新建廠格樑地錨設計施作與品質驗證

前言

台灣地區屬於多山地形，因此常見山坡地開發工程，一般邊坡防護工程概分為兩種，一為抗風化及抗沖刷之坡面保護，如噴凝土護坡等，另一種為可提供滑動抵抗力之擋土護坡，如錨拉式擋土牆等，故於設計時邊坡防護工法選用相當重要，必需考量施工安全性、經濟性及合宜性等。台灣地區常見邊坡擋土型式比較，如 表1所示。

中科擴建廠區位於大肚山台地東麓的坡地上，基地地形由西向東向下傾斜平均坡度約17%，本基地設計階段已限定開發範圍、邊坡頂部及坡底位置，且基地西側邊坡高程差為15-20公尺，因此不適用扶壁式擋土牆工法，而排樁地錨擋土工法施作成本較高且工期較長，故本址邊坡擋土設施採用格樑預力地錨工法，將有助於邊坡滑動控制及工期掌握，同時可將邊坡作整體景觀綠化。

本址格樑地錨為永久性擋土設施，係以地錨與地層產生之摩擦力來提供錨碇拉力，並搭配格狀橫樑將地錨拉力平均傳遞至周圍地層，使地錨、格樑及錨碇體周圍地層三者達到平衡狀態，用來控制邊坡滑動並維護其安全性。地錨構造包括「錨碇段」、「自由段」、「錨頭」三部份，「錨碇段」為水泥漿與鋼腱膠結產生摩擦力及錨碇拉力；「自由段」作用為傳遞地錨拉力到錨頭；「錨頭」為地錨加壓使其產生拉力位置。地錨構造如 圖1所示，地錨實體配置如 圖2所示。

2010年國道3號基隆七堵段發生山坡滑動造成大量土方崩塌事故，經調查為鋼絞線鏽蝕導致地錨預力失效而造成邊坡崩塌。本案地錨即導入錨頭防蝕設計，錨頭外罩鍍鋅鐵蓋及灌注防蝕油保護鋼腱，並於鐵蓋鎖固處以橡皮墊圈防雨水滲入，錨頭保護蓋如 圖3所示。另外，依據高速公路養護^[1]之邊坡分類等級，建置邊坡穩定監測機制及巡查機制，透過定期及特別巡查(颱風、大豪雨、地震或人為破壞)，並配合監測作業之數據，用以掌握邊坡穩定性。 

格樑地錨設計

邊坡防護工程設計前，必須先蒐集基地地質及水文資料，選定基地內欲開挖剖面進行邊坡穩定性分析，決定地錨之拉力需求，並經由現地試驗確認地錨極限荷重及地層極限摩擦力能否符合設計需求。於現地執行地錨工程、地錨施工品質檢驗、地錨完工後之驗證試驗、後續邊坡穩定監測。地錨設計與品質檢驗流程，如 圖4所示。 

地層資料蒐集

藉由中科擴建廠區地質鑽探報告^[2]，可得知各土層的分佈主要分為三種，回填層(地表下2.60m)、紅棕色粉土質黏土層(2.60m~5.2m)、卵礫石夾黃棕色粗細砂(5.2m以下)。並透過鑽探過程所取得之土樣，經由土壤三軸飽和壓密不排水試驗(Triaxial Consolidated Undrained CompressiveStrength Test, CIU test)，決定土壤有效應力狀況下之剪力強度參數(凝聚力c'及摩擦角φ')，如 表2所示^[2]，並依此作為邊坡穩定性分析之土壤參數。 

邊坡穩定性分析

基地邊坡穩定性分析^[3]以開挖面較大之邊坡坡面進行分析，透過鑽探報告顯示，基地開挖主要以表層紅土及卵礫石層為主，無平面滑動之虞，便以圓弧型破壞進行模擬分析，又因邊坡開挖弱點皆發生於坡腳處，故分析時採上坡腳、中坡腳及整體坡腳三部份進行模擬分析。本案係利用PC STABLE5進行穩定分析，其分析模式為將破壞面上方之土體分割成N個(一般分割成數十至數百個)直立土片後，透過分析各切片各別所產生之下滑力及阻抗力，最後再將所有切片所求的之下滑力與阻抗力加總之比值即為該邊坡之安全係數。破壞弧及切片之土體示意圖，如 圖5所示。

程式分析前已設計於開挖坡面設置2階平台，且於中、下段邊坡每階2層地錨，坡頂地表活載重為1.0t/m²之條件進行設定。由程式分析成果顯示，於設計邊坡完成後，其暴雨狀態下之安全性最低，其最終安全係數收斂值為1.5，程式分析結果皆符合“水土保持技術規範^[4]”值(>1.1)，如 圖6所示。 

本基地西側共選擇兩處剖面，做邊坡穩定分析，同時以常時期(Normal)、地震期(Earthquake)及暴雨期(Storm)三種狀態下模擬，分析結果之最小安全係數值，皆能符合水土保持技術規範之要求。詳如 表3所示。 

地錨設計

當前台灣地區地錨設計皆依據「地錨設計與施工準則」^[5]，本案地錨鋼腱安全係數、錨碇段長度安全係數及極限摩擦力建議值等，皆按照此準則設計。中科擴建廠區地錨設計拉力為30tf (ton-force)，其抗張材料允許拉力計算如公式(1)，並使用7股(φ=12.7mm)鋼絞線，其極限強度為18,700Kgf，永久性安全係數^[5]採2.0，即可求得鋼絞線容許拉力，再以公式(2)計算鋼絞線數量。 

本案土層密度測試以標準貫入試驗法(Standard Penetration Test^[6])敲擊測試達50次，所對應之極限摩擦應力值^[5]為4.5~7.0kgf/cm²，地錨錨碇段極限摩擦應力設計採τμ =5.0kgf/cm²，永久性安全係數^[5]採3.0，並依據公式(3)計算出錨碇段長度為4.6m，再加上安全係數則錨碇段設計採6m。

永久性地錨抗張材允許拉力計算

 ........................公式(1)

T_a：地錨抗張材容許強度

T_u：鋼絞線極限強度 T_{u =} 18,700Kgf

F.S.：永久性地錨鋼腱安全係數採 2.0

地錨鋼腱數量計算

........................公式(2)

n：地錨鋼腱支數

T_d：地錨拉力需求 T_{d =} 30tf

T_a：地錨抗張材容許強度 T_{a =} 9.35tf

地錨錨碇段長度計算

........................公式(3)

L_a：地錨錨碇段所需長度

T_d：地錨拉力需求 T_{d =} 30tf

F.S.：安全係數，採用 F.S. = 3.0

D：錨錠段孔徑，D = 12.5cm

：地錨土體之極限摩擦力

= 5.0kgf/cm²

地錨自由段長度檢核

經由邊坡穩定模擬分析^[3]，常時期(Normal)、地震期(Earthquake)及暴雨期(Storm)三種狀態下，選定模擬分析結果之最小安全係數值，其地錨自由段長度，如 表4所示。

第一階及第二階地錨自由段長度採暴雨期分析結果為7.9m及9.9m，如 圖7所示^[3]。

第三階地錨自由端長度採地震期分析結果為11.1m，如 圖8所示^[3]。為確保錨碇段確實座落於破壞弧外，故最終設計時，第一階至第三階地錨自由段長度分別採10m、16m及14m進行施作。

當F15P7設計格樑地錨時，重新檢討整體邊坡破壞弧位置及自由段長度，並將第二階自由段長度縮短為12m。如 表4所示。 

地錨證明試驗(Proving Test)

地錨設計完成後透過證明試驗(Proving Test)來驗證其可行性，本次測試主要檢核地錨極限潛變伸長量及地層極限摩擦力，確認設計值符合規範。證明試驗共施作兩處地錨，實驗地錨則以鋼絞線數量增加且縮短長度取代，以便求得地層極限摩擦力。設計及測試地錨規格詳如 表5所列。

極限潛變伸長量(K_d)檢核

彙整兩次地錨證明試驗結果，繪製地錨拉力與潛變伸長量(K_d)關係圖，如 圖9所示，其潛變伸長量皆符合K_d<2mm^[5]要求。該實驗數據再以指數型迴歸曲線外插法推估，當K_d=2mm時地錨潛變極限拉力(T_k)為145.2tf及126.6tf，即表示本址之地錨理論潛變極限拉力值，約為設計地錨拉力(30tf)4倍以上。依據「地錨設計與施工準則」要求，潛變極限拉力(T_k)必須大於1.5倍地錨設計拉力，故本案地錨設計拉力之安全係數(4倍)遠高於規範要求(1.5倍)。 

地層極限摩擦力(τu)檢核

本次兩支地錨拉力均測試到80tf為止且地錨未損壞，可依據地錨試驗拉力值計算地層極限摩擦力(τ_μ)，其計算公式如下：

T_u：地層極限荷重(tf)，採80tf

D：鑽孔孔徑(m)，D = 0.133m

L_a：固定段長度(m)，L_a = 3m

由上述公式計算出之地層極限摩擦力為6.38kgf/cm²>設計規範(5 kgf/cm²)，故符合設計要求。

格樑地錨工法F15B邊坡防治為例

F15B基地西側邊坡高程差約15-20m，考量整體施工進度及施工預算，為避免大量開挖及回填作業，邊坡擋土採用格樑地錨工法施作。將針對格樑地錨施工工法、品質檢驗及安全監測等分述如下。

格樑地錨施工工法

格樑預力地錨施工時，先將邊坡開挖至設計坡度，掛網噴漿並施作RC格樑保護邊坡，再依序鑽掘地錨孔位、植入地錨鋼腱組及施拉地錨預力達到設計規格，格樑地錨工程施工流程如 圖10、圖11所示。

格樑地錨施工品質檢驗

格樑地錨工程之施工品質檢驗，從邊坡開挖斜率、格樑施作查核、地錨鋼腱材料及組立查核、地錨鑽掘孔位及深度查核，最後確認地錨拉力符合設計要求。每個工項施作過程皆需逐一查驗其工程品質，格樑地錨施工品質檢驗流程，如 圖12所示。

格樑地錨性能檢測

本案共施作744支地錨，為確保所有地錨拉力性能符合設計規範，需抽樣測試預力地錨，其試驗內容包括由地錨拉力變位量來檢核地錨潛變伸長量;並經測試得到地錨摩擦及滑動損失，作為本案地錨最終鎖定荷重值。

地錨鋼腱變位量測試

各階段地錨拉力變位量測試，即在數個不同拉力值(tf)下，觀測一定時間內地錨鋼腱伸長量變化，繪製「各階段地錨拉力變位-對數時間曲線圖」，如 圖13所示，並依此計算地錨之潛變伸長量（Creep Displacement k_d）。

地錨潛變伸長量檢核

上述所測得的地錨鋼腱變位量，再由公式(4)計算地錨潛變伸長量，並繪製「地錨拉力-潛變伸長量關係圖」，如 圖14所示，當地錨預力拉至設計值(30tf)時，其潛變伸長量為0.51mm，符合設計規範(<2.0mm)。

........................ 公式(4)

k_d：潛變伸長量(mm)

d1： 拉力持壓t1時間後所量得之鋼腱變位量

d2：拉力持壓t2時間後所量得之鋼鍵變位量

地錨最終鎖定荷重值計算

因地錨埋設並非完全直線，當地錨施予拉力會產生朝向孔內之摩擦阻力，於地錨解拉時則有朝向孔外摩擦阻力，故地錨施拉與解拉過程中，產生兩條軌跡不同之「拉力-變位量曲線」，如 圖15所示。當兩條曲線在相同的變位量下，其荷重差值即為2倍摩擦阻力。零摩擦曲線位於上述曲線之中，可由線性迴歸方式求得，零摩擦線與地錨鎖定荷重之差值，即為摩擦損失，TF=3.05tf。

並以公式(5)計算滑動損失為T_ws=0.98tf。

 ........................ 公式(5)

T_ws：滑動損失量

S：鋼腱滑線量1.74mm，(由測試數據計算取得)

E：鋼腱彈性係數 20.4tf/mm²

A：鋼腱斷面積394.84mm²

L_ef：有效自由段長度14.37m

綜合上述所得總地錨鋼腱預力損失量為4.03tf(3.05tf+0.98tf)，加上地錨設計預力為30tf，即地錨鋼鎖定荷重值應大於34.03tf，故本案地錨實際鎖定荷重值採用35tf。

長期安全監測

邊坡防護格樑地錨施作完工後，透過永久性監測設施掌握整體邊穩定度，監測邊坡滑動範圍、滑動速率、滑動深度等變形行為及地下水位變化等。參考高速公路養護手冊^[1]之邊坡等級分類及監測機制，將本基地邊坡安全監測頻率訂為完工後第一年每季一次，第二年之後每半年一次；定期巡查頻率為完工後第二年開始，每半年進行一次；當暴雨、地震或異常狀況則另外執行巡查。透過現場巡檢及監測作業數據，能有效地掌握邊坡穩定性，主要監測及巡查項目如下。

地錨荷重計(Anchor Load Cell)

地錨荷重計主要為長期監測地錨拉力變化，當基地地層可能發生異常時(如地震>四級)，則加強監測地錨是否達降伏應力，以便後續應變處置。本案西側地錨荷重計(LC-11及LC-17)讀值異常，因該地錨鋼腱遭受基地上方公共工程施工破壞斷裂失效，僅測得殘餘拉力1.47tf及23.73tf，經大地技師現場會勘評估，本案地錨(2支)損壞未對邊坡防護造成影響，但仍需持續監測，截至目前皆趨於穩定狀態，如 圖16所示。

壁體傾度盤(Tiltmeter)

壁體傾度盤為固定於邊坡(格樑)之觀測傾斜度儀器，該傾度盤量測數值經轉換成傾角後，用以判斷壁體變位情況。前述地錨鋼腱斷裂亦使傾度盤(T2-7及T2-8)之傾角變位量已達警戒值，經過長期加強觀測已趨穩定並無惡化，但仍需持續觀測，如 圖17所示。

傾斜管(inclinometer)

傾斜管測管功能為監測地層滑動變位情形，依邊坡穩定分析預估圓弧破壞面位置，經大地技師評估後將傾斜觀測管安裝深度超過預估破壞面，故採30m深之傾斜管。

水位觀測井(observational well)

本案水位觀測井與傾斜管共同設置，用為觀測擋土構造物後方地下水位分佈情形，以防地水位過高使坡面滑動。

地錨錨頭防蝕觀測

本案地錨錨頭防蝕裝置，包含錨頭外罩鍍鋅鐵蓋、灌注防蝕油保護鋼腱及防水墊圈等，需定期巡檢確認漏油或滲水。

結論

中科新建廠邊坡防護採用格樑預力地錨為台積電首次應用工法，此工法亦廣泛應用在台灣地區公路邊坡防護工程，本工程為提高地錨可靠度及有效性，從地錨設計、地錨驗證、施工品管，到地錨安全監測等。在地錨設計階段從地質資料蒐集、地錨荷重規格、邊坡穩定性分析，到地錨時測驗證，再回饋修正地錨規格；在地錨施作階段從施工品質查驗、地錨實際拉力驗證；最後在邊坡穩定長期監測及定期巡查等。本案格樑地錨工程在每個工作環節皆嚴謹驗證其可靠度，此設計施工流程及驗證手法可用於後續建廠之新工法施作參考。

台灣地區地錨設計皆以「地錨設計與施工準則」為基準，本址地錨證明試驗(Proving Test)得知理論潛變極限拉力值，約為設計地錨拉力(30tf)4倍以上。依前述規範潛變極限拉力(T_k)必須大於1.5倍地錨設計拉力，故本案地錨設計拉力之安全係數(4倍)遠高於規範(1.5倍)要求，相較於中科新建廠區巨大投資金額，採取較高規格邊坡防護設計將提升天然災害(地震、颱風)來襲之防護能力。後續地錨設計時，亦可將此次試驗結果作為設計修正依據。

本案格樑地錨完工後以永久性監測設施掌握整體邊坡穩定度，監測邊坡滑動範圍、滑動速率、滑動深度等變形行為及地下水位變化等。同時參考高速公路之邊坡等級分類及監測機制，將本基地邊坡安全監測頻率訂為完工後第一年每季一次，第二年之後每半年一次；定期巡查頻率為完工後第二年開始，每半年進行一次；當暴雨、地震或異常狀況則另外執行巡查。透過現場巡檢及監測作業數據，能有效地掌握邊坡穩定性。本案地錨完工後之監測階段，發現地錨鋼腱遭受基地上方公共工程施工破壞斷裂失效，主因為地錨鑽孔水平角度偏位，後續(F15P7)地錨鑽孔將量測傾角及水平角度，避免發生偏位而影響地錨功能。