現代營建442---受壓水層基地開挖管控案例之一-抽水試驗

本基地地表附近為軟弱黏土層，而工區周圍隔巷弄為既有鄰房，抽水解壓過程對鄰近建物、道路等構造物之可能變位影響亦非常重要，因而開挖之抽水解壓作業需審慎進行；為求 ... 受壓水層基地開挖管控案例之一-抽水試驗 □張瑾瑜／富國技術工程股份有限公司大地工程師 □周家瓊／富國技術工程股份有限公司大地部經理 □何樹根／富國技術工程股份有限公司總工程師 □陳仰洲／內政部營建署北區工程處處長 摘要         內政部營建署代辦臺灣士林地方法院檢察署擴建辦公廳舍新建工程，基地位於台北市士林區。

根據基地地質調查報告，地表下深度19.2~24.8公尺以下為受壓含水層，其水壓水頭約在地表，為避免本基地開挖時受壓含水層水壓過高而發生上舉隆起破壞情況，開挖期間即應配合開挖面下受壓含水層進行適度之抽水解壓。

本基地地表附近為軟弱黏土層，而工區周圍隔巷弄為既有鄰房，抽水解壓過程對鄰近建物、道路等構造物之可能變位影響亦非常重要，因而開挖之抽水解壓作業需審慎進行；為求取實際的水理參數及評估抽水可能引致之地表沉陷，開挖前實際於基地執行抽水試驗及沉陷量測，求得相關水理參數及回饋分析計算沉陷之地層參數，取得正確的資料方可較準確的預估開挖時抽降水對周遭環境的影響。

本文介紹基地的工程概況及抽水試驗的規劃及試驗成果可供類似工程的參考。

一、前言         內政部營建署代辦臺灣士林地方法院檢察署擴建辦公廳舍新建工程，基地位於台北市士林區士東路200巷西側，緊鄰士林地方法院南側(圖1)，面積為5,096平方公尺，建築面積則為1,668平方公尺，樓層規模為地上12層/地下3層。

開挖深度12.9公尺，採順打工法構築，分五階段進行開挖。

根據基地地質調查報告，地表下深度19.2~24.8公尺以下為受壓含水層，其水壓水頭約在地表，而本基地位處台北盆地北邊，地表附近為軟弱黏土層，為避免本基地深開挖階段因受壓含水層水壓過高而發生上舉隆起破壞情況，受壓含水層水壓控制為管控重點，開挖期間應配合開挖面下受壓含水層進行適度之抽水解壓。

        本基地周圍隔巷弄為既有鄰房，抽水解壓過程對鄰近建物、道路等構造物之可能變位影響亦須注意。

因此，開挖之抽水解壓作業需審慎進行，為確保開挖施工之安全，必需依基地地層、地下水位及水壓等既有資料，評估後續開挖階段抽水解壓之措施及施工管控方式；而本基地實際於現場執行抽水試驗，求得相關水理參數，供後續抽水井佈設及相關袪水施工計畫之依據。

二、工程及地層概況 (一)基地位置及周圍環境         本基地位於台北市士林區士東路200巷之西側、臺灣士林地方法院之南邊，原為其附屬之看守所，新建地上12層、地下3層之檢察署辦公廳舍，基地北側鄰停車場，南側鄰士東路200巷58弄，西側緊鄰德行東路228巷。

基地平面形狀呈矩形，地勢大致平緩，設計地表高程為EL.+7.8公尺。

基地現況(2014)詳圖2所示。

經調查基地周圍約200公尺左右範圍內，並無新建工程施工抽水之情形。

(二)工程概要         本新建工程，開發規模為地上12層，地下3層，長、寬則約為52.3公尺及36.2公尺，以壁樁為基礎承載於下方岩塊層，開挖深度為12.9公尺，採用順打工法施工，共分5階段進行開挖，計有4層型鋼支撐；另輔以數道內扶壁及3道地中壁，減少壁體變形，擋土連續壁設計厚度70公分、深度至地表下30公尺，或入岩塊層至少3公尺。

壁樁、連續壁及扶壁配置詳圖3所示，安全支撐開挖剖面圖詳圖4。

        因本基地開挖於第3~5階開挖施工過程中需針對開挖面下之受壓含水層進行抽水解壓，避免開挖面上舉破壞；且抽水應視需要逐步抽降水壓，避免將水壓驟然降低至最大抽降水頭，造成地表之過量沉陷。

(三)基地地層分佈及簡化參數         本基地之地層主要可分為兩部份，上部是松山層極軟弱的砂泥混合，下部則是火山物質之安山岩塊及安山岩質凝灰角礫岩所組成，其N值大於100。

地層分佈狀況於地表下50公尺內大致可分為五個主要層次，由上而下分別為(1)回填層、(2)灰色有機質、粉土質黏土I、(3)灰色有機質、粉土質黏土II、(4)安山岩塊層、(5)凝灰角礫岩偶夾安山岩塊，其中位於粉土質黏土層下方之安山岩塊層及其下之風化凝灰角礫岩，工程上屬受壓水層。

        依設計地表高程EL.+7.8m為GL.±0m，則受壓水層(安山岩塊層及較風化之凝灰角礫岩層)約分布於地表下19.2~24.8公尺以下，基地之簡化地層如表1所示。

        基地安山岩塊層測得之水壓水頭在地表附近，因此，本工程開挖於黏土層上舉分析之水壓水頭設定為GL.±0m。

三、開挖期間深層地下水壓管控需求 (一)抽降水設計需求         本基地擬進行抽水之受壓含水層上方為黏土層所拘限，而由於上方黏土層分佈深度不一，底部分布深度介於地表下19.2至24.8公尺以下，若以最淺之鑽孔進行分析，當降挖至預定最深開挖面(GL.-12.9m)時，受壓含水層之壓力水頭深度必須降至GL.-10.3m以下。

各開挖階段受壓含水層水壓上舉計算及水壓水頭管控值詳表2。

(二)抽降水可能造成之地層下陷         本基地位於台北盆地邊緣，深厚黏土層下方之受壓含水層長期抽水，將導致上方深厚之軟弱黏土層有效應力逐漸增加而產生壓密沉陷。

由於過去抽水引致地表沉陷之監測案例多位於盆地中央，又因當年受壓水層(景美層)水壓水頭曾經降至EL.-40m，並引致松山層之黏土層產生壓密沉陷，是故監測資料顯示近年來景美層抽水對松山層上方建物沉陷影響輕微。

        由於本基地未能確定其受壓水層是否如台北盆地中央亦曾經歷大規模降水，且依地質調查鑽孔資料顯示，可能壓密沉陷之黏土層屬於軟弱土壤，因此抽水試驗期間有必要配合進行地表沉陷相關監測，以瞭解受壓含水層水壓洩降，而可能引致地表沉陷的情形，並評估回注井之效益。

由水壓水頭量測之數據，屆時應視實際水壓分布及管控需求逐步抽降水壓，及預先打設必要之回注井，避免水壓驟然降低而造成地表可能之過度沉陷。

四、抽水試驗         為期掌握基地開挖面下方受壓含水層水理參數，水壓洩降導致之地表沉陷以及必要補注井之成效，抽水試驗進行單井、雙井抽水及回注試驗，說明如下： (一)試驗布置 1.抽水井         抽水試驗於基地打設兩孔抽水井(WA、WB)，係利用鑽堡機打設直徑8英吋(約20.3cm)、深度分別約為42、40m(皆鑽入含水層15m)，孔內埋置直徑5英吋(約12.7cm)之井管，井管於受壓含水層中開設透水孔，井管底(約GL.-39~-40m)算起約15m，開口率約10%；回注井(WC)之施作方式與尺寸亦與抽水井相同，深度約為39m。

抽水井使用3Hp之電動沉水式抽水機，放置深度約位於井管底。

出水量採用水錶連接於直徑2英吋(約5.1cm)抽水管直接進行量測。

各抽水井管內水位由電子式水壓計自動量測。

2.觀測井         與抽水井不同距離打設3孔水壓觀測井P-1~P-3，深度分別為42、40、39m(皆鑽入含水層15m)，皆裝設電子式水壓計自動量測。

3.沉陷觀測點         為求得基地抽水影響範圍可能發生之地表沉陷量，設置10處地表沉陷觀測點，並以距基地南側137公尺之影響範圍外之控制點做為基準點(台北市都市發展局編號147控制點)，另以距基地北側約220公尺之控制點做為參考高程基準點(台北市都市發展局編號148控制點)沉陷觀測點佈設間距約為10公尺。

        抽水井、回注井與水壓觀測井及沉陷點之平面位置如圖5。

抽水試驗分階段進行，分為單井分級抽水、雙井抽水(包含定量、回注及回升)，試驗步驟分述如下： (二)單井分級抽水試驗         分級抽水試驗以五種不同之預定抽水量由小至大順序進行抽水，抽水期間同時量測主抽水井及各水壓觀測井之水壓水頭變化；試驗時，前一級抽水量之洩降水壓水頭趨穩定後，即進行下一級抽水。

分級抽水之目的在於分析抽水井之安全出水量及其效率，水井安全或最佳出水量(WellsafetyorOptimumyield)係指水井本身因水層特性、含水層厚度、井體構造等條件限定下，於抽水時不致造成過大的水井洩降，及引起含水層物理特性改變，亦不致造成井體濾水管暴露，而能維持長時間抽水之最大出水量謂之「安全出水量」。

        圖6、圖7為WA及WB分級抽水洩降與各級實測抽水量歷時圖，顯示在各級抽水量轉換時之水量調整即造成抽水井內水壓水頭洩降，然而隨抽水時間增長，水壓水頭洩降漸趨於穩定。

圖8為分級抽水水壓水頭洩降與抽水量之關係，由試驗結果可求得WA及WB抽水井安全出水量分別約為6m3/hr及10m3/hr。

(三)雙井抽水試驗         根據分級抽水的結果，WA以固定6.2CMH(m3/hr)出水量進行連續長時間抽水，並同時觀測WA抽水井及各地下水壓觀測井洩降變化情形，為瞭解兩口抽水井之疊加效應，於WA開始抽水47.6小時後，開啓WB以約10CMH之固定抽水量進行雙井抽水試驗。

定量抽水期間，每日量測地表沉陷。

        當雙井抽水水壓水頭穩定後(WA及WB分別抽水歷時為96及48.8小時)，開始回注至回注井WC，最初僅分流WB之部分排水進行回注，回注量不大，因而加入WA之部分排水進行回注，使WC井之水位約與地表同高；因而回注分兩階段，第一階段與第二階段回注量分別約2.2CMH與5.5CMH，並觀測紀錄抽水井與水壓觀測井之水壓水頭變化狀況，藉以了解回注之效應，同時每日進行沉陷觀測。

        當定量抽水水壓水頭穩定並完成各項量測後，則停止抽水並觀測水壓水頭回升狀況，藉以檢核地層之透水特性，同時於水壓水頭回升穩定後，再進行沉陷觀測點測量，以瞭解地層回脹情形。

        試驗期間各井之運作流程及抽水量如表3所示，試驗過程中實際量測值與各抽水、回注及水壓觀測井之洩降、回升曲線詳見圖9、10。

地表沉陷觀測點量測成果如圖11、12。

五、試驗成果分析 (一)分析方法評估         拘限含水層(或稱受壓含水層)之上、下方各有一不透水層(稱限制層：aquitard)之拘束，在抽水時因為上下兩層限制層之抑制，水流純為徑向，無垂直向分量，其控制方程式為：                  其中，         s： 抽水洩降量         ho： 抽水前壓力水頭         h： 抽水後壓力水頭         r： 觀測井至抽水井中心之距離         S： 儲水係數         T： 導水係數         t： 抽水時間         Kz/Kr： 縱向-橫向導水異向性比值         水壓水頭洩降量(s)為時間函數，可使用Theis不平衡方程式(Non-equilibriumWellEquation)表示：                  其中，         s： 洩降量         Q： 水井功率(或出水量)         u： 水井函數         依據上述Theis不平衡方程式，Hantush推導出部分貫入拘限含水層之表示式，適用於(A)水壓計與(B)水位觀測井：                  其中，         b： 含水層厚度         d： 抽水井貫入含水層無透水段長度         d'： 觀測井貫入含水層無透水段長度         l： 抽水井貫入含水層長度         l'： 觀測井貫入含水層長度         z： 入含水層至水壓計透水段長度 (二)水理參數推估         水理參數係應用AQTESOLV數值分析程式推估。

該程式係以前述理論，採用不同之水理參數使理論與實測最符合者，即為推估之最佳水理參數。

分析設定抽水井為部分貫入受壓含水層，並採Hantush修正Thies不平衡公式進行解算。

        根據雙井、回注及回升試驗時之水壓觀測井洩降資料，利用三處距離不同之水壓觀測井(P1、P2、P3)，以不同組合進行程式解算，分別獲得7組相近之水理參數，如表4。

(三)水理參數綜合評估整理         經由前述之推估，受壓含水層之導水係數T約介於1.43×10-4~1.66×10-4(m2/sec)；儲水係數S約介於3.78×10-3~1.16×10-2；採其平均值，即得導水係數T值為1.44×10-4(m2/sec)，儲水係數S則約為7×10-3，反推之受壓含水層之厚度約23.88公尺。

(四)地表沉陷量回饋分析         抽水試驗過程中所量測的地表沉陷如圖11、12，由圖中顯示，單井定量抽水(WA)造成最大沉陷量為1.9mm，沉陷量差值與距抽水井之距離並無明顯之關係；雙井定量抽水後，沉陷量則較為明顯，最大值約為5.3mm，發生於WA及WB之間，以抽水量大之WB附近較顯著；回注後，回注井WC周圍之沉陷量減少，但WA及WB間之沉陷量(SM4及SM5)則持續增加最大達8.7mm；而關閉抽水馬達回升後，所有沉陷點皆有回升之趨勢。

        整體而言，抽水試驗期間確實造成地表沉陷，因而未來實際抽水所造成周圍地表沉陷不可輕忽，本案採有限元素法(PLAXIS)以評估抽降水可能造成之沉陷量。

        PLAXIS是1987年開始由荷蘭Delft大學發展之二維有限元素法分析軟體，迄今已逾二十年歷史，本分析所採用版本為8.6版，土壤模式採用SoftSoilModel(SS)及Mohr-CoulombModel(MC)。

SS模式適合分析黏土層受壓後之長期壓密變形行為；MC模式則使用於安山岩塊層。

        分析時根據地調報告之剖面資料及地層參數，由AQTESOLV所模擬之洩降量分布，計算黏土及岩塊層受水壓變化而產生之沉陷量。

利用雙井抽水後之水壓分布(詳圖13)計算地表沉陷量如圖14所示，計算值遠大於實測值，因而依沉陷實測值進行回饋分析，其調整之參數與回饋分析結果如表5與圖15所示，顯示調整之參數較保守且為實際之沉陷留有餘裕，因此，以表5的參數作為未來開挖時，群井抽水解壓之地表沉陷評估依據。

(五)單井回注量評估         由圖12可知當於部分抽水回注於WC井後，在WC井附近之沉陷點均有顯著的回彈現象，顯示以回注減少沉陷發生應有實際的效果；倘開挖抽水期間水壓洩降造成過大之沉陷量，可規劃將部份抽水井進行回注，以作為控制沉陷的應變方法。

但抽水井的可回注量視各井的構造而定，除WC井單井可承受之回注量約5.5CMH外，另探討WA井之回注量，因而於抽水試驗結束後進行改管；取出WA井內抽水管與沉水馬達後，將WB之抽水管銜接至WA並密封接口，使WB之抽水量全回注於WA，依據實際量測值，WA井單井可承受之回注量最大可採7.5CMH。

六、結論         在天母及士林地區由於地表為軟弱地層，其下方經常有透水性良好之安山岩塊層，本地區因靠近大屯山，安山岩塊層常屬受壓含水層，水壓水頭接近地表甚或高於地表，其引致開挖時的工程問題亦時有所聞。

本案例即為典型的案例，但經由以前的工程經驗，得知其潛在的工程問題，對抽水擬定了嚴格的管控方法，在實際施工前便需以試驗直接評估各項影響因素，取得驗證之水理參數以評估抽水可能造成的影響，最後安全順利完成地下室的開挖。

本篇敍述抽水試驗過程及水理參數評估的各項方法，下篇則說明實際開挖時之抽水管控。

參考文獻 1.臺灣士林地方法院檢察署擴建辦公廳舍新建工程─抽水試驗計畫書，2014，富國技術工程(股)公司。

2.臺灣士林地方法院檢察署擴建辦公廳舍新建工程─祛水施工計畫書，2014，富國技術工程(股)公司。