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深開挖湧水治理方案探討

深開挖 湧水治理方案探討

撰稿 :尚新民  李明書  劉益宏 /駿馳工程股份有限公司

摘要:

深開挖 : 為因應停車及地下空間運用等需求,地下室多層設計已成為現代都市建築的必要條件。基礎開挖過程萬一遭遇開挖面湧水,可能造成鄰近道路及結構物嚴重破壞,甚至導致社會安全事故。開挖湧水形成原因很多,利用適合的灌漿技術可以迅速有效封堵湧水及改良周邊地層,在短時間內達到止水、降低地層掏空與擾動、地盤改良等目的。本文針對適用於基礎開挖湧水治理的低壓灌漿技術及其適用性進行探討,並提出都會區開挖湧水化學灌漿與熱瀝青灌漿封堵案例進行介紹。 關鍵字:基礎開挖、開挖湧水、地層掏空、化學灌漿、熱瀝青灌漿

1. 前言

近年來為滿足公共建設及人民生活需求,地下室開挖深度日益增加,各項深開挖工程自規劃階段到施工過程,必定依照法規進行詳盡調查與設計。然而因為地質條件的不確定性、地中異物夾埋或人為作業疏失等因素,基礎開挖湧水事件仍時有所聞。基礎開挖湧水屬於施工過程突發性事件,施工單位大多依照既有應變計畫或以往經驗,執行增加降水井或注漿封堵等工作。然而造成湧水的成因及產生性狀各有不同,以往經驗可能不是最有效、省時、經濟的處理方式,甚至會造成湧水現象加劇,導致嚴重事故。

灌漿技術自1931年引進台灣,最初僅搭配水泥漿材作為地盤改良使用。於1980年以後工程技術及工業化學的長足發展,各類新型灌漿技術與特殊漿材被大量開發問世並應用在工程實務中。其中低壓灌漿技術與新型化學藥劑的搭配運用,可以有效控制漿材固化時間及滲透範圍,提供較低地層擾動條件下,達成地質改良、湧水封堵等工程目標。

2.開挖湧水類型與性狀

台灣主要都市大多位於高地下水位區域,基礎開挖設計時,都會經過詳細分析搭配地層條件採用適合的擋土設施配合降水井將地下水位降到工作面以下,以利開挖作業順利進行。但偶爾還是會因特殊因素,出現局部湧水現象。

2.1開挖面湧水類型

常見造成基礎開挖湧水的原因可以分為以下幾類:

(1) 擋土設施長度不足或降水井配置問題,造成開挖面砂湧、上舉。

(2) 基地內、外降水井水頭差造成基地內降水井出砂。

(3) 地層夾埋封堵不完全的管件、鑽探孔、降水井、觀測井或或腐木等異物,形成透水路徑。

(4) 地層中存在遠端高水位連接的古河道或溝渠、舊水井或不均勻砂層夾埋,造成湧水、湧砂。

(5) 開挖面下存在承壓水層或地層變異過大,造成局部上舉破壞,形成低透水性封堵層破裂管湧。

(6) 開挖面下擋土設施存在瑕疵,形成透水路徑。

(7) 基樁(壁樁)、中間樁、逆打樁或降水井側向封堵不完整,造成湧水通路。

(8) 降水井(解壓井)抽水泵故障或斷電,造成砂土層管湧或低透水性封堵層上舉破壞。

(9) 人為擾動,如開挖後增設基地內降水井、高壓噴射灌漿等,造成低透水性封堵層穿孔。

(10) 天災、工程遲延等因素,造成開挖面潛變隆起,形成低透水性封堵層裂隙。

2.2開挖面湧水性狀

根據Juyan Chen等人(2020)對於透水係數10-6 ~ 101 cm/sec的顆粒性土壤地層,在不同開挖階段土壤滲透係數與滲流速度、水力梯度之間關係的研究中,發現每個開挖階段地層孔隙壓力顯著增加。超孔隙壓力驅動的滲流壓,可能產生向上穿過覆蓋土壤的滲透流,因而導致滲流速度可達 8.0×10-1 cm/sec以上的突湧發生。於實務工作中發現,雖然每個工程案具有不同地層條件、土壤性質、降水規劃及擋土設施等條件,但都存在基礎開挖深度越深,基礎面潮濕滲水越明顯的現象。

若是當開挖面下方地層存在夾埋或擋土設施有通透性瑕疵時,便可能依次產生下列湧水性狀。 (1) 開挖面鄰近中間樁、逆打樁、擋土設施、地中壁及降水井出現局部滲水現象。 (2) 開挖面出現局部湧水、出砂現象。 (3) 開挖面出現突湧,伴隨擋土設施變形量加大及周邊道路龜裂。 (4) 開挖面出現大規模

3. 解決方案

解決深開挖湧水的危害,宜考量效果、時間、費用等三要素,針對湧水成因與性狀選擇適當封堵方法。工法選擇時必須同時考慮對於已完成地下設施、後續開挖及地下室構築等影響。

3.1 工法選擇

深開挖湧水解決方案,常採用下列方法視湧水及地層條件單獨或複合運用。 (1) 注水平衡 注水平衡工法適用於基地面積小、湧水量大或湧水中夾帶大量泥砂的個案。其原理為利用減少開挖基地內外水頭差,減少地下水湧出及地層掏空現象。但因為基地內注水會增加內部降水井負荷及影響逆打工法已完成地下室設施,注水高度需搭配開挖面工程現況及上舉、砂湧等安全因素一併考慮。 (2) 加強降水 加強基地內、外原有或增設降水井量能,降低基地內地下水位,以解除或減緩開挖面湧水。因為加強降水會使周邊地下水流線更集中於降水井周邊增加抽排水量,在都會區運用加強降水方式時,須提高周邊設施及擋土設施沉陷監測頻率,同時考慮公共廢水系統負荷能力。 (3) 低壓灌漿 低壓灌漿泛指採用出口壓力小於4000kPa的漿材注入土壤中或岩層縫隙,以滲透、擠壓、劈裂、填充等方式,達到地層加固、湧水封堵或降低地層滲透係數的注漿技術。適用於開挖湧水封堵的低壓注漿工法,如表1所示。

3.2 漿材選擇

當遭逢深開挖湧水情況時,對於湧水路徑、通路規模及水壓力條件等常無法充分掌握,特別在進行緊急封堵以避免災情持續擴大情況下,更不允許耗費過多時間進行詳盡調查。依照普修葉方程式(Hagen-Poiseuille eq.)所列,降低湧水量影響因子有:減少壓力差、減少水路斷面、增大水路長度、提高漿材粘滯度等4項。在適當條件下,除了利用注水平衡方式減少水頭壓力差以外,最好的方式就是利用擾動性較低的注漿方式將粘滯度較高的漿材送入湧水孔道中,逐步降低湧水孔道斷面積。 依照張改玲等人(2011)對於孔內水流與漿材封堵面積的研究,當水流速度達到9cm/sec時封堵材料殘留比例僅餘28%。因此早期遭遇開挖湧水時,採用水泥漿或自膨脹聚氨酯樹脂對湧水位置進行填充、擠壓封堵常常導致失敗。隨著灌漿技術的發展,二重管灌漿工法(Dual Pipe Grouting Method)搭配超瞬凝化學漿(SSA)或超瞬凝化學水泥漿(FLW),或一徑式熱瀝青灌漿工法搭配適當種類瀝青材料,可以有效控制漿材在2~10sec內達到14000cps黏滯度,迅速封堵湧水路徑同時加固周邊地層,提升了開挖湧水封堵成功率。 深開挖

4.數值模擬

為分析湧水發生及封堵過程的性狀,依據曾發生開挖湧水的工程案例地質條件及工程特性,利用GeoStudio Seep /W建立簡化數值模型。藉由分析結果發現,深開挖執行過程為防止開挖面上舉及砂湧情況產生,進行下方地層降水,當降水井封閉完整時,地下水由井管內部抽水泵抽離,不會造成突湧現象。

但是當井管發生周邊封堵不完全或基地存在開挖面與高透水層連通管道時,即會於該通路產生近10倍以上的陡升地下水流速差。依照白努利定律(Bernoulli’s principle),通路中的壓力差將形成通路側向土壤顆粒淘刷現象(scouring)。但於高、低土層介面1m範圍內設置注漿點進行局部封堵灌注時,注漿應力影響範圍約5m左右。當漿材膠凝達到滲透係數小於1×10-5 cm/sec封堵通路後,地下水恢復由抽水泵抽排。

5.執行案例探討

針對二重管工法搭配化學漿材與水泥化學漿材,以及熱瀝青工法,在有效控制漿材膠凝時間及滲透範圍下,達到有效封堵深開挖湧水的實際應用案例提出說明如下:

5.1 化學漿材及水泥化學漿材應用案例

(1) 工程條件 本工程基地面積約950m2,基礎開挖深度GL-23.25m,採用逆打工法搭配加強扶壁設計。基地內地層共分10層,平時地下水位約GL-3.0m。當基礎開挖接近基礎底面時,鄰近降水井的舊有井管及地中壁周邊發生4處湧水情況,出水中夾帶細砂,湧水量約20.9m3/hr。為防止發生地層掏空同時保護逆打工法已完成的地下室設備,採用緊急注水平衡及加強降水方式,維持動態水位平衡於GL-19.50m位置。 (2) 湧水封堵方案 因為基地內舊有井管位置、地中壁周邊湧水路徑及掏空狀況不明確,依照現場條件配合各項開挖湧水封堵工法適用性研判,決定採用瞬、緩凝化學漿材及水泥化學漿材,搭配二重管灌漿工法,進行小範圍填充、擠壓灌注,形成多重地中封塞,達到湧水封堵及地層加固效果。

施工時運用: A. 本基地GL-23.3m~GL-35.0m之間的沉積地層作為灌漿改良範圍。並以開挖面下GL-26.1m~GL-29.6m灰色粉土質細砂層,為第一封堵區間,利用瞬、緩凝漿材充分填充、滲透灌注,降低地層透水性。 B. 基地內 GL-29.6~GL-34.8m灰色黏土夾薄層粉土質細砂層上、下方為第二封堵區間,阻擋下方卵礫石層承壓水通透路徑。 C. 灌漿壓力按照不形成土壤劈裂擾動的被動土壓力設定,以370kPa~ 630kPa為灌漿初壓,首孔之後各注漿孔灌漿終壓不大於570kPa~ 830kPa。 (3) 漿材選擇 依據有效降低地層滲透係數並封堵湧水路徑、固化迅速、固化後硬度不影響開挖作業的執行目標,選用適當漿材如下: A. 鄰近點井周邊土層止水加固。採用瞬凝及緩凝長效型SSA化學漿,配合二重管灌漿工法進行逆/順級灌注,封堵湧水通路。 B. 鄰近地中壁周邊土層止水加固。由於滲水位置鄰近地中壁結構界面,因此採用瞬凝長效SSA化學漿及緩凝長效FLW水泥化學漿配合二重管灌漿工法進行逆/順級灌注,強化界面止水填充與周邊地層滲透改良效果。 (4) 效果驗證 因為現場採用地下室注水及加強降水動態平衡方式,降低出水、出砂狀況,灌漿完成後無法採用現地透水試驗及直接目視判定注漿封堵成果。效果驗證時運用現場可控條件進行檢測如下: A. 抽水回升觀測。確認降水後無明顯水位回升現象。 B. 利用單位時間內注水及抽水過程,地下室水位高度對應歷時曲線斜率一致性,驗證基底無明顯湧水。 C. 使用高透水地層水壓計監測值與地下室降水歷時曲線對比,驗證地層無通透性。 D. 降水到開挖底面,目視出水點狀況驗證封堵成果。 經由上述驗證後,基坑內降水至基礎高程下方進行開挖面檢視,確認滲水情況可以採用臨時性集水坑配合投入式汙水泵順利排除,不會影響後續開挖及施工後,達成處理目標。

5.2 熱瀝青漿材應用案例

(1) 工程條件 本工程基地面積約21300m2,基礎開挖深度約GL-24m。地表地層下共分9個層次,開挖範圍平時地下水位約GL-3.5m。當建築物開挖至20.6m時發生1處嚴重湧水現象,湧水量約190m3/hr,出水中夾帶沉泥質細砂且管湧(piping)情況持續擴大,接近地表的湧水孔洞直徑估計約35cm。 深開挖 (2) 湧水封堵方案 開挖面發現湧水情況時,營造單位隨即針對出水點進行碎石級配填充及砂袋壓制,並進行水泥化學漿材高壓噴射灌漿及聚胺酯發泡漿材灌注。但由於湧水流速較大未見成效,反而擾動出水點下方地層,造成更大的湧水通路及出水量。 因為本工程基地面積大,不適合採用注水平衡方式減緩出水,加上湧水流速超過50cm/sec,無法採用一般漿材進行封堵,經評估後營造單位決定運用可以封堵嚴重湧水的熱瀝青灌漿技術進行緊急灌注。

為了有效達到封堵湧水效果,本工程以開挖面下方GL- 37.9m~GL-47.2m黏土層作為隔水層,利用熱瀝青遇水降溫急速膠凝的特性,在其下方進行單孔雙封塞快速熱瀝青灌注,阻擋其下方受壓水層滲透路徑。並運用熱瀝青遇熱融化,漿材後發先至的特性,充分填充及擠壓受擾動地層,達到填充加固效果。 (3) 漿材選擇 瀝青種類繁多運用廣泛,適用於湧水封堵注漿的瀝青必須具備高溫時流動性高,但接觸地下水降溫後粘滯度可以快速提升的特性。依照適用性、普及性及價格等各項評估後,適用的瀝青材料特性,如表4所示。

(4) 效果驗證 本工程因為搶險作業急迫,灌漿過程採用直接目視及單位時間出水計量方式判定封堵成效。相關過程如下:

A. 由GL-46.3m位置分2階段全速灌注熱瀝青,封塞及填充地層空隙。並於漿材出口壓力陡升或出水量小於10m3/hr時完成第一處注漿。

B. 提升注漿口至GL-40.3m位置,分2階段灌注熱瀝青。並於漿材出口壓力陡升或出水量小於0.6m3/hr(10L/ min)時完成第二處注漿。

C. 注漿工作於開始灌注後約30分鐘,結束第一處注漿。變更灌漿深度並灌注約3小時用料22m3時,出水量小於10L/min符合繼續開挖及地下室構築作業要求,結束第二處注漿。

6. 結論

遭遇深開挖湧水情況時,適當的處理方式及材料選擇,可以達到降低風險及搶險費用之效益。相關執行心得整理如下:

(1) 當發生開挖湧水情況時,在不造成上舉或砂湧情況下,先減少基地內外水頭差,減緩出水流速,再採用較小擾動的低壓灌注方式,逐步封堵滲流路徑並填充加固地層,可以達到較好的湧水治理效果。

(2) SSA化學漿及FLW水泥化學漿搭配二重管注漿工法,可以良好控制漿材膠凝時間,漿材不容易析離、沖散,對於鹽鹼及有機質含量較高地層耐受性佳,適合作為中、低量湧水封堵使用。

(3) 熱瀝青漿材為單劑型漿材,接觸低溫地下水膠凝速度快,且具有擠壓性及粘結性,適合大規模、高壓力湧水及岩層地質突湧封堵使用。

(4) 湧水封堵的效果檢證,以施工面出水狀況達到可以採用傳統工法繼續安全施工為原則,絕非要求封堵至完全不滲水情況,以免耗費過多施工時間及執行費用。

(5) 解決深開挖湧水危害時,建議以效果、時間、費用等三要素依序考慮工法適用性,不宜僅考慮價格因素,因而錯失搶險時機,導致工期延誤及損失增加。

7. 參考文獻

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