斷層擾動帶開挖之工程行為

2006 岩 盤 工 程 研 討 會 論 文 集 , 台 南2006 Taiwan Rock Engineering Symposium, Tainan June 26-27斷 層 擾 動 帶 開 挖 之 工 程 行 為蕭 仲 光1楊 長 義21蕭 仲 光 大 地 技 師 事 務 所2淡 江 大 學 土 木 工 程 系摘 要新 莊 捷 運 機 廠 (570F 標 ) 廠 址 正 是 位 在 新 莊 斷 層 擾 動 帶 上 , 施 工 迄 今 完 成 之 工 程 進 度 相當 有 限 , 每 次 開 挖 施 工 時 即 刻 造 成 地 盤 重 大 之 變 動 。 綜 觀 設 計 之 概 念 仍 舊 僅 以 考 量 斷 層 擾 動帶 地 層 材 料 之 劣 質 力 學 參 數 為 主 ; 對 斷 層 擾 動 帶 因 開 挖 解 壓 之 高 回 脹 特 性 , 似 乎 未 納 入 本 設計 。 本 文 乃 根 據 前 期 施 工 經 驗 及 為 了 解 斷 層 擾 動 帶 工 程 性 質 而 事 先 設 置 之 各 項 監 測 儀 器 , 進行 現 場 試 挖 以 驗 證 現 地 之 開 挖 行 為 , 同 時 收 集 整 理 相 關 施 工 監 測 資 料 加 以 分 析 比 較 , 期 進 一步 掌 握 斷 層 擾 動 帶 地 層 材 料 之 施 工 行 為 。關 鍵 字 : 斷 層 擾 動 帶 、 開 挖 、 應 力 釋 放 、 強 度 弱 化 。一 、 前 言捷 運 新 莊 線 CK249 標 新 莊 機 廠 位 於 台 北 盆 地 西 南 緣 、 林 口 台 地 之 一 隅 , 調 查 顯 示 新 莊 機廠 工 址 確 定 處 在 新 莊 斷 層 帶 上 。 新 莊 機 廠 工 址 之 東 半 部 大 部 份 皆 座 落 在 新 莊 斷 層 之 斷 層 剪 裂帶 及 斷 層 泥 上 , 其 空 間 分 佈 及 平 面 圖 詳 圖 1[1] 及 圖 2 所 示 [2]。 而 新 莊 斷 層 面 向 東 南 傾 下 為 一逆 衝 斷 層 , 斷 層 之 上 盤 為 大 寮 層 砂 / 頁 岩 互 層 , 下 盤 則 為 林 口 礫 石 層 , 在 斷 層 泥 以 下 之 礫 石層 為 一 受 壓 水 層 。 斷 層 泥 之 分 布 由 北 向 南 漸 厚 、 東 西 向 則 未 臻 一 致 [2] 。 根 據 斷 層 泥 一 般 物理 性 質 試 驗 結 果 顯 示 , 屬 於 黏 性 土 壤 , 但 因 其 工 程 特 性 具 高 回 脹 性 及 高 回 脹 壓 力 且 遇 水 軟 化 ,與 一 般 之 黏 性 土 壤 性 質 相 去 甚 遠 。自 民 國 91 年 9 月 迄 今 , 每 於 斷 層 擾 動 帶 上 施 工 , 尤 其 是 開 挖 深 度 觸 及 斷 層 擾 動 帶 時 , 屢因 監 測 值 遠 超 過 設 計 訂 定 之 管 理 行 動 值 , 致 使 觀 測 頻 率 增 加 以 及 不 斷 追 加 額 外 之 施 工 項 目 甚至 變 更 設 計 。 依 設 計 圖 說 及 相 關 設 計 分 析 所 使 用 之 地 層 參 數 , 顯 示 可 能 的 滑 動 面 均 會 通 過 斷層 泥 , 而 以 斷 層 泥 之 力 學 強 度 及 邊 坡 剖 面 分 析 研 判 邊 坡 穩 定 性 應 無 虞 。 但 道 路 A 與 B 施 工 後 ,其 坡 頂 上 方 之 建 築 物 傾 斜 量 卻 已 遠 超 過 監 測 管 理 值 , 地 表 面 亦 產 生 了 相 當 數 量 之 張 力 裂 縫 ,呈 現 出 邊 坡 不 穩 定 的 徵 兆 。 施 工 單 位 因 此 也 增 加 了 額 外 的 補 強 施 工 , 然 卻 未 能 因 此 而 解 決 該- 249 -

蕭 仲 光 、 楊 長 義斷 層 擾 動 帶 開 挖 之 工 程 行 為 249-258異 常 現 象 , 也 不 瞭 解 工 程 上 的 困 擾 所 在 。本 文 研 究 重 點 在 了 解 :(1) 斷 層 擾 動 帶 高 應 變 能 之 釋 放 機 制 ;(2) 解 壓 後 之 斷 層 擾 動 帶 工程 行 為 解 析 ( 含 弱 化 、 應 變 硬 化 等 );(3) 解 壓 後 之 斷 層 擾 動 帶 長 期 工 程 行 為 。 現 場 試 挖 證 明 ,斷 層 擾 動 帶 之 應 變 能 釋 放 所 引 致 之 地 層 破 壞 機 制 與 速 度 有 別 於 一 般 認 知 , 僅 以 建 構 於 地 質 材料 強 度 的 概 念 或 破 壞 機 制 , 而 盼 ㄧ 體 適 用 於 斷 層 擾 動 帶 上 , 顯 然 與 事 實 不 符 。 應 變 能 釋 放 後之 長 短 期 工 程 性 質 , 與 原 工 址 調 查 結 果 的 差 異 性 亦 值 得 加 以 探 討 。IIIIII圖 1 新 莊 斷 層 下 盤 面 與 新 莊 機 廠 之 空 間 關 係圖 2 新 莊 機 廠 之 地 形 平 面 圖 ( 中 華 顧 問( 中 興 工 程 顧 問 有 限 公 司 ,1996) 工 程 司 ,1999)二 、 斷 層 擾 動 帶 施 工 問 題 探 討2.1 斷 層 擾 動 帶 之 工 程 性 質有 關 斷 層 泥 之 重 要 工 程 性 質 經 收 集 整 理 , 彙 整 如 下 :(1) 級 配 : 同 一 斷 層 帶 內 之 斷 層 泥 級 配 處 處 有 變 化 。 此 可 能 與 大 地 應 力 大 小 和 風 化 的 程 度 有關 。 值 得 注 意 的 是 , 即 使 試 體 中 含 有 高 比 例 之 粗 顆 粒 , 其 行 為 仍 類 型 黏 土 。 良 好 級 配 之 斷層 泥 比 不 良 好 級 配 之 斷 層 泥 更 具 不 透 水 性 。 新 莊 斷 層 泥 篩 分 析 結 果 , 除 煤 層 之 粗 粒 構 造 百分 比 近 95% 外 , 其 餘 斷 層 泥 之 細 粒 料 百 分 比 則 多 達 50% 以 上 , 顯 示 斷 層 擾 動 帶 之 力 學 行為 主 要 仍 應 受 細 粒 材 料 所 控 制 。(2) 組 構 : 土 壤 和 沉 積 黏 土 通 常 表 現 出 不 同 的 膠 凝 狀 (fIocculated) 結 構 , 然 而 , 斷 層 泥 是 很 緊密 的 , 通 常 呈 分 離 狀 結 構 , 因 此 密 度 較 大 。 肉 眼 所 見 之 斷 層 泥 時 常 顯 現 出 非 常 特 殊 的 擦 痕 ,當 潤 濕 時 擦 痕 非 常 塑 性 ; 氣 乾 時 則 變 硬 。(3) 回 脹 量 與 回 脹 性 質 : 由 劉 俊 杰 (1993)[3] 研 究 指 出 隧 道 內 斷 層 泥 之 自 由 回 脹 量 高 ( 可 達 30%),地 表 斷 層 泥 之 回 脹 量 較 低 (5% 以 下 )。 新 莊 斷 層 泥 之 回 脹 試 驗 結 果 , 自 由 回 脹 量 高 達 3~12%。由 Wahlastrom(1968)[4] 取 自 隧 道 內 斷 層 泥 所 做 試 驗 結 果 顯 示 , 最 終 體 積 改 變 量 可 高 達- 250 -

2006 岩 盤 工 程 研 討 會 論 文 集 , 台 南2006 Taiwan Rock Engineering Symposium, Tainan June 26-2725%, 回 脹 壓 力 可 達 約 5.7(kg/cm 2 )。(4) 剪 力 強 度 參 數 : 由 劉 俊 杰 [3] 研 究 顯 示 : 隧 道 內 斷 層 泥 有 較 高 剪 力 強 度 , 但 經 吸 水 自 由 回 脹後 其 剪 力 強 度 明 顯 下 降 , 與 地 表 斷 層 泥 之 剪 力 強 度 相 當 。 此 乃 意 謂 著 地 表 斷 層 泥 因 受 長 期的 反 覆 吸 水 回 脹 , 所 以 強 度 降 低 [4]。 新 莊 斷 層 擾 動 帶 之 力 學 參 數 則 歸 納 如 下 [2]: 尖 峰 凝 聚力 Cp=0.02~0.84 kg/cm 2 ( 平 均 0.21 kg/cm 2 )、 尖 峰 摩 擦 角 φ p =13.5~36.6 o ( 平 均 25.5 o )、殘 餘 凝 聚 力 Cr=0.01~0.69 kg/cm 2 ( 平 均 0.16 kg/cm 2 )、 殘 餘 摩 擦 角 φ r :13.3~33.4 o ( 平 均24.4 o )、 單 軸 壓 縮 強 度 :0.66~8.46 kg/cm 2 ( 平 均 4.91 kg/cm 2 )。 設 計 單 位 係 採 用 殘 餘 強度 進 行 新 莊 機 廠 工 程 之 相 關 設 計 , 然 就 斷 層 擾 動 帶 之 解 壓 及 吸 水 回 脹 後 強 度 分 析 結 果 , 似乎 仍 較 殘 餘 強 度 低 許 多 , 此 意 味 斷 層 擾 動 帶 之 工 程 力 學 參 數 選 擇 應 更 為 謹 慎 。2.2 斜 坡 明 挖 工 法依 新 莊 機 廠 之 設 計 圖 : 道 路 A 之 下 邊 坡 坡 面 保 護 係 採 用 V:H=1:1.5 之 斜 坡 開 挖 , 並 於開 挖 後 坡 面 掛 網 且 以 厚 度 8cm 噴 凝 土 保 護 , 坡 面 之 穩 定 則 以 格 樑 擋 土 牆 加 岩 釘 之 方 式 施 工 ,如 圖 3 所 示 ( 設 計 單 位 提 供 之 邊 坡 穩 定 分 析 安 全 係 數 均 符 合 相 關 規 範 之 要 求 )。 道 路 B 之 邊坡 開 挖 則 是 以 階 段 式 自 然 穩 定 邊 坡 開 挖 施 工 , 每 階 之 邊 坡 高 度 約 6.5 公 尺 , 第 一 階 開 挖 之 坡度 採 用 V:H=1:0.5( 約 60°) 之 斜 坡 開 挖 , 第 二 階 開 挖 之 坡 度 採 用 V:H=1:1.5( 約 30°)之 斜 坡 開 挖 , 上 下 階 邊 坡 之 平 台 為 3 公 尺 , 如 圖 4。93 年 3 月 間 位 於 距 離 道 路 A 坡 趾 約 20 公 尺 ( 最 近 距 離 ) 外 , 曾 進 行 維 修 工 廠 員 工 區 之基 礎 開 挖 工 程 ( 坡 趾 高 程 已 出 露 斷 層 擾 動 帶 , 基 礎 開 挖 均 在 斷 層 擾 動 帶 中 進 行 ), 但 因 道 路 A側 坡 頂 之 監 測 量 測 值 變 化 過 大 , 在 審 慎 考 量 後 決 定 先 行 回 填 。 及 至 93 年 7 月 , 為 防 止 邊 坡 滑動 危 及 邊 坡 上 方 之 建 築 物 , 於 基 礎 開 挖 線 與 坡 址 間 加 設 預 壘 排 樁 ( 深 度 未 穿 過 斷 層 擾 動 帶 ),開 挖 工 法 仍 採 用 原 設 計 之 斜 坡 明 挖 ( 坡 度 V:H=1:1.5), 但 基 礎 開 挖 後 , 道 路 A 側 之 建 築 物及 地 表 龜 裂 情 形 反 而 加 劇 , 在 SIS1-15 傾 度 管 深 度 6 公 尺 處 產 生 疑 似 滑 動 面 位 移 之 轉 折 點 ,位 移 量 約 1.5 公 分 。 有 關 此 區 位 之 監 測 資 料 歷 時 曲 線 變 化 如 圖 5 及 圖 6 所 示 。道 路 B 施 工 便 道 地 層 分 布 除 1.8~2.5 公 尺 厚 表 層 覆 土 外 , 施 工 多 在 新 莊 斷 層 之 斷 層 泥 中開 挖 。 於 91 年 9 月 即 行 邊 坡 降 挖 施 工 ( 第 一 階 段 邊 坡 降 挖 , 採 V:H=1:0.5 坡 度 , 高 度 約6.5 公 尺 ), 而 施 工 初 期 於 道 路 B(0K+620) 北 側 之 台 南 七 、 八 、 九 舍 ( 樂 生 療 養 院 院 舍 ) 地坪 發 生 龜 裂 。 於 是 在 92 年 1 月 埋 設 土 中 傾 度 觀 測 管 SIS1-6 及 SIS1-7 兩 支 。92 年 4 月 間 測 得SIS1-6 於 深 度 6 及 16 公 尺 處 發 現 轉 折 位 移 , 而 SIS1-7 亦 於 深 度 12 公 尺 處 發 現 明 顯 轉 折 位 移 。第 二 階 段 降 挖 施 工 時 , 裝 設 於 坡 頂 近 坡 面 之 SIS-8 於 深 度 16 公 尺 處 產 生 轉 折 點 位 移 , 位 移 量約 2.0 公 分 。 為 進 一 步 了 解 邊 坡 穩 定 之 機 制 , 另 擇 一 處 邊 坡 剖 面 ( 原 有 SIS1-8 位 置 ) 前 後 加設 傾 度 觀 測 管 SIS1-9 及 SIS1-10, 及 至 92 年 9 月 2 日 道 路 B 再 進 行 降 挖 深 度 約 2 公 尺 , 邊 坡並 未 再 有 顯 著 滑 移 。 但 在 92 年 10 月 03 日 距 道 路 坡 趾 7 公 尺 外 建 築 工 地 , 拆 除 第 一 層 撐 後 [5],- 251 -

蕭 仲 光 、 楊 長 義斷 層 擾 動 帶 開 挖 之 工 程 行 為 249-258SIS1-8 及 SIS1-10 卻 發 現 轉 折 位 移 量 大 增 。 監 測 歷 時 曲 線 整 理 如 圖 7 及 圖 8 所 示 [5], 邊 坡 滑移 之 剖 面 示 意 圖 詳 圖 4。圖 3 道 路 A 坡 址 邊 坡 開 挖 方 式 示 意 圖圖 4 推 測 道 路 B(No29) 邊 坡 可 能 滑 動 機 制 剖 面 圖SIS - A Area ( 6m )242016維 修 工 廠 員 工 區 開 挖 , 開 挖 採 斜 坡 明 挖 方 式(V:H=1:1.5) , 深 度 約 五 公 尺 , 開 挖 時間 : 93.7.7~93.7.13SIS 1-12 (A)1500TI - A Area ( 1-3 )TI1-3(1-3)TI1-4(1-3)TI1-5(1-3)TI1-6(1-3)TI1-7(1-3)TI1-8(1-3)位 移 量 (mm)12840-4SIS 1-12 (B)SIS 1-13 (A)SIS 1-13 (B)SIS 1-14 (A)SIS 1-14 (B)SIS 1-15 (A)SIS 1-15 (B)傾 斜 量 ( 秒 )10005000-500維 修 工 廠 員 工 區 開 挖 , 開 挖 採 斜 坡明 挖 方 式 (V:H=1:1.5) , 深 度約 五 公 尺 , 開 挖 時 間 :93.7.7~93.7.13道 路 A0K+260~290 邊 坡開 挖 及 修 坡TI1-9(1-3)TI1-10(1-3)TI1-11(1-3)TI1-12(1-3)TI1-13(1-3)TI1-6-1(1-3)TI1-16(1-3)TI1-17(1-3)TI1-18(1-3)TI1-19(1-3)TI1-20(1-3)TI1-21(1-3)TI1-22(1-3)-8-1293.2.4No.2 滯 洪 池開 挖 , 93.2.29 維修 工 廠 開 挖道 路 A0K+260~290 邊 坡開 挖 及 修 坡-100093.2.4No.2 滯 洪 池開 挖 , 93.2.29 維修 工 廠 開 挖TI1-23(1-3)TI1-24(1-3)TI1-25(1-3)TI1-26(1-3)TI1-27(1-3)-160 50 100 150 200 250 300 350 400(93/1/1)累 積 天 數 ( 日 )(94/1/7)-15000 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650(92/5/12) 累 積 天 數 ( 日 )(94/1/7)TI1-28(1-3)TI1-29(1-3)TI1-30(1-3)TI1-31(1-3)TI1-2(1-3)圖 5 道 路 A 區 域 傾 度 管 監 測 資 料 歷 時 曲 線圖 6 道 路 A 區 域 建 物 傾 斜 儀 監 測 資 料 歷 時 曲 線TI - B Area ( 1-3 )SIS - B Area ( 10 m )160位 移 量 (mm)8091.9.14 道 路 B70 便 道 開 挖 ,91.11.11 坡 頂60之 房 舍 與 地 面即 發 生 龜 裂 ,50資 料 詳 道 路 B40 施 工 時 間 序 列表 ( 附 錄 三 )92.10.4SIS1-8(16m)&SIS1-10(10m) 產 生 明 顯 之 轉 折位 移 , 經 查 證 道 路 B 未 有 施 工 行 為 , 而 其 下 之 建 築 工 地 基30礎 開 挖 於 92.10.3 進 行 第 一 層 撐 之 拆 除 作 業 。 經 檢 核 SIS1-1020於 92.9.16~92.10.4 因 損 壞 無 量 測 資 料 , 根 據 SIS1-8 研判 , 變 位 係 於 92.10.3~4 間 發 生 。100-10-20道 路 B 係 於 92.6.27~92.9.17 間 陸 續 降 挖-300 50 100 150 200 250 300 350SIS 1-8 (A)SIS 1-8 (B)SIS 1-9 (A)SIS 1-9 (B)SIS 1-10 (A)SIS 1-10 (B)SIS 1-11 (A)SIS 1-11 (B)傾 斜 量 ( 秒 )道 路 B 係 於 92.6.27~92.9.17 間 陸 續 降 挖12080400-4091.9.14 道 路 B-80便 道 開 挖 ,91.11.11 坡 頂 之房 舍 與 地 面 即 發 92.10.4SIS1-8(16m)&SIS1-10(10m) 產 生 明 顯 之 轉 折-120生 龜 裂 , 資 料 詳 位 移 , 經 查 證 道 路 B 未 有 施 工 行 為 , 而 其 下 之 建 築 工 地 基道 路 B 施 工 時 間礎 開 挖 於 92.10.3 進 行 第 一 層 撐 之 拆 除 作 業 。 經 檢 核 SIS1--160 序 列 表 ( 附 錄10 於 92.9.16~92.10.4 因 損 壞 無 量 測 資 料 , 根 據 SIS1-8 研三 )判 , 變 位 係 於 92.10.3~4 間 發 生 。-2000 60 120 180 240 300 360TI1-7(1-3)TI1-8(1-3)TI1-9(1-3)TI1-14(1-3)TI1-15(1-3)TI1-2(1-3)(92/8/1) 累 積 天 數 ( 日 )(93/6/26)(92/7/18) (92/10/16)累 積 天 數 ( 日 )(93/5/11) (93/7/7)圖 7 道 路 B 區 域 傾 度 管 監 測 資 料 歷 時 曲 線圖 8 道 路 B 區 域 建 物 傾 斜 儀 監 測 資 料 歷 時 曲 線- 252 -

2006 岩 盤 工 程 研 討 會 論 文 集 , 台 南2006 Taiwan Rock Engineering Symposium, Tainan June 26-272.3 擋 土 支 撐 工 法位 於 道 路 A 下 方 之 滯 洪 沉 砂 池 基 礎 開 挖 ( 相 關 位 置 及 現 場 彩 照 如 圖 3) 較 維 修 工 廠 員 工區 位 置 更 貼 近 道 路 A 坡 趾 , 其 開 挖 深 度 雖 僅 4~5 公 尺 , 但 為 避 免 重 蹈 覆 策 , 經 捷 運 局 及 細 設顧 問 ( 中 華 顧 問 工 程 司 ) 同 意 變 更 設 計 採 水 平 支 撐 擋 土 工 法 ( 原 設 計 為 斜 坡 明 挖 工 法 )。 且 為了 解 斷 層 擾 動 帶 之 開 挖 解 壓 後 , 產 生 之 側 向 壓 力 與 側 向 解 壓 回 脹 率 之 相 關 性 , 增 加 應 力 及 應變 之 觀 測 系 統 , 期 透 過 第 一 階 段 開 挖 之 解 壓 回 脹 特 性 及 架 設 第 一 層 撐 後 之 第 二 階 段 開 挖 過 程之 應 力 及 應 變 關 係 , 與 設 計 分 析 結 果 [6] 進 行 回 饋 及 比 對 ; 另 因 滯 洪 沉 砂 池 分 三 區 段 施 工 , 而第 一 區 段 施 工 部 分 係 與 維 修 工 廠 員 工 區 開 挖 位 置 重 疊 ; 第 二 區 段 施 工 部 份 , 其 重 疊 部 分 則 少 ,為 進 行 相 關 比 較 , 亦 於 第 二 區 段 施 工 時 比 照 第 一 區 段 施 工 時 之 監 測 系 統 辦 理 ; 其 實 際 施 工 之監 測 結 果 與 滯 洪 沉 砂 池 之 基 礎 開 挖 施 工 前 提 送 之 計 算 書 分 析 結 果 值 比 對 如 表 1 所 示 。表 1 滯 洪 沉 砂 池 段 分 析 計 算 與 監 測 值 比 較第 一 區第 二 區計 算 值 監 測 值 計 算 值 監 測 值最 大 變 位 ,cm 6.15 1.28 6.15 4.05最 大 支 撐 軸 力 ,T 146.14 26.11 146.14 79.79綜 觀 滯 洪 沉 砂 池 第 一 、 二 區 位 之 基 礎 開 挖 監 測 結 果 之 差 異 性 進 行 比 對 分 析 , 其 力 與 位 移除 與 原 分 析 計 算 之 結 果 ( 按 原 變 更 設 計 係 以 有 效 應 力 分 析 , 且 以 一 般 較 保 守 之 土 壤 力 學 參 數模 擬 ) 有 極 大 之 出 入 外 , 相 同 之 開 挖 深 度 規 模 , 產 生 之 應 力 與 應 變 亦 達 數 倍 之 遠 。 研 判 該 差異 性 應 歸 因 於 維 修 工 廠 員 工 區 之 開 挖 側 向 解 壓 , 已 大 部 分 釋 放 了 斷 層 擾 動 帶 之 應 變 能 量 之 故 。另 外 , 為 進 一 步 了 解 側 向 解 壓 之 力 與 位 移 關 係 之 機 制 , 本 文 進 行 簡 易 之 現 場 測 試 。 亦 即是 , 將 位 於 傾 度 觀 測 管 位 置 之 水 平 支 撐 的 軸 力 解 除 , 以 觀 察 其 他 鄰 近 支 撐 軸 力 間 的 調 整 與 側向 位 移 的 改 變 。 結 果 發 現 : 側 向 位 移 於 管 頂 之 合 位 移 僅 增 加 了 約 1mm, 其 他 水 平 支 撐 軸 力 也僅 增 加 了 2~3 噸 ( 似 乎 是 平 均 分 配 ), 之 後 便 保 持 相 當 穩 定 的 狀 態 。最 後 , 於 滯 洪 沉 砂 池 之 基 礎 結 構 及 側 牆 結 構 體 完 工 後 , 工 地 即 先 行 拆 除 擋 土 之 水 平 支 撐 ,側 牆 與 擋 土 結 構 間 尚 留 有 0.5~1.0m 之 間 隙 。 因 此 , 此 刻 擋 土 措 施 除 鋼 軌 外 , 約 有 五 公 尺 之 高度 已 無 支 撐 。 從 監 測 結 果 顯 示 : 於 拆 除 水 平 支 撐 後 , 管 頂 之 合 位 移 亦 僅 增 加 了 約 1mm。 且 依據 以 鋼 軌 間 並 無 帽 梁 聯 繫 所 產 生 之 側 向 擋 土 支 撐 作 用 下 , 僅 由 各 鋼 軌 以 懸 臂 方 式 擋 土(@50cm), 其 能 發 揮 之 擋 土 效 應 應 極 為 有 限 。 故 若 依 一 般 分 析 設 計 經 驗 , 拆 撐 後 之 無 支 撐 高度 過 大 , 可 能 產 生 較 大 量 之 側 向 位 移 , 進 而 造 成 礎 開 挖 之 危 害 。 此 點 與 本 斷 層 擾 動 帶 地 層 之開 挖 行 為 似 乎 有 極 大 的 異 常 。 由 上 述 實 例 之 論 述 , 斷 層 擾 動 帶 上 之 開 挖 施 工 結 果 , 擋 土 支 撐工 法 似 乎 較 斜 坡 明 挖 工 法 之 選 擇 正 確 , 但 因 施 工 順 序 及 地 層 變 化 錯 綜 複 雜 , 實 際 上 的 斷 層 擾動 帶 機 制 則 有 待 進 一 步 之 驗 證 , 以 提 供 正 確 之 分 析 研 判 。- 253 -

蕭 仲 光 、 楊 長 義斷 層 擾 動 帶 開 挖 之 工 程 行 為 249-2583.1 試 挖 試 驗 之 構 想 及 監 測 規 劃三 、 斷 層 擾 動 帶 現 場 試 挖 試 驗為 了 解 斷 層 擾 動 帶 開 挖 之 側 向 解 壓 機 制 , 故 於 滯 洪 沉 砂 池 第 二 區 段 施 工 位 置 於 未 進行 擋 土 措 施 打 設 前 , 選 擇 適 當 位 置 進 行 垂 直 開 挖 現 地 試 挖 ( 擬 定 之 試 挖 規 模 為 深 度 五 公 尺 ,寬 度 十 公 尺 , 維 持 寬 深 比 在 兩 倍 以 上 , 避 免 端 點 束 制 效 應 影 響 試 挖 結 果 , 垂 直 於 開 挖 線 方 向之 範 圍 則 以 施 工 機 具 考 量 為 主 , 原 則 上 至 少 三 公 尺 ), 事 前 並 於 開 挖 面 外 側 裝 設 傾 度 觀 測 管 ,以 監 測 試 挖 後 之 側 向 變 位 行 為 。 正 式 開 挖 試 驗 前 一 周 已 安 裝 妥 傾 度 觀 測 管 , 並 持 續 自 動 監 測觀 測 管 內 位 移 初 始 值 之 穩 定 與 否 , 直 至 各 觀 測 點 ( 觀 測 深 度 設 在 1.5、2.5、5 及 10m 處 ) 觀 測 值趨 於 穩 定 , 才 正 式 進 行 試 挖 觀 測 試 驗 。試 驗 時 間 是 於 94 年 9 月 7 日 早 上 11 時 30 分 左 右 開 始 , 並 以 傾 度 觀 測 管 為 中 央 參 考 點 向左 向 右 各 5 公 尺 為 試 挖 範 圍 , 先 由 中 央 距 傾 度 觀 測 管 100 公 分 位 置 處 進 行 開 挖 , 在 向 左 右 持續 擴 挖 。 試 驗 過 程 中 , 儘 可 能 不 讓 開 挖 抓 斗 開 挖 動 作 撞 擊 影 響 到 正 常 的 側 向 變 位 行 為 ( 其 現象 事 後 由 自 動 化 監 測 變 位 資 料 亦 可 研 判 分 離 之 )。 約 歷 經 一 小 時 之 後 , 開 挖 完 成 寬 度 約 10 公尺 、 深 度 約 3 公 尺 之 試 挖 區 , 詳 見 圖 9 之 斷 層 擾 動 帶 試 挖 彩 照 。其 間 , 在 3 公 尺 深 之 開 挖 過 程 中 , 共 分 二 階 段 開 挖 : 第 一 階 開 挖 1.9 公 尺 , 第 二 階 再 挖 至3 公 尺 左 右 之 深 度 。 開 挖 至 1.9 公 尺 時 , 在 距 開 挖 邊 緣 線 1 與 3 公 尺 處 的 地 表 面 分 別 已 產 生 了 寬度 1 公 分 與 0.5 公 分 左 右 之 張 力 裂 縫 。 而 當 開 挖 至 3 公 尺 深 時 , 地 表 面 之 張 力 裂 縫 寬 度 持 續 快速 擴 大 , 直 至 開 挖 完 成 後 的 2 小 時 , 距 離 開 挖 線 1m 之 裂 縫 寬 度 張 開 到 5 公 分 左 右 時 , 張 力 裂 縫向 下 垂 直 貫 入 而 分 離 地 層 , 開 挖 試 坑 側 壁 ( 左 側 ) 最 後 終 於 產 生 了 張 裂 - 翻 倒 破 壞 (tension-cracktoppling)[5-6]。圖 9 試 挖 區 傾 度 管 埋 設 與 開 挖 線 相 對 位 置圖 10 開 挖 外 側 各 深 度 之 位 移 速 率- 254 -

2006 岩 盤 工 程 研 討 會 論 文 集 , 台 南2006 Taiwan Rock Engineering Symposium, Tainan June 26-273.2 試 驗 結 果 之 詮 釋有 關 該 試 驗 在 四 個 深 度 處 所 監 測 得 之 側 向 位 移 量 變 化 與 時 間 關 係 示 如 圖 10 所 示 。 由 圖 中可 知 : 在 深 度 1.5 公 尺 處 之 側 向 位 移 速 率 約 為 17.5mm/hr、 深 度 2.5 公 尺 處 之 位 移 速 率 約 為4.2mm/hr。 在 側 向 解 壓 推 力 作 用 下 導 致 側 向 位 移 增 加 , 開 挖 側 面 之 局 部 崩 解 塊 體 終 於 造 成 翻倒 坡 壞 。 此 一 現 象 , 無 論 是 依 開 挖 深 度 範 圍 內 斷 層 擾 動 帶 取 樣 地 質 材 料 之 力 學 強 度 試 驗 結 果( 單 軸 壓 縮 強 度 約 為 2kg/cm 2 ), 或 採 用 細 部 設 計 階 段 選 用 之 力 學 參 數 , 以 開 挖 深 度 約 3 公 尺之 試 挖 區 , 理 論 或 實 務 經 驗 上 研 判 , 應 不 至 於 會 產 生 破 壞 。 例 如 , 以 一 般 工 程 經 驗 為 例 , 如一 位 於 竹 科 區 內 之 開 挖 , 淺 層 五 公 尺 深 度 內 多 為 紅 土 - 粉 質 粘 土 , 其 N 值 平 均 約 6, 不 排 水 剪力 強 度 則 約 0.4kg/cm 2 , 其 垂 直 開 挖 深 度 達 3 公 尺 以 上 , 且 有 重 車 行 駛 於 坡 面 上 , 其 穩 定 之 狀況 相 當 良 好 並 無 崩 壞 之 虞 。 但 此 次 試 挖 所 見 卻 是 發 生 一 次 明 確 的 張 裂 - 翻 倒 坡 壞 模 式 , 尤 其是 在 開 挖 後 解 壓 張 力 裂 縫 發 展 速 度 的 快 速 , 及 地 層 快 速 被 推 擠 崩 解 的 特 性 , 證 諸 在 斷 層 擾 動帶 內 之 分 析 開 挖 破 壞 模 式 應 與 黏 土 分 析 模 式 有 所 不 同 。四 、 斷 層 擾 動 帶 之 工 程 行 為 解 析4.1 斷 層 擾 動 帶 應 變 能 之 釋 放在 No.1 滯 洪 沉 砂 池 第 一 區 段 開 挖 部 分 , 採 用 擋 土 內 支 撐 工 法 , 開 挖 結 果 顯 示 ( 開 挖 深 度介 於 4.5~5.5m), 實 際 最 大 變 位 約 1.2 公 分 ; 最 大 之 支 撐 軸 力 則 介 於 18~30 噸 之 間 , 也 對 道路 A 上 方 之 建 築 物 及 地 表 則 幾 乎 沒 有 受 到 任 何 的 影 響 。 相 對 的 , 於 先 前 維 修 工 廠 員 工 區 基 礎之 斜 坡 明 挖 階 段 , 卻 可 導 致 道 路 A 上 方 之 建 築 物 及 地 表 產 生 明 顯 之 水 平 及 垂 直 位 移 量 , 顯 然有 值 得 探 討 之 處 。 初 步 推 斷 之 合 理 解 釋 , 可 能 是 維 修 工 廠 員 工 區 基 礎 開 挖 時 已 先 ㄧ 步 解 除 斷層 帶 之 高 應 變 能 的 結 果 。新 莊 機 廠 施 工 以 來 , 每 於 斷 層 擾 動 帶 中 開 挖 施 工 , 所 引 起 各 項 監 測 系 統 觀 測 值 遠 遠 超 過施 工 圖 說 訂 定 之 管 理 行 動 值 , 其 後 綜 合 各 種 施 工 實 況 加 以 推 演 及 論 證 , 發 現 斷 層 擾 動 帶 之 高應 變 能 釋 放 之 速 度 極 快 ( 有 關 能 量 釋 放 與 施 工 進 度 間 之 關 係 , 仍 待 進 一 步 由 自 動 化 監 測 資 料加 以 研 判 分 析 ), 殘 餘 之 應 變 能 對 後 續 施 工 行 為 則 無 甚 大 影 響 。 對 於 高 應 變 能 釋 放 後 之 裂 隙 發展 及 斷 層 泥 材 料 本 身 , 因 吸 水 回 脹 所 引 致 高 回 脹 壓 力 或 變 形 部 份 則 相 較 不 明 顯 。4.2 反 算 分 析 之 論 證經 由 滯 洪 沉 砂 池 基 礎 開 挖 之 監 測 系 統 實 測 資 料 與 原 變 更 設 計 分 析 之 結 果 之 比 較 , 可 知 其間 的 差 異 性 很 大 。 因 此 , 本 文 採 用 RIDO 程 式 進 行 反 算 分 析 , 以 進 ㄧ 步 了 解 其 間 之 差 異 原 因 ,RIDO 程 式 分 析 結 果 與 實 測 值 之 比 較 如 圖 11 所 示 。 結 果 顯 示 , 考 慮 解 壓 作 用 在 斷 層 擾 動 帶 可能 影 響 深 度 範 圍 內 , 可 能 使 擾 動 帶 之 強 度 大 幅 弱 化 , 若 令 其 不 排 水 剪 力 強 度 隨 深 度 , 由 開 挖面 下 的 10t/m 2 以 線 性 遞 減 方 式 漸 減 至 2~3t/m 2 , 如 圖 11 所 示 , 則 可 相 當 有 效 的 加 以 模 擬 實 際- 255 -

()蕭 仲 光 、 楊 長 義斷 層 擾 動 帶 開 挖 之 工 程 行 為 249-258開 挖 後 之 監 測 反 應 值 。土 壤 中 傾 斜 儀 SIS1-16(A0-180)0-1-2-3-4-5位 移 量 (mm)-10.00 0.00 10.00 20.00 30.00深度-6-7-8m-9-10-11-12-13-14-15-161st Exc.-1.8m1st Strut2nd Exc.-5m1st Exc.-1.8m(Rido)1st Strut(Rido)2nd Exc.-5m(Rido)圖 11 開 挖 實 測 值 與 RIDO 反 算 分 析 結 果 比 較4.3 解 壓 後 之 斷 層 擾 動 帶 長 期 工 程 行 為維 修 工 廠 員 工 區 與 滯 洪 沉 砂 池 第 一 施 工 區 段 施 工 位 置 幾 乎 重 疊 ( 見 圖 3), 開 挖 深 度 約 略相 等 , 而 滯 洪 池 之 位 置 更 貼 近 坡 趾 , 更 接 近 鄰 房 , 推 論 理 應 滯 洪 沉 砂 池 之 開 挖 對 鄰 近 地 表 及鄰 房 之 變 位 影 響 較 維 修 工 廠 員 工 區 之 開 挖 當 有 過 之 而 無 不 及 。 故 而 滯 洪 池 改 採 較 安 全 之 擋 土支 撐 開 挖 工 法 , 但 出 乎 預 料 之 外 的 是 : 不 僅 支 撐 軸 力 及 側 向 變 位 均 極 小 , 對 於 邊 坡 及 鄰 近 建築 構 造 物 也 完 全 沒 有 影 響 。 推 測 應 為 滯 洪 池 位 置 及 其 上 邊 坡 之 斷 層 擾 動 帶 之 高 應 變 能 均 已 於維 修 工 廠 員 工 區 開 挖 後 釋 放 殆 盡 ; 但 因 斷 層 擾 動 帶 內 岩 石 材 料 於 弱 化 後 本 身 之 強 度 尚 仍 不 低( 不 考 慮 解 壓 效 應 ), 故 於 後 續 的 滯 洪 池 開 挖 , 雖 然 採 用 了 擋 土 支 撐 工 法 , 但 因 沒 有 太 大 的側 壓 力 作 用 , 所 以 反 應 出 的 支 撐 軸 力 與 側 位 移 發 展 量 均 相 當 有 限 , 當 然 也 就 不 至 於 對 鄰 近 邊坡 穩 定 與 鄰 房 安 全 造 成 任 何 的 影 響 。 斷 層 擾 動 帶 施 工 階 段 , 因 其 高 應 變 能 之 釋 放 , 產 生 了 出乎 一 般 工 程 性 質 可 能 預 測 的 範 圍 ; 但 於 應 變 能 釋 放 後 , 斷 層 擾 動 帶 即 刻 趨 於 安 定 , 此 點 可 由本 案 工 程 完 成 後 之 持 續 監 測 結 果 得 到 初 步 之 驗 證 ; 更 可 由 後 續 適 當 之 施 工 方 法 得 到 印 證 。 故斷 層 擾 動 帶 施 工 完 成 後 之 長 期 工 程 行 為 應 是 安 定 的 。斷 層 擾 動 帶 在 高 應 變 能 釋 放 後 , 隨 即 產 生 較 大 之 變 形 , 然 而 在 變 位 達 穩 定 後 , 地 層 之 強度 似 乎 逐 漸 回 復 , 使 得 支 撐 解 壓 並 拆 除 後 , 變 位 幾 乎 不 再 增 加 ; 圖 12 即 為 滯 洪 沉 砂 池 第 二 區段 開 挖 支 撐 拆 撐 後 , 位 於 開 挖 面 外 之 土 中 傾 度 管 ( 距 開 挖 線 均 在 1 公 尺 範 圍 內 ) 之 側 向 變 位的 情 形 ( 拆 除 支 撐 之 完 成 時 間 為 94.12.22)。 解 析 此 等 工 程 行 為 之 可 能 討 論 如 下 : 對 於 此 種 內含 高 應 變 能 之 地 質 材 料 , 初 期 可 能 因 地 層 解 壓 變 形 而 導 致 強 度 弱 化 , 然 因 斷 層 擾 動 材 料 於 應變 能 釋 放 後 組 構 並 未 產 生 改 變 , 當 一 定 之 塑 性 變 形 產 生 後 , 研 判 地 層 之 塑 性 變 形 模 數 增 大 ,故 於 解 除 支 撐 軸 力 後 , 地 層 之 自 立 性 仍 佳 , 並 無 顯 著 之 側 向 位 移 增 加 。 抑 或 因 高 應 變 能 釋 放- 256 -

(())2006 岩 盤 工 程 研 討 會 論 文 集 , 台 南2006 Taiwan Rock Engineering Symposium, Tainan June 26-27反 應 於 支 撐 軸 力 及 側 向 位 移 上 , 而 大 部 分 支 撐 軸 力 亦 已 內 含 於 側 向 位 移 中 , 導 致 支 撐 軸 力 解除 後 , 位 移 便 無 顯 著 增 加 的 現 象 。土 壤 中 傾 斜 儀 SIS1-18(A0-180)位 移 量 (MM)-10 0 10 20 30 400土 壤 中 傾 斜 儀 SIS1-20(A0-180)位 移 量 (MM)-10 0 10 20 30 40 500-1-1-2-2-3-3-4-4-5-5-6深 -7度-8M-9-6深 -7度-8M-9-10-10-11-11-1294/12/16-1294/12/16-1394/12/20-1394/12/20-1494/12/22-1494/12/22-1594/12/23-1594/12/23-16-16圖 12 滯 洪 沉 砂 池 第 二 區 段 施 工 拆 撐 前 後 變 位 圖五 、 結 論1. 在 No.1 滯 洪 沉 砂 池 第 一 區 段 開 挖 部 分 , 採 用 擋 土 內 支 撐 工 法 , 開 挖 結 果 顯 示 ( 開 挖 深 度介 於 4.5~5.5m), 實 際 最 大 變 位 約 1.2 公 分 ; 最 大 之 支 撐 軸 力 則 介 於 18~30 噸 之 間 。 對 道路 A 上 方 之 建 築 物 及 地 表 則 幾 乎 沒 有 受 到 任 何 的 影 響 。 相 對 於 維 修 工 廠 員 工 區 基 礎 之 斜坡 明 挖 階 段 , 卻 導 致 道 路 A 上 方 之 建 築 物 及 地 表 產 生 明 顯 之 水 平 及 垂 直 位 移 量 , 顯 有 相當 值 得 探 討 之 處 。 初 步 研 判 推 斷 之 合 理 解 釋 , 可 能 是 維 修 工 廠 員 工 區 基 礎 開 挖 時 已 先 ㄧ 步解 除 斷 層 帶 之 高 應 變 能 釋 放 的 結 果 。2. 本 研 究 以 RIDO 程 式 進 行 反 算 滯 洪 沉 砂 池 基 礎 開 挖 實 測 結 果 , 目 前 發 現 採 用 弱 化 力 學 參 數的 方 式 ( 可 能 肇 因 於 開 挖 解 壓 ), 可 模 擬 實 際 開 挖 前 後 及 現 場 拆 撐 解 壓 試 驗 的 情 形 。3. 斷 層 擾 動 帶 垂 直 試 挖 所 見 , 為 明 確 的 張 裂 - 翻 倒 坡 壞 模 式 , 尤 其 是 在 開 挖 後 解 壓 張 力 裂 縫發 展 速 度 的 快 速 , 及 地 層 快 速 被 推 擠 崩 解 的 特 性 , 證 諸 在 斷 層 擾 動 帶 內 之 分 析 開 挖 破 壞 模式 應 與 黏 土 分 析 模 式 有 所 不 同 。4. 以 擋 土 措 施 及 內 支 撐 方 式 作 為 基 礎 開 挖 工 法 時 , 應 考 慮 增 加 支 撐 軸 力 ( 預 留 支 撐 勁 度 容 量 )之 設 計 。 於 斷 層 擾 動 帶 之 工 程 設 計 方 法 , 初 步 建 議 可 考 慮 隨 開 挖 階 段 導 致 地 層 解 壓 深 度 之強 度 弱 化 ( 模 擬 解 壓 效 應 ), 弱 化 強 度 可 採 原 地 層 強 度 之 1/5~1/10, 並 應 以 總 應 力 之 合 理地 層 參 數 模 式 分 析 , 則 應 可 提 供 臨 時 性 施 工 之 安 全 。 初 步 顯 示 對 於 斷 層 擾 動 帶 之 地 層 , 只要 能 有 效 釋 放 其 原 儲 存 於 地 層 中 之 應 變 能 , 則 以 斷 層 擾 動 帶 之 工 程 特 性 ( 不 考 慮 回 脹 壓 力之 性 質 ) 而 言 , 其 基 礎 施 工 對 於 現 有 之 工 程 施 工 技 術 , 應 是 足 以 克 服 且 安 全 無 虞 的 。- 257 -

蕭 仲 光 、 楊 長 義斷 層 擾 動 帶 開 挖 之 工 程 行 為 249-2585. 斷 層 擾 動 帶 中 之 開 挖 施 工 問 題 , 主 要 之 關 鍵 有 二 , 一 為 側 向 解 壓 之 應 力 釋 放 所 產 生 之 張 力裂 縫 問 題 , 另 一 則 為 抑 制 位 移 ( 裂 縫 ) 引 致 之 額 外 軸 力 設 計 ( 或 地 層 強 度 弱 化 所 引 致 )。故 有 關 斷 層 擾 動 帶 之 邊 坡 穩 定 施 工 , 應 著 重 開 挖 後 之 張 力 裂 縫 之 控 制 , 如 採 用 跳 島 式 開 挖方 式 等 方 式 , 以 達 到 施 工 期 間 安 全 穩 定 之 要 求 。 此 外 , 永 久 性 之 穩 定 設 計 除 應 考 慮 張 力 裂縫 移 位 之 影 響 外 , 對 於 斷 層 解 壓 之 影 響 範 圍 以 及 因 解 壓 可 能 弱 化 地 層 強 度 之 現 象 , 皆 應 保守 因 應 , 以 確 保 永 久 性 之 安 全 與 穩 定 。參 考 文 獻[1]. 中 興 工 程 顧 問 股 份 有 限 公 司 ,「 台 北 都 會 區 大 眾 捷 運 系 統 新 莊 線 新 莊 機 廠 新 莊 斷 層 調 查 報告 」, 台 北 市 政 府 捷 運 工 程 局 (1996)。[2]. 中 華 顧 問 工 程 司 ,「 台 北 都 會 區 大 眾 捷 運 系 統 新 莊 線 新 莊 機 廠 DK-197 設 計 標 工 程 細 部 設計 補 充 地 質 調 查 報 告 」, 台 北 市 政 府 捷 運 工 程 局 (1999)。[3]. 劉 俊 杰 ,「 新 莊 斷 層 及 其 斷 層 泥 特 性 之 研 究 」, 碩 士 論 文 , 中 央 大 學 應 用 地 質 研 究 所 , 桃園 (1993)。[4]. Wahlsstrom, E.E., Robinson, C.S., and Nichols, T.C., “Swelling of rocks in faults in theRoberts tunnel, Colorado,” Eng. Geol. Case Hist. Geol. Soc. Am., 6, pp.83-89 (1968).[5]. 蕭 仲 光 、 楊 長 義 、 朱 專 誌 、 陳 煌 銘 ,「 開 挖 斷 層 泥 導 致 之 解 壓 回 脹 問 題 - 以 捷 運 新 莊 機 廠開 挖 為 例 」, 第 十 一 屆 大 地 工 程 學 術 研 討 會 , 萬 里 (2005)。[6]. 工 信 工 程 股 份 有 限 公 司 ,「 台 北 都 會 區 捷 運 系 統 工 程 新 莊 線 CK570F 區 段 標 工 程 NO.1 滯洪 池 開 挖 計 算 書 」(2005)。[7]. 工 信 工 程 股 份 有 限 公 司 ,「 新 莊 機 廠 No.1 滯 洪 沉 砂 池 開 挖 監 測 暨 斷 層 擾 動 帶 現 場 開 挖 試驗 監 測 成 果 分 析 報 告 」(2005)。[8]. Yang,Z.Y., Hsiao,J.Q., and Chen,H.M., “Stress-released slope movement induced byexcavation in fault zone”, EuRock2006, Beigium, 4p. (2006, accepted).ABSTRACTThis paper aims to capture the stress-released behavior of faulted material under excavating.Measurements of deformation and supported force after excavating in the field were explained. Atrial excavation without any supporting is performed in the faulted material to study the actualdeformation behavior. It is found that the deformation rate of this highly-stressed material is rapidlyby releasing stress. The strength is decreasing gradually with the squeezing deformation.Keywords: faulted material, excavation, stress released, strength weakening.- 258 -