大理石和岩溶空洞上的地基設計和施工個案:

天水圍公共圖書館及室內體育中心

嚴建平 香港工程師學會土木分部、環境分部前主席

鄞俊旭、黃志棠、梁文傑 香港特別行政區政府建築署

摘要

此項目是在香港天水圍區興建一座綜合大樓，大樓內有公共圖書館、泳池、多用途室及體育館。建築署負責建築設計、岩土工程、結構工程、屋宇裝備工程、工料測量及施工監督等顧問服務。天水圍區地質非常複雜，有大理石和岩溶空洞，最大的岩溶空洞的直徑有 11m，而此項目上層的室內體育中心更要提供兩層大跨度空間，本文會詳細介紹此項目的規劃理念、地基和 7m深的地庫的設計和施工。 ABSTRACT: This paper will present a trail that demonstrates the process of the plan-ning, design and construction of the foundation and basement in a very difficult ground with cavernous karst in Tin Shui Wai, Hong Kong SAR with thorough considerations of technical issues and alternative solutions. In this project, an appraisal was car-ried out to determine the effect of geological constraints on the founda-tion design and to assess the suit-ability of different types of founda-tion systems for the project with a basement of 7m depth. 1. 序言

天水圍區位於香港西北角， 此項目(圖

1、圖 2和圖 3) 是在這個地區興建一座綜

合大樓，整座大樓分為兩大部分：公共圖

書館和室內體育中心，室內體育中心內有

大跨度空間的泳池、多用途室及體育館，

讓居民有一個優質的文化及康樂活動場

所。整個項目在2009年4月正式動工，其中

室內體育中心在2011年底完成並開放使

用，而公共圖書館則在2012年底正式投入

服務。在此項目工地東面有大理石和岩溶

空洞，最大的岩溶空洞的直徑有11m，而在

工地的東北角，岩溶空洞和大理石基岩更

分別位於地面55m及75m以下。本文詳細介

紹此專案的規劃理念、地基和地庫設計和

施工。

圖 1. 建築設計草圖

圖 2. 竣工後的建築物外觀

圖 3. 建築物的截面

2. 設計

2.1 天水圍區及工地地質情況

天水圍區本屬低窪沼澤地形，地質非常複

雜。天水圍區位於一個西北方向長形彎曲

的山谷地帶，山谷兩側高地由花崗岩和火

山岩構成，花崗岩旁邊的小山主要是以變

質沉積岩組成的 (Darigo 1989, Frost

1989)（圖 4）。一系列斷層以大約東北

60°方向經過該山谷地帶，又有從西北指向

東南的斷層貫插其中。該山谷地帶的基岩

上覆有淺層的沉積物，其中包括元朗組和

落馬洲組大理石、變質粉砂石、礫岩，以

及淺水灣火山岩群。天水圍區大部分基岩

為火山角礫岩，小部分基岩則為元朗組大

理石(圖 5.1）。元朗組大理石是由純白大

理石構成，純白大理石的化學成分以是純

碳酸鈣(圖 5.2），易溶於水，容易形成岩

溶空洞。此項目的工地恰恰位於這個小部

分的地方(圖 5.3）。

工地地面水平為主水準基準+7.9m 和+6.1m

之間。此項目工地地面下 10m 至 25m 為填

土和沖積土，沖積土下為變質的花崗岩

石。工地內有三條斷層線橫跨（圖 6），

花崗岩基岩面處於地面 20m 至 25m 以下，

地下水的水位位於主水準基準+2.0m。在工

地東面有大理石和岩溶空洞，最大的岩溶

空洞的直徑為 11m。在工地的東北角，岩

溶空洞和大理石基岩更分別處於地面 55m

及 75m 以下。在規劃過程中，項目為了避

免過度壓力引致岩溶空洞塌陷，巧妙地改

動建築物的位置避開東北角的極大型岩溶

空洞（圖 7），此規劃改動為項目節省了

不少的成本及減低了施工的難度，而這規

劃改動方法已曾在香港一些項目使用

(Fletcher et al 2004, Lee and Ng 2004,

Wightman and Lai 2006)。

圖 4. 天水圍區地質截面 (資料來源: Frost 1989)

圖 5.1. 天水圍區地質平面圖

(資料來源: GEO 2007)

圖 5.2.工地的岩石樣本

圖 5.3. 天水圍區 1:5000地質圖

圖 6. 工地的地質情況

圖 7. 工地地質的橫截面

2.2 跨孔地震勘察

為了掌握大理石基岩和岩溶空洞分佈的資

料，工程團隊利用 50個鑽孔及 9個豎管式

水壓計以進行地質勘測。並採用跨孔地震

勘察方法(cross-hole seismic tomogra-

phy)來探測岩溶空洞的三維空間分佈情

況。勘測人員在其中一個鑽孔中以 1m的點

距用震源逐點激發地震波，而在另一個鑽

孔中以相同的點距用感測器逐點接收地震

波信號（圖 8），並利用儀器將地震波形

信號記錄下來，因花崗岩基岩、大理石基

岩、岩溶空洞及上覆土層之間存有明顯的

彈性縱波波速差異(Wai 1991, Meigh 1991,

Morris et al 2005)，從而構成跨孔成像

（圖 9）。此方法減少鑽探孔工作量，同

時又能查清岩溶及溶蝕三維空間分佈情

況。

圖 8. 震源

圖 9. 二維斷層跨孔地震勘察圖像

2.3 地基設計

在有岩溶空洞的地方裡，建築工程經常以

淺基礎、摩擦樁基礎（例如 Pakt-in-

Place 鑽孔灌注樁）、撞擊式工字鋼樁、

大直徑鑽孔樁或嵌岩工字型鋼樁作為地

基。在這項工程中，因為淺層地質主要為

填土和沖積層，故淺基礎不被採用，以避

免建築物過度沉降。如果採用鑽孔灌注樁

組成的摩擦樁基礎，樁底將到達岩溶空洞

上數米的地方，可能引致岩溶空洞塌陷。

另外，如果採用撞擊式工字鋼樁，樁尖亦

會位於溶洞上的數米，可能造成岩溶空洞

塌陷。最後項目採用嵌岩工字型鋼樁和大

直徑鑽孔樁，並讓樁嵌入基岩，穿過岩溶

空洞。地基由 99 支嵌岩工字鋼樁和 51 支

大直徑鑽孔樁組成（圖 10），並邀請了香

港大學土木工程學院在 4 支大直徑鑽孔樁

和 3 支嵌岩工字鋼樁上安裝了振動應變計

（圖 11），以研究沿樁身和岩石插孔的應

力分佈，及大理石插孔與混凝土的摩擦承

力。

圖 10. 部份地基佈局圖

圖 11. 振動應變計

3. 施工

3.1 地基興建(圖 12.1和圖 12.2)

圖 12.1 地基興建時的工地

圖 12.1 興建大直徑鑽孔樁

岩溶空洞的存在令地基興建時有潛在的困

難。工程團隊通過不同的樁孔灌注施工方

法（圖 13.1和圖 13.2），移除地面沉降

或岩溶空洞塌陷的風險。

圖 13.1. 樁孔灌注施工方法一

圖 13.2. 樁孔灌注施工方法二

3.2 地庫興建

此項目亦興建一層 7m深的地庫停車場。在

興建的時候，須挖走總共 18,000m3 泥土，

並要施工期間抽低 3m的地下水，加上工地

附近有香港鐵路西鐵線、輕便鐵路和一所

學校，這些都讓這項工程的難度大大增

加。工程團隊在地庫的邊界打了大約 13m

深的鋼板樁，形成截水牆，以便抽低地下

水和施工，並在開挖期間，在鋼板樁上安

裝三行橫撐，配合斜撐，以支護基坑(圖

14)。在抽走地下水期間，岩溶空洞表面的

有效應力增加，這可能會導致岩溶空洞塌

陷，所以在開挖時，整個工地分為兩個分

區，每個分區的開挖分作兩個階段，補償

了溶洞因為抽低地下水而增加的應力。另

外，工程團隊在工地附近設置 15個沉降標

記點、5 個傾斜檢查點和 15 枝豎管式水壓

計，以監測施工過程對附近鐵路和學校結

構所造成的沉降、扭曲、移動，以及垂直

或水平壓力，並量度結構的振動粒子速度

的峰值。

圖 14. 地庫興建時的基坑

4. 總結

本項目總開支為六億港元，在 2011年底順

利完成。它為天水圍區的 27萬居民提供了

香港第二大的公共圖書館設施和該區唯一

的室內溫水游泳池。地基設計和施工、結

構設計與鮮明的建築理念和獨特的要求互

相配合。本項目亦因此獲得香港工程師學

會 2012年度結構優秀獎及香港建築師學會

2012年度建築大獎。

致謝

作者感謝香港特區政府建築署署長批准參

加這次會議, 並感謝建築署有關工作人員

在該專案的幫助。此外，作者亦感謝香港

大學李啟光教授和譚國煥教授的幫助。

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East Asia, Hong Kong, 26 August 2006,

pp. 109-40.

作者簡介

嚴建平，香港特別行政區太平紳士，倫敦

帝國學院土木工程碩士，香港工程師學會

土木分部、環境分部前主席，退休前為香

港特別行政區政府建築署高級土力工程

師。

鄞俊旭，香港大學土木工程碩士，現職香

港特別行政區政府建築署結構工程師。

黃志棠，香港大學土木工程碩士，退休前

為香港特別行政區政府建築署總結構工程

師。

梁文傑，香港理工大學土木工程碩士，現

職香港特別行政區政府建築署高級結構工

程師。