工程實務

高雄辦事處

經理

莊輝雄

屏東監造工程處

工程師

蔡同宏

近年來國內工程界隨著施工技術及經驗的不斷匯集、改良與精進，既經濟又快速的自動化系統模板橋梁工程乃因應時代所需漸次蓬勃發展，並蔚為主流趨勢。目前興建中之高速鐵路、第二高速公路後續計畫等橋梁工程亦多普遍採用自動化系統模板工法施作。系統化施工不僅具有縮短工期、節省人力與施工成本效益外，亦可大幅提高施工品質，減少工程施工期間對周圍鄰近環境及交通運輸之衝擊。再者，施工時程的大幅縮短，對於高速鐵路或公路等大型公共工程投資計畫之經濟投資效益影響亦極其深遠，即投資者可於短期內達成資源有效運用、改善區域交通運輸並提昇生活品質之目的。本文旨在簡介預鑄懸臂工法施工線形控制之理念及方法，並佐以南二高九如林邊段預鑄節塊懸臂吊裝工法施工實例，扼要闡述預鑄懸臂工法之施工控制作業。

二高後續計畫九如林邊段新建橋梁工程係引進營建自動化系統模板工法施工，而其中又以九如至麟洛段高架橋工程採預鑄節塊懸臂吊裝工法，為本工程中極具特色及關鍵性之施工要項。常言道「工欲善其事，必先利其器」，唯有配合規劃縝密完善之施工監控作業執行，方能造就高質量的施工品質。有鑑於此，為求有效監控施工階段節塊位移變化（即施工線形表現），工程人員於施工初期即設計一套幾何線形施工監控程式GCP（Geometry Control Program），包含誤差預測、誤差來源判讀及誤差修正等。所謂GCP係利用位移法（Displacement Method）配合結構系統勁度矩陣修正模式，綜合考量預鑄節塊之施工程序，以及混凝土結構隨時間變化特性因素（Time-dependent Properties）等影響，透過模擬程式解算，即時修正節塊接合施工之幾何誤差。此外，GCP亦可透過現地監測資料之回饋，隨時調整施工控制作業，達成施工精度之要求。本文目的主要在於介紹預鑄節塊箱型梁施工控制經驗法則及相關控制作業，期間並以南二高九如至麟洛段預鑄節塊施工線形與相關監控作業為例進行說明，用以提供日後類似相關施工案例之參考。

預鑄節塊線形控制主要在於確保節塊鑄造完成後線形能符合設計要求，同時結構體內應力亦能維持在容許範圍內，然而橋體之線形變化則與設計基本參數、施工條件、施工方法與施工機具等息息相關。因此，如何於節塊鑄造階段進行監控，並識別各項影響因素實為線形控制作業成功與否之重要關鍵。由於線形控制作業為一複雜工作，加上其影響因素相當繁多，為使控制作業能務實且快速，以提供施工者所需之相關資料。監控影響因素需依橋梁特性進行重要性規劃，並配合相對應控制方法進行作業。線形控制作業係依預鑄節塊懸臂工法結構特性，探討其與設計基本參數、施工條件及施工方法間之相互關係，並從而建立適用之線形控制方法。

橋梁節塊幾何線形變化可概分為縱向變化量與垂直向變化量兩類，前者影響構件長度；後者則影響構件拱度，亦左右橋體平整度與垂直度之準確性，以下即將縱向精度控制及拱度控制作業分別簡述如下：

一般而言，相鄰兩節塊間縱向相對位移主要來自於可逆性及不可逆性結構系統伸縮量變化。不可逆性伸縮量變化可分為?結構系統施加預力引發上部結構彈性變形；?水泥水化作用後產生乾縮變形；?結構體自重或外加載重造成結構系統潛變變形等；可逆性之伸縮量變化係由周圍環境溫差變化所引起，此部份變形將隨影響因素消除而回復。解析不可逆性之伸縮量變化與進行結構應力分析方法相同，分析時須綜合考量各施工階段結構系統之載重及應力狀態、橋梁施加預力所引起之彈性變形及施工機具等影響，並配合乾縮潛變預測式，求解結構系統之不可逆性伸縮量。另外，結構系統之可逆性伸縮量變化計算則以周圍環境溫度變化為線性控制因子，配合各單元節塊跨徑長及結構材料脹縮係數，即可求得其溫度效應之伸縮量大小。總括說來，節塊施工現地水平線形檢測作業可概分為兩部份：

對於長線鑄造節塊水平線形調整作業（亦即節塊橫向傾斜度），一般而言可區分為兩種情況，當整跨度具固定傾斜度（相同洩水坡度）時，節塊可先以固定水平面高程進行鑄造，爾後吊裝階段再將整跨旋轉調整至設計傾斜角度即可。相對地，由於同跨徑節塊均具相同傾斜坡度，因此節塊鑄造過程中之線形監控作業僅需考量垂直拱度的修正、回饋及調整作業。

另有關橋梁整體平面線形控制作業方面，一般而言可區分為直線段及曲線段兩類。當整跨度節塊為直線段設計，施工及測量檢測時，節塊左右兩側翼板可依設計圖說所示尺寸進行放樣，並均等對稱鑄造。因此，節塊鑄造過程中平面線形監控作業僅需考量節塊間鑄造接合精度控制作業之修正、回饋及調整。然當橋體平面線形為曲線設計時，節塊模板組成間正確相對位置，如支點位置偏移、外模翼板腹板間交角變動、外模底模歪斜等，均需做部份調整。本工程模板調整作業僅修正節塊翼板部份，底板模板則仍採直線段接合鑄造，詳如圖一。

模板設計因應曲線段調整係採整跨割線直角切割方式進行。割線直角切割之割線端點在設計線形中心線上，一端與側模成直角，另一端則不成直角，取割線為節塊鑄造中心線，此時接合腹板上將產生不等寬及隙縫dw。當曲線折角產生時，模板設計雖不受縱向剛性限制，但施工時為避免漏漿，須於側模內外與相鄰節塊間加一直徑1.5~2.0cm止縫條。而相對地，模板兩側翼板之大小邊差d、曲線折角產生凹折g，以及腹板與相鄰節塊腹板接合重疊寬度w等，與橋梁平面線形設計曲率半徑R、跨度Lspan、節塊切割中心長Lseg、翼板寬度Wtop及腹板寬度Wweb等具有以下之對應關係。

節塊鑄造階段，模板水平調整作業係利用鏈滑車、活動板手或油壓千斤頂將預鑄床上H型鋼調整至水平面高程後，再以垂直固定螺栓固定之。當整跨徑節塊完成後，固定螺栓須鬆開以便於調整下一跨徑節塊線形。

短線鑄造水平線形調整作業原則及方式同於長線鑄造，而節塊模板水平調整作業則利用節塊搬運活動台車底盤下活動式縱向千斤頂調整節塊底板水平高程。此外，當橋體平面線形為曲線且具變斜率之反曲點設計時，調整作業可依鑄造曲線所需線形變化量平均分配至該區段之各節塊。一般說來，高速公路系統之變斜率反曲點設計常以八十公尺為限，調整約4%（±2%之和）之變化量，經核算後各節塊所需平均分攤之調整量僅約為0.8cm。

節塊生產時除須考量水平向相鄰兩節塊需緊密接合外，亦需考量節塊拱度控制作業，以確保節塊於吊裝完成後其拱度線形能符合設計原意。節塊斷面形狀主要受自重及結構材料特性所影響，本工程預鑄節塊於設計階段曾依據結構理論分析模式預估節塊可能線形（拱度、乾縮與潛變變形）變化狀況，以提供施工檢測之參考。然設計階段所擬訂之節塊線形控制相關資料於施工前置作業期間均須重新檢核，此因節塊線形表現與實際施工方法息息相關，而節塊斷面幾何形狀又受線形表現影響。為重新確認節塊線形基本資料，本工程於節塊生產初期乃依據所擬訂之施工方法重新計算節塊拱度控制值，並檢核設計階段所配置鋼腱預力量是否可同時滿足節塊於施工階段及完工狀態之應力需求。

由於橋梁在施工過程中，橋體會因自重、預力、乾縮潛變、溫度、施工機具及施工方法等因素產生撓曲變形，如此將使橋體施工線形與設計線形產生一偏移量，此一垂直向偏移變化量即為拱度，其值大小亦與材料勁度有關，表1為各項影響拱度變化之因素分類表。

為使橋梁在完工後結構線形能符合設計原意，預鑄節塊在混凝土澆置作業進行前，模板高程須額外預加一撓曲變形量，此一額外預加拱度值即為預拱值（Precamber value）。再者，由於各種不同橋型結構系統受拱度影響程度均不相同，故其拱度控制方式亦具有相當大之變異性，一般說來，若橋梁結構系統拱度行為並不顯著時，亦即全跨徑撓曲變形與原設計線形偏差量僅在2cm之內時，則控制作業重點主要在於前置作業期間計算值之驗算，而施工階段之控制作業並非必要。因此，拱度控制作業主要是針對大跨徑、結構系統勁度低之橋梁或結構自重變形明顯之懸臂工法橋。拱度控制方法的設定主要以拱度影響因素之重要性及不確定性為參考依據，須同時兼顧準確性及實用性，以迅速提供施工者所需資料，避免因無意義之控制作業而影響施工時程。

由於拱度變化受自重、預力、乾縮潛變、施工誤差與各項外載重所影響，為確保預鑄節塊拱度誤差量能維持在管理範圍內，拱度控制作業規劃需包含前置階段結構分析、監測點配置、施工期間高程資料量測、判讀與回饋等，而結構分析模式係依本工程工法特性，建立分析流程以提供拱度比對之相關數據，監測點位則參考施工階段預測箱型梁之變形曲線進行配置。高程資料量測、判讀及回饋之目的主要在於控制拱度變化於合理範圍內。結構分析工具為三維結構分析RM程式，以梁、柱元素分別模擬箱型梁與橋墩，並以等值彈簧元素模擬基礎與土壤間之介面行為。爾後再依據各橋段施工步驟分別建立相對應分析流程，依順序分別考量柱頭板製作、節塊鑄造、節塊吊裝、閉合節塊澆置及預力施工等。節塊鑄造拱度監控時機主要配合工法特性及結構受力狀況而擬訂，每一節塊係以量測混凝土澆置、施拉預力及吊裝前等施工階段所造成之變形為主，當單元跨徑全數節塊完成後亦規劃進行定期量測作業。

預鑄節塊拱度變化主要來自於預力所造成的變形，其次為節塊自重所造成的變形，而鑄模受混凝土重量所產生的模板變形約為一固定值，又長期乾縮潛變量具一定程度影響。因此，除了鑄模變形量可於節塊混凝土澆置時進行量測外，其餘影響值因不確定性高判讀不易，故工程人員於節塊生產期間僅監測其變化行為是否合理，對於不確定因素並不作誤差識別，亦即當每一單元跨徑箱型梁節塊全部完成後，僅分析量測值與理論值之差異性，而對於不確定性高之影響因素則以統計觀念進行拱度值回饋與修正。

至於節塊高程調整作業方面，若橋體線形設計為變化橫向傾斜度時，換言之，接合鑄造單位跨徑中橋面之橫向傾斜度為非定值（亦即採超高設計），詳如圖二。此時節塊鑄造檢測作業須將測量座標轉換至局部參考座標，而局部參考座標系統之旋轉量應取鑄造單元跨徑中最大斜率變化量之平均值為參考依據。同時，亦需將同一鑄造單元跨徑之各節塊模板調整量減至最少，如此方可加速模板組立及節塊鑄造循環作業時程。在節塊接合鑄造過程中，此部份調整作業可依鑄造曲線所需高程變化平均分配至各節塊，並藉由調整已澆置完成節塊高程座標而使新接合鑄造節塊相對高程改變，達成節塊變斜率之橫向傾斜度控制作業。

進行節塊拱度控制作業時，基於節塊垂直線形係與橫向傾斜度相互影響，因此需綜合評量節塊橫向傾斜量及垂直線形；而垂直線形計算值必須考慮跨徑設計高程及施工階段之預拱值，故進行檢測控制作業時需包含上述各項計算值，並據以求得預鑄床軌道上各控制點位之對應高程。爾後，再利用填隙墊片調整預鑄床上軌道高程。圖三為節塊線形控制示意圖。

節塊鑄造階段模板垂直調整作業可藉由小型油壓千斤頂或高架起重機將預鑄床上縱向軌道H型鋼微略提高並調整至定位後，再配合楔型填隙墊片加以固定，詳圖四。另外，施工中所使用之填隙墊片支撐強度需確保在整跨徑節塊鑄造過程中不致產生任何彈性變形，以免影響施工精度。

預鑄節塊生產過程中，結合鑄造的新舊節塊可能會因施工方法、施工程序、結構材料特性、施工誤差、翼長比（翼板寬/節塊長度）或周圍環境溫濕度影響而造成節塊斷面形狀產生不規則變形，如此勢將與已澆置完成之鄰接節塊產生接合間隙，影響施工品質及吊裝作業精度。此種節塊褶曲不規則變形現象主要肇因於新節塊澆置混凝土時，新澆置節塊水泥水化熱經由新舊節塊接合面傳遞不均等溫度變化，亦即溫度梯度（thermal gradient）至舊節塊上，促使新舊節塊產生不均等之熱脹反應，進而導致新舊節塊斷面接合處產生不規則撓曲變形。再者，新舊節塊接合面翼板邊緣處亦將因節塊不規則撓曲變形而產生微細裂縫。殆新鑄節塊混凝土達拆模強度，新舊兩接合鑄造節塊拆離後，經由新節塊傳遞而存留於舊節塊內之水化熱溫度梯度將因周圍環境溫度冷卻作用而散失，此時舊節塊之不規則撓曲變形將逐漸回復至原貌，然新鑄節塊接合斷面處卻將殘留此一不規則撓曲變形。此種因預鑄節塊水化熱傳遞不均而產生之鑄造變形誤差，一般俗稱為香蕉效應（banana effect），詳如圖五。

此外，上述節塊因溫度傳遞不均而產生的斷面尺寸變形現象將逐漸累積，詳如圖六。再者，此一累積誤差量將可能造成後續節塊吊裝作業進行時，整跨徑節塊線形發生偏移現象，亦即各節塊接合時橋體中性軸將產生微量偏折現象（具一微量轉角值），如此一來勢將影響節塊吊裝作業之順利進行及施工品質。一般而言，節塊香蕉現象對短線接合鑄造影響較為顯著，其因在於此鑄造尺寸誤差量將逐節塊生產而呈現疊加效應，終至影響橋梁整體施工品質控制作業。

有鑑於傳統測量儀器（全測站Total station）之測量精度限制，在進行節塊施工檢測作業時，並無法確實檢核節塊香蕉效應之尺寸微量偏差值，故無法進行監控或調整作業。然為求有效控制節塊鑄造尺寸變化，並適時進行調整修正作業，本工程預鑄節塊生產初期即進行斷面尺寸監測作業，其控制方法係於節塊接合鑄造初始，施工人員即於鑄模上設置六處監控點位並預埋參考覘標，配合高精度量尺於節塊混凝土澆置作業後，定時進行量測、記錄並統計節塊尺寸變化情形，以為後續節塊檢測作業控制之回饋依據，監測節塊斷面尺寸變化之相關監控點位佈設情形，詳如圖七。

圖八為預鑄節塊編號90-N-01至90-N-03於混凝土澆置作業完成後，工程人員定時進行量測、記錄並統計節塊縱向斷面尺寸之變化情形。根據文獻記載，預鑄節塊翼長比（翼板寬/節塊長度）大於6時，因溫度變化所造成的撓曲變形即相當明顯；而翼長比大於9時，將可能影響施工品質。雖本工程預鑄節塊翼長比為12.1，然監測結果發現節塊最大撓曲變形約位於頂板接合面中央處，且其值並不大，均在5mm之內，推就其可能原因如下：

3.1.1. 預鑄節塊為三箱室設計，且斜撐板與翼板相連結，如此將增加節塊整體結構勁度，進而限制此一溫度變形量；

3.1.2. 基於節塊頂板澆置面係暴露於大氣環境中，陽光直接曝曬結果除可使節塊澆置面達到保暖效果外，亦可使溫度梯度變化量受到控制；

3.1.3. 周圍環境溫濕度之變異性，一般而言，若節塊於上午時刻澆置混凝土時，由於環境溫度逐漸升溫（相對於傍晚時刻周圍環境的溫降），此時節塊將產生較小的溫度梯度變化，有鑑於節塊澆置時間均於上午時分，且南台灣地處亞熱帶高溫氣候，故推論此一溫度變形量較不顯著。

3.1.4. 因混凝土材料配比、鋼筋、預力鋼腱、預埋構件配置或其他不確定因素之變異性而影響節塊斷面形狀變化。

一般而言，預鑄節塊吊裝施工精度與控制作業主要受到?節塊製造精度；?地層平均沈陷量；?地層承載能力；?橋梁下部結構基礎型式與機制；?結構系統支撐型式；?吊裝階段幾何線形檢測與監控等影響，而橋體線形變化又與現地施工條件、施工方法、施工程序與施工機具息息相關，節塊吊裝施工控制作業需綜合考量上述各項影響因素，並分別進行監控、識別與回饋。

為求精準掌握節塊實際斷面尺寸，並利於後續吊裝作業之順利進行，本工程於預鑄節塊完成橫向預力施拉作業後，工程人員旋即利用高精度量尺逐一量測每單元跨徑內各節塊控制點位，並記錄斷面尺寸變化情形。爾後再將量測資料歸納整理並進行假拼合作業，模擬節塊實際吊裝時全跨徑之線型變化趨勢。最後再將預測趨勢回饋至節塊吊裝前置作業，亦即於節塊吊裝作業施作時，在相鄰節塊與柱頭節塊間濕接縫處微量調整模板接合轉角，或於標準節塊吊裝施工作業兩鄰接節塊接合前，利用填隙墊片襯墊於節塊結合剪力母榫上，微量調整節塊結合轉角，用以適時調整或修正吊裝作業之節塊線形表現。

由於地層的沈陷將可能造成工址內各跨徑橋墩產生相對高程偏差量，如此一來勢將影響節塊吊裝施工精度之監控。本工程位於屏東沖積平原區內，地表係為第四紀全新世沖積層所覆蓋，工址範圍地層大部份為緊密粗砂礫石、夾卵石及粘土質粉土或粉土質砂，根據每季水準測量作業檢測成果解算工區內地層年平均沈陷量約僅為4-5mm，且實測各橋墩控制點位沈陷量差異不大，無明顯差異沈陷現象發生，因而研判其對節塊吊裝階段之施工精度與監控作業影響不大，故不進行地層承陷量誤差修正作業。

有關地層承載力方面，根據地質鑽孔資料顯示，工區內土質平均標準貫入打擊數N值略低，又地下水位（GL:-1.2 ~ -5.9m）甚高，故而推知地層承載能力可能不高。因此在進行節塊吊裝施工時，因節塊逐塊吊裝而造成橋墩基礎處地層持續受力承載而產生之沈陷尤需詳加監控。經綜合比較監測結果發現，節塊各吊裝施工階段相關監控點位實測高程值均略低於原設計計算值，故研判可能原因為工址現地土層承載力不高影響所致。有鑑於此，工程人員將此一監測資料進行綜合歸納整理，預測偏差量之可能發展趨勢，並據以為調整或回饋至次一跨徑節塊吊裝前置作業。

橋梁基礎為橋體結構系統中力量傳遞之重要構件，全橋大部份重量及活載重均經由墩柱傳遞至基礎，再轉而至地層承載。本工程橋墩基礎因應橋梁結構型式及工址地質特性分別採擴展基礎（Spread footing）及樁基礎（Pile foundation）兩類設計，而基礎所承受上部結構載重也將因全橋各結構系統分配載重、基礎設計型式與機制之不同而有所差異。一般說來，採樁基礎設計之地層平均承陷量均較擴展基礎為小，有利於節塊吊裝施工精度之監控。

節塊進行懸臂平衡吊裝施工時，經由統計監測資料發現，當橋墩採固接設計且擴展基礎設計尺寸（21m×21m×3.5m）較大者，其單元跨徑閉合節塊吊裝施作前，兩側節塊接合監控點位高程差值平均約低於設計值1~2cm。然若橋墩為鉸接設計且擴展基礎設計尺寸（13m×14m×2.5m）較小者，其監控點位平均高程差則約低於設計值5~6cm。因此工程人員於吊裝前置作業期間即需考量此施工誤差修正作業，並將監測所得資料進行研判，調整或回饋至節塊各吊裝階段監控作業中。

一般說來，節塊吊裝作業可區分為兩類施作，一為單元跨徑懸臂平衡吊裝施工；另一則為端跨就地支撐吊裝施工。前者僅需於相鄰節塊下之橋墩基礎空間架設臨時重型支撐架，以利相鄰節塊與柱頭節塊濕接時之應力荷載；而後者則需於端跨跨徑處架設臨時重型支撐架承載節塊自重及施工載重。綜合分析端跨處節塊施作時，在端跨跨徑與懸臂平衡吊裝接合之閉合節塊施工前，兩側節塊接合監控點位高程差與設計值之誤差約在3cm範圍內，而此一施工誤差於節塊吊裝施工監控作業中亦需考量予以調整及修正。

為利於吊裝作業兩節塊接合點位及高程控制，在節塊接合鑄造期間即依設計線形並配合節塊鑄模設計，沿節塊中心線往兩側延伸至腹板邊緣處彈墨線標記，作為節塊吊裝接合依據；而節塊吊裝高程控制作業則利用節塊生產階段所設置之相關監測覘標，於各節塊接合前檢測其高程與設計值之相對偏差量進行綜合監控。

工程施工順利推展及施工品質之良窳，實有賴於施工前期完善的規劃設計，施工期間精密而謹慎的監控作業，以及現地實務監測資料的持續蒐集與回饋，如此才能確保工程施工品質。再者，藉由施工監控資料之回饋，持續而制度化的調整施工作業，亦能促使施工與設計間相互增益，為國內橋梁工程施工與設計技術水準之提昇再上層樓。

(1)Carin, L. Roberts-Wollmann., John, E. Breen., Michael. E. Kreger., ”Temperature Induced deformations in Match Cast Segments, ” PCI JOURNAL, V.40, No.4, July-August 1995, pp. 62-72.

(2)Podolny, W. Jr., ”The Cause of Cracking in Post-Tensioned Concrete Box Girder Bridges And Retrofit Procedures, ” PCI JOURNAL, V.30, No.2, March-April 1985, pp. 82-139.

(3)Roberts, C. L.,”Measurement Based Revisions for Segmental Bridge Design and Construction Criteria,” Doctoral Dissertation, University of Texas at Austin, Austin, TX, December 1993.

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