中山高速公路五股至中坜段地工设计之挑战-中华顾问工程司

2│中│華│技│術│專題報導SPECIALREPORT38│No.105│January,2015關鍵詞：雙層共構橋、地質敏感區、橋梁基礎、邊坡穩定、截水牆台灣世曦工程顧問股份有限公司／總工程師／周功台1台灣世曦工程顧問股份有限公司／技術經理／吳文隆2台灣世曦工程顧問股份有限公司／副理／蕭秋安3台灣世曦工程顧問股份有限公司／計畫工程師／陳俊定4關鍵詞：雙層共構橋、地質敏感區、橋梁基礎、邊坡穩定、截水牆2專題報導ABSTRACT摘要No.105│January,2015│39國道1號五股至楊梅段拓寬工程總長度約40km(其中五股至中壢段為本公司負責設計監造，長度約28km)，於中山高速公路兩側困難環境下施工，歷時42個月，於2013年4月順利完工通車。沿線多邊坡、溪流、交流道、區域道路、高速鐵路、堤防等，地形及地質複雜多變，並需避開地質敏感區，因此大部分路段皆以橋梁結構佈設。本工程橋梁部分的特色在於數量多、跨度大、並須兼顧既有高速公路、區域道路的行車安全與交通維持及於邊坡上施築橋墩基礎等特色。本公司所辦理設計監造路段範圍內之大地工程的主要課題有：1.避開地質敏感區，採特殊橋梁配置(F型橋梁)，基礎面積大，施工困難；2.緊臨中山高速公路，於斜坡面上打設臨時擋土措施並施築橋墩基礎，施工作業空間狹小；以及3.施工期間與完工營運後之邊坡短、長期穩定安全(44.7k案例)等，本文就前述課題予以分析探討與回顧檢討，提供各界參考。1234壹、前言一、路線概述國道1號五股至楊梅段拓寬工程(以下簡稱五楊段工程)，北起汐止五股高架段（里程約31k處），南迄於楊梅收費站北端(里程約71k處)，總長約40km(詳圖1)。計畫路線緊沿現有國道1號佈設，多數為高架橋，部分為路堤，全線共分為「五股林口段」、「林口中壢段」及「中壢楊梅段」等三個路段(前二路段為本公司負責設計監造)，工程分為12個土木標全面展開施工，總決標金額約新台幣428億元，自2009年10月28日正式動工，其中「中壢楊梅段」於2012年12月先行通車，「五股林口段」及「林口中壢段」於2013年4月完成，全線遂告完工通車。五楊段工程主要功能在提供中長程旅次服務，故沿線僅設置少數交流道。在車道配置上，於泰山轉接道以南至中壢轉接道以北為雙向各3車道，內側車道設置高乘載專用道(HOVLane)，提供大客車、計程車及3人以上小客車行駛，其餘路段為雙向各2車道配置。後續文章內容係就本公司所辦理設計及監造的路段予以說明介紹。圖1國道1號中山高速公路五楊段工程位置圖2專題報導40│No.105│January,2015二、地形五股至泰山路段位於臺北盆地西緣，自泰山進入臺灣西部台地群，先後穿越林口台地、桃園台地、中壢台地、平鎮台地至伯公崗台地、楊梅盆地，終點位於湖口台地西緣。本計畫路線由林口經桃園至中壢，沿線主要經過林口台地西緣、桃園台地及中壢台地等地形區，高程分布自林口台地西緣由高程約為175m左右降至桃園台地約60至80m，再往中壢台地緩昇至135m左右。林口台地降至桃園台地，使得地形上高程差異明顯，十分容易辨識，而桃園台地與中壢台地地形變化甚緩，無明顯高程變化，加上地形多已遭人為改變，不易分辨。三、地質本計畫沿線主要分布之地層，有林口層、桃園層、中壢層及大南灣層等，除了大南灣層為膠結不佳的砂岩與泥岩互層外，其餘林口層、桃園層與中壢層均為卵礫石層與其上方覆蓋之紅土等組成。大南灣層的岩性呈膠結差，遇水軟化，岩心單壓強度大多小於10kg/cm2，在施工極易鑽掘，但不易被錘擊貫入。相關區域地質平剖面圖詳圖2所示，現況多為丘陵地形。圖2沿線地質平剖面圖2專題報導No.105│January,2015│41二、泰山跨越橋與林口跨越橋為落實環評承諾「林口北上與南下共線路段，其北上線二度跨越高速公路平面道路處不落墩，以維護道路景觀品質及減少施工干擾。」，泰山跨越橋及林口跨越橋於既有國道1號中山高速公路上不可落墩，另考量橋址地域景觀及避免跨越橋造型影響用路人行車安全，跨越橋採用大跨徑鋼床鈑鋼箱型梁橋，跨徑配置為135+216+135=486m，梁深採拋物線變化4.0〜9.2m。泰山及林口跨越橋完成景觀如圖3及4所示。三、泰山林口雙層共構橋本工程行經林口台地長約2800公尺爬坡路段，地層為紅土礫石層，為避開南側邊坡崩滑高地質敏感區，將北上線移至北側，因而採用局部重疊雙層的高架共線(北上線在上層，南下線居下層)配置，橋墩造型猶如英文字母F（如圖5），以保有沿線行車有較佳的採光與視綜整計畫路線沿線水文地質特性，本計畫路線沿線的地層以卵礫石層為主，卵礫石層下方為大南灣層之砂岩與泥岩互層，由規劃階段資料顯示，地下水水位多在地表下5~10m左右。在大坑溪、南崁溪及新街溪等河流兩岸之地下水位較高，多在地表下3m以內，大坑溪一帶更在地表下1.5m左右。由透水試驗結果，得知卵礫石層之透水係數相當大，顯示卵礫石層的透水性良好，因此溪流兩岸之地下水位受溪流影響甚大，致其水位明顯偏高。貳、地質敏感區與特殊橋梁考量中山高速公路里程37k+500~40k+000東側(北上線)邊坡屬地質敏感區，設計採路線迴避策略，不於該敏感區構置任何橋墩基礎，爰將北上線高架橋改與南下線雙層共構皆由西側(南下線)通過，以避開東側地質敏感區邊坡。一、橋梁配置五楊段工程由於主要沿國道1號兩側而行，沿線多邊坡、溪流、交流道、區域道路、疏洪道、堤防等，地形複雜多變，因此大部分路段皆以橋梁結構布設。在整體施工上具有包括工期緊迫、工區沿既有中山高速公路兩側狹長帶狀布設、施工空間狹小、施工期間交通維持繁複等不利因素，且為確保國道1號行車安全，對於工安要求更加嚴苛，另包含內外在風險如用地提供、技術人力與勞工來源、機具與材料的穩定供應等，對計畫之順利執行都是一大挑戰。因此橋梁工程之結構型式及工法選擇極為重要，除須考量工程特性、工程規模、施工迅速、工程費適當、力求景觀合諧及減少施工中交通干擾等基本原則外，並須兼顧國內材料及機具供應之能量與施工技術水準等因素，方能如期如質完成本工程。圖3泰山跨越橋圖4林口跨越橋2專題報導42│No.105│January,2015野，其下部結構有二種不同基礎型式，一為樁基礎，採用直徑2公尺基樁，長度26~42公尺，另為井筒基礎，採用井基直徑9~12公尺，長度22~27公尺，提供上部結構之穩固支承力，開創並樹立了大偏心單柱雙層高架橋墩的橋梁設計、施工典範。本路段上層高度達30.0〜45.0m，經評估為減輕自重，上下層橋均採等斷面之中跨徑鋼箱型梁橋配置；橋墩結構則採用矩形RC墩柱，其內部配置H型鋼，基礎型式分別採井式基礎及全套管基樁，施工期間採用竹削工法保護邊坡及施工人員安全，並施築臨時棧橋施工便道，以利人、機、料運送及減少水土保持設施、植生的破壞，並可維持既有中山高速公路正常營運及行車安。全路段可資利用的施工空間相當侷限，尤其在斜坡上施築該大型基礎，施工更加困難，詳圖6所示。參、橋梁基礎型式及臨時擋土措施一、橋梁基礎型式研選本工程高架拓寬橋梁緊鄰國道1號高速公路兩側布設，橋墩基礎寬度須予限制，以避免施工影響高速公路主線交通或超出路權。因此，橋梁基礎型式之選擇，除須依據地形、地質狀況、地下水位、施工條件、基礎特性及經濟性等因素，研擬適用之基礎型式外，尚需考量高速公路主線交通維持及安全，以減輕後續開挖與支撐之困難，以及節省工程經費。公路橋梁常採用之基礎型式有：(1)直接基礎；(2)樁基礎；(3)沉箱基礎；(4)井式基礎等類型。根據本路段經過之地形、地質特性及地下水位等條件，高架橋橋墩基礎型式之相關比較詳如表1所示。本工程之五股路段因工址地層屬台北盆地沖積層，承載層較深，橋梁基礎以採大口徑之全套管基樁為主；於林口路段因工址地層屬紅土礫石層或卵礫石層，則以全套管基樁及可減少坡地開挖面積之井筒式基礎為主。至於跨越國道1號之泰山跨越橋及林口跨越橋，雖橋址地層屬紅土礫石層或卵礫石層，惟主跨橋墩因上部結構載重較大，若採大尺寸井筒式基礎於卵圖5泰山林口雙層橋斷面示意圖圖6竹削工法及臨時棧橋施工便道2專題報導No.105│January,2015│43楊梅段地形平坦且為卵礫石層，故基礎型式以直接基礎為主。整體而言，五楊拓寬工程五股中壢路段樁基礎之樁徑大都在1.5~2.0m，樁長16.0~66.0m，合計總長度約100,000m；井筒基礎直徑6.0~12.0m，井深10.0~29.0m，合計總長度約2,800m；直接基礎則約301座。礫石地質施工時，不僅施工困難且容易造成鄰近地表沉陷，恐將影響國道1號行車安全，因此採用大口徑全套管基樁，二側邊跨則視地質條件及其他客觀環境考量，採用全套管基樁或井筒式基礎，基樁配置則採用梅花樁排列，並視每根墩柱之環境限制條件採基礎版截角、旋轉等配置，以縮小基礎版尺寸(如圖7)，降低施工面積與對交通、環境之影響，施工情形如圖8、9所示。林口中壢段之橋墩基礎選擇，中、小跨徑且較無用地受限之路段採用直接基礎；大跨徑或用地受限之路段則採用樁基礎。中壢圖7基礎以梅花樁配置縮小基礎面積圖8全套管樁基礎施工圖9井式基礎施工表1基礎型式研選考量基礎型式地質條件適合地形地下水影響基礎尺寸施工費用(制式跨)單墩工期(制式跨)施工性優缺點說明直接基礎淺承載層平坦地高大180〜280萬元1個月基礎大，須有道路且用地寬施工快速且費用低，但受限於地形及地質條件樁基礎深承載層平坦地、邊坡、河岸低中210〜300萬元1.5個月施工條件略低於直接基礎施工較井基快，地下水位及沉陷之影響較小，一般在承載層較深時採用；適用於標準跨及大跨徑橋墩設計井式基礎淺承載層平坦地、狹窄地、邊坡高小280〜290萬元1.5個月施工機具小，開挖範圍小，對環境衝擊低對環境衝擊較低，可減少坡地開挖，地下水位較高時，施工困難度較高沉箱式井筒基礎淺承載層平坦地、狹窄地、邊坡、河岸低小280萬元2.5個月施工機具小，開挖範圍小，對環境衝擊低可在河道施作，仍受地下水影響，可減少開挖，但施工慢，卵礫石層中施工精度控制不佳且地表沉陷量較大2專題報導44│No.105│January,2015一般路段配合內支撐型式施工中照片邊坡或路堤路段配合斜向支撐型式施工中照片配合臨時地錨型式施工中照片井基竹削工法型式完工後照片圖10基礎開挖擋土施工圖及照片2專題報導No.105│January,2015│45圖11邊坡變位後之現場異狀(2012.2.28)5m以上，則採地錨背拉，平衡不等高之側向土壓力。另為減少井基於坡地施工而導致大量坡地整坡及施作保護工，兼顧生態，特別採用竹削工法。開挖擋土工法型式及照片詳如圖10所示。肆、邊坡安全穩定處理一、里程44k+700邊坡處理工程進行期間，於2011年5月例行邊坡巡查至既有中山高速公路里程44k+700附近路段時，發現既有北上線國道內側路肩有隆起現象，並於2011年10月完成水位觀測井、傾斜儀、地表沉陷點等監測儀器輔助研判。數月後，於2012年2月27日因受連日豪雨影響，部分監測數據出二、基礎開挖擋土工法研選本計畫路段之橋梁基礎型式主要包括直接基礎、樁基礎及井式基礎。橋梁基礎之開挖，設計時需視工址地層條件、地下水文、現場用地範圍、開挖深度、鄰近結構物情況等選擇開挖擋土工法。擋土工法係利用擋土壁承受地盤開挖所產生之土壓力及水壓力，並將此等壓力傳遞到支撐系統，防止開挖時可能造成周圍地盤移動或變形，以期安全順利地建造地下結構物。本工程開挖擋土主要係於礫石層中施工，而適用於卵礫石層之開挖擋土主要為主樁橫板條工法及排樁工法，經評估比較結果，採用H型鋼樁橫板條工法。另因開挖位置緊鄰丘陵地或既有中山高速公路路堤，故開挖區之橫斷面地表常有高差問題，當高差1~2m以內採水平內支撐；高差2~5m時採斜向內支撐；高差大於2專題報導46│No.105│January,2015圖12異常變位毀損監測儀器平面分布圖圖13傾度管及水位異常變化剖面示意圖2專題報導No.105│January,2015│47圖1444k+700邊坡之下滑坡體擴大發展順序示意圖現異常徵兆加劇，詳如圖11~13所示，即刻召集