地盤改良扶壁樁應用於改善鐵路地下化深開挖連續壁變形行為之研究

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中華大學碩士論文

地盤改良扶壁樁應用於改善鐵路地下化深開挖連續壁變形行為之研究

Consideration of the underground supporters to improving the deformation of slurry wall caused

by the deep excavation of construction of underground railway

系所別：土木與工程資訊學系碩士班學號姓名：E09404022 鄭振榮指導教授：李煜舲博士

中華民國九十六年七月

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摘要

鐵路地下化工程都是利用鐵路廊帶範圍內施工，施工場地皆緊鄰營運中之鐵路及住戶側，於開挖作業期間常因連續壁變形造成沉陷，

進而影響鐵路路基及鄰產安全，引發民眾責難及住戶抗爭，追根究底其問題大都發生於開挖期間連續壁變形。為改善連續壁變形情況，目前施工單位會以連續壁內側施作開挖完成深度上、下各5m 之地盤改良扶壁樁，施作支數及間距則依現場實際需求而定，本研究目的則為探討地盤改良扶壁樁應用於改善深開挖連續壁之變形行為情況。

以RIDO 及 PLAXIS 數值分析資料，顯示連續壁水平變位量最大值雖未達警戒值，因施工場地鄰近住宅區及營運中之鐵路側，考量施工安全以及施工場地狹窄限制，於連續壁內側施作地盤改良扶壁樁，

透過數值分析得到連續壁變形量確有改善，改善情形經數值分析確依採用地盤改良扶壁樁4~6 支之排列數量以及 6、10m 間距不同而有所變化，並由施工單位參考數值分析結果及工程經費以及施工安全性等因子選擇適當組合方式施作。

本研究係利用連續壁體內設置之傾度儀實際量測連續壁水平最大變形量，經由第一、二標段設置34 組傾度儀，分別於施作地盤改良扶壁樁處及未施作地盤改良扶壁樁處觀測，並將觀測數值作比較，結果顯示施作地盤改良扶壁樁對連續壁之改善情況於正常斷面﹙19.5m﹚

較不明顯，但於斷面擴大﹙24.5m﹚段則顯示有改善，至於實際觀測數值與數值分析略有差距，是否為輸入參數問題，由於本研究因限於時間與人力，至研究暫告之階段其誤差尚未釐清，建議後續研究者能深入探討。

關鍵字：深開挖、扶壁樁、壁體變形、數值分析

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Abstract

The construction of underground railroad is realized using the ambits of the porch of railroad. The construction site stands close to the railroad under construction and to the residential site, usually, during the period of construction, the land would sink because of the slurry wall deformed and endangers the base of railroad property nearby and furthermore, results in the blame of people and the resistance of the inhabitants. As we can see the problem is caused mostly by the slurry wall deformed during the excavation. In order to improve this situation, it would be recommened to excavate land-improving supporters, where condected supporters up and celow the planrg excavation location in 5m.

The number of supporters and the distance between them depend on the actual on-site sitnation, and the purpose of the research is to investigate into the application of land-improving supporters on the twisted slurry wall deformed caused by the deep excavation.

As shown in the data analyzed by the programs of RIDO and PLAXIS, though the value of horizontal malposition hasn’t yet reached the warning value, the construction site stands close to the residential area and to the railroad under construction. Considering the safety of construction and the limitation of the narrow site, we build these land-improving supporters on the inner side of the slurry wall, and through the analysis we would find that the value of malposition surely is improved. The situation varies upon the number of the use of the supporters(4~6 stylobates)and the different distance between then (6or10m), and the construction department would also consult some factors like the analysis of the programs, the budge and the safety, and choose from between the suitable combination to work on.

The research is about using the inclinometer settled inside the slurry wall to measure the highest deformation of the horizontal malposition of slurry wall. 34 sets of inclinometer are settled at the first and the second section and we may observe those with and those without the use of land-improving supporter and compare the two values. The result shows the fact that the supporters improve more the aspect of the enlarged section than the normal section. The different between the site observation value and numerical analysis data which is the mostly reason cased by the soil parameter. Due to the time and labor power limited of this research. The soil parameter that suggest follow-up researchers can check it by themselves carefully.

Keyword：deep excavation, land-inprovag, slurry wall deformation, numerical analysis

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誌謝

從踏入社會從事職場生涯以來，從未夢想再繼續進入學校殿堂，

為學術研究進修而規劃，承蒙長官及家人的鼓勵與支持，於人生歷程再重拾書本一窺非常神聖研究領域的碩士在職生的自我成長過程，期間非常感謝系上許多教授的授課與指導，

在論文寫作方面承蒙恩師李煜舲教授之悉心指導，於研究期間對於觀念啟迪、研究方向、模式建構等方面，給予多方引導與匡正；

使得本文得以順利完成。在口試期間，並蒙口試委員交通部運輸研究所蘇副組長振維博士剴切指正，並惠賜諸多寶貴之意見與建議，謹致最深之謝忱。

於求學期間，承蒙本系楊教授朝平、呂教授志宗、吳教授淵洵、

林教授文欽在學識上之傳授與教導，受益匪淺如沐春風，深表由衷謝忱。在研究蒐集資料過程中，承蒙榮工公司地鐵施工處第一施工所黃主任維焄、本工區同仁秦繼孔、廖達義、洪慧儀、林立婷、劉雅芳…

等同事熱心相助，在此獻上最深之謝忱。

最後，感謝親愛的老婆多年的辛勞與無盡的關愛及包容，讓我能心無旁騖地專心學習與研究，也感謝您們的關懷與鼓勵，無疑是我在論文撰寫期間最大的精神支柱，使我無後顧之憂，得以順利完成學業。

在此謹向各位說聲：感謝你們！

謹誌研究生鄭振榮於新竹.香山 2007.07

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目錄

中文摘要………Ⅰ 英文摘要………Ⅱ 誌謝……….……….Ⅲ 目錄………Ⅳ 表目錄………Ⅴ 圖目錄………Ⅵ 照片目錄………..………..…Ⅶ

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第一章緒論

… … … . . 1

1-1 研究動機與目的……….………1

1-2 研究方法………1

1-3 論文內容……….2

第二章文獻回顧

………..…...4

2-1 扶壁………...4

2-2 國內常用地盤改良工法………..6

2-3 應用於深開挖之鄰產保護工法……….9

2-4 鄰近鐵路深開挖及對周圍軌道影響………13

2-5 深開挖擋土壁體變形特性……….14

第三章深開挖、支撐之規劃及程式分析

………..……32

3-1 說明………..…32

3-2 地下化開挖、支撐設計準則及規劃……….32

3-2.1 大地工程設計準則……….………..32

3-2.2 土層概述………..……….32

3-2.3 開挖擋土支撐系統………34

3-2.4 開挖安全監測系統……….………...35

3-3 RIDO 程式分析內容……….…...35

3-3.1 第一標段(UK20+207~UK20+570)……….35

3-3.2 第二標段(UK20+570~UK21+820)…….………..…………..36

3-4 PLAXIS 有限元素程式分析內容………..….………37

3-4.1 第一標段(UK20+207~UK20+570)………...….………..37

3-4.2 第二標段(UK20+570~UK21+820)………..38

3-5 小結……….……….39

第四章地盤改良扶壁工法施工與評估

………59

(7)

4-1 前言………..59

4-2 地盤改良扶壁工法評估……….59

4-2.1 土壤狀況………..59

4-2.2 場地問題………..60

4-2.3 經費概估………..60

4-2.4 工期考量……….……….60

4-2.5 安全性分析………...60

4-2.6 工法研定………..61

4-3 地盤改良扶壁樁施作後形式分析………..……….61

4-3.1 第一標段……….……….61

4-3.2 第二標段………...61

4-4 小結……….62

第五章實際案例探討

………68

5-1 前言………..68

5-2 工程施工概況……….…..68

5-2.1 工程現況說明………..……….68

5-2.2 監測系統………..69

5-2.3 地盤改良扶壁樁施工………...………69

5-3 連續壁實際觀測數值………72

5-3.1 未施作地盤改良樁處連續壁內傾度儀實際觀測值……..…72

5-3.2 施作地盤改良樁處連續壁內傾度儀實際觀測值……….…73

5-3.3 連續壁實際觀測變形量與數值分析比較………..74

5-4 小結……….77

第六章結論及建議

………97

(8)

6-2 建議……….……….97

參考文獻

… … … . . 9 9

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表目錄

表 2-1 國內常用之土壤改良工法……….……16

表 2-2 地盤改良成果表……….……16

表 2-3 國內常用地盤改良工法之適用條件及預期改良效果…….……17

表 2-4.1 捷運鄰產保護工法應用成效與注意事項……….…….18

表 2-4.2 捷運鄰產保護工法應用成效與注意事項……….…….19

表 2-5 捷運新店線和淡水線車站鄰產保護工法成效評估……….……20

表3-1 UK20+120~570 段支撐型號表………..……41

表3-2 UK20+120~570 段連續壁變位、彎矩及剪力分析結果……..…...42

表3-3 UK20+120~570 段水平支撐應力檢核結果表………...….43

表3-4 UK20+120~5702 段橫擋應力檢核結果表……….…...…..44

表 3-5 UK20+570~UK20+880 段支撐型號參數表……….……….……44

表 3-6 UK20+880~UK21+123 段支撐型號參數表……….……….……45

表3-7 UK21+123~257 段支撐型號參數表………..………...…..45

表3-8 UK21+257~436 段支撐型號參數表………..……...…..46

表3-9 UK21+436~708 段支撐型號參數表………..…...…..46

表 3-10 UK21+708~780 段支撐型號參數表………..47

表 3-11 UK21-780~820 段支撐型號參數表……….…….47

表 3-12 UK20+207~570 段地層簡化剖面及參數表………..48

表 3-13 UK20+207~570 段 1.2M 厚連續壁參數如表………...48

表 3-14 UK20+207~570 段支撐型號參數表………..49

表 3-15 UK20+570~UK21+820 段簡化地層與參數表………..49

表 3-16 UK20+570~UK21+820 段 1M 及 1.2M 厚連續壁參數如表...50

表 3-17 UK20+570~UK20+880 段支撐參數表……….50

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表 3-19 UK21+123~257 段支撐參數表………….……….51

表 3-20 UK21+257~436 段支撐參數表……….…52

表 3-21 UK21+436~708 段支撐參數表……….…52

表 3-22 UK21+708~780 段支撐參數表……….…53

表 3-23 UK21+780~820 段支撐參數表……….…53

表 3-24 RIDO 及 PLAXIS 程式分析連續壁最大變型量比較表……54

表 4-1 地盤改良扶壁樁與連續壁扶壁經費比較表……….…...63

表 4-2 地盤改良扶壁樁與連續壁扶壁施工時間比較表………….…...63

表 4-3 地盤改良扶壁樁與連續壁扶壁評比比較表………....64

表 5-1 未施作地盤改良扶壁樁處之開挖支撐實際完成時程表(一)….79 表 5-2 施作地盤改良扶壁樁處之開挖支撐實際完成時程表(二)…….80

表 5-3 地質改良扶壁樁施工機具及附屬設備………81

表 5-4 高壓噴射樁機具施作之品質控制參數………82

表 5-5 觀測頻率，警戒值及行動值一覽表………83

表 5-6 連續壁實際(未施作地盤改良扶壁樁處)變形量﹙一﹚…….….84

表 5-7 連續壁實際(未施作地盤改良扶壁樁處)變形量﹙二﹚…….….85

表 5-8 連續壁實際(施作地盤改良扶壁樁處)變形量(一) ………86

表 5-9 連續壁實際(施作地盤改良扶壁樁處)變形量(二) ………87

表5-10 數值模擬與連續壁(未施作地盤改良扶壁樁處) 實際最大變形量比較表(一)…….……….…..……88

表5-11 數值模擬與實際連續壁(未施作地盤改良扶壁樁處) 實際最大變形量比較表(二) ………89

表5-12 數值模擬與連續壁(施作地盤改良扶壁樁處) 實際最大變形量比較(一) ………90 表5-13 數值模擬與連續壁(施作地盤改良扶壁樁處)

(11)

實際最大變形量比較(二) ………91

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圖目錄

圖 1-1 研究流程圖………..………3

圖 2-1 扶壁種類示意圖………21

圖 2-2 擠壓砂樁工法示意圖………22

圖 2-3 動力夯實工法示意圖………23

圖 2-4 振動揚實工法示意圖………23

圖 2-5 深層攪拌工法示意圖………24

圖 2-6 地中壁工法………25

圖 2-7 壁狀地盤改良工法………25

圖 2-8 地中版工法………26

圖 2-9 地盤改良式扶壁工法………26

圖 2-10 支撐結構增強工法……….……….27

圖 2-11 支撐預載達 50%設計載重……….…27

圖 2-12 建物基礎擠壓灌漿工法……….28

圖 2-13 建物臨時支撐工法……….28

圖 2-14 基礎托底工法……….29

圖 2-15 微型樁工法……….29

圖 2-16 擋土壁體變形形狀……….30

圖 2-17 台北捷運連續壁變形曲線類型……….31

圖 3-1 連續壁水平變位曲線圖﹙uk20+207~570 段﹚………55

圖 3-2 連續壁水平變位曲線圖﹙uk20+570~880 段﹚………55

圖 3-3 連續壁水平變位曲線圖﹙uk20+880~uk21+123 段﹚…………56

圖 3-4 連續壁水平變位曲線圖﹙uk21+123~257 段﹚…………..….…56

圖 3-5 連續壁水平變位曲線圖﹙uk21+257~ 436 段﹚…………..……57

圖3-6 連續壁水平變位曲線圖﹙uk21+436~ 708 段﹚…………..……57

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圖3-7 連續壁水平變位曲線圖﹙uk21+708~ 780 段﹚…………..……58 圖3-8 連續壁水平變位曲線圖﹙uk21+780~ 820 段﹚…………..……58 圖4-1 施作 4 支*10m 扶壁樁後連續壁水平變位曲線圖

﹙uk20+420~uk20+570 段﹚………..64 圖4-2 施作 5 支*10m 扶壁後樁連續壁水平變位曲線圖

﹙uk21+780~uk21+880 段﹚………..66 圖 4-5 第一、二標段隧道段地盤改良扶壁樁平-剖面示意圖……..…67 圖 5-1 第一、二標段觀測系統平面示意圖………..….……92

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照片目錄

照片5-1 第一標段工地照片………93

照片5-2 第一標段鄰近結構物及鐵路照片………93

照片5-3 第二標段工地緊鄰民房及鐵路現況………94

照片5-4 壁內傾斜管觀測照片………94

照片5-5 地盤改良扶壁樁機具施工照片………95

照片5-6 地盤改良扶壁樁處施工前破碎清理照片………95

照片5-7 地盤改良扶壁鑽心取樣照片………96

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第一章緒論

1-1 研究動機與目的

在深開挖工程施工期間為避免因開挖施工對於工區附近之結構物造成損壞，於基地外可採用建物基礎擠壓灌漿、建物基礎壓力灌漿、

基礎托底、微型樁、微型樁與灌漿併用等；於基地內則可採用增加支撐層數、擋土壁體之壁厚、基地內地質改良、施作地中壁或扶壁等。

依工程施工狀況以及鄰近建築物與工區之距離等因素，採取適當之方式處理，使工程進行期間得以確保臨近物產之安全，尤其現在的公共工程施工常面臨沿線居民阻擾及抗爭，在寸土寸金的市區施作深開挖作業，更是施工人員的另一種考驗。

本研究案例乃採用第一、二標段等工程，鑑於臨近物產及營運中鐵路，因空間不足以及時程、經費、連續壁厚度、安全等考量，經施工單位提議採用地盤改良扶壁樁方式作為改善連續壁變形。由於前述之工法大部份目前已累積相當多的成功案例與經驗，並有相關的理論與論著，但對於地盤改良扶壁樁之實際施工案例則較為缺乏。有鑑於此，本研究特針對地盤改良扶壁樁改善連續壁之變形行為及效益作一探討，以作為爾後其他工程參考。

1-2 研究方法

本研究係以工程設計時採用之 RIDO 程式所呈現之連續壁變形數據，以及以 PLAXIS 數值分析連續壁變形量，再與實際於未施作地盤改良處所觀測數值等資料作比較，探討設計數值分析與實際狀況差異性，另再以地盤改良設計時利用彈塑性理論，模擬分析擋土壁體開挖時壁體所承受變形，所得分析數據再與實際施作地盤改良扶壁樁後依據觀測數值所得資料作分析比較，研究流程如圖1-1 所示。

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1-3 論文內容

本論文共分為六章，第一章說明研究動機、目的與研究方法及論文內容；第二章對扶壁及地盤改良以及對鄰近物產保護措施等相關文獻作一整理與剖析；第三章說明本研究所採某專案開挖、支撐設計程式分析結果彙整；第四章對地盤改良扶壁樁施工及評估；第五章針對研究案例改良地盤扶璧樁作用於不同情況之監測分析值作比較及討論，第六章則對本研究之結果進行綜合結論，並對研究成果提出建議。

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圖 1-1 研究流程圖數值分析設計探討

實際案例探討

分析比較研究動機

研究目的

研究方法文獻資料收集

設計準則資料數值分析資料

結論與建議

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第二章文獻回顧

2-1 扶壁

歐章煜(2002)認為扶壁依扶壁體的位置可放置於擋土壁內側或外側，扶壁體放置於擋土壁內側時，扶壁體將承受拉力。理論上，扶避體應配置鋼筋，但從案例顯示縱然扶壁體內未配置鋼筋，扶壁體對增加擋土壁的抗彎勁度仍然有不錯的功效.配置於內側的扶壁體應隨開挖深度的增加而逐步敲除，如果開挖結束後再敲除扶壁體，理論上扶壁體可全程的提供勁度，因而減少擋土壁的變形，遂建議如果沒有侵犯鄰地產權問題時，扶壁體儘可能置於擋土壁外側。

李宗霖(2005)認為扶壁依其所在位置可分為內扶壁、外扶壁、地中壁及壁樁四種如圖2-1，分別說明如下：

(1)內扶壁

配置於基地內與連續壁連接，於開挖過程中提供連續壁側向支撐，用以抵制連續壁側向變形。內扶壁在設計上，開挖面以下之混凝土強度與連續壁體相同，開挖面以上則常用140kg/cm²強度之混凝土，且常隨開挖之進行而逐階敲除，但亦可於地下結構完成後再一次敲除。惟單次敲除法雖可維持擋土壁體之較佳一致性，和整體的勁度改變較小外，

並而增加開挖過程之安全性，但工作性較差，如支撐圍苓需以挖孔通過，地下樓版完成後需以二次施工收尾等，故較少採用。

(2)外扶壁

設置於連續壁之外，開挖時不需敲除，其與強度與連續壁相同，

惟需要開挖區外有足夠空間，方可使用。

(3)地中壁

即是扶壁延伸至對邊之連續壁體，形成一道牆，除了母單元上段

(19)

公單元為空打或以級配回填。

(4)壁樁

為長方形之基樁，常與扶壁同體，同時發揮扶壁及基樁之效用，

其位置儘可能位於公單元，兩側不可有帆布，以免折減兩側與土壤之間摩擦力。壁樁功能與基樁相同，施作過程同樣需正循環出泥及樁底灌漿，以確保品質。

簡文青﹙2002﹚研究認為扶壁確能明顯減少深開挖工程中連續壁之變形，減少之幅度則視扶壁之長度、深度、數量及地層狀況而定。扶壁設置數量愈多減少變形幅度愈大，但過於密集並未能明顯提高設置之效果。另有個案証明扶壁延伸至地表面對最大壁體變形量有影響，至於扶壁延伸至連續壁底對最大壁體變形量影響較小，但對於扶壁是否延伸至開挖面下對最大壁體變形量有很大影響，所以建議扶壁設計時最好能貫入開挖面下一段距離，可減少連續壁之變形量。若扶壁底部貫入堅硬土層，其底部能得到有效束制後，由於對於連續壁提供抗彎矩之慣性矩，可有效抑制壁體之變形。

鄭光宏﹙2002﹚認為扶壁之行為屬於三度空間問題，若使用單向度彈塑性基礎樑程式進行分析，並無法正確的模擬扶壁之效應。若使用較高階的數值分析程式，雖然可得到較詳盡的分析結果，但其分析相當耗時，且分析所選用土壤模式與土壤參數相互影響性極大，如何選擇合適土壤模式及土壤參數，是另一個極為困難之問題。利用謝旭昇、呂芳熾﹙1999﹚所提之內扶壁簡化分析方法之觀念，依據 TORSA 程式之使用特性將簡化分析方法稍作修改，分別以粘土層與砂土層兩種不同土質狀況之假設案例，研究結果發現，將內扶壁考慮為加勁效果﹙特殊地質改良﹚，以等值提高土壤強度參數與變形參數之方式，配合單向度彈塑性基礎樑程式﹙RIDO 程式與 TORSA 程式﹚，可有效的

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模擬內扶壁束制連續壁側向變位之能力。

2-2 國內常用地盤改良工法

中華顧問工程司﹙2005a﹚認為國內常用地盤改良工法詳如表 2-1 所示，鄰近鐵路之深開挖大多採用高壓噴射灌漿工法或深層混合處理工法進行地盤改良。

(1)擠壓砂樁工法﹙如圖 2-2﹚

係將透水性良好之粗砂料，以衝擊或振動之方式打入疏鬆之砂質地盤，形成砂樁柱體。其施工方式分為衝擊式及振動式，施作之過程藉由機具振動、衝擊等作用夯實周圍地盤，同時藉由砂樁中砂之壓實搗固作用，提升地盤之剪力強度及密度，降低地盤之孔隙比。夯實完成後之砂樁具有一定之強度，且其良好之透水性應可迅速排除地盤因地震所產生之超額孔隙水壓，對地層之液化有防止之功效。砂樁須整根搗實，若砂有中斷或搗實不足則無法達至預定效果，且砂料必須為透水性佳、粒度良好之硬質砂，須嚴格控管投砂料之品質數量，才可有良好之改良成效。此工法國內有豐富之施工經驗，施工經費較高，

同礫石樁工法適合小區域或補強深層土壤之改良工作。

(2)礫石樁工法

將透水性良好之礫石或碎石打入疏鬆之砂質地盤，形成柱狀或壁狀之改良體。施工方式是以振動方式，將套管打入砂質地盤，使地盤本身更形緊密，其次將礫石投入套管中，一面振動，一面將套管拔起，

形成礫石樁。地震時所上昇之超額孔隙水壓亦可藉由其排水功能迅速消散，降低液化潛能。此工法係結合了夯實與排水兩種方法，一方面藉由套管擠壓振動周圍砂土，具有夯實效果，另一方面則藉由礫石樁提昇地盤排水功能，其防治液化效果比擠壓砂樁來得佳。礫石樁工法施工經費較高、施工費時，適合小區域或補強深層土壤之改良工作。

(21)

(3)動力夯實工法﹙如圖 2-3﹚

係以吊車將重錘舉起，利用重錘自由落下時所產生之巨大能量，

使疏鬆之土壤壓縮緊密。錘重通常為 10~40t，落距 5~40m，最大改良深度可達 30m，改良深度與夯實機具之能力密切相關，依據國內台塑六輕之施工經驗，若填土區之液化深度超過改良深度，則須配合其它之深層地盤改良工法，如擠壓砂樁、礫石樁等。

(4)動力夯實工法

主錘擊階段通常採用高能量及寬間距，以改良較深層之土壤，補強錘擊階段採低錘擊能量及短間距，使淺層土壤充分夯實。衝擊作用造成之夯實效果，隨作用之次數之增加而逐次降低，故施作應依結構物荷重、土質情況及預定之改良深度，來決定錘重及落距，並於施工期間監測夯實能量及土壤沉陷增加量，以獲致最佳之改良效果。若採用之能量及間距不正確，可能使中層土壤形成緊密夾層，阻礙深層土壤之改良。動力夯實工法之優點為適用範圍廣、施工機具簡單、施工迅速、工程經費低廉且無須添加其他材料，尤其對大區域填土之地盤改良，具有良好之成效，可明顯提高地盤之承載力，及降低液化潛能，

對於水力回抽砂填之新生地、疏鬆之砂質地盤等尤為適用。此外，施工期間所造成之震動，須特別檢討或以隔震措施減低震動對鄰近區域之影響，如設置隔震溝等。

(5)振動揚實工法﹙如圖2-4﹚

係以振動桿產生振動之方式，使地盤之砂土顆粒結構更加緊密，

施作方式由前端之振實器貫入地盤，藉由其水平振動，及前端之噴水孔噴水使砂地盤飽和、液化，待貫入至預定深度後，降低水之流量且將水流由下噴水孔轉至上噴水孔，向上之水流於振實器周圍造成一水路，鬆散周圍地盤並使周圍砂質地盤飽和，同時振動夯實地盤，再投

(22)

入填料並上下移動振動桿，夯實填料及周圍地盤，反覆操作使得填充料填塞振實器提昇時所遺留之孔隙。利用浸水壓實及振實地盤之作用，可增大地盤密度、提高地盤承載力、降低土壤液化潛能。最近開發出來之振動桿長度增長，且振動源集中在桿端，加強了土壤之夯實效果，使得施工效率提高，一般改良深度可達 20~30m。此工法之優點在於施工時振動小且噪音低，對於環境之影響小。

(6)高壓噴射灌漿﹙如圖2-5﹚

施作時應先鑽孔至預定深度，再以高壓(約 20Mpa)使灌漿液、空氣或水從噴嘴中噴射出，高壓噴射出之灌漿液、空氣或水沖擊及切削鑽孔鄰近土壤，使灌漿液與周圍土壤充份混合後，形成固結體。國內常用之高壓噴射灌漿工法包含單管法、二重管法及三重管法，單管法僅由噴嘴中噴射出灌漿液，不包含高壓空氣及高壓水，灌漿液與被切削土壤混合後，通常形成圓柱狀固結體，國內工程界又稱單管法為CCP 工法﹙Chemical Churning Pile﹚。

(7)軟弱地盤改良

將水泥系之改良材料加入回填用之砂土中，先行拌合再回填，可提升回填土之凝聚力，降低地盤之液化潛能，此做法等於以良質土壤當作回填材料，故不須再從事地盤改良，可縮短工期，且尚有降低地盤土壓力之效果。在工程實務上，大約土質5%之水泥添加量，可將鬆砂處理成不易液化之工程材料。填土前混合處理工法之做法，是將自然含水量之砂土於填土前與穩定劑加以拌合，而若於水面下回填，則須加分散防止劑，以抑止細料分散，使砂土顆粒團化，且須考慮對水質影響之環保問題。此工法工程經費高，改良成效穩定且效果佳，可用於下陷區之土壤復育。

(8)化學灌漿工法

(23)

通常使用較低之壓力將灌漿液注入地盤，以增加地盤強度及減少地盤透水性，化學灌漿之壓力通常低於 20kg/cm²，因此又稱為低壓灌漿，化學灌漿種類甚多，一般可分為下列四類：

1、懸濁型灌漿液：如水泥、皂土、水泥、皂土。

2、溶液型水玻璃系：矽酸鈉水溶液﹙水玻璃﹚、化學藥劑。

3、懸濁型水玻璃系：水玻璃、懸濁型灌漿液。

4、高分子系灌漿液：如尿素系、亞克力系、尿脂系及木質系等，但通常含有劇毒，大部分已禁止使用。

地盤改良之主要目的為改良現地土壤特性及增加現地軟弱土壤強度，通常在相同地盤改良條件下，開挖區內地盤改良效果大致較開挖區外地盤改良效果佳。地盤改良區域內之改良土體與未改良土體可視為複合土體，並進行數值分析，結果詳如表 2-2 所示。針對以上各工法對於國內長用地盤改良工法之適用條件及預期改良成果作分析如表2-3 所示。

2-3 應用於深開挖之鄰產保護方法

捷運南港線 CN255 標所用之建物保護工法種類繁多，一般可分為下列數種：

﹙1﹚化學噴射灌漿

以旋轉噴射嘴高壓噴射出水玻璃與水泥混合劑切割地盤，並與土壤混合攪拌而行成柱狀固結體。常用於連續壁體止漏、防止導溝坍陷或隔幕灌漿等用途。

﹙2﹚高壓噴射樁

同樣是以旋轉噴嘴高壓噴射﹙超過200kg/ cm²﹚噴出水泥漿液切割地盤，並與土粒混合形成柱狀樁體。常用於止水、強化地盤、止漏、

(24)

﹙3﹚低壓灌漿

注入材料為水泥與水玻璃系速凝之混合液﹙膠凝時間可由配比調整﹚，以5~8kg/ cm²之持續壓力注入土壤中，可用以抬昇建物、增加土壤之凝聚力。

﹙4﹚預壘樁

以螺旋鑽機進行鑽掘，至預定高程位置後抽出螺旋鑽，同時灌注水泥砂漿，俟鑽頭完全拔出且水泥漿灌滿後，將鋼軌﹙鋼筋籠﹚插入水泥樁體內，即告完成。此法可用於擋土、止水、防止連續壁導溝坍落等用途。

﹙5﹚支撐加密及提高應力

增加開挖支撐之密度﹙數量﹚、提高支撐之預載應力，以抑止開挖區外側土壤之側向變形量。

﹙6﹚化學噴射灌漿及預壘樁工法

用以防止連續壁導溝下方發生坍落，並可用以抑制連續壁開挖變形。

﹙7﹚地中梁

於該區域施作高壓噴射樁，每支改良樁與鄰樁重疊 10cm，以抑止主體及出入口開挖所產生之沉陷變形。

﹙8﹚梅花樁

高壓噴射樁其樁體間並不重疊，且係於主體開挖區內改良背動區以減少開挖變形。

﹙9﹚提高支撐預力

﹙10﹚增設監測儀器

增加建物沉陷點、連續壁內傾斜儀、支撐應變計及建物裂縫計以完全掌控開挖期間之沉陷情情形，便於採行其他補救措施。

(25)

﹙11﹚加速開挖及支撐架設時程

於建物保護完成後，針對地中梁、梅花樁進行成果驗証，符合取樣率大於90％、RQD 大於 60％及單壓強度大於 12kg/ cm²之條件後，

方得進行位於該大廈周邊之主體開挖及結構體工程，對於抑制建築物沉陷，確有其效果。

台北捷運南工處對於車站或隧道之開挖均將使土壤失去其原有之平衡狀態，而向開挖面擠壓。如開挖區鄰近有構造物，更會因其基礎之型式、相對之位置及重量之大小而擴大其變形量，鄰近建物也因此產生沉陷及傾斜，進而發生龜裂。建物保護之目的即為減少因開挖造成鄰近構造物之影響。建物保護之主要方法為灌漿，施工之時機則可分別於沉陷發生前或發生後執行。採用建物保護工法有擠壓灌漿、

釘樁工法及高壓噴射灌漿工法。但主要採用建物保護工法為擠壓灌漿工法，其優點係利用低坍度之灌漿材料不易流動之特性，對周圍土壤進行壓實，減少土壤之孔隙，以降低建物之沉陷；捷運車站開挖主要建物保護方式：

﹙1﹚地中樑

地中樑作用在減少開挖擋土設施（如連續壁）之變形，藉改善土體之強度增加被動土壓力，在開挖面下提供支撐功能。此改良樁徑在符合強度要求下越大越有利，樁體部份應重疊但排列方式不拘，原則上樑體範圍內必須全部改良。

﹙2﹚擠壓灌漿

將高稠度、低坍度之特殊水泥砂漿材料，以壓力灌漿方式，注入土體中，由於不易進入土壤孔隙中，因此灌入後形成灌漿球，此時周圍土壤受到灌漿球擠壓而形成緊密之改良效果。此外當灌漿球在水平方向不再繼續擴大，即轉向垂直方向擴大，進而造成土壤有向上隆起

(26)

之趨勢。利用灌漿球硬化後之強度及其周圍土壤受擠壓而更形緊密之效果，除可供作土壤改良目的外，亦可利用向上擠壓之特性，達到搶救建物沉陷之目的。

﹙3﹚微型樁

當開挖過程連續壁有側向位移時，背後土體隨之下陷，若滑動面通過微型樁，利用與土壤間摩擦力及剪力強度，增加滑動面之阻抗力，

減少土體變形，減少沉陷。微型樁樁徑為10～30cm，施築可為單排及多排。單排施築多以三至五倍樁徑之固定距離灌注微型樁，樁與樁之間考慮斜角交錯配置。利用套管與可行之鑽孔方式鑽至預定深度，置入鋼筋以壓力灌漿方式注入水泥漿，抽出套管即完成。

歐章煜 (2005)於深開挖鄰產保護研究報告中對於各建物保護工法約可區分為三大類十二種工法如下(詳圖 2-6～2-15)：

(1)、地中壁工法如圖 2-6—施作於開挖區，以減少擋土壁變位。

(2)、壁狀地盤改良工法如圖 2-7—施作於開挖區，以減少擋土壁變位。

(3)、地中版工法如圖 2-8—施作於開挖區，以減少擋土壁變位。

(4)、地盤改良式扶壁工法如圖 2-9—施作於開挖區，以減少擋土壁變位。

(5)、支撐結構增強工法如圖 2-10—施作於開挖區，以減少擋土壁變位。

(6)、支撐預載達 50%設計載重如圖 2-11—施作於開挖區，以減少擋土壁變位。

(7)、建物基礎擠壓灌漿工法如圖2-12—直接施作於建物。

(8)、建物基礎壓力灌漿工法—直接施作於建物。

(9)、建物臨時支撐工法如圖2-13—直接施作於建物。

(10)、基礎托底工法如圖2-14—直接施作於建物。

(11)、微型樁工法如圖2-15—施作於開挖區與建物之間，阻隔開挖施

(27)

工所引致地盤位移對鄰產之影響。

(12)、微型樁工法與灌漿工法併用—

1、施作於開挖區與建物之間，阻隔開挖施工所引致地盤位移對鄰產之影響。

2、於開挖區與建物間構築起一道阻隔牆，主要利用土壤與阻隔牆間之摩擦力及牆體剪力，以減低阻隔牆後方之土壤位移，亦即減少阻隔牆後方之地面沉陷。

並針對捷運車站工程探討後提出成效分析認為地中壁、地中版、

支撐結構增強、支撐預載達50%設計載重及建物基礎托底等5種確有明顯抑制擋土牆變位效果，微型樁與建物基礎擠壓冠將等2種好壞皆具，

地中樑、地盤改良式扶壁、建物基礎壓力灌漿、建物臨時支撐及微型樁與灌漿併用等5種工法抑制連續壁變位效果普遍不佳，詳表2-4。另對於擋土壁最大側向位移量則依據大部分監測資料得到dhm/H<0.2%, 低於一般深開挖工程的經驗值(dhm/H━0.2%～0.5%)。

謝百銁(2005)於深開挖臨產保護研究報告中針對捷運新店線及淡水線於鄰產保護工法採用擠壓灌漿、地中壁、微型樁、支撐預載達50%

設計載重等工法，於台電大樓站、中正紀念堂站及台大醫院站使用擠壓灌漿,於台大醫院站實施擠壓灌漿後發現建物沉陷反較其他建物為大，其他兩站則沉陷未見較其他建物為小，其成效不甚理想.於公館站及古亭站採用地中壁其成效亦不甚理想，研判可能施作深度僅在最終開挖面至開挖面下3～6m以及樁體垂直度及樁間搭接問題難以掌握，於萬隆站採用微型樁成效好壞皆具，詳表2-5。

2-4 鄰近鐵路深開挖及對周圍軌道影響

參考中華顧問工程司﹙2005b﹚於設計擋土支撐時，為安全考量對

(28)

路列車活重係經由鐵軌，枕木及碎石道渣傳至地表面，由於鐵軌剛度大，枕木間距小且兩鐵軌間距僅 1.1m。鐵路列車活重經兩鐵軌傳遞之壓力重疊區可視為均勻分佈，經轉換運算後K-18 之 KS 活重約 72 t/m²。

﹙一﹚經PLAXIS 有限元素法數值分析所得結論：

(1)地下開挖擋土壁支撐系統之受力行為，以靠近列車行駛側之最底下兩撐受力最大約 82t/m，考慮縱向寬度為 4.5m，經核算最底下兩撐受力約 370t/支，小於設計值 450t/支顯示當初之開挖擋土壁支撐系統設計係屬合理恰當。

(2)地下開挖擋土壁支撐系統變位，以第六及第七撐附近變位最大，亦靠近支撐受力最大處附近。

(3)由於最後一階段之開挖間距較大，相對而言支撐受力最大。施工時，

應儘速完成底版打設，以減少最後階段之支撐受力。

﹙二﹚採用ANSYS 程式進行三維有限元素法數值模擬計算所得結論：

(1)顯示無列車載重作用下連續壁沒有額外應力發生。

(2)顯示連續壁受力應力集中於四邊角偶且位於開挖底版附近，推測其原因係因角偶兩側連續壁相互支撐造成變位較小，且開挖底版上方 (連續壁加上內牆厚度)及下方(僅連續壁厚度)壁體厚度不同所造成。

2-5 深開挖擋土壁體變形特性

Clough 和 O’Rourke﹙ 1990﹚認為擋土壁變形可分懸壁式位移、

深層向內位移及前兩種組合型三種如圖 2-16，一般深開挖工程大部份變形以第三種居多數。初期開挖，壁頂未支撐提供抵抗勁度時，其壁體變形接近懸臂式位移，於支撐架設完成後，支撐可提供抵抗勁度時，

則壁體呈獻深層向內位移。由於開挖過程經過懸臂式位移至深層向內位移，所以認為一般擋土壁變形形態大都是屬於第三種位移形態。

吳沛軫等人﹙1997﹚依據台北捷運監測資料，歸納連續壁變形可

(29)

分多折型、標準型、旋轉型、懸臂型等四種如圖 2-17，其中多折型係受地層變化影響造成異於常態之形狀。標準型為壁底固定於不動層或埋置較深，觀測顯示未明顯位移現象，並具有類似兩個反曲線點。旋轉型則為壁體埋置較淺，受開挖影響自底部有明顯旋轉位移情形，但下方反取線不一定明顯。至於懸臂型則較常見於淺開挖階段，壁體變形類似懸臂樑受力後變形曲線。故在開挖初期都以懸臂型態呈現，但開挖至深層後則逐漸改變為其餘三種型態。

Ou 等人﹙1993﹚將壁體最大側向位移位置與開挖深度之關係作統計，發現除在開挖初期有產生懸臂式位移外，其餘開挖階段壁體最大側向位移通常發生在開挖面附近。

(30)

表2-1 國內常用之土壤改良工法（中華顧問工程司，2005a）

工法分類工法名稱使用情形

置換工法挖除置換工法一般道路、土木及建築之基礎土壤改良

垂直排水帶工法

高速公路沼澤段路基改良及興達火力電廠基礎土壤改良

台北市基隆河廢河道土壤改良

擠壓砂樁工法

內湖重劃區擋土牆基礎土壤改良、中鋼第一期擴建工程廠房基礎土壤改良、深澳油港儲存槽基礎土壤改良及高雄興達電廠

礫石樁工法高雄林園工業區美和石化廠工程、雲林

麥寮區台塑六輕廠之海埔地開發增加密度工法

動力夯實工法雲林麥寮區台塑六輕廠、彰濱工業區之

海埔地開發高壓噴射灌漿工法（CCP

工法）

台北市建國南北路之衛生下水道工程及松山抽水站土壤改良

高壓噴射灌漿工法

（二重管法）高雄市污水下水道工程之土壤改良

高壓噴射灌漿工法

（三重管法）

花蓮北浦油庫及台南永康油庫基礎土壤改良

固結工法

深層攪拌工法

（DMM 工法）台北市鐵路地下化工程

表 2-2 地盤改良成果表（中華顧問工程司，2005a）

壁體水平變位

壁體最大剪力

壁體最大彎矩

地表最大垂直變位

支撐最大軸力 (mm) (kN/m) (kN-m/m) (mm) (kN/m)

φ=30⁰ 30 158 104 21 1st：54

2nd：289 φ=30⁰，CCP 19 98 68 8 1st：52

2nd：179

(31)

表2-3國內常用地盤改良工法之適用條件及預期改良效果

（中華顧問工程司，2005a）

建議適用條件地盤

改良

工法土壤分類地下水位土壤強度土壤塑性改良

深度

預期改良成果

動力夯實工法

1. 砂性土 2.粉土<30%

3. 粘土<2%

地下水位應低於地表下 1.5m 效果較佳

無塑性土不

適用

通常

<10m Dr=75%左右

振動楊實工法

1. 砂性土 2.Fines<12%

地下水位以下效果較佳

無

粘土含量

>2% 不適用

通常

<30m Dr=70~85%

礫石樁工法

1. 砂性土 2.Fines<25%

所有地下

水位無

粘土含量

>2% 不適用

通常

<15m Dr=70~90%

排水預壓工法

粉土及粘土所有地下水位

極軟弱土壤應分階段預壓

需有適當排水路徑

依載重大小及預壓面積決定

通常需3~9 月預壓時間

深層攪拌工法

不含卵礫石之砂土、粉土及粘土

所有地下水位

粘性土：

N<12 砂性土：

N<20

高塑性粘土無法充分攪拌

通常

<15m

Su=17~175t/m² k<10^-6cm/s

擠壓灌漿工法

砂性土

地下水位以上效果較佳

需 >5t/m² 覆土壓力

無塑性土壤效果較佳

通常

<15m

Dr=65~80%

N 值增加 5~10

化學灌漿工法

1.砂及礫石 2.Fines<20%

地下水位以下效果較佳

N<50 粘性土不適用

通常

<30m

Su=17~105t/m² k<10^-5cm/s

高壓噴射灌漿

所有土壤所有地下水位

粘性土：

N<12 砂性土無限制

高塑性粘土不易施工

通常

<20m

Su=35~350t/m² k<10^-6cm/s

(32)

表2-4.1 捷運鄰產保護工法應用成效與注意事項（歐章煜，2005）

施工位置保護工法工法成效工法應用注意事項地中壁有抑制擋土壁

變位之效果需注意地中壁與連續壁之銜接

壁狀地盤改良工法

抑制連續壁變位效果普遍不佳

1.需使用較高之改良率(善導寺站改良率70%，有發揮效果) 2.如工區周邊為基腳磚造建物時，工法成效可能不佳

3.灌漿施工時要監測擋土壁之變位，避免灌漿壓力推擠擋土壁體，造成額外之建物影響，亦會形成檔土壁體之額外應力。

4.建議設計時引入工區地盤改良觀念來進行工法評估

地中版有抑制擋土壁變位之效果

1.地盤改良率須達 100%

2.灌漿施工時要監測擋土壁之變位，避免灌漿壓力推擠擋土壁體，造成額外之建物影響，亦會形成檔土壁體之額外應力

地盤改良式扶壁

抑制連續壁變位效果不佳

1.需有足夠之量體

2.建議設計時引入工區地盤改良觀念來進行工法評估

支撐結構增強

如增強範圍足夠時，有抑制擋土壁變位之效果

1.支撐結構增強範圍如過少，則效用將不明顯。以板南線 BL12 國父紀念館站案例而言，僅加強一層支撐(共五層)時未見成效；

但於中和線Ｏ19 線南勢角站則加強三層支撐(共六層)時有明顯成效

開挖工區

支撐預載達 50%載重

屬捷運局之規範要求工法有助於抑制擋土壁變位

1.宜再就地層及建物情況增加考量其他建物保護工法之需求性

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表2-4.2 捷運鄰產保護工法應用成效與注意事項（歐章煜，2005）

施工位置保護工法工法成效工法應用注意事項

基礎擠壓灌漿

當有達到建物抬昇時，成效方才明顯

1.施工技術良寙明顯影響工法成效。施作不良時，反易造成建物沉陷

2.設計考量上宜要求達到建物抬昇功能

3.施工時須配合監測妥適控制建物變位

建物臨時支撐

抑制建物沉陷效果不佳

1.建議用於建物補強；部建議做為抑制建物沉陷之用

基礎壓力灌漿

穩定建物變位之時間長

1.施工技術良寙明顯影響工法成效。施作不良時，反易造成建物沉陷

2.不建議加入水刀預切等先期動作

建物結構

基礎托底有抑制建物沉陷之效果

1.托底基樁如能貫至承載地層，

工法效用將會更佳

微型樁

抑制建物沉陷效果不一，好壞皆具

1.施工技術良窳明顯影響工法效 2.如貼近建物施工，當有施作不良時，反易造成建物沉陷。故如能遠離建物應較可避免施工中之影響

工區與建物之間

微型樁與灌漿併用

抑制建物沉陷

效果不彰同上

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表2-5 捷運新店線和淡水線車站鄰產保護工法成效評估果

（謝百鉤，2005）

鄰產保護工法

工法實施之車站名稱

工法成效

評估結果可能原因研判

擠壓灌漿

R12 台大醫院站 G11 中正紀念堂站 G09 台電大樓站

台大醫院站擠壓灌漿成效差，建物沉陷不減反增。

其餘兩站之成效不明顯。

施工技術良窳之影響，或灌漿壓力對樁體周遭土壤產生超額孔隙水壓改變土體行為所致。

微型樁 G06 萬隆站出入口B

出入口B 南側實施效果不明顯，

北側實施效果有降低建物沉陷之效。

因缺乏各項工程施工記錄等資料，難以作進一步之研判。

地中壁 G10 古亭站 G07 公館站

地中壁抑制連續壁變位成效不彰。

灌漿深度僅餘開挖面附近之少數範圍，地中壁採高壓噴射灌漿構築，難以確保樁體是垂直的。各樁間的搭接是否如設計一般完好，開挖面附近地層原已屬非軟弱鬆散程度，至其效益發揮有限。

支撐預載達 50%載重

所有車站

G07 公館站(含)以北之C07~R16 車站工址均有部分建物沉陷超過規範要求之現象。

公館站(不含)以南之 G01~G06 車站工址未發生建物沉陷超過規範要求之現象。

公館站(G07)及向北延伸至民權西路站 (R16)等之 8 個研究車站之工址地層均為台北盆地松山層，土體變形較大，

不利於鄰產之維護。

萬隆站(G06)及南向至新店站(G01)之 6 個車站工址地層均以卵礫石地層(景美層)為主，其強度高、

變形低，利於鄰產之

(35)

圖2-1 扶壁種類示意圖(李宗霖，2005)

(36)

圖2-2 擠壓砂樁工法示意圖﹙中華顧問工程司，2005a﹚

(37)

圖2-3 動力夯實工法示意圖﹙中華顧問工程司，2005a﹚

(38)

圖2-5 深層攪拌工法示意圖﹙中華顧問工程司，2005a﹚

(39)

圖 2-6 地中壁工法（歐章煜，2005）

圖2-7 壁狀地盤改良工法（歐章煜，2005）

(40)

圖 2-8 地中版工法（歐章煜，2005）

圖 2-9 地盤改良式扶壁工法（歐章煜，2005）

(41)

圖2-10 支撐結構增強工法（歐章煜，2005）

圖2-11支撐預載達50%設計載重（歐章煜，2005）

(42)

圖2-12 建物基礎擠壓灌漿工法（歐章煜，2005）

圖2-13 建物臨時支撐工法（歐章煜，2005）

(43)

圖2-14 基礎托底工法（歐章煜，2005）

圖2-15 微型樁工法（歐章煜，2005）

(44)

圖2-16 擋土壁體變形形狀﹙Clough，1990﹚

(45)

圖2-17 台北捷運連續壁變形曲線類型﹙吳沛軫等，1997﹚

(46)

第三章深開挖、支撐之規劃及程式分析

3.1 說明

本研究係依據深開挖支撐設計準則作設計，參考土層鑽探資料製作土層簡化參數，並對於開挖穩定分析採用限制條件，另利用RIDO 數值分析後設計支撐系統及擋土壁體型式以及設置監測系統作為施工期間安全防護措施。

為了解連續壁變形行為，設計單位以 RIDO 程式先行作數值分析，並依標段及分區段作數值分析，另由施工者再以 PLAXIS 程式作分析，本研究則將兩種程式分析結果作比較。以作為與實際案例觀測數值分析比較。

3.2 地下化開挖、支撐設計準則及規劃﹙中華顧問工程司，

2003b﹚

3.2.1 大地工程設計準則

在台灣區進行地下化開挖支撐設計都須遵循之準則及規劃如述如下：

(一)中華民國內政部”建築技術規則”

(二)中華民國內政部”建築物基礎構造設計規範”

(三)美國鋼構造協會”鋼構造建築物之製造組合及設計規範”與”鋼構造手冊”

(四)美國混凝土協會”鋼筋混凝土建築規範”

(五)美國接協會”結構物焊接規範–鋼”

3.2.2 土層概述

參考台北捷運局東工處南港線 CN255 標﹙2001﹚對於何春蓀

（1974）、林朝棨（1957）、丹桂之助（1939）及王執明、鄭穎敏和王

(47)

源（1978）等專家學者之研究，認為台北盆地之形成年代約在上新世至更新世之間，在台灣西北部麓山帶內，數條大逆衝斷層之間之逆衝地塊陷落而成盆地。盆地底部之岩盤，主要為第三紀沉積岩所構成，

上覆以第四紀末未固結之沉積物，由下而上可分為新莊層、景美層和松山層，另依據吳福泰（1965）及王乾盈（1993）等人之研究認為，

上述未固結物質（即新莊層、景美層、和松山層），之厚度約在250 至 400m。台北盆地內松山層厚度約為 40～70m，國內各項重大工程率皆於松山層內進行施工，因此松山層之土壤特性對於工程本身有著極大之影響。再者，由於盆地內主要河流：淡水河、新店溪及基隆河沖積之影響，松山層各流域之土壤工程特性亦呈現出差異性。由 Hung 等人之研究，將松山層依其沖積特性細分為：淡一區、淡二區及淡三區；

新一與新二區；基一區與基二區，本標恰位於典型之松山層六個次層之特色，本研究區域經設計單位以鑽探試驗資料說明地層分佈狀況及含水量等數值。地下水位於地表下1m 至 2m 之間。

(一)回填層

主要為回填土夾雜卵礫石、磚塊或混凝土、碎石級配料所組成之回填層。.

(二)灰色軟粉土質黏土層

N 值介於 2~4 之間，液性限度為 27%~47%，塑性指數為 7%~21%，

自然含水量為27.4%~45.4%，比重為 2.69~2.76，單位重為 1.74 t//m³~1.96 t//m³，空隙比為 0.79~1.30。

(三)灰色中等緊密粉土質細砂層

N 值介於 16~17 之間，自然含水量為 18.4%~25.6%，比重為 2.70~2.71，單位重為 1.97 t//m³~1.99 t//m³，空隙比為 0.61~0.73。

(四)灰色軟至稠粉土質黏土層

(48)

N 值介於 5~9 之間，液性限度為 24%~44%，塑性指數為 7%~17%，

自然含水量為21.6%~41.0%，比重為 2.67~2.73，單位重為 1.74 t//m³~2.00 t//m³，空隙比為 0.67~1.20。

(五)灰色中等緊密粉土質細砂或砂質粉土層

N 值介於 14~30 之間，自然含水量為 18.7%~26.7%，比重為 2.67~2.69，單位重為 1.87 t//m³~2.05 t//m³，空隙比為 0.65~0.77。

(六)灰色或棕黃色砂岩層

本區之岩層屬於第三紀中新世之桂竹林層，岩層之膠結不佳，砂岩層之自然含水量為 2.3%~5.4%，比重為 2.66~2.75，單位重為 2.12 t//m³~2.67 t//m³，岩心之 RQD(%)值為 0~30，地下水位深度約在地表面以下1m~2m 間。

3.2.3 開挖擋土支撐系統

(一)開挖底面穩定分析限制條件

1、臨時擋土壁貫入深度內擠平衡(Inward Balance)檢核之安全係數不得小於 1.5。

2、開挖底面隆起(Heave)檢核之安全係數不得小於 1.2。

3、開挖底面砂湧(Piping) 檢核之安全係數不得小於 1.5。

4、開挖底面上舉(Blow-in)檢核之安全係數不得小於 1.2。

(二)設計使用軟體

開挖擋土支撐系統之分析設計採用彈塑性模式分析所使用之軟體為 RIDO 程式，土壤作用於擋土結構體之主動及被動土壓力可分別依Rankine-RE'sal 公式計算，擋土壁內.外側水壓力係依設計水壓曲線，

內支撐系統主要以鋼材料為構架,橫檔及水平支撐均以樑柱構件行為分析設計。

(三)擋土壁體型式

(49)

開挖擋土壁採用連續壁,鑽掘貫入岩盤至設計深度，經由 RIDO 程式分析，依開挖深度及土層等相關資料計算結果連續壁之厚度為1.0、

1.2m，深度為 37m~43m。

(四)支撐系統型式

開挖支撐系統採用 H 型鋼內支撐， H 型鋼內支撐及回撐之階術為6~8 階支撐及 2 階回撐。

3.2.4 開挖安全監測系統：

開挖安全監測儀器包括:壁體內傾度儀、壁體外傾度儀、支撐應變計、鋼筋計、水位觀測井、地表沉陷點、建築物沉陷點、建築物傾度計、鋼軌沉陷點，除支撐應變計外，其餘監測儀器應於開挖前安裝完成並測初始值。

朱耀光（1990）認為安全管理值之擬定必須與設計過程同步進行，不可獨立進行。

3.3 RIDO 程式分析內容

3.3.1 第一標段(UK20+120~UK20+570)

經參考中華顧問工程司對於本區域連續壁厚度以 1.2m、深度 43m，支撐系統分八階支撐及兩階回撐，其中第一階支撐型號採用 H350*350*12*19，第二三階支撐型號採用 H428*407*20*35，第四~八階支撐型號採用 2H414*405*18*28 ，回撐型號 R1 則採用 2BH400*400*24*24，R2 則採用 H350*350*12*19 如表 3-1 所示，開挖完成深度為 25.6m 深，經過 RIDO 程式分析得到連續壁變位分析結果如表3-2 所示，其中連續壁最大變形量為 4.6cm。

水平支撐檢核以短期容許應力提高 1.25 倍，支撐水平間距 L=4.0m，無支撐長度為 7.3m，溫度軸力以 12t/支，支撐活載重=0.5t/m，

(50)

橫擋檢核對於支撐軸力因考慮連續壁之貢獻，以 1：3(連續壁 25%，橫擋 75%)之比例分配軸力，故橫擋檢核時將支撐軸力折減為 75%，短期容許應力提高 1.25 倍，取消角撐後，以橫擋之淨跨距 L’分析，

即單支撐時L’=L-支撐寬度，雙支撐時 L’=L-1.0-支撐寬度，L 表支撐水平間距，橫擋應力檢核結果亦達到使用標準如表3-4 所示。

3.3.2 第二標段(UK20+570~UK21+820)

本區段因銜接車站，開挖深度由25.6m 深漸變至 19.1m，連續壁厚度於UK20+570~UK21+353 段為 1.2m，於 UK21+353-UK21 +820 段則為1.0m 厚，支撐型式亦隨之不同，經由中興顧問工程公司利用 RIDO 程式分析所得到之連續壁水平最大變形量列表如下：

﹙1﹚UK20+570~20+880 段

本區域連續壁厚度以 1.2m，深度 42m，支撐系統分八階支撐及兩階回撐如表3-5 所示，開挖完成深度為 25.5m，經過 RIDO 程式分析得到連續壁最大變形量為5.7cm。

﹙2﹚UK20+880~21+123 段

本區域連續壁厚度以 1.2m，深度 40m，支撐系統分七階支撐及兩階回撐如表3-6 所示，開挖完成深度為 24.1m，經過 RIDO 程式分析得到連續壁最大變形量為5.0cm。

﹙3﹚UK21+123~21+257 段

本區域連續壁厚度以 1.2m、深度 40m，支撐系統分七階支撐及兩階回撐如表3-7 所示，開挖完成深度為 22.7m，經過 RIDO 程式分析得到連續壁最大變形量為4.5cm。

﹙4﹚UK21+257~21+436 段

本區域連續壁厚度以 1.0m、深度 40m，支撐系統分七階支撐及兩階回撐如表3-8 所示，開挖完成深度為 21.9m，經過 RIDO 程式分析

(51)

得到連續壁最大變形量為6.3cm。

﹙5﹚UK21+436~21+708 段

本區域連續壁厚度以 1.0m、深度 38m，支撐系統分六階支撐及一階回撐如表3-9 所示，開挖完成深度為 20.7m，經過 RIDO 程式分析得到連續壁最大變形量為5.3cm。

﹙6﹚UK21+708~21+780 段

本區域連續壁厚度以 1.0m、深度 37m，支撐系統分六階支撐及一階回撐如表 3-10 所示，開挖完成深度為 19.1m，經過 RIDO 程式分析得到連續壁最大變形量為5.1cm。

﹙7﹚UK21+780~21+820 段

本區域連續壁厚度以 1.0m、深度 37m，支撐系統分六階支撐及一階回撐如表 3-11 所示，開挖完成深度為 19.1m，經過 RIDO 程式分析得到連續壁最大變形量為5.5cm。

3.4 PLAXIS 有限元素程式分析內容

本工程為審慎瞭解連續壁變形量，經參考榮工公司所提供以有限元素分析程式 PLAXIS 進行評估資料，程式分析採用 6 結點之土壤元素，土壤組合模式以HARD SOIL MODEL 進行模擬，地下水位同樣採用於地表面下1.8m 處，其簡化地層與輸入之參數如表 3-12 所示，本區段連續壁為1.2m 厚，以樑元素進行模擬，至於各層支撐以固定端錨桿元素(Fixed-end anchor)進行模擬，其輸入依支撐之勁度而異。

3.4.1 第一標段(UK20+120~UK20+570)

本區域擋土設施以 1.2m 厚、43m 深之連續壁，使用 8 階支撐，

逐階降挖，開挖總深度為 25.6m，支撐間距為 4m。連續壁以樑元素進行模擬，其輸入之參數如表3-13 所示，支撐以固定端錨桿元素進行模

(52)

表3-14 所示。經以 PLAXIS 有限元素分析程式，依工地實際施工狀況進行模擬，連續壁之最大水平變位為4.1cm，其變形曲線如圖 3-1 所示。

3.4.2 第二標段(UK20+570~UK21+820)

本區段亦以有限元素分析程式PLAXIS 再進行評估，其分析模式與輸入之參數因土層與前段略有不同，並以地下水位於地表面下1m 處作分析，其簡化地層與輸入之參數如表3-15 所示，連續壁以樑元素進行模擬，其輸入之參數依連續壁厚度之不同分別為1m 厚連續壁及 1.2m 厚連續壁，其輸入之參數如表3-16 所示，各層支撐以固定端錨桿元素 (Fixed-end anchor)進行模擬，其輸入依支撐之勁度而異，分七區段作討論：

(1)UK20+570~UK20+880 段

擋土設施為 1.2m 厚、42m 深之連續壁，使用 8 階支撐，逐階降挖，開挖總深度為25.5m，連續壁間淨寬約 12.9m。支撐以固定端錨桿元素進行模擬，各階支撐之輸入參數如表3-17 所示。經以 PLAXIS 有限元素分析程式，連續壁最大水平變位為5.0cm，其變形曲線如圖 3-2 所示。

(2)UK20+880~UK21+123 段

擋土設施為 1.2m 厚、41m 深之連續壁，使用 7 階支撐，逐階降挖，開挖總深度為24.1m，連續壁間淨寬約 12.9m，各階支撐之輸入參數如表3-18 所示，經以 PLAXIS 有限元素分析程式，連續壁最大水平變位為4.5cm，其變形曲線如圖 3-3 所示。

(3)UK21+123~UK21+257 段

擋土設施為 1.2m 厚、40m 深之連續壁，使用 7 階支撐，逐階降挖，開挖總深度為22.7m，連續壁間淨寬約 12.9m。各階支撐之輸入參數如表3-19 所示，經以 PLAXIS 有限元素分析程式，連續壁最大水平

(53)

變位為4.0cm，其變形曲線如圖 3-4 所示。

(4)UK21+257~UK21+436 段

擋土設施為1m 厚、40m 深之連續壁，使用 7 階支撐，逐階降挖，

開挖總深度為21.9m，連續壁間淨寬約 29.2m，各階支撐之輸入參數如表3-20 所示，經以 PLAXIS 有限元素分析程式，連續壁最大水平變位為6.5cm，其變形曲線如圖 3-5 所示。

(5)UK21+436~UK21+708 段

(6)UK21+708~UK21+780 段

(7)UK21+780~UK21+820 段

開挖總深度為19.1m，連續壁間淨寬約 25.5m，各階支撐之輸入參數如表3-23 所示，經以 PLAXIS 有限元素分析程式，連續壁最大水平變位為5.2cm，其變形曲線如圖 3-8 所示。

3.5 小結

本研究所參考之 RIDO 及 PLAXIS 有限元素程式分析，因 RIDO 程式主要係採用彈塑性理論分析，但一般對其理論及程式分析模式受

(54)

作簡單、運算速度快且計算結果尚在可容許範圍內，工程界採用相當廣泛。惟 RIDO 程式雖可計算擋土壁變形，但無法分析地盤沉陷及土壤潛變等高階問題。而 PLAXIS 程式係應用有限元素分析大地工程相關問題，對於大地工程理論有詳細介紹，且應用各種土壤組合律並可配合總應力或有效應力分析，功能較為強大，圖形操作介面容易使用簡單。

本研究採先參考RIDO 程式分析數值，分析結果連續壁最大變形量為5.7cm，再以參考 PLAXIS 有限元素程式分析連續壁最大變形量約為5.0cm。於相同區段經不同程式分析後所得結果略有差異如表 3-24，

可能程式所引用之參數因受到軟體特性限制，如地下水位採用飽和狀況及土壤成份採用均質彈塑性及開挖深度採以定質以及開挖降水以定質處理等限制，與實際施工現場狀況略有差距，故程式所分析結果是否準確，則有待商榷。

(55)

表 3-1

UK20+120~570 段支撐型號表﹙中華顧問工程司，2003a﹚

階數橫檔型號支撐型號設計軸力(T)

1 BH400×400×28×28 H350×350×12×19 122 2 BH400×400×28×28 H428×407×20×35 241 3 BH400×400×28×28 H428×407×20×35 273 4 BH458×417×30×50 2H414×405×18×28 487 5 BH458×417×30×50 2H414×405×18×28 548 6 BH458×417×30×50 2H414×405×18×28 589 7 BH458×417×30×50 2H414×405×18×28 516 8 BH458×417×30×50 2H414×405×18×28 538 R1 BH458×417×30×50 2BH400×400×24×24 502 R2 H400×400×13×21 H350×350×12×19 147

(56)

表 3-2 UK20+120~570 段連續壁變位、彎矩及剪力分析結果

﹙中華顧問工程司，2003a﹚

PHASE LEVEL DISP LEVEL MOMENT LEVEL SHEAR No. (m) (mm) (m) (T-m) (m) (T) 1 0.00 -1.08 20.63 -1.17 20.63 0.01 2 0.00 -5.70 6.04 -7.06 2.70 -2.60 3 10.75 -3.51 8.35 7.39 2.00 6.82 4 11.97 -8.44 7.03 32.25 2.00 15.17 5 13.20 -7.92 10.23 27.43 5.00 17.54 6 14.05 -13.56 10.49 48.92 5.00 31.53 7 15.40 -12.77 12.70 41.00 8.00 24.33 8 15.98 -17.86 12.70 62.68 8.00 45.36 9 17.60 -16.49 15.13 49.70 11.00 32.25 10 18.00 -20.36 14.86 69.66 11.00 55.85 11 20.63 -18.75 17.20 44.06 13.70 41.19 12 20.63 -24.05 17.60 81.43 13.70 71.82 13 22.85 -22.45 19.75 54.31 16.50 48.61 14 22.85 -31.10 21.10 125.68 16.50 94.66 15 23.70 -28.99 22.50 101.64 19.40 61.39 16 24.70 -38.53 23.85 178.82 19.40 109.70 17 25.20 -36.09 25.20 154.76 19.40 74.72

18 26.65 -45.57 26.65 234.95 22.15 121.90 19 26.65 -45.56 26.65 235.02 22.15 121.91 20 26.65 -45.01 27.00 209.55 19.40 99.55 21 26.15 -44.08 27.35 180.55 16.50 105.53 22 26.15 -44.10 27.35 181.03 16.50 104.59 23 26.15 -43.71 27.70 172.98 24.20 93.35 24 26.15 -43.44 27.70 168.73 24.20 96.94 25 26.15 -43.44 27.70 168.73 24.20 96.94 26 21.36 -43.32 19.10 165.19 24.20 113.53 27 21.63 -42.74 28.40 151.98 24.20 112.09 28 21.63 -42.76 28.40 151.24 24.20 111.90 29 25.65 -42.86 39.25 -204.94 24.20 113.17 30 26.15 -43.00 39.63 -282.30 24.20 114.10 31 26.15 -42.97 39.63 -254.67 24.20 113.26 32 25.20 -39.65 26.65 141.96 23.70 18.09 33 25.20 -39.65 26.65 141.96 23.70 18.09 34 25.20 -39.65 26.65 142.77 23.70 17.86 35 25.20 -38.18 26.65 142.04 30.85 -35.90 最大值 -45.57mm 282.30t-m 121.90t

地盤改良扶壁樁應用於改善鐵路地下化深開挖連 續壁變形行為之研究

中 華 大 學 碩 士 論 文