淺談連續壁溝渠開挖之穩定分析

 
 
中華顧問工程司 鐵道工程部 工程師 / 曾子儀
 

關鍵詞: 溝渠、連續壁 、 Trench 、 Slurry Wall

 
 
     
 
     
 

 

 































 
 

壹、前言

 

近幾年來,國內因連續壁施工不當,而導致損鄰事件之案例層出不窮。最常見之施工不當以 ” 大肚子現象 ” 與 ” 包泥現象 ” 為首。輕微之大肚子現象可能僅需就地敲除 ( 詳照片 1) ;嚴重之大肚子現象可能造成侵犯他人地權。輕微之包泥現象可能僅造成壁面滲水;嚴重之包泥現象卻可能引發連續壁破損,造成連續壁背土側大量土石流失,導致鄰房傾斜受損 ( 詳照片 2) 。大肚子現象大多發生在溝渠開挖階段,因溝壁不穩定導致壁面土石崩落,崩落之土石可隨開挖取出,其殘留孔洞則因混凝土澆置時流入而形成大肚子。包泥現象主要發生在連續壁混凝土打設階段,因溝渠壁面不穩定造成壁面剝落或坍塌,崩落之土石掉落已澆置之混凝土中即產生所謂的包泥現象。

本文即探討影響溝壁穩定之因素,藉助溝渠開挖之穩定分析模式,以評估連續壁在各施工階段之安全性。並針對安全性較差之區域研擬解決對策,以確保連續壁之品質、杜絕損鄰事件發生。

照片 1 、連續壁大肚子現象
照片 2 、連續壁包泥破損造成鄰房傾斜

 


   
 
貳、 影響溝壁穩定之因素
 


 

連續壁於溝壁施工中,若地盤應力失去平衡,會造成壁面之滑落與崩壞。故無論在溝壁之掘削階段,鋼筋籠之吊放階段,混凝土之打設階段,均需保持溝壁之穩定。土塊之滑落與崩壞若發生在掘削階段,尚可用掘削機將掉落之土塊取出;若發生在鋼筋籠吊放階段或混凝土打設階段,將導致連續壁出現包泥或斷層之隱憂,甚者造成連續壁無法挽救之地步。因此,除各階段施工均需考量溝壁之穩定外,亦需配合適當的補助工法,以確保連續壁之施工品質。

溝壁崩壞之形態大致可分為兩大類,一為大盤崩落,一為部份溝壁剝落(詳圖 1 )。大盤崩落常發生在導溝之設計不當及穩定液之水位急速下降與嚴重超載之情況,部份溝壁剝落則常發生在導溝底部與溝壁中間鬆動之土層處,及連續壁之轉角處等。

 

圖 1 、壁面崩壞之型態


影響溝壁安定之主要因素有土壤性質、地下水、穩定液之機能、連續壁之單元形狀與長度、掘削放置時間、掘削深度、上載荷重、交通荷重、鄰近建築物等。以下針對這幾個主要因素簡述之。

 

一、 土壤性質

土壤性質中以粘聚力與內摩擦角之影響最巨。地盤中若存在鬆動之砂土層或軟弱粘土層時,應防止部份溝壁剝落之情況發生。若存在卵礫石層或透水係數較高之土層時,則應防止穩定液之水位急速下降,土壤之有效應力盡失,造成溝壁的大崩落。

二、 地下水

地下水與穩定液之水位差為溝壁穩定成敗之主要因素,一般以 2.5 公尺 以上之水位差為佳,地下水位若太高時,則應考慮加高導溝高度,以確保水位差。地下水之含鹽量與酸鹼值亦會影響穩定液之穩定性。

三、 穩定液之機能

皂土穩定液之所以有造壁性,乃在於穩定液中之膠質體滲透到土壤中並粘著在土壤顆粒表面,漸漸形成一層透水性極小並具有韌性之薄膜,靠著穩定液之比重,以阻擋壁面之滑動。

四、 連續壁之單元形狀與長度

L 型、門型、十字型之連續壁,其轉角處之壁面最容易產生坍崩。尤其對砂質土應特別注意坍崩之問題,單元盡可能採用直線之掘削方式。

單元之長度越長,壁面越容易坍崩。在過去的案例中以 4~ 10 公尺 最為常用。

伍、 掘削放置時間

由於穩定液之皂土粒子在水中起電化反應,隨著時間而逐漸吸附沈澱,比重亦相對減小,將嚴重影響壁面穩定。

六、 掘削深度

由於掘削深度越深,掘削放置時間越長,越容易造成坍崩。但在過去之案例堙A深度超過 20 公尺 坍崩之案例並不多。

七、 上載荷重及交通荷重與鄰近建築物之影響

施工各階段之工作載重均會影響壁面之安定,若工區緊鄰公路或鐵道,均應考量其對溝壁穩定之影響。

   
   
  參、 分析模式
   
 

穩定液之安全評估方法眾說紛紜,且影響穩定液安定性之相關因素又不勝枚舉,實難以作全面性之探討與評估。以下提出幾點較具共通性之評估原則簡述之。穩定液之所以有造壁性在於掘削開挖面上形成一種不透水膜,此膜介於穩定液與開挖背面之土與水之間,安全率之評估即採穩定液之液壓與不透水膜外土壓加水壓之比值,或採用土壤滑動力所導致的彎矩 (Moment) 與土壤滑動阻抗力所導致的彎矩 (Moment) 之比值。然而在掘削深度小於掘削寬度之區域,土壤之拱柱效應 (Arching Effect) 較為 顯著,亦可考量土壤拱柱效應所提供之滑動阻抗成效。目前於日本較常用之安全率評估方法有 (1) 半圓形滑動法 (2) 三次元圓筒滑動法 (3) Protodyakonov 法。

一、 半圓形滑動法

本法乃假設連續壁於開挖時,壁面崩壞的土塊形狀為楔形之半圓筒狀,土楔的底面為一以水平方向傾斜 a 角之平面。由於土壤之拱柱效應,壁面崩壞時僅此半圓筒狀之土楔滑落(詳圖2)。

圖 2 、 崩壞形態

安全係數 Fs 以下列式子表示:

安全係數之判定基準以 Fs>2.0

S 1 : 沿著圓筒側面向上作用之力

S 2 : 沿著底面作用之抵抗力

P W : 水壓差

W : 土楔之重量

P : 上載荷重

c : 土壤之凝聚力

f : 土壤之內摩擦角

a : 底面之傾斜角

g : 土壤之單位體積重量

g C : 穩定液之單位體積重量

h : 滑動深度

h C : 地下水位

2 l : 崩壞幅


( 一 ) 、 Type I ( )


( 二 ) 、 Type II ( )

式中


二、 三次元圓筒滑動法

本法乃假設連續壁於開挖時,壁面崩壞的土塊形狀為橫型之圓筒狀,以二次元之圓弧滑動理論為基礎,增加考量兩側剪力的阻抗效應所發展出之三次元圓筒滑動法。壁面崩壞時僅此橫型圓筒狀之土楔滑落,請參考下圖。

本法乃假設連續壁於開挖時,壁面崩壞的土塊形狀為橫型之圓筒狀,以二次元之圓弧滑動理論為基礎,增加考量兩側剪力的阻抗效應所發展出之三次元圓筒滑動法。壁面崩壞時僅此橫型圓筒狀之土楔滑落(詳圖3)。

圖 3 、 崩壞形態

 

安全係數之判定基準以 Fs>1.2



( 一 ) 砂質土層之側面阻抗 (參考圖4)

圖 4 、 砂質土之側面阻抗

 

M 1 : 砂質土層的側面阻抗彎矩

K : 土壓係數

g : 土壤單位體積重

f : 土壤之內摩擦角

( 二 ) 粘性土層之側面阻抗 (參考圖5)

圖 5 、 粘性土層之側面阻抗

 

M 2 : 粘性土層的側面阻抗彎矩

c : 土壤之凝聚力

 

( 三 ) 沿著圓弧面之剪力阻抗 (參考圖6)



圖 6 、 沿著圓弧面之剪力阻抗

 

M 3 : 沿著圓弧面之剪力阻抗所產生之彎矩

B : 連續壁單元之開挖幅長

f : 土壤之內摩擦角

 

( 四 ) 沿著圓弧面之凝聚力阻抗 (參考圖6)

M 4 : 沿著圓弧面之凝聚力阻抗所產生之彎矩

c : 土壤之內摩擦角

 

( 五 ) 穩定液之阻抗 (參考圖7)

圖 7 、 穩定液之阻抗

 

M 5 : 穩定液之阻抗所產生之彎矩

g f : 穩定液之單位體積重

z f1 : 穩定液位

 

( 六 ) 土塊重量

M 6 : 土塊自重所產生之傾倒彎矩

 

( 七 ) 上載荷重 (參考圖8)

圖 8 、 上載荷重所產生之彎矩

 

M 7 : 上載荷重所產生之傾倒彎矩

P : 集中載重

q : 均佈載重

( 八 ) 地下水 (參考圖9)

圖 9 、 地下水荷重所產生之彎矩

 

M 8 : 地下水荷重所產生之傾倒彎矩

g w : 地下水之單位體積重

z w1 : 地下水位

 

三、 Protodyakonov 法 ( 目前日本較常採用本方法 )

本法乃假設連續壁於開挖時,壁面崩壞的土塊形狀為拋物線型之曲面狀。除土壤之拱柱效應 (Arching Effect) 影響外,亦需考量單元之開挖長度所造成之影響。若開挖深度大於開挖長度時,須區分成兩大部份分別討論,一為淺層區,一為深層區。

(1) 淺層區 : 開挖深度小於開挖長度時 . ( D < B )

(2) 深層區 : 開挖深度大於開挖長度時 . ( D > B )

安全係數之判定基準以 Fs>1.0

以下針對這兩區分別簡述之 .

( 一 ) 淺層區

本區之安全係數採用穩定液壓與開挖背側之水平郎金主動土壓力 ( Rankin & Rezeal's active ) 與地下水壓合之比值。當此比值大於 1.0 時,導溝內之穩定液則屬穩定狀態,當此比值小於 1.0 時,導溝內之穩定液則屬不穩定狀態。 ( 參考圖 10)

 

圖 1 0 、 淺層區之壓力分部圖 ( D < B )

Fs : 安全係數。

Pc : 安定液壓。

Pa : 水平郎金主動土壓力。

Pw : 地下水壓力。

α : 係數 ( 開挖長度大於 10 公尺 時,α =0.7)

g c : 穩定液之比重。

Ka : 水平郎金主動土壓力係數。

( 二 ) 深層區

本區係考量土壤之拱柱效應,並為假定土壤之破壞面為一拋物圓柱體面。 ( 參考圖 11) 此區之安全係數即為總滑動力與總滑動阻抗力之比值。

圖 11 、 深層區之壓力分部圖 ( D > B )

 

式中

Fs : 安全係數

F : 分佈在拋物圓柱滑動面上之總滑動力之水平分量

P w: 總地下水壓

R : 分佈在拋物圓柱滑動面上之總滑動阻抗力之水平分量

P c : 總穩定液壓

Zw : 地下水之深度

Zc : 安定液之深度

g c : 安定液之單位體積重

C : 土壤之凝聚力

f : 土壤之內摩擦角

f : 普氏係數 (Protodyakonov‘s Coefficient) (詳表一)

表 1 、 普氏係數表 (f 值 )

強度區分

土質名稱

單位重量
g (tf/m 3 )

單軸壓縮強度
q u (kgf/cm 2 )

f 值

堅硬固結土

固結粘土 , 土丹 , 砂礫

2.0~2.2

>2.0

1.0

 

火山灰土

1.6~1.8

1.0~2.0

0.8

粘土質砂 , 地下水位以上的砂

1.8~1.9

1.0~2.0

0.6

粒狀土

地下水位以下的砂 , 砂礫

1.8~2.0

-

0.5

粘性土

粘土質地盤

1.6~1.8

0.5~1.0

0.3

粘性土

軟弱粘性土

<1.5

0.5

0.25

 

   
  肆、 案例探討
 

 

一般連續壁開挖之溝渠穩定評估,其使用時機如下:

一、掘削機掘削階段之穩定分析

二、鋼筋籠吊放階段之穩定分析

三、混凝土澆置階段之穩定分析

四、鄰近建築物對連續壁開挖之影響分析

以下案例為中油永安液化天燃氣儲槽第二期之連續壁工程,該工程位於高雄縣永安鄉沿岸附近,為一處利用抽砂填海造陸之基地。本工程連續壁深度達 90 米 、寬度 1.2 米 、單元長度 10.6 米 、直徑約 72 米 之圓筒型結構。該區地質多為沈泥質粘土及粘土質砂、地下水位約 -5.0 米 、地下水中含鹽度高,對連續壁施工而言深具挑戰。

為克服地質之特性,工程單位於施工前,即針對連續壁各施工階段進行溝壁之安全穩定分析。該分析採用 Protodyakonov 之計算模式,分別依淺層理論與深層理論計算之。

由分析結果得知,在地下 16 米 ~ 20 米 處之安全因子已接近 1. 0 。經查該區土層歷史背景,該區域即為當初 抽砂填海造陸時,殘留海床之淤泥,該區域於溝壁開挖時很容易造成壁面崩落與坍塌。故本案規劃各種機具之影響淨空、加強管控各種機具之行進路線、嚴格管控穩定液之品質與液面高程,以確保溝渠之壁面穩定。因本連續壁有兩處 T 型單元,於壁體開挖前即於開放側構築 CCP 樁,其深度均需超過安全因子之臨界點深度,以改善該區之壁面穩定。在層層控管下,本工程之連續壁如期如質的完工,全區完工後連續壁之透水係數可達 10 -7 m /se c ,已達不透水之程度。

以下即為該工程在連續壁施工中各階段所需之機械,依各機械之載重特性、調整各機械之安全距離,所求得之各深度安全因子圖與配套之管理措施。


一、 300 噸吊車移動時對溝渠穩定之影響評估 (參考圖12)

載重面積

A = 9.76 * 8.22 = 80.2 (m2)

機具載重

W = 390 ( t )

均布載重

P = W / A = 390/80.2 = 4.9 (t/m2)

圖 12 、 300 噸吊車移動時對溝渠穩定之影響範圍及各深度之安全因子圖

依圖12可得知, 300 噸吊車行經連續壁開挖單元時,因地下 16 米 ~ 20 米 之安全因子已接近 1.0 1 ,故 300 噸吊車行經該區時,履帶外側邊緣至導溝邊界需保持 6 米 以上,並不得侵入該影響淨空; 挖掘機於該區間作業時,開挖速率宜放緩慢,以確保溝壁之穩定。


二、 MHL ( 55t ) 開挖時對導溝穩定之影響 (參考圖13)

載重面積

A = (2/3)*10.6*10.6-(10.6+8.976)/2*3

= 45.5 ( m2 )

機具載重

W = 72 ( t )

均布載重

P = W / A = 72/45.5 = 1.6 (t/m2)

圖 13 、 55 噸殼式抓斗機作業時對溝渠穩定之影響範圍及各深度之安全因子圖

 

 

由圖13可得知, 55 噸殼式抓斗機作業時,因地下 16 米 ~ 20 米 之安全因子已接近 1.02 ,故 該機履帶外側邊緣至導溝邊界需保持 3 米 以上,並不得侵入該影響淨空; 挖掘機於該區間作業時,開挖速率宜放緩慢,以確保溝壁之穩定。


三、 MHL ( 65t ) 開挖時對導溝穩定之影響 (參考圖14)

載重面積

A = (2/3)*10.6*10.6-(10.6+8.675)/2*3.5 = 41.2(m2)

機具載重

W = 83 ( t )

均布載重

P = W / A = 83/41.2 = 2.0 (t/m2)

圖 14 、 65 噸殼式抓斗機作業時對溝渠穩定之影響範圍及各深度之安全因子圖

 

由圖14可得知, 65 噸殼式抓斗機作業時,因地下 16 米 ~ 20 米 之安全因子已接近 1.02 ,故 該機履帶外側邊緣至導溝邊界需保持 3.5 米 以上,並不得侵入該影響淨空; 挖掘機於該區間作業時,開挖速率宜放緩慢,以確保溝壁之穩定。


四、混凝土澆置時對導溝穩定之影響(參考圖15)

載重面積

A = (2/3)*10.6*10.6= 74.9 ( m2 )

機具載重

W1 = 36 ( t ) ( 拌合車 )

W2 = P1 + P2 + P3 + P4

= 43.674 ( t ) ( 鋼筋籠重 )

均布載重

P = ( W1*3 + W2 )/A

= (36*3+22)/74.9 = 1.7 (t/m2)

圖 15 、混凝土拌合車作業時對溝渠穩定之影響範圍及各深度之安全因子圖

由圖15可得知,混凝土拌合車作業時,因地下 16 米 ~ 20 米 之安全因子已接近 1.00 ,故 該車尾部距導溝邊界需保持 3 米 以上,並不得侵入該影響淨空;當混凝土澆置高程接近 該區間時,澆置速率宜放緩慢,以確保溝壁之穩定。


五、 BW 機開挖時對導溝穩定之影響 (參考圖16)

載重面積

A = (2/3)*10.6*10.6 = 74.9 (m2)

機具載重 (BW)

W = 65 ( t )

均布載重

P = W / A = 65/74.9 = 0.9 (t/m2)

圖 16 、 BW 機開挖時對溝渠穩定之影響範圍及各深度之安全因子圖

 

由圖16可得知, BW 機開挖作業時,因該機具施工時需緊鄰導溝,但地下 16 米 ~ 20 米 之安全因子已接近 1.02 ,故 BW 機規劃在固定軌道上移動,以減少 BW 移機時侵入影響淨空之機率。
   
 

 

   
  常用之解決對策
   
 

連續壁溝渠經評估後發現有不穩定之虞時,工程單位應於施工前擬定對策,以工程管控或地盤改良方式,確保施工中溝渠壁面之穩定,以杜絕連續壁包泥、包心之危害出現。

目前工程界常見之解決對策如下:

一、連續壁單元施工時,加強管控安全淨空區各種機具之動線行進範圍。

二、加強穩定液之控管,穩定液之比重最好控制在 1.03~1.09 之間、確實做好良液循環、液面高隨時保持在設計高程等。

三、在高地下水位區域,依 需要設置高導溝,以 提昇穩定液與地下水位之相對高度。

四、在淺層土壤軟弱區域,依需要設置深導溝,或加寬導溝頂部之 RC 翼版。

五、鄰近建物基礎下方打設土釘。

六、連續壁開放側於溝渠開挖前施作溝渠壁面保護設施 ( 例如: CCP 樁、微型樁、地盤改良等 ) ,詳圖 12 所示。

 


圖 17 、連續壁開放側加設保護設施位置示意圖

 
   
   
 

陸、 結論

   
 

連續壁為所有深基礎開挖之火車頭工程,連續壁之良窳在在影響工程之安危與?虧。在台灣的連續壁工程界堙A施工之捏拿往往靠 ” 老師父 ” 的 ” 經驗傳承 ” ,缺乏明確理論佐證,也無法預先得知所冒風險程度。本文即探討如何利用既有之理論模式分析,讓工程師能在施工前得知該項工程於何時、於何處所冒之風險有多少、安全淨空有多少、該如何去做補救措施。

工程界若能制訂相關機制,明訂連續壁施工前,施工單位需依該計劃擬採用之各項機械 進行溝渠穩定分析,並依分析結果制定該專案之各項工程控管及補強措施。如此一來,將可有效防範連續壁事故發生,並永遠將連續壁災害掃出台灣工程界。

由於一般溝渠穩定分析模式僅模擬二維度之線型連續壁單元,鮮有針對 L 型及 T 型之分析模式。希望有志之先進們能承先啟後,持續發展三維度分析模式以造福連續壁工程界。 所謂的經驗須靠理論佐證,理論須靠經驗驗證 。希望施工界的先進們亦能提供經驗驗證,適時修正相關分析模式,期以達理論與經驗合一之境界。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
◎ 參考文獻
 

1. 多田浩彥、大志万 和野、岡原 美知夫 監修, ┌ 地中連續壁基礎工法手冊 施工篇 ┘ ,總合土木研究所出版。

2. CHINESE PETROLEUM CORPORATION LNG STORAGE TANK PROJECT PHASE Ⅱ STUDY ON STABILITY OF SLURRY WALL TRENC H 。

3. 京華城計畫案連續壁溝壁開挖之穩定分析報告書。