冰凍工法災變案例(四)凍脹對地面變位的影響

地下水流導致地下溫度下降未達需求與凍土未形成。

工程概要與發生災變狀況

本工程為河川附近之卵石層中,直徑2.28 m潛盾急轉彎段(R=15m)的冰凍防護,如圖1所示,由地面之斜向冷凍管形成凍土。潛盾之施工,係當潛盾機到達形成凍土的一端,經確認凍土與潛盾機的凍著狀態後,急轉彎段之凍土由人力先行挖掘,其後在其挖掘的空間,使潛盾機發進。地下水流存在於圖中所示的箭頭方向。

冰凍開始初期所推估的地下水流速,因地層而異,為3~10m/day。凍土形成中如圖2所示,因受地下水流的影響,導致有些地方之地下溫度未降至需求溫度。因此,在形成中的凍土之上游側(a,b處),灌注黏土,降低流速,以恢復正常之降溫狀態。

經推估已按計畫完成凍土之形成後,開始挖掘。在挖掘進度達90%時之假日後的例行檢查,發現如圖3所示之湧水。由水位上升之速度推估湧水量約為40l/min。

災變原因

在地下水的流動中形成凍土時,隨著凍土的成長,產生壅高(dam up,上下遊之水位落差增大)現象。此種水位落差產生的水力坡降,其流速局部性會大於初始流速。因此,本工地對於此種加速的水流,為了形成預期的凍土,採取併用一面監測地溫,一面增加冷凍管,以提升冷卻力的方法與灌注泥土以降低流速的方法。然而雖屬局部性,水流方向與速度隨時呈多樣變化,在地溫之測點無法檢測之處,推測仍有少數的流水路徑存在。此外,加上凍土挖掘中外露的冷凍管之撤除,冷卻力下降,終於導致湧水。

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圖1 潛盾急轉灣段冰凍工法施工概要

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圖2 受地下水流動之影響的地溫狀況

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圖3 開挖內的湧水狀況

因應措施

湧水量經確認隨著潛盾機內之水位上升而減少,水位狀態維持原狀,觀測數日。其後抽水確認開挖底面之湧水處。湧水的水溫約為10℃,推測係經由凍土中來者。

於湧水處貼附冷凍管以提升冷卻力,同時在附近設置測溫感應器,並以砂包壓住,再次使潛盾機內之水位上升,利用冰凍堵住湧水口。另在附近的上游側施行局部性砂漿灌注。根據湧水口之測溫,確認冰凍已將湧水口的湧水堵住後,抽乾積水,按原先規劃,將工程完成。

獲得的啟示

在地下水流動的地點,施行冰凍工法,除事前必須仔細調查外,為了利用地溫施行周全的管理,必須仔細探討測溫地點與其數目。此外,因開挖而減少冷凍管,降低冷卻力之舉,必須極力避免。

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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