金门大桥基础型式评估报告991220.docx

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金门大桥基础型式评估报告991220

交通部臺灣區國道新建工程局

金門大橋

工程設計暨配合工作

基礎型式評估報告

中華民國九十九年十二月

目錄

第一章計畫概述1

1.1路線概述1

1.2路線構造概述1

第二章深槽區基礎型式檢討3

2.1上構型式考量3

2.2海象及施工條件綜合考量3

2.3地質及施工性綜合考量3

2.4深槽區樁帽高程位置檢討7

2.5斜樁配置施工性及成本考量8

2.6基樁口徑檢討8

第三章淺灘及陸域區基礎型式檢討9

3.1上構型式考量9

3.2海象及施工條件綜合考量9

3.3地質及施工性綜合考量9

3.4淺灘區樁帽施工可行性檢討11

3.5基樁口徑檢討11

第四章基礎樁帽高程檢討12

第一章計畫概述

1.1路線概述

本計畫起點於烈嶼鄉（小金門）后頭地區與4-17計畫道路（湖埔路）平面相交，道路縱坡爬升跨越小金門濱海大道後，右轉東行經金門嶼南側礁石區後，直線跨越金門港道，進入大金門端金寧鄉湖下南方，避開現有聚落與慈湖路平面相交，路線全長約5.414公里，其中跨海部分長約5.005公里（詳見圖1-1）。

圖1-1計畫路線位置圖

1.2路線構造概述

本計畫從烈嶼鄉（小金門）端里程0K+000~0K+355為路堤段，金寧鄉（大金門）端5K+125~5K+340為路堤段，其餘路段0K+355~5K+125為橋梁段（詳見圖1-2）。

橋梁沿線跨越小金門濱海大道、濱海淺灘區、深槽區及大金門濱海礁石區後，銜接大金門端引道段。

分為3個基礎型式路段，深槽路段、淺灘路段及陸域路段；

圖1-2路線構造配置圖

第二章深槽區基礎型式檢討

2.1上構型式考量

本計劃路廊規劃跨越深槽區之水域寬度達1.6km，此間主要配置主橋及部份的邊橋單元；主橋單元擬以280公尺跨徑脊背橋作配置，邊橋即採場鑄預力箱形梁配置（跨徑配置為130m+2@160m+130m）；因此，若是上部結構配置，應配合深基礎配置方能將上部結構之載重傳遞於地盤，也較能因應地形急據變化的可能性。

可能採行之深基礎型式為鋼管矢板井式基礎、沉箱或樁基式基礎。

2.2海象及施工條件綜合考量

就前期規劃階段所載之水域深度約莫26公尺（就現階段之水深調查，位於深槽之路廊水域深度約15m~23m）；基礎水下施作環境並不甚理想，若採行沉箱基礎方案，將採壓氣沉箱方式施工，該工法就國內環境而言，係屬成本高、容易造成施工人員職業傷害的一種施工選擇，故不採該沉箱基礎方案。

2.3地質及施工性綜合考量

誠如前述工址水深為一基礎型式評選的主要考量原因之一，對於現階段鑽探尚未開始前，就規劃階段之大地資料研判工址覆土層約40公尺，因此，考量若採樁基式基礎，將有下列之考量要素：

樁帽位置

緊臨海床（基樁未裸露）

樁帽出露海床（基樁裸露）

基樁結構量體

基樁數量小

基樁數量大

施工圍堰需求

需臨時圍堰

無需臨時圍堰

施工風險

因深水下施工，風險較大

施工風險相對較小

就一結構安全性考量，祇要克服圍堰施工考量，初步認為全數末入海床的基樁是較為適當的一種基礎配置型式；也因此考量，如是圍堰之施工假設工程即便可以施作，其所費不眥，且施工結束即予以拆除；因此遂有鋼管矢板井式基礎的配置構想，其配置如下示：

圖示鋼管板樁壁體，於施工過程可充當臨時圍堰，也隨著開挖、支撐架設、鋪砂、底部混凝土澆置、鋼筋組立、頂板混凝土澆鑄、鋼管裁切，此時該鋼管與其上部的混凝土板形構一個永久基礎。

基於臨時圍堰可作為永久基礎，不若樁基式基礎，其圍堰於施工後即拆除，施工造價將因此增加，就此，初步定調以鋼管矢板井式基礎作為深槽區基礎型式。

本計劃水深測量進行後位於深槽區路廊的水深資料也較為清楚，同時，也就鋼管矢板井式基礎的施工方式作多方諮詢，就日本既有之案列水下施工，最深為20公尺，然而，本計劃深槽區基礎於施工階段所需之圍堰高度約為26公尺，基於施工風險、鋼管板樁內部水平支撐配置需求及設計需求等因素考量，諮詢日本熟捻該基礎型式專家，建議於鋼管板樁所圍區域內填築，使其形成一人工島，在於其形成之工作地表施作全套管基樁，由於該基樁無未支撐長度問題，因此基樁結構量體較少，遂有一島式基礎雛型構想，如下圖所示。

島式基礎構想示意圖

隨著本計劃進行，地質鑽探結果取得並配合水深調查的初步成果顯示，位於深槽區的八個橋墩，其所座落位置地形、岩盤變化急遽，且覆土深度不若前期規劃報告所載達40公尺之譜，且於橋墩編號P30所配置的兩處地質探查鑽孔，其所顯示的岩盤位置即於覆土下1~3公尺，且相鄰橋墩所得覆土深度也不深（12~13公尺），這對於所欲採用的島式基礎而言，該地質分布，將使原本不入岩盤配置的鋼管板樁，面臨須埋入岩盤中方可提供其整體穩定性（橋墩P30即是）。

考量如是多量鋼管板樁須入岩配置，就初期施工成本、工期作考量，則將回至樁基式基礎作考量，樁基式基礎依材料區分，即可採鋼管樁或全套管基樁，以下即針對這兩中基樁型式列表比較說明：

評項

鋼管樁

全套管基樁

材料來源

國內

國內

鋼管（套管）製作

國內

國內

施工設備（商源）

國外（船機、樁鎚）

國外（船機、基樁機具）

樁體續接

延樁長方向，每3公尺續接一次，該續接牽涉結構強度，故銲接品質要求較高（儘量減少續接次數）。

混凝土澆置，祇要混凝土供需無虞，應無續接影響基樁施工品質問題。

地盤變異性

植樁前，須先裁切樁長，因此，較難因應現地的地盤變化，多種鋼管長度，也容易造成工地材料管理疏失。

較能因應地盤變化施作，

容許承載力

依據規範核算其容許承載力，較之全套管基樁者為低。

依據規範核算其容許承載力，較之鋼管樁者為高。

維護管理

須就鋼管樁本體所配置之防蝕措施，作檢測及週期性的消耗更換。

完工後維護成本相較鋼管樁為低。

就上式之比較說明，本計劃綜合研判後即採全套管基樁作為本計劃深槽區基礎型式。

2.4深槽區樁帽高程位置檢討

1、海象條件及施工可行性檢討

有關樁基式基礎之樁帽位置，本計畫將採行樁帽高於海床之配置（基樁有未支撐長度），然而，本計劃於服務建議書階段，曾基於景觀考量，將之樁帽配置於低潮水位下，孰知，工址水域高、低潮差約6公尺，再加上浪高1.5公尺，如是配置的結果，基樁於施工階段將因為樁帽模板浮力作用而承受拉拔力，且相關樁帽模板作業將是長期於深水位置下作業（低潮時約水下7公尺，高潮位時約15公尺（考慮浪高約2m）），鑑此，即將之樁帽底部配置於低潮位下1公尺，以免卻、減緩深水下作業之施工安全及不確定性。

樁帽位置比較說明如次：

2、防蝕考量

樁帽位置除考量上述水下施工之不確定性外，另考量於低潮下樁體部分不會出露，在降低與空氣接觸情況下可以達到加強防蝕之目的。

2.5深槽區基樁配置檢討

2.5斜樁配置施工性及成本考量

就工址的海象條件、花崗岩地質及水深條件，基樁之單位進尺建造成本相較陸域全套管基樁施作為高，就其成本分析，其主要費用是因國外船機、人員佔較大百分比，因此，將從斜樁配置（BatterPile）、基樁配置口徑降低兩方向尋求成本降低。

首先，就斜樁配置做說明：

1.從基樁整體勁度（Stiffness）評估，其勁度大於直樁配置，因此相同設計設計條件下，斜樁所配置的樁數較之直樁為少，以下將以橋墩P31為例作說明：

評項

250cm直徑直樁配置

250cm直徑斜樁配置

樁數

36

30

樁長

37

40

主筋比

3.0%

2.4%

樁帽尺寸

30m×30m×6m

25m×30m×6m

2.以上述案列作建造成本做比較，因為斜樁施作過程其鑽掘,取土,吊放鋼筋籠及澆置混凝土皆較之直樁困難，因此，船機及施工費用約為直樁配置者1.5倍，因此就其基樁製作成本作分析比較：

評項

250cm直徑直樁配置

250cm直徑斜樁配置

船機費用

36×37×7=9324萬元

30×40×10.5=1億2600萬元

材料費用

36×37×6=7992萬元

30×40×5.2=6240萬元

合計

1億7316萬元

1億8840萬元

3.由於地質鑽探所得岩盤位置變化急遽，因此，將於日後基樁施作前先行進行確認鑽探，以明確判定新鮮岩盤位置，而將該基樁配置於新鮮岩盤下一倍樁徑深度。

如是採斜樁配置，該確認鑽探施作將採斜向鑽探，鑽桿外套管將因長度效應產生懸垂（Sag）現象，施作增加其困難程度，確不一定能精準確認基樁所欲座落位置。

因此就上述各點說明，斜樁配置（BatterPile）確可降低結構量體，但本計劃係採全套管基樁施作，其施作需取土、吊放鋼筋籠及灌漿，如此將會造成施工上諸多不確定性，而引致失敗或施工品質不良的結果。

岩盤變化，也是斜樁不適用的原因之一，就此仍依原直樁配置方式進行設計。

2.6基樁口徑檢討

就陸上施工以200cm樁徑商源較多為由，配合進行檢討基樁口徑縮減為200cm之利基。

惟依其承載力評估而言，200cm口徑基樁，採36支間距2.5倍樁徑配置，其所需承載力容量遠比容許承載力大許多，因其採2.5倍樁徑梅花樁配置，其樁帽尺寸亦為28m×30m，較之250cm口徑基樁，採36支間距2.0倍樁徑配置者（樁帽尺寸為30m×30m）僅小2公尺，若依200cm口徑基樁配置，滿足承載力需求，其樁數將大於36支，樁帽量體遠大於30m×30m，故無結構量體較為節省之趨勢。

就國內基樁施作商源調查結果，國內廠商多表示無海上施工經驗，且本計劃多項諸如東北季風強勁、花崗岩地質、水深、潮差大等環境因素，使之國內承商有多所疑慮及未知的施工風險，因此都表達對本計畫無參與施作意願。

綜合上述之各因素，本計劃於深槽區之基礎仍依250cm直徑，直樁配置作細部規劃設計。

第三章淺灘及陸域區基礎型式檢討

3.1上構型式考量

本計畫路線橫跨金門港道、銜接大小金門，計劃路廊除跨越深槽區之水域寬度達1.6公里外，於淺灘及陸域區部分之路廊長約3.2公里，此間主要配置為引橋及部份之邊橋單元；本區段引橋及邊橋採場鑄預力箱形梁配置（引橋跨徑配置為30m、45m及50m不等，主要跨徑為50m；而邊橋跨徑配置則為110、130及160不等，主要跨徑為160m）；依前揭上部結構之配置，於淺灘及陸域區之橋墩應配合採取深基礎配置，方能將上部結構之載重傳遞於地盤，也較能因應地形急據變化的可能性。

於本區段可能採行之深基礎為鋼管矢板井式基礎、沉箱，或樁基式基礎等型式。

3.2海象及施工條件綜合考量

就現階段之水深調查，位於淺灘區之路廊水域深度約0.5m~13m，基礎水下施作環境並不理想，不利施工船舶進出，且若採行沉箱基礎方案，將採壓氣沉箱方式施工，該工法就國內環境而言，係屬成本高、容易造成施工人員職業傷害的一種施工選擇，故不採用沉箱基礎方案。

3.3地質及施工性綜合考量

如前述，工址水深為基礎型式評選之主要考量因素之一，就現階段鑽探資料顯示，橋址於淺灘區之海床覆土層厚10~70公尺不等，且海下岩盤層面起伏變化大，考量若採鋼管矢板井式基礎或樁基型式之基礎，將有下列考量要素：

樁帽位置

緊臨海床（基樁未裸露）

樁帽出露海床（基樁裸露）

基樁結構量體

基樁數量小

基樁數量大

施工圍堰需求

需臨時圍堰

無需臨時圍堰

施工風險

有水下施工之風險

施工風險相對較小

倘樁帽出露於海床上（基樁裸露）時，將採用鋼管矢板井式基礎之配置構想（詳圖1），其假設工程為採用鋼管矢板構築圍堰，但因其施工方式係於圍堰內採用填砂築人工島方式，以供施築樁基礎及樁帽，且外圍之鋼管板樁係作為永久基礎之一部分，需作防蝕處理，及需較多之施工船舶及機具，其所費不眥；而本計劃路廊位於淺灘區之水域深度約0.5m~13m，且樁帽位置緊臨海床或位於海床下，因此考量採用樁基礎型式；另就結構安全性之考量，只要克服圍堰施工之困難，初步認為採用全數貫入海床內之基樁是較為適當之基礎配置型式，且於淺灘區採用圍堰施工為可行之工法，且施工結束可即予以拆除圍堰，也較具經濟性。

經考量橋梁荷重條件、荷重規模、水深、地質狀況、經濟性，及施工性等因素，爰淺灘區之橋墩基礎型式採用樁基礎。

初步考量採用樁基礎型式之配置，然樁基礎依材料區分，可分為鋼管樁或全套管基樁，以下即針對這兩種基樁型式，就施工成本、施工性、承載力等作考量，列表比較說明如下：

評項

鋼管樁

全套管基樁

材料來源

國內

國內

鋼管（套管）製作

國內

國內

施工設備（商源）

國內（基樁機具）

國內（基樁機具）

樁體續接

延長樁需續接，該續接牽涉結構強度，故銲接品質要求較高（儘量減少續接次數）。

混凝土澆置，只要混凝土供需無虞，應無續接影響基樁施工品質問題。

地盤變異性

植樁前，須先裁切樁長，因此，較難因應現地的地盤變化，多種鋼管長度，也容易造成工地材料管理疏失。

較能因應地盤變化施作。

容許承載力

依據規範核算其容許承載力，較之全套管基樁者為低。

依據規範核算其容許承載力，較鋼管樁者為高。

維護管理

須就鋼管樁本體所配置之防蝕措施，作檢測及週期性的消耗更換。

完工後維護成本相較鋼管樁為低。

就上表之比較說明，經綜合研判後，即採全套管基樁作為本計劃淺灘區及陸域區之橋墩基礎型式。

3.4淺灘區樁帽施工可行性檢討

1、海象條件及施工可行性檢討

有關引橋段及邊橋段樁基式基礎之樁帽位置，基於景觀考量，本計畫將採樁帽配置於低潮水位之下，如圖3-1所示；惟因工址水域之高、低潮位差達5公尺，採如是配置結果，施工階段圍堰開挖底面將受浮力作用，開挖底面可能發生隆起，亦將影響樁帽相關施築作業，鑑此，於樁帽底部將配置厚約0.6~1公尺之混凝土支撐版，並配合抽降水作業，以免卻及減緩水下作業施工安全之不確定性。

圖3-1淺灘區樁帽配置示意圖

2、防蝕考量

樁帽位置除考量上述水下施工之可能性外，另考量於低潮位下，樁體部分不會出露海水上，在降低與空氣接觸情況下，將可達到加強防蝕之目的。

3.5基樁口徑檢討

除陸域區橋墩基樁之施工方式，同一般陸地上施工方式外，就淺灘區橋墩基樁之施工方式而言，將採用棧橋及施工平台方式，供施工機具及車輛通行施工，其基礎施作方式將同陸上施工，而陸上施工之國內200cm及150cm樁徑商源較多之利基，且依200cm或150cm樁徑，及間距2.5倍樁徑之配置，可分別滿足邊橋及引橋基礎承載力之需求。

綜合上述之各因素，本計劃於邊橋段之樁基礎依200cm樁徑、直樁配置，作細部規劃設計；而於引橋段之樁基礎依150cm樁徑、直樁配置，作細部規劃設計。

第四章基礎樁帽高程檢討

於主橋及邊橋段，考量水深較深，採用傳統圍堰造價較高且施工風險性高，擬將樁帽抬高於海床面以上，配合懸吊式圍堰施作，另基於及基樁防蝕考量，主橋及邊橋段樁帽高程以退潮時不露出基樁為原則，樁帽底部高程為EL.-6.2M。

於引橋段，經與金門縣政府景觀顧問討論後，基於景觀考量，建議採退潮時樁帽不露為設計原則。

大金端引橋段海床面平坦高程約-1.2M，退潮時海床露出，為滿足退潮樁帽不露之原則，須配合圍堰開挖，將樁帽頂置於海床面以下。

小金端引橋段海床面起伏大且水深較大，為滿足退潮樁帽不露之原則，樁帽頂高程置於EL.-3.2M，另考量墩位落於較大水深區域時，即該墩樁帽底高於海床面時，該墩配合採懸吊式圍堰施作，其餘則採傳統圍堰施作。