台湾既有跨越桥梁基础补强工法

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台湾位于地震活跃带，桥梁结构的安全性至关重要。为提升既有桥梁的耐震能力及延长使用寿命，台湾发展了多种基础补强工法。这些方法依据桥梁类型、地质条件和损坏程度而定，主要包括以下几种：

1.碳纤维补强（FRP）：通过在桥梁构件表面粘贴碳纤维复合材料，增强结构抗弯与抗剪能力。此方法施工便捷且对原有结构影响小，适用于桥墩、梁体等部位。

2.增设桩基：针对软弱地基或沉降问题，可通过增加新桩基来分散荷载，提高承载力。例如，采用微型桩或钻孔灌注桩技术，在不破坏现有结构的前提下加固基础。

3.隔震支座安装：引入橡胶隔震支座或滑动支座qsy 08124.28-2018标准下载，降低地震力传递至桥梁主体，从而保护上部结构免受损害。此方法特别适合老旧桥梁改造。

4.外包混凝土或钢套加固：对受损严重的桥墩或柱子进行外包处理，利用额外的混凝土或钢板包裹，增强其强度和稳定性。

5.锚杆与喷射混凝土技术：对于边坡或挡土墙附近的桥梁，采用锚杆结合喷射混凝土方式稳定周边岩土环境，防止滑移或坍塌风险。

以上工法需根据具体项目需求综合评估选用，并配合先进的检测手段（如无损探伤、振动测试）确保效果达标。此外，台湾还注重技术研发与国际经验交流，持续优化桥梁补强工艺以应对复杂多变的工程挑战。

圖一 既有橋梁橋台淨高示意圖

圖二 既有橋梁橋墩淨高示意圖

二、地震係數提高對公路橋梁之影響

集集大地震中受災嚴重之公路橋梁，許多係依1995年頒訂之公路橋梁耐震設計規範設計施作，其設計之耐震能力相對的較無法承受此次地震的強烈震度，以致發生支承脫落、墩柱混凝土脆裂、墩柱鋼筋撓剪或挫屈、墩柱側移或傾斜，甚至肇致落橋等嚴重的震災。

考量集集地震震區產生之地表加速度，大部分超過原先台灣地區公佈之「公路橋梁耐震設計規範」，政府部門於集集大地震後隨即修正該耐震設計規範，將震區由原先地震一甲區、地震一乙區、地震二區、地震三區等(z分別為0.33、0.28、0.23及0.18)四區調整為甲、乙兩區，也就是將原先四區中的一乙與弱震區的標準分別提高，達到甲區水平加速度設計係數為0.33，乙區為0.23。集集大地震前後之震區水平加速度係數如所示。

就橋梁基礎而言，未來如發生較原設計水平加速度大之地震，則橋梁基礎可能因地震產生之振動力，致基礎與上部結構界面破壞承載力不足及土壤液化引致基礎沉陷或傾斜。既有橋梁基礎因震區係數提高，橋址所在區域之土壤液化潛能亦將提高，且增加之水平橫力將會造成基礎水平或垂直承載的安全性不足，則必須視評估結果，採用補強方式以增加基礎的容許承載力及土壤抗液化潛能之能力。

3.1    橋梁結構耐震補強分析

橋梁耐震能力評估，一般係根據所評估橋梁的實際尺寸、配筋及材料強度，參照交通部「公路橋梁耐震設計規範」(1995年)及其修正條文(1999年)，對於正規化加速度反應譜係數、結構系統地震力折減係數、工址水平加速度係數、以及對韌性設計之要求，括以計算橋梁的強度與韌性，並且配合結構分析結果，決定橋梁發生各種破壞模式時對應的地震地表加速度。

評估時所涵蓋的各種破壞模式，包括根據強度、韌性所推估之破壞模式，以及落橋、支承破壞、土壤液化等之破壞模式。求出橋梁在各種破壞模式下對應之崩塌地表加速度。再以危害度評估之觀念，求出橋梁在預期使用年限內所對應之設計地表加速度，以此為標準評估橋梁耐震能力是否足夠。若發覺現有橋梁之耐震能力不足，則應予以補強或設置隔減震之裝置以提高其耐震能力。

在進行各種破壞模式之崩塌地表加速度推求之前，我們必須瞭解橋梁在預期的剩餘使用年限內其應有的耐震能力為何，也就是應該要能抵抗多大的崩塌地表加速度。根據構件強度、韌性所推估之破壞模式耐震分析、落橋破壞耐震分析、支承破壞耐震分析等如、、。一般分析結果，橋梁基礎之結構破壞機制主要為：

(1) 基礎承載力不足；

(2) 基樁剪力破壞；

圖三 根據構件強度、韌性所推估之破壞模式耐震分析流程

圖四 落橋破壞耐震分析流程

圖五 支承破壞耐震分析流程

3.2    液化潛能評估

土壤液化現象係指於地震之連續性反覆應力作用下，疏鬆之飽和細砂或砂質粉土內孔隙水壓逐漸上升，此上升之孔隙水壓致使土壤之有效應力減低，依土壤液化潛能評估方法如下：

R ＝R1＋R2＋R3

液化之評估由液化抵抗率FL決定之。FL值小於1時，即判定該土層可能液化。

R2＝0.19（0.02mm≦D50≦0.05mm）

    ＝0.225㏒(0.35／D50)(0.05mm＜D50≦0.6mm)

R3＝0.0 （0≦Fc≦40％）

式中 FL ：抵抗液化安全係數

  R  ：土壤抗液化反覆剪應力比

  L  ：地震引致之平均反覆剪應力比

 σｏ：總覆土壓力，kg/cm2

 σｏ'：有效覆土壓力，kg/cm2

 Fc ：過#200篩細粒料含量

 A = Zd g ZIg                      (TYPE I，大型地震時)

  或= ZIg/3.0或 ZIg/1.2Fu之較大者              (TYPE II，中小型地震時)

x ：距地表面深度(m)

A：水平地震地表加速度

Z：工址水平加速度係數

 I ：用途係數(高速公路為1.2，一般道路為1.0)

 : 起始降伏地震力放大倍數

Fu  : 結構系統地震力折減係數

：尖峰剪應力比沿深度折減係數

  L：地震時之剪應力比

以高速公路橋梁而言，如其位於地震甲區(z=0.33)與地震乙區(z=0.23)，其用途係數I為1.2，其地表水平加速度係數於TYPE I大型地震時Zd=ZI=0.276及0.396；而於TYPE I地震時，雖允許液化情形發生，但是其耐震設計之土壤變形係數E0及水平地盤反力係數kH需予以折減，但如液化使其承載力為0或甚低，則需考量如新設基樁穿越液化層，且需針對結構物容許變形量進行分析；而地表水平加速度係數於TYPE II中小型地震，於地震甲區及地震乙區Zd分別為0.11與0.077，此種狀況下不允許液化情形發生，否則即需進行必要之地盤改良。

深基礎受地震時土壤發生液化，其受震行為遠較一般想像複雜，液化土層中樁—土—結構互制如所示，於地震動停止後，基樁之主要受力為地盤流動所產生之永久變位。

依據公路橋梁耐震設計規範及AASHTO相關設計規範，橋梁淺基礎與樁基礎承載力安全係數於常時為3，中小型地震時為2 ；大地震時，若基礎土壤有液化潛能，則土壤由彈性變形進入非彈性變形，材料強度完全發揮，且其液化區域之土壤強度不計，故取安全係數為1。

四、既有跨越橋梁使用補強工法之限制

橋梁基礎補強設計之主要考量為：

1. 既有基礎垂直支承力檢核及補強。

2. 既有基礎水平支承力檢核及補強。

3. 上部結構體耐震補強後之載重增量對基礎之影響。

4. 補強後之效果確認。

耐震補強方案之研選應建立在上部結構及地基基礎分析結果上，先從結構體的抗震能力和動力特性思考，所採用之各項補強措施均應考量原有結構，基礎之增設應避免偏心、不同種類基礎併用、及補強後反而使某部分相對較弱、或勁度突變，使受震時引致局部破壞。亦即，各部分修復補強後之耐震能力應與整體構造之安全標準一致。

既有跨越橋梁基礎之耐震補強工法，除須考量橋下交通維持與地下埋設物等因素外，最大問題在於既有橋梁下之施工空間受到相當的限制(一般橋下淨空約僅4.5~5.0公尺)，橋梁基礎耐震補強的施工性困難，須採用低空間式之施工機具，並配合降挖路面及必要之擋土設施與交通維持以竟全功；如考慮增樁補強，以台灣目前盛行之全套管基樁而言，廠商所擁有機具施工空間高度約需13公尺，雖然日本有低空間基樁施工機具，對樁徑1.5公尺而言，其最低施工空間高度為6.5公尺，但需由日本進口；而一般水泥系灌漿方法可使用於低淨空空間，但灌漿之耐久性無法完全掌握，故於低淨空限制下之基礎耐震補強工法與一般情況考量不同。

五、既有跨越橋梁之耐震補強工法評估

基於上述低淨空之限制考量，既有跨越橋梁之淺基礎與樁基礎可適用耐震補強工法及其優缺點分述如下：

1. 淺基礎耐震補強工法

(1) 基礎加寬(加厚)方式

對直接基礎之補強可採用基礎之直接加寬、加厚方式，施工時將影響既有交通區域較大，且對既有橋台淺基礎而言，其背側無施工空間而難以施工。

微型斜樁用於橋梁基礎抵抗水平力之成效較難以評估潜孔钻机安全操作技术交底，其品質亦較難掌控，而對橋台基礎僅能單側補強(橋台背有回填土堤無法施工)。

(3) 超微粒水泥灌漿

本施工方式可控制馬歇管之長度，而於一定深度之土層內施作以加固土壤，藉由二重管複合注入灌漿之施工方式，使成球形滲透，先灌注顆粒較大之水泥漿液，再灌注超微粒漿液以形成二次結核體，提昇土壤之抗液化潛能。考慮灌漿長期效果之品質控制，可採用恆久灌漿(如日本阪神大地震後諸多橋台皆採用此種方式藉以提高其承載力)。  

本工法之主要缺點在其無法完全確認灌漿改良效果與使用年限，且灌漿範圍較難控制，施工廠商須具經驗。

藉由噴射鑽桿之旋入地中，並藉以旋射噴注漿液填充土體以提高土壤勁度。惟此方式將對土壤產生較大擾動，若作業空間狹小時機具不易進入，並有多量排土顧慮，且施工中之超高灌漿壓力可能會造成既有結構物及週邊土壤隆起或破壞，須慎選施工廠商，並配合既有結構物之安全監測。

2.  深基礎耐震補強工法

藉由施工機具重壓方式將鋼管直接貫入土中，減少土壤擾動，可減少施工作業環境之污染，且鋼管當作施工時之套管，完工時作為結構體一部分不予拔出t／bjwsa 0004-2020 燃气安全专业应急救援队伍建设规范，避免拔套管之空間限制問題，其樁徑可達60cm。

(2) SWM(Soil Mixing Method)工法

藉由至少三刀為一輪之旋轉鑽頭貫入土中，並灌入漿液，使土體與漿液混合，其最小作業所需空間僅約5~8m，而淨高約5.5~6.0m，該種作業方式已多次使用於台灣地下鐵路施工，成效尚佳，惟施工時將佔用較大作業空間為其缺點，且設計時其勁度僅考慮鋼材，造成所需樁數甚多，樁帽基礎亦加大，擴大交通衝擊問題。