109 專技高考高等考試 大地工程技師 大地工程施工學 考古題詳解

核心觀念

本題考查地下室開挖期間連續壁的止水與擋土功能，以及壁體或壁趾失效時，地下水與土砂流失如何引發地表沉陷、鄰房傾斜。分析時應掌握三項連鎖關係：

1. 滲漏水與土砂流失：壁體接縫或缺陷形成水力通道，地下水由高水頭側流向開挖側，若滲流力足以帶動土粒，便會發生管湧、流砂或土砂沖蝕。
2. 土體流失與地盤變形：地下水位下降、土體流失或有效應力增加，會造成地層壓密及地表沉陷；鄰房因不均勻沉陷而傾斜或開裂。
3. 應變原則：先保護人員並控制水土流失，再依滲漏位置與水流狀況採取反壓、封堵、回灌或補強；不可只從開挖側強行封堵仍有高水頭的出水口，否則可能使水壓轉移到其他弱點。

解題方法

依「失效原因—立即控制—事前與施工中預防」作答。原因須分別檢討設計與地質、連續壁施工品質、開挖與支撐管理及周邊水文條件；緊急措施則以安全、止水、止砂、穩定壁體和監測為順序；預防措施涵蓋調查、設計、施工及品質管理。

（一）大量滲漏水與土砂流失的可能原因

1. 連續壁本體或接縫止水失效

• 單元壁接頭（導管接頭、接頭管或接頭板處）清理不良、接頭止水構造不完整，或相鄰單元搭接不足，形成連通縫隙。
• 溝槽開挖偏斜、壁體垂直度不佳，或單元接頭錯位，使局部壁厚不足、接縫不密合。
• 混凝土澆置時導管埋置深度或澆置程序不當、混凝土工作性不足、供料中斷，造成夾泥、蜂窩、冷縫、離析或混凝土不連續。
• 溝槽泥漿品質或液面管理不良，槽壁坍塌、沉渣過厚或泥漿夾雜物未妥善處理，降低壁體與接頭品質。
• 壁體存在裂縫、局部破損或施工缺陷，地下水遂由弱點集中滲入。

2. 壁趾或下伏地層形成繞流通道

連續壁深度不足，未穿入低透水層或未達設計止水深度，地下水可由壁趾下方繞流；若下伏為砂礫層、透水性強的砂層或局部透水透鏡體，水流易集中並挾帶土粒。地層分布變化大、局部有舊井、管線回填帶或其他人工通道，也會形成集中滲流路徑。

3. 地下水頭與開挖造成的水力條件不利

開挖側水位降低而外側地下水頭較高，壁體兩側形成較大水頭差，增加接縫及壁趾處的滲流。若開挖降水過量或抽水位置、範圍控制不當，也會擴大外側降水影響，使細粒土流失或軟弱地層壓密。高水頭地層、承壓水未妥善處理，亦可能造成突湧或管湧。

4. 施工階段受力、支撐或管理不當

開挖超挖、分層高度過大、未及時設置支撐，或支撐預力、接頭與構件剛度不足，會使連續壁變形或產生裂縫，加劇滲漏。開挖順序不當、局部堆載、施工機具靠壁過近、支撐拆除或換撐管理不當，也會提高壁體受力與變形。若漏水後仍持續抽水或開挖，土砂流失會擴大。

5. 鄰近建物沉陷的形成機制

滲流挾砂使壁外土體流失，地層形成空隙並向開挖區移動；抽水降水使土層孔隙水壓下降、有效應力上升，軟弱或可壓縮土層隨之壓密。連續壁向開挖側變形也會帶動外側土體位移。上述作用造成地表沉陷，若沉陷沿建物基礎分布不均，便引起鄰房傾斜、裂縫或管線損壞。

（二）當下可採取的緊急應變措施

1. 立即停工並管制危險區

停止漏水區附近的開挖、抽水及可能加劇振動或變形的作業；疏散開挖區與鄰近危險建物內人員，封鎖警戒範圍，並通報工地負責人、監造及相關主管單位。同步確認漏水量、是否挾砂、壁體變形、支撐狀況、地表沉陷及鄰房裂縫，持續觀察變化。

2. 先控制水土流失，避免形成更大水力梯度

• 在開挖側漏水處設置集水、導排設施，並以濾布、濾層或級配材料覆蓋出水點，降低流速、截留土粒；不得直接挖除漏水處周圍土體。
• 對持續出砂的孔洞或接縫，採用砂袋、黏土袋、級配料或其他適當反濾材料填塞，必要時以水中混凝土、速凝材料或適用的止水材料封堵。
• 若水流量大、封堵後水壓可能轉移，先以砂包、土方或其他材料在開挖側形成反壓，再分階段封堵；避免單純以高壓材料灌注，以免造成壁外劈裂或鄰近地層隆起。

核心觀念

本題考查都會區潛盾施工的地盤—隧道—地表結構物互制。潛盾施工雖可減少地面開挖與交通干擾，但開挖面支撐、盾尾空隙填充、地下水控制及施工姿態稍有失衡，就會改變周圍地盤的應力與水壓，造成地盤變形、地下水流失或結構物受損。

地表沉陷的主要來源包括開挖面土體流失、盾殼超挖與盾體周圍鬆弛、盾尾空隙未及時填充，以及地下水位下降造成的土層壓密。沉陷常以地表沉陷槽描述；均質地盤下可用 Peck 沉陷槽近似：

$$S(x)=S_{\max}\exp\left(-\frac{x^2}{2i^2}\right)$$

其中 $S(x)$ 為距隧道中心線水平距離 $x$ 處的沉陷量，$S_{\max}$ 為中心線最大沉陷量，$i$ 為沉陷槽寬度參數。沉陷槽面積為：

$$V_s=\sqrt{2\pi}\,iS_{\max}$$

$V_s$ 可用來表徵地表沉陷體積，並與隧道開挖體積及地盤損失率建立關聯。地盤損失量愈大，地表沉陷及鄰近結構物差異沉陷通常愈顯著。

解題方法

作答宜依施工機制整理風險：先看開挖面是否穩定，再看盾體通過與盾尾空隙，接著檢討地下水及地層變形，最後延伸至既有建物、管線與鄰近地下構造物。預防措施則逐項對應風險，涵蓋地質調查、施工控制、地盤改良、監測及應變處置。

（一）都會區潛盾施工的主要大地工程風險

1. 地表沉陷與差異沉陷

開挖面支撐壓力不足、超挖、盾體偏移或盾尾空隙填充不及時，會造成土體流失及地盤鬆弛，形成地表沉陷槽。沉陷若分布不均，會引起建物傾斜、基礎差異沉陷、道路不平及軌道變形。

軟弱黏土、鬆砂、回填土及地層變化劇烈地段，地盤損失與差異變形的控制尤其重要。

2. 開挖面失穩與土體流失

開挖面支撐壓力低於地層所需支撐時，土體會向開挖室內移動，造成坍塌、地表沉陷或地面塌陷。支撐壓力過高則會使地盤隆起、泥漿或土體向地表竄出，亦會損壞鄰近結構物。

地下水壓、土壤強度、粒徑分布與開挖面壓力必須共同考量；砂礫層、透水層及含水地層的面穩定與水土流失風險較高。

3. 地下水流失與地層壓密

掌子面、盾殼周圍或管片接縫止水不良，會引起地下水滲入隧道；若抽排水造成周邊地下水位下降，含水土層有效應力增加，便會產生壓密沉陷。地下水流失亦可能帶走細粒土，形成管湧、流砂或地中空洞。

4. 盾尾空隙及管片背填不良

盾尾脫出管片後，管片外側形成空隙。背填灌漿量不足、灌漿延遲、漿液流失或灌漿不均，會使周圍土體向空隙移動，造成沉陷與管片受力不均。灌漿壓力過大則會造成地表隆起、管片上浮或接縫受損。

5. 地盤隆起、地表冒漿及地中空洞

開挖面壓力、背填灌漿壓力或補償灌漿壓力過高，會使土體隆起、漿液竄至地表，或沿弱面進入既有地下構造物。土體流失後若未有效填補，則會留下地中空洞，形成後續沉陷或塌陷的隱患。

6. 鄰近建物、管線及地下構造物變形或破壞

地盤沉陷、隆起、地下水位改變及土體側向移動，會影響鄰近建物基礎、道路、橋梁、軌道、地下管線、既有隧道及地下室。脆弱或老舊管線可能產生接頭脫開、破裂或漏水；既有隧道與地下室則可能發生變形、滲漏或浮力改變。

7. 盾體偏移與地層擾動

盾構方向控制不當、蛇行、急轉或頻繁修正姿態，會增加超挖與地盤擾動，造成不均勻沉陷。盾體穿越軟硬互層、孤石、障礙物或既有樁基時，亦會增加偏移、局部地盤損失及施工異常的風險。

（二）預防措施

1. 完整調查地質、地下水與周邊設施

核心觀念

本題考查地震作用下飽和砂土的液化機制，以及都會區新建工程或拆除重建時可採用的地盤改良與結構因應措施。液化防治的核心，是降低土壤受震時累積超額孔隙水壓的能力、提高土壤抗剪強度，或降低地震作用傳遞至地盤的影響。

（一）何謂液化

液化是指飽和、鬆散或中等密度的砂質土壤受地震反覆剪力作用時，顆粒骨架受到擾動而趨於緊密；若孔隙水來不及排出，便會累積超額孔隙水壓，使有效應力與抗剪強度大幅降低，土體因而呈現類似液體的行為。

有效應力關係為：

$$\sigma'=\sigma-u$$

其中，$\sigma'$ 為有效應力、$\sigma$ 為總應力、$u$ 為孔隙水壓。地震期間若孔隙水壓增加至接近總應力，則有效應力趨近於零，土粒間的接觸力及摩擦抗剪能力顯著減少，可能造成地盤沉陷、側向擴展、噴砂冒水、承載力喪失及建物傾斜或沉陷。

液化最常見於地下水位以下的鬆散砂土或粉土質砂；黏性土通常不易發生典型砂土液化，但仍須依土壤塑性、細料含量與地震條件評估其震時軟化或強度折減。液化是否發生，與土層密度、土壤級配與細料特性、地下水位、地震強度與持時，以及覆土壓力等因素有關。

（二）液化防治工法

1. 改善土壤密度與抗液化強度

• 振動壓密：以振動設備使鬆散砂土重新排列、提高密度，適用於可振密的砂性土。都市施工須評估振動對鄰房、地下管線及既有設施的影響。
• 砂樁或礫石樁：以置換或擠壓方式形成較密實的樁體，改善周圍土層密度與剪力強度；樁體亦可提供排水通道，縮短震時孔隙水壓消散時間。
• 動力夯實：以重錘反覆夯擊地表，使深層鬆散土壓密；適用深度及效果受土層條件、地下水位與周邊環境限制，近鄰建物時須審慎評估。
• 爆炸壓密：利用爆炸引發土體振動，使鬆砂密實；須考量安全、振動與周遭設施限制，都市工程較少採用。
• 預壓或超載預壓：對適用地層施加預載，使土層先行壓密並改善工程性質；工期較長，且須配合排水措施及沉陷監測。
• 深層攪拌或灌漿改良：以水泥系材料與原地土混合，或將漿液注入土層，形成改良土體或加固區，提高強度、降低可液化土層的弱化影響。其成效須依地層條件及施工均勻性確認。

核心觀念

本題考查離岸風機水下基礎的型式辨識、結構差異、鋼構施工流程與海床沖刷防護。作答時應以民國 109 年臺灣已營運及興建中的風場為範圍，說明當時主要採用的固定式基礎：單樁式（Monopile）與套筒式／管架式（Jacket）。

基礎型式的選擇，主要取決於水深、海床地質、風浪與地震所造成的水平力及彎矩、風機容量，以及施工船機與工期條件。離岸風機承受風、浪、流與地震作用，基礎須將上部結構的軸力、水平力及彎矩安全傳遞至海床土層。

解題方法

先由結構外形與荷重傳遞路徑區分兩種基礎，再依序說明其材料、工廠製造、海上安裝，以及沖刷防護。題目所稱「材質與施工方式」，應涵蓋主要結構材料與施工工序；不能只寫「鋼材、打樁」，而應交代基礎如何支承風機、如何固定於海床，以及如何處理接合與防蝕。

（一）臺灣風場採用的水下基礎型式及差異

1. 單樁式基礎（Monopile）

單樁式以一根大直徑鋼管樁作為主要支承構件。鋼管樁由海床面向下貫入土層，樁頂以上透過轉接段連接風機塔架；風機荷重由樁身傳至周圍土體。

單樁構造相對簡單，構件數量少、工廠製造及海上安裝程序較直接，適合以打樁方式快速施工。其限制是單根樁須承受較大的水平力及彎矩，樁徑與樁長可能很大；若遇堅硬地層、障礙物或水深較大，施工與設計難度會增加。大型鋼管樁周圍亦須注意局部沖刷。

2. 套筒式／管架式基礎（Jacket）

套筒式由多根斜撐與水平構件組成空間鋼管桁架，通常以多個角部基樁固定於海床。風機荷重由套筒架分散至各支基樁，再傳入土層。

相較於單樁，套筒式具有較大的基底寬度與多點支承，整體側向剛度較高，能以多支較小直徑基樁分擔荷重，適用於較深水域或單樁不經濟、難以施工的條件。其缺點是構件與焊接接頭多、製造及檢驗較複雜，海上吊裝與定位要求高，施工船機、運輸及安裝作業也較繁複。

3. 兩種型式比較

比較項目	單樁式	套筒式／管架式
主要構造	一根大直徑鋼管樁	多支斜撐、水平構件及多根基樁組成的空間桁架
荷重傳遞	集中由單樁傳至土層	分散至多支基樁，再傳至土層
側向支承	主要依賴單樁剛度及周圍土壤	以較寬基底及多點支承提高側向穩定
製造與施工	構造簡單，安裝程序較直接	構件及接頭較多，製造、吊裝、定位較複雜
常見考量	大直徑、長樁的製造與沉樁能力	結構組裝、海上吊裝、多樁定位與接合品質

（二）材質、施工方式及沖刷防護

1. 材料與工廠製造

當時臺灣採用的單樁式與套筒式水下基礎，主要承載構件均為結構用鋼材。單樁式以厚鋼板捲製、銲接成大直徑鋼管樁；套筒式則以鋼管構成主腿、斜撐與水平撐，於工廠製作、組裝並銲接成大型鋼構件。

鋼構製造須控制鋼材品質、構件尺寸及銲接品質，並依設計要求進行銲道檢驗。因鋼材長期處於海洋環境，水下及潮汐帶部位須採取防蝕措施，常見方式包括防蝕塗層與陰極防蝕，例如在適當位置設置犧牲陽極，以降低鋼材腐蝕。

2. 單樁式施工