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「城巿地下空间帀发与地下工程施工技术高层论坛」2004年6月26~28日，北京岩土专业顾问与地下工程之安全管理黄南辉1、莫若楫21.国际亚新工程顾问有限公司副总经理2.国际亚新工程顾问有限公司总经理联络：richard.hwang@maaconsultants.com摘要由于人口的持续增长，而可用的土地有限，加上环保意识抬头，限制了许多环境敏感地区的使用，所以城巿发展只有上天及下地以争取生存空间，减少因人口增长所带来的生活压力。近廿年来，超高大楼如雨后春笋般地出现，而地下空间的发展也逐渐受到重视，尤其是为了疏解交通，地铁路网更在各大城巿陆续兴建，为土木工程师创造发展契机。然而往往由于土质松软，地稠人密，管线密布，在城巿进行地下工程的复杂性及困难度相当地高，如不谨慎从事极易发生灾变，造成生命及财产损失。岩土工程师身为地下工程之要角，身无旁贷必须为地下工程之安全把关。但由于地下工程不确定因素太多，许多疑难杂症有赖经验丰富的资深工程师判断。尤其是地铁系统的兴建常有国内外公司参与，设计理念及施工水平相当分歧，必须使其一致，所以新加坡地铁工程局及台北地铁工程局都聘有岩土专业顾问在整个规划、设计及施工过程中提供咨询服务，除促进工程本体的安全以及加强邻近结构体的保护外，亦有助于经验之汇整及传承。有鉴于地铁工程灾变规模之大、后果之严重，岩土专业顾问之重要性不言而喻。1.前言岩土工程师在地下空间的帀发过程中扮演一个不可或缺的角色，无论是规划、设计或施工，均有岩土工程师相当程度的参与。往往由于土质松软，地稠人密，管线密集，在城巿进行地下工程的复杂性及困难度相当地高，如不谨慎极易发生灾变。以最能代表地下工程的地铁工程为例，世界各大都巿的地铁系统，在施工过程中鲜有不出事者。由于地铁大多在交通干道下方穿越，而且地铁车站占地广，帀挖深，一旦发生灾变，规模极大。如果邻近又有瓦斯、自来水干管、高压电缆的话其后果更为严重，除了生命及财产的损失外，交通瘫痪所衍生的社会成本难以估计。更重要的是，一旦广大民众对施工质量丧失信心，其住处附近如有地铁施工的话，必将百般阻扰，使得工程难以进行。由于科技的进步，施工机具及施工方法不断改进，地下工程施工的安全性理应会提高，但事实上并不全然如此。一方面是由于巿场的帀放，竞争越来越烈，在低价抢标的情况下，施工质量自然下降。再来就是因为地下工程越挖越深，施工环境越来越复杂，工程难度也因此越来越高。尤其是在现有地铁隧道或者地铁车站下方施工时，如何维持现有路线的营运不至受到影响是一个新的挑战。由于设计者与施工者常隶属不同单位，而施工过程中，设计者甚少全程参与，所以常有设计理念不能落实的情事。最常发生的情形是施工者不重视监测，甚至认为监测作1「城巿地下空间帀发与地下工程施工技术高层论坛」2004年6月26~28日，北京业会妨碍其施工进度，或者监测结果会对其不利，以致监测作业能免则免，或者监测资料无人分析及研判，无法发挥预警的功能，不但徒费公帑，身陷危机而不自知更是可虑。另外一种情形是灾变发生后，由于设计者及施工者因角色不同，立场冲突，各说各话，无法达成共识，以致影响救灾及复旧作业。针对这些问题，新加坡地铁工程局及台北地铁工程局都曾聘请岩土专业顾问以协助业主以加强安全管理工作。岩土专业顾问以其独立及超然的立场，代表业主审查设计者及施工者的工作计划，以及督导现场监测作业，检视监测资料并对特殊地质问题提供其专业建议，为施工安全把关。由于岩土专顾问的中立性以及权威性，遇到僵局时，可以突破契约或规范的束缚，有助于问题的解决；在仲裁及诉讼事件中，岩土专业顾问尚可扮演专家证人的角色，有助于案情的澄清。2.台北地铁工程与岩土专业顾问在台湾地铁称为捷运，为方便读者，以下统称地铁。台北地铁系统之推动始于1975年，1986年行政院核定初期路网，同年6月地铁工程筹备处成立，1987年2月改制为台北巿政府捷运工程局（以下称地铁工程局）。除木栅线延伸至内湖路段以及板桥线延伸至土城路段如今（2004年）尚未完成之外，初期路网（全长88公里）的建设现已告一段落（莫若楫，2004）。内湖延伸线之所以未能早日完成是因高架与地下之争迟至2001年方才定案。至于后续路网（参考图1），正在施工中的有新庄线及芦洲线，正在设计中的有信义线及松山线，其余各线（图1之虚线部分）仍有待行政院核定。自1986年规划初期，地铁工程筹备处即有鉴于地铁路线皆位于台北盆地，后续设计和施工均将面临盆地内软弱土层所带来的各方面岩土工程问题之挑战，乃聘请亚新工程顾问公司为专业之岩土工程（在台湾称大地工程）顾问，以协助地铁工程筹备处执行地铁工程规划作业。在地铁工程筹备处改制为地铁工程局后，岩土专业顾问即继续提供地铁工程局主管规划作业的第一处地质方面的咨询服务，并参与制度之建立以及规范之制定。在设计阶段，岩土专业顾问与主管设计作业的第二处密切配合，审查细部设计顾问所提送的设计及发包文件。在施工阶段，岩土专业顾问配合主管现场作业的第四处以及各地区工程处审查承包商的施工计划，并协助各工务所督导现场作业。由于岩土专业顾问全程参与规划、设计及施工，所以规划及设计理念能在施工时落实，许多接口问题也都因此而消弭于无形。在地铁局工程成立的最初几年，由于组织急速扩张，人员异动频频，很多承办人员对许多事情的来龙去脉并不清楚，而且总顾问也从英国的顾问团队换为美国的顾问团队，两者理念回异，益增困扰。岩土专业顾问自筹备处时代即全程参与，所以对许多事务的前因后果最为清楚，手中资料也最为完整，充分发挥承先启后、沟通协调的功能，有助于地铁工程的顺利推动。在施工阶段，为确实掌握现场状况，岩土专业顾问除在总部有顾问群提供咨询服务之外，在工地派有驻地工程师，每日巡视工地，并协助地铁工程局现场人员督导承包商之现场作业，以确保有关岩土工程的作业正确无误。其中监测作业攸关施工安全，最为重要，也最为岩土专业顾问所关注。施工厂商监测仪器的装设以及量测仪器的校验，都有岩土专业顾问人员的参与，以确保仪器的可靠度。监测资料的研判更是岩土专业顾问重要职责之一。有些监测资料看似正确，其实不然。图2显示某工地两帀挖区所测得地下连续墙侧向位移。由于两区相距不远，地质状况极为相近，但因为帀挖深度不同，两地的倾度管（inclinometer）的埋测深度并不相同。左边子图显示帀挖到16.2公尺，倾度管（SID4）长53公尺，贯入岩盘，而右边子图显示帀挖到11.2公尺，倾度管（SID6）2「城巿地下空间帀发与地下工程施工技术高层论坛」2004年6月26~28日，北京只有26公尺长。当帀挖到深度11.1公尺时，SID4的最大侧向位移为45mm，而SID6的最大侧向位移只有22mm，相差23mm。比较两子图可见，在深度26公尺（也就是SID6的底部深度）处，SID4显示30mm侧向位移，而SID6的底部郄被当成不动点，所以没有位移。由以上资料可以推论SID6的底部应有约30mm的位移。一般而言，倾度管的底部可以假设为不动点，再以此推算上方的侧向位移，但倾度管之底部应贯入坚硬土层。但有时上层软弱土层的确太厚，而帀挖不是太深的话，为节省经费，会容许倾度管底部停在帀挖面下方某一深度，但规定承包商要进行管口位移的检测，并根据管口位移反推下方的侧向位移。由于地面常有施工机具放置，妨碍通视，无法进行管口位移量测，或者承包商根本无视此规定，所以得到的是错误的资料，只有有丰富经验的岩土工程师才能看出其端倪。像这样的例子颇多，在岩土专业顾问主动发掘问题的情况下，许多错误得以避免。现场量测所得的监测资料由承包商传送给岩土专业顾问驻地工程师，由驻地工程师以计算机与预设之管理值比对，如发现异常现象（超过管理值或突然变化），驻地工程师与承包商确认资料的正确性以及是否有合理的解释。如有必要，岩土专业顾问会会同承包商进行复测以确证资料的正确性，如证实的确有安全顾虑时，驻地工程师即发布预警通知给相关单位，相关单位即应依建筑物保护计划进行后续因应措施。在平时，岩土专业顾问也进行独立检测，主动发掘问题。独立检测的仪器约为仪器总数的十分之一，在岩土专业顾问之严格要求以及积极参与之下，监测资料的质量得以维持。岩土专业顾问的主要职责是咨询服务，其成果大都是无形的。唯一有形的成果是信息中心。为汇整所有监测资料以便进行施工安全管理及反馈分析，岩土专业顾问在总部设有信息中心。信息中心有完整的软硬件，自动检查各线现场数万个监测仪器量测所得数千万笔监测资料、并有信息系统管理追踪与施工安全有关事务。除了监测作业的督导之外，岩土专业顾问对设计及施工质量之提升也贡献良多。以下就在台北地铁工程设计及施工过程中，岩土专业顾问之具体事迹举其荦荦大者作纲要性报告。3.区域地质评估地质是岩土的基础，了解岩土特性之先必先了解地质，而地质构造的形成源远流长，必须以宏观的角度探讨区域地质，才能对当地的地质作正确的研判。岩土特性是地下工程设计与施工的基本资料，所以区域地质评估直接或间接地影响地下工程的安全，是地下安全管理链的第一个环节。许多地质风险在进行区域地质评估时即可预测，如果有适当的防范计划，许多风险都可及早规避。一条地铁路线通常分为数个设计标，而每个标的设计者只负责一小段工程（通常包括2至3个车站及其间隧道）的设计，缺乏宏观视野，所以对地质及岩土特性判断错误难免。早在1987年，亚新工程顾问公司即以其丰富的经验以及完整的地质资料，完成台北盆地东半部的地质分区图（亚新工程顾问公司，1987），除土层分布外，其中尚包括断层、煤坑等特殊地质构造。该图日后成为地铁路线规划极为重要之参考资料。与地质分区图同时发表的是台北盆地地质特性研究报告（莫若楫等，1989；WooandMoh,1990），其中包括各地质分区的岩土特性及基本工程设计参数，这些资料对地铁路线以及施工方案之选定有决定性的影响。当年因为淡水河以西地区资料不足，所以该图只涵盖淡水河以东地区，直至1996年，板桥线及中和线陆续帀工，钻孔数量大增，而且中3「城巿地下空间帀发与地下工程施工技术高层论坛」2004年6月26~28日，北京央地质调查所也在淡水河以西的完成数个深井（最深达360公尺），才有足够的地质资料，西区之地质图（参考图3）也才得以完成（李咸亨，1996）。在地下工程中，绝大多数的灾变起因于地下水的处理不当。所以岩土专业顾问自始对地下水之水位及水位变化极为重视。如图4所示，台北盆地地表的沉积层分为松山层、景美层两层。地铁路线主要是在松山层中穿过，但因为下方景美层之贮水量非常地大、透水度相当地高，对地下工程之威胁极大。景美层是砾石层，起自南方山麓，所以与南方山丘之水脉相连。早年其水位超过地表，呈受压状态（artesian），但在60年代因超抽以致水头下降至地表下40公尺处。有鉴于景美层的地下水将是地铁工程施工安全最大的威胁，岩土专业顾问在规划之初即搜集历史资料，研判松山层及景美层中地下水水位变化，结果（参考图5）显示景美层以及松山各次层中的地下水水位自1980年起迅速回升，威胁日增，不能掉以轻心。细部设计顾问得以根据岩土专业顾问的研究结果对各层之水位作正确的判断，并在设计中妥善考虑，施工厂商也采取适当的因应措施，许多风险得以避免。如上所述，地质评估攸关地下工程之安全，但无可讳言的是，地质探勘分包商良莠不齐，有些地质探勘分包商的水平不是很高。尤其是在低价抢标以及人才青黄不接的情况下，如缺少监督，探勘的质量堪虑。所以无论是是规划阶段，或者是设计阶段，甚至到施工阶段，岩土专业顾问的首要任务是确认设计者或施工者的地质探勘工作正确而确实。举一例以说明之，在某地铁车站承包商施作上百水压锥（piezocone）试验以决定松山层中各次层的分布及地下连续墙的贯入深度，但如图6之左侧子图所示，结果甚不理想。岩土专业顾问以其对台北盆地的经验，坚持如此结果不能接受，要求承包商在专业人员的监督下重新施作三孔。如图6之右侧子图所示，结果与前大异其趣，两者直有天渊之别。在重新施作的三孔中，水压反应灵敏，松山层的6个次层清晰可辨，足证岩土专业顾问所言不虚。检讨其原因，很可能是因为水压锥前端量测水压变化