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地工技術,第84期（民國90年4月）第71-76頁 SINO-GEOTECHNICS,NO.84, Apr. 2001, PP.71-76 簡介超高層大樓基礎型式選擇 蕭博元 陳書宏 蘇鼎鈞 王劍虹 亞新工程顧問公司 摘 要 近來國內高樓興建高度有逐漸增加之趨勢，建築物基礎所扮演的角色隨之日趨重要，除了地質狀 況及基地施工環境的配合外，上層建築結構分佈及施工成本之考慮亦是重要的因素。本文中透過兩個 國外在高樓基礎選擇之案例介紹，以作為工程界在高樓基礎型式選擇上之參考。 關鍵字高樓建築、基樁、壁式基樁、沉箱、樁底灌漿。 INTRODUCTION OF THE SELECTION OF FOUNDATION TYPE FOR HIGH-RISE BUILDING FOUNDATION XIAO BOR-YUNG CHEN SHU-HONG SU TING-CHIUN WANG CHIEN-HONG MOH AND ASSOCIATES, INC. ABSTRACT Buildings in Taiwan are getting higher and higher recently due to the economic growth. Meanwhile, the foundations of high-rise buildings are more and more important. In addition to matching up geologic and construction environment condition, the superstructure types and cost economical considerations are important uation factors for high-rise building foundations. Two case studies about overseas high-rise building foundations are also introduced to provide references in selection of high-rise building foundation. KEY WORDShigh-rise building, pile, barrette, caisson, post grouting. 一、前 言 隨著全球都會化發展的趨勢，必須提高都 會地區土地利用的價值，高樓建築在都會區的興 建便成為了勢在必行的趨勢。雖然目前之施工技 術及機具施做的能力均與日俱進，在基礎工程， 由於根據各建築之上層結構配置及荷重分佈、地 質狀況及地層特性等限制條件的不同，因此基礎 型式及配置情形必須因各大樓的特性進行個別 的考慮。 雖然高層建築在台灣地區亦有逐漸增多之 趨勢，但由於台灣位在亞熱帶及歐亞大陸板塊與 菲律賓海板塊之碰撞帶上，地震及颱風等天然因 素是必須考慮的，依據目前之建築物相關法規如 建築物耐震設計技術規範及解說民國86年及 混凝土工程設計規範與解說民國87年均規定 建築物需對地震力或風力之載重組合進行分 析，另外加上建築師對建築設計之需求，往往造 成基礎受局部偏心載重之影響，是基礎設計時須 特別注意的事項。 本文中首先對目前高樓建築常使用之基礎 型式，其工程特性，及使用上之限制進行說明， 然後介紹兩棟目前世界上知名之超高樓建築在 蕭博元等簡介超高層大樓基礎型式選擇 72 基礎型式選擇時所遭遇之問題，藉由對地質狀況 及各基礎型式力學特性之了解，如何選擇最佳解 決方案，進行介紹。 二、高樓基礎型式之選擇 自基礎工程設計之觀點而言，高樓建築由 於上部結構經由樑柱系統傳遞至基礎之集中荷 重相當大，且為了兼具美觀及實用的價值，在高 層大樓周圍常搭配著較低樓層之建築，因此在地 震及風力作用情況下，所引致之偏心荷重及彎矩 甚大，一般基礎型式選擇需考慮之因素包括下列 各點 1. 基礎材料之容許承載力在深基礎中由 於上部結構之荷重及彎矩分配至基礎來承受，尤 其在樁頭附近所承受之彎矩軸壓力或軸拉力為 最大，在設計需考慮材料之最大容許承載力。 2. 基礎承載層之容許承載力需考慮在高 荷重下建築物之整體穩定性，並且在地震時基礎 也不會發生局部性承載力破壞之現象。 3. 基礎之總沈陷量及差異沉陷量高低樓 間重量差異甚大，但在功能上卻必須銜接，因此 在設計時須考慮消除荷重差異所導致之差異沉 陷或整體建築物之沉陷量。 4. 基礎底版所受地下水壓作用所產生上浮 力之影響需檢討地下水位之變化及地下水壓力 作用對結構物沉陷或隆起之影響。 5. 基礎工程施工之技術、能力、經濟性及 工期等應考慮在不同之地質條件及施工環境 下，何種基礎型式具有較佳之施工性，以其縮減 工期並有較佳之經濟性。 6. 基礎開挖施工之安全性由於高樓建築 大都在都市地區，基礎開挖之安全性對周圍地區 之影響甚大，故適當之基礎施工方式是需要加以 考量的。 基礎設計因考慮土地開發成本及避免對基 地周圍地區造成影響，選擇之基礎型式可包括筏 式基礎、基樁、壁式基樁及沉箱等，茲分述如后。 筏式基礎是一般高樓最先考慮採用之基礎 型式，其設計主要在將結構物之荷重利用基礎版 之勁度分布至較大之基礎面上，以避免局部性之 破壞，且依補償式基礎之觀念，使上部結構之荷 重與基礎挖除土重平衡理論上使基礎下方的土 層所增加之淨荷重為零使基礎沉陷量達到最 小。但在部分高樓結構物中，由於上層結構型式 之配置及外力等因素所造成之偏心載重，導致各 柱位間產生較大之差異沉陷量，不利於整體結構 之安全，因此需考慮使用深基礎以將荷重傳遞至 深層承載力較佳之地層。 基樁之設計以發揮基樁材料容許強度者較 為經濟，並考慮承載層之深度及承載力以決定適 當之基樁配置、直徑及長度。在都會地區之基樁 施工方式以反循環基樁及全套管基樁為主，以減 少鑽鑿時震動及噪音對周圍地區之干擾；但若遇 有較大之卵礫石，則可能需使用特殊之鑽鑿挖掘 機具。此外，反循環基樁樁孔週壁易受到施工之 擾動造成崩塌，且樁底之淤泥清理不易，將會降低 地層之承載能力，但亦可輔以適當之樁周及樁底灌 漿以確保承載力。有關樁周及樁底灌漿之成效，周 忠仁等2000整理之案例說明了配合適當之樁周或 樁底灌漿能夠有效的提升基樁之承載力。 壁式基樁Barrette之施作機具及方式與連 續壁大致相同，即利用適當刀法之配置，使形成 具有較大承載力之基樁，其垂直度可於施工時裝 設儀器加以控制。國內常見之MASAGO機具， 一般在軟弱之地層且深度在50公尺以內有較佳 之功率，在較深及具有堅硬地層狀況下亦可考慮 改採BW或HYDROFRAISE等機具進行施做。目 前國內採用之案例包括臺北市仁愛路國泰人壽 大樓民國73年及臺北市八德路京華城購物中 心民國88年等，而在國外亦有世界第一高樓 Petronas Twin Tower馬來西亞採用，如圖一及 圖二所示；與反循環基樁相同，施工後樁底之淤 泥處理成效亦不良，最好是配合適當之樁周或樁 底灌漿以確保樁底承載力。 沉箱一般採用於卵礫石層或特殊條件中， 由於其施工面積大，底部可以人員下去目視檢視 承載層狀況，可信度較高，但若因地下水位高於 開挖時工作面，易滲入地下水，常需配合抽水； 若為有湧砂或伏流等現象時，必須考慮灌漿而增 加費用、工期與施工之風險，另外由於面積較 大，若配合底部擴座可大幅提高基礎之承載力。 地工技術,第84期（民國90年4月） 73 三、案例說明 以下收集了國外兩知名之超高層大樓之基 礎型式分別採用基樁及沉箱就其之考慮因素 描述，以為國內爾後有超高層大樓時基礎型式選 擇之參考 圖一 Petronas Twin Tower 立面圖 圖二 Petronas Twin Tower 壁式基樁基礎配 置平面圖 3.1 案例一 依據J.M.Seitz, R.Wend, 1997所發表有關 Commerzbank銀行總部興建工程一文中介紹， Commerzbank銀行總部位於德國法蘭克福市中 心區，整座建築物之高度含高塔為300公尺，不 含高塔為251公尺，為歐洲最高之辦公大樓，圖 三所示即為目前完成後之照片。本建築物上部結 構採用鋼骨構架系統Steel Frame with Virendeel Frames，至於基礎則係採用111支直徑1.8m全套 管基樁。 圖三 Commerzbank銀行總部全貌 本基地地下水位位於地表下約5公尺，地層 主要由砂土及礫石層、粘土層夾石灰岩層及石灰 岩岩盤組成，其中砂土及礫石層分佈於地表下 510公尺，屬於河流沖積層；其下至地表下約44 公尺為法蘭克福粘土層Frankfurt clay，主要包 括粘土、砂土及石灰岩層；法蘭克福粘土層之下 為石灰岩岩盤，同時地層中由於石灰岩分佈，因 此於地層之中存在許多孔洞。 本工程基礎採用全套管基樁，主要考慮下 列三點 1.由於石灰岩層中分佈許多孔洞，惟有採 用全套管基樁方可維持基樁鑽掘後孔壁之完 整；若採用穩定液時，穩定液流失易造成坍孔， 而無法確保基樁鑽掘後孔壁之完整。 2.採用穩定液維持孔壁，會降低樁身摩擦 力。 3.採用全套管基樁並於部分地層中配合 樁周灌漿Skin Grouting，填補樁身四周孔洞， 可確保發揮非常可靠之樁身摩擦力。 蕭博元等簡介超高層大樓基礎型式選擇 74 全套管基樁挖掘時，其中直徑1.8m全套管 基樁施作至地表下約23公尺，然後使用直徑1.5m 全套管基樁施作至岩盤面，基樁挖掘機具配合不 同地層狀況而採用抓斗及鑿子，一般以抓斗於砂 土及粘土層中挖掘，而以鑿子於石灰岩層中挖 掘，圖四所示為直徑1.8m及1.5m全套管基樁挖掘 示意圖。由於本基地緊鄰電腦中心及具有高靈敏 度之機電設備，為避免基樁挖掘振動對電腦中心 及具有高靈敏度之機電設備造成不利影響，故於 基樁挖掘工作開始前進行試挖，依據試驗結果， 實際施工時嚴格限制抓斗及鑿子挖掘時所允許 提升之最大高度，降低振動以避免損害電腦中心 及具有高靈敏度之機電設備。 基樁挖掘完成後，首先採用泵浦清除樁底 淤泥，並於澆灌混凝土前，利用空氣揚升系統 Air lift system，將約三倍套管體積之清水置換 套管內之污水，以確保基樁底部完全無淤泥存 在。 圖四 全套管基樁挖掘示意圖 雖然本基地採用直徑為1.8m及1.5m全套管 基樁，但在考量施工、超音波檢測及其他量測儀 器按裝之需求下，整支基樁鋼筋籠之斷面並未因 樁徑不同而改變，即採用單一之鋼筋籠斷面並分 三節吊放，同時每支基樁均必須確實到達岩盤 面，故每支基樁必須視樁長適當調整鋼筋籠之長 度。 基樁混凝土採用特密管澆灌，若以本基地 一 支 46m 長 之 基 樁 為 例 ， 基 樁 混 凝 土 量 約 100m3，混凝土澆灌時間需約8小時。 有關全套管基樁之施作流程如圖五所示。 圖五 全套管基樁施作流程圖 由於石灰岩層中分佈許多孔洞，當基樁混 凝土完成後約30小時，施作樁周灌漿，填補樁身 四周孔洞，可確保發揮非常可靠之樁身摩擦力， 樁周灌漿施工方式首先以清水以80barkg/cm2 之壓力使混凝土開裂後，再利用水泥砂漿進行灌 漿。除進行樁周灌漿外，並利用基樁內預先埋設 之鋼管，從基樁底部下約10公尺範圍內進行樁底 灌漿以填充石灰岩層中之孔洞，使石灰岩層形成 均勻之承載體，以確保樁底承載力，圖六所示為 樁底灌漿示意圖。 3.2 案例二 依據KURZEME,M. AND RUSH,M.C. 1985, 有關新加坡Overseas Union Bank OUB Centre 大樓興建工程一文介紹，OUB Centre大樓高度為 280公尺，由62層高之主樓區及10層高之群樓區 所組成，基礎為地下四層之結構，主樓區基地面 積約為2,900平方公尺，如圖七所示。由於捷運 在基地旁之Raffles Place通過，且其開挖深度較 地工技術,第84期（民國90年4月） 75 本工程深8公尺地表下28公尺，於設計時亦需 加強注意。 基地之地質狀況，根據鑽探資料顯示，基 地下方100公尺內之地質狀況大致可分為四個層 次 1. 回填土層為疏鬆至中等緊密程度之粘 質細砂，約厚3.5公尺。 2. 粉質細砂層非常疏鬆至疏鬆程度，夾 帶部分木屑及貝屑，厚約4.0公尺。 3. 塊石粘土層可能為古老之沖積層，由 強度低至高之岩石及軟弱至非常軟弱之粘土所 組成，具有高度風化程度，厚度約80公尺。 4. 岩盤為中度至輕度風化之砂岩及泥岩所 構成，其中部分泥岩風化而成的粉土層，有遇水 軟化使強度大幅降低之現象。 圖六 全套管基樁樁底灌漿示意圖 圖七 OUB Centre 基地斷面圖 根據鑽探資料顯示，部分土層當暴露於水 中時將會有軟化之現象，故實驗室之試驗結果均 大幅的低估了現場土層之強度，因此根據補充鑽 探 所 進 行 之 現 地 側 向 壓 力 儀 Menard type pressuremeter試驗結果顯示，在第三層次之塊石 粘土層中，因為塊石及基質之粘土之分佈狀況不 一致，使土壤強度及勁度有相當大之差異，其中 粘 土 之 不 排 水 剪 力 強 度 平 均 約 為 800kPa80t/m2。 本工程之基礎型式採用大口徑沉箱之原因 包括下列三點 1. 避免主樓區及群樓區之差異沉陷本工 程基礎面位於地表下20公尺處，為塊石粘土層， 由於群樓區之基礎所承受之淨荷重甚小，故沉陷 量 可 忽 略 不 計 。 主 樓 區 平 均 承 受 淨 荷 重 約 870kPa87t/m2，若採用筏式基礎，將因粘土受 壓所產生過大之沉陷量約14公分，而造成兩區 間過大之差異沉陷。 蕭博元等簡介超高層大樓基礎型式選擇 76 2. 成本及施工限制條件採用樁筏式基礎 及樁基礎雖然可以減少差異沉陷量，但分析結果 各 分 別需 要使 用 47支 及81支 直徑 為1.5m之 基 樁，由於主樓區基地面積有限及工期因素，不能 容許多部大型施工機具同時施做，另外第三層次 之塊石粘土層常夾有粒徑不一之堅硬塊石，對場 鑄樁之施工時將可能發生不可預期之事故進而 影響工期。 3. 地質條件根據鑽探資料顯示，塊石粘 土層之滲透性甚小，其中之粘土部分遇水強度將 會大幅減低，可能不能發揮設計時之承載力。而 岩盤在考慮破裂性及岩心強度等因素之影響 下，估計最大容許承載力可達6,000 kPa；因此選 擇大口徑之沉箱基礎使荷重傳遞至岩盤，可避免 基樁施工時對粘土層之擾動，且可以減少主樓區 沉陷量至2公分。 本工程所使用之沉箱配置狀況如圖八所 示，為增加基礎承載力並減少混凝土使用及挖方 數量，分別採用直徑為5公尺及6公尺之擴座式沉 箱，擴座坡度為31VH。由於塊石粘土層之透 水性甚小，沉箱開挖時地下水所將造成潛在之施 工問題主要在於第二層次之粉質細砂層及岩盤 之節理面間，因此決定使用傳統之豎井開挖 Open shaft mining方法施工。 圖八 沉箱配置示意圖 地表5公尺內先開挖後，放置一45公分厚5 公尺長的預鑄混凝土襯砌隔離回填土層，然後採 每輪進2公尺之施工程序進行施做至岩盤。入岩 後探測岩盤面之風化程度、節理面之分佈狀況， 層理及岩盤間之粘土夾層分佈狀況並鑽孔至底 部10公尺下之岩盤，評估岩盤之承載力並與原先 設計進行比較，顯示施工完成後各沉箱基礎之容 許承載力可達3500至4600 kPa350460t/m2。 四、結語 俗云「他山之石可以攻錯」，如何能對高 樓基礎之型式選擇出最佳之方案，是需要工程師 對結構物荷重狀況、工期、地下水、施工環境及 地質等條件做一全盤性之考量評估後進行分析 的，另外值得注意的是，民國88年921集集地震 後，基於對內陸淺層型地震之考慮，目前內政部 已於同年12月29日修正了建築物耐震設計規範 及解說，未來在進行結構分析時需同時考慮水平 向及垂直向地震力之載重組合，勢必增加對基礎 的荷重。如何提供更好的基礎型式及配置，對大 地工程師來說是十分重要的課題。 參考文獻 KATZENBACH, R., ARSIAN, U., GUTWALD, J., HOLZHAUSER, J. 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