潛盾到達棄殼端-冷凍工法之運用

-以台電大安變電所相關345kV電纜線路工程為例

林聰能  土木技師/經理/台灣世曦營建部

賴旭明  主任/台灣世曦營建部

陳文通  副處長/台電輸工處北區處

張柏彥  經理/台電輸工處北區處 

潛盾洞道施工時，如到達端無法設置到達井、或既有到達井空間受限，致潛盾機無法破鏡進入到達井內，將機具拆解運出時，必須採潛盾到達端棄殼設計及施工，比諸傳統潛盾工法，施工風險高。

以台電大安變電所相關345kV電纜線路工程為例，其潛盾洞道，內徑5.5m、長度966m，自大安E/S銜接至信義路共同管道之Y9分歧部。Y9分歧部為到達工作井(捷運信義線既設共同管道)，設置於信義路及大安路口附近，因Y9用地進行潛盾機壁外棄殼施工時，無法於既設道路上，設置地盤改良相關設施，故須由潛盾機內採相關止水工法，以進行壁外棄殻、拆解與破鏡作業，以銜接信義線共同管道。考量潛盾到達之Y9工作井，位處人口密集之都會區(詳圖1)，因潛在高土水壓力環境等施工風險，故採地盤冷凍工法，以作為潛盾棄殼及破鏡作業等安全防護。

圖1  Y9到達井平面配置圖

一、地盤冷凍設計

冷凍設計，主要為決定凍結日數與主機大小，而影響二者之重要因素，包含冷凍管尺寸、地溫及大氣溫度、土層基本參數、運轉條件及地下水文。

(一)設計條件

本工程所採用之地盤冷凍方式，屬於封閉式冷凍循環系統(詳圖2)，其原理係將冷凍管埋入待處理的地盤內，再以低溫之不凍液進行循環，藉以攜出地盤之熱量，散發至大氣中。

圖2  鹵水冷凍系統示意圖(密閉式循環系統)

(1) 冷凍管尺寸

Y9潛盾到達井冰凍工區(以下簡稱Y9)，所採用之冷凍管鑽管外徑為89.1mm，分析上係假設冷凍外管外徑為90mm、並選用25A(外徑34mm)之冷凍內管進行分析。

(2) 地溫及大氣溫度

冷凍範圍之初始地溫、與外界氣溫皆設定為26℃。

(3) 土層基本參數

Y9地層剖面圖，詳圖3。Y9潛盾到達之深度，約介於地表下9.3m至15.4m，主要由灰色黏土所組成，地下水位約於地表下4.1m，土壤簡化地層參數，詳表1。

表1  簡化地層參數表(Y9)

(4) 冷凍運轉條件

積極凍結階段，將採-20℃至-30℃之設計鹵水溫度進行冷凍運轉，另依測溫管之實際溫度監測數據，調整鹵水溫度，以確保凍土如期成長至設計範圍。

圖3  Y9潛盾到達井地層剖面圖

(二)冷凍範圍

Y9地盤冷凍範圍，為凍結管兩側各75cm所圍成冰凍區域，詳圖4。

圖4  Y9冷凍設計範圍

(三)冷凍管配置

Y9之冷凍管配置，詳圖5及圖6，冷凍管配置，由#4潛盾機中心呈輻射對稱排列，共20支，各冷凍管土中深度1.07m，另佈設測溫管5支，每支長1.70m (長度由盾殼外緣計算至壁面)。本工程之冷凍管及測溫管，採放射狀「均佈排列」，測溫管分布皆位於凍土外緣，能夠有效監測凍土成長情形。

圖5  Y9冷凍管/測溫管配置圖

圖6  Y9冷凍管/貼附管

二、冷凍施工

Y9冷凍施工流程，詳圖7。

(一)潛盾隧道冷凍站建置

冷凍機設備、冷卻鹵水泵浦、冷卻水塔、電器及控制設備、冷卻水配管、監測設備、鑽孔設備進場，隧道內平台構置，隧道內工區配置，詳圖8。

(二)冷凍管/測溫管/貫通孔鑽裝作業

該作業於潛盾機預留之止水閥及套管進行鑽孔，鑽孔完成後，以光學投影之方式，進行測斜作業，量測方式說明如下：因冷凍管中心軸與潛盾機前進方向之夾角為已知，測斜作業前先放樣Ｏ’，另由孔底投影至O”，藉由測量兩點之相對位置，經由幾何關係，即可得冷凍管終孔偏斜量。測斜示意，詳圖9；各孔偏斜量不得大於3%，否則須將實際終孔座標，進行回饋分析，以評估對冷凍運轉之影響。

(三)氣密試驗

為防止屆時因有孔洞，致鹵水受壓外流，而在改良區內形成不凍結之區域，故在冷凍工法施行前，將做一嚴密之氣密檢驗(≧7kgf/cm²)，以確認沒有外洩現象，冷凍管經試壓60分鐘，壓力下降值不超過0.5kgf/cm²，再持續保壓測試15分鐘，壓力維持不變，方為合格；測溫管設置方式與冷凍管相同，其構造僅有外管之單管構造，而外管與冷凍管之氣密檢驗，標準相同。經氣密檢驗不合格之冷凍管，應提送如：補孔、抽換冷凍管、或置入內套管、或其他可行之補救方案，經核可後，據以施作。

(四)配管作業

進行鹵水循環管路、冷卻水循環與供給管路配管作業。於鹵水循環管路中重點處，設置流量計、開關閥、壓力計、透氣孔、測溫孔等。

(五)保溫作業

於鹵水循環液管路及與凍土接觸之壁面，實施隔熱處理。

(六)凍結運轉管理

配管及設備安裝完成並實施試運轉後，即開始冷凍設備運轉，進行凍土形成及凍土區維持作業。本案自106/12/25開始冷凍運轉，至107/2/20共58天，凍土成效已達設計要求(管理值-3.0⁰C)(詳圖10)。

(七)試水作業

由#4潛盾機切削盤端預留開孔，進行鑽孔試水，透水係數K值≦1*10^-5cm/sec，確認無出砂出水情形；作業起始階段，可能因凍脹現象而排出之水砂，應屬正常現象，確認無持續滲水之情形，表示凍土成長達預期，可進行後續破鏡作業。

(八)破鏡作業

試水完成，即進行潛盾機第二階段拆解，清除土艙內殘土，並於連續壁與潛盾機間隙，焊接止水封鈑，而後再進行破鏡作業。

(九)冰凍運轉終了、撤除復舊

待破鏡作業完成、接合部結構完成，關閉冷凍機組、拆除配管，並於冷凍管孔口進行復舊作業。

三、結論

本到達工作井，位於台北市大安路一段與信義路口，因地處交通繁忙及無法於地面上施工之條件限制下，規劃於潛盾機內部採水平放射狀冷凍工法，來完成止水課題，進而完成潛盾機拆解棄殼與到達端之鏡面破除等作業，本水平冷凍工法，不受地面管線與交通管制影響，於設計階段即規劃相關水平冷凍孔位，並於潛盾機設計製作時先行預留套管。

本案的順利完成，實可提供台灣產、官、學、研各界，於高土水壓力環境下，潛盾洞道到達端無法於地面上施築地盤改良時，值得參考及借鏡之設計、施工工法。 

参考文獻

[1]     台灣電力公司(2010)，「大安變電所相關345kV電纜線路規劃及基本設計報告」。

[2]     陳福勝、何泰源(2005)，「冰凍工法之設計與施工」，中華技術第65期。

[3]     姚義久，「地盤冰凍工法概述」，現代營健第336期。

[4]     鹿島營造股份有限公司(2017)，「Y9直井潛盾到達冰凍工程施工計畫書」。

[5]     林聰能、陳文通、陳世浩、曾惠斌(2019)，「台灣都會區潛盾洞道棄殼施工風險管控-以台電大安345kV電纜潛盾工程為例」，第十八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會。

[6]     林聰能、陳文通、陳世浩 (2020)，「潛盾洞道棄殼施工與風險管控」，技師期刊第90期。