¶ 高速公路耐震補強工程具特殊性之補強案例資料｜18. 低淨空橋下空間之基礎補強方案
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
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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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低淨空橋下空間之基礎補強方案
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低淨空橋下空間之基礎補強方案 摘 要 高速公路在基礎補強常因橋下淨高受限，而無法以大型機具施作補強效率較高之大口徑 RC 基樁。因此本文就橋下淨空條件、地質因素及不同基礎補強目標之考量下，對於全套管基樁及 鋼管樁等工法所適用之環境與設計理念探討，作為如何選用適合之補強方案參考。 關鍵字：橋梁耐震補強、低淨空、基樁補強 一、前言 依據交通部頒公路橋梁耐震評估與補強設計規範，基礎系統耐震容量不足，係指在各級地 震作用下基礎系統與其構件之承載能力、塑性率與變形量無法達到規範的要求數值。當基礎系 統之耐震容量無法滿足地震需求時，必須考慮基礎補強。 樁基礎補強常以補樁方式進行，基樁的選擇及設計，應考量安全性、經濟性及施工條件(如 地質條件等)審慎評估之。與新建工程不同，橋梁耐震補強工程於既有橋梁下方進行，施工空間 受限於橋下淨高常需採用低空間式施工機具，並配合降挖路面及相關擋土設施與交通維持措施 以竟全功。樁基礎補強以全套管基樁、鋼管樁及高強度微型樁為最常見之補強方式，本文將針 對三種工法進行介紹及比較，以期提供日後樁基礎設計選用的補強方案參考。 二、工法介紹 2.1 低淨空全套管基樁補強工法 1. 工法概述 全套管基樁為場鑄混凝土基樁的一種，係利用油壓靜態方式將套管壓入土層中，藉以保護孔 壁避免崩塌，再以吊車搭配抓斗取出管內土石，反覆壓入套管並持續挖掘或抓取土石，達到需 求之深度後，清除樁底淤泥再予吊放鋼筋籠，使用特密管灌漿並將套管分段拔出，直至混凝土 澆置達到樁頭預定高程，始完成樁體施築。 2. 作業流程 (1) 測量及放樣、鑽機樁位定位、開始鑽掘、地層及樁長確認、孔底處理。 (2) 鋼筋籠製作、超音波樁孔檢查、鋼筋籠吊放。 (3) 特密管裝設、澆注混凝土、樁頭處理劣質混凝土。 3. 施工中注意事項 (1) 鑽掘 18-1
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a. 垂直度：1/50～1/1000 不等。 b. 中心偏差：一般中心偏差之規定在正負 7.5～15cm 之間，採用 10cm。 c. 鑽掘後：孔底泥清除處理。 (2) 鋼筋籠 a. 鋼筋應符合土木 401-110 或公共工程委員會規範及相關設計圖說規定。 b. 鋼筋應符合 CNS560 SD-42W 之規定。 c. 鋼筋籠主筋之搭接及箍筋之固定使用點銲施工，均合乎施工補充說明書規範及銲接 之相關規定辦理。 d. 鋼筋籠主筋於樁頂算起 7m 以內不能搭接。 e. 基樁鋼筋籠吊放時不得扭曲碰撞孔壁。 f. 上、下節主筋搭接斷面須有 1/3 交錯配置。 g. 搭接長度不得小於主筋斷面 40D 長。 h. 搭接鋼筋每支最少須有三處銲點其銲接總長度不得小於主筋直徑之 5 倍。 (3) 水中澆置混凝土 a. 水中澆置混凝土配比應符合土木 401-110 或公共工程委員會規範及相關規定。 b. 水中澆置混凝土坍度範圍為 16cm～20cm。 c. 水中澆置混凝土最大水灰比(W/C)為 0.50。 d. 水中澆置混凝土粗粒料尺寸 3/4”-NO.4。 e. 水中澆置混凝土拌合後溫度不得低於 10 度，亦不得高於 29 度。 f. 水中澆置混凝土自拌合後 1.5 小時內若未使用者不得使用。 (4) 預防措施 a. 澆置混凝土避免速度太快造成鋼筋籠變形或上浮。 b. 混凝土澆置時必須預防澆置中斷的事故出現，密切注意供料廠混凝土供給及車輛調 度的情形。 c. 注意混凝土坍度、配比，預防特密管塞管。 d. 注意土壤特性及地質鑽探資料，避免砂湧發生。 2.2 震動式鋼管混凝土樁補強工法 1. 工法概述 鋼管椿是在近半個多世紀以來獲得發展而成為當今基礎工程中的一種主要樁種。早在 20 世 紀 30 年代歐洲開始大量採用鋼樁，橋梁、高層建築、海港碼頭均以鋼管樁作為基礎。補強工程 常用為在既有基礎周邊增設 610mmψ內灌混凝土鋼管樁，在橋下低淨空條件下施工，小口徑基 樁(610mm∮)所需之樁機能量應較小，機械設備改裝或引進之門檻亦較低，相對的施工成本應較 18-2
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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 15m 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；此基樁工法是美國加 州自 1971 年 San Fernando 地震以來基礎耐震補強常用的方法，其耐震性能並已經獲得 UCSD 之縮尺試驗證實。 2. 作業流程 鋼管樁之施工步驟如下所示： (1) 定位 (2) 打設及鑽掘並植入第一節鋼樁 (3) 第二節鋼樁組合銲接 (4) 重覆植入所有鋼樁並施作銲道檢驗 (5) 鑽掘取土 (6) 鋼筋籠續接吊放 (7) 水中混凝土澆置 3. 施工中注意事項 (1) 鋼管採購規劃 由於鋼管樁管材需有低碳低硫特性，管材採購須與生產廠商預定時程，採購前需依工 地實際淨高，並考量植樁設備作業空間，以確認鋼樁各節長度。 (2) 鋼管置放空間及高度 鋼管之儲存地基須堅實而平坦，不得有沉陷之現象，避免管身變形，必要時得加裝變形 防止設備。鋼管吊運、裝卸、堆置時，管身不得遭受衝擊或振動，以免因此損及管身。 (3) 鋼管樁定位及垂直度檢驗重要 鋼管樁樁心及垂直度容許值為： a. 垂直度≦1/100 b. 樁位≦樁徑 1/4 或 10cm 由於鋼管係逐節銲接後植入土壤，當鋼樁植入後，若樁心或垂直度不合格，植入鋼樁 必須再逐節取出，並將銲接處燒熔切開，殘餘銲材必須清除，若切開時不水平，日後接 合後又有不密接之困擾，故鋼管植入第一節時必須詳細檢測樁心，每一節鋼樁吊放銲接 時，亦必須仔細量測垂直度。 (4) 鋼筋籠主筋續接方式 採用鋼套環銲接方式。 2.3 高強度微型樁補強工法 1. 工法概述 微型樁為一種小口徑之鑽掘樁，口徑介於 100~300mm 間，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、鋼管及型鋼等。垂直 排列的微型樁承載機制較為單純，其行為與一般基樁類似，最早應用於歐洲，主要做為老舊建 18-3
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物之基礎補強或托底工程使用，近來則已被廣泛運用於各種土木工程。美國及日本分別於北嶺 大地震及阪神大地震後將傳統微型樁予以改良，做為橋梁基礎之耐震補強，並已成功發展出高 強度微型樁。 2. 作業流程 微型樁之施工步驟一般大致如下: (1) 以鑽機或鑽堡施作鑽孔，為確保鑽孔穩定，鋼套管應下至設計深度。 (2) 清孔並置入鋼筋等加勁材。 (3) 以壓力灌注水泥(砂)漿或細石混凝土，邊灌邊拔鋼套管直至成樁，並隨時進行補灌。 3. 施工中注意事項 (1) 水泥漿不應有泥水分離、坍度過大或浮水之現象，以避免影響樁體強度。 (2) 水泥漿應於現場拌合，並於拌合完成至開始灌漿之間不得超過半小時。 (3) 微型樁之樁距宜視土壤強度決定，惟建議應以 2～5 倍的樁徑為佳，以避免降低其功能。 (4) 微型樁之樁長，建議以 5~20 公尺以內為較佳且較具經濟性。 (5) 灌漿壓力驟然提高時，壓力泵設備之安全閥將自動減壓，此狀況流量將減低代表有塞管 狀況須隨即停止灌漿泵之運轉，將壓力洩除後取出鑽桿檢視出口狀況。俟排除不正常因素後 再行鑽孔及灌漿作業。 三、工法分析探討 3.1 工法優缺點 1. 低淨空全套管基樁 (1) 優點 a. 採用機械施工，施工效率佳，進度快，低噪音、低震動及低污染。 b. 施工精經度佳，樁底淤泥易於清除，鋼筋籠安放容易，品質優良。 c. 施工不易坍孔，混凝土施工品質優良。 d. 可適應不同之地質狀況，較硬質之岩盤亦可克服施工困難。 e. 國內專業廠商多、動員快。 (2) 缺點 a. 施工空間較受限制，現場須配合修改吊車機具及鋼套管與特密管長度。 b. 因低淨空致工率降低及成本增加。 c. 樁淨間距需求較大，基礎補強量體大。 d. 淨高不足時，降挖影響範圍較大。 2. 震動式鋼管混凝土樁 (1) 優點 a. 接樁容易、可打設斜樁增加水平抗力。 18-4
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b. 易貫入性、施工容易。 c. 超低淨空條件(4~6M)仍可以特殊進口機具施作達到工程需求。 d. 淨高需求小，可降挖至基礎底施工。 e. 抗彎矩、剪力強度高。 (2) 缺點 a. 鋼管須訂製，成本受鋼價波動影響大。 b. 施工失敗時鋼管無法拔除。 c. 檢驗程序較多，影響施工連續性。 d. 須考量鋼材銹蝕問題。 e. 鋼管儲存地基須堅實而平坦，鋼管吊運、裝卸、堆置時管身易受衝擊或振動影響施 工精準度。 f. 低淨空以打擊振動方式施工，適用土層較受限制。 3. 高強度微型樁 (1) 優點 a. 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。 b. 具低振動及低噪音之特點，適合都會區之施工環境。 c. 同時具高強度之張力與壓力容量，有較高之結構效率。 d. 於比較困難鑽掘之土層，亦能輕易克服地質條件。 (2) 缺點 a. 施工易產生坍孔，造成卡鑽現象。 b. 使用較粗之砂易造成漿液阻塞灌漿管。 3.2 工法比較 全套管基樁、震動式鋼管樁及高強度微型樁工法比較如表 1。 表 1 工法比較表 項 目 施作 成本 承載 淨高 坍孔 檢驗 地質 型 式 工率 分析 能力 限制 現象 程序 影響 全套管基樁 3最差 1最佳 1最佳 3最差 2尚可 2尚可 1最佳 震動式鋼管樁 2尚可 2尚可 2尚可 1最佳 1最佳 3最差 3最差 高強度微型樁 1最佳 3最差 3最差 2尚可 3最差 1最佳 2尚可 18-5
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四、結論 1. 橋下淨高受限基礎補強所採用基樁型式差異說明如下： (1) 全套管基樁施工技術早已普遍，但低淨空施工須配合機具、套管等改良後方可施作， 導 致成本提高、工率降低。 (2) 震動式鋼管樁於超低淨空僅能以進口機具配合訓練之操作人員施作，施工前應針對淨高 空間確實詳查，以利機具的選定及材料訂製。 (3) 微型樁直徑一般小於 30cm，置入高拉力螺紋鋼棒後成為具有高強度之張力與壓力的高 強度微型樁，有較高之結構效率，其施工環境條件有效增加及傳遞基礎承載能力。 2. 在橋梁補強中基礎補強所佔經費龐大，常見的補強方式是基礎擴座加上基樁補強，如何在低 淨空的條件下完成大型基樁或因機具問題無法施作大型樁而改以小型圍束樁的概念來達到所需 的強度是必須思考的問題。綜合本文前述分析探討，對於橋梁低淨空基樁補強選擇，建議如下: (1) 既有基礎承載力或強度不足，如以成本分析、承載能力、地質影響等因素為優先考量， 以全套管基樁補強。 (2) 既有基樁強度不足，如以淨高限制、坍孔現象(鄰損問題)因素為優先考量，以震動式鋼管 樁補強。 (3) 直接基礎承載力或穩定性不足，如以施作工率、檢驗程序、材料暫置場地限制、時效性 因素為優先考量，以高強度微型樁補強。 參考文獻 1. 交通部，「公路橋梁耐震設計規範」，民國 108 年 1 月。 2. 交通部，「公路橋梁耐震評估與補強設計規範」，民國 110 年 3 月。 3. 交通部臺灣區國道高速公路局，「高速公路局拓建處 97 年度年報」，民國 97 年。 4. 交通部臺灣區國道高速公路局，「國道視窗 8 月刊」，民國 100 年 8 月。 5. 交通部高速公路局，「橋梁耐震補強設計注意事項」，民國 110 年 4 月。 6. 廖惠生，名詞解說微型樁，地工技術第 67 期，民國 87 年 6 月。 7. 張景鐘，橋梁低淨空基樁補強工法之案例探討，臺灣海洋大學河海工程學系碩士學位論文， 民國 100 年 7 月。 18-6
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