114 年 國立臺灣大學土木系碩士班營建管理組《土木建築施工》

本題主要探討地震對建築結構的影響，包含地震成因、震波傳遞、減震隔震工法、鋼筋施工不良的影響，以及 RC 構件在地震下的破壞模式。

(1) 地震之震源成因、震波傳遞至地表建築物之情形

• 震源成因：地震主要是由於地球內部的應力累積超過岩石的彈性極限，導致岩石破裂，儲存的能量以地震波的形式釋放出來。最常見的成因是板塊運動，如板塊碰撞、分離或錯動，造成斷層帶的錯動。

• 震波傳遞：地震波主要分為體波 (Body Waves) 和表面波 (Surface Waves)。

  • 體波：從震源直接向外傳播，速度較快。包括 P 波 (Primary wave, 縱波) 和 S 波 (Secondary wave, 橫波)。P 波速度最快，可穿過固體、液體和氣體；S 波速度次之，只能傳播於固體。
  • 表面波：沿地表傳播，速度較慢但能量較大，對建築物的危害也最大。包括 L 波 (Love wave, 橫波，水平方向振動) 和 R 波 (Rayleigh wave, 圓周運動，同時有垂直及水平方向振動)。
  • 傳遞至地表建築物：地震波從震源地底傳播至地表，當地震波遇到建築物時，會引起建築物的振動。尤其表面波對建築物的搖晃影響最為顯著，導致結構產生加速度，進而產生慣性力，此慣性力的大小與建築物的質量及加速度成正比。若此慣性力超過結構的承載能力，即可能導致結構損壞或倒塌。

  🖼️【此處有附圖，請對照原卷】（圖示應包含震源、斷層、P波、S波、L波、R波的傳播示意，以及震波抵達地表建築物引起振動的示意。）

(2) 隔震及制震工法

• 隔震 (Base Isolation)：

  • 原理：在建築物的基礎或低樓層，設置特殊的隔震裝置（如鉛心橡膠支承、滑動支承等），將建築主體與基礎隔開。這些裝置具有較大的水平變形能力，能吸收地震能量，並顯著延長結構的自振週期，使其遠離地震波的卓越週期，大幅減少傳遞至上部結構的地震力。
  • 圖示：應畫出建築物底部（基礎與上部結構之間）設置隔震層的示意圖，顯示地震來臨時，隔震層變形，而上部結構保持相對穩定。

• 制震 (Damping / Seismic Energy Dissipation)：

  • 原理：在建築結構中額外設置消能裝置（如阻尼器、斜撐、金屬屈服構件等），這些裝置會在地震作用下產生變形或損壞，藉由材料的阻尼或塑性變形來吸收地震能量，將其轉化為熱能耗散掉。這能有效降低結構的振動反應，減少變形，提高結構的韌性與抗震能力。
  • 圖示：應畫出建築物內部或構件之間（如樓層之間、梁柱節點處）設置阻尼器（如黏滯型、摩擦型、金屬屈服型）的示意圖，顯示其吸收震動能量的機制。

(3) 地震造成建築物倒塌及損害，因鋼筋施工不當所造成的五例

鋼筋施工不當會嚴重影響 RC 結構的強度、韌性及延性，進而降低其抗震能力。以下列舉五例：

1. 鋼筋保護層過薄或保護層內有雜物：
   • 說明：若鋼筋保護層過薄（小於規範要求），混凝土容易因保護層剝落而外露，鋼筋直接暴露於空氣中，易生鏽蝕。鏽蝕膨脹會撐開混凝土，導致保護層進一步剝落，鋼筋喪失有效保護，降低構件的承載力與延性。若保護層內有雜物（如模板、泥塊），則混凝土無法有效包裹鋼筋，形成虛工，降低構件整體強度。
   • 影響：降低構件抗彎、抗剪強度，尤其在地震時，鋼筋易被拉拔或挫屈，混凝土易於粉碎。

本題考驗對混凝土結構修補工法的理解，特別是針對牆、樓版、樑等構件不同位置破損的修補方式，需以簡圖輔助說明。

(1) 牆側面破損的修補方法

• 適用情況：牆側面因碰撞、模板變形、或混凝土澆置不良等原因造成的局部破損，如蜂窩、孔洞、或混凝土剝落。

• 修補工法（例如：聚合物砂漿修補法）：

  1. 清理破損區域：清除破損處鬆動的混凝土、雜物、灰塵，並將邊緣修整平整，露出健康的混凝土。若有鋼筋外露且鏽蝕，需先處理鏽蝕（如除鏽、塗防鏽塗料）。
  2. 表面處理：在修補區域邊緣處，可沿破損邊緣鑽設淺溝槽，以增加修補材料與原混凝土的結合面積及強度。
  3. 塗抹界面劑：在清理後的混凝土表面塗抹一層環氧樹脂或聚合物水泥砂漿界面劑，以增強新舊混凝土的結合力。
  4. 修補材料填補：使用預拌的聚合物砂漿（或環氧樹脂砂漿），依廠商建議比例混合後，用抹刀、刮刀或噴塗方式，將材料分層填補至破損處。對於較深的孔洞，需分層填補，每層厚度不宜過大，以避免沉降或開裂。
  5. 表面修整：待材料初凝後，進行表面修整，使其與周圍混凝土表面平齊。
  6. 養護：依材料特性進行適當的養護，保持濕潤或覆蓋，以確保材料充分硬化。

  🖼️【此處有附圖，請對照原卷】（簡圖應顯示牆側面破損，清理、塗抹界面劑、分層填補修補材料，以及修補完成後的平整表面。）

(2) 樓版底面破損的修補方法

• 適用情況：樓版底面因模板支撐不足、混凝土澆置不良、或外力撞擊等造成的破損，如蜂窩、孔洞、混凝土剝落。
• 修補工法（例如：結構補強灌漿法或聚合物砂漿修補法）：
  1. 清理破損區域：同上，清除鬆動物、雜物，修整邊緣。若破損嚴重，可能需暫時加固樓版。
  2. 鋼筋處理：若破損已影響鋼筋，需清除鏽蝕，必要時進行鋼筋修補或更換。

本題探討地下開挖工程中，安全監測系統的規劃理念、重要考量環節與設計流程。安全監測系統是確保開挖工程安全、防止周邊環境損壞的關鍵。

安全監測系統規劃時應考量之重要環節：

1. 工程特性與風險評估：

   • 開挖深度與範圍：開挖越深、範圍越大，潛在風險越高。
   • 擋土結構形式與穩定性：不同擋土工法（如連續壁、基樁、擋土牆等）有不同的穩定性考量，需評估其潛在變形或破壞模式。
   • 地質條件：土壤性質（黏土、砂土、岩石）、地下水位、地層軟弱帶等，是影響穩定性的重要因素。
   • 周邊環境敏感性：周邊有無重要建築物、古蹟、管線、道路、斜坡等，需特別關注其變形容許值。
   • 施工方法與時程：施工步驟、順序、速度，以及對周圍環境的影響。
   • 潛在災害類型：滑坡、邊坡崩塌、擋土結構潰決、地下水湧入、周邊建築物沉陷或傾斜、管線破壞等。

2. 監測目標設定 (Monitoring Objectives)：

   • 確保開挖區安全：監測擋土結構的穩定性、變形量，防止崩塌。
   • 保護周邊環境：監測周邊地表沉陷、建築物沉陷與傾斜、地下水位變化、地下管線變形等。
   • 驗證設計：確認擋土結構的行為符合設計預期。
   • 提供預警：在異常情況發生前，及時發出警報，以便採取應變措施。

3. 監測項目與儀器選擇：

   • 擋土結構監測：
     • 位移監測：測量擋土牆體水平位移、垂直位移（如傾斜計、地表下沉點、GPS）。
     • 應力/壓力監測：測量擋土結構上的土壓力、水壓力（如壓力計、測壓儀）。
     • 變形監測：測量構件內部應變（如應變計）。
   • 周邊環境監測：
     • 地表沉陷監測：測量地表高程變化（如水準儀、自動測量儀）。
     • 建築物監測：測量建築物沉陷、傾斜、裂縫發展（如水準儀、傾斜儀、裂縫規）。
     • 地下水位監測：測量地下水位的升降（如水位計）。
     • 地下管線監測：測量管線的位移、變形（如位移計、應變計）。
   • 儀器選擇原則：準確性、可靠性、可讀性、安裝便利性、維護性、成本效益。

本題主要探討地下開挖工法，包含三種基本開挖類型及其優缺點，以及地下室開挖時常用的兩種擋土加固工法：水平撐樑與地錨背拉。

(1) Open Excavation, Island Excavation, Trench Excavation

這三種工法主要描述開挖區域與周圍環境的關係，以及是否需要額外的擋土措施。

• Open Excavation (開放式開挖)

  • 定義：指開挖區域周圍的土方坡度可以自然維持穩定，或僅需進行非常簡單的坡面處理（如覆蓋帆布），而不需要設置複雜的擋土結構。通常適用於開挖深度較淺，且土壤具有良好穩定性的情況。
  • 圖示：開挖範圍的坡面與地面形成一個較大的角度，坡頂與坡腳之間的水平距離較長，坡面可能平緩或有簡單的植被覆蓋。
  • 優點：
    • 施工簡單，成本最低。
    • 無需額外擋土結構，節省材料和工期。
    • 便於大型機械進出和作業。
  • 缺點：
    • 適用範圍有限，僅適用於淺開挖且土質穩定者。
    • 佔用較大的場地面積。
    • 若坡度不當或土壤不穩定，有滑坡風險。

• Island Excavation (島式開挖)

  • 定義：指開挖區域被周圍的較高地面或已建結構所包圍，形成一個「島嶼」狀的開挖坑。開挖坑的邊坡通常需要設置擋土結構，但這些擋土結構僅需承受內側的土壓力，而不需要與周邊結構連結。
  • 圖示：開挖區域周圍是較高的地面或建築物，開挖坑的四周設置了擋土牆（如連續壁、基樁牆），開挖坑的內部相對獨立。
  • 優點：
    • 擋土結構的設計與施工相對簡單，因為只需考慮單側土壓力。
    • 可以有效控制開挖範圍，減少對周邊區域的影響。
    • 適合在市區或已有建築物周圍進行較深開挖。
  • 缺點：
    • 需要設置擋土結構，成本較高。
    • 擋土結構的穩定性仍需仔細評估。
    • 開挖坑內的施工空間可能受限。

• Trench Excavation (溝槽式開挖)

  • 定義：指開挖的區域呈現長條狀的溝槽，通常用於鋪設管線（如排水管、電纜管）或建造地下連續壁、樁牆等線狀結構。溝槽的兩側有較高的土壁，通常需要設置臨時或永久的擋土結構以防止邊坡滑動。
  • 圖示：開挖形成一個狹長、較深的溝槽，兩側有垂直或近乎垂直的土壁，通常有支撐系統（如橫撐、鋼板樁）來穩定溝槽。
  • 優點：
    • 適用於管線鋪設或連續性地下結構的施工。
    • 開挖範圍集中，對周邊影響相對較小。
    • 可配合不同的擋土工法，適用於多種地質條件。
  • 缺點：
    • 深度較大時，溝槽邊坡穩定性是主要挑戰，需要可靠的擋土支撐。
    • 施工空間狹窄，不利於大型機械操作和人員進出。
    • 若支撐系統失效，容易發生瞬間崩塌，危險性高。

  🖼️【此處有附圖，請對照原卷】（應包含上述三種工法的示意圖。）

(2) 地下室開挖水平撐樑工法與地錨背拉工法

這兩種工法都是用於穩定地下開挖的擋土結構，常見於深開挖工程。

• 水平撐樑工法 (Bracing / Strutting System)
  • 定義：在開挖過程中，於擋土結構（如連續壁、鋼板樁）之間設置水平的撐樑（通常為鋼樑或鋼管），將開挖邊坡的土壓力傳遞給對側的擋土結構，從而抵抗土壓並限制擋土結構的變形。隨著開挖深度的增加，分層設置多層水平撐樑。
  • 施工程序：
    1. 設置擋土結構：首先完成擋土牆（如連續壁、基樁牆）。
    2. 分層開挖：開挖至第一層撐樑的設置高度。