冰凍工法之災變案例 冷凍機提前關機引起的凍土融化

冰凍工法概述

地盤改良工法之一的冰凍工法,係將軟弱地盤或含水性的地盤,施以短暫性的人為冰凍,使土壤中的水結成冰,形成「截水牆」或「耐力牆」的人為凍土,於完成主體結構物之後,使其解凍復原,即所謂地盤改良工法的一種臨時性工法。

冰凍工法原為寒冷地區的一種特殊工法,自1970年代隨著潛盾工法的發展,用於潛盾發進段及到達段的防護遞增,於是本工法乃有幸跟進並擴展至諸如溫暖地區的台灣。

本工法於1850年代蒸汽壓縮式冷凍機發明後不久的1862年,於英國的礦山之工作井的建設工程,為了防止含水層的崩坍,以人工形成凍土,在世界上首次使用。其後使用於礦山工作井的建設工程,擴展至歐洲、北美、俄羅斯及中國大陸等。城市土木工程,首次使用於1886年瑞典的人行隧道工程。目前外國使用於礦山之工作井的建設仍甚多,其施工深度達600m,若加上地下鐵或自來水及污水管道的建設等之城市土木工程,至1994年其施工件數已超過600件。

日本自外國首次施工100年後的1962年,首次使用於大阪的橫貫河底自來水管道的鋪設工程。當初大多使用於地下鐵或自來水及污水管道等的橫貫河底工程,自1970年代,隨著使用於潛盾發進段及到達段等的防護遞增,至1994年約30年內,於地下鐵、自來水及污水管道、地下調整池以及用於瓦斯電力通訊等之地下隧道工程,其施工件數已超過300件。

本工法之理論大師首推日人高志勤,彼以科學的方法闡述本工法在冰凍期間,即使因突然停電或冷凍機故障而引起的解凍,對安全性並不致於立即構成威脅,強調本工法的安全性。因此,在設計階段若能將本工法納入考量,或與一般的地盤改良工法併用,不僅災害可減至最低程度,且可使單價更趨普及化。

近年,本工法雖以地盤改良的無公害工法自居而漸受矚目,然因地盤條件及地面的建址狀況等,對其他所造成的影響亦不少,故在採用本工法之際,必須針對各條件的調查、與其他工法的比較、對主體結構物與周邊的影響程度及其因應措施等進行仔細探討,以利施行符合於施工目的,達成既安全又經濟的施工。

國內引進地盤冰凍工法,始於1990年代,首次使用於高雄縣永安鄉液化瓦斯(-162℃)儲槽的興建,其後用於災變處理者有台北捷運CH221標(1999),台北捷運CD266標(2003),高雄捷運CO2標(2005)等。若從設計階段以鹵水(brine,冷凍管出入口溫度-20℃~-40℃)冷卻地盤方式而言,則首推台北捷運新莊線,從2005年起在大橋國小站首次用於潛盾發進段及到達段的防護,並由萬鼎工程服務股份有限公司,結合俄羅斯的工程師,在JV(鹿島、榮工及皇昌)的督導之下施工。筆者有幸參與此站潛盾段的冰凍防護顧問工作,願藉此機會,將本工法在國外發生的災變狀況,做一概略的述說,期盼他山攻錯,以為殷鑑。

工程概要與發生災變狀況

本工程如附圖所示,係地下鐵工程橫跨河川,橋梁下方之冰凍防護,隧道高11m,寬7m之剖面約30m的區間。河床與隧道鑽掘頂端之覆土厚度約3m。為防止河水上漲引致的河床面之沖刷,河床部分亦鋪設冷凍管,其上澆置厚度70cm之混凝土。另於開挖隧道之四周形成2m厚度的凍土壁。基於以下嚴苛條件之考量而決定採用冰凍工法。

(a) 本基地鄰近不具有交通量5萬輛之繞道道路。

(b) 在橋梁架設的埋設物以及在其旁邊架設直徑1.5m之自來水管,無遷移之空間。

(c) 屬一級河川,其可能截流量在枯水期亦達1/3。

(d) 由於毗鄰車站,無法進行深開挖。

隧道開挖完成後,依次進行構築工程,側牆及頂板已完成,僅留下與底板(已完成混凝土澆置)之銜接。冷凍機全面關機4日後,自工作井上方之化學灌漿地盤改良區域與冰凍區域之邊界面附近,漏水開始往工作井內入侵,雖立即在四周進行灌漿,但水路仍依次往下移動,波及至構築隧道之四周。

發現漏水2日後,自僅澆置混凝土的底板,水亦冒出,最後自工作井擋土樁附近,河水大量湧入,造成河底凹陷。為因應緊急措施,在冰凍工區建造之隧道內的止水牆,由於兩側均已撤除,故水的入侵擴至一般工區。

災變原因

隧道底部,高度2m,寬3m之底板混凝土僅有2處已澆置,在本構築尚未完成之狀態下,由於冷凍機關機,凍土融化,起初由少量的漏水,使地下水的流動加速,促成凍土提前融化,最後導致河水流入。

因應措施

在冰凍工區的兩側,水下澆置隔牆,與一般工區分開,於復原河底的凹陷之後,改換為壓氣工法,完成剩餘未完成的河底部分之構築。

獲得的啟示

冷凍機關機後,凍土對於流水的阻抗十分脆弱,些微的漏水,亦足以加速凍土的融化,「滴水穿石」,切勿掉以輕心。

因此,冷凍機的關機,應在施工的目的完全達成之後,換言之,作為凍土的截水牆或耐力牆,其功能可完全由結構物取代時,方可關機。

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附圖 構築隧道四周之冰凍工法施工概要(縱剖面)(摘自「參考資料」P.142)

參考資料

姚義久(2006)。地盤冰凍工法理論與實務。 現代營建雜誌社。

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