人工鑽掘樁工法在十五廠一期 GAS YARD基樁之應用實例

前言

設計建築或雜項工作物時，當地層強度不足或軟弱土層承載力不足時，須藉由地質改良或其它結構構造物將上部結構之載重傳遞至承載層，以使建築物得以控制其結構安全。而基樁則是其中一種可改善其建築物及雜項工作物基礎的工法。

台中地區地質主要以卵礫石層為主，地表下5m到40m處，地質屬於極堅硬，SPT-N值約超過50；目前台中都會地區之開挖擋土樁及基樁大多以人工挖掘的工法最為常見。在這科技發達的年代，任何作業都講求自動化機械工法，但還存在有工法是高風險與高勞力作業型態。何謂人工鑽掘樁工法，有人解釋因該工法需要較高的默契，所以都是夫妻檔一起作業，夫在坑底進行挖掘，妻在坑頂進行棄土作業；但也有人開玩笑說，老公在外面工作，怕老婆在家亂來，因此夫妻就一起上工；正確說法在工程開挖區地質為卵礫石層且自立性良好，無地下水之地層以人工方式開挖施作混凝土柱樁的施工方法，稱為人工鑽掘工法，於日本稱為深礎工法，大陸香港稱為「夫妻樁工法」。

基樁工法概述

台灣地區樁基礎應用已日趨普遍，無論超高層大樓、高架橋、精密機械廠房等須高承載力及對沈陷量要求嚴格之結構物，常採用樁基礎設計。樁徑在80cm以上之基樁一般採用場鑄施工，大致分為反循環鑽掘式基樁、全套管鑽掘式基樁與半套管式基樁等三種。因施工機具能量不斷提昇，施工樁徑與樁深有朝向大樁徑與長樁之發展趨勢。

基樁種類說明

基樁之支承力基本上係由樁身摩擦阻力及樁底端點支承力兩種機制所提供，支承力之發揮與基樁之施工方式有密切之關係，依據基樁施工過程對土壤之擠壓或擾動程度，以及樁材為預鑄或場鑄之不同，可將基樁分類為三大類：

鑽掘式基樁：

採用鑽掘機具依設計孔徑鑽掘樁孔至預定深度後，吊放鋼筋籠，安裝特密管，澆置混凝土至設計高程而成者。

打入式基樁：

樁之支承力因施工方式而異，採用打擊方式將基樁埋置於地層中者。

植入式基樁：

採用螺旋鑽在地層中鑽挖與樁內徑或外徑略同之樁孔，再將預製之鋼樁、預力混凝土樁或預鑄鋼筋混凝土樁以插入、壓入或輕敲打入樁孔中而成者，稱為植入樁。

三大類基樁工法下又區分多項不同的工法，如圖一所示。

應用於TSMC新建廠房之基樁類型

目前國內常用之基樁施工法，如反循環基樁、全套管基樁、植入式預鑽孔基樁、人工鑽掘樁工法等等。以下就應用於TSMC各基樁工法進行說明。

場鑄樁─反循環基樁 (應用於F12P1/2、F12P4/5)

反循環式鑽掘混凝土基樁，簡稱反循環樁。其施工係在地表設置適當長度之保護套管，然後利用轉盤轉動導桿及鑽桿，鑽桿底端則銜接適合地質情況之鑽頭，以迴轉方式鑽掘，鑽掘期間孔內利用穩定液與靜水壓來防止孔壁崩坍，利用鑽挖之空心管將穩定液與土砂，使用強力吸水泵自鑽管底部抽取泥漿流入吸泥管中，一起抽排出去至地面沈澱池，經沈澱後之穩定液，重新回流至樁孔內以穩定孔壁，持續循環鑽掘，達到設計要求深度後，清除樁底沈泥，吊放鋼筋籠並安裝特密管，再次清除樁底沈泥，藉由特密管灌漿方式，由樁底逐次澆置水中混凝土達到樁頭預定高程，完成樁體之構築。由於施工時之用水系統與一般鑽探用水之正循環原理相反，而呈逆循環系統故稱為反循環式。

植入式預鑽孔基樁 (應用於F14P3/P4)

植入式基樁可以稱得上是PC樁工法的改良版，它的樁支也是預鑄好的，只是PC樁是硬生生的把水泥樁打入地底，而植式入基樁則是先挖個洞，再把樁支吊放進入洞內即可，植入式基樁即是不佔空間的最佳選擇。

其施作方式先用旋鑽機向下鑽20公尺到底，藉鑽桿的上下抽動，把土碴給帶出來，待快挖到底時，藉鑽桿中心的空洞注入水泥沙漿，然後把整支的樁支吊放進入孔內，調好高層，停個10幾分鐘，讓砂漿完全內外包覆住樁支後，呈穩定狀態，再放掉，就不會下沈了。

人工鑽掘樁工法 (應用於F15P1 GAS YARD)

人工鑽掘樁工法屬人工配合工具手掘柱坑，攜帶機具設備簡易，一台3.5噸小貨車便可搭載完成，在自立性高的卵礫石層地質區域，只要小貨車及人工可達之處皆可施工，機動性極高移動迅速，也因機具簡便、施工作業半徑小、施工中產生震動少，可在同時間及地點進行多組開挖工作。但更因人工手掘進入坑中，坑頂的落石及散落物須特別注意避免各種突發狀況等危險產生。

人工鑽掘樁工法實例說明

基地概要

F15位於中部科學工業園區，基地面積為18.44公頃。本基地位於大肚山台地東翼之坡上，海拔高度介於158～170公尺間，地勢甚為平緩，呈西高東低，平均坡度約在3%左右。廠區建物有辦公棟、FAB廠房棟、CUP棟、等附屬棟建物，如圖二。

TankYard基樁設計需求

桶槽區(Gas Tank Yard)大多屬直立圓形鋼製液態氣體桶槽，高度大多逾20m，其雜項工作物之結構特性與一般建築結構梁柱系統略有不同，故須另以基樁加強其結構承載力，而原基樁設計是採直徑70cm、長20m 之鑽掘式基樁，依設計單位所提供的資料知其設計工作載重為：

拉拔力(短期)，T=135 ton
下壓力，P=270 ton

本基地的地層主要為極緊密卵礫石層，考量現場施工性，擬改採人工挖掘式基樁，樁徑調整為100cm或120cm，以下將檢討所需要的樁長及其配筋量。

基樁承載力分析方式

單樁之極限垂直支承力包含由樁周表面提供之摩擦阻力及由樁底端點提供之支承力，分別可依靜力學公式、貫入試驗公式、樁載重試驗、動態分析等方法推估之。單樁之極限垂直支承力與容許垂直支承力得依下列公式估算：

Q_u = Q_s+ Q_b = f_s A_s + q_b A_b

Q_u =單樁之極限垂直支承力(tf)

Q_a =單樁之容許垂直支承力(tf)

Q_s =樁表面摩擦阻力(tf)

Q_b =樁底端點支承力(tf)

FS, FS₁ , FS₂ = 樁總垂直支承力、表面摩擦阻力與端點支承力之安全係數

f_s =樁表面摩擦阻力(tf/m²)

A_s =樁身之表面積(m²)

q_b =樁端之極限支承壓力(tf/m²)

A_b =樁端之斷面積(m²)

此外，基樁之容許承載力應不超出其材料之容許強度，即：

Q_am = f_m × A_b

式中，Q_am=基樁材料之容許強度，f_m=混凝土容許強度，A_b=基樁斷面積

根據我國建築技術規則(1993)對混凝土基樁材料強度的規定，其單位支承應力不得大於混凝土規定壓力強度(fc')之三分之一，表一為不同樁徑下之樁體材料最大容許強度。

基樁承載力計算

(A)地層分佈概況及工程性質

本基地地質調查是委託「中基土壤技術顧問有限公司」進行勘查，基地內總共鑽掘60孔，如圖三所示。圖三紅框處為Tank Yard Area範圍附近地質鑽探孔(A-3、A-5、A-7及A-9鑽孔。)

由鑽探結果發現，該基地深度5公尺以上大都屬於『回填土或紅棕色黏土層』，深度5公尺以下大多屬於『卵礫石夾黃色粗細砂層』。地下水位大多遠大於鑽探深度；甚至深達23M，所以該基地無需考慮地下水位問題。

本基地在鑽孔深度(25.00公尺)內除了部份地表有薄層黃棕色砂、礫石土或粉土之回填外，基地地層主要可分為二個層次，如圖四所示：

1. 表土覆蓋層：

成份主要為粉土質黏土，本層之分佈範圍自地表面至地表面下1.40~6.80公尺，標準貫入試驗N值約在4~31之間；平均N 值取15，Su≒9t/m²。樁身極限單位面積摩擦力估算如下：

f_s = αS_u = 0.45 × 9 = 4.1t / m²   (α取0.45)

2. 卵礫石夾黃棕色粉土質砂層：

本層次分佈範圍均續接於表土覆蓋層之下至鑽孔深度25.00公尺之間，礫石層伏於紅土層之下，由礫石、砂及粘土所組成，其中以礫石所佔比例最大，並以砂及粘土為主要之膠結填充物，但膠結性不佳，遇水則容易流失或軟化，礫石以石英質砂岩為主，粒徑由數公分至數十公分不等，顆粒呈圓球形至橢圓形。其標準貫入試驗N值大於50；總單位重(γ_t)估計約為2.40t/m³。

根據【陳鴻運等(2001)】於台中卵礫石層進行拉力試樁的結果，在淺層卵礫石層的極限摩擦應力至少可達35t/m²、若較深地層則可達50t/m²左右，本案之基樁樁長不長，且考量中科基地淺層卵礫石層的強度較市區低，乃保守取35t/m²之50%為卵礫石層的樁身極限單位面積摩擦力，即分析時取

f_s = 0.5 x 35 ≌ 17.5t / m²

因基樁施工將不採用穩定液，承載於極緊密礫石層之基樁極限端點承載力(qb)可依〝日本國鐵建造物設計標準〞有關砂質土壤的建議估計：

Q_b = 10N ≦ 750 ( t/m² )

分析時卵礫石層N值取50，即  Q_b = 10 x 50 = 500t / m² 。

參考相關文獻建議其有效應力剪力強度參數為 C' = 1.0t / m²， ∮' = 38.0^o 。本層次之承載力較高，可為建物基礎之承載層。上述基地地層構造及性質整理簡化成表二地質土層參數表。

3. 地下水位：地下水位甚深，基樁承載力分析時不考慮其影響。

4. Tank Yard Area範圍附近地質鑽探孔之礫石層高程平均約在EL+167.8m，而樁頂高程EL+174.45m。所以，樁身在覆蓋表土層的厚度，h1 = 174.45－167.8 ≒ 6.7m（如圖五所示）。

基樁承載力試驗

基樁承載力受施工方式及品質之影響甚鉅，致基樁施工後之承載力有很高之不確定性，且基樁與土體間應力與應變之行為亦甚複雜，基樁支承力之估算實難以絕對正確，故有必要以基樁載重試驗加以確認或修正。施作流程如圖六所示，施作照片如圖七、圖八所示。

使用人工鑽掘樁工法之必要性

台積電十五廠CUP棟西北側之TANK YARD棟（如圖九所示），因地處順向坡面，且為放置桶槽之區域，因此於基礎下施作基樁。

因台中地區地質主要以卵礫石層為主，而本工區在地下6~7m處，地質大多屬於質地極堅硬卵礫石級配層，因此本工程採用「人工鑽掘式基樁工法」。

人工鑽掘樁施工範圍及簡介

手掘式基樁施作範圍（如圖十所示）

手掘式基樁工法簡介（如圖十一所示）

1. 基樁施作區域整地，挖掘棄土溝。
2. 施工平台施作。
3. 放樣基樁位置。
4. 基樁人工挖掘。（若地質不穩定，有坍方之虞，須先施作擋土護圈）
5. 挖掘至預定深度，以吊車吊放鋼筋籠。
6. 鋼筋籠固定好後澆築混凝土於基樁內。
7. 重複上述步驟並跳支施作基樁至完成所有基樁之澆築。

施工說明

施工說明流程表如圖十二所示。

1. 整地、樁體位置定位放樣。
2. 於基樁位置施作工作平台，樁位處預留1m×1m方形孔洞，如圖十三。

   圖十三、預留工作平台

   
3. 挖掘棄土溝。若場地受限無法開挖棄土導溝，則需搭配架設施工架台及配置太空袋，用以裝置棄土，如圖十四。

   圖十四、挖掘棄土溝

   
4. 在方形孔洞上方架設三角架、滑輪組及捲揚機，並安裝吊索及戽斗。若多組施工以跳柱方式挖掘基樁，如圖十五。

   圖十五、架設三角架

   
5. 若有地下水位則需先施作點井或深井降水，保持穩定之抽取地下水。
6. 基樁定位後，開始向下挖掘及吊運棄土，如圖十六。

   圖十六、挖掘及吊運棄土

   
7. 上方開挖段約0~2m若壁體不穩則應施以襯砌灌漿，以防止土崩，如土質穩定則施以壁體噴漿保護，如圖十七。

   圖十七、壁體噴漿

   
8. 繼續向下挖掘，並架設通風設備（紅色箭頭處）及照明設備（需達200米燭光以上），翌日作業前需先偵測含氧濃渡，含氧量需達18%以上人員方可下去作業，如圖十八。

   圖十八、架設通風設備

   
9. 於鋼筋加工場區製作鋼筋籠，查驗鋼筋量與配筋，如圖十九。

   圖十九、查驗鋼筋籠

   
10. 挖掘至預定深度後檢查挖掘孔徑、垂直度及深度，如圖二十。

    圖二十、量測深度

    
11. 樁體挖掘檢查合格後再吊放鋼筋籠，如圖廿一。

    圖廿一、吊放鋼筋籠

    
12. 安排灌漿作業並作適當之搗實，如圖廿二。

    圖廿二、灌漿搗實

    
13. 灌漿完成後需作適當之防護措施與區隔，並加以養護。
14. 依上述方法重複施作基樁之人工挖掘及灌漿至完成所有基樁。
15. 待基樁達到設計之強度，並擁有足夠施作之數量，將基樁預留之主筋與基礎板進行連結、綁紮，隨之進行組模澆灌，完成基礎版之施作。

施工順序

1. 基樁規格：∮1.0m×14.0m，貫入礫石層約7~8公尺。(如圖廿三所示)

   圖廿三、基樁分區圖

   
2. 基樁施工順序 (如圖廿四所示)

   圖廿四、基樁施作順序圖

   

　　(1) 第1區先行施作。

　　(2) 施作方向：由左至右跳樁施工，依序編號1~6，再施作編號7~11。

　　(3) 第1排基樁施作完成後再往下施作第2排基樁。

　　(4) 第1區完成後再施作第2區，施作方向、順序同第1區。

緊急應變及安全機制

於地下基礎開挖施工期間，應隨時注意開挖面四周之變形或任何異常狀況。一般上每日至少一次巡視開挖區四周，尤其是雨天，更須頻加觀察。若開挖區四周發現有龜裂或浮動等不良現象時，應立即加以適當之處理：

1. 以打設鋼板樁擋土防止土石坍落，待結構體完成後回填，以避免坍土造成之損害，鋼板樁結構計算另行提送。
2. 將開挖區四周之載重轉放其他地方，行車動線加設背拉鋼索與H型鋼。

若明挖斜坡坡面出現局部滲水情形時，應立即以土砂或泥土將滲水缺口處堵住，以防止缺口持續擴大及湧入大量泥砂及水，然後增設點井降低地下水位。若明挖斜坡或地面出現塌陷情形時，建議處置方式如下：

1. 如在開挖進行階段則應暫停開挖，並於坡址採取緊急回填措施，待斜坡達穩定狀況後，方可繼續開挖施工。
2. 若局部已開挖至最終深度，則宜立即澆灌底版混凝土，至於其它尚未達預定深度之部份，則應採分區開挖及澆置，進行後續開挖。

針對於安全防護計畫，以下幾點須注意：

1. 點井施工及抽水：

　(1) 抽水馬達需有漏電斷路裝置，並以防護設施保護以免遭毀損。

　(2) 電線設施需架高，不得垂放地面。

2. 安全護欄及照明設施裝設：

　(1) 安全護欄須於開挖前裝設完成。

　(2) 任何人員不得跨越安全護欄，靠近開挖完成面。

　(3) 照明設施需有接地及漏電斷路裝置，且亮度需達夜間照明標準。

3. 開挖出土：

　(1) 出土動線須設指示牌引導，並使車輛與人員動線不相交錯。

　(2) 施工機械須檢驗合格，並依規定作檢點。

　(3) 運輸車輛須領有合格牌照並有防塵設備，駕駛人員須有合格駕照，且嚴禁超載行為。

　(4) 需有灑水車輛待命灑水，以防塵土飛揚。

　(5) 施工爬梯未裝設前，嚴禁進入開挖區。

4. 安全防護措施規劃：

　(1) 缺氧作業：

　　A. 申請局限空間作業申請，並派員實施出入管制。

　　B. 作業前實施作業環境測定偵測氧氣濃度（定時不定時偵測）。

　　C. 作業前打開送風時間至少15分鐘，始准人員進入作業；作業中保持輸送排風機持續運轉。

　　D. 缺氧作業主管需全程在場監督作業。

　　E. 作業人員如感不適應立即停止作業離開作業區域。

　　F. 管制口設置緊急應變器材與醫療器材。

　　G. 作業區域照明應充足。

　(2) 現場主辦工程師與次承商監工監督作業：現場分區責任工程師與廠商現場監供需配戴安全監督員臂章。

　(3) 湧水現象：

　　A. 實施監測地下水位現況，並排除地面水之滲入（設置PC工作台）。

　　B. 遇大雨、地下水位上升時，停止作業。

　　C. 注意挖掘處是否滲水狀況。

　　D. 每開挖2M時實施潑漿（水泥漿）保護開挖側牆壁體。

　(4) 崩塌現象：

　　A. 實施地質監測，注意地質變化情況。

　　B. 減少開挖區域鄰近不當擾動，避免崩塌。

　　C. 避免開挖土石堆放開挖面邊。

　　D. 遇地質不良區域時應參酌設置護圈或場鑄襯砌方式，以防止開挖面之崩塌。

　(5) 吊飛落現象：

　　A. 人員配戴安全帽。

　　B. 吊運棄土實應注意吊掛方式並避免因碰撞壁體而發生棄土翻落。

　　C. 吊掛作業進行前應檢視吊鉤、鋼索安全性，並注意避免碰撞異物造成掉落。

　　D. 鋼筋籠吊裝作業應設置警戒，非相關作業人員禁止進出入管制。

　(6) 振動現象：

　　A. 作業區域如鄰近車輛動線時，應減少過重重車經過施作區域。

　　B. 如遇地震產生振動現象，應立即停止作業人員撤離。

　(7) 倒塌現象：

　　A. 三腳架設置需穩固地面，且設置材質須符合荷重強度之材質。

　　B. 設置工具控制繩，以利下方施工人員工具控制使用，無需增加自身重量以及方便工具變更使用。

　(8) 墜落：

　　A. 上方作業人員配戴背負式安全帶。

　　B. 擋土柱上方設置工作平台以利人員作業提供鉤掛安全帶處，並以設置棄土承載太空包以減少棄土堆放開挖面旁。

CONCLUSION　結論與建議

就工程進度觀點分析，人工鑽掘樁工法的進度控制及掌握，在各種深開挖工法中名列前茅。以工程成本分析探討，人工鑽掘樁工法的施工成本低於其他深開挖工法。在環境的影響因素分析中，人工鑽掘樁工法也有一定優勢，但此工法有一定的區域性，只適合在自主性高的土質上施作，不管是人工擋土柱或人工是鑽掘基樁，都非常適合。唯獨在施工安全面，人工鑽掘樁工法有著許多潛在的危險，且需消耗相當大的勞力，與其他深開挖工法相比，更須用心去注意細節，以免造成不必要的工安意外。