112 年 國立臺灣大學土木系碩士班營建管理組《土木建築施工》

本題主要在測試考生對建築施工相關術語的理解程度，涵蓋混凝土施工、結構抗震、特殊工法及地質現象等。考生需選答五題，每題約需說明其定義、原理、影響或應用。

以下針對部分術語進行說明：

1. 混凝土施工的 Alkali-Aggregate Reaction (鹼骨料反應)

   • 定義： 混凝土中，水泥鹼性物質（如氫氧化鈉、氫氧化鉀）與混凝土中的某些活性骨料（如某些種類的石英、燧石、玉髓、火山玻璃等）發生化學反應，生成一種膨脹性的膠狀物質（鹼骨料矽凝膠），進而引起混凝土膨脹、開裂的現象。
   • 影響： 導致混凝土產生網狀裂縫、表面隆起、強度降低、耐久性劣化。
   • 避免方法： 使用低鹼水泥、使用低反應性骨料、在混凝土中掺入飛灰 (fly ash) 或爐碴 (slag) 等抑制劑。

2. 混凝土施工的 Plastic Settlement (Subsidence) Cracking (塑性沉陷或坍陷裂縫)

   • 定義： 在混凝土初凝前，當混凝土仍處於塑性狀態時，由於混凝土內部骨料沉降、水分蒸發或泌水，導致表面或內部產生較大的沉陷，若此時混凝土已失去足夠的抗拉強度，則會產生裂縫。常見於較厚的混凝土結構、或混凝土表面有鋼筋貫穿的情況。
   • 影響： 產生表面或貫穿性裂縫，影響外觀及耐久性。
   • 避免方法： 保持混凝土均勻性、避免過度震搗、適當的養護、控制水泥用量及水灰比、鋼筋配置應避免過密或靠近表面。

3. Seismic Isolator (隔震器)

   • 定義： 一種安裝於建築物基礎與上構之間，或樓層與樓層之間的裝置，旨在將地震力與上部結構隔開，大幅減少傳遞至結構體的地震反應。其主要原理是透過增加結構的週期，並透過裝置本身的阻尼特性來消散地震能量。
   • 原理： 透過增加結構的基週期，使其錯開地震動的主要週期，同時利用材料的變形（如橡膠、鉛心）來吸收和耗散能量。
   • 種類： 鉛心橡膠支承 (Lead Rubber Bearing, LRB)、高阻尼橡膠支承 (High Damping Rubber Bearing, HDRB)、滑動支承 (Friction Pendulum System, FPS) 等。

4. TMD 制震工法 (Tuned Mass Damper)

   • 定義： 調諧質量阻尼器 (Tuned Mass Damper, TMD) 是一種被動式結構減震裝置，由一個質量塊、彈簧和阻尼器組成。

本題主要考驗考生對於建築物基礎開挖工法、地層沉陷的成因，以及預防措施的了解。

一、建築物基礎開挖常用的工法

建築物基礎開挖工法主要可分為以下幾類：

1. 明挖法 (Open Excavation)：

   • 說明： 直接將場地土方挖除至設計標高。
   • 適用範圍： 基地面積較大、周邊無建物或設施、且土層穩定性良好、地下水位低的場合。
   • 優點： 簡單、成本較低。
   • 缺點： 對周邊環境影響大、易受天氣影響、適用性受限。

2. 放坡開挖法 (Sloping Excavation)：

   • 說明： 允許開挖邊坡以一定坡度向外傾斜，無需設置擋土結構。坡度的大小取決於土壤的內摩擦角和黏聚力。
   • 適用範圍： 土壤穩定性良好、開挖深度不大、基地面積足夠允許設置坡道的場合。
   • 優點： 成本低、施工快速。
   • 缺點： 佔用較大面積、不適用於軟弱土層或深開挖。

3. 支撐開挖法 (Shoring/Braced Excavation)：

   • 說明： 在開挖過程中，於開挖壁周圍設置擋土結構（如鋼板樁、連續壁、H型鋼樁等），並利用水平支撐（如鋼管、H型鋼梁）將擋土結構的推力傳遞至對側，以維持開挖面的穩定。
   • 常用擋土結構：
     • 鋼板樁 (Steel Sheet Piles)
     • 連續壁 (Diaphragm Walls)
     • H型鋼樁 (H-Piles)
     • 鑽掘式擋土壁 (Soldier Piles and Lagging)
   • 適用範圍： 基地狹小、周邊有建物或設施、開挖深度較大的場合。
   • 優點： 穩定性高、對周邊影響較小。
   • 缺點： 成本較高、施工較複雜。

4. 逆打工法 (Top-Down Construction / Basement Reverse Construction)：

   • 說明： 如題一所述，先行施作地下連續壁或擋土牆，然後由地下室樓板作為臨時或永久支撐，由下往上進行開挖與結構施工。
   • 適用範圍： 基地狹小、周邊環境複雜、地下水位高、或需快速推進地下室結構的場合。
   • 優點： 減少對周邊交通及建物影響、施工速度快、穩定性高。
   • 缺點： 設計與施工較複雜、成本較高。

5. 唧筒法 (Ejector / Jet Grouting)：

   • 說明： 在開挖前，利用高壓泥漿噴射技術，將水泥漿噴入土壤中，使土壤顆粒與水泥漿混合固結，形成改良土層或連續壁，以提供開挖面的穩定性。
   • 適用範圍： 軟弱土層、滲透性高的土層，或需進行特殊加固的場合。

二、開挖作業引起周邊地層下陷的因素

基礎開挖作業導致周邊地層下陷的主要原因有：

1. 擋土結構的滲漏 (Seepage through Retaining Structures)：

   • 說明： 擋土結構（如連續壁、鋼板樁）若施工品質不良，或接縫處理不當，容易產生滲漏。地下水透過這些滲漏點進入開挖區域，導致周邊土體的水位下降，有效應力增加，進而引起地層沉陷。
   • 關鍵： 擋土結構的連續性、止水性。

2. 地下水位降低 (Lowering of Groundwater Table)：

   • 說明： 為了使開挖面能順利進行，通常需要進行抽水作業，降低地下水位。當地下水位下降時，土體中的孔隙水壓力降低，有效應力增加，導致土體壓縮沉陷。
   • 關鍵： 抽水量的控制、影響範圍的評估。

3. 開挖面附近土體的擾動與潛盾效應 (Disturbance of Soil and Tunneling Effect near Excavation Face)：

本題主要考驗考生對不同類型基樁施工方法的理解，包含其作業程序、潛在風險與可能發生的缺陷。

一、反循環基樁 (Reverse Circulation Pile / Down-the-Hole Hammer Pile)

• 施工程序：

  1. 鑽掘孔洞： 使用反循環鑽機，透過鑽頭在鑽桿內部形成負壓，將鑽除的土屑與水混合後，由鑽桿中心的循環管抽出至地面分離。鑽頭通常為衝擊式或旋轉式。
  2. 清孔： 持續鑽掘至設計深度，並確保孔底乾淨，無過多沉積物。
  3. 下放鋼筋籠： 將預製好的鋼筋籠吊放入鑽孔中。
  4. 澆築混凝土： 透過導管 (Tremie pipe) 將混凝土從孔底開始向上澆築，利用混凝土的浮力將孔內泥漿或水排出，直至孔口。
  5. 拔出導管與養護： 緩慢拔出導管，並確保混凝土連續填滿。進行混凝土養護。

• 可能的施工風險與缺陷：

  • 孔壁塌陷 (Hole Collapse)： 在鬆軟土層或地下水位高時，鑽孔過程或鋼筋籠下放時，孔壁可能發生塌陷，導致孔徑縮小或鋼筋籠變形。
  • 底部沉積物過多 (Excessive Bottom Sediment)： 若清孔不徹底，底部沉積物會與混凝土混合，影響樁的承載力。
  • 混凝土離析 (Concrete Segregation)： 導管拔出過快或混凝土灌注不連續，可能導致粗骨材與砂漿分離，形成混凝土離析帶。
  • 斷樁 (Pile Breakage)： 鋼筋籠下放時受阻、孔壁塌陷擠壓，或澆築混凝土時受力不均，可能導致鋼筋籠變形或斷裂。
  • 樁身混凝土強度不足 (Insufficient Concrete Strength)： 水灰比過高、外加劑使用不當、或養護不良，都可能導致混凝土強度不足。
  • 樁頂標高偏差 (Pile Top Elevation Deviation)： 澆築混凝土時，若控制不當，可能導致樁頂標高超出設計範圍。

二、正循環基樁 (Rotary Drilling Pile / Mud Circulation Pile)

• 施工程序：

  1. 設置泥漿套管 (Casing)： 在鑽孔起始點，先下放一段鋼製套管，以防止表層土體坍塌，並防止地下水直接流入。
  2. 鑽掘孔洞： 使用旋轉鑽機，透過鑽頭將土方切削或攪拌，並利用循環泥漿將鑽屑帶至地面。泥漿具有穩定孔壁、攜帶鑽屑、冷卻鑽頭等作用。
  3. 清孔： 鑽至設計深度後，利用循環泥漿系統將孔底沉積物沖洗乾淨。
  4. 下放鋼筋籠： 將預製好的鋼筋籠吊放入孔中。
  5. 澆築混凝土： 透過導管 (Tremie pipe) 將混凝土從孔底開始向上澆築。
  6. 拔出泥漿套管與養護： 混凝土澆築至一定高度後，開始緩慢拔出泥漿套管，同時繼續澆築混凝土。

• 可能的施工風險與缺陷：

  • 泥漿性能不良 (Poor Mud Properties)： 泥漿比重、黏度、膠體強度不足，無法有效穩定孔壁，導致塌孔。

本題以台北101大樓為案例，探討高層鋼結構施工中的關鍵技術，包括鋼構吊裝、高拉力螺栓接合，以及結構抗風設計。

一、工地現場鋼骨的吊裝作業 (Steel Frame Erection)

• 施工程序：

  1. 鋼構預製與運輸： 在工廠完成鋼構零件的製造、加工、防鏽處理，並編號後，運送至工地。
  2. 鋼構堆放與準備： 在工地場地，根據吊裝順序，將鋼構零件進行分類堆放，並進行焊道檢查、螺栓孔檢查等。
  3. 基準點確認與測量： 確保結構物的基點、軸線、標高等符合設計圖說。
  4. 吊裝設備佈設： 根據結構物高度、重量及場地條件，選擇合適的吊裝設備，如塔式起重機 (Tower Crane)、履帶式起重機 (Crawler Crane)、或大型汽車起重機 (Mobile Crane)。塔式起重機在高層建築中是主要吊裝設備。
  5. 構件吊裝：
     • 綁繩與掛鉤： 專業人員使用吊帶、吊鉤、鋼索等，根據構件的重心和吊裝方式，將構件安全地綁繫在吊機吊鉤上。
     • 起重機操作： 起重機操作員根據信號員的指揮，緩慢起升構件，並進行精確的水平與垂直移動。
     • 定位與對接： 將構件吊至預定位置，由地面人員或高空作業人員引導，進行構件的初步對接。
     • 臨時固定： 構件就位後，先以臨時螺栓或臨時焊道進行固定，確保其穩定性，等待正式連接。
  6. 正式連接： 待構件定位準確後，進行正式的螺栓連接或焊接。
  7. 逐層推進： 按照設計的施工順序，逐層、逐榀地完成鋼結構的吊裝與連接。

• 可能的品質缺陷：

  • 構件變形 (Member Deformation)： 運輸、堆放或吊裝過程中，因受力不均或碰撞，導致鋼構構件發生彎曲、扭轉等變形。
  • 焊道或螺栓孔位偏差 (Weld or Bolt Hole Misalignment)： 預製時的尺寸偏差，或吊裝就位時的定位誤差，導致焊道或螺栓孔無法精確對齊。
  • 焊道缺陷 (Weld Defects)： 如氣孔、夾渣、未熔合、咬肉等，影響焊道的強度與耐久性。
  • 螺栓連接鬆動或損壞 (Loose or Damaged Bolt Connection)： 螺栓未按規定扭矩鎖緊、螺紋損壞、墊圈遺失、或使用錯誤規格的螺栓。
  • 構件錯位 (Member Misplacement)： 構件吊裝就位後，與相鄰構件的相對位置偏差過大，影響整體結構的穩定性。
  • 防鏽處理不當 (Improper Anti-corrosion Treatment)： 表面處理不完全、塗料厚度不足、或塗層脫落，影響鋼結構的使用壽命。

二、工地現場高拉力螺栓之接合 (High-Strength Bolt Connection)

• 施工程序：
  1. 螺栓組件檢查： 檢查螺栓、螺帽、墊圈（通常需使用兩個墊圈，一個在螺帽下方，一個在螺栓頭下方）是否齊全、規格正確、無鏽蝕或損壞。高拉力螺栓通常使用扭力倍增器或預拉伸型螺栓 (Tension Control Bolts, TC Bolts)。
  2. 孔位對齊： 將待連接的鋼構構件的螺栓孔對齊。
  3. 插入螺栓： 將螺栓穿過對齊的孔洞。
  4. 安裝螺帽與墊圈： 依序裝上墊圈（若需要）與螺帽。
  5. 初步鎖緊： 使用扳手將螺帽鎖緊至構件接觸，但尚未達到預拉力。
  6. 施加預拉力：
     • 扭力控制法 (Turn-of-Nut Method)： 根據規範，先將螺帽鎖緊至構件接觸，然後再依螺栓長度，將螺帽旋轉特定角度（如 1/3 圈、1/2 圈等），以達到預拉力。
     • 扭力倍增器法 (Wrench Method)： 使用專用的扭力扳手，施加規定的扭矩值，以達到預拉力。
     • 預拉伸型螺栓 (TC Bolts)： 使用專用電動扳手，當螺栓頭下的凸緣達到預定扭矩時會斷裂，確保預拉力。
  7. 檢查與標記： 對已完成連接的螺栓，進行目視檢查或扭矩檢查，並在螺帽和螺栓頭上做記號，表示已完成鎖緊。