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黃敏祥 新莊線CK570G標潛盾到達水平冰凍工法14 新莊線CK570G標潛盾到達水平冰凍工法 黃敏祥 摘要 臺北地區地下水水量豐富，捷運工程施工也愈往地下施工且深度日益增加，冷凍工法的 使用愈漸頻繁，就其原理及施工步驟與管理亦已漸行熟悉，惟就冷凍中的熱力學計算對土木 工程師實屬陌生，故對熱量的損失估算、隔熱及冷凍機的選擇無所依循，故藉此篇幅謹做投 石性提引，盼引諸工程師能更為探討與研究使此工法得以完整的掌握。 關鍵詞冷凍工法、CK570G標、冷凍負荷、熱傳導率、歷時溫度變化 Freezing Applied on the Tunnel-Breakthrough Construction of Taipei MRT Xinzhuang Lines Contract CK570G Min-Hsiang Huang Abstract MRT tunnel construction in Taiwan is being conducted at greater and greater depths. To overcome the plentiful amounts of ground water found in deeper excavations, the freezing is used universally. The theory, operation and management of the technique is gradually becoming familiar. However, in light of the thermodynamics calculations applied to freezing construction, the knowledge of heat loss, heat-resistance as well as the choice of freezing machine still being strange to civil engineers, this paper addresses how to estimate heat loss and how to choose an optimal equipment for treating frozen ground earth, by taking the freezing conducted on Taipei MRTs CK570G as an example Keywords ground frozen , thermodynamics 臺北市政府捷運工程局南區工程處工務所主任 huangmhtrts.dorts.gov.tw 捷運技術半年刊 第38期 97年2月15 一、前言 CK570G標車站東端潛盾隧道上方由於有民權國中四層樓的圖書館建物，地下水位水 頭可達3kg/cm2，又隧道到達地盤改良區須達地下30公尺以上恐無法掌握改良體之精度與品 質，如破鏡時發生漏水湧砂災變則後果不堪設想，故細步設計顧問設計以較為保險的冷凍工 法，來避免工程災害的發生。經過周延的計畫與施工，終完成土壤冰凍安然地破鏡，完成隧 道。 二、冷凍工法的原理 在地盤土壤中埋設冷凍管，以低溫鹵水的冷凍液循環於冷凍管中，將土壤熱量予已吸 收，再藉由壓縮機、凝縮器、蒸發器等冷媒循環交換熱能，一再地產生冷卻作用以降低冷凍 管中之鹽水冷凍循環液。另一方面，壓縮機等冷媒循環再藉由水冷散熱於大氣。由熱交換的 原理則可將土壤與地下水凍結形成高強度的冰體，以做為良好的結構支撐或擋土防護。 三、潛盾到達水平冰凍工程概要 潛盾機外徑為Φ6240mm，鑽掘到達大橋國小站東端時，破除連續壁，開挖面修挖，潛 盾機盾首拆除，洞口處理等連接作業所需的止水防護凍土壁，都是靠工作井內埋設水平冷凍 管後予以冰凍施工之工程。 當潛盾機掘進到工作井確定的停機位置，完成掘進後，在工作井內使用水平鑽孔機來埋 設水平凍結管、測溫管。並進行凍結基地臨時設備，凍結設備配管、防熱及量測配線等工 作。此外潛盾機大體拆解完畢後，由隧道埋設連絡管，穿過盾首段，使冷凍液Brine可以在 盾尾及隧道內循環。並在潛盾機內設置貼付型冷凍管、隔熱材料，以進行潛盾機盾尾凍結， 防止地下水自盾尾間隙流入隧道內。 上述臨時設備工程完了後，在凍結基地內以冷凍機將冷卻後的冷凍液鹵水氯化鈣溶液 在各冷凍管內循環。經46天的運轉期，形成所需要的凍土壁。 在凍土造成期間，經由插於測溫管的測溫感測，傳至管理室內的電腦設備將地下溫度集 中監視，並進行冷凍機的運轉管理及冷卻冷凍液的循環管理。 圖1 潛盾到達隧道週邊冷凍示意圖 圖2 潛盾機到達止水防護冷凍斷面 黃敏祥 新莊線CK570G標潛盾到達水平冰凍工法16 在確認所定的凍土壁已形成及有良好的止水效果後，開始進行潛盾機到達作業。到達作 業包含破除連續壁、掘削面開挖、潛盾機拆解、接頭鋼板設置、洞口處理、背填灌漿。此段 凍結維持期間，依計劃為75日。 凍結完工後，在冷凍管、測溫管內注入填充材，切斷頭部撤除後在管口焊接鐵板。再進 行配管及防熱等設備之撤除，則冷凍工程全數完成。 由於潛盾機鑽掘到達時採棄殼方式施作，故冷凍的目的在使潛盾機週邊形成一道具優越 遮斷地下水流的凍土，使連續壁破除時與潛盾機首之間沒有水沙流出，則能施作鋼板並充分 封閉接頭水路，達到止水效果。對於冰體的強度考量則較為其次。 四、土質條件 依據地質條件，評估冷凍地盤之容積含水率P＝0.6 m3 / m3 。因冷凍運轉開始前，已施作 了CJG地盤改良工程，所以初期地盤溫度假設θ∞＝30℃。並假設地下水中不含鹽分。 五、地下水流的考量 以日本冷凍的經驗，地下水流速度在2m/天以內以鹽類循環方式，是可形成凍土的，如 採液化氮冷凍方式則可在10m/天的流速下形成凍土。 本標在施工時，鄰標可能仍在大規模對景美層降水施工，故對地下水會產生流速的變 化，因此採冷凍工法亦應考慮地下水流的速度變化，檢討是否需採其他輔助工法以降低流速 如 1. 冷凍液溫度的降低 2. 加大冷凍管的管徑，增加接觸面 3. 縮短冷凍管的間距 4. 增加冷凍管的數量 5. 以地盤改良方式降低透水係數 6. 以地盤改良方式限制凍結區域內之水流。 此次，CK570G標即因隧道到達段已有施作CJG及化學灌漿，故經檢討水的流動不致影 響本次冷凍結果。 表1. 飽合土壤的熱性質 P＝0.6 m3 / m3 時 捷運技術半年刊 第38期 97年2月17 六、凍土厚度的決定 如果凍土是用來做為擋土支撐，則以力學的分析可以求得凍土所需承受的應力。如初期 路網CH221標災變復舊時，即是考慮以凍土來承受32公尺深的水土壓力，以及23環環片重置 時，隧道開挖後隧道周邊所需的支撐。由於CK570G標的潛盾到達是採棄殼方式，故較無靠 凍土來支撐的考量，加上隧道到達部先前已有CJG三重管之灌漿，故僅需就潛盾機機首到連 續壁間之間距，優先考量止水功能，冷凍工法在此應用，可謂提高保險，是確保不發生災變 之極至。 考慮到達部施工等因素，於距開口直徑6.5m外兩側再加0.5m處即在7.5m圓周上，以間 隔0.8m的距離設置30支水平冷凍管。在冷凍管埋設處則單側會形成與間隔相同厚度的0.8m凍 土，實際凍土形成厚度則可為0.80.63＝1.43m。 七、CK570G標的施工數量 其他的測點冷凍範圍區溫度潛盾機內 8點2處 16點 隧道內溫度 2點3處 6點 冷凍機相關溫度 5點 氣溫 2點 合計29點 連絡管數量 上行線1支、下行線1支，共計2支。 八、凍土成長日數預估 以0.8m間距之凍結管列凍結，土的容積含水率P＝0.6 m3/m3，冷卻溫度θb＝-27.5℃，初 期地下溫度θ∞＝30˚C，土的凍結溫度θf＝0˚C鹽分濃度0，其管列凍結的速度及負荷來 推算，並採用單管凍結理論，隨凍土牆形成後，就採用凍結管列的平均溫度為冷卻溫度之平 板凍結理論來推算。 表2.冷凍管數量 上行線支數支下行線支數支合計支數支管長m總長m 水平冷凍管 90A 3030609.40564.00 貼付型冷凍管 潛盾機內 4848962.8269.00 表3.測溫管數量 上行線 支數支 下行線 支數支 合計支數 支 管m 測點數 點/本 總長m 水平測溫管77149.404131.60 合計771456點131.60 黃敏祥 新莊線CK570G標潛盾到達水平冰凍工法18 假設參數 P＝0.6 m3/m3，θ∞＝30.0˚Cα＝0.0508m90A， Pi＝0.8 mθb＝-27.5˚C，θf＝0˚C 九、冷凍負荷量的計算 冷凍負荷的計算是為了要選用冷凍裝置，評估 設備是否足以使地層凍結，並維持足夠的能量，以 讓冰凍體不致有所融解。 冷凍大致考量的負荷有 一 冷凍負荷 計算每日冷凍管所需熱量負荷，參 考如圖4， 例如第30日凍結管的凍結負荷從圖4為165W/ m，貼付管為67W/m、其管長分別為564m與264m、 故其負荷量為16556467264110,700W第30 日。 二 輸配管負荷 在輸配管隔熱狀況下仍有熱量的損失，故應計算輸配管負荷，以檢討熱量的損失 輸配管負荷（隔熱狀態下）計算如下方式 輸配管負荷kcal/h 單位輸配管長的散熱量kcal/mh 輸配管總長度m 隔熱材施工熱量損失安全係數一般採1.21.5 單位配管長的散熱量以下列公式計算 w/m m 250 200 150 100 50 0 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.8 43 0 30 60 90 120 150 180 210 240 圖3凍土成長及凍結負荷曲線 圖5總負荷曲線圖 w/m 0 30 60 90 120 150 180 210 240 250 200 150 100 50 0 250 圖4冷凍管負荷圖 捷運技術半年刊 第38期 97年2月19 lu q a a h 1 r i 單位輸配管長的散熱量kcal/mh lu q a a h 1 r i 氣溫˚C l 管內液體溫度˚C lu q a a h 1 r i 空氣自管表面的熱傳達率kcal/㎡ h。C；一般為520，35。C時為7 lu q a a h 1 r i 輸配管外半徑m lu q a a h 1 r i 隔熱材厚度m lu q a a h 1 r i 隔熱材的熱傳導率kcal/m h˚C 聚苯乙烯約為0.027 kcal/m h˚C CK570G標考慮輸配管負荷為11,000W施工期間每日均為相同狀況故將其考慮為一固定 負荷。 （三）連續壁壁面負荷（隔熱狀態下） w q 壁面負荷kcal/h wl q a w a h i 壁面單位面積散熱量kcal/㎡h w A 壁面表面積㎡ i SF隔熱材施工熱量損失安全係數一般採1.21.5 壁面單位的散熱量以下列公式計算 θθ ia wa wl λh - q 1δ wl q a w a h i 壁面單位面積散熱量kcal/㎡h wl q a w a h i 氣溫 ˚C wl q a w a h i 壁面溫度 ˚C wl q a w a h i 空氣自管表面的熱傳達率kcal/㎡ h˚C；一般為520，35˚C時為7 wl q a w a h i 設置隔熱材料的厚度 m wl q a w a h i 隔熱材的熱傳導率kcal/m h˚C 聚苯乙烯約為0.027 kcal/m h˚C CK570G標面積有 工作井7.1π 2m 2 ＝90 ㎡ 潛盾機6.1π4m2 ＝154 ㎡ 潛盾貼付部5.6π3m2 ＝106 ㎡ 施工期間均相同故考慮為一固定負荷14,200W 工作井＝90㎡23.4W、潛盾機＝154㎡ 58W、潛盾貼付部＝106㎡30W 所以，負荷曲線圖如圖5。 以第30日之負荷為例110,70011,00014,200135,900W 黃敏祥 新莊線CK570G標潛盾到達水平冰凍工法20 十、冷凍機的選擇 冷凍機的選擇，應了解機器的冷凍能力，其能力亦可能應季節氣候的溫度高低而有所減 增，所以如果所選用的機器冷凍能力與負荷比較是在臨界的狀況下，對於運作環境室內溫 度及機組應事先多加考量因應與選用。又機器能力也會隨使用的老舊而有所衰減。另鹵水 的循環幫浦也會增加冷凍機的能量供應的減少；再者，冷凍機內的熱量亦會造成能量損失的 情形，一般估計約有1000kcal/h的減損。就日本建設機械化協會計算 uopbuuou - qP - QQ860 u Q uo Q u b P p uo q 冷凍機的實際冷凍能力（kcal/h）u Q uo Q u b P p uo q 冷凍機的規格冷凍能力（kcal/h） u Q uo Q u b P p uo q 冷凍機的效率一般為0.9 u Q uo Q u b P p uo q BRINE的循環幫浦動力kw u Q uo Q u b P p uo q BRINE的循環幫浦效率一般為0.9 u Q uo Q u b P p uo q 冷凍機內的能量損失（kcal/h，一般估計約有1000kcal/h的減損） CK570G標所使用HP200型馬達出力150Kw2台（1台預備機）之凍結整套設備，可以 充份滿足相關冷凍所需負荷量。46日後的冷凍維持，則僅以一部機器運轉即可，另一部則作 為預備或替換使用。 十一、冷凍管的設置 水平冷凍管的施工困難度較為高，因為鑽設時要貫穿連續壁，甚或鑽入未經改良的地 層，故除了要保持相當的水平精度，還得克服地下水、砂在鑽設過程中的湧入，故鑽設時要 裝置防止水、砂的湧入裝置，否則土壤流失將造成地面沉陷。 冷凍管主要是使用碳鋼鋼管SGP，在埋設冷凍管時，必須於各種冷凍管埋設之後，充 分施行氣密檢查以7kg/cm2維持6小時之氣壓檢驗，以確認沒有洩漏現象，如於鹵水開始循 環後洩漏到地層間，將造成地層無法凍結的情形，對工程影響甚鉅。 圖6鑽孔時防止水砂湧入之閘閥 捷運技術半年刊 第38期 97年2月21 貼付型冷凍管的材料則是使用一般的口型鋼管（STKR400）。 冷凍管的鑽、裝設容許偏移量為10公分1/94；如果有所偏移應考量予以補設或增設。 冷凍液輸配管係將冷凍機冷卻的鹵水傳送給各冷凍管管。主配管及分支接頭管的規格 以碳鋼鋼管SGP，以電焊連接；連接冷凍管與分支接頭管的支管則採用壓力軟管。為了使 冷凍液能均勻地分配至各冷凍管，在配管的各重要處所裝設閥門VALVE、壓力計、洩氣閥 等，以便有任何狀況時可以調整控制，此外並應適當地以型鋼固定支撐。每完成各系統的配 管時，應使用氣壓進行測漏試驗，做氣密性之檢查，冷凍循環時則施行例行檢查。 為防止大氣的溫度使冷凍機的負荷增加，故各配管應採隔熱措施。輸配管隔熱係使用發 泡聚苯乙烯 POLYSTYRENE材料之保溫泡棉（厚50mm），並以防水塑膠帶包紮。 工作井連續壁壁面、潛盾機盾殼及冰凍體開挖面的隔熱，則係鋪設有塑膠膜披覆之玻璃 纖維（厚50mm）。 十二、冷凍循環管理 冷凍設備為24小時運轉，係從開始運轉起至工程完成為止，故冷凍設備之維護管理頗為 重要。凍結設備之維護管理，主要為機油之更換、乾燥材更換、補充冷媒，膨脹閥、油壓閥 等的調整、氣體洩漏檢查及定時點檢查等。定時點檢查一天三次，定時性地量測電流各種儀 器壓、各點的溫度，並加以調節，使能以正常狀態運轉。另外，隨著冷凍機運轉並定期施行 圖7鑽孔式冷凍管（使用於水平冷凍管） 圖8單管式冷凍管（使用於貼付冷凍管） 黃敏祥 新莊線CK570G標潛盾到達水平冰凍工法22 凍結管及配管之空氣排除，以免有因氣泡而影響傳送。 冷凍管理除了上述運轉管理、溫度測定管理外、尚有凍土面管理、各處凍結狀態管理、 漏水時之水量監視、特殊狀況檢討如停電、停水、凍結機故障等。 發生了非常事而停止了凍結機時，應立即研討對策。 十三、溫度的量測管理 在冷凍運轉前即應開始記錄地層的溫度。測溫的方式有定點及不同深度測溫兩種，兩種 均係插於測溫管內，以電子感溫端藉由電阻的變化測得溫度。定點測溫為預先所設定之深 度，一天量測三次。不同深度之測溫則是為得知測溫管方向的曲線圖。藉由溫度曲線圖檢核 冷凍速度，並進行凍土的預估。 定點測溫的測定結果，每天以曲線圖紀錄並彙整為歷時溫度變化。深度移動測溫的結果 圖9鑽孔式測溫管（使用於水平測溫管） 圖10下行隧道冷凍運轉溫度歷時曲線 捷運技術半年刊 第38期 97年2月23 則於實施後彙整為測溫管方向的曲線圖。 經由這些曲線圖來檢定研判凍結速度，並隨時進行凍土成長之預估，一方面仍須再調查 地下水流等影響，檢視有無異常的溫度變動，並比較凍土是否正常成長與維持。 十四、結語 由於在臺灣區都市地下水的流動不是很快，可以預期工程中運用冷凍工法的機會也會日 益增加，雖然臺灣捷運工程中有幾次使用了冷凍工法，但冰凍對於臺灣土壤的行為我們仍然 沒有很清楚的掌握，冷凍膨脹及解凍後體積的變化還沒能有效的預估，溫度在土壤冰體及多 支冷凍管的交互影響下如何推估都還是各門課題。本篇雖在熱力及隔熱方面有所引述，但僅 仍為冷凍工程學問中之ㄧ塊拼圖，願各工程達人有所進展，完成冷凍大圖。 參考文獻 1. 高志 勤、和田正八郎『關於凍結工法Ⅰ』 冷凍 第36卷 第408號、1961 2. 戶部 暢、秋元 攻『凍土內溫度分佈計算式及其應用』冷凍 第54卷 第622號、1979 3. 榮工／奧村共同承攬（2006）08車站上下行隧道到達段地盤處理工程冷凍工法施工計畫書 4. 日本建設機械化協會（1981） 地盤凍結工法 5. 青木／新亞聯合承攬（1994）V／S災害復舊工程排水、排土、環片更換防護凍結工法 6. 經濟部工業局（2002）絕熱和熱傳材料之技術手冊 圖11連續壁與隧道鏡面冷凍後破除 圖12鏡面破除後潛盾機露出