¶ 高速公路耐震補強工程具特殊性之補強案例資料｜13. 依地質特性之基礎補強選用原則（1／3）
發布機關：交通部高速公路局
版本／性質：111年7月；耐震補強工程案例
原始來源：官方出版頁 ｜ 官方原始PDF
使用提醒：本件為111年7月出版的耐震補強案例資料，非通用設計或施工規範；各專題的地震需求、地質條件、材料數值及施工限制須連同原工程背景閱讀。
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依地質特性之基礎補強選用原則
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依地質特性之基礎補強選用原則 摘 要 國內橋梁基礎常用型式有(1)直接基礎(2)樁基礎(3)沉箱/井式基礎，針對各種不同型式基礎 構造耐震補強尚須考慮各種不同因素(如施工空間、河川沖刷、土壤液化或工期等)選用補強工 法，常用之基礎補強工法包含：擴座加固工法、增厚工法、增設基樁/基腳工法、地盤改良工法 與托底/換底工法等。任何工法皆須符合耐震相關需求，本文就既有基礎型式與地質特性等現況 條件說明補強工法選用原則。 關鍵字：橋梁耐震補強、基礎補強、地質 一、前言 高速公路橋梁基礎型式主要可分為三種，直接基礎、樁基礎與井式基礎。直接基礎適用於 載重不大且承載層較淺的堅硬土層；樁基礎適用於載重較大且承載層較深的軟弱土層，亦適用 於基礎有沖刷與淘刷疑慮之區域；井式基礎一般則考量於用地範圍限制或減小施工開挖面積等 因素。 常見的橋梁基礎補強方案有基礎擴座、增樁或增厚等方式增加基礎的設計容量，以滿足橋 柱傳至基礎地震力之需求。各種基礎補強方案都並必須確保新舊結構體的介面力傳遞。基礎補 強必須考慮到抗彎、抗剪及介面剪力傳遞，而補強設計邏輯則與新設計基礎之方法類似。基礎 補強工法之選擇需考量施工之安全性、經濟性及迅速性。常用之基礎補強工法包含：擴座加固 工法、增厚工法、增設基樁/基腳工法、增設連梁工法、施拉預力鋼鍵工法、托底/換底工法與鋼 板包覆工法等，任何工法皆須符合耐震相關需求。 既有橋梁於耐震詳細評估階段就應當重新考量液化影響，新版橋梁耐震設計規範因新增公 告第一類活動斷層而提高地震力，液化潛能評估也有可能從無液化潛勢提高為低中度液化潛勢 影響。土壤液化主要由鬆軟的砂性土層、高地下水位及足夠地震力所造成，除了針對基礎結構 進行補強外，如評估有需要，便以地盤改良工法來克服液化之危害，例如國道 3 號和美交流道 區域之耐震補強，本文將介紹依據高速公路橋梁基礎型式與地質特性等條件，說明選用補強工 法原則。 13-1
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二、基礎補強工法 2.1 基礎擴座加固與加厚 直接基礎一般座落於地質條件良好之地區，通常工址土壤承載力應不低，當以地震力檢核 基礎穩定性或結構強度無法滿足耐震性能時，補強工法可優先考量將基礎板尺寸(擴座)增大及增 厚，示意詳圖 1，即可有效提高基礎耐震性能，且相比其他補強工法經費較為低廉，惟所需相 對應之施工開挖範圍較大，對周遭地區影響也較廣，例如鄰近管線衝突或施工期間需封閉周遭 道路等，相關配套所需經費也需一併考量，不利於都會區高架橋的工法選擇。當橋下空間充足 且無結構物衝突或交維改道等問題時，直接基礎補強可優先考慮擴座加固與加厚工法，倘若橋 下空間受限或開挖影響範圍太大時，可採橋梁結構系統改善或基礎增設基樁方案等，以減少開 挖所影響的範圍。 新舊混凝土接合設計為基礎擴座與加厚重點檢核項目，基礎側接合設計可參考公路橋梁設 計規範 7.3.6 節剪力摩擦與 7.3.3 節撓曲規定；基礎頂接合設計可參考公路橋梁設計規範 7.2.5 節 合成混凝土受撓構材之水平剪力設計。 圖 1 直接基礎擴大增厚示意圖 2.2 增設全套管基樁 既有橋梁遇鄰水域或土壤液化區而產生基礎承載力不足之問題，補強工法可優先評估增設 大口徑全套管基樁(詳圖 2)，由於國內施作全套管基樁施工機具多且技術成熟，價格費用較為容 易掌握，在補強效果與價格計算比值下相當高。惟陸域之橋梁若增設大口徑基樁則須考量橋下 交通維持與地下埋設物等因素外，常遇見的問題在於既有橋梁下之施工空間受到相當的限制(一 13-2
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般橋下淨空約僅 4.5~5.0 公尺)，橋梁基礎耐震補強的施工性困難，須採用低淨空式之施工機具， 並配合降挖路面及必要之擋土設施與交通維持以竟全功；以臺灣目前盛行之全套管基樁而言， 廠商所擁有機具施工空間高度約需 10~13 公尺，雖然國外有低淨空基樁施工機具，對樁徑 1.5 公尺而言，其最低施工空間高度為 6.5 公尺，需由廠商自行改裝機械或由國外進口。此外，橋 下低淨空混凝土基樁，其鋼筋籠主筋之續接可採用鋼套環銲接的方式施作(詳圖 3)，此種施工方 式已成功運用於中山高速公路員林高雄段拓寬工程之補強基樁。 圖 2 增樁擴基補強示意圖 圖 3 基樁鋼筋籠之鋼套環銲接示意圖 13-3
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2.3 增設鋼管樁 耐震補強工程於既有橋下施工，施工受限於空間小與設備能量問題，常需使用低淨空式樁 機施作，故衍生小口徑基樁(610mmφ)之鋼管樁補強工法(詳圖 4)，其所需樁機能量較小，機械設 備改裝或引進之門檻亦較低，相對施工成本較可掌握；採用鋼管樁則是因為 RC 全套管場鑄基 樁有基樁頂部塑鉸區鋼筋續接的困擾及套管拔除費時對工率之影響，而 RC 反循環基樁則有坍 孔影響舊橋基礎之疑慮；另於樁頭 10m 範圍內設置鋼筋籠形成「鋼管鋼筋混凝土」複合斷面， 可有效增加其彎矩容量。 鋼管樁施工採震動打擊樁，樁身不得塗油或漆等潤滑材料，且不得預鑽孔或沖水等降低摩 擦力等方式施工，爰僅適用軟弱土層。其次，大口徑全套管混凝土基樁因樁體較大，雖補強能 力較佳，但亦須規劃土方暫置場或運輸河川公有土石等，一旦增樁補強尚有最低支數的需求， 因此易有保守設計的情形發生，若評估分析僅需小規模補強，則小口徑鋼管基樁不失為一項優 點。 圖 4 鋼管樁施工示意圖 2.4 增設高強度微型樁 微型樁(Micropile 或稱 Minipile、Pinpile)係一種小口徑之鑽掘樁，口徑介於 100mm 至 300mm 之間(詳圖 5)，樁體主要由壓力灌注之水泥(砂)漿或細石混凝土與加勁材所組成，依據其受力需 求，加勁材可為鋼筋、鋼棒、鋼管或型鋼等。微型樁施工步驟如下： 1. 以鑽機或鑽堡施鑽設計口徑之鑽孔，為確保鑽孔之穩定，鋼套管應下至設計深度； 2. 清孔並置入鋼筋、鋼棒等加勁材； 3. 以壓力灌注水泥(砂)漿或細石混凝土，邊灌邊拔鋼套管至成樁(鋼套管亦常保留以增加結 構強度)，施工中應隨時做補漿之動作。 高強度微型樁應用於橋梁基礎之耐震補強，其主要優點如下： 13-4
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1. 橋下淨高或施工進出通道受到嚴格限制時，微型樁亦能有效施作； 2. 具低振動及低噪音之特點，適合都會區之施工環境； 3. 同時具高強度之張力與壓力容量，有較高之結構效率； 4. 於較困難鑽掘之土層，亦能輕易克服。 由上述優點可知，微型樁鑽掘方式可輕易克服堅硬土層，因此可分為一般式與貫穿既有基 礎式兩種方式施工，利用小口徑預鑽孔貫穿既有基礎並錨定於基礎內，不需擴大基礎尺寸即可 完成補強。惟須檢核基礎板貫穿剪力需求，視狀況於樁頭接合部位設置剪力環，另避免貫穿式 施工破壞既有基礎鋼筋，需以增厚基礎板補強彎矩容量。 橋墩基礎採用微型樁耐震補強，國內首次應用於高速公路橋梁耐震補強工程(第一期)，現今 多數採用約 200~300mm 之高強度微型樁，其鋼管材質採用 API 5CT N-80 規格或經核准之同等 品，加勁材採用 ASTM A722 高拉力螺紋鋼棒。 圖 5 高強度微型樁補強工法示意圖 2.5 地盤改良工法 橋梁既有直接基礎地震來臨時，飽和砂土承受反覆荷重，孔隙水壓升高而使得砂土層強度 降低，產生砂土層液化現象，而此超額孔隙水壓開始經由地表排出時，砂土層伴隨產生體積變 化，而在地表面產生沉陷的現象。依據美國 AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 第 10.5.2.2 節之規定，橋梁單元相鄰橋墩基礎容許差異沉陷量之傾斜角度：分別為 0.008rad(簡支梁 跨度)、0.004rad(連續梁跨度)。當橋址液化潛能指數 PL ≥ 5，且震陷量大於上述容許值時，應檢 討採取地質改良工法、地中壁圍束工法、增樁托底工法或其它方法(建議之土壤改良工法比較如 表 1)，以降低液化震陷對橋梁造成的損害。 13-5
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以和美交流道為例，地質調查評估此區域為高度液化潛勢區，地震後可能造成土壤液化而 產生差異沉陷，各墩間的差異沉陷導致橋梁上部結構損壞並影響交通，差異沉陷之評估標準為 橋墩基礎沉陷量超過千分之四倍跨徑者皆須進行補強，另避免單一橋墩進行增樁補強後，導致 同一振動單元內差異沉陷更加嚴重，建議同一振動單元所有橋墩應一併進行增樁補強。和美交 流道匝道橋之增樁補強費用經評估單一橋墩工程經費約 670 萬，以及施工中需封閉大量車道， 導致交通管理成本增加，另因橋梁為系統交流道，施工空間有限，需有大量拆除與復舊，及相 對之工期成本與臨時設施，爰改採地盤改良工法進行補強。 地盤改良工法係利用相對土壤較為細緻之水泥漿打入液化層，填充土壤中孔隙，排除土壤 液化可能性，所需工期較短，較少拆除與復舊，施工性較佳。單一橋墩補強經費約為 1,000 萬。 雖所需補強經費較增樁方案費用高，惟橋台及部分橋墩增樁補強將衝擊國道交通狀況，綜合考 量後採用地盤改良工法較佳。 表 1 基礎液化補強工法比較表 地質改良體- 地中壁圍束- 地中壁圍束- 增樁 名稱 低壓灌漿 高壓灌漿 全套管樁 托底補強 示意圖 工程 高 低 低 中 經費 適用性 需斜灌 狹窄空間適用 橋下淨高≧8m 基礎需開挖 品質 普 普 佳 佳 管理 施工 普 佳 佳 佳 管理 1.既有匝道下或橋台 1.樁徑 1m(無筋) 1.有效壁體厚 1m 連續單元需同時補強 說明 補強使用 2.混凝土抗壓強度 2 2.單壓強度 20kgf/cm 以避免差異沉陷 2 2.改良深度 9~17m 280kgf/cm 13-6
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