地盤改良 :海中拋石圍堰複合式止水加固注漿技術
撰稿 :尚新民 李明書 劉益宏 余逸隆 /駿馳工程股份有限公司
摘要：
地盤改良 :多孔隙海中拋石圍堰因為潮汐、海象、地層條件及海水鹽鹼度等影響，於進行濱海地質改良，建立圍堰止水隔幕同時達到穩固主體目的時，宜採用複合式注漿技術搭配多樣化注漿材料運用，以達到最佳止水加固效果。
某濱海大型工程採用海上拋石形成圍堰主體後，運用不析離水泥注漿技術(Visco Top Grouting)、耐鹽鹼長效速凝水泥注漿技術(FLW Grouting)、彈性改質熱瀝青注漿技術(Hot Bitumen Grouting)及長效矽酸鈉雙環塞注漿技術(Double Packer Grouting)等多項耐久性速凝漿材及注漿技術搭配，進行不同區塊複合式注漿，在4個月內完成圍堰區230m(長)×90m(寬)×12m(深)大面積地質改良作業。
經由注漿前後地電阻探測、現地透水試驗等檢測結果，確認複合式地質改良工作可以讓注入漿液於拋石圍堰及下方海床地層中均勻分布，維護圍堰穩定性並長期封堵海水入滲，達到拋石圍堰滲透係數k<1×10-5cm/sec的開挖擋水需求。
關鍵字：濱海地質改良、圍堰止水隔幕、複合式注漿技術、耐久性速凝漿材、熱瀝青注漿技術。
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1 前言
在海床地層進行止水注漿，常因為潮汐、海象、漂砂及海水鹽鹼性等影響造成注漿效果不佳甚至失效。一般海上圍堰多打設雙層卡榫式版樁、鋼管樁、排樁或鋼箱等作為臨時性擋水設施。如果因為工程需求，必須使用永久性拋石海堤作為止水圍堰，圍堰止水隔幕注漿設計、材料選擇及技術要求，將成為專業注漿加固執行單位極大的挑戰。
以往土石圍堰注漿材料多採用低水灰比的水泥皂土漿搭配水泥漿，分別對於圍堰主體及其下方地層進行止水加固注漿作業。這類方法雖然成本較低，但封堵效果並不理想，注漿後的圍堰對於重型車輛通行時產生的震動極為敏感，容易造成固結後的漿液產生裂隙滲水現象。
為克服上部現有車輛通行的濱海拋石海堤止水加固困難點，採用複合式注漿技術，以耐鹽鹼水泥系瞬凝漿材及不析離漿材填充拋石層孔隙，瀝青漿材作為不透水夾層，再以長效性化學漿材透降低拋石海堤下方地層透水性，可以得到極佳的海堤止水加固封堵效果。 本項技術運用在某濱海大型工程中的拋石圍堰，建立止水加固隔幕，得到非常成功的成效。相關設計、施工經驗，於本文中進行介紹，作為各界進行多孔隙濱海地層或構造物止水、加固注漿的參考。
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2 工程特性與分析
2.1 工程特性
本工程主要目的為在濱海地區建立一大型封閉式不透水圍堰，以利後續圍堰內抽乾海水進行結構物施工。需要執行注漿止水加固的區域為兩道既有由海岸延伸到海中的拋石海堤，以及為了工程需要另於兩端構築連接兩側海堤的新建堤防。其工程特性如下：
(1)執行注漿加固的涵蓋範圍約230m(長)×90m(寬) ×12m(深)。
(2)注漿加固範圍包含：海中拋石層、海床細砂夾粉土層、風化泥岩層及砂頁岩互層。
(3)因為海床高層關係，人工拋石高度由4m漸變到8m，其下方海床為厚度約4m的細砂夾粉土層，砂層下方為連續性泥岩及砂頁岩互層。
(4)每日潮汐海水潮差約2~3m，多孔隙拋石中海水屬於動態水，海浪具有衝擊力與拋石層孔隙侵透力。
(5)注漿完成後的止水隔幕滲透係數(k)要求不大於1×10-5cm/sec。
(6)根據地質調查報告顯示，海床下方存在泥岩及砂頁岩互層，標準灌入試驗SPT N值約90~100，岩石品質指標(RQD)佳，可作為止水隔幕底端止水層。
(7)地質改良注漿作業時間必須於4個月內完成。
(8)注漿完成後須達到全面止水效果或以臨時性水泵可以即時排除滲入水條件。 
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2.2 分析與設計
2.2.1 可行性分析
執行注漿作業位置為使用中的海堤，每天都有重型工程車輛來回通行。為避免影響交通，並利用現有迎海面消波塊及拋石降低海浪對於灌注漿材的沖蝕，分析設計時依照具代表性海堤斷面，搭配漲潮水位高程，於海堤內側設置止水隔幕。並採用3排注漿孔交錯配置方式，縮減注漿作業寬度於4m左右，以預留足夠空間讓其他工程車輛正常通行。
在此前提下建立止水隔幕模型，注漿範圍自海堤上部拋石層起到進入下方完整性泥岩0.5m為止，利用有限元素法進行分析。分析結果，注漿完成後滲入圍堰內部單位長度滲流水量約3.33×10-9m3/sec.m，評估每天滲入圍堰內水量小於0.2m3，符合採用臨時性抽水泵即時排除的要求。 
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2.2.2 注漿設計
為配合未來圍堰內工程長時間施工及其後續維護使用，注漿設計採用長效止水加固功能規劃。為此目標採用的複合式注漿設計，分別如下：
(1)耐鹽鹼長效速凝水泥注漿技術(FLW Grouting)。 針對水下拋石層進行孔隙填充及固結，灌注漿材採用波特蘭水泥搭配耐久性矽酸鈉質長效耐鹽鹼化學漿材進行調配，控制固化時間5~120秒，依照拋石層孔隙狀況進行調整。
(2)不析離水泥注漿技術(Visco Top Grouting)。 對於水上拋石層有海浪衝擊及潮汐影響區域進行孔隙填充及固結，灌注漿材採用波特蘭水泥搭配Visco不析離添加劑與反應劑進行調配，控制固化時間30分鐘以內，依照潮汐及海象條件進行調整。
(3)改質熱瀝青注漿技術(Hot Bitumen Grouting)。 水下拋石層FLW漿材間夾心，類似水壩壩心功能，在拋石海堤中建構一層極低透水性隔水層。同時運用熱瀝青漿材高溫融化時的強滲透力，填充FLW漿材及Visco漿材未完整滲入的孔隙中。灌注漿材採用#3改質熱瀝青材料，控制材料條件為80oC時黏滯度不小於14000cps。
(4)長效化學漿材雙環塞注漿技術(Double Packer Grouting)。 針對岩盤及海床進行止水注漿降低其滲透係數，使海水不會經由海堤下方砂層滲透進圍堰內部。灌注漿材採用#5矽酸質SSA長效型耐鹽鹼化學漿材，搭配速凝添加劑及填充用CB漿進行灌注，控制膠凝時間15~60秒，依照海床透水性及孔隙狀況進行調整。 
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3 執行過程
因為注漿操作位置僅能於海堤頂部空間，周邊海象惡劣而且工期僅有4個月，執行過程及前期規畫便成為本次注漿工作成敗的關鍵。基於各項特殊條件，本工程注漿作業規畫如下：
3.1 現場設備配置
為避免大型施工機具搬運及安裝佔用空間且耗費時間，現場配置採用鑽孔、拌合、管線、灌注獨立作業規畫如下：
(1)依照設計圖在現場對應位置進行鑽孔並預埋多重注漿管。
(2)於現場不影響車輛通行位置設置拌漿區，將所有材料及拌漿設備安置於該區域中。
(3)預先設置不同漿液輸送管，並在灌注孔附近預留出漿口及開關閥門。
(4)將各類不同漿材注漿泵、慢速均質攪拌機及自動化壓力及流量監測設備、安裝於不同車輛上。
(5)注漿作業時由拌漿區統一供料，各注漿車於孔位近端連接出漿口後，利用車輛上的注漿泵進行灌注工作，達到不同漿材機動灌注、移動迅速、可即時進行補充注漿的時、空優勢。 
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3.2 注漿孔位置規劃
因為拋石海堤孔隙大且分布不均勻，採用傳統注漿壓力、漿液流量、注漿量、灌注間距及提升速度進行分析，無法得到合理計算結果。現場注漿孔配置時，於規畫作業空間內，採用常用的緊急注漿間距1.5m進行梅花形交錯孔位配置，以方便跳孔灌注、使漿液分佈區域充分重疊及檢核漿液填充效果。
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3.3 注漿管安裝
傳統注漿技術除了雙環塞注漿技術及熱瀝青注漿技術採用注漿管預埋方式操作外，其他灌注工法多運用鑽機引孔後直接灌注的程序進行。本工程因為作業空間及時間受限的關係，捨棄傳統灌注方法，運用獨創的多重管預埋技術，採用金屬管及耐熱塑料管搭配方式，依照注漿種類及深度不同，於同一注漿孔位置進行多管、多深度預埋。使注漿工作進行時，可以不需要鑽機在場，達到鑽孔、注漿工作分離，不同漿液、不同深度可以依照設計迅速灌注、即時補灌的效益。
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3.4 注漿量及流量
由於拋石海堤孔隙極不均勻，加上堤面原先鋪設的回填土及海中沉積物可能填入孔隙等不確定因素，於注漿量估算時，採用二階段評估法搭配現場壓力及流量紀錄進行反饋分析計算。執行方式為先運用跳孔灌注方式，依據估計孔隙率換算的注漿量，在不超越拋石層被動土壓的條件下進行灌注作業。
當跳孔灌注完成後再灌注中間孔，並由中間孔反饋的壓力值調整流量，最後藉由流量及灌注量換算漿液涵蓋及重疊範圍，做為下一輪灌注的各項參數修正依據及補充灌注量參考。
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3.5 灌注技術
本工程採用的複合式止水加固注漿，涵蓋了不析離水泥漿、耐鹽鹼長效速凝水泥漿、彈性改質熱瀝青及長效矽酸鈉化學漿四種漿材，注漿範圍包括海浪及潮汐影響的拋石層、常時位於海平面以下的拋石層、海堤下方海床粉土質細砂層及風化岩層等。
其中不析離水泥漿、長效速凝水泥漿採用創新的不同深度預埋多重管逆級注漿技術進行灌注，熱瀝青則採用預埋金屬管熱油預熱式灌注法進行注漿，矽酸鈉化學漿採用半自動化雙環塞注漿技術，搭配自動化壓力及流量監測設備進行灌注。
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4 執行成效檢測
本次注漿作業為達到確實封堵海堤拋石層及降低其下方海床砂土層透水性，俾使圍堰內後續工程得以順利進行，對於灌注成果品質管控採用極為嚴謹的多重檢測方法，分別如下：
(1)前期地電阻探測。 為瞭解海堤拋石層及其下方海床孔隙特性，於灌注作業實施前，先以間隔1m設置1處電極的方式進行全區地電阻探測，劃分出重點灌漿區域並作為灌注時控制參數設定的參考。
(2)圍堰內、外側水位觀測。 在圍堰內、外側設置自動記錄水位觀測井，即時監測海平面水位及圍堰內側水位變化量，當圍堰內側水位高程維持穩定，不受外部漲退潮及波浪影響時，即視為海堤封堵達到初步效果。
(3)現地透水試驗。 在每一區段灌注完成後，依照委託單位指定位置及深度進行變水頭現地透水試驗，試驗要求標準為該處滲透係數不大於1×10-5cm/sec。若有未達要求區域必須於鄰近注漿孔或增設新注漿孔進行補充灌注。
(4)灌注後地電阻探測。 於進行現地透水試驗結果均達到滲透係數不大於1×10-5cm/sec後，進行全區地電阻探測並與前期探測結果進行比對，在發現異常區域無論是否通過透水試驗檢測，均進行原有注漿孔或增設注漿孔補灌注，直到地電阻探測結果完全符合設計要求為止。
(5)透地雷達探測。 於進行灌注後全區地電阻探測發現異常區域，採用透地雷達再次確認瑕疵規模、位置及深度，作為補充灌注材料、灌注壓力、流量及灌注量的參考。
(6)試坑開挖檢視。 於補充灌注作業全部完成後，進行圍堰內側指定位置試坑開挖檢視入滲水量。試坑開挖深度低於設計開挖高程1m以上，觀測時間不小於24小時。 經由上列檢測工作及補充灌注作業後，海堤止水加固工程已達到原設計圍堰封堵要求，經分階段開挖後發現，每天滲入圍堰內之水量小於0.5m3，可以採用圍堰內側導溝及抽水泵完全排除，符合後續結構物施工執行要求。 
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5 結論
利用拋石海堤做為止水圍堰的工程案例並不多見，採用創新的複合式注漿設計及執行方法，可以克服惡劣環境影響，達到多孔隙地層止水加固的長期效果。本次的執行經驗可以提供做為特殊多孔隙地層、具有鹽鹼特性地層及沿海構造物，止水加固設計施工參考，相關執行心得整理如下：
(1)採用複合式止水加固注漿技術搭配反饋式現場灌注參數管理，可以長期封堵多孔隙鹽鹼地層或構造物，達到近似不透水的效果。
(2)熱瀝青漿材凝結後的材料延展性與穩定性，在濱海圍堰注漿實踐中得到了長期止水效果的驗證。採用熱瀝青夾心的止水隔幕在重車往復輾壓、波浪衝擊等長期擾動下，均得以維持其完整性，證實了瀝青材料在無紫外線照射環境下可以依賴其穩定物性確保止水加固注漿的長效性。
(3)傳統的水泥皂土漿材及速凝水泥漿材，適用於靜水狀態圍堰混凝土或低強度回填材(CLSM)夾層止水使用。當用於孔隙較大且存在鹽鹼特性的濱海地層或構造物封堵，可能存在較大的不確定性及風險。
(4)複合式止水加固注漿技術的執行步驟需要審慎規畫，以先去除潮差或動態水影響，再逐步進行全面封堵，最後降低下方地層透水性的灌注程序，最能達到有效封堵多孔隙地層或構造物湧水的效果。
(5)多重檢測方法對於環境條件差、不確定因素高的止水加固注漿工程是極為必要的。完整的檢測工作除了確定灌注成果外，還能保障後續施工期間的安全性、降低工期延誤及避免施工費用意外增加。
(6)複合式止水加固注漿技術在多孔隙鹽鹼地層的成功運用，除了可以提供往後類似工程的參考外，亦能延伸性運用做為濱海工程止水加固、鹽鹼地層注漿、多孔隙地層或構造物止水、流動水地層或存在水壓力差地層灌注的參考。
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參考文獻
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