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。

(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。