金門大橋興建工程補充地質調查概述
一、區域地質概況
金門烈嶼的地層基盤岩石是以中生代之花崗片麻岩及花崗岩組成，此花崗片麻岩為形成金門本島及烈嶼的基盤，分佈甚廣約佔總面積的二分之一，在基盤零星分布之局部裂隙中有各種不同的火成侵入岩脈(詳見圖1)。而覆蓋於基盤岩上的地層，又均為第三紀末至第四紀初期之半固結沈積岩所構成。構成金門島之基盤岩石是中生代的花崗片麻岩，在基盤中有各種不同之火成侵入體。岩盤之上依序堆疊更新世金門層、紅土礫層與現代未固結沖積層(詳見圖2及3)，晚第三紀之玄武岩熔岩流覆蓋於已風化花崗片麻岩或第三紀沉積岩之上，金門地層略述如下表1。
| 表1 金門地層 |
地質分類 |
描述 |
基盤岩 |
花崗片麻岩、花崗岩，金門最古老的岩層，也是金門的基盤岩石。 |
覆蓋層 |
第三紀末至第四紀初之沈積岩，覆蓋於花崗片麻岩上之沈積層，形成本島廣大的台地 |
侵入岩 |
1.偉晶花崗岩脈。 |
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| ▲ | 圖1 火成岩侵入岩脈 |
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| ▲ | 圖2 金門層上方為紅土層覆蓋 |
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| ▲ | 圖3 烈嶼地區紅土層與濱海沖積層 |
二、施工階段補充調查概述
本工程於規設階段即進行大地工程調查工作，其中鑽探取樣作業共施鑽48孔(海上39孔、陸上9孔；總進尺為2,082m)，依據規設調查結果顯示(工址全線地質剖面詳見圖4)，金門大橋工址基盤為花崗岩層且局部裂隙有侵入之基性岩脈(如流紋岩等)，基盤上覆蓋為風化及侵蝕作用之風化土層或紅土礫石層，最上層則為沖積層，深槽區以里程STA.2K+320、2K+880、3K+440為例(詳見圖5)，於同一里程之橋橫向相距25m之兩鑽孔岩盤深度差異可達10m以上，且岩盤風化程度差異亦大，因此本工程考量工址岩盤變化急遽，於特訂條款即規定施工前就海上每一墩基樁位置進行補充鑽探工作，以確認岩盤風化程度及承載層位置，並將調查成果回饋設計單位確認設計需求並訂定各樁入岩深度，故本工程進行補充地質鑽探調查之詳細程度，亦為特殊之處。
施工階段之補充地質調查須進行之總鑽探孔數共計176孔，鑽探總進尺數為5,568m，鑽探配置依橋梁區段規定如下(詳見圖6)：
1.引橋段：大金端因覆土層較厚，於P52∼P73橋墩基礎範圍內施作1孔；另小金端因岩盤深度較淺，於P1∼P40橋墩基礎範圍內施作2孔。
2.邊橋段：於P41∼P43及P49∼P51橋墩基礎範圍內施作6孔。
3.主橋段：於P44∼P48橋墩基礎範圍內施作8孔。
引橋段鑽探工作採用油壓式鑽機架設於小型昇降式平台上(詳見圖7)，作業時平台棒錨插入海床予以固定，不受海浪影響而造成鑽桿斷裂；另深槽區橋墩基礎鑽探作業於原設計規劃構想係打設外套鋼管並完成施工構台後，再將鑽機置於施工構台上於外套管內施鑽，惟因施工階段中承包商為了能迅速得知地質條件狀況及確認岩盤深度，故改採大型昇降式平台並將棒錨接長先於邊、主橋各墩施鑽兩孔鑽探取樣以獲得該墩地質資訊，俟該橋墩施工平台完成後，再架設鑽探機具賡續進行其餘孔位鑽探作業，以獲得橋墩基礎範圍內之整體地質成果。海上鑽孔定位方式乃藉施工臨時棧橋自岸上引測之控制點(陸上控制點架設GPS固定基站，詳見圖9)，使用全測站經緯儀進行鑽孔定位，如該鑽孔無法通視時則利用國土測繪中心e-GPS即時動態定位系統進行即時動態定位法（Real Time Kinematic，RTK）確認鑽孔位置。
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| ▲ | 圖4 工址全線地質剖面圖 |
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| ▲ | 圖5 深槽區岩盤剖面圖 |
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| ▲ | 圖6 補充地質調查鑽探配置圖 |
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| ▲ | 圖9 GPS陸上固定站架設點位及架設情形 |
三、補充調查成果與施工挑戰
施工階段補充鑽探至目前已完成所有橋台A1與A2，引橋段P1∼P40橋墩及P52∼P73橋墩總計有100孔，而邊橋與主橋之各橋墩鑽探2孔亦完成共22孔。補充地質鑽探與原規設地質調查成果相比較，可得知於原規設時期至今工址海床高程尚無明顯變化(詳見圖10)，顯示這些時期的海床沒有明顯的變動過，係因金門地區沒有太大之地形震盪如地震或海底山崩等等自然災害，且又因東北季風時期與西南季風時期各互相反的侵蝕與堆積作用，亦使本工區海底地形的堆積與侵蝕達到一個平衡的狀態。另調查所得之岩盤高程(本工程以岩盤風化等級至少達W3且SPT-N值大於100(含)」作為「土、岩判定」之標準)則顯示多數孔位與原規設階段所調查之岩盤深度差異較大(詳見圖11)，推測其原因係構成金門及烈嶼島的基盤岩石為中生代的花崗片麻岩、花崗岩、混合岩與石英片岩，在基盤中有各種不同的火成侵入岩脈，而導致同一地區岩盤地質迥異，惟岩盤深度趨勢則為相同。
由補充地質調查成果顯示本工程工址特殊地質與施工挑戰，彙整概述如下：
1.小金端厚層砂質粉土層：於P4及P5橋墩區域，自海床面下約10~22m厚之紅棕色砂質粉土層，其標準貫入試驗N值約15至35間，參考黏性土壤無圍壓縮應力與N值之關係(詳見表2)，本工區地層對貫入式樁體而言是屬於極堅硬地層，對於鋼板樁打設作業具有相當之困難度；另該橋墩位於海域端，當拔除鋼板樁時將使粉土層孔隙增大而產生負孔隙水壓，且地層位於海平面下並受退潮影響，甚難進行拔除作業(鋼板樁拔除破裂情形，詳見圖12)，因此須藉由輔助工法，如配合水刀削切設備輔助鋼板樁打設(詳見圖13)，或藉由螺旋鑽桿於鋼板樁旁反覆擾動地層(詳見圖14)以順利拔除鋼鈑樁等方式進行。
2.深槽區之覆土層及新鮮岩盤：經補充地質調查可知於深槽區近小金端P41至P43橋墩覆土厚度甚小(約2~3m)，甚至P41橋墩海床即為輕度風化岩盤W1(淺灰色花崗片麻岩，詳圖15)，此部分與原規設階段調查結果相同，故於本標特訂條款即敘明提醒投標廠商應注意該岩盤深度較淺部分之墩位，因覆土層厚度甚淺須考量外套管入岩深度應滿足其自立性，且施工船機應考量昇降式平台船以棒錨固定，避免錨鍊無法錨定於海床。另P41墩位之極堅硬岩盤(新鮮岩盤W0，淺灰色花崗岩，詳見圖16)深度約為海床下10~15m處，該岩石無圍壓縮強度高達約100MPa，面對此質地堅硬岩石進行大口徑(ψ2.0m)基樁鑽掘為高難度之施工挑戰，因此全套管掘樁工法使用之機具依樁頭構造而言屬刨削方式，以金屬物直接刨削岩石，惟其刀面與岩石之摩擦產生之高溫，易使金屬刀具材質變化而加速失去刨削功能，套管進尺效率減緩，考量花崗岩組成礦物成份為石英、長石及雲母等，係為不風化之堅硬礦物，應適當採用鑿擊方式破壞其組織進而碎岩排渣進尺[2]，因此以全套管工法輔以適當鑿擊工法(小口徑之潛孔錘)，或直接以大口徑潛孔錘(詳見圖17)之鑿擊鑽掘工法，應可克服艱困地質條件及加速基樁打設施工進度。
3.引橋段橋墩基樁樁長：本工程補充地質鑽探調查成果回饋設計單位，考量外套管打設深度影響樁身摩擦力，及岩心風化程度與妥適之承載層位置(孔底岩心單壓強度)等因素，以決定最終設計樁長。經統計大小金端橋墩各支基樁之原設計與最終設計樁長(詳見圖18及19所示)之比較顯示，多數墩位最終設計樁長較原設計者大，增加設計樁長總計707m，主要係因補充地質鑽探取樣所得之單壓強度較低(如P9及P16橋墩等)或基樁座落較破碎之完全風化岩盤(如P6、P8及P14橋墩等)，亦或是含泥量較高之岩盤(如P26橋墩等)，為安全保守考量增加樁長以提高基樁承載能力；另亦有減少原設計樁長者，減少設計樁長總計472m，主要係考量岩層之嵌岩效應可增加樁身摩擦承載力(如P33及P40橋墩等)，或樁底承載位置位於良好完整之中度風化岩盤W2(如P39橋墩等)，可確保基樁承載力符合設計需求及降低成本。於地質條件及承載層深度變化複雜的地區，由最初設計階段之評估，因地、因工程制宜選擇出適合的樁種，乃至於樁的分析，並預估設計承載力及規劃妥適之施工方式，於施工階段藉由補充地質鑽探成果考量實際基樁位置之地質條件，訂定最終安全之設計樁長，以同時達到成本與時程經濟之效益，亦證明於施工階段進行補充地質鑽探調查之必要性。
| 表2 黏性土壤N值與無圍壓縮應力qu之關係表[1] |
SPT,N值 |
土壤強度描述 | qu(t/m2) |
0~2 |
極軟 |
<2.5 |
2~4 |
軟 |
2.5~5.0 |
| 4~8 | 中等 |
5.0~10.0 |
| 8~15 | 硬 |
10.0~20.0 |
| 15~30 | 堅硬 |
20.0~40.0 |
>30 |
極堅硬 |
>40.0 |
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| ▲ | 圖10 原規設與補充地質鑽探階段調查之海床高程比較圖 |
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| ▲ | 圖11 原規設與補充地質鑽探階段調查之岩盤高程比較圖 |
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![圖17 潛孔錘[3]](p04-17-b.jpg)
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| ▲ | 圖18 引橋段小金端墩位各支基樁原設計與最終設計之樁長比較圖 |
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| ▲ | 圖19 引橋段大金端墩位各支基樁原設計與最終設計之樁長比較圖 |
四、結語
金門大橋工程於施工階段進行地質補充調查成果與原規設所得調查結果相似，目前補充地質調查成果顯示小金端及深槽區部分墩位於花崗岩或流紋岩等堅硬地質，且岩盤面深度甚淺及深度、強度變化不均等不利因素影響，具有相當程度之施工難度，期許施工團隊相互配合與群策群力，一同克服並見證金門大橋的歷史。
五、參考文獻
[1] 張吉佐、陳毅俊、顏世傑、蔡宜璋，「台灣地區中北部卵礫石層工程性質及施工探討」，地工技術，
第55期，第35-46頁(1996)
[2] https://www.bauer.de/en/press/press_articles/2013/2013_06_bauma_africa.html
[3] 梁詩桐，「於花崗變質岩與硬夾石英瓷土糾結下的海域基樁工法—潛孔氣錘工法、鱷魚夾及沖錘設備
的綜合運用」，土木技師報，第708期(2010)