擋土支撐之力學行為及側向變位量與管理值之關係 講師：簡茂洲

一．擋土支撐力學行為的基本原理

深開挖工程係將一部份的地下土體挖除，以新建新的大樓；如圖 1 所示，當地下土體

被挖除後破壞了地層中原本平衡之狀態，便開始使擋土設施(包括擋土壁及支撐系統)開始

承受側向壓力，同時擋土壁產生了側向變位，側向壓力及側向變位的大小直接影響深開挖

工程的安全，這是本課程所討論的重點。基本上擋土設施所承受的側向壓力包括土壓力、

水壓力及施工機械材料等之載重等，本文將分別予以討論。

擋土壁

靜止土壓力(Po)

Po

擋土壁

Wp

主動破壞面被動破壞面

Wa

Pp Pa

被動土壓力(Pp) 主動土壓力(Pa)

支撐

擋土壁位移及變形

Po PoPo

Pp

PaPo

(a) (b)

圖 1 擋土支撐力學行為之發展關係

１．土壓力

擋土支撐的力學行為理論上可分為以下三個步驟說明：

(1)土層尚未開挖時，為靜止狀態，擋土壁所承受的土壓力稱為「靜止土壓力(Earth pressure

at rest state)」，如圖 1(a)所示，擋土壁兩側之土壓力相等，呈平衡之狀態。

(2)當開挖後，平衡之狀態遭到破壞，被挖開的一邊壓力解除，擋土壁體兩邊受力不相等而

開始發生側向變位，另外一邊則因擋土壁的移動，而使原來直立的土壁發生些微的滑

動，滑動的斜面稱為「主動破壞面」，如圖 1(b)之右邊，滑動的土楔扣除滑動面上的摩

擦阻力後，再推擠擋土壁所造成的壓力稱為「主動土壓力(Active earth pressure)」，原來

作用於擋土壁的靜止土壓力因平衡狀態破壞後而消失，通常主動土壓力的大小會小於原

來的靜止土壓力。

(3)當開挖到一個程度後，擋土壁體的側移越來越大，對開挖面以下的土層造成一個相當大

的推擠壓力，擋土壁像一把巨大的「鏟子」，擋土壁外面的主動土壓力像推動鏟子的動

力，要將開挖區內的土層用力鏟除，稱為「破壞力」，開挖區內土層的「抵抗力」來自

1

於即將被「鏟除」土塊的重量以及鏟除面的土壤凝聚力(摩擦力或剪力強度)，如圖 1(b)

之左邊；當抵抗力大於破壞力時，開挖土層可維持一個新的安全平衡狀態；當抵抗力等

於破壞力時，將呈現一個「臨界平衡」狀態，安全因素(Safety factor)等於 1.0，開挖土層

即將發生破壞；當抵抗力小於破壞力時，則必發生巨大的「鏟除」狀破壞，造成工地倒

塌及災變。所謂鏟除狀破壞的斜面稱為「被動破壞面」，而沿著被動破壞面的抵抗力稱

為「被動土壓力(Passive earth pressure)」。

通常擋土壁體只要很小的側移便可產生「主動土壓力」，一般而言，只要側移量達到開

挖深度的 1/1000 至 2/1000 左右的程度即可產生主動土壓力；而需要較大的側移量才可完

全激發「被動土壓力」，一般約需主動土壓力側移量的 2 至 3 倍；圖 2 為主、被動土壓力與

擋土壁側移的關係圖。

δ δ

(小) (相對大) 被動土壓力

靜止土壓力

主動土壓力

0

內擠量側移量

側向

壓力

一般的土壓力係數

非凝聚性土壤

凝聚性土壤

Kp

Ko

Ka

3-14 1-2

0.4-0.80.4-0.6

0.33-0.22 1-0.5

圖 2 主、被動土壓力與擋土壁側移的關係圖

1.1 非凝聚性土壤之土壓力

非凝聚性土壤，通稱為砂性土層，屬於透水性良好之土壤，計算土壓力時需以扣除地

下水浮力的有效應力計算土壓力，稱為有效土壓力，計算公式如下：

有效靜止土壓力 ohoto khp ' （1.1）

有效主動土壓力 awahta kckh cp 2' （1.2） 有效被動土壓力 pwphtp kcckhp 2' （1.3）

其中 為靜止土壓力係數，ok sin1ok

h 為計算土壓力之深度

ho 為靜止狀態時， 深度之水壓力 h

h 為計算主、被動土壓力時， 深度之水壓力 h

2

t 為土壤統體單位重

c為土壤有效凝聚力

wc 為土壤-牆面黏滯力

ak 、 分別為 Coulomb 氏主動土壓力及被動土壓力係數， pk

2

2

cos/sinsin1cos

cos

ak （1.4）

2

2

cos/sinsin1cos

cos

pk （1.5）

為土壤有效抗剪角

δ為牆面摩擦角

非凝聚性土壤的地質條件越好，土壤的有效抗剪角 及凝聚力 c 越大，則形成主動土

壓力越小，而被動土壓力越大，開挖基礎土層的安全性越高；反之，地質條件越差，土壤

的有效抗剪角

及凝聚力 越小，形成主動土壓力越大，而被動土壓力越小，開挖基礎土

層的危險性則越高。

c

1.2 凝聚性土壤之土壓力

凝聚性土壤，通稱為黏土性質土層，粉土層也屬於凝聚性土壤，是透水性不良好之土

壤，計算土壓力時需以包含水壓力之總應力計算土壓力，稱為總土壓力，計算公式如下：

靜止土壓力 hoohoto khp （1.6）

主動土壓力 uwta Scp h 2 （1.7） 被動土壓力 uwtp Scp h 2 （1.8）

其中 為靜止土壓力係數，ok sin1ok

h為計算土壓力之深度

t 為土壤統體單位重

為土壤有效抗剪角

ho 為靜止狀態時， 深度之水壓力 h

uS 為土壤的不排水剪力強度

凝聚性土壤的地質條件越好，土壤的不排水剪力強度 越大，則主動土壓力越小，而

被動土壓力越大，開挖基礎土層的安全性越高；反之，地質條件越差，土壤的不排水剪力

強度 越小，主動土壓力越大，而被動土壓力越小，開挖基礎土層的危險性則越高。

uS

uS

3

２．地下水壓力

非凝聚性土層(砂土層)進行深開挖，往往因土層複雜，以及開挖抽水、地下水滲流之

關係，使地下水壓力之分佈形成錯綜複雜之形態，如圖 3 所示，難以理解及計算；依據以

往許多工程之經驗，歷經許多先進歸納分析，在深開挖工程上應用，大致可簡化成圖 4 之

形態，適用於國內多數之一般性土層。地下水壓力之分佈與地下水位有密切的關係，在設

計階段有賴於詳實的基地地質調查，在開挖之施工階段則有賴於施工安全監測方能確知。

但由於地下水確實難以理解及掌控，往往造成許多工程上的困擾、難題及災害。

圖 3 非均質砂土層開挖抽水之地下水滲流及水壓力分佈(摘自王劍虹，1991)

4

止水性擋土壁砂層

砂層

滲流水壓

靜定水壓

靜定水壓

滲流水壓

a b c4545

抽水

水壓力 ab=bc

(a)砂層中開挖抽水

45

砂層

(b)擋土壁體貫入低透水性土層中

45

止水性擋土壁

砂層

抽水

黏土層

45

砂層

(第一層水位)

抽水

45砂層 實際水壓力

(第二層水位)

實際水壓力

黏土層(γ)t

U

H

(c)有受壓水層之狀況

水壓力 ab=bc

U≦ 1.2

γHt

a b c

圖 4 分析常用之簡化地下水壓力分佈圖

３．地面超加載重

地面超加載重是指擋土壁體除了承受土壓力、水壓力外，還承受地面上因鄰房、交通、

施工機具或堆放建築材料所傳至擋土壁的側壓力。在軟弱土層的工地旁邊，如果有許多的

施工機具及堆放過多的材料，會使擋土壁的側壓力突然大增，而降低擋土支撐的穩定性，

甚至影響安全或造成危險之狀態；設計時須事先考慮到可能發生的地面超加載重，施工時

更務須控制施工的機具及材料堆放不可超過設計的容許值。地面超加載重的估計如下：

5

(1)車輛及施工機具：

一般性交通車輛估計 1.0tons/m2。

施工機具估計 2.0tons/m2。

(2)施工材料堆置：

按實際預定堆置量估計，施工時之堆置量不宜超過設計預估量之 80%。

(3)鄰房：

每層樓(含地下室)以 1.0 至 1.2tons/m2 估計，筏基以 1.5 至 2.0tons/m2估計，但可扣除地

下室取代之相等體積土重。

地面載重所形成的側向超加載重概略等於地面載重乘以側壓力係數，設計上通常採用靜止

土壓力係數( sin1ok )做為地面超加載重之側壓力係數，各種情況之地面載重所形成的

側向超加載重之計算方式詳如圖 5。

qv(t/m )2

(t/m )hq2 =q Kov

=(t/m )qh2

vq (t/m )2

L d

h

60

30

hq

vq LKoh

60

q K=h(t/m )q

2

qh

hv o

h

30(t/m )vq

2

d

45(tons)qv

d

45L=

2d

擋土壁體

平 面 圖

q Khq

h(t/m )q2 =

h60

30

d

Lhv o

(tons)qv

2(t/m )

斷 面 圖

B1

建築物

v1q2(t/m )

qv2(t/m )2

B2

45

v2q = qv1×B1B2

hq

q K(t/m )hq2 = v2 o

A.均佈載重

B.帶狀載重

C.線形載重

E.鄰近建物

D.集中載重

超 載 型 式 超 載 型 式

圖 5 各種情況之地面超加載重計算公式(改繪自徐振煌，深開挖工程設計)

6

４．視土壓力

開挖擋土支撐所承受之總側壓力係綜合前述之土壓力、水壓力及超加載重等，擋土壁

體通常在開挖前已施工完成，而支撐系統通常在開挖後逐層架設支撐，但擋土設施所受之

側向壓力同時受牆背之土層特性、開挖順序、支撐架設時程及預力大小等諸因素之影響，

使牆背之側向土壓力呈現不規則分佈，與單純由土壓力、水壓力及超加載重的加總絕然不

同，再經擋土支撐之結構作用，最後反應至支撐上的反作用力也有多種變化。

支撐上的反作用力可藉由支撐荷重計觀測而得，Peck、Terzaghi、Tschebotariff 等先進

根據歐、美、日等地開挖地下鐵隧道之內撐式支撐力量量測結果，反推牆背土壓力，歸納

最大側壓力包絡線，定義為視土壓力分佈圖(Apparent earth pressure diagram)，如圖 6 所示；

後人將此歸納結果應用於深開挖工程，做為初步估計開挖工程所需要之基本支撐量，如支

撐層數、支撐斷面及支撐間距等，再將此基本支撐量帶入擋土支撐之設計分析程式進行細

部設計及調整；開挖工程施工時亦可運用視土壓力初步評估開挖支撐系統的安全性。

H

0.65K γHa

(a)砂土層

γH-4Su

(b)軟弱至中等堅硬粘土層

0.75H

0.25H

H

0.2γH～0.4γH

(c)堅硬粘土層

H0.5H

0.25H

0.25H

圖 6 視土壓力分佈圖(Peck, 1969)

二．深開挖工程之土壤行為

土壤之行為往往是深開挖工程問題的根源。土壤為水與土粒的混合物，介於固態與液

態間的半流動性物質，嚴格說，其性質難以捉摸，其行為多變而難以掌控，而我們的居住

需求又偏偏要與它對抗。當我們要興建高樓大廈，開始進行深開挖，破壞原本土層的平衡

狀態後，便開始招惹土層發生令人麻煩的行為，基礎地盤開始發生內擠、隆起、側移、滑

動、下陷等現象，如果安全控制不當，可能引起工程的危險，損壞鄰房道路，嚴重者甚至

全面失敗，圖 7 為開挖工程可能引起之問題示意圖；歸納而言，可能發生問題的土壤行為

包括如下：

7

房屋傾斜又有裂縫

糟糕了水噴出來了！

門、窗沒辦法關起來了

原來的水位

工程施工後的水位

水道管

水平支撐變形

開挖面隆起

擋土壁體變形

(原地面)

地面下陷

咻

水平支撐變形

傾斜量

抽水泵

中間柱隆起

圖 7 開挖工程可能引起之問題

2.1 擋土壁體之變形

擋土壁體之變形係由於開挖後擋土壁前、後側壓力不平衡及支撐架設之時程及勁度所

造成，擋土壁變形之變化模式如圖 8 所示。事實上擋土壁體之變形與下列因素有直接之關

連，而變形量之大小與施工安全攸攸相關，慎選適當的擋土支撐措施實為控制深開挖工程

安全之重要觀念：

擋土壁設置 第一次開挖 第一層支撐設置

第二次開挖 第二層支撐設置 後開挖

圖 8 伴隨開挖所產生的擋土壁與地盤的變形

8

(1)地質條件：土質條件越差，擋土壁體之變形越大，風險越高。

(2)開挖深度：開挖深度越深，擋土壁體之變形越大，風險越高。

(3)開挖範圍：開挖範圍越大，擋土壁體之變形越大，風險越高。

(4)擋土壁體剛度：擋土壁體之剛度越大，擋土壁體之變形越小，風險越小。

(5)支撐型式：支撐密度越高，擋土壁體之變形越小，風險越小。

支撐勁度越高，擋土壁體之變形越小，風險越小。

支撐施加預壓力，可減少擋土壁體之變形。

(6)開挖未設置支撐之露空時間：

露空時間越長，因基礎土層為塑性體，所以擋土壁體之位移及土層內擠將與日俱增，風

險不斷擴大，所以開挖後支撐設置於最短時間內完成，實為最重要之任務。

2.2 開挖面以下擋土壁體之內擠

如果由於開挖地盤強度的誤判而導致設計的擋土壁貫入深度不足，開挖到某一深度

時，被動土壓力太小而無法抵擋主動土壓力的推擠力時，擋土壁底端將發生大的內擠側移，

而且內擠量不斷的擴大，呈現不穩定的狀態，極度危險，即將倒塌破壞，如圖 9 所示；內

政部營建署民國 90 年 10 月 1 日施行之「建築物基礎構造設計規範」第八章規定擋土壁應

有足夠的貫入深度，使預防擋土壁底端內擠的安全因素達 1.5 以上，原文之摘錄如圖 10。

(a)初開挖時

變形 逆向變形

底部的移動軟弱地盤

大的地表沉陷

頂部上浮支撐上浮

突肚變形

大的逆向變形

(b)擋土壁貫入深度尚可時 (c)擋土壁貫入深度不足時

貫入深度不足

圖 9 擋土壁體貫入深度不足所發生之危險狀態

9

圖 10 原文摘錄「建築物基礎構造設計規範」之擋土壁貫入深度檢核公式

2.3 開挖面以下土層之隆起

在軟弱黏土層地盤進行開挖時，如果擋土壁貫入深度不足，除可能發生擋土壁底端內

擠現象，同時也可能因開挖底部土壤的抗剪強度不足，無法抵抗開挖面外的土壤載重所造

成的圓弧滑動，而導致開挖底部土壤產生向上拱起之現象，加速基礎土層的不穩定破壞，

如圖 11 所示，使風險加倍提高。內政部營建署「建築物基礎構造設計規範」第八章規定擋

土壁需貫入強度足夠土層，使預防土層隆起的安全因素達 1.2 以上，原文之摘錄如圖 12。

圖 11 開挖底面土層隆起所發生之危險狀態

10

圖 12 原文摘錄「建築物基礎構造設計規範」之開挖底面土層隆起檢核公式

2.4 砂質土層之砂湧

如果擋土壁下方為透水性佳的砂質土壤，且擋土壁未貫入不透水層，由於開挖抽水使

開挖區內、外有水頭差而導致地下水滲流，開挖區內的水壓力因累加滲流壓力而提高，當

上湧滲流的水壓力大於開挖底部土壤之有效土重時，開挖底部的砂土變成浮流之現象，而

隨地下水之滲流向上湧舉而起，稱為砂湧；這種現象發生時，開挖底部土壤的有效應力喪

失，被動土壓力因而大為降低，最後造成破壞，如圖 13 所示。內政部營建署「建築物基礎

構造設計規範」第八章規定擋土壁需有足夠的貫入深度，使地下水滲流壓力洩降至預防土

層砂湧的安全因素依不同理論計算達 1.5 及 2.0 以上，原文之摘錄如圖 14。

11

圖 13 開挖底面土層砂湧所發生之危險狀態

圖 14 原文摘錄「建築物基礎構造設計規範」之開挖底面土層砂湧檢核公式

12

2.5 受壓水層之上舉

開挖底面下方的土層中，如果有一不透水層，且此不透水層下方的砂土層的壓力水頭

高於開挖面時，不透水層下方的砂土層變形成一受壓水層，其水壓力具有將土層舉起之驅

動力；在開挖過程中，受壓水層上方的土重不斷的降低，至無法抵擋受壓水層上舉力時，

地下水將沿著擋土壁界面、基樁表面、支撐中間柱或土層弱面，隨時隨機發生湧水現象，

開挖底面也發生上拱現象，險象環生，如圖 15 所示。內政部營建署「建築物基礎構造設計

規範」第八章規定，開挖土層如有受壓水層時，在開挖過程中須予以適當之解壓抽水，使

預防發生受壓水層上舉破壞的安全因素達 1.2 以上，原文之摘錄如圖 16。

圖 15 受壓水層上舉所發生之危險狀態

圖 16 原文摘錄「建築物基礎構造設計規範」之受壓水層上舉檢核公式

13

2.6 開挖工程引起之地盤沉陷

不正常的施工可能造成開挖工程本身的危險及可能危及工地四周的道路及鄰房；但是

正常的施工也可能影響工地四周道路及鄰房的安全，而且似乎難以避免；因為開挖工程將

造成工地四周的地盤沉陷，而且影響範圍甚廣。深開挖工程在台灣發展數十年，開挖越深，

地盤沉陷的影響越大，幾乎已造成所有開挖工程難以解決的困擾及損失，基本上施工前最

重要的「預備方案」為對工地四周可能遭受影響的鄰房實施「施工前鄰房現況鑑定」，然後

再編列修復及賠償鄰房的預算，還要投保營造意外險；之後再研判評估以何種施工技術可

以縮減鄰房損壞之程度，其成本如何，衡量利害得失再做定奪，幾乎完全處於被動形勢。

開挖工程引起地盤沉陷的原因不外乎(1)工地抽水(2)擋土壁側移及變形，此二原因皆無法避

免，只是發生程度的大小而已，分別說明如下：

2.6.1 工地抽水、袪水引起之地盤沉陷

1.透水性土層

透水性土層，如砂土層或礫石層，地下水位高時需要將水位抽降至預計之開挖面以下才

可進行開挖工程，如果有「砂湧」或「受壓水層上舉」之危險存在，更需要抽水，否則

將引起更大的危機；開挖工程採用的擋土壁又分為(1)透水性(如兵樁、排樁)及(2)止水性

(如連續壁、鋼板樁)，影響的程度不同，如圖 17。

(1)使用透水性擋土壁

開挖區內抽水「直接」影響開挖區外的地下水位跟隨下降，抽水效應為許多「單井」

抽水之水位洩降之疊加，對外水位洩降之影響最大，如圖 17(a)。

(2)使用止水性擋土壁

開挖區如同一四周封閉的大抽水井，開挖區內抽水屬於群井式降水，對開挖區外的

地下水位發生「間接」的影響，擋土壁外緣的地下水位約略等於內、外水頭差的一

半高度，對外水位洩降之影響較小，如圖 17(b)；如果止水性擋土壁能貫入不透水層，

如圖 17(c)，更能阻斷開挖區內抽水對基地外地下水位的影響。

問題 1：開挖抽水的影響範圍有多遠？

究竟開挖抽水的影響範圍有多廣，基本上與土壤的透水性、粒徑及工地的抽水量、

抽水時間有直接之關係，但由於土層中土壤的非均質性錯綜複雜，難以準確評估計算，

根據許多先進的經驗公式，較具代表性者如下：

14

抽水井 (多) H

水位下降線

基地內抽水後水位

透水性擋土壁

R

(a)透水性擋土壁之開挖抽水

(b)止水性擋土壁之開挖抽水(未貫入不透水層)

止水性擋土壁

抽水井 (多)

基地內抽水後水位

原水位

H

R

H2

原水位

地下水滲流

不透水層

止水性擋土壁

原水位

抽水井(少)

基地內抽水後水位

水位些微下降

(c)止水性擋土壁之開挖抽水(貫入不透水層) 圖 17 透水性擋土壁與止水性擋土壁開挖抽水影響之差別

(1) Sichardt 公式： ksR 3000 (m) (2.1)

(2) Weber 實驗式： ntkHCR (m) (2.2)

(3) Kozeny 公式：

Qkn

tR

12 (m) (2.3)

以上公式 為抽水影響半徑。 R

s 為井內最大水位降低量(m)。

k 為土層滲透係數(m/sec)。

H 為井內、外最大水頭差(m)。

t 為抽水時間(sec)。

15

C 為隨時間而改變之係數，通常 10C 。

n為土壤有效孔隙率。

Q 為抽水量(m3/sec)。

較具代表性之經驗值如表 2。

表 1 土壤種類與抽水影響半徑 (改寫自林耀煌，1987，高層建築基礎開挖施工法與設計實例)

土 壤 種 類 滲透係數 抽水影響半徑 區 分 粒 徑 (mm) k (m/sec) R (m) 粗 礫 ＞10 ＞10-2 ＞1500 礫 2～10 10-2 500～1500

粗 砂 1～2 10-3～10-2 400～500 粗 砂 0.5～1.0 10-3～10-2 200～400 中 砂 0.25～0.50 10-4～10-3 100～200 中 砂 0.10～0.25 10-5～10-4 50～100 細 砂 0.05～0.10 10-6～10-5 10～50

粉土質細砂 0.025～0.05 10-7～10-6 5～10 粉土 10-8～10-7 1～5 黏土 ＜10-8 ＜1

圖 18 為 1980 年高雄市靠海邊之某一大樓工程之開挖抽水引起附近地區地盤沉陷之實

例，其基礎土層屬細砂與粉土質細砂及砂質粉土之交錯土層，地下室開挖 8.7m，使用

16 公尺深之連續壁做為擋土設施，原地下水位約在地表面下 1.0m，連續壁未能阻擋開

挖抽水之地下水滲流，經檢討預防砂湧的安全因素不足，開挖時必須大量抽水才能維

持開挖土層之穩定，抽水結果，其影響半徑超過 80.0m。

圖 18 高雄市靠海邊某工地抽水引起地盤沉陷之等沉陷量曲線圖

16

問題 2：開挖抽水的地盤沉陷量有多大？如何估算？

砂土層之開挖抽水地盤沉陷屬於瞬時沉陷(或稱彈性沉陷)，地盤沉陷量與地下水位

降低量及土層的彈性模數直接相關，計算公式為：

地盤沉陷量

n

nsELpH

1' (m) (2.4)

其中 'p 為因地下水位降低所增加的土壤有效應力，(t/m2)。

地下水位每降低 1.0m， 'p 增加 1.0 t/m2。

L為各壓縮土層之厚度，(m)。

sE 為各壓縮土層之彈性模數，(t/m2)。

各種不同性質土壤之彈性模數的經驗值歸納如表 2。

表 2 不同性質土壤的彈性模數 (改寫自 Bowles, J. E., 1988)

土壤類別 彈性模數 sE (t/m2) 一般性砂土 50( N ＋15) 飽和砂土 25( N ＋15) 黏土質砂土 32( N ＋15) 粉土質砂土 30( N ＋6)

緊密或夯壓砂土 1800＋75 N 120( N ＋6)

60( N ＋15)， N ≦15 礫石層含砂土

60( N ＋15)＋200， N ＞15 正常壓密之靈敏性黏土 (250～500) uS 正常壓密之低靈敏性黏土 (750～1200) uS

過壓密黏土層 21)( )(OCRNCsE 註：N 為土壤之 SPT-N 值。

uS 為黏土層不排水剪力強度，(t/m2)。 )( NCsE 為正常壓密黏土之彈性模數。

OCR 為黏土之過壓密比。

問題 3：如何避免或減少砂土層開挖抽水的沉陷？

(1)儘量使用止水性擋土壁。

(2)儘量使擋土壁貫入不透水層。

(3)避免使用強制性降水，宜採用漸進式或集水坑降水。

(4)儘可能減少開挖深度。

17

2.低透水性土層(不透水層)

粉土層的滲透係數小於粉土質細砂的 1/10，黏土層的滲透係數小於粉土質細砂的

1/100，粉土層及黏土層皆為低透水性土層(俗稱不透水層)，在低透水性土層進行開挖，

因抽水井很難將地下水自土層中分離抽除，只能以集水坑讓地下水自然由土層中泌流

匯集，再利用抽水泵，標準的集水坑如圖 19，但是大部份的開挖工程皆是以很簡陋的

方式處理，在軟弱地盤常導致開挖底面高度擾動，泥濘不堪，不但挖土困難，也影響

基礎土層的承載能力及擋土壁產生更大的變形。

圖 19 標準的開挖抽水集水坑

是不是低透水性土層的滲透係數很小，抽水影響半徑很小，開挖抽水就不會引起

地盤沉陷的問題，不是的，低透水性土層地下水位雖然不會立即因開挖抽水而下降，

但會遲緩的慢慢下降，地下水壓力跟隨慢慢的降低，土壤的有效應力慢慢的增大，地

面沉陷量緩緩的增大，這種作用稱為「壓密沉陷」，地下水位下降及水壓力消散的示意

圖如圖 20；壓密沉陷會拖延多久？很久，經過許多工地的監測，新建大樓完工後，壓

18

密沉陷還在持續發生，以台北盆地的經驗，三年內完成的壓密度大約可達 70%至 80%，

剩下的 20%至 30%何時終結，還需相當長的時間，數年或十餘年，尚無具體的答案。

A(原壓力水頭)

B

C

He

Hw

μf

45°oμ

μμμfoμ

(最終壓力水頭)

圖 20 低透水性土層開挖降水之地下壓力消散示意圖

壓密沉陷量的計算方法及公式如下：

如圖 20，設擋土壁深度為 ，開挖深度為 ，土體單位重為wH eH t ，擋土壁底端土壤 C

元件開挖前的垂直總應力為 wtvo H ，開挖後的垂直總應力為 vvov 1 ，其

中 etev HR

o

為開挖解壓量， 為與開挖範圍有關之解壓率；壓密作用前的孔隙水

壓力為

eR

，壓密後的孔隙水壓力為 f 。

開挖後壓密前的土體有效垂直應力為 ovv 11 ' (t/m2) (2.5)

開挖後壓密完成的土體有效垂直應力為 fvfv 1' (t/m2) (2.6)

最後的總壓密沉陷量為 ''

log1 1v

fv

o

wrf e

HcH

(m) (2.7)

其中 為壓密之再壓指數， 為土壤孔隙率。 rc oe

因開挖引起之壓密沉陷是無法避免的，唯一的方法是加速建築的速度，使開挖解

壓的土重盡快由建築物的重量彌補，恢復原有的平衡狀態，沉陷自然加速停止。

2.6.2 擋土壁側移及變形引起之地盤沉陷

擋土壁體發生側移及變形後，因土壤之塑性流動及遞補作用而使工地四周地面發

生下陷；側移及變形量越大，下陷量越大；開挖越深，下陷的範圍越廣；地盤越軟弱，

影響的範圍越大；圖 21 表示擋土壁側移及變形所引起地盤沉陷之型態。地質學家 Peck

於 1969 年統計芝加哥、奧斯陸等地的地表沉陷量觀測資料，提出沉陷量、開挖深度及

19

影響距離三者的關係曲線圖，如圖 22，圖中縱座標為沉陷量與開挖深度的比例

( ev H )，橫座標為影響距離與開挖深度的比例( eHd )。由圖中可以看出在軟弱黏土

層中進行開挖，其四周沉陷之影響範圍可到達開挖深度的 2 倍至 4 倍之遠。

(a)產生懸臂變形之 先前開挖階段

(b)最後開挖階段

擋土壁體

(c)地表沈陷之型態

凹槽型沉陷剖面

三角槽型沉陷剖面

圖 21 開挖所引起地盤沉陷之型態

第 I 區為砂土層及軟弱至堅硬程度之黏土層。 第 II 區為很軟弱至軟弱程度之黏土層，但開挖面以下黏土層的深度有限。 第 III 區為很軟弱至軟弱程度之黏土層，但開挖面以下黏土層相當厚。

圖 22 開挖區附近沉陷量、開挖深度及影響距離關係圖 (Peck, 1969)

後來有許多學者統計研究估算因擋土壁體發生側移及變形所造成地表沉陷的方

法，較具代表性者如圖 23，其中 MAA 法為國內亞新工程顧問公司所提出。國內最近

之研究，由歐章煜教授著「深開挖工程分析設計理論與實務(2002年)」中提出Ou & Hsieh

法，如圖 24，提出主要影響區(Primary Influence Zone, PIZ)之觀念。

20

21

(a)平滑漸近線型沈陷評估(Capse 法)

H p

eH

wδδi

45 2ψ-

G.L.

假設破壞面開挖底部

Vs

wV

D

開挖寬

G.L.

H

45

D=H

δv max

δo

δh max

h

(b)凹槽漸近線型沈陷評估(Nicholson 法)

h/2

(c)凹槽漸近線型沈陷評估(MAA 法)

D

ψ2

45-

主動破壞面

G.L.

H h maxδ

v maxδ

0.3D

oδ=0.5δv max

t

)2

45tan tHD

pet HHH BH p )0(

)2

45tan(5.0 BH p )0(

sw VV 34

≒

DVww /3 2)(

DX

wi

maxmax hv ≒ max)5.00( vo ～

max5.0max hv mmt 2.10.1 ～max76.0 h mt 7.0

max8.0 h mt 6.0

圖 23 各種估算因擋土壁體側移及變形所造成地表沉陷量的方法

圖 24 沉陷量與主要影響區(PIZ)之關係圖 (Ou & Hsieh 法)

當 0.1PIZd 時， max0.19.0 vv PIZd 當 0.2PIZd 時， max342.0242.0 vv PIZd 其中 maxv 為最大沉陷量，可依地區性經驗或參考圖 23 的方式計算。

d 為距離擋土壁的距離。

PIZ 按以下方式計算：

考慮開挖深度與堅硬土層深度時， ),2min(1 ge HHPIZ (2.8)

式中 為堅硬土層頂部自地面算起之深度。 gH

考慮軟弱土層底部深度與開挖寬度時， ),min(2 BHPIZ f (2.9)

式中 為軟弱土層底部自地面算起之深度。 fH

B為開挖區寬度。

主要影響區 。 (2.10) ),max( 21 PIZPIZPIZ

其實，早在 1995 年 12 月由台灣省土木技師公會辦理台北市內湖區軟弱黏土層某

工地開挖施工對鄰房之影響範圍及損壞程度之鑑定實例，如圖 25，即提出一倍開挖深

度之範圍為「直接影響範圍」，相當於地面至堅硬土層深度之距離為「主要影響範圍」，

主要影響範圍外至四倍開挖深度之範圍為「間接影響範圍」(參考 Peck, 1969)，頗為實

際；國內許多地區都規定施工前鄰房現況鑑定的範圍為四倍開挖深度。

22

D= 7

.50m

max

. 10.

0m 4D

45

45

(Ⅰ)(Ⅱ) (Ⅲ)

新建大樓工地

岩盤

0 10 20 4030 50

距 離 (公尺)

(Ⅰ)：直接影響範圍(Ⅱ)：主要影響範圍(Ⅲ)：間接影響範圍

圖 25 深開挖工地對四周鄰房之影響程度實例(台灣省土木技師公會，1995)

三．安全監測系統管理值

既然深開挖工程是如此的「難以捉摸」，且似乎「危機四伏」，而人類為了居住之需求，

又必須與自然「大地」爭「一席之地」，不惜「破壞平衡」以資「建設」，必須兼顧工程本

身及工地四周鄰產之安全，需要對深開挖工程建立一套開挖安全監測系統。「開挖安全監測

系統」之定義係指開挖工程利用適當之儀器，量測擋土結構系統、地層及鄰近建築物三者

之間因互制行為所產生之變化，用以研判及維護開挖工程本身和工地周邊鄰近建築物安全

之一種系統性設備；而所謂「系統性設備」，是指安全監測並非單靠某一監測項目或監測儀

器便可達到目的，亦非單以某一項安全之監測結果即可評斷為「安全」，必須以整體性之監

測結果加以綜合性之研判，方可確定工程是否安全，例如圖 26。

台北市土木技師公會於 2002 年編訂「實用開挖擋土支撐工程設計手冊」，其中第六章

對開挖安全監測系統有極詳細的作業規範及案例解說；內政部建築研究所於 2008 年委託陳

正興教授及作者等 7 人研擬「建築物基礎施工大地監測計畫之作業準則」，詳細規定開挖安

全監測系統的標準作業程序(S.O.P.)。在安全管理方面，「安全管理值」為極重要之一環，

安全管理值在內政部建築研究所「建築物基礎施工大地監測計畫之作業準則」中分為「注

意值」、「警戒值」及「行動值」，其管理涵義及處理對策如表 3，對擋土壁、支撐系統、地

下水位及水壓力之建議管理值如表 4。

23

建築物沉陷觀測點

裂縫觀測器

(沉陷影響線)

建築物傾斜計

測量基準點

(地下水位)

地面沉陷觀測點 支撐應變計

中間柱隆起觀測點

鋼筋應力計

水位觀測井支撐軸力計

傾度觀測管

開挖抽水井

隆起觀測桿

(擋土壁體)

(貫入堅硬地盤)

水壓計

(隆起影響線)

圖 26 開挖安全監測系統配置示意圖

(台北市土木技師公會，實用開挖擋土支撐工程設計手冊，2002)

表 3 開挖安全監測管理值之涵義與處理對策 (內政部建築研究所「建築物基礎施工大地監測計畫之作業準則」)

管理 基準值

第一管理值 第二管理值 第三管理值 (注意值) (警戒值) (行動值)

安全性 安全 安全但需 加以注意 安全性降低 危險

概 括 之 涵 義

1.監測值低於設計值或容許值某百分比

(通常定80%)。 2.工地變化在預期範圍內。

3.監測變化量正常。

1.監測值低於設計值或容許值，但超過

設定之百分比。

2.工地變化在預期範圍內。

3.監測變化量正常。

1.監測值已超過設計值或容許值。

2.設計規範所設定之安全係數或安全因

素已開始降低。 3.工地變化可能超過設計預期範圍。

4.監測變化量可能出現異常現象。

1.監測值已接近極限值或臨界值。

2.設計規範所設定之安全係數或安全因

素已降低至接近1.0的程度。

3.工地變化遠超過設計預期的範圍。

4.監測變化量出現異常現象。

應 採 取 之 處 理 對 策

正常施工及監測。 正常施工及監測，但需注意監測值的

變化趨勢。

1.謹慎施工。 2.加強監測，並注意監測值之變化趨勢

是否正常。 3.找出監測值變化異常原因，研判安全

性，並開始擬定應

變措施。

1.暫停影響安全的施工項目。

2.找出變化異常之原因，並立即採取應

變及補救措施。 3.密集監測，至監測值穩定正常為止。

4.工程危機解除後再恢復正常施工。

24

表 4 擋土壁、支撐系統、地下水位及水壓力之建議管理值 (內政部建築研究所「建築物基礎施工大地監測計畫之作業準則」)

監測管理項目 注意值 警戒值 行動值

擋土壁側位移 0.8倍設計值 設計值 由鄰房容許 沉陷量決定

R.C.擋土壁撓曲度(臨時結構) 1/450 1/360 1/240

傾 度 管 R.C.擋土壁撓曲度(永久結構) 1/600 1/450 1/360

擋土壁鋼筋應力(臨時結構) 0.8倍容許應力 容許應力 1.25 倍容許應力鋼筋計

擋土壁鋼筋應力(永久結構) 0.64倍容許應力 容許應力 1.25 倍容許應力支撐軸力 0.8倍容許軸力 容許軸力 1.25 倍容許軸力地錨拉力 設計拉力 1.1倍設計拉力 1.2倍設計拉力 支撐

應變計 橫擋應力 0.8倍容許應力 容許應力 1.25 倍容許應力砂性土層之地下水位及水壓

(砂湧安全係數) FS=2.0對應之 水位及水壓

FS=1.5對應之 水位及水壓

FS=1.2對應之 水位及水壓 水位與

水壓計 砂性土層之地下水位及水壓(上舉安全係數)

FS=1.5對應之 水位及水壓

FS=1.2對應之 水位及水壓

FS=1.1對應之 水位及水壓

表 4 中傾度管、鋼筋計及支撐應變計的管理值基本上應由設計單位根據設計之結果擬

定，並明示於設計圖中；地下水位及水壓力，大地工程師應依據內政部營建署「建築物基

礎構造設計規範」第八章所規定的公式(本文第 2.4 節及第 2.5 節)計算砂湧及上舉之各項安

全係數所對應之地下水位及水壓力；至於開挖土層穩定性安全控制的擋土壁內擠及土層隆

起(本文第 2.2 節及第 2.3 節)，應利用貫穿擋土壁底端之傾度管進行監測，不設定管理值之

原因為「不允許」有任何內擠或隆起之傾向，如果發現有內擠或隆起之傾向，應立即回報

設計單位以檢討安全性及擬定應變措施。

對於工地四周地表及建築物的沉陷量管理值，因建築物的型態及現況千變萬化，坐落

之土層也變化莫測，難以訂定統一之標準，故表 4 中並未予以建議；但仍有許多規範加以

建議，台北市土木技師公會「實用開挖擋土支撐工程設計手冊(2002 年)」對一般房屋容許

之最大沉陷量之建議值如表 5，內政部營建署「建築物基礎構造設計規範」第四章之建議

值如表 6；均勻的沉陷量對鄰房結構的安全影響較小，但差異沉陷量將造成建築物基礎的

角變量及傾斜，角變量及傾斜量過大時，將對建築物造成損壞，甚至影響其結構之安全，

許多規範皆引用 Bjerrum, 1963 的建議值，如圖 27；國內各縣市建築管理單位之鑑定手冊

皆規定，鄰房之角變量或傾斜量超過 1/200 時，需對鄰房之損壞加計「房屋傾斜之非工程

性補償費」；因此對於鄰房沉陷及傾斜量管理值之擬定，需要於施工前對工地四周鄰房實施

「施工前現況鑑定」，對鄰房之現況進行詳細的調查，並進行既有傾斜度之測量，以估計各

鄰房尚可容忍沉陷及傾斜的程度，再擬定各棟建築物不同的管理值。

25

圖 27 建築物結構容許角變量之限度(Bjerrum, 1963)

(台灣省土木技師公會，鑑定手冊，2010 年 3 月修訂版)

表 5 一般房屋建築容許最大沉陷量建議值 (台北市土木技師公會，實用開挖擋土支撐工程設計手冊，2002)

構造 土層 基礎類別 最大沉陷量 （公分）

砂土 單獨 基腳 2.5

磚造 黏土 單獨

基腳 5.0

單獨基腳 4.0 砂土

筏基 8.0 單獨基腳 7.5 RC

黏土 筏基 15.0

單獨基腳 5.0 砂土

筏基 10.0 單獨基腳 10.0 鋼構

黏土 筏基 20.0

26

表 6 一般房屋建築容許沉陷量建議值 (內政部營建署，建築物基礎構造設計規範，第四章)

構造物種類 混凝土 鋼 筋 混 凝 土 基礎型式 連續基腳 獨立及聯合基腳 連續基腳 筏式基礎

總沉陷量(公分) 4.0 10.0 20.0 30.0

四．摘要及結論

寫完本文，感覺上好像寫完一部深開挖版的「恐怖小說」，如前所述，深開挖工程是如

此的「難以捉摸」，又「危機四伏」，而人類為了居住之需求，又必須與自然「大地」爭「一

席之地」，結果如何卻「難以預料」，縱然如此，相信熟讀本文必然有所收穫。本文之摘要

及結論如下：

1.第一章「擋土支撐力學行為的基本原理」主要需要瞭解，力學行為發生的基本原因為人

為的深開挖強制破壞了「大地」的自然平衡狀態，土層產生了力學的移動及抵抗力；「主

動土壓力」為破壞的驅動力，「被動土壓力」為抵制破壞的抵抗力；當破壞的驅動力超過

抵抗力時，工地便會崩塌失敗，深開挖的安全控制全在於確保抵抗力永遠大於破壞力。

2.第二章「深開挖工程之土壤行為」主要論述以「抵抗力」對付「破壞力」時土壤所發生

的各種行為，內政部營建署「建築物基礎構造設計規範」規定預防各種破壞機制需要的

安全係數。地下水在土壤行為中扮演極重要的角色，正是「水可載舟，亦可覆舟」，需要

有充分的瞭解；另外當「抵抗力」對抗「破壞力」時，難免「傷及無辜」，那就是因為工

地抽水及擋土壁變形會使工地四周「鄰房受損」，也必須加以特別注意。

3.第三章「安全監測系統管理值」主要說明深開挖工程宛如對「大地」進行開刀大手術一

般，需要對擋土壁及支撐系統的受力、土層的穩定、地下水位及水壓力的變化、鄰房的

沉陷及傾斜等進行嚴謹的監控，以確保深開挖工程在安全之情況下進行；萬一有所閃失，

傷及無辜時，是要負「法律」責任的－鄰房損壞賠償問題。

27

【參考文獻】

1.中華民國內政部內營字第 9085629 號令頒佈，中華民國大地工程學會編印 (2001 年 12 月)，

建築物基礎構造設計規範。

2.中華民國內政部建築研究所(2008 年 12 月)，建築物基礎施工大地監測之作業準則。

3.台北市土木技師公會(2002 年 4 月)，實用開挖擋土支撐工程設計手冊。

4.台灣省土木技師公會(1994 年)，大地工程研習班講義。

5.台灣省土木技師公會(2010 年 3 月)，鑑定手冊。

6.林耀煌著(1987 年 9 月)，高層建築基礎開挖施工法與設計實例(增訂四版)，長松出版社。

7.歐章煜著(2002 年)，深開挖工程分析設計理論與實務，科技圖書股份有限公司。

8.石正義譯(1991 年 10 月)，鑽探圖的判讀要領，詹氏書局。

9.Bowles, J. E. (1986), Foundation Analysis and Design, 4th Ed., McGraw-Hill Book Company,

New York, U.S.A.

28

擋土支撐之力學行為及側向變位量與管理值之關係

【習題】

1.一般物體的「力學行為」為「物體受力→應變及變形」；請問土層開挖的「力

學行為」的基本觀念為何？請從平衡的觀念簡述之。

答：土層開挖時，當地下土體被挖除後，破壞了地層中原本平衡之狀態，擋土

壁體兩邊的受力不相等，便開始使擋土設施(包括擋土壁及支撐系統)開始承

產生了側向變位；擋土壁體兩邊受力不相等的差異量及側向變位的大小直接

影響深開挖工程的安全。

2.擋土支撐系統的受力有那些種類？請簡述之。

答：土壓力(包括主動土壓力及被動土壓力)、水壓力、地面超加載重及視土壓力。

3.那些深開挖工程的土壤行為容易造成失敗或災害？「建築物基礎構造設計規

範」所規定需要檢核的項目及安全因素為何？

答：(1)擋土壁體之變形過大。

(2)開挖面以下擋土壁體內擠，安全因素≧1.5。

(3)開挖面以下土層隆起，安全因素≧1.2。

(4)開挖面以下砂質土層發生砂湧，安全因素≧1.5 及 2.0。

(5)開挖面以下受壓水層上舉破壞，安全因素≧1.2。

(6)開挖工程引起之地盤沉陷過大。

4.試簡述深開挖工地四周引起地盤沉陷的原因。

答：(1)開挖抽水及袪水。

(2)擋土壁體側移及變形。

5.那些因素會影響工地抽水的影響半徑？

答：土層透水性、土層孔隙率、水位降低量、水井抽水量及抽水時間。

6.那些因素會影響砂土層因抽水所發生地表沉陷量的大小？

答：地下水位降低量、土層厚度及土層之彈性係數 Es。

29

7.那些因素會影響黏土層開挖解壓之壓密沉陷量的大小？

答：開挖解壓量的大小(即開挖深度)、土層厚度、黏土層的壓密再壓指數 Cr、土

層之孔隙率及壓密時間。

8.您瞭解的開挖沉陷之「主要影響範圍」及「次要影響範圍(間接影響範圍)」各

為開挖深度的幾倍？

答：(1)「主要影響範圍」為等於地表面至相對堅硬土層表面深度之距離，通常

約為開挖深度之 2 倍。(2)「次要影響範圍(間接影響範圍)」通常指為主要影

響範圍以外延伸至開挖深度 4 倍之範圍。

9.造成鄰房損壞的主要原因是鄰房「沉陷量」還是「傾斜量」？請簡單說明之。

答：「傾斜量」是造成鄰房損壞的主要原因，因為建築物均勻或差異甚小的沉陷

量對房屋結構受力的影響甚小，即使沉陷量較大，也不會造成太大之損壞；

但是，如果「傾斜量」過大，往往超過房屋結構設計的容許值而發生損壞。

10.請列出(Bjerrum, 1963)國內目前規範及鑑定手冊規定之各項建築物容許傾斜

度管理值。

答：請參閱圖 27。

11.試簡述「開挖安全監測系統」之義涵。

答：「開挖安全監測系統」之定義係指開挖工程利用適當之儀器，量測擋土結構

系統、地層及鄰近建築物三者之間因互制行為所產生之變化，用以研判及維

護開挖工程本身和工地周邊鄰近建築物安全之一種系統性設備；而所謂「系

統性設備」，是指安全監測並非單靠某一監測項目或監測儀器便可達到目

的，亦非單以某一項安全之監測結果即可評斷為「安全」，必須以整體性之

監測結果加以綜合性之研判，方可確定工程是否安全。

12.內政部建築研究所「建築物基礎施工大地監測計畫之作業準則」中訂定安全

管理值分為「注意值」、「警戒值」及「行動值」其涵義為何？

答：請參閱表 3。

30