工程研究

既有跨越橋梁基礎之耐震補強工法探討

摘  要

台灣地區於1999年發生集集大地震後，其地震分區由原來之四區簡化為二區，且將震區水平加速度由原來0.33g、0.28g、0.23g、0.18g劃分為二級0.33g及0.23g，部分區域之既有公共工程結構物為因應水平加速度調高，必須重新檢討其原有耐震功能。其中跨越道路之既有橋樑及橋台基礎因震區調整及水平加速度調高之故，橋址所在區域之土壤液化潛能將提高，且上部結構傳遞至基礎之水平橫力亦增加，將會造成原有基礎承載安全性的不足，故必須檢討原有基礎承載強度，並視其分析結果採用合宜之補強方式，以增加基礎的容許承載力及土壤抗液化能力。但其基礎補強工法受限於橋梁及橋台下淨空限制(約5公尺)，且跨越橋梁於施工期間仍需維持該道路正常及安全行車，故其補強工法須特別予以考量。

本文首先將瞭解水平加速度調高後對於案例橋梁及橋台基礎(基樁)之影響，並就一般橋梁及橋台基礎(基樁)之補強工法，考量既有跨越橋梁之施工條件限制，最後建議適宜之既有跨越橋梁基礎(基樁)補強工法，以期供日後國內類似補強工程之參考。

一、前言

臺灣地區位處歐亞大陸板塊與菲律賓板塊交界處，地震活動相當頻繁，1999年9月21日台灣地區發生集集大地震，此係台灣近年來所遭遇最慘痛的震災，除山崩地裂、地層翻滾、斷層錯動、大地隆起、橋斷路塌外，更造成許多房屋倒塌及人員傷亡。本次地震所致之工程破壞模式約可分：1.建築結構破壞；2.橋梁及鐵公路破壞；3.輸電塔破壞； 4.邊坡崩滑；碼頭岸壁損壞；5.土壤液化；6.混凝土壩錯動破壞。

基於集集大地震時量測之地表加速度超出原先規範規定，內政部營建署於1999年12月提高部分台灣區域之地震係數，以增加新建結構物之耐震功能，而對既有橋梁結構物則應考量增加其耐震及抗液化潛能。

就台灣地區之鐵、公路而言，橋梁係屬重要結構之一，掌握橋梁耐震能力至為迫切，實有必要對其耐震能力加以檢核，並對檢核結果視情況予以耐震補強。一般水平地震加速度提高後，可能造成既有橋梁及橋台之基礎承載力安全係數降低，或液化潛能提高，需考量適當補強工法予以補強。但對既有跨越橋梁基礎而言，如經評估結果須予以補強，則其補強工法須考量其淨空限制(如圖一及圖二)，依機具大小、用地限制、交通影響、環境影響等因素，選用適當之橋梁基礎耐震補強工法。

二、地震係數提高對公路橋梁之影響

集集大地震中受災嚴重之公路橋梁，許多係依1995年頒訂之公路橋梁耐震設計規範設計施作，其設計之耐震能力相對的較無法承受此次地震的強烈震度，以致發生支承脫落、墩柱混凝土脆裂、墩柱鋼筋撓剪或挫屈、墩柱側移或傾斜，甚至肇致落橋等嚴重的震災。

考量集集地震震區產生之地表加速度，大部分超過原先台灣地區公佈之「公路橋梁耐震設計規範」，政府部門於集集大地震後隨即修正該耐震設計規範，將震區由原先地震一甲區、地震一乙區、地震二區、地震三區等(z分別為0.33、0.28、0.23及0.18)四區調整為甲、乙兩區，也就是將原先四區中的一乙與弱震區的標準分別提高，達到甲區水平加速度設計係數為0.33，乙區為0.23。集集大地震前後之震區水平加速度係數如表1所示。

就橋梁基礎而言，未來如發生較原設計水平加速度大之地震，則橋梁基礎可能因地震產生之振動力，致基礎與上部結構界面破壞承載力不足及土壤液化引致基礎沉陷或傾斜。既有橋梁基礎因震區係數提高，橋址所在區域之土壤液化潛能亦將提高，且增加之水平橫力將會造成基礎水平或垂直承載的安全性不足，則必須視評估結果，採用補強方式以增加基礎的容許承載力及土壤抗液化潛能之能力。

三、橋梁耐震補強評估

3.1    橋梁結構耐震補強分析

橋梁耐震能力評估，一般係根據所評估橋梁的實際尺寸、配筋及材料強度，參照交通部「公路橋梁耐震設計規範」(1995年)及其修正條文(1999年)，對於正規化加速度反應譜係數、結構系統地震力折減係數、工址水平加速度係數、以及對韌性設計之要求，括以計算橋梁的強度與韌性，並且配合結構分析結果，決定橋梁發生各種破壞模式時對應的地震地表加速度。

評估時所涵蓋的各種破壞模式，包括根據強度、韌性所推估之破壞模式，以及落橋、支承破壞、土壤液化等之破壞模式。求出橋梁在各種破壞模式下對應之崩塌地表加速度。再以危害度評估之觀念，求出橋梁在預期使用年限內所對應之設計地表加速度，以此為標準評估橋梁耐震能力是否足夠。若發覺現有橋梁之耐震能力不足，則應予以補強或設置隔減震之裝置以提高其耐震能力。

在進行各種破壞模式之崩塌地表加速度推求之前，我們必須瞭解橋梁在預期的剩餘使用年限內其應有的耐震能力為何，也就是應該要能抵抗多大的崩塌地表加速度。根據構件強度、韌性所推估之破壞模式耐震分析、落橋破壞耐震分析、支承破壞耐震分析等如圖三、圖四、圖五。一般分析結果，橋梁基礎之結構破壞機制主要為：

(1) 基礎承載力不足；

(2) 基樁剪力破壞；

3.2    液化潛能評估

土壤液化現象係指於地震之連續性反覆應力作用下，疏鬆之飽和細砂或砂質粉土內孔隙水壓逐漸上升，此上升之孔隙水壓致使土壤之有效應力減低，依土壤液化潛能評估方法如下：

F_L＝R／L

R ＝R₁＋R₂＋R₃

液化之評估由液化抵抗率F_L決定之。F_L值小於1時，即判定該土層可能液化。

其中rd＝1.0-0.015x

R₁＝0.0882•

R₂＝0.19（0.02mm≦D₅₀≦0.05mm）

    ＝0.225㏒(0.35／D₅₀)(0.05mm＜D₅₀≦0.6mm)

   ＝-0.05（0.6mm＜D₅₀≦2.0mm）

R₃＝0.0 （0≦Fc≦40％）

    ＝0.004•Fc - 0.16 （40％＜Fc≦100％）

式中 F_L ：抵抗液化安全係數

  R  ：土壤抗液化反覆剪應力比

  L  ：地震引致之平均反覆剪應力比

 σ_ｏ：總覆土壓力，kg/cm²

 σ_ｏ'：有效覆土壓力，kg/cm²

 Fc ：過#200篩細粒料含量

 A = Z_d g ZIg                      (TYPE I，大型地震時)

  或= ZIg/3.0或 ZIg/1.2F_u之較大者              (TYPE II，中小型地震時)

x ：距地表面深度(m)

N：標準貫入試驗N值

A：水平地震地表加速度

Z：工址水平加速度係數

 I ：用途係數(高速公路為1.2，一般道路為1.0)

 : 起始降伏地震力放大倍數

Fu  : 結構系統地震力折減係數

  g：重力加速度

：尖峰剪應力比沿深度折減係數

  L：地震時之剪應力比

以高速公路橋梁而言，如其位於地震甲區(z=0.33)與地震乙區(z=0.23)，其用途係數I為1.2，其地表水平加速度係數於TYPE I大型地震時Z_d=ZI=0.276及0.396；而於TYPE I地震時，雖允許液化情形發生，但是其耐震設計之土壤變形係數E₀及水平地盤反力係數k_H需予以折減，但如液化使其承載力為0或甚低，則需考量如新設基樁穿越液化層，且需針對結構物容許變形量進行分析；而地表水平加速度係數於TYPE II中小型地震，於地震甲區及地震乙區Z_d分別為0.11與0.077，此種狀況下不允許液化情形發生，否則即需進行必要之地盤改良。

深基礎受地震時土壤發生液化，其受震行為遠較一般想像複雜，液化土層中樁—土—結構互制如圖六所示，於地震動停止後，基樁之主要受力為地盤流動所產生之永久變位。

依據公路橋梁耐震設計規範及AASHTO相關設計規範，橋梁淺基礎與樁基礎承載力安全係數於常時為3，中小型地震時為2 ；大地震時，若基礎土壤有液化潛能，則土壤由彈性變形進入非彈性變形，材料強度完全發揮，且其液化區域之土壤強度不計，故取安全係數為1。

四、既有跨越橋梁使用補強工法之限制

橋梁基礎補強設計之主要考量為：

1. 既有基礎垂直支承力檢核及補強。

2. 既有基礎水平支承力檢核及補強。

3. 上部結構體耐震補強後之載重增量對基礎之影響。

4. 補強後之效果確認。

耐震補強方案之研選應建立在上部結構及地基基礎分析結果上，先從結構體的抗震能力和動力特性思考，所採用之各項補強措施均應考量原有結構，基礎之增設應避免偏心、不同種類基礎併用、及補強後反而使某部分相對較弱、或勁度突變，使受震時引致局部破壞。亦即，各部分修復補強後之耐震能力應與整體構造之安全標準一致。

既有跨越橋梁基礎之耐震補強工法，除須考量橋下交通維持與地下埋設物等因素外，最大問題在於既有橋梁下之施工空間受到相當的限制(一般橋下淨空約僅4.5~5.0公尺)，橋梁基礎耐震補強的施工性困難，須採用低空間式之施工機具，並配合降挖路面及必要之擋土設施與交通維持以竟全功；如考慮增樁補強，以台灣目前盛行之全套管基樁而言，廠商所擁有機具施工空間高度約需13公尺，雖然日本有低空間基樁施工機具，對樁徑1.5公尺而言，其最低施工空間高度為6.5公尺，但需由日本進口；而一般水泥系灌漿方法可使用於低淨空空間，但灌漿之耐久性無法完全掌握，故於低淨空限制下之基礎耐震補強工法與一般情況考量不同。

五、既有跨越橋梁之耐震補強工法評估

基於上述低淨空之限制考量，既有跨越橋梁之淺基礎與樁基礎可適用耐震補強工法及其優缺點分述如下：

1. 淺基礎耐震補強工法

(1) 基礎加寬(加厚)方式

對直接基礎之補強可採用基礎之直接加寬、加厚方式，施工時將影響既有交通區域較大，且對既有橋台淺基礎而言，其背側無施工空間而難以施工。

(2) 微型樁

微型斜樁用於橋梁基礎抵抗水平力之成效較難以評估，其品質亦較難掌控，而對橋台基礎僅能單側補強(橋台背有回填土堤無法施工)。

(3) 超微粒水泥灌漿

本施工方式可控制馬歇管之長度，而於一定深度之土層內施作以加固土壤，藉由二重管複合注入灌漿之施工方式，使成球形滲透，先灌注顆粒較大之水泥漿液，再灌注超微粒漿液以形成二次結核體，提昇土壤之抗液化潛能。考慮灌漿長期效果之品質控制，可採用恆久灌漿(如日本阪神大地震後諸多橋台皆採用此種方式藉以提高其承載力)。  

本工法之主要缺點在其無法完全確認灌漿改良效果與使用年限，且灌漿範圍較難控制，施工廠商須具經驗。

(4) 超高壓灌漿

藉由噴射鑽桿之旋入地中，並藉以旋射噴注漿液填充土體以提高土壤勁度。惟此方式將對土壤產生較大擾動，若作業空間狹小時機具不易進入，並有多量排土顧慮，且施工中之超高灌漿壓力可能會造成既有結構物及週邊土壤隆起或破壞，須慎選施工廠商，並配合既有結構物之安全監測。

2.  深基礎耐震補強工法

(1) 鋼管樁壓入法

藉由施工機具重壓方式將鋼管直接貫入土中，減少土壤擾動，可減少施工作業環境之污染，且鋼管當作施工時之套管，完工時作為結構體一部分不予拔出，避免拔套管之空間限制問題，其樁徑可達60cm。

(2) SWM(Soil Mixing Method)工法

藉由至少三刀為一輪之旋轉鑽頭貫入土中，並灌入漿液，使土體與漿液混合，其最小作業所需空間僅約5~8m，而淨高約5.5~6.0m，該種作業方式已多次使用於台灣地下鐵路施工，成效尚佳，惟施工時將佔用較大作業空間為其缺點，且設計時其勁度僅考慮鋼材，造成所需樁數甚多，樁帽基礎亦加大，擴大交通衝擊問題。

(3) 全套管施工

藉由一般之全套管施工方式可得品質較佳之樁體，但因施工作業空間高度限制，並不適用於既有橋台基礎之補強，或需考慮引進日本低空間基樁施工機具，且鋼筋籠須多次搭接，其品質不易確認。

(4) 反循環樁

藉由外管之攪拌土體與內管之排土作用並配合加入穩定液而形成較大口徑(約直徑1m)之樁體，施工中須備有沉澱池等設施，佔地範圍大及產生之皂土處理麻煩為其缺點。

綜上所述，目前對具施工高度限制之既有橋梁之橋墩、橋台基礎補強方式可分為增樁、基礎加厚(寬)及灌漿等方式，茲整理列表2如下：

對於深基礎之補強方式若採植入式之鋼管樁、SMW工法、或全套管工法，其分別有鋼管接頭專利、漿液與土壤混合之強度較差、鋼筋籠與套管多次搭接等問題；而對於淺基礎若採基礎加寬、加厚，則因用地較大，其對交通衝擊大；倘採用超高壓灌漿方式，則有漿液顆粒大、流動性差及地盤隆起、危及行車安全等顧慮。因之，既有跨越橋梁樁基礎補強，目前評估建議採可用於低淨空施工之反循環樁，但需注意環保問題，而橋台處補強，基於施工空間考量，則採滲透性大、可二次填充包覆之超微粒水泥灌漿。

六、結論與建議

1.台灣地區因應集集地震產生之地表加速度大於原先耐震規範之規定，修訂規範，調高部分地區之震區係數及地表加速度，經檢核結果發現部分既有橋梁基礎承載安全性不足，及基礎土壤液化潛能昇高，故需予以耐震補強。

2.對於既有橋梁基礎耐震補強須考量其低淨空限制，對於淺基礎而言，其耐震補強工法可考慮採用基礎加寬(加厚)、微型樁、超微粒水泥灌漿、超高壓灌漿，其中以基礎加寬(加厚)及超微粒水泥灌漿較佳，但基礎加寬(加厚)於橋台(有背後填土)無法適用。

3.對於既有橋梁樁基礎之耐震補強工法主要為增樁方式，可採用鋼管壓入法、SMW工法、全套管施工、反循環樁等工法，考量既有橋梁下之低淨空限制，與打設樁體時產生之振動與噪音，經評估結果建議採反循環基樁，惟須注意其施工中產生之環保與交通維持問題；而為提昇橋台基礎之抗液化潛能，基於施工空間考量，則採滲透性較大之超微粒水泥灌漿。

參考文獻

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