之材料設於設計監測位置，以沉陷參考點(圖 3.14 中之 BM) 為基準(Bench Mark)，進而以水準儀量測各沉陷點的高程變化，計算該點的相對沉 陷量或抬昇量。本案設有地面沉陷點及周遭建物沉陷點。 (1)地面沉陷點(Surface Marker)：如圖 3.18 所示，以特殊鐵釘布設於監測系統之設 計位置，其布設位置見圖 3.14 中之 SM1~SM21，以水準儀從參考點起始測量， 計算出該點沉陷量。 (2)建物沉陷點(Settlement of Building)：以黏貼或植筋方式將側點布置於鄰房騎樓的 柱子上，如圖 3.19 所示，而其布設位置如圖 3.14 中之上 SB1~SB6，亦以水準儀 從參考點起始測量，計算出該柱子之沉陷量。
3. 電子式水位計( Electronic Water Level Indictor )
施工單位在基地四周取四點鑽孔、埋設套管，如圖 3.20 所示。其位置如圖 3.14 中之 OW1~OW4，而後在規定設計時間利用水位計觀測該孔水位，監控基地周邊的 水位高程。
28 在施工基地四周取兩點鑽孔、埋設套管，如圖 3.21 所示。裝設至不同深度的土 層，用以量測土壤中 JSG 高壓噴射灌漿及破除、開挖、支撐造成之孔隙水壓力變化， 本案設置兩孔如圖 3.14 中之 PS1(GL. -31.15 m)及 PS2(GL. -30.95 m)。
