截水牆灌漿設計及施工探討

文獻回顧 Background

廠址背景介紹

本基地座落於園區三、五路沿線土地開發區範圍內，地理位置於新竹科學工業園區特定區中央偏南側新竹縣市交界處（園區三五路開發區），基地北側臨寶山路；南側臨園區已開闢完成之力行二路；東側與F12P4相鄰；西側則為園區三路。

廠址地質及地下水狀況

依據本廠址前期「世界先進竹科晶圓三廠新建工程鑽探報告(2009/9)」之調查結果顯示，地質大致由表土覆蓋層(或回填層)、卵礫石層及岩層等三種不同工程性質地層所組成，其中主要為卵礫石層夾棕黃色粗中細砂，其N值除局部有介於35~50間外，其餘N值大多高於50。

根據區域環境監測資料顯示，場址範圍週邊地下水位流向大致由場址西北向東南方向流動，地下水位高度約地表下11.3m。

地質改良之灌漿工法簡介

灌漿工法係將水泥漿、水泥砂漿、藥液或這些漿液之混合液，以滲透或壓力方式注入地層中，用以改善地層承載力、變形性及阻水性，即所謂地質改良。

一般灌漿目的有下列幾項：

1) 為了增加主體工程施工之安全性及施工可行所採取的輔助工作，如同假設工程，屬於臨時性工程，包括了下列幾項：

　1.1) 開挖工程的止水，以及開挖底面砂湧（Boring）、管湧（Piping）、隆起（Heaving）現象的防止。

　1.2) 鄰近建築物基礎補強及沉陷防止。

　1.3) 擋土連續壁背後的土質穩定及止水。

　1.4) 潛盾隧道及山岳隧道開挖面穩定，地表沉陷防止。

　1.5) 潛盾工程出發及到達工作井周邊地層之穩定。

2) 當主體工程的一部份使用，屬於永久性工程，包括了下列幾項：

　2.1) 水壩基礎之截水牆（Cut-off wall）。

　2.2) 隧道或其他結構物之減輕土壓或增加承載力措施。

　2.3) 水利工程結構物的止水。

灌漿工法中，依據施灌機制、施灌方法及漿液擴散機制不同，大致分為下列幾類：

1) 透灌漿（Permeation）

在灌漿過程中，漿液在低壓滲入土層孔隙或裂隙中，地層仍保持原來的結構，不受灌漿的擾動與破壞。適用於砂土層(黏土成分10-15%以下之地層)

2) 劈裂灌漿（Fracturing）

在低滲透性地層，用較高的灌漿壓力，漿液克服地層內初始應力及抗剪抗拉強度，使其在地層內產生水力破裂作用，破壞並擾動地層結構，地層內產生一系列裂縫，使原有孔隙與裂縫進一步發展，促進漿液的可灌性和擴散範圍增大，漿液呈現脈狀或層狀擴散。適用於黏土層。

3) 擠壓灌漿（Compaction Grouting）

擠壓灌漿工法是以特製的高壓泵浦，將坍度在5cm以下的混凝土擠進地層內，形成球根狀的固結體，藉由擠壓的作用壓實注入點周圍的土壤，有時刻意造成地表隆起，用以扶正傾斜建物或減少沉陷。

4) 高壓噴射灌漿（Jet Grouting）

利用具有水平噴嘴的灌漿噴射管，在預定土層深度內旋轉與提昇，以高壓力漿液（或水）將周圍土體切削混合，凝固後，形成柱狀的固結體。

5) 電誘化學灌漿（Electro-Osmosis Chemical Grouting）

在黏性土壤中插入金屬電極，並通以直流電，藉由電位差，讓陽離子將土壤中的水帶往陰極流動，並將水自負極抽出，促使通電區域內的含水量顯著減少，形成滲漿通道，在通電同時，由正極注入矽酸鹽類漿液，漿液在土壤中形成膠凝體，並與土粒膠結形成具一定強度的土壤複合物。

灌漿工法種類

灌漿工法中，依灌漿管型式及灌漿方式，可分為鑽桿灌漿工法（單管、雙重管）、預埋管灌漿工法(單管多孔法、環塞工法)。

1) 鑽桿灌漿

鑽桿灌漿（單管、雙重管）是利用鑽桿完成鑽孔作業之同時，將鑽桿轉換成灌漿管，實施灌漿作業。鑽桿工法施工順序如圖五。

2) 預埋管灌漿

預埋管灌漿是在地層中先行埋設灌漿管，後利用灌漿管進行灌漿作業，工程上一般另可細分為單管多孔法及環塞工法進行。

A) 單管多孔法

此種工法是將預先製作之多孔灌漿管，埋設於預定深度與位置，經由多孔管之噴口使灌漿材料噴入地層，施工順序如圖六。

B) 環塞工法

依環塞設置形式及用途之不同可進一部分類為單環塞法及雙環塞法。單環塞一般使用在岩層灌漿，砂土層及礫石層一般使用雙環塞法。

雙環塞灌漿是由法國Solettanche公司發明首創，故又名Solettanche工法，在國內名稱隨各公司而異（馬歇爾管灌漿、雙柵管工法、雙栓塞工法或導管式灌漿），其主要優點如下：

• 可根據需要注入任意深度，並可進行重複的灌漿。
• 可使用較高的灌漿壓力，孔口湧漿的現象發生的可能性較小。
• 鑽孔作業與灌漿作業可分開，對大型工地可進行鑽孔灌漿併行 施工。
• 可依據灌漿紀錄，隨時於任意深度進行補充灌漿。

灌漿孔配置方式

灌漿工法係以一定壓力向地下壓送灌漿材料，材料的方向及滲透方式，非人為所能控制，加上地層堆積型態的複雜性及非均質性，灌漿結果，不一定能達到理想的圓柱體改良範圍，所以，灌漿孔的配置方式不同，其改良效果也有顯著的不同。

為獲得均一而良好的改良結果，設計者必須決定適當的灌漿間距，由於間距大小及鑽孔數量與費用有關，因此，灌漿孔之配置實乃設計重點之ㄧ。灌漿孔間距(D)雖可由灌漿材料之理論滲透公式計算而得，惟實際上與滲透有關之因素相當複雜，因此，理論灌漿間距在工程實務上並無意義。一般而言，灌漿孔間距以1.0~1.5m為原則，地層之滲透係數較大時，可採較大間距，反之，滲透係數較小時，則須縮小間距。

灌漿孔的配置，基本上有單排、雙排正方形及雙排正三角形等三種配置，雙排正三角形的配置，對改良的成效及均勻度為最佳，若有下列情形時，灌漿孔間隔應該適當縮小：

1. 斜向或水平灌漿時。
2. 鑽孔深度較深時。
3. 以單排配置進行止水灌漿時。
4. 在黏土層或壤土層進行劈裂灌漿時。

灌漿施工成效檢驗

灌漿施工時有太多不確定因素，所以，灌漿後的檢驗就顯得非常重要。一般若以增加地層之阻水性為灌漿施工目的時，成效檢驗可採現地透水試驗方式實施，其地層透水係數K值須符合K＜1×10-5 cm/sec(一般工程上已視為一不透水層)。而現地透水試驗方式種類繁多，一般大致可分為定水頭及變水頭試驗，以下針對台北市捷運工程中針對地層透水性常用之現場變水頭試驗，採NAVFAC DM－7.1（美國海軍設計手冊）中建議的方式進行，介紹如下。

<NAVFAC DM－7.1>

當孔內水位達到平衡狀態時，以抽水或灌水方式降低或提高孔內水位，然後任其自然回升或下降，而量取不同歷時的水位，由水位變化與時間之關係可求出透水係數K值，所使用之公式如下：

截水牆設計及施工介紹

改良位置深度選擇

位置選擇

根據地下水文調查，場址地下水流向，由場址西北向東南方向流動，故選擇場址西北角，設置擋水體，改變場址外地下水流向繼續流入場址內。截水牆設計全長120m，間距1.5m一個灌漿孔，共80孔。

深度選擇

根據前期現場鑽探資料套繪，截水牆施作位置附近鑽孔為B-1、B-2、B-7及B-12等四孔(參考圖十一)，其中僅B-7及B-12調查深度深至岩層，如以高程換算岩層頂部高程分別為EL.77.95m及EL.79.57m。

鑑於地層之變化性，為增加岩層出露高程之代表性，故將前期基地內調查深度深至岩層鑽孔整理如右表一所示，並以高程換算岩層出露高程再取平均值約為EL.80計。

截水牆施作位置地面高程約EL.99~100m，施作深度預計入岩1m(不透水層)，按前述場址預估地表下20m至岩層面，鑽孔深度為21m，改良體長度為19m（改良體施做深度應入岩1.0m以上至地表下2.0m止）。

截水牆工法選擇

截水牆施工法

本案截水牆考量(1)主要目的為施作範圍止水性，強度方面需求不多；(2)成本等因素。

考量上述因素，本案建議以灌漿工法作為本次施工方式，截水牆施工工法比較表列如右表二所示。

灌漿工法

各式灌漿工法比較表列如表三。

本案主要須增強止水之地層為礫石層，排除成本較高之雙重管灌漿工法及施工較不易掌握之單管灌漿工法，建議以雙環塞灌漿方式作為本案使用之工法。

灌漿孔配置

基於經濟性與實用性，改良體灌漿孔以單排配置，灌漿孔中心間距1.5m，改良體直徑部份至少須以達1.8m以上，方可確保改良樁重疊部份之成效，止水效果需達K＜1.0×10-5 cm/sec。

漿液注入量計算

根據日本國土交通省相關技術資料之雙環塞工法建議於N值>50砂礫石層注入率為31.5%；N值0~50砂礫石層注入率則為36%。依據前期鑽探報告之調查結果顯示本場址地質主要為礫石層，其N值除局部有介於35~50間情況外，其餘N值大多高於50，故設計時建議本案礫石層注入率至少需達欲改良體體積之35%，以達改良效果。

本案依設計內容（改良體全長120m，灌漿孔間距1.5m，共80孔，改良直徑1.8m，灌漿範圍地下2m至地下21m，每階0.5m，每支改良體分38階施灌，注入量為改良體40%，計算漿液注入量。

<註:原設計發包注入量為改良體之35%，施工廠商於投標時自行增加至40%>

本案主要目的為止水，故採用較永久性，且止水性良好之礦物性灌漿材料，第一次注入CB（水泥/皂土）漿17.5%，填充較大孔隙，第二次注入超微細水泥漿22.5%，填充較小孔隙，以達注入量為改良體體積40%，各漿液注入量計算如下：

每階CB漿注入量：

Q（CB漿）＝πr²×0.5×17.5﹪＝π×0.9²×0.5×0.175＝0.222 m³

每階超微細水泥漿注入量：

Q（超微細水泥漿）＝πr²×0.5×22.5﹪＝π×0.9²×0.5×0.225＝0.286 m³

總注入漿液量＝Q（CB漿）×38×80＋Q（超微細水泥漿）×38×80＝0.222 m³×38×80＋0.286 m³×38×80＝1545m³

施工過程概述

前期試灌

本案於民國99年11月27~28日，針對孔號1~4依循前述各項設計步驟進行試灌動作(樁號圖參考圖二)，並於2~3孔位間於地表下17m~18m處進行現地透水試驗，其結果符合設計需求。

全面施作

本案於民國99年12月21日進行全面施作，現場則依設計需求針對入岩1.0m以上至地表下2.0m間之地層進行灌漿。施工過程中，發現樁號9~74，其岩層位置皆低於地表下20m，與原設計估計深度不符，表四為各孔位岩層深度統計表。

為確保截水牆之止水性，故較預期施作21m，按實際岩層出現深度增加灌漿深度至岩層面下1m止。

鑽孔迴水採樣分析結果

為防止因施工造成地下水污染，每日採樣鑽孔迴水分析，依環保署地下水污染管制標準，檢測單環芳香族、多環芳香族及氯化物等60種（環保署定義20種）成份含量濃度。

自鑽孔開始至鑽孔結束共計8天，另取現場使用之自來水比對，總計9個樣品送實驗室分析，檢測結果所有樣品，僅含氯仿、一溴二氯甲烷及甲苯等三種物質，其餘均未驗出，所檢出成份濃度遠低於環保署第一類地下水污染管制標準，檢驗數據資料如表五。

根據檢測數據顯示，迴水與自來水均含相同成份物質，表示鑽孔施工地下水不隨鑽孔迴水溢出地面，且使用於鑽孔水質符合管制標準，不致污染工區或地下水。

改良結果 Result

現場透水試驗

驗收合格標準是依據NAVFAC DM－7.1（美國海軍設計手冊）建議的方法及公式進行現場變水頭試驗，計算透水係數K＜1×10-5cm/sec。

截水牆灌漿完成經固化期後，執行現場透水試驗，取樣比率3%，不足強迫進位取整數，故80個灌漿孔需執行3處現場透水試驗，另由於本案施工廠商所提出二次灌漿之所使用之材料為超微細水泥，為增強說明其功效，故施工廠商於施工前即提出另增加3處現場透水試驗，合計6處，做為現場驗收合格標準。

透水試驗鑽孔位置由現場監造工程司指定，原則上在改良體灌漿中心至有效徑邊緣之中心點，如改良體設計有重疊部份則在重疊部份進行試驗。

透水係數計算結果

第一次透水試驗位置為2~3孔(於前期試灌位置內)位間，取樣深度17m~18m間，先以外套管鑽孔後，置入外套管再以CB漿做孔壁封孔，置入內套管及架設觀測管，灌水至啟始水位，開始觀測及記錄每階段過程水位，所獲各階段數據，依NAVFAC DM－7.1公式計算結果表列如下：

第一次透水試驗平均透水係數K＝1.331×10-6，符合驗收標準。

結論與建議 Conclusion

結論

綜合以上說明，本文歸納以下結論：

1. 鑽孔施工迴水採樣檢驗分析結果，與自來水檢驗分析結果吻合，確認施工工程不致污染土壤或地下水質，且地下水不致於隨鑽孔迴水滲出污染地表土壤。
2. 灌漿漿液使用礦物性水泥與皂土混合漿液，依現場透水試驗結果，驗證其止水效果良好，較預期十倍左右，且礦物性材料於土壤中，不致產生化學變化，較化學性漿液更具耐久性。

建議

本文僅就截水牆灌漿設計及施工做簡單的介紹與探討，對整體地質改良工程知識技術，仍嫌不足，盼專家先進提供更多智識，供後續讀者參考應用，茲建議如下：

1. 地質改良灌漿工程屬土木與水利大地工程的一環，還有許多學問值得探討，諸如灌漿技術、灌漿藥劑、漿液調配等，皆會因地質狀況及需求不同，而有所改變，是值得更深入探討的課題。
2. 施作過程灌漿範圍與地層變化息息相關，本案截水牆以止水為目的，故並無急迫性安全問題，但更精確的地質調查可將低施工中經費追加減問題及提高施工範圍研判之準確性。
3. 工程進度的控管，首重灌漿漿液材料，本案因缺料斷料，嚴重影響整體進度，水泥材料因有時效性及容易受潮，此物料又為進口物資，受限船班及物質檢驗，掌控不易，故於工程初始，就需密切留意，已免工程中缺料斷料，造成施工中斷與停頓。

附錄一

附錄二