107 高普考普通考試 土木工程 土木施工學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查土木施工學中「預力混凝土橋梁上部結構施工法」之分類、工法實務流程與特性評估。核心觀念包含：

1. 結構形式與工法分類原理：預力混凝土梁部施工依澆置與成型地點分為「預鑄（Precast）」與「場鑄（Cast-in-Place, CIP）」兩大範疇。
2. 施工循環與應力傳遞：上部結構施工須配合預力施拉時程（先拉法、後拉法）、工作載重傳遞、自重懸臂平衡及施工支撐系統（工作車、架設桁架或滿堂架）之受力特性。
3. 工程管理指標衡量：工法選擇取決於「工期（平行作業彈性）」、「品質控制（水灰比、養護環境）」、「施工環境（地形、跨距、地面淨空限制、交通衝擊）」及「經濟性（模具重複率、大型機具動員成本）」。

---

解題方法

本題為標準的國家考試申論題型，答題結構應層次分明、邏輯連貫：

1. 分別舉例與步驟化說明：

• 預鑄工法選取實務與試卷最具代表性的「預鑄節塊吊裝工法（Precast Segmental Method）」（亦可選預鑄梁吊裝工法），依「製造 $\rightarrow$ 運輸 $\rightarrow$ 吊裝架設 $\rightarrow$ 膠合與預力施拉 $\rightarrow$ 系統閉合」五大標準生命週期展開。
• 場鑄工法選取大跨度橋梁核心技術「場鑄懸臂工法（Balanced Cantilever Cast-in-Place Method）」（平衡懸臂工法），依「墩頂節塊 $\rightarrow$ 工作車組裝 $\rightarrow$ 對稱澆置與施拉 $\rightarrow$ 推進循環 $\rightarrow$ 合龍與系統轉換」程序條列。

2. 系統化對比矩陣：比較優缺點切忌散落隨筆，應以「工程品質」、「工期與進度」、「工址環境與交通衝擊」、「設備投資與造價成本」、「線形控制與結構整體性」等五大維度製作綜合比較表，並輔以深入文字條列，以獲取高分。

---

選項分析

本題為申論題（非選擇題），無選項分析。考生於應試時應將作答核心直接聚焦於指定工法之完整施工步驟與優缺點深度比較。

---

解題技巧

1. 列點條理化，動詞帶名詞：說明步驟時善用序號（1. 2. 3. 或 Step 1、Step 2），各步驟標題化（例如：「步驟一：柱頭節塊施工」），讓閱卷老師在 5 秒內掌握標準作業流程。
2. 關鍵專業名詞不可遺漏：

• 預鑄節塊工法必備名詞：匹配澆置（Match-Casting）、架設桁架（Launching Gantry）、環氧樹脂膠合劑（Epoxy Jointing）、灌漿封錨。
• 場鑄懸臂工法必備名詞：墩頂柱頭板（Pier Table）、推進工作車（Form Traveler）、不平衡彎矩抵抗措施、閉合段（Closure Segment / 合龍段）。

3. 優缺點比較善用表格化：閱卷標準著重結構邏輯。先用綜合對照表吸睛，再簡明論述細節，比單純純文字條列能取得更高分段。

---

【答案】

壹、預鑄工法列舉及施工步驟：【預鑄節塊吊裝工法】（Precast Segmental Method）

預鑄節塊工法係在預鑄場先行分段鑄造箱型梁節塊，運至工址後以架設設備逐塊吊升接合，並施拉預力以形成完整跨徑之結構工法。

施工步驟：

1. 預鑄場節塊產製（匹配澆置法）：

• 在專屬預鑄場採用「匹配澆置（Match Casting）」（長線法或短線法）製作節塊，以前一節塊端面作為後一節塊的端模，確保工地拼裝密合無縫。
• 脫模後進行蒸氣養護或妥善水養，達規定強度後編號堆置。

2. 吊裝機具架設與下部結構準備：

• 在橋墩頂設置臨時支承與導向裝置。
• 於墩跨間組裝架設桁架（Launching Gantry）或大型吊車，並完成載重試驗確認安全。

3. 節塊運輸與依序起吊：

• 將養護完成之箱型節塊以拖車運至橋下或由已成型橋面推進，以架設桁架起吊至定位。

4. 端面塗布膠結劑與拼裝對位：

• 節塊吊裝到位後，接合端面均勻塗布專用「環氧樹脂（Epoxy）」（兼具潤滑、黏結與防水密封功能）。
• 調整線形，施拉臨時預力鋼腱使節塊接合面緊密貼合（壓應力需達規範要求），擠出多餘膠劑並清理乾淨。

5. 主預力施拉、灌漿與推進下一循環：

• 穿入跨徑永久預力鋼絞線，達到規定強度後進行後拉預力施拉與錨定作業。
• 套管注入水泥漿（Grouting）保護鋼腱防止鏽蝕。
• 卸載釋放吊裝桁架，向前推進至下一跨，重複上述循環作業。

---

核心觀念

本題旨在考驗考生對於**深基礎開挖工程中之地下水控制（Dewatering）及地下水引發之開挖破壞機制（Excavation Hazards due to Seepage）**的掌握程度。

1. 地下水控制力學原理： 依據太沙基（Terzaghi）有效應力原理 $\sigma' = \sigma - u$。地下水位的降低能有效消散孔隙水壓力 $u$、提高土壤有效應力 $\sigma'$，進而提升土體抗剪強度 $\tau_f = c' + \sigma' \tan\phi'$，同時消除或減緩朝向開挖坑底的向上滲流力（Seepage Force, $J = i \cdot \gamma_w$）。
2. 臨界動水坡降與滲流破壞理論： 在砂性土壤中，當向上滲流坡降 $i$ 達到臨界動水坡降 $i_c$ 時，土體有效應力降為零，發生流砂或砂湧現象： $i_c = \frac{\gamma'}{\gamma_w} = \frac{G_s - 1}{1 + e}$ （其中 $\gamma'$ 為土壤浸水重度，$\gamma_w$ 為水之單位重，$G_s$ 為土粒比重，$e$ 為孔隙比）
3. 承壓水層抗隆起（Heaving/Uplift）平衡： 當開挖底面下方存在承壓含水層時，隔水層黏土之總覆土重必須大於承壓水水頭壓力，安全係數須滿足： $FS = \frac{\sum \gamma \cdot D}{u_w} \ge 1.2 \sim 1.5$ （$D$ 為黏土不透水層厚度，$u_w$ 為承壓水之孔隙水壓）

---

解題方法

本題為典型的「雙核心」申論題，切入點應分為兩大主軸層次展開：

1. 第一主軸（排水工法）：依土壤透水性（$k$ 值）與開挖降水深度，分類列舉工程界實務最常採用的排水/降水工法，並具體說明各工法的適用地層與運作機制。
2. 第二主軸（防止之災害）：以水理作用與力學破壞為出發點，由坑底破壞、擋土結構、周遭環境三個維度，精確陳述地下水引發的各項工程災害及排水的預防效果。

---

選項分析

本題為國家考試專業科目之申論題，非選擇題。考生在試卷上的答題架構應具備「結構化分項」，對應閱卷委員的給分關鍵指標分析如下：

• 第一子題之得分要件：必須區分「重力式明排」與「井點降水（深井、點井、減壓井）」，並明確寫出其適用地層（如粗顆粒透水層 vs. 細砂粉土層）。若僅籠統回答「抽水馬達抽水」將無法取得高分。
• 第二子題之得分要件：必須使用精確之土壤力學專有名詞（如「砂湧」、「管湧」、「隆起」、「承壓水突湧」），並交代其發生的水力機制，切忌僅以口語泛稱「淹水」或「崩塌」。

---

解題技巧

1. 破題對比法：開挖防排水常分為「擋水/止水」（連續壁、高壓噴射灌漿）與「抽水/排水」。題目明確指定「排水工法」，切勿花費篇幅論述連續壁或灌漿止水帷幕，否則屬離題。
2. 關鍵字速記聯想：

• 工法關鍵字：明溝集水（地表/基底淺排）、點井（細砂粉土、單級 4~6 m）、深井（深層大湧水、沉水馬達）、減壓井（降下伏承壓水頭）。
• 災害關鍵字：湧（砂湧/管湧）、隆（黏土層底面隆起/突湧）、壓（側向水土壓力過大造成壁體破壞）、沉（地層沉陷與鄰房損壞）。

3. 實務補充提分亮點：在說明深井抽水的同時，簡短提及「抽水可能導致周邊地表沉陷，常須配合『回灌井（Recharge Well）』」以展現考生的工程實務廣度。

---

【答案】

一、經常採用之排水工法

在深基礎開挖遭遇高地下水位或大湧水量時，依地層透水特性（透水係數 $k$）與開挖深度，常採用下列四種排水工法：

1. 深井工法（Deep Well System）

• 原理與配置：於開挖區周邊或內部鑽設深孔（直徑約 30~60 cm），內置濾管、濾料（碎石砂礫），並於井底配置高揚程、大容量之

核心觀念

本題旨在測驗工程人員對於「普通混凝土配比設計」標準作業流程（ACI 211.1 / CNS 3090 / 內政部《混凝土結構設計規範》）之全盤掌握度，並檢核配比各步驟如何具體落實題目所要求的四大基本性能指標：

1. 安全性（強度）：滿足結構設計要求之規定抗壓強度 $f'_c$。依據統計可靠度理論，計算目標平均強度（配比設計強度）$f'_{cr}$（以規範規定之標準差 $s_s$ 計算），並以此決定水灰比（或水膠比 $W/B$）。
2. 工作性（稠度與流動性）：考量構件形狀、配筋密度與施工輸送方式（如泵送、吊桶），選定適當之坍度（Slump）與粗骨材最大粒徑。
3. 耐久性（抗外在侵蝕）：依結構所處環境（如凍融、硫酸鹽接觸、防鋼筋腐蝕水密性等），檢核並選定允許之「最大水灰比上限」、「最低水泥用量」與「必要之含氣量」。
4. 經濟性（成本控制）：在滿足工作性與耐久性前提下，盡量選用最大許可粒徑以提高骨材緻密堆積度，降低單位用水量與水泥漿量，達到節省水泥成本與降低水化熱之雙重效益。

核心計算原理採用絕對體積法（Absolute Volume Method），即各組成材料之固體體積與水、空氣體積總和必須等於單位體積（通常以 $1\text{ m}^3$ 混凝土為計算基準）： $V_w + V_c + V_{ca} + V_{fa} + V_{air} = 1.0\text{ m}^3$ 其中各組成材料之絕對體積計算式為： $V = \frac{W}{G_s \cdot \gamma_w}$ （$W$ 為材料乾重或面乾內飽和重，$G_s$ 為比重，$\gamma_w = 1000\text{ kg/m}^3$ 為水之單位容積重）。

---

解題方法

本題之解答架構以工程界普遍採用之 ACI 211.1 絕對體積法為標準解法。依序推導九大標準步驟，闡明各材料用量之決定邏輯與設計依據：

步驟一：選擇坍度（滿足工作性）

依據結構構件型態、鋼筋緊密度及施工澆置與振動方法選定適當之坍度範圍。無特定規定時，應在確保能充份搗實之前提下，選用最低必要坍度以節省水量。

步驟二：決定粗骨材標稱最大粒徑（兼顧工作性與經濟性）

粗骨材最大粒徑（$D_{max}$）受限於施工幾何條件，依規範不得大於：

1. 模板兩側面淨距之 $1/5$。
2. 樓板厚度之 $1/3$。
3. 鋼筋最小淨間距或預力鋼材淨間距之 $3/4$。
4. 保護層厚度之規範限制。

在上述限制內，盡量選用較大之最大粒徑，可減少骨材表面積，從而降低潤濕所需之砂漿用量與拌和水，具最佳經濟性。

步驟三：估計單位拌和用水量與含氣量（工作性與耐久性控制）

查 ACI 211.1 規範表，根據所選定之「坍度」、「粗骨材最大粒徑」以及「是否使用輸氣劑（考慮抗凍融耐久性）」三項因子，直接查表查出每立方米混凝土所需之預估水量（$\text{kg/m}^3$）與內夾空氣體積百分比（$\%$）。

步驟四：決定水灰比（或水膠比 $W/B$）（安全性與耐久性雙重檢核）

依據下列兩條件分別求取水灰比，並取二者之較小值（即較嚴格者）：

1. 安全性（強度要求）：先計算目標平均配比強度 $f'_{cr}$：

• 當具備充足試驗統計資料（$n \ge 30$）時： $f'_{cr} = f'_c + 1.34s_s$ $f'_{cr} = f'_c + 2.33s_s - 35\text{ kgf/cm}^2 \quad (\text{或依現行規範公式})$
• 依 $f'_{cr}$ 查強度與水灰比關係表，或依經驗水灰比公式決定符合強度之水灰比。

2. 耐久性要求：依構造物暴露環境條件（如接觸海水、受凍融、接觸硫酸鹽等），查表確定規範容許之最大水灰比上限。

步驟五：計算水泥用量（材料用量計算與耐久性檢核）

由步驟三之用水量（$W$）與步驟四決定之水灰比（$W/C$），計算每立方米所需之水泥用量（$C$）： $C = \frac{W}{W/C}$ 計算所得之水泥用量須與規範規定之「最小水泥用量」比較，若低於最低規定，應調整採用最小水泥用量以確保結構物耐磨性與水密耐久性。

步驟六：估計粗骨材用量（骨材堆積最佳化）

1. 測定細骨材之細度模數（Fineness Modulus, FM）。
2. 由粗骨材最大粒徑與細骨材 FM 值，查表求得「每單位容積混凝土中乾擣粗骨材之容積比率」（$b/b_0$）。
3. 粗骨材之乾重（$W_{ca, \text{dry}}$）計算式： $W_{ca, \text{dry}} = (b/b_0) \times \gamma_{ca, \text{dry-rodded}}$ （$\gamma_{ca, \text{dry-rodded}}$ 為粗骨材乾擣單位重）。

步驟七：計算細骨材用量（絕對體積法閉合）

利用單位體積（$1\text{ m}^3 = 1000\text{ L}$）體積守恆原理，扣除水、水泥、粗骨材與內夾空氣之絕對體積，求得細骨材所需之絕對體積： $V_{fa} = 1.0 - \left( \frac{W}{\gamma_w} + \frac{C}{G_c \cdot \gamma_w} + \frac{W_{ca, \text{dry}}}{G_{ca} \cdot \gamma_w} + V_{air} \right)$ 細骨材重量（乾燥或面乾內飽和重）為：

核心觀念

本題評量考生對「加勁擋土結構（Mechanically Stabilized Earth Wall, MSE Wall / Geosynthetic Reinforced Soil Wall, GRS Wall）」之力學原理、施工順序控制及工程特性的綜合理解。涉及核心觀念包含：

1. 土體力學缺陷與加勁機制：土壤具備優良的抗壓與抗剪強度，但「抗拉強度幾近於零」。利用抗拉強度高之地工合成材料（如地工格網 Geogrid、加勁地工織物 Geotextile）水平分層埋設於土體中，藉由土壤與材料間之「介面摩擦力（Interface Friction）」與「顆粒互鎖咬合作用（Interlocking）」，限制土體的側向變形，使張力有效轉移至加勁材上，形成具自持能力之「複合重力式擋土結構」。
2. 穩定性分析架構：

• 外在穩定（External Stability）：將加勁土體視為一整體剛體，檢核深層滑動、滑動（Sliding）、傾覆（Overturning）及承載力（Bearing Capacity）。加勁材長度 $L$ 依設計規範通常需滿足 $L \ge 0.7H$（$H$ 為牆高），且不得小於 $2.5\text{ m}$。
• 內在穩定（Internal Stability）：檢核各層加勁材之「抗拉拔破壞（Pullout Failure）」與「拉斷破壞（Tension Break / Rupture）」。

3. 組成單元協同運作：加勁擋土牆由四大核心系統構成——面版系統（Facing）、加勁材料（Reinforcement）、優良回填料（Backfill）與排水系統（Drainage）。

---

解題方法

本題為標準的國家考試申論題，配分約在 20～25 分。切入點必須扣緊題目四大要求：繪圖、原理、方法（施工步驟）、優點。

1. 解題結構佈局：

• 繪圖在前：考卷首段直接繪出清晰的「加勁擋土牆標準剖面圖」，並完整標註面版、加勁材（含鋪設長度 $L$、層厚 $S_v$）、回填土、壓實層、基底、濾水層及排水管。
• 原理分點論述：自「應力轉移」、「摩擦與互鎖」及「虛擬凝聚力假說」切入說明。
• 工法以 SOP 流程化表達：以「整平基礎 $\to$ 安裝面版 $\to$ 鋪設加勁材 $\to$ 鋪築回填土 $\to$ 夯實（分區控制）$\to$ 排水施工 $\to$ 逐層循環」之標準施工工序條列。
• 優點系統化歸類：由「結構力學與抗震」、「地質適應性」、「工期與經濟性」、「環境景觀」四大構面作答，避免散落零星要點。

---

選項分析（申論題各項採分要素剖析）

本題為申論題，閱卷評分點對應題目各子題要求，應試時各項核心內容之解析如下：

1. 繪圖要素（採分關鍵）：

• 必須清楚繪出牆高 $H$ 與加勁長度 $L$ 的幾何關係（$L \approx 0.7H$）。
• 必須標示背填土（Reinforced Zone）與天然邊坡／後方填土（Retained Zone）之介面。
• 必須標示牆趾埋深 $D$（防止沖刷破壞，通常至少 $0.6\text{ m}$ 或達凍土線以下）、基底碎石墊層及基底排水管。
• 必須呈現面版與加勁材之錨定／夾扣銜接方式。

2. 施工原理（理論基礎）：

• 需說明垂直應力 $\sigma_v$ 作用下，土體欲產生側向擴張變形 $\varepsilon_h$，促使土顆粒與加勁材表面產生相對位移趨勢，激發出介面剪應力 $\tau = \sigma_v \tan \phi_{sg}$（$\phi_{sg}$ 為土與地工材料之介面摩擦角）。
• 此剪應力轉化為加勁材內部的抗拉應力 $T$，對土體提供側向圍壓（Equivalent Confining Stress $\Delta \sigma_3$），使土體之破壞剪應力由莫爾圓向安全應力狀態移動，實質提升複合體抗剪強度。

3. 施工步驟（實務細節）：

• 夯實細節是高分關鍵：面版後方 $1.0\sim 1.5\text{ m}$ 範圍內嚴禁大型重型壓路機震動壓實，避免面版外擠位移；必須改用輕型手推振動夯壓機，每層壓實厚度通常控制於 $15\sim 20\text{ cm}$。
• 加勁材鋪設需施加適度預拉力（Pre-tensioning）並以 U 型鋼釘固定，防止回填時產生皺摺鬆弛。

4. 工程優點（對比傳統 RC 重力式擋土牆）：

• 柔性結構可容許較大之「不均勻沉陷」而不致龜裂開裂破壞。
• 耐震性能卓越，阻尼比大、能量消散佳。
• 可垂直或以大傾角構築高牆，大幅減少開挖量與用地徵收。

---

解題技巧

1. 閱卷版面設計：圖形佔據版面約三分之一至二分之一寬度，字體工整，各構件引線標註清楚；圖下方接續綱要化條列文字，善用黑體小標。
2. 常見失分陷阱：

• 漏繪排水系統：許多考生只畫加勁材與填土，漏掉最重要的後方濾水透水層與底層盲包排水管，直接扣除重要分數。
• 工序順序錯置：先回填還是先鋪加勁材需交代精確；