新庄线CK570G标潜盾到达水平冰冻工法

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
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黃敏祥 新莊線CK570G標潛盾到達水平冰凍工法
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。
（三）連續壁壁面負荷（隔熱狀態下）：
r h 1 ：空氣自管表面的熱傳達率(kcal/㎡ h。C；一般為5~20，35。C時為7) a a r į 1 ：輸配管外半徑(m) h a
a șh a a ：氣溫(˚C) h r1a ：管內液體溫度(˚C) ș
：單位輸配管長的散熱量(kcal/mh)
qa ș wl ș ( θa - θw ) w ș q a q wl wl = 1 + δ (h ) ( λi ) ș qa w wl a h aw ș ș q a wl ：壁面單位面積散熱量(kcal/㎡h) ș ha ș w ：氣溫 (˚C) a į șh a ：壁面溫度 (˚C) w a ha į ș w ：空氣自管表面的熱傳達率(kcal/㎡ h˚C；一般為5~20，35˚C時為7) Ȝ ：設置隔熱材料的厚度 (m) įia h ș w Ȝia ：隔熱材的熱傳導率(kcal/m h˚C 聚苯乙烯約為0.027 kcal/m h˚C) į h hȜ į ai CK570G 標面積有： Ȝi į
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。
潛盾貼付部：5.6π×3m×2 ＝106 ㎡ Ȝi 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110,700+11,000+14,200=135,900W
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 method 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 method conducted on Taipei MRT's CK570G as an example Keywords: ground frozen method, thermodynamics
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黃敏祥 新莊線CK570G標潛盾到達水平冰凍工法
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。
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圖3凍土成長及凍結負荷曲線
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 165 × 564+67 × 264=110,700W( 第 30 日)。 圖5總負荷曲線圖 (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：
水平測溫管 合計
上行線 支數(支) 7 7
管(m) 9.40
測點數 (點/本) 4 56點
總長(m) 131.60 131.60
七、CK570G標的施工數量
其他的測點：冷凍範圍區溫度(潛盾機內) 隧道內溫度 冷凍機相關溫度 氣溫 連絡管數量 上行線1支、下行線1支，共計2支。 8點×2處= 16點 2點×3處= 6點 5點 2點 (合計29點)
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假設參數 P＝0.6 m3/m3，θ∞＝30.0˚Cα＝0.0508m(90A)， Pi＝0.8 mθb＝-27.5˚C，θf＝0˚C

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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。 表1. 飽合土壤的熱性質( P＝0.6 m3 / m3 時 )
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。
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圖4冷凍管負荷圖
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捷運技術半年刊 第38期 97年2月
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į ：隔熱材厚度(m) r 1 1 Ȝi ：隔熱材的熱傳導率(kcal/m h˚C 聚苯乙烯約為0.027 kcal/m h˚C) į r 1 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 įȜi 負荷)Ȝ 。 įi
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。
：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1.2~1.5) 單位配管長的散熱量以下列公式計算：
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