2019年03月24日

開挖工程簡介及高雄捷運橘線07~08站災變可能原因探討

本文節錄自國家政策基金會-開挖工程簡介及高雄捷運橘線07~08站災變探討

1.研究目的：

高雄市捷運系統施工以來災變連連，94.12.04發生之高雄捷運橘線07~08站間地下連絡隧道災變，更是高捷施工災害最嚴重者，其所牽涉之層面及影響範圍既廣且大。高雄市地質條件先天不良，在工程設計及施工採用統包作業等後天失調情況下，得標廠商如不加強工程設計及施工知識、技術，監督單位如不嚴格執行品質檢驗、注意安衛工作業，災變可能無法根絕。高雄捷運橘線07~08站災變發生後，經媒體大幅報導後各方矚目。筆者從事大地工程顧問工作三十餘載，有鑑於高水壓地區地下開挖工程規劃、設計及施工之重要性及危險性，特將以前相關顧問報告資料等重新整理，並針對本案進行研究、探討，俾供各方參酌。所謂『智者千慮必有一失，愚人千慮必有一得』。

2.地下水對基礎施工安全影響

2.1沸砂(boil sand)或流砂(quicksand)原因探討

觀察圖1飽和土壤之有效應力與孔隙水壓關係示意圖中，水平面上aa’，a與a’等高。aa’處之水壓力p=(h+H+z)；總壓力=H+H，如令=-，水力坡降i =，則有效應力=- p=H-h=H- iH；bb’處之有效應力      =z- iz…………………(2.1)。

式(2.1)中，對已知土壤條件 (，，z) 不變時，則當水頭高差h增加致=0(即i=)時，則砂性土壤(凝聚力=0)就會失去支持強度，土體最上面砂層開始滾動如鍋中之沸開水一樣，故稱之為沸砂(boil sand)或流砂(quicksand)。飽和土壤或乾燥土壤在地震作用下有效應力驟降為0時產生液化時，亦會造成噴砂現象(與流砂類似)。

圖2.1飽和土壤有效應力與孔隙水壓示意圖

圖2.2為兩低透水性土層因高滲流水壓所造成之流砂示意圖，圖2.2中兩流線間所組成之流線管(stream tube)，與圖2.1中土體作用類似。圖2.2中最容易發生流砂的位置為最上層流線管下游端(即開挖面擋土璧前方一個擋土璧貫入深度D與寬D/2範圍內)。

圖2.2兩受壓水層流砂示意圖

2.2擋土壁體破洞所造成之土壤流失

如圖2.3所示之擋土壁體下端因破洞滲漏，如發生流砂時是先在開挖面開始，水流通路由下游端往上游端逐漸擴大延伸，最後形成管狀流路，此現象即為所謂管湧(piping)。流砂發生後沖蝕帶走地層中之土砂，必定伴隨著鄰近地面及路面之沉陷。如土壤流失淘空嚴重，便會造成淺基礎構造物傾斜變形甚至於破壞倒塌；圖2.4為擋土壁體上方破損滲漏發生砂土流失示意圖，圖2.4中之破洞愈低水頭差愈大、因此砂土流失速度愈快，破洞愈大砂土流失愈快愈多。

圖2.3開挖面擋土壁破損管湧及流砂示意圖

圖2.4開挖面上擋土壁破損砂土流失示意圖

一般地下隧道鑽掘完成後，則因隧道外有高水壓，而內部無水壓，因此如隧道壁體R.C施工品質不良有裂隙破洞時，則因內外壁體水壓差大，故地下水會滲漏進入隧道內。圖2.5為地面下隧道底版開口施作地下集水井，如基礎開挖貫穿阻水層時，因高流水壓所造成之土砂流失及地面坍塌示意圖，因底版開口面積較大，水土流進隧道快且大，滲漏現象是漸進式的，初期水量小，沖蝕流失土壤小顆粒，然後較大顆粒，當流路連通成管道後，裂隙破洞逐漸擴大，水土流入量隨裂隙大小及時間延時而增加，至內外側壓力平衡或隧道內充滿水土砂方停止流動。依據質量不滅原則，地面下坍陷範圍內所流失之土壤體積(約等於地表及路面補強回填及灌漿體積)，應約等於流進地下隧道內之土砂體積。圖2.5中如隧道下不透水層施工未挖破時，則地下集水井施工時亦可能因過大之滲流上舉力而產生隆起破壞。

           圖2.5基礎底版開口水砂土湧進隧道地面坍塌示意圖

3.開挖地盤穩定分析

　　依照我國建築技術規則構造編第154 條有關規定：「挖土深度在 1.5公尺以上者，除地質好不致發生崩塌或其周圍狀況無安全之顧慮外，應有適當之擋土措施」。擋土措施之選用，應視基地之土層特性及分佈、地下水位、工作環境、棄土管理及開挖工法(含地質改良)之可行性等因素予以妥善規劃、設計及施工。

　　開挖地盤之穩定分析，如採用擋土安全措施，一般可就下列四項逐一檢討，以求出擋土工之最小安全入土深度。

1.擋土工側壓力穩定分析。

2.水位差所引起砂性土壤流砂穩定分析。

3.開挖地盤隆起之穩定分析。

4.地下水上舉力分析。

3.1 擋土工側壓力穩定分析

　　考慮擋土工之變位、變形或破壞等因素，依據 Free Earth Support法可評估分析擋土工入土深度(D)之安全係數Fs。

Fs=≧1.5…………………(3.1)

圖 3.1中h為擋土工最下一道支撐高度；公式(3.1)中：

F=外側側向作用力合力(t/m)

Z= F作用力距最下層支撐距離(m)

F=內側側向作用力合力(t/m)

Z= F作用力距最下層支撐距離(m)

M=擋土工材料容許抗彎距(m-t/m)

                 圖 3.1 擋土工土壓穩定示意圖

3.2 砂湧穩定分析

　　砂質地盤，當進行地下水位以下開挖施工抽水時，若擋土工為密閉且止水時，因背面地下水位高前面低，則地下水流向開挖面(圖 3.2)，因此擋土工前之砂土有產生砂湧或管湧之可能，因此擋土工之入土深度大致上需滿足

≦，即D≧…………………(3.2)

(3.2)中 ＝， 為產生砂湧或管湧之臨界坡降，G為土粒比種，e為土壤空隙比。另根據Terzaghi等氏之研究擋土工之入土深度必須同時滿足公式(3.3a)及(3.3b)時，方不致產生砂湧或管湧現象

D≧…………………(3.3a)

D≧…………………(3.3b)

           圖 3.2 擋土工砂湧穩定分析示意圖

3.3 隆起穩定分析　

　　鬆軟之黏性土層開挖，地盤可能產生如圖3.3所示之隆起破壞。依據建築技術規則構造編第 128條規定，開挖鬆軟粘土層，應核算其抵抗隆起之安全性。開挖地盤隆起破壞穩定計算公式，較常用者如表3.1所示。各式中 為土壤總單位重，H為開挖深度，B及L為開挖寬度及長度，S為土壤不排水剪力強度，N及N為土壤承載力因數，a為最下一道支撐處擋土壁與破壞弧內緣交角。

表3.1 隆起穩定分析公式一覽表

　　圖 3.3地盤隆起示意圖

3.4地下水上舉力分析 

    開挖底盤下方土層(圖3.4)，如含有不透水性粘性土層且其下為透水性砂層時，開挖完成未施作基礎底版前，應檢核該不透水層對地下水上舉力之抵抗安全係數，有關安全係數計算如公式(3.4) 。

Ｆs =…………………(3.4)

公式(3.4)中q=外加荷重

          n=土層總數

          =第i層土壤總單位重(t/m)

          =第i層土壤總單位重(m)

          =透水性層壓力水頭(m)

              圖3.4地下水上舉力分析

4.地盤改良

飽滿砂層極易因高水壓產生流砂導致破壞及坍塌，或因地震產生液化現象。地盤改良(Soil Improvement)，簡單而言是指改善軟弱地盤之工程性質之一種作業方式，以增加地盤穩定性之意。改良目的:有(1)改善剪力特性(防止剪力破壞，防止剪力變形)，(2)改善壓縮性以減少沉陷量，(3)改善動態特性(防止液化)，及(4)減少土壤透水性，降低滲流壓減緩流砂及管湧。以下僅簡單介紹較常用之地盤改良工法。

4.1置換土法

置換土法為以良好土壤替代不良土壤之改良工法，其涵蓋有挖掘、借土、回填及夯實等程序，一般較適合於不良土層深度較淺的情況。

 4.2動壓密工法

      動壓密工法為利用可產生高能量之落錘重復夯實地表，使欲改良範圍內之地層密度增加的一種工法，適用於4公尺以下砂上層。

 4.3壓實砂樁工法

主要對疏鬆沉泥質細中砂為主，其原理係利用一鋼套管打入土中利用震動效果使鋼管周圍土壤擠壓緊密，在鋼管拔出時以空氣壓力等方法將回填料壓入鋼管底端進入孔底，反覆壓實後，達成改良效果，適合於深度7∼8公尺以內之砂層改良。

4.4化學灌漿工法

是一種將水泥漿、粘土液、水玻璃、化學藥劑等灌漿材料注入地盤內之空隙，俾以提高地盤止水性或增加地盤強度之施工法。

4.5人工冰凍工法

人工冰凍工法，簡單說就是利用鑽鑿將直徑約10cm冰凍管埋設在計畫改良處理地層中，利用冰凍將冰凍管附近地層冰凍固結成塊狀土體之一種土壤改良工法。冰凍土體具有完全之止水性及龐大之力學強度，可作為臨時性之擋土壁體。人工冰凍工法適用在任何土層(地下水流動太快者除外)，不會污染水體也是其優點之一。人工冰凍工法大致分為(1)低溫液化瓦斯工法(適用在改量體積200立方之小工程)，及(2)不凍液循環工法(適用在大工程)。

4.6各工法性質比較

茲將常用改良工法就其適用性、安全性、施工時間及經濟性等五個項目，簡單評估如下表:

4.7地盤改良品質檢驗及評估

圖4.1為一般地盤改良配置示意，因其多屬地下作業方式，故施工品質多比較難控制，為確保工程安全，第1類至第4類工法等應針對改良目的進行現場鑽探標準SPT及取樣(土壤承載力、土層緊密特性)試驗、現場透水試驗，或試驗室力學強度或透水試驗等。人工冰凍工法之品質檢驗可透過測溫管檢測地中溫度以間接評估冰凍效果。

圖4.1地盤改良配置示意圖

5.施工監測系統

一般大地工程力學分析及設計工作，尤其是有關安全係數之計算，其與邊構造物工址位置地面下之(a)土(岩)層分佈，(b)弱面位置、位態及分怖，(c)土(岩)層力學強度，及地下水位高低等因素關係密切。因此僅憑規劃、設計階段所收集之點或面資料所作之規劃、設計，經常會與實際地層相去甚遠而造成危險。為防患未然，在有安全顧慮之重大工程，加強資料之收集及儀器觀測，是為掌握機先之不二法門。儘管一般大地工程的測度，多可通過肉眼的觀察(Observation)。但是由於工程中所測度的對象，其行為變化可能遠超出人類感官所能感知(Sensing)的範圍。有時其所處(location)是荒郊野外或高山峻嶺，有些更需深入地下。此外有些工程可能需要經久而持續性的測度，在這些特定條件下，工程師勢必借助儀器來進行人體所不能勝任之測定工作。更有甚者，由於施工深度及規模之擴大及先進施工機械大量使用，工程設計及施工更需要有不同功能的監測儀器，及嚴密之整體監測計畫，即所謂監測系統(Instrumentation System)，隨時檢視隨時修正以利工進。

5.1監測功能及範疇

工程監測作業之重要性並不只監督工程進行，它至少應具有下列數項功能:

(1)驗證原有的工程設計是否正確，以符實際。

(2)可以提昇工程技術水準。

(3)對新的營建技術予以適切評估。

(4)控制工程品質和進度。

(5)降低工程費用。

(6)剖析工程中所遇難題的癥結所在，提供解決的方法。

(7)改進工程的安全設施。

(8)彙集施工中所遭遇的各類狀況與其解決的方法，提供將來設計與施工的參考。

(9)提供合理合法的保護措施。

(10)緩和民眾因施工所帶來的焦慮不安，增進公共關係。

5.2監測項目(一般常用)

1. 設立基準點(Deep Benchmark)：

   藉由安裝在地表上不動點或地下岩盤上(或卵礫石層)延伸鋼棒之不動點(以鋼管與周圍土壤隔離)為基準點，以水準儀測量來取得其他測量點之沉陷量。

2. 連續壁內側傾導管(Inclinometer In Diaphragm Wall And In Earth)：

   利用裝設於擋土結構內並貫穿擋土結構下方之傾斜變位計，量測擋土結構相對於不動層之傾斜及變形撓曲程度，以研判擋土結構之安全度。

3. 水壓計(Standpipe Piezometer)：

量測不同深度，不同土層土壤水壓力以及地下水在開挖施工進行時之分佈情況與變化情形，以評鑑分析土層之穩定性，對開挖工程施工方法、步驟之選擇及工期之掌握，具相當重要參考價值。

4. 地表型沉陷觀測點(Ground Surface Settlement Point：

測度因開挖而造成基地四周地表沉陷情形，評估分析是否影響鄰近結構物，道路或公共設施安全。

5. 連續壁及現有結構物沉陷觀測點(Diaphragm Wall And  Structures Point)：

量度因開挖而可能造成基地四周地表或土壤或管線之沉陷情形，觀察是否影響鄰近結構物，道路或公共設施之安全。

6. 土壓及水壓計(Combined Earth Pressure Cell And Piezometer)：

藉裝設之土壓及水壓計計分別測量擋土結構所承受之土壓力與水土壓力大小，評估土壓及水壓計設計假設值與實測值差異，以作為地下結構物施工過程中，分析擋土結構安全度及回饋處理，預測之重要資料。

7. 構造物傾斜儀(Tiltmeter)：

觀察因開挖可能造成基地四周建築物或構造物傾斜情形，以評估鄰近結構物安全。

8. 支撐應變計(Strutted Strain Gage)：

隨時能測知支撐系統荷重及應力分佈情況，分析支撐系統穩定及安全程度。

9. 支撐荷重計(Strutted Load Cell)：

檢測支撐系統施加之預壓及承受土壤荷重變化，俾可分析支撐系統穩定及安全程度。

10 鋼筋應力計(Reinforcing Bar Stress Transducer)：

量測連續壁內鋼筋應力變化，以明瞭連續壁之安全度。

11. 隆起桿(Heave Indicator)：   

    量測各階段開挖時，開挖在區內地盤之隆起變化，以瞭解開挖而地盤穩定程度，以控制施工安全。

6. 深開挖工程設計及施工應行注意事項

   一般深基礎之開挖施工，除應依據建築技術規則構造編相關規定核算擋土工安全情況，分別就(a)擋土工側壓力穩定，(b)水位差所引起砂性土壤流砂穩定，(c)開挖地盤隆起之穩定分析，(d)地下水上舉力抵抗分析計算安全係數外，相關工程設計及施工主要工作項目及建議流程如圖6.1所示。

(1)   深基礎開挖施工因其較容易發生災變，因此相關地質及鑽探試驗，水文調查，地下埋設物及鄰近高樓基礎資料，過去災變案例及改善因應資料收集調查應詳實完備。

(2)   開挖工法，地盤改良工法(含檢驗方法)，災害應變措施等檢討評估應周全完備。

(3)應組設完善之安全監測系統，嚴格執行定期及必要之加強測量，確實掌握機先並隨時作資料回饋及設計作業校核及修正。

(4)   訂定工程合約及施工規範時，應聘請律師徵詢其法律意見，以確保業主權益，尤其當合約及施工規範有涉及外國政府或人員時，更應審慎縝密週延。

(5)   緊鄰高樓建築或重要構造物時應特別注意保護措施，以避免造成損害引起糾紛。

(6)   特殊構造物或危險地區施工時應進行更詳盡之地質調查、鑽探、試驗，確實掌握施工地點之地下水壓、地層分佈、透水性、土壤力學強度等資料，作為工法選擇之進一步確認及修正參考。

(7)   如發生災害時應按預定及預演之應變計畫作緊急修護及品質試驗，搶修完成後應立即建立災害搶修資料檔案，隨時檢討應變成效，修正應變計畫以作為下次類似災變參考案例。

(8)   應確實執行施工品質之三級(a)施工監造，b)品質檢驗，(c)安全衛生檢查，除負責設計及監造之顧問公司外，必要時可另行聘請專業之施工顧問團，專責特殊及困難度較高之工程施工查驗、品質檢驗及施工技術指導等工作。設計、監造顧問公司與專業之施工顧問團之權利義務應在合約中分別訂立規範，以防衝突或相互抵銷功能。

 7.高捷橘線07~08車站間地下聯絡道集水井施工坍陷案探討

7.1現況簡介

位於高雄市苓雅區中正路(大順路與凱旋路段)高雄捷運橘線07~08站間地下連絡隧道，於94.12.04下午5時許，地下隧道底盤(約-28m，地下28m)，因集水井(約-33m)施工需要鑽洞開口，在開挖基礎土層(約-30m)時，發現有少量地下水滲入隧道內，承包廠商緊急以鐵板覆蓋開口，直到6時30分左右因止水無效滲漏擴大後，方報警處理。為防萬一警方開始管制中正路雙向交通，地下道東西雙向封閉，車輛改道。大量水土湧入隧道內後，淘空聯絡隧道開口附近地層，連帶使其上方地層坍塌形成長約50m寬30m深10m大坑洞，附近地面及路面亦發生嚴重坍陷，鄰房損壞龜裂。中正地下道受波及，致基礎產生不均勻沉陷，造成壁體破損及滲漏。坍塌瞬間所造成之震動及噪音，據附近居民轉述：『相當驚人，其規模應不小與921大地震』。事故發生後施工單位積極搶修，以回填砂土及灌漿方式雙管齊下進行補強，估計所回填砂土量約8000立方米，灌漿量約4000立方米。

根據高雄市政府鄭文隆副市長判斷：『導致這次塌陷的最大原因，應該是地盤改良區域有些地方沒有改良成功，這也是一般深基礎工程較易發生的盲點』。
他同時強調『整個工程絕對沒有設計錯誤的問題，塌陷段非屬大規模開挖區，因此無外界所稱「連續壁工程施作有問題」。至於中正地下道出現錯位問題，以「目測」方式檢測，發現部份磁磚有裂痕現象，將再進行較縝密的評估研判。如果地下道的結構有受損，應進行相關復舊補強措施』。鄭副市長並表示『從路面塌陷的體積及灌漿量推估，07~08車站間的潛盾隧道，有可能一部份已經斷裂。一旦有斷裂毀損，當然就必須重做』

7.2工址地質簡介

   要評估檢討一個施工坍陷案，相關地質及水文、工程設計圖說、施工計畫、施工日誌等資料必須詳實完備，方能期望有較客觀公正及合理研判。目前筆者手頭上並無高捷任何具體資料，所憑藉的多是由報章雜誌拼湊者。根據經濟部地質調查所在高雄市苓雅區五權(編號640801G1)鑽井資料顯示：苓雅地區之地層(地表下60公尺範圍內)，由上而下大致可簡單歸納成六個層次：(1)厚約1.2m之中等粒徑礫石層；(2)厚約9.8m之鬆散中至粗粒沙層夾薄粘土(厚約1.0m)；(3)厚約18m之極細至細沙夾沙層偶夾薄粘土(厚約0.5m)；(4)厚約3.5m(-29.0m~-32.5m)

之粘土層；(5)厚約6.0m細粒沙層；(6)厚約2.0m(-38.0m~-39.0m)之粘土層；(7)厚層中粒徑砂層及粗砂層偶夾薄粘土。相關鑽探柱狀圖如圖7.1所示者。

圖7.1高雄市苓雅區五權(編號640801G1)鑽井柱狀圖

另根據成功大學張益三教授所發表之『高雄市地質結構及工程特性研究』報告(地工技術雜誌，p50,1988.6)，前金區、新興區及苓雅區地層工程特性如表7.1。由表7.1顯示地表下20m範圍內之地層N值偏低，平均多介於2~10。地下水位約為-0.13~-4.5m。

   表7.1前金區、新興區、苓雅區地層工程特性表(地下水位-0.13~-4.5m)

7.3坍塌原因探討

   本工程在坍塌災害發生後，由報章、電子新聞報導資訊及相關工程人員之陳述，經與高雄市苓雅區五權(編號640801G1)鑽井地層資料(圖7.1)比對後十分吻合。圖7.2為集水井施工開挖至-30m處之地下水可能之滲流示意圖(假定開挖面以下地質改良無止水效果)，圖7.2(a)為聯絡道底部落在透水沙層有擋水壁情況；圖7.2(b)為聯絡道底部落在透水沙層無擋水壁情況；圖7.2(c)為聯絡道底部落在低透水沙層有擋水壁情況；圖7.2(d)為聯絡道底部落在低透水沙層無擋水壁情況。對相同之水壓(上層水壓及兩低透水層間之受壓水壓)而言，情況(a)因在透水層中之擋水壁可能會滲漏，故其滲流量一般多比情況(c)大；對相同之水壓(兩低透水層間之受壓水壓)而言，情況(b)之滲流量一般比情況(d)大。為瞭解施工開挖至-30m處地下水管湧滲流情況，特繪製流線圖如圖7.3，圖7.3係假定開挖面下透水沙層間厚2.5m之粘土因施工擾動後變成可透水，而周圍之地質改良因成效不彰可假定其是可透水者。另假定透水砂層乾密度為1.70 t/m，飽和含水量為25﹪，則1.13，由抵抗管湧安全係數[ D=2.5m(開挖後黏土層厚度)，N=11(等能線總格數)，N=5(圖7.3中P點等能線格數)，=地下水水頭差]，如安全係數等於1.0，假定D=2.5m反算，可得≒6.2m。根據經驗判斷本基地-33m處之靜水壓應大於30t/㎡(i.e,水頭為30m)，地下水水頭差必遠大於6.2m，依此推斷施工開挖至-30m，如施工時地質改良品質不佳止水璧無法截斷(cut off)周圍滲流水時，管湧破壞應該是會發生的。進一步檢討如圖7.4[假定集水井下厚5.5m沙土地盤改良C.c.p(化學藥劑灌漿)完全止水]，則依上舉力抵抗公式核算後，當受壓水頭高大於21.0m時，-38m處之粘土層便會產生上舉力破壞。因此前述圖3.4四種情況除非改變施工方式(如人工冷凍工法或預鑄集水井壓重下沉工法)或增加上舉力抵抗能力(C.c.p改良範圍增加止水性提高)最終可能都無法避免發生災變情況。

           圖7.2集水井施工-30m處地下水滲流示意圖(a)

               圖7.2集水井施工-30m處地下水滲流示意圖(b)

          圖7.2集水井施工-30m處地下水滲流示意圖(c)

           圖7.2集水井施工-30m處地下水滲流示意圖(d)

                        圖7.3流線網圖

             圖7.4後2m粘土層上舉力抵抗示意圖

本案聯絡道隧道底部在高水壓情況下進行開孔及施工作業，如同將密閉沉箱構造物沉放在水面下25~30m河床沙土中，然後拔開底部開口鐵蓋情形相類似。圖7.5係假定開口設有兩道孔塞，第一道止水鐵蓋在外，第二道為細孔木塞(類似粘土層)在內，內部為自然大氣壓，開口底部下之土、水在高水壓作用下必然沖開第二道木塞流進沉箱內。圖7.5如經過適度之修改，應可在高強度透明P.v.c或玻璃槽內，模擬現場實際條件，作小尺寸之室內試驗，模擬及觀察破壞現象。

                   圖7.5沉箱浸沉河床示意圖

根據災變後工程人員之陳述及前述分析討論，還原事件可能經過如下：『在聯絡隧道底部開鑿缺口初期，因集水井預定位址下先已作C.c.p地質改良，初期之滲流量應該不大，因此施工人員以為是原地層中之暫棲水或土壤自然含水(飽和含水量)而失去警覺，唯當開挖至地表下-30m時，粘土層已挖掉2m剩下僅約1.5m粘土層，粘土層被其下受壓含水層上舉力上頂裂開產生隆起，開挖面暴路時間太長?滲流量逐漸擴大，此時土沙可能已開始湧進隧道內，工程人員以鐵板覆蓋缺口無效後報警處理，其後土、砂及水大量湧進隧道內，水流淘空地層(由缺口中心以近同心圓向外擴張)，淘空處上方坍陷，一連串骨牌效應，最後可能連-38m處之粘土層都被更下層水壓沖破，事態愈發不可收拾，………』。圖7.6為坍陷後之示意圖。前述推論完全以地調所苓雅區五權鑽井土層資料為基礎，本案之地層資料容或與五權鑽井有所差異，但應該不會影響最後結果。

           圖7.6集水井施工地下水滲漏及坍陷示意圖

8. 結論及建議

本報告之撰寫，目的是在研究及探討高捷橘線07~08車站間地下聯絡道集水井施工，因開挖造成坍陷之可能原因，希望透過簡單之大地工程概念及簡要說明，俾供一般工程系學生及社會大眾參考。在此筆者特別聲明：『本報告並無要指責他人之任何想法，更沒有要影響本案災害鑑定人員認知之意思』。在非常有限之資料情況下要完成此項工作，疏漏及未儘完備勢所難免，敬祈見諒。

8.1綜合討論

本案為高雄市捷運系統施工以來最嚴重之災害，其所牽涉之層面及影響範圍既廣且大。避開政治因素不談，就總體經濟而言，有形及無形損失重大，因為不論是工程承包廠商，或政府單位，或營建保險公司、鄰房受災戶、社會大樓都是輸家，差別在金額多寡而已，並非如某些人士所謂『無大影響』就可善了；另就工程層面而言，更暴露出台灣部份營建公司之脆弱面，諸如：(1)公司組織不健全，施工技術欠缺；(2)借用外商技術，溝通協調不良；(3)無承包重大及困難度較高工程之統包能力，因此設計及施工作業經常顧此失彼，有設計能力者無施工經驗，有施工經驗者缺乏設計能力比比皆是；(4)承包廠商現場工程作業人員、設計及監造工程技術水準參差不齊，現場意外事件應變能力不足或怠忽職守情況嚴重；(5)施工計畫不夠週延或沒有嚴格執行；(5)對可預見之工程災害既不事先作好搶修演練，亦無災害維修標準作業程序及規則等等。

有關本案之研究結論及建議，在前面所敘及者不擬重述，以下僅就較重要且可作為後續調查鑑定作業及將來施工參考者。

8.2結論

(1)塌陷的最大及直接原因是『隧道開口位置太低，地下水上舉力太大』

高捷工程所在工地，一般作業環境先天多不良：(a)地層條件不佳，沙、土層標準貫入N值偏低土壤強度弱，(b)水文環境不利，上層地下水位高(極接近地表)，受壓含水層(aquifer)孔隙水壓大。施工開挖作業(尤其是地下隧道鑽掘或壁體開洞)，如地下水處理不當或不及時，極易產生流砂及管踴情況，甚而造成災害，高捷橘線07~08車站間地下聯絡道集水井施工災變之罪魁禍首應屬地下水無疑，也就是屬於地下水之『水禍』，實不宜歸咎『』誤導社會大眾。

  建議相關單位應體認『水禍比禍水難處理，應小心謹慎處理』。

有謂『塌陷的最大原因，是地盤改良？』，應該是一般工程人員在沒有細究下之直接反應，如工址土層分佈與地調所苓雅區五權鑽井資料相當時，縱使地質改良止水效果百分之一百如圖7.4所示者，根據上舉力安全計算結果，基礎開挖至-33m預定高程位置時，除非集水井採用預鑄利用壓重慢慢沉下(參考圖8.1)或改用人工冷凍工法或增加C.c.p改量範圍提高止水性增加上舉力抵抗，似乎仍然無法免除災變命運。因此個人以為本案坍陷最直接原因應該是『隧道開口位置太低，地下水上舉力太大』。因為有『地質改良』，所以相關設計或(及)施工人員普遍都認為開挖不會有安全問題，故當現場出現嚴重滲漏時，施工人員直接反應，就是在隧道內部以鐵板覆蓋缺口(是否在鐵板下放置止水橡膠墊片及在板上放重量塊?都令人懷疑)，因處理不當最後終於導致災變。本人以為『改良地盤』是有誤導工程人員判斷之嫌疑，『改良地盤不良』充其量是『幫助犯』，『地下水』才是『元兇』。

          圖7.7預鑄集水井施工程序建議示意圖

(2)地下集水井工程施作並非完全沒問題，人為疏失機率高。

聯絡道隧道底部集水井施作，相關設計、監造或(及)施工人員，輕忽『地下水上舉力』之重要性及嚴重性在先，施工現場第一線工程人員施工時怠忽職守在後，一連串失誤及應變不足才會發生如此嚴重災害。如果在『規劃、設計、施工、監工及督導』作業中任一環節有人提出『預警』，應該是可以免除災害，就算會發生也不會如次嚴重，今天如說『工程施作沒有問題』則實難令人信服。

(3)現場施工人員欠缺工程專業知識及技能，現場開挖面暴露時間似乎過長，應變處理能力不足或(及)不及?致災害程度擴大。

      本案集水井開挖高程約-30m(計畫高程-33m)發現滲水，時間為94.12.4下午四點，查8 12月4日為星期日，前一天為周末又逢縣市長大選，集水井施工必須先在隧道內切斷底部R.c混凝土鑿洞。隧道開孔是大事，尤其是深開挖，如無負責工程師或監工在場，工人應該不敢冒進。星期日部份工程師及工人可能放假，因此推斷基礎土壤開挖應在星期六，也不太可能在星期日當天完成切割R.c混凝土及開挖至-30m位置。如在星期六開挖，開挖後又大膽任其暴露，權責工程人員不是怠忽職守(明知高水壓危險施工區？)，就是工程專業知識有問題[不看地質調查、鑽探報告或(及監測系統)？]。現場發現土、沙流進隧道內警訊後，既知以鐵板覆蓋缺口，卻不知在鐵板下放置止水橡膠墊圈及鐵板上壓重量塊(或千斤頂頂隧道)？或許止水橡膠墊圈鐵板上壓重量塊或千斤頂等會準備不及，也應該可以就地取材利用開挖遺留現場之R.c塊、廢土或防災用沙包或就近購買大塑膠袋桶裝水等緊急搶修回填及壓重。工作人員既無憂患意識在先，事件發生後不能處變不驚權宜緊急處理在後。不是無知？就是無能？或許是兩者都是？想瞭解釐清災變真正原因，應該徹底檢視事發前後工作日誌、出勤紀錄及訪查相關人員及資料，應不難水落石出。『有過則改，無者勉之』。

(4)『制度或(及)人員』出現嚴重問題？不能諉過於施工環境差。

深開挖施工災害，小規模災害是不可能完全排除，但高捷系統屬重大交通工程，事關社會公共安全及將來使用者生命及財產。在如此充裕預算及資源條件下，事前又歷經『調查、規劃、設計、施工、監工』作業及『監測及資料回饋系統』協助下，並高薪聘請國內外專家，多方監督層層把關下，仍然發生如此重大之災變，是『制度或(及)人員』出現嚴重問題？以此為戒，應痛定思痛立即檢討改進，不能諉過於地質不良及施工環境差。正因為條件不佳是預期的，也是可以解決的，所以才會有廠商參與投標，廠商資格才會限制如此嚴格，決標金額才會如此高。基於『權利義務對等』原則，必須有單位或(及)人員為此負責，其理至明。

8.3建議事項

(1)調查相關『地調、規劃、設計、施工、監造及監測』等資料，釐清災真相及責任歸屬，必要時可召開『高捷工程技術』學術研討會公開檢驗，集思廣益。 

        為釐清本次災害原因，正本清源，應(a)詳細檢視比對集水井工址附近所有規劃及設計階段、施工期間(如果有者)及特殊需求(如集水井位置，如果沒有，則必須瞭解原因？)之全部地質(含水文)調查及鑽探(含水位及水壓)資料之正確性；(b)詳細查核顧問公司所提規劃報告，是否有提供本工程在隧道開孔施作地下集水井之可行性研究、施工程序建議及設計施工應行注意事項等？(如果沒有，也必須瞭解原因)；(c)詳細察查設計單位是否真正落實規劃顧問單位所提建議意見？如規劃報告不曾提出相關意見，則設計單位在定案設計時，有關開挖工程安全性(如擋土工入土深度、流沙及管湧抵抗、地下上舉力及地盤隆起)檢核計算是否合理正確; (d)施工監工權責單位及督導權責單位(營造廠監工人員以外)是否依委託顧問合約工作內容，嚴格要求營造廠商依工程合約相關圖說規定、品質要求及安衛標準等確實施工；(e)詳細檢驗營造廠商是否提出詳實可行之施工計畫及災害應變措施；(f)最後再查看比對各相關單位(含施工監測系統測量及分析單位)事發前及災變當天之施工日誌、記錄、報表等文書資料，應該是可以尋找出本次災變相關地調、規劃、設計、施工、監造及監測與資料回饋各環節之缺失及不合宜之工作合約內容。必要時可針對『高捷工程技術』問題，召開學術研討會公開檢驗，集思廣益尋求協助，『所謂塞翁失馬，焉知非福』。所謂塞翁失馬，焉知非福。

(2)特別危險地區或地段之開挖建議採用「人工冷凍工法」：

依現場施工環境及其重要性，本案地下集水井工程地盤改良，如開挖面以下之地下水非流動快速者，採用「人工冷凍工法」應該是最安全工法選項一，此因為人工冷凍工法改良後之冰凍土塊，其止水性非常優異及抗壓強度龐大，故抵抗流沙或管湧及地下水上舉力能力強大。

(3)如採用C.c.p灌漿改良工法，配套措施必須改善，灌漿完成後必須進行相關土壤鑽探取樣及試驗，以確保品質：

如因經濟因素選擇C.c.p灌漿改良工法，則相關配套措施必須完善。(a)施工現場土壤分類及地層分怖、地下水壓等，必須再鑽探調查確認；(b)施工期間之水壓變化，應加裝水壓觀測計及預警自動系統，作24小時之觀測掌控；(c)施工灌漿品質監管必須嚴格；(d)正式灌漿前必須先行試灌，以瞭解化學硬化劑與土壤固結成效，如硬化劑容易流失或底部無法成形時，似可考慮在預定改良範圍外四周及底部，以鑽孔打設套管(或大塑膠管)，沖洗及擴大底部，拔出鑽桿後垂下PVC柱袋(下部袋狀上部柱狀)，取出套管(大塑膠管則不予取出)，再利用灌漿機器將純水泥砂漿高壓注入柱袋中，作為地盤改良外圍遮水牆，以強化C.c.p灌漿工法之固結成效；(e)灌漿完成後更必須針對改良目的進行相關土壤鑽探取樣及試驗，瞭解改良範圍廣度、深度是否足夠，改良目標改是否達到規範要求，必要時應進行第二次灌漿或以其他方式或工法補強；(f)施工滲漏嚴重時之緊急應變措施必須迅速有效。

(4)地盤開挖(含隧道開口)，應特別注意底盤穩定安檢荷

高地下水壓作用下地盤開挖(含隧道開口)，應特別注意『有關開挖工程安全性(如擋土工入土深度、流沙及管湧抵抗、地下水上舉力抵抗及地盤隆起)檢核作業』。

(5)高地下水地中構造物可考慮採用預鑄方式施作，以提高安全性

高地下水壓作用下之隧道底部開口作業，為提高上舉力抵抗安全性，地中構造物(如集水井)可以預鑄方式施作(參考圖7.7)，減少開挖面暴露時間及滲漏機會，提高工程安全性。

(6)鑑定報告應公開在網路刊登，接受社會大眾檢驗

本次施工災變，為高雄市捷運系統施工以來最嚴重也是規模最大者，相關新聞報導沸沸揚揚，而實際之工程災變原因及責任鑑定報告內容尚未出爐，希望能透過公開、公正及公平的方式，全面調查檢視所有相關資料及證據，以勿縱勿枉態度求取真實。真相只有一個，希望最後調查結果能夠接受社會大眾檢驗。如能將全部鑑定報告內容公開在網路刊登，供有興趣者閱覽下載，除可釐清真相外，所謂『前車之鑑，後事之師』尚能收教育及警惕工程人員宏效。

(7)淺層飽和沙層N值偏低(多介於2~10)，地下水位高，地震時極易造成土壤液態化，應特別注意。

高雄市地區，淺層(地表下20m範圍內)飽和沙層標準貫入試驗N值偏低，平均多介於2~10。地下水位又高(約為-0.13~-4.5m)，地震來時極易造成土壤液態化(liquefaction)現象，產生災害。有鑑於高捷多採用統包(turnkey)方式?得標廠商基於商業利潤考慮，可能會因設計人員專業技能不足或因陋就簡；施工為趕工及成本原因『偷工減料』或『省工省料』。如部份路段品質出現問題，地震來時極可能因成土壤液態化地層噴沙(與踴沙類似)造成災害，因此建議有關當局注意並能提早因應。

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