島式支撐工法在十二廠六期 CUP/HPM 之應用實例

前言

一般擋土支撐工法主要係由擋土壁與支撐系統組合而成，常見的擋土壁依土層狀況及施作方法有不同之設計。分別有擋土樁檔土板法、鋼板樁工法、排樁工法、連續壁工法等。而支撐系統根據擋土壁型式、基地條件、開挖規模等因素，對於費用、工期、施工性及安全性等進行比較，綜合各因素選出最適當之工法。本文將以台積電十二廠六期興建工程為例(以下稱F12P6工區)，探討各項基地條件對擋土支撐工法選用之影響。

擋土支撐工法概述

擋土壁的主要功能為土壤開挖時，防止周圍地層隨著開挖深度越深，擋土壁所受的側向力越大，造成壁體變形及破壞。因此需搭配輔助支撐系統，用以對抗側向壓力及力矩以策安全。

常見擋土壁與支撐型式

混凝土鑽掘排樁

於現場直接鑽掘成孔後進行混凝土澆置，為維持排樁的水密性，相鄰之樁必須密貼且連續施作，前一根獨立樁本體的混凝土尚未充分硬化前，即進行鄰近下一根獨立樁的施工。

地錨(Earth Anchor) (Tie Back)

灌漿區域在主動破壞面之外，於灌漿固結後施以預力。利用摩擦力反制土體向開挖區移動。主要優點是提供淨空，方便開挖進行，且在不規則形狀基地、高低差大之基地皆宜。但缺點是施工費用高，地錨可能會超出基地範圍。

島式明挖工法

在擋土壁內側保留坡面進行開挖，中央部份的軀幹基礎先施工，下一步對擋土壁架設斜撐(Rakers)，然後挖掘周圍的邊坡土壤。中間似一島，故稱島式工法。由於支撐長度短，樑之壓縮與接合部鬆弛之影響不大。一般斜撐樑的坡度以35°為界，對於整體支撐系統結構有利。

應用於F12P6之擋土支撐概述

因本工程於開挖深度內，無地下水存在，預計開挖深度約為12m，且土壤自立性良好，原設計使用H型鋼打擊植入作為擋土壁，另搭配地錨工法加強勁度即可。但因基地周圍環境影響，各區域依照鄰近構造物及土層等因素設計不同之擋土支撐設施，全區開挖擋土支撐設施設計如圖一所示。

Fab南側(A1)－ 自立斜坡開挖工法

基地南側(A1)因GAS棟無地下室設計，只需開挖1m左右，且腹地較廣，離特五路約有30m，可採用自立斜坡開挖工法。其中部分區域配合工程施工動線規劃，於小範圍植入H型鋼。以避免施工重車行駛時，產生之超載荷重，造成變位或崩塌。

Fab東側(A2)－混凝土鑽掘排樁

原設計為先行開挖土方，降低地面高程至B1L後，再打擊植入H-Beam及搭配單層地錨 (詳圖一)，因與F12P4廠相臨，考量施工時震動機產生的震動能量，傳遞至使用中的Fab廠，對生產線造成影響。經過施工振動量測結果，建議施工地點距離Fab廠須超過20-30m。為安全起見，將原有的H型鋼改為混凝土鑽掘排樁，並搭配雙層地錨施作。

Office東北側(A3)－混凝土鑽掘排樁

Office棟靠寶山路側之擋土牆原設計與基地東側相似(如圖一)。經地下管線調查發現，基地邊有1750mm自來水管及1200mm污水管通過。若先行開挖土方勢必造成自來水管裸露或施工不慎傷及自來水管，而且H-Beam擋土勁度較差，其側向變形量將影響自來水管管線的穩定。另原設計地錨的打設位置，與污水管線重疊，施工時將傷及污水管線。

針對原設計及重新考量既有自來水管及污水管後，決定取消先行開挖土方至B1FL。直接施作混凝土鑽掘樁及搭配雙層地錨加擋土勁度。另擋土牆退縮4m 以避免地錨打入傷及污水管。

HPM北側(A4)－H-Beam

該區為一弧形平台，預計作為HPM施工物料供給平台。雖然該區腹地較廣，且曾經施做過地質改良。但考量重型機具及施工物料對土層的超載荷重，以及與Fab棟的距離非常接近。因此決定打擊植入H-Beam增加土層勁度，並於表面鋪設鋼絲網及噴上混凝土，防止地表水沖刷。

HPM及CUP西側(A5、A6)－島式工法

HPM及CUP靠園區五路側擋土牆原設計為H300鋼樁+單層地錨(如圖一)。但A5、A6區皆屬回填土層，且A5開挖邊界已經臨近園區五路旁之滯洪池，地錨打設會侵入滯洪池；A6開挖邊界臨近力行三路，如打設地錨將侵入力行三路路基，傷及下方公共管線，因此於A5、A6區使用外支撐系統勢必不可行。且腹地狹小，不利於一般的水平支撐施作。考慮各項因素後，選擇島式內支撐工法進行施作，以避免傷及滯洪池及下方公共管線。

島式工法雖可有效解決上述各項難題，但其對於工期的影響甚鉅，為F12P6興建工程困難施工區域。因此本文將以F12P6為例，進行島式支撐工法應用探討。

島式支撐工法之應用實例

基地概況

台積電十二廠六期興建工程基地位於園區三、五路沿線土地開發工程範圍內。北側臨園區二路，南側臨力行三路，東側與F12P4廠房相臨，西側與園區滯洪沉砂池及加油站相鄰。該區座落於台地邊緣，地勢大致由東朝西漸降。西南側原較低漥之溪流區域已被整地回填，回填厚度約3.4~7.05m之間；西側設置臨時滯洪池，該區域亦被整地回填，回填厚度約11.1m左右。

土層概況

其土層主要由下部礫石層與上部紅土層組成，礫石主要為白色石英岩、暗灰色矽質砂岩、淺灰色砂岩等，另含少量黑色玄武岩。礫石直徑在0.1~0.3m之間，亦有達1m以上者。礫石層與上蓋之紅土層間大致為漸移關係，本層紅土大多為礫石與其膠結物，在受極端風化作用後，所殘留之原地土壤。紅土呈紅棕色，以黏土礦物和含水之氧化鋁及氧化鐵所構成，厚度約1~2m。

由於土層的工程特性，如剪力強度及壓縮特性等，將影響本案開挖擋土設施型式與施工方式，經彙整後綜合歸納出基地分析用簡化土層參數表如表一。^[2]

地下水位狀況

依鑽探報告之水位觀測井觀測地下水位及水壓變化，本基地地下水位約於EL+85m左右，開挖深度以內無地下水存在。於設計臨時擋土設施時，可以不考慮水壓力作用。^[2]

島式支撐工法構件

一般常用H型鋼作為支撐材料，其各組成構件詳見圖二、表二。

註：市面上普遍以 H 型鋼作為內撐材料，所以分析設計均以鋼結構構件設計，實際現場安裝施工時，橫擋斷面尺寸 ≧ 水平支撐斷面 ≧ 角撐斷面尺寸。

島式支撐設計原則

支撐設施應足以承受由擋土設施所傳達之荷重，以抑制或減少其變位。然擋土設施承受的力學行為複雜，主要有側向土壓力、地下水壓力、地震力等荷重。設計時，應就各項荷重進行分析，考慮其對整體支撐系統造成之影響，一般通用分析原則如下。

側向土壓力

視地層分佈、土壤特性，支撐型式及擋土結構變位而定。作用於內撐式支撐設施之側向土壓力，因土層特性、支撐預力、開挖程序與快慢、支撐架設時程等諸因素影響，使牆背之側向土壓力呈不規則分佈，與一般擋土牆採用之主動土壓力，有明顯不同。可依據彈塑性分析模式所得結果或Terzaghi-Peck視側壓力分佈包絡線所得結果，取較大者為設計之土壓力值。

地下水壓力

若開挖面在地下水位以下，選擇之擋土設施必須具有擋水功能，並考慮擋土設施背側之水壓力作用。依地下水存在狀態，可分成靜止水壓、動態水壓及滲流水壓。當擋土設施底部貫入不透水地層(k<10^-7cm/sec)，背側之地下水無法滲入開挖面時，地下水可視為呈靜止狀態，則考慮背側承受靜止水壓力；在地震作用時，則應考慮額外增加之動態水壓力。當擋土設施底部貫入砂性地層，背側之地下水可經底部流至開挖面時，應考慮地下水在滲流狀態下對背側所產生之滲流壓力。若擋土設施貫入深度內之地層為互層，並含有壓力水層，則背側之水壓力應按各層之水壓力分別考慮。

地震影響

應就基地位置之地震分區及施工期長短，適當考慮施工期間可能發生之地震，並檢核其安全性。

內撐系統在分析時，通常只考慮力量之平衡，無法兼顧考慮擋土壁在開挖過程中之側向變位、垂直變位、壁體轉動及開挖面隆起致使中間柱上拱等現象，因此斷面設計時宜取較保守之原則。

內撐系統之破壞常為突發性，某一支撐挫屈後，其力量立即傳至其鄰近支撐，極可能引起連續性破壞。為了使內撐系統有效支承擋土壁之各項作用力，減少擋土壁之側向位移，通常在水平支撐上施加預力，約為設計力量之50%，上層支撐應酌量減低預力以避免擋土壁後土壤上拱，同時上層支撐受溫度效應及臨時荷重等影響較大，預力過高時容易超出容許應力範圍。

島式支撐應力計算

島式內支撐系統分成直立斜撐與角隅水平支撐兩部份，支撐材料皆採H350×350×12×19型鋼。有關說明如下：

1. 擋土樁使用H300×300×10×15型鋼，間距60cm，貫入深度6.4m。
2. 直立斜撐採二層設計，支撐間距4m。
3. 角隅水平支撐採二層設計，支撐間距2.5m。

應力計算以RIDO分析開挖行為，分析結果型鋼擋土樁及支撐受力情形如表三。於強度計算時，除以rido計算軸向力外，應在加上溫度載重，其計算式如下：

P=Ph/cosφ+溫度載重

計算後軸力溫度變化應增加30t/支型鋼。

擋土支撐施作流程(如圖三)

施工說明

1. 施工前確定施工範圍，整地規劃動線鋪設、定位放樣H型鋼樁打設位置。如施工照一。

   施工照一、放樣整地

   
2. 打設H型鋼樁：打設前確定H型鋼規格及標示打設深度於樁上，並依設計樁距依序打設。本場設計H型鋼樁規格300×300、長度21m，間距60cm。如施工照二~三。

   施工照二、確定H型鋼規格尺寸；施工照三、H型鋼樁打設

   
3. 打設中間樁及第一次開挖：每4m打設中間樁(300×300)，用以提供固定及提供型鋼支撐應力，待中間樁打設完成後開挖土方5m至預定第一層支撐高度。如施工照四~五。

   施工照四、中間樁打設；施工照五、土方開挖

   
4. 部分基礎版及反力座施作：分區完成基礎澆置並依結構計算施作反力座，用以提供支撐型鋼反力支撐。結構確實養護達設計強度後方進行支撐架設。如施工照六。

   施工照六、支撐反力座

   
5. 架設支撐型鋼及土方開挖至完成面：依序施作支撐及土方開挖至基礎開挖面。第一層支撐施作完成後土方開挖2m；第二層支撐施作後土方開挖5m至基礎開挖面。如施工照七~九。

   施工照七、第一層支撐施作；施工照八、第二層支撐施作；施工照九、第二層土方開挖

   
6. 擋土支撐施作預力加壓。如施工照十。

   施工照十、支撐施作預力加壓

   
7. 基礎版施作及外牆施作：開挖完成後隨即進行基礎版及外牆鋼筋、混凝土澆置。（使用高強度混凝土或早強混凝土縮短支撐拆除時程，藉以提高安全性及工程進度。）如施工照十一與十二。

   施工照十一、基礎鋼筋綁紮；施工照十二、基礎版澆置

   
8. 防水施作：外牆塗佈防水膜。如施工照十三。

   施工照十三、外牆防水模施作

   
9. 劣質混凝土回填：配合拆除支撐設施，適時回填劣質混凝土，可改善回填土夯實不易之缺點。以提高回填品質。如施工照十四。

   施工照十四、外牆劣質混凝土回填

   
10. 拆除支撐型鋼：按支撐架設反向進行拆除動作，依序拆除第二層支撐及第一層支撐。如施工照十五。

    施工照十五、支撐拆除

    
11. 拔除中間樁，回填止水砂漿及基礎樁孔混凝土灌漿。如施工照十六。

    施工照十六、中間樁拔除

    
12. 樓版施作、拔除H型鋼，島式支撐工法完成。如施工照十七。

    施工照十七、樓版澆置

    

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. 開挖面施作噴漿處理防止土石坍落，待結構體完成後立即回填，以避免坍土造成之損害。

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. 依階段目標完成立即澆置混凝土及回填，增加安全性。

針對於安全防護計畫

以下幾點須注意:

1. 點井抽水及機具管理：

　(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) 用電機具電線設施需架高保護，不得垂放地面避免毀損。

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，並隨時隨檢維修。

　(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) 裸露地表須鋪設防塵網或配置灑水車表面灑水，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) 現場主辦工程師與次承商監工監督作業:現場分區工程師與安衛工程師需隨時掌控施作及回報。

　(2) 湧水現象：

• 實施監測地下水位現況，並排除地面水之滲入。
• 遇大雨、地下水位上升時，停止作業。
• 注意挖掘處是否滲水狀況。
• 每開挖2M時實施潑將（水泥漿）保護開挖側牆壁體。

　(3) 崩塌現象:

• 實施地質監測，注意地質變化情況。
• 減少開挖區域鄰近不當擾動，避免崩塌。
• 避免開挖土石堆放開挖面邊。
• 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。

　(4) 吊飛落現象：

• 人員配戴安全帽。
• 吊運棄土時應注意吊掛方式並避免因碰撞壁體而發生棄土翻落。
• 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。
• 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。

　(5) 震動現象：

• 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。
• 如遇地震產生震動現象，應立即停止作業人員撤離。

　(6) 墜落：

• 鄰近開口作業人員配戴背負式安全帶。
• 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。

結論

1. 本工程擋土工法包含明開挖工法、排樁地錨工法、鋼板樁工法及島式工法，顯見工法選擇之多樣性、變化性。
2. 島式支撐工法雖能有效運用基地面積，增加材料運補及人車行走動線。但需配合中央結構階段施作，因此會拉長工程整體進度，使工期成本增加。
3. 待基礎版與牆身達設計強度後，進行洩壓拆除支撐型鋼。此時擋土支撐屬不穩定結構，需立即回填土石提供支撐力。且回填土石時，因受限於未拆除支撐型鋼而無法夯實，故採用劣質混凝土回填，雖可快速提供支撐力，但相對增加材料成本。
4. 島式工法如搭配背拉工法一起施作，或可減少內支撐數量與階數，以期降低對施工進度之影響。