113 專技高考高等考試 大地工程技師(二) 工程地質及工址調查 考古題詳解

核心觀念

土壤液化是指飽和、鬆散的砂質土或低塑性粉土，在地震反覆剪力作用下，土粒結構趨於緊密；若孔隙水來不及排出，超額孔隙水壓便會累積，使有效應力與抗剪強度大幅降低。液化可能造成地盤沉陷、側向擴展、基礎承載力降低及建築物不均勻沉陷。

本題依「以命題當年（民國 113 年）法規為準」作答。相關規定見《建築物基礎構造設計規範》第 3.1.4 節及第 10 章。第 3.1.4 節規定，建築基地內土層於設計地震作用時有液化災害之虞者，應辦理基地地層液化潛能分析；第 10 章則說明液化評估方法與應判定土層的基本條件。現行規範已於民國 112 年修正發布，以下依命題當年有效規定說明。

（一）容易發生液化的地質條件

液化通常需要下列條件共同作用：

1. 土層鬆散且以砂質土為主：鬆砂、粉細砂及低塑性粉土較易在反覆震動下重排、密實；黏土因塑性與黏聚特性，通常不易發生典型液化。
2. 土層飽和、地下水位較高：孔隙水填滿土粒間隙，地震時較容易累積超額孔隙水壓。地下水位越淺，潛在液化土層的範圍通常越大。
3. 位於地表下較淺處：淺層土壓力與拘束較低，較容易受地震剪力作用而喪失有效應力。
4. 地震作用足夠強且持續時間足夠：地震加速度、規模、震動持續時間及距離等均影響反覆剪應力與孔隙水壓累積。
5. 沉積環境與地層狀態不利：河川沖積、海岸、河口、填土及潟湖等環境，常見鬆散且均勻的砂層或粉砂層，應特別注意；近期沉積或未充分夯實的土層尤其如此。

可用「鬆、砂、飽、水淺、震強」作快速記憶：鬆散砂質土、飽和、高地下水位，加上強烈地震，是液化的典型組合。

（二）依規範應進行液化潛能判定的土層

依《建築物基礎構造設計規範》第 10 章，對沖積層中的飽和土層，符合下列條件者，應進行液化潛能評估：

• 位於地表面下 20 公尺以內；
• 位於地下水位以下，屬飽和土層；
• 土層塑性指數 $I_p<7$。

因此，答題時應清楚列出深度、地下水位與塑性指數三項篩選條件。實務上另應依第 3.1.4 節檢視基地是否有設計地震液化災害之虞，並按規範進行基地地層調查與液化分析。

（三）三種簡易現地調查試驗方法

液化潛勢評估的基本概念，是比較地震需求與土層抗液化能力。以反覆應力法表示，可寫為：

其中 $CRR$ 為土層抗液化剪力強度比，$CSR$ 為地震引致的平均反覆剪應力比。$F_L$ 越低，液化風險越高。簡易現地試驗提供土層密度或抗力的指標，再配合地下水位、土層深度及設計地震條件進行評估。

1. 標準貫入試驗（SPT）

**原理：**在鑽孔中將標準取樣器打入土層，記錄貫入最後 30 公分所需的錘擊數，得到 $N$ 值。經上覆土壓、能量等修正後，可作為土層密實程度及抗液化能力的經驗指標，再用經驗相關式求得 $CRR$。

核心觀念

本題考查壩址工程地質條件如何影響壩型選擇、設計與施工，以及不同壩型的主要受力方式與控制破壞模式。作答時先從壩址整體條件切入，再依土石壩、拱壩、混凝土重力壩的受力特性，分別說明安全關鍵。

壩工安全不只取決於壩體本身，也取決於壩基、兩岸壩肩、庫區及溢洪與放水設施周邊地質。應同時考量蓄水、洪水、地震、施工及長期滲流等狀況。

（一）影響壩工設計與施工的重要工程地質因素

1. 岩性、岩體品質與風化程度

壩基及壩肩岩石的強度、變形性、完整性與風化程度，影響承載能力、壩體變形及開挖方式。須辨明岩性變化、軟弱夾層、破碎帶及風化深度；若岩體破碎或遇水軟化，可能需要挖除弱層、灌漿、錨定或加深基礎。

2. 地質構造與不連續面

調查節理、層理、片理、劈理、斷層及剪裂帶的方向、間距、延續性、粗糙度、充填物與剪力強度。這些構造可能形成壩基滑動面、控制壩肩岩塊崩落，也可能成為集中滲流通道。特別須確認斷層活動性及其與壩軸、蓄水區的相對位置。

3. 地下水、滲透性與地下水壓

調查地下水位、泉水、岩盤裂隙水、岩溶及透水層分布，評估庫水滲漏、壩基揚壓力、管湧及下游坡穩定風險。必要時規劃帷幕灌漿、排水孔、截水牆及反濾排水設施。

4. 地形、地貌與邊坡穩定

谷地寬窄與兩岸坡形影響壩型選擇及壩肩受力；庫區周邊則須調查崩塌、滑坡、落石、沖蝕及河谷沖積層。蓄水可能使既有邊坡滑動，也可能造成滑坡入庫、波浪或淤積，應評估其對壩體與庫容的影響。

5. 地震與地質災害

調查活動斷層、地震構造、場址地震動及可能的誘發地震。對土石壩，地震可能造成液化、永久變形與裂縫；對混凝土壩，則須考量壩體、壩基及壩肩的動力反應與穩定性。

6. 築壩材料與施工條件

評估壩體填料、濾料、排水料及混凝土骨材的來源、數量、級配、強度、滲透性與耐久性。並調查河床覆蓋層厚度、基礎開挖條件、施工導水及地下水處理需求，以確認施工可行性與品質控制方式。

（二）土石壩、拱壩及混凝土重力壩之安全關鍵

1. 土石壩

土石壩以壩體填料的剪力強度及壩體、壩基的整體穩定承受庫水荷載。安全關鍵包括：

• **滲流與內部侵蝕：**滲流可經由壩體、壩基、壩肩或結構接觸面發生。若細料被水流帶走，可能形成管湧或內部侵蝕，最終造成壩體破壞。須藉不透水心牆或面層、截水與帷幕灌漿，以及符合反濾準則的濾層、排水層控制滲流。反濾層須能留住細料，同時讓滲水順利排出。
• **壩坡與地基穩定：**檢核施工期、蓄水期、穩定滲流期及快速降水位時的上、下游坡穩定。快速降水位時，外部水壓迅速降低，壩體內孔隙水壓尚未消散，可能使上游坡安全係數下降。軟弱地基及液化地層亦須納入整體穩定分析。
• **沉陷與變形：**不均勻沉陷可能使心牆或防滲面產生裂縫，引發集中滲流。應控制地基處理、填料分區與壓實品質，並評估壩體與地基的差異變形。
• **溢頂防止：**洪水容量不足、沉陷降低壩頂高程或地震引起波浪，均可能造成溢頂。土石壩通常缺乏抵抗溢流沖刷的能力，須確保溢洪道與放水設施具足夠排洪能力，並維持適當超高。
• **施工品質與監測：**分層填築、含水量及壓實度控制，直接影響強度、滲透性與變形。蓄水後應監測滲流量、孔隙水壓、沉陷及坡面位移，及早辨認異常。

**作答重點：**土石壩的核心是防止滲流引發內部侵蝕，並確保壩坡穩定與避免溢頂。

2. 拱壩

核心觀念

本題考查新奧工法（NATM）的支撐原理、隧道穿越軟弱且遇水易劣化地層時的變形機制，以及如何以地表與隧道內監測掌握變形、地下水及支撐受力。NATM 的核心是利用開挖後岩體自身承載能力，配合適時施作的初期支撐，使岩體與支撐共同形成穩定承載系統；施工期間並依監測結果調整支撐與開挖方式。

本題為工程地質與監測設計申論題，未要求引用特定法條，故不涉及法規年度適用問題。

解題方法

依題目三小題分別掌握「支撐原理」、「地質致災機制」與「監測項目及布置」：

1. 第一小題說明 NATM 如何藉由分部開挖、初期支撐及量測回饋控制圍岩變形。
2. 第二小題從岩性、地下水、構造及開挖擾動解釋通車後持續變形。
3. 第三小題將監測分為地表、隧道內、地下水與活動斷層等項目，並說明量測位置、頻率及警戒處置。

（一）NATM 隧道支撐與防護

NATM 並非單一支撐構件，而是以「岩體與支撐共同承載、量測回饋、施工中調整」為原則。其施工與防護要點如下：

1. 分部、短進尺開挖：依地質條件採全斷面或上、下台階、側壁導坑等方式，縮短每循環進尺與無支撐暴露時間；軟弱、破碎或受斷層影響區段，採更短進尺及分部開挖。
2. 及時施作初期支撐：開挖後儘速噴射混凝土，搭配鋼支保、格柵鋼架、岩栓或錨桿，必要時加設鋼纖維噴凝土、超前管棚或超前小導管。支撐須連續、閉合且與圍岩密貼，避免局部空隙造成應力集中。
3. 控制變形與支撐閉合：適當時機施作仰拱，儘早形成完整支撐環；遇擠壓性地層時，須預留合理變形量並採可縮性支撐或加強支撐，避免支撐過早受集中荷載破壞。
4. 防水與排水：設置排水孔、盲溝及集排水系統，並依設計需求設置防水層與二次襯砌。排水須兼顧降低孔隙水壓與防止泥岩乾濕循環劣化、砂頁岩層間滲流或地表水沿裂隙入滲。
5. 量測回饋施工：持續量測收斂、拱頂下沉、地表沉陷及支撐受力，與設計預測比較；若變形速率或支撐應力超出控制值，即調整開挖步序、縮短進尺、加密支撐或施作補強。

（二）通車後持續變形的工程地質原因

中寮隧道穿越烏山層砂頁岩與古亭坑層泥岩，且有活動斷層通過。持續變形可由下列因素共同造成：

1. 軟弱泥岩遇水軟化與劣化：泥岩吸水後強度降低，乾濕循環又可能造成膨潤、崩解及裂隙擴展，使圍岩承載力逐漸衰減，進而引起襯砌變形或隧道底鼓。
2. 砂頁岩互層差異變形：砂岩與頁岩的強度、剛度及透水性不同，層間易形成弱面與滲流通道。開挖卸載後，各層變形不一致，可能造成剪切滑移、局部擠壓及襯砌受力不均。
3. 地下水及孔隙水壓變化：地下水入滲或水位變動會增加孔隙水壓、降低有效應力，並促使軟弱層劣化；排水堵塞、滲流集中也會造成局部侵蝕或支撐背後淘空。
4. 活動斷層及構造破碎帶作用：斷層帶岩體破碎、剪裂面發達，易有長期蠕變與差異位移；若發生地震或斷層再活動，會使隧道產生錯動、剪切變形及襯砌裂損。
5. 地應力與施工擾動造成的時間效應：開挖卸載後圍岩應力重新分布，軟弱岩體可能持續潛變；初期支撐或仰拱閉合不足、支撐老化或襯砌背後空隙，亦會使既有變形逐步發展。

因此，持續變形不宜只視為襯砌本身的問題，須同步查明圍岩、地下水、斷層活動與支撐狀態。

（三）觀測、監測系統的種類與位置

監測設計應先建立施工前基線，並在隧道內外形成可相互核對的監測網。測點應涵蓋正常段、地層變化段、地下水敏感段及斷層影響段；施工初期或變形較快時提高頻率，穩定後再依趨勢調整。各項均須設定管理值、警戒值與行動值，超限時立即複測、查因並採取交通管制或補強措施。

1. 地表變形與地表災害監測

核心觀念

本題考查順向坡沿弱面平面滑動時，地下水對抗剪阻力與滑動力的影響。降雨由坡頂鉛直節理入滲，若節理與基底弱面連通，且坡面受工程密封不透水，水壓不易由坡面消散，會在節理面及基底弱面形成水壓。

水壓對穩定性的作用有兩項：

1. 節理內的水壓對滑動塊體施加朝坡外的水平推力，增加沿弱面的滑動力。
2. 基底弱面上的水壓產生揚壓，降低有效正向力，進而降低摩擦抗剪力。

依有效應力原理，弱面抗剪強度為 $\tau_f=c'+\sigma_n'\tan\phi'$；每單位坡寬的安全係數可寫為：

其中 $L$ 為弱面長度，$N$ 為基底總正向力，$U$ 為基底水壓合力，$T$ 為沿弱面向下的合力。若另有節理水壓推力，須將其分解後納入 $N$ 與 $T$。

解題方法與示意圖

題目未提供坡體幾何、岩體強度與水位，因此採用單位坡寬的平面滑動楔形體，指定一組合理參數，分別計算乾燥與降雨入滲後的安全係數。假設塊體為剛體、弱面強度以有效凝聚力與有效摩擦角表示，節理與基底水力連通，水壓沿基底呈靜水分布。

 坡頂
 ●
 │\
 │ \ 坡面（密封不透水）
 節理水位 ├─┤\
 │水│ \
 │ │ \
 A──┴───\ 
 ╲ \
 ╲ \
 ╲______● 坡趾
 弱面
 ← 基底水壓揚壓 U

採用以下參數：

• 坡高 $H=20\ \mathrm{m}$，坡面角 $\beta=45^\circ$。
• 基底弱面傾角 $\alpha=30^\circ$，在坡趾出露。
• 岩體單位重 $\gamma=26\ \mathrm{kN/m^3}$。
• 弱面有效凝聚力 $c'=20\ \mathrm{kPa}$，有效摩擦角 $\phi'=32^\circ$。
• 水的單位重 $\gamma_w=9.81\ \mathrm{kN/m^3}$。
• 降雨後，節理內水位高於節理與基底交點 $h=2\ \mathrm{m}$。

先求坡頂至坡趾的水平距離及基底弱面與坡頂鉛直節理的交點高程：

楔形體截面積、重量及弱面長度為：

乾燥狀態安全係數

乾燥時，基底正向力與沿弱面向下的力分別為：