111 年 國立臺灣大學土木系碩士班營建管理組《土木建築施工》

本題主要考察學生對於地下連續壁施工中，島式工法（Island Method）與鄰近工法（Adjacent Method）的理解。這兩種工法都是在複雜的都市環境中進行地下連續壁挖掘時，為了避免鄰近結構物受影響而採用的特殊施工方式。

核心觀念：

• 島式工法 (Island Method)： 在狹窄或周圍建築物密集區域施築地下連續壁時，將開挖區域劃分為若干個獨立的「島」或「區塊」，分區輪流進行挖掘與擋土支撐。
• 鄰近工法 (Adjacent Method)： 在相鄰的建築物之間或緊鄰既有結構物時，為了防止對鄰近結構物產生過大影響而採取的施工方法，通常會配合特殊的基樁、擋土措施或微擾動工法。

解題架構：

1. 施工程序說明與示意圖：

   • 島式工法：
     • 程序：
       1. 在基地內劃分若干施工區塊（島）。
       2. 首先在其中一個或數個區塊進行連續壁開挖、止水壁施築、支撐系統（如鋼支保梁、預力錨索）安裝。
       3. 完成第一批區塊的擋土結構後，再進行鄰近區塊的開挖，依序推進。
       4. 若為逆打工法，則是在地下樓層結構完成後，再移除中間的土方。
     • 示意圖： 繪製基地平面圖，標示出不同施工區塊的順序，以及連續壁、支撐系統。
   • 鄰近工法：
     • 程序：
       1. 確定鄰近結構物的安全範圍與限制。
       2. 在鄰近結構物旁施築連續壁，可能採用較小的開挖單元，或配合預防性加固（如基樁、地質改良）。
       3. 當連續壁完成後，再進行基地內部開挖，確保對鄰近結構物的影響在可控範圍。
       4. 若為逆打工法，則是在地下樓層結構完成後，再移除中間的土方。
     • 示意圖： 繪製基地與鄰近結構物的剖面圖或平面圖，標示出連續壁、鄰近結構物、以及可能採用的加固措施。

2. 優劣點比較：

   | 工法 | 優點 | 劣點 |

本題主要考察學生對鋼筋混凝土結構中鋼筋鏽蝕問題的認識，包括其發生的原因、對結構的危害，以及在各個環節的預防與控制措施。

核心觀念： 鋼筋鏽蝕是影響鋼筋混凝土結構耐久性的主要因素之一，其發生需要鋼筋、氧氣、水（或濕氣）及電解質（如氯離子、碳酸根離子）的共同作用。

解題架構：

(a) 成因與機理 (8%)

• 成因：
  1. 碳化作用 (Carbonation)： 混凝土中的氫氧化鈣（$Ca(OH)_2$）與空氣中的二氧化碳（$CO_2$）反應，生成碳酸鈣（$CaCO_3$），導致混凝土的鹼度降低。當碳化深度達到鋼筋表面時，混凝土的保護層 pH 值從原本的 12-13 降至 9 以下，破壞了鋼筋表面的鈍化保護膜。
     $2Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O$
  2. 氯離子侵蝕 (Chloride Attack)： 氯離子（$Cl^-$）可以穿透混凝土孔隙，直接侵蝕鋼筋表面的鈍化膜，即使在鹼性環境下也能引發鏽蝕。尤其是在海洋環境、使用含氯鹽的融雪劑或受氯化物污染的材料時，氯離子濃度會顯著升高。氯離子與鋼筋反應，形成易溶性的氯化物，進一步加速鏽蝕。
• 機理 (電化學反應)： 鋼筋鏽蝕是一個電化學腐蝕過程。
  1. 陽極反應 (Anodic Reaction)： 在鈍化膜被破壞的區域（陽極），鋼筋（Fe）失去電子被氧化成二價鐵離子。
     $Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-$
  2. 陰極反應 (Cathodic Reaction)： 在鈍化膜未被破壞的區域（陰極），氧氣（$O_2$）在水（$H_2O$）的參與下得到電子被還原。
     $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$
  3. 離子遷移： $Fe^{2+}$ 離子與 $OH^-$ 離子結合，並進一步與氧氣反應，最終生成鐵鏽（水合氧化鐵），體積膨脹。
     $Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2$
     $4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3 \rightarrow Fe_2O_3 \cdot nH_2O$
  4. 形成腐蝕電池： 陽極、陰極、電解質（混凝土中的水分和離子）共同構成腐蝕電池，持續進行電化學反應，導致鋼筋鏽蝕。

(b) 可能的後遺症 (7%)

1. 鋼筋鏽蝕膨脹： 鐵鏽的體積約為原鋼筋體積的 2-6 倍，巨大的膨脹壓力會導致混凝土產生裂縫（銹脹裂縫）。
2. 混凝土剝落與開裂： 裂縫會進一步擴大，使水分、氧氣和污染物更容易滲入，加速鏽蝕過程，並可能導致混凝土保護層剝落、塊狀破壞。
3. 鋼筋截面積減小： 隨著鏽蝕的進行，鋼筋的有效截面積減小，承載能力下降。

本題主要考察學生對焊接作業相關知識的掌握，特別是在氣象管理、焊接缺陷識別以及 SMAW 工法原理的理解。

核心觀念： 焊接是一個複雜的工藝過程，其質量受到多種因素影響，包括環境條件、操作技術、材料特性等。

(a) 銲接作業在氣象管理上之重點 (8%)

氣象條件對焊接作業的影響主要體現在以下幾個方面：

1. 溫度：

   • 過低溫度： 影響焊條藥皮性能（可能吸濕失效），增加焊件熱影響區（HAZ）的冷裂風險（尤其對高碳鋼或合金鋼），並可能導致焊道表面金屬快速冷卻，產生應力集中。
   • 過高溫度： 可能影響焊工的操作舒適度，但對焊接過程本身影響相對較小，除非極端高溫。
   • 重點： 確保焊工有適當的防寒措施，對於高風險材料，可能需要進行焊前預熱。

2. 濕度與降雨：

   • 高濕度/雨天： 焊條藥皮極易吸濕，導致焊道氣孔、裂紋等缺陷。雨水直接淋在焊道上，會導致焊道快速冷卻，增加裂紋風險，並可能影響電弧穩定性。
   • 重點： 嚴格控制焊條的儲存與烘乾，施焊時應採取防雨措施（如搭設臨時棚架、防雨罩），並避免在雨中進行焊接。

3. 風速：

   • 強風： 會吹散電弧，影響電弧的穩定性，導致焊道成形不良、夾渣、氣孔等缺陷。尤其對於氣體保護焊（如 GMAW, GTAW），強風會吹散保護氣體，導致焊道氧化、燒損。
   • 重點： 在戶外強風環境下焊接時，必須採取防風措施（如設置防風屏障、風箱），或選擇在室內進行焊接。對於 SMAW，藥皮能提供一定程度的保護，但過強的風仍然會造成問題。

4. 空氣污染：

   • 懸浮微粒、化學氣體： 可能影響焊弧的穩定性，並可能被捲入焊道中形成夾雜物或氣孔。
   • 重點： 確保焊接環境通風良好，減少空氣污染物。

總結： 氣象管理的核心在於「穩定焊接環境」，確保焊條/焊絲性能，維持電弧穩定，防止焊道過快冷卻，並確保焊工安全與舒適。

(b) 銲道外部觀察的銲接缺陷 (舉四例圖示) (8%)

外部觀察的缺陷是指透過肉眼或放大鏡可以直接看到的焊接缺陷。

1. 氣孔 (Porosity)：

   • 描述： 焊道表面出現一個個或連續的圓形、橢圓形小孔。
   • 可能原因： 焊條吸濕、藥皮分解產生的氣體未完全排出；保護氣體不足或被污染；焊道表面油污、鐵鏽未清除；焊接速度過快。
   • 圖示： 繪製一個焊道剖面，顯示焊道內部的氣孔。

2. 裂紋 (Crack)：

   • 描述： 焊道或其熱影響區（HAZ）出現的斷裂。可分為縱向裂紋、橫向裂紋、根部裂紋、表面裂紋等。
   • 可能原因： 焊接應力超過材料強度；材料對裂紋敏感性高（如高碳鋼）；焊接速度過快、焊道尺寸不當；焊前預熱或焊後熱處理不足。
   • 圖示： 繪製一個焊道，顯示焊道表面或根部出現細長的裂紋。

3. 咬肉 (Undercut)：

   • 描述： 焊道與母材交界處，焊道邊緣低於母材表面，形成一個凹槽。
   • 可能原因： 焊接電流過大；焊接速度過快；焊絲角度不當；電弧過長。

本題主要考察學生對捷運系統中常用之地下潛盾工法的理解，包含潛盾機的掘進原理、施工輔助工法，以及安全監測措施。

核心觀念： 潛盾工法是一種用於在地下挖掘隧道，特別是軟弱地層或高壓水環境的先進工法，其核心是潛盾機（Tunnel Boring Machine, TBM）的連續掘進能力與周邊土體的穩定。

(a) 潛盾機前進與掘削土壤、注意事項 (8%)

• 潛盾機前進與掘削土壤 (附簡圖)：

  • 簡圖說明： 繪製潛盾機的剖面圖，標示出：
    • 盾體 (Shield)
    • 開口（掘削面）(Mucking Opening / Cutting Wheel)
    • 推進油壓缸 (Propulsion Cylinders)
    • 支撐環 (Tail Shield)
    • 組裝隧道襯砌環 (Segment Assembly Area)
    • 刮泥器/輸送帶 (Mucker / Conveyor Belt)
  • 掘削原理：
    1. 掘削： 潛盾機前端的開口（通常是旋轉的刀盤或滾刀）與旋轉機構相結合，直接破碎、挖掘前方土體。
    2. 土體移除： 挖掘出的土體通過開口進入潛盾機內部，由刮泥器、螺旋輸送機或皮帶輸送機運送到後方的廢土運輸系統（如泥漿管道、載貨車）。
    3. 推進： 當土體被移除後，潛盾機內部的油壓缸會伸出，頂住已完成的隧道襯砌環（或臨時支撐），推動整個潛盾機向前移動。
    4. 襯砌環組裝： 在潛盾機後方的支撐環（Tail Shield）內，利用吊裝設備將預鑄的混凝土襯砌塊（Segments）組裝成一個完整的環，形成隧道的永久襯砌。
    5. 注漿： 在襯砌環組裝完成後，會向襯砌環與周圍土體之間的環隙（Grout Gap）注入水泥漿，填滿空隙，提供支撐，並防止地表沉降。
  • 前進過程： 潛盾機的推進是一個循環過程：掘削 -> 排土 -> 推進 -> 襯砌組裝 -> 注漿。這個循環不斷重複，使潛盾機沿著設計路線向前推進。

• 應注意的事項：

  1. 地質條件變化： 潛盾機的掘削能力與穩定性受地質影響極大。需事先充分的地球物理探勘，了解地層的土質、岩性、含水量、有無地下水、潛在地質災害（如湧水、流砂、瓦斯）。
  2. 掘削面穩定： 在軟弱地層或高水壓環境下，需確保掘削面穩定，防止湧水、流砂或潛盾機失穩。可能需要採用加壓掘削（如泥水盾、土壓平衡盾）來平衡地層壓力。
  3. 廢土運輸： 需有高效、可靠的廢土運輸系統，避免因廢土堆積而影響掘削與推進。
  4. 襯砌環組裝與注漿： 襯砌環的組裝精度直接影響隧道的穩定性和防水性。注漿必須飽滿、均勻，以防止地表沉降。
  5. 導向與校準： 潛盾機需精確導向，沿著設計路線推進。需定期進行監測與校準，確保隧道位置和曲線符合要求。
  6. 湧水與管湧： 需有有效的排水與止水措施，防止湧水影響施工，並監測潛在的管湧現象。
  7. 地表沉降控制： 潛盾掘進會引起周邊地表沉降，必須嚴格監測，並採取措施（如精確注漿、加固）加以控制。
  8. 特殊地質處理： 對於遭遇卵礫石層、孤石、斷層、有害氣體等特殊地質時，需有應對預案。

(b) 潛盾工法的輔助工法 (各有何功能) (8%)

潛盾工法在複雜地質或特殊環境下，常需要輔助工法來確保施工安全與效率：

1. 地質改良 (Ground Improvement)：
   • 功能： 在潛盾機掘進前，對前方地層進行加固，提高其承載力、穩定性，降低滲透性，或改良其物理性質，以適應潛盾機掘進。
   • 方法：
     • 注漿 (Grouting)： 向地層注入水泥漿、化學漿液等，填補孔隙、裂縫，固結土體，降低滲透性。
     • 地層冷凍 (Ground Freezing)： 利用冷凍管注入冷媒，使地層中的水分結冰，形成堅硬的冰壁，暫時支撐土體，防止湧水。