建築物地下開挖安全監測

作者：何樹根 總工程師

一、前言

　　對於地下開挖之安全監測，工程界雖然都瞭解其重要性，但卻沒有相關之詳細規範，早期建築物基礎構造設計規範，僅在8.10開挖安全監測有一概念性的規定，由設計單位依其經驗進行監測系統規劃配置，繪於設計圖上交由施工單位據以實施，有鑑於此2017年大地工程學會則制定了學會版的「建築基礎開挖工程監測準則」(下稱監測準則)，對於監測規劃配及安裝量測有了詳細的規定，但因為其並沒有強制性，所以工程界仍然依原來的方式在運作，2023年基泰大直建案因地下室開挖不慎，導致鄰近多棟民宅傾斜下陷，監測除了在工程界也因為新聞廣范報導也引起了一般民眾的關心，致使台北市政府及新北市政府要求開挖中的建案都要公布監測結果，而新版(2023年)建築基物礎構造設計規範(下稱設計規範)，也在2024年正式開始實施，規範中第8.10開挖安全監測條文引用此監測準則，因而監測準則成了「準規範」，開始受到了重視，2025.1.2內政部國土管理署轉發前述監測準則給各全國各縣市政及技師公會參考辦理，2025.3.12新北市政府則規定建築物之開挖監測計畫及監測報告需委由第三方審查檢視，審查過程中主要的依據是大地工程學會的監測準則。本文主要說明監測準則的精神及幾個重要條文，以使讀者若有意參考監測準則進行監測系統規劃時時先有一個概念，避免一開始迷失在眾多文字及其解釋中。

二、監測目的及項目

　　開挖破壞機制在設計規範中主要有四項(如圖1所示)，圖1中之側向壓力平衡及底面隆起與地層的強度相關，上舉及砂湧則與地下水相關，前二項破壞之計算以最下層支撐為支點，既被視為支點，就是假設其不會破壞，但依作者之經驗通常開挖的破壞最後都以支撐系統破壞收場，而後二項通常以湧水收場。圖中相對應的監測項目，其主要目的是在破壞之先提供預警訊息，因而如何正確的規劃配置及判讀監測資料，是開挖過程中最重要的工作。

三、大地工程學會的監測準則及其幾個重要精神

3.1 監測準則之由來

　　監測準則為大地工程學會理事長歐章煜2017年任內開始編寫，其前身為建築研究所於2003年所出版的「建築基礎施工災害安全預警監測系統之研究」主要參與的學者為歐章煜教授，及2008年「建築物基礎施工災害監測系統配置基準之研究」及其附冊「建築物基礎施工大地監測計畫之作業準則」，主要參與的學者為陳正興教授。為避免閉門造車，初稿編寫完成後曾與業界結構設計公司包括永峻、凱巨、聯邦及新構造當面討論交換意見，以更貼近業界的實務應用。學會並成立常態性的編修維護小組，接受各方意見進行後續必要的編修，現行的版本為2025年(114年版)所修訂之版本，可免費自由下載。

3.2 準則的適用範圍

　　準則的訂定時僅針對「建築物基礎」開挖監測作業，因為其主要是根據有法源的建築基礎構造物設計規範8.10條文，目前尚未擴及一般的土木工程的開挖監測，如果開挖工程超逾準則範圍或有較高監測要求者，可參考準則之精神及工程特性另外編訂。

3.3 監測準則重要的精神

　3.3.1 基礎開挖監測設計與施工之分野

　　由於現行建築結構設計中包含了開挖設計，基礎開挖監測系統之規劃，通常由設計單位擬定，並作成圖說附於設計圖中。但基礎開挖施工大部份仍為臨時性工程，依國內現有法令應為施工單位所負責，監測系統為開挖安全之監控而設，但除了統包工程外施工單位通常未能參與規劃，由於設計時誰來承攬施工都尚未知，不同的施工單位採取不同的施工方法是經常發生的事情，因而設計時規劃的監測系統也不一定完全符合實際施工時之需求。因而監測準則提出了一個名詞「監測規劃者」，主要是將監測的規劃配置的角色由設計單位抽離，在準則條文之精神「監測規劃者」要執行監測系統的規劃配置，主要是指施工單位或由其委託具足夠專業資格之技師或單位，而設計單位的角色則為訂定監測的需求(監測準則之附錄B附有範例)，主要是對1.監測項目2.最少數量3.安裝需求4.容許界限值5.管理值作原則性的要求，表一為訂定監測需求的參考案例。準則在精神上監測規劃者由施工單位擔任，但並不排除由設計單位擔任。

　　表一中有一個名詞「容許界限值」，容許界限值代表設計者依分析計算或環境容許狀況所設定的最大應力或變位(例如連續壁變位因應車位空間要求訂定，或鄰近有重要結構物需加以保護所設定變位需求)，代表是在設計上不允許超過的值，施工單位開挖規劃及施工過程中，預估的應加或變位都不能超過。

　　監測管理值由監測規劃者依設計單位所提出之監測需求，再依據基礎開挖、擋土支撐設計分析結果及規範、學理、工程經驗與環境保護要求，針對不同量測項目設定監測管理基準值，供施工安全管理之用。

　　基於以上不同單位的工作分野，監測準則內容的適用對象如表二所示

　3.3.2監測結果之安全評估由誰負責

　　依照3.3.1節之精神，監測成果之評估及對開挖安全的研判也應是施工單位。在開挖過程中監測專業廠商其實只是提供正確的量測資料，現行業界經常誤解監測專業廠商角色，誤認監測結果及開挖安全與否由其研判。但其角免通常是當監測值達到警戒或行動值時提出警告，提醒監測值超過了管理值，但安全與否的研判仍應為施工單位來執行。所以準則要求監測專業廠商應對量測所得之資料負責，而施工單位則對施工安全負責，因而開挖安全之研判應由施工單位足夠經驗的大地工程師及專任工程人員共同執行。若施工單位沒有足夠之專業人員，亦可委託具有開挖設計及施工相關經驗之專業技師進行分析研判。

　3.3.3監測報告是否要簽證

　　監測專業廠商彙整量測所得資料所作的報告稱為「量測報告」，施工單位依據量測報告進行分析研判，並作成「監測(安全評估)報告」，評估開挖之安全性，確保基礎開挖安全。「監測(安全評估)報告」理應由進行評估之專業技師簽證負責，但現行法令並沒有這樣的規定，因而準則避開「簽證」改為簽署，其精神仍為對研判結果負責。所以條文規定，施工單位應於監測報告中說明開挖安全之研判結果，經由施工單位專任工程人員(或施工單位委託之專業技師)簽署後提送。

四、安全監測管理值

4.1監測數值的內涵

　　監測值通常可分為兩類，1.外力(開挖時環境或擋土結構變化的因)：包括水位、水壓、土壓等；2.開挖造成之環境或擋土結構變化(果)：變位、沉陷、傾斜、力量、應力等，雖然因與果之間有相關性，但不一定是直接相關，通常對於環境外力訂定管理值並不容易，例如水位之變動，業界經常設訂正負變化1公尺為警戒值，變化2公尺為行動值，不考慮地下水位變動造成的影響，例如基地需要抽降水，地下水位下降是正常行為，而且到了行動值到底要採取何種行動，在現場其實是窒礙難行。但當量測的是擋土結構變化(果)，因其是實際應施工結果，容易理解及採取對策。監測值又包含了力量及變位，由於力量是看不見摸不到，變位則目視可見，此類監測數值會直接有感，因而監測系統規劃，主要著重在量測施工的反應，量測變位通常比量測力量更優先。

4.2安全監測管理值分為三類

　　安全監測管理值大略可分為三類，其一為依據理論分析計算而來或規範中有相關安全係數之規定者，這些監測項目由於有理論數字參考，因而管理值之訂定相對容易；其二為實在難以理論分析取得，只好參考類似工程之經驗；第三類則為依需求。分別說明如下

　　1.依據分析、學理、安全係數—例如擋土結構的變位及支撐受力、上舉水壓力

　　2.依需求限制—如建築空間需求、鄰近房產之保護、控制地下捷運、高鐵設施位移…等所制定

　　3.依經驗所訂的數值(難以依學理及分析) —如建物傾斜、地面沉陷

4.3 管理值訂定之邏輯

　4.3.1 依分析、學理或安全係數

　　監測管理值的訂定，在工程界尚沒有共同的規則，民間工程又與公共工程(最常遇到的是捷運工程)有差別，特別是警戒值及行動值的邏輯不太相同。監測準則對警戒及行動值之訂定的主要邏輯，以簡化之材料應力變位曲線(如圖2)為例說明，設計時必需控制材料之受力不超過容許應力，即設計計算應力應小於容許應力，因而施工過程當監測材料應力超過設計應力，但仍小於容許應力時仍為安全狀況，惟已超過設計者的預期，應該要檢討原因，因而將分析設計值訂為警戒值；當受力超過容許應力，已進入不安全狀況，但離破壞應仍尚有一段距離，應進行改善措施，使材料應力降回容許應力之內，因而將之訂為行動值。圖3為有安全係數之規定者，安全係數與警戒、行動值之關係。在設計時之安全係數必需大於等於規範值，因而規範值定為警戒值，假設FS=1.0時產生破壞，為使到達行動值後，仍有進行補強之時間，因而規定行動值FS須落於規範值與1.0之間，至於採用何數值則由規劃者依工程性質作專業判斷。

　4.3.2 依需求或限制

　　設計時通常不能僅考慮容許應力或規範之安全係數，例如開挖周圍有緊鄰的構造物或極重要之設施(如捷運或高鐵設施)，視構造之種類及相對位置，對設計會有不同之需求或限制(例如捷運軌道之變位不能超過1cm)，此數值即為前述之「容許界限值」，容許界限值為設計單位基於各項考量所訂定，開挖施工時能容忍的最大值，此時容許界限值即為行動值，警戒值也必需隨之改變(訂為容許界限值乘之80%)。

　　以上管理值之訂定主要邏輯如表三所示。

　4.3.3 難以依分析及理論之監測項目管理值

　　在大地工程領域，沉陷(或隆起)本來就是不易準確計算的項目(例如地表、建物沉陷點及中間柱隆起值等)，地表沉陷點通常依經驗設定，但應考量施工環境及施工的可能影響(如導溝、連續壁施工都可能造成可觀的地表沉陷)；建物沉陷點則依台北市捷運局之規定依不同的結構物建議不同的管理值，而建物傾斜主要是將建築物可能產生裂縫的角變量訂為容許界限值(對RC構造一般為1/250)；中間柱的隆起量受開挖地層之解壓回脹或連續壁側向變位影響，以往訂定的管理值偏小，主要原因是未考慮解壓回脹量。中間柱的隆起直接影響的是支撐系統的穩定，而開挖面隆起之監測管理基準值，監測準則建議可參考回脹量計算結果或採二維、三維數值分析，重要的是考量中間柱隆起對支撐應力及系統穩定性之影響。

　　另對淺層的地下水位而言其監控的目的並不明確，升高或降低到底是有利還是不利也不確定(例如水位降低水壓力變小是為有利，但若基地擋土壁漏水也有可能引致水位下降是為不利)，所以現場實施時經常遇到超過管理值而不知如何處理的狀況，監測準則建議只訂警戒不訂行動值，提醒當水位變化時，要檢討其對開挖可能的影響。

4.4安全管理值是否要分開挖階段設置

　　在開挖過程中每一階均會產生不同的分析值，管理值宜視情況分階段訂定，但不一定要每一階開挖均設訂不同的管理值，尤其是在開挖初期變位較小時。但是對於上舉及砂湧等的水壓管控值，因為與開挖深度息息相關，則應於每階開挖時加以訂定。表四為參考案例

　　監測管理值一般均以一個工地設定統一標準值為考量，惟同一工地中仍可依各監測標的物分別設立不同之監測管理值，換言之，不同監測標的物之監測儀器可以有不同之管理值。例如同一工地中，於緊鄰空地側之擋土結構變位管理值或可考慮較緊鄰建物側之管理值為寬鬆。實務操作上，可就不同之位置儀器編號，制定不同之監測管理值，便利工地執行。

4.5 儀器損壞或重裝可不可以歸零

　　由於112年在大直發生開挖基地崩坍的重大事故，部份監測數值在施工過程中曾經被修改過，因而監測值是否可以重訂初值(歸零)的議題便浮上枱面，因而監測準則規定，監測儀器於施工過程中若有損壞或遺失，於修復或換新後應於報表中記載，且應累加該儀器已發生之物理量。

4.6監測管理值的調整

　　開挖設計圖所提供的管理值通常是開挖分析所得，並不包含開挖前之施工項目，也不包含不是開挖所引起的變化，監測數值變化超過管理值，當其變化原因不是開挖施工所導致，並不一定代表現場實際開挖情況已達到不安全狀態，特別是僅單一儀器監測數值超過管值時，最常見的是地面沉陷點因局部淺層回填不實或重車輾壓所引致的沉陷，因而監測準則對管理值之調整，規定應由監測規劃者綜合各項監測項目重新檢討分析，並依其結果評估開挖及鄰近構造物之安全性，若安全性不足則需進行補救措施，並得依前述結果分析調整監測管理基準值，送設計單位核可後實施，意思是經過一定程序才能調整監測管理值。

五、監測系統之規劃配置原則

5.1配置原則

　　監測系統之配置原則，原則上配置於最大受力、最大變形、最大水壓與最臨界之位置、深度與剖面；監測之配置建議以剖面方式規劃配置，包括主要監測剖面，在比較重要關鍵之剖面配置較多的監測項目與較密集之監測點，每一工地至少要有一個主要監測剖面，主要監測剖面，需儘量配置各種監測項目用以交互檢核各項量測資料是否有一致之趨勢；次要的剖面，配置少量之監測項目與較少之監測點，用於補充無法多處佈設主要監測剖面之不足，圖3為參考案例。

5.2經常被忽視監測配置方式

　5.2.1支撐應變計之配置

　　支撐應變計裝設位置一般位於無支撐長度之中央點，以越近擋土結構位置越能反應支撐實際承受之擋土側壓，但是鄰接擋土結構之支撐段，都與橫擋及斜撐連接，應力狀態複雜，因此以佈設於離擋土結構第二跨之支撐中央點為宜。

　5.2.2 傾度管的配置深度

　　傾度管長度一般與擋土結構等長為原則，以量取壁頂(管頂）相對於壁底(管底)的相對位移，但壁底有可能產生顯著側向位移時，則傾度管長度宜貫入擋土結構底部土層內之不動點深度，對於不動點之定義為達擋土結構底部以下之堅硬土層至少2m，若無堅硬地層，其深度應參考分析時連續底部變位收斂的深度。

　5.2.3中間柱隆起觀測點

　　中間柱隆起點主要用於量測土層之隆起量，若對底面隆起而言，觀測點應配置於鄰擋土結構各邊一定影響範圍內，才能量得到相關的隆起量，但開挖時解壓回脹可能佔隆起量相當大的比例，隆起量測值無法將之區分開來研判，而解壓回脹量最大的位置通常在開挖區的中央，因而隆起的觀測建議應該要分布於開挖區內面部，若可採用剖面式的配置，還可計算兩中間柱之差異隆起量，用以評估支擋系統之穩定性。

　5.2.4 鋼筋應力計的形式

　　鋼筋計一般配置建議裝設於主筋上，可用瓦斯壓接或鋼筋續接器將鋼筋計續接於擋土結構主筋上。因為裝設於主筋施作較為複雜，因而工程界經常採用附加型式之鋼筋計，其在使用經驗上顯示量測所得之數據常與擋土結構之變位不相吻合，採用此方式配置鋼筋計應注意其數值之可靠性，務必確認安裝方式使其應變與主筋一致，量得之應力足以代表主筋之應力。

　5.2.5 監測水壓上舉之水壓計埋設深度

　　有水壓上舉問題之開挖工程，要配置水壓計監測水壓，其埋設深度為最關鍵問題，水壓計若裝設於開挖區內因為穿過不透水層，如果安裝時封層不當，或施工時受損均可能造成地下水的通路，而引致開挖面湧水，因而儘可能裝設於基地外擋土壁下方引起上舉之同一透水層中，而且一定要在其上方黏土封層，避免量到上下層次之混合水位。

六、結語

　　規範(準則)適用性是經驗的累積而成，經常會因應實務發生的事故進行修訂，每經一事故就會更加精進。同時規範或準則不能關起門來修，大地學會成立編修小組的用意就是廣納各方意見，經常性的檢討修正並公告精進版本。工程界在使用過程中若發現有任何問題，歡迎提出問題及提供修改建議，以使其更適用於基礎開挖工程中。