地盤冰凍工法概述

□姚義久/前台北捷運新莊線CK570C區段標工程 地盤冰凍工程顧問

一、前言

        地盤冰凍工法（Ground Freezing）為地盤改良工法的一種，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。
        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，隨著潛盾工法的發展，局部用於發進段及到達段等的防護，逐漸增多，目前佔施工的大部分。可適用的地盤，舉凡砂礫層、軟弱土層及包含受壓水層等之所有的含水地盤，與地層之構成類別無關。在地下鐵、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，至1994年約30年內，其施工件數已超過300件。
        台灣地盤冰凍工程，始於1990年代高雄縣永安鄉液化瓦斯（－162℃）儲槽的興建，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，則自日本首次施工43年後的2005年，首次使用於臺北捷運新莊線大橋國小站潛盾工法發進段的防護。
        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。

二、工法特徵

地盤冰凍工法具有下列的特徵：
         (一) 與土壤的種類無關，均可適用。傳統的灌漿工法等，或因透水係數、土粒大小及土壤的化學性質等之因素，有其施工限度，本工法主要利用熱傳導，故不受土壤種類的限制。
         (二) 凍土之力學強度優越。土壤的單軸壓縮強度，隨其種類而異，在溫度及其他條件相同的情況下，冰凍砂比冰凍黏土大，冰凍後比冰凍前，其強度有高達100倍者，故可利用為抗土壓及水壓的耐力牆。
         (三) 凍土之截水性完全，凍著力大。凍土不透水，自不待言，土壤與混凝土、潛盾環片及鋼材等的構件，若在－10℃使其凍著，則其拉力強度可達10 kgf/cm2以上。
         (四) 凍土之均勻性優越。熱經常自高溫流向低溫。換言之，利用溫度在地盤內經常保持均勻的性質，只要冷卻作用持續，在某一時刻即可造成均勻的凍土塊。此凍土的均勻性在多層地盤亦可確保。由於此種特性，利用地盤內溫度的量測，冷凍範圍之掌握等的凍土管理可確實施行。
         (五) 完全無地下水污染等之公害顧慮。工程完成解凍後，僅孔隙水恢復為原來的水而已，而冷卻媒體也僅在地盤內的冷凍管內流動，故可謂為一種無公害的工法。
         (六) 凍土的造成需一定的時間。由於利用地盤的熱傳導特性，故凍土的成長速度較慢。因此，在整個建設工程的進度之中，必須考慮將冷凍工程的進度，有效地納入。
         (七) 凍脹與解陷有時對周圍會造成影響。在砂礫層幾乎不發生凍脹，但在含有細粒成分的粉土及黏土層等，則發生凍脹。因此，隨土質的不同，除預測及實測之外，有時必須採取必要的措施。
         (八) 地下水流超過一定的速度時，時而不能達成預期的凍土牆。流速太大時，由於其所帶進的熱，時而超過冷卻力，阻礙凍土的成長，故在設計及施工時必須慎重考慮。
         (九) 自然解凍時間長，比較安全。解凍速率在大氣表面約1cm/日，在地盤內約0.5cm/日以下，因此施工中即使發生機械故障或停電等的意外，安全上並不立即構成重大的威脅。
         (十) 比起傳統的灌漿工法，單價較高，總工程費亦較昂。一般而言，本工法改良總土量雖較少，但因單價較高，故總工程費亦較昂。但是，傳統的灌漿工法有其土質適用範圍的限制，就某一施工條件而言，若只在工程費的比較，則毫無意義。因此本工法，並非僅做為傳統工法的替代方案而考慮，而應考慮為當傳統工法的施工有其極度的困難，或其工期不敷所需時。

三、冰凍工程之計畫

        計畫冰凍工程時，必須根據整體計畫，將建址環境條件、地盤條件及工期等加以綜合探討，以利擬定安全且經濟的計畫。
        冰凍工法，一般用於經多種工法比較的結果，以重視安全性為主之決定性的方法，在嚴格限制的施工條件下之工地。
        冰凍工法具有前所述之特徵，不僅施工條件，而且必須根據此等的特徵，配合工程的種類、規模、條件及工期等的具體問題，將基本計畫、各個的探討與對策、設計、施工法、工地管理及監測方法等，加以統籌。
        冰凍工法，其他，有由以往的經驗而得下列之應遵循事項。若因各種情由，不得已須違反此等應遵循事項而計畫時，應針對因應措施加以探討。
        應遵循事項如下：
         (一) 使用本工法於開挖工作井時，凍土牆的上端至少應高出最高地下水位1m以上，以防地下水越流。
         (二) 所有的冷凍管在冰凍中折損時，必須可抽換或補強增設。
         (三) 本工法於橫貫河川時，河床與開挖頂端之間，必須確保2m以上的有效凍土厚度。
         (四) 使用本工法於橫貫河川或具有與此等同的危險性之工程時，即使在夏季，亦應將循環液的溫度降至－25℃以下。
         (五) 在無保護的狀態下，從開挖面貫穿凍土，地下水位以下的凍土，不得進行鑽孔。
         (六) 將凍土當作耐力牆考慮時，必須從單軸壓縮、彎曲拉力及剪力等各應力狀況，進行探討，其安全係數不得低於2.5。
         (七) 冷凍管的結構，應為容易確認鹵水或液態氮之正常循環者。
        茲將計畫及設計的步驟，示於圖1。

四、凍土工程之調查與試驗

(一) 調查與試驗之目的
        計畫冰凍工程時，必須充分考慮冰凍工法的特徵，於事前進行調查及試驗，以擬定最適合的施工計畫。換言之，冰凍工程一般工程費偏高，為了獲得有效的方法，必須掌握地形及地質、地下水流、周邊環境、障礙物件等的各條件，以取得做適當判斷所需的資料。此等的調查資料，為決定採用本工法的適當與否之重要因素，同時亦為設計所需之資料，且用為防止對周邊結構物等的影響之措施的探討，故調查必須仔細進行。
(二) 工程計畫之調查
        由於時而會遭遇到調查不仔細之意外情事，對設計變更、工期的延遲及其他的影響亦大，故必須慎重施行。
        為了工程計畫，於事前進行的調查，有如下之項目，另在設計及施工階段，亦分別施行所需之調查。
1. 建址環境調查
        係調查施行冰凍工法附近的建址條件及環境狀況，其調查的項目如下：
         (1) 土地現況
        預定施工地點附近的土地現況，屬道路段或河川段，市區地或郊外地，依其類別，調查一般的地面或地下的限制情事。尤其，在環保上，依用途地區類別，有噪音、振動及日照等之規定，必須做適當的調查。
        (2) 道路狀況
        施工地點若為道路段，則調查路面交通量，依道路佔用的形態，預測將造成何種的影響。繼之，擬定施工步驟、方法、作業時間帶以及工程進度等之方案，依道路類別（國道或城鎮道）必須向道路管理機構，辦理認可手續，並接受其指示。
        橋梁部分因凍結而造成的影響，應仔細探討，掌握橋梁形式、基礎結構及與河川的關係，接受管理者的認可。
         (3) 河川狀況
        一般而言，調查河川剖面或護岸堤防的結構及疏浚計畫高度。
         (4) 確保冰凍基地
        冰凍基地在工程管理上宜儘可能接近於冰凍工程地點。在城區地的情況，土地的取得極為困難。因此時而佔用河川用地使用。
         (5) 工程用的電力
        諸如地下鐵工程，大剖面長期的施工，需大量的電力。因此，必須計算所需的電量，擬定需求電量設備計畫，與電力公司協商，採取所需的措施。
         (6) 環保調查
        一般而言，冰凍工程雖為有礙環保較少的一種工程，但關於噪音、振動，係來自冰凍基地內的空壓機，影響極大，故必須有妥善的防護措施。由於冰凍工程係日夜連續運作，故基地位置的選擇，應儘可能避免設置在學校、幼兒園、圖書館及旅館等附近。
2. 障礙物調查
        施工地附近的各物件，是否因冰凍工程而直接受影響，或是否在影響的範圍內，必須事先進行仔細的調查。調查的對象為建物、橋梁及鐵塔等的地上結構物，以及自來水與污水管道、電訊管路、瓦斯管路等的地下埋設物。此等的位置、深度、規模、結構形式、基礎的狀況、使用狀況以及老朽程度等，先進行初步調查，必要時進行試挖調查。其結果，應加以防護或須處理者，必須事先與管理者協商，接受認可。此等的措施，也有費時較長者，必須留意。
3. 地形及地質調查
        地形及地質調查，為設計冰凍工法之基本，必須仔細慎重行之。其調查明細如表1所示。
        關於地形，調查廣泛範圍的現地狀況。例如，是否有溺穀、是否受地下水的流速或方向以及鄰近河海的影響。
        關於地質，宜分初步調查與細部調查，其他，關於埋設冷凍管所需的鑽孔，其施工性、地下溫度及氣象條件，也應一併調查。
         (1) 初步調查
        一般市售的地盤圖集或附近建設工程施行的鑽探資料的取得，以及施行現地勘查。其他如古蹟文物的變遷等，時而可供參考。
         (2) 細部調查
        為了調查地質的成層以及分佈狀態，首先施行標準貫入試驗。同時採取試體進行各種物理試驗或力學試驗。
        此外，視實際情況，施行地下水流調查試驗、凍土以及解凍下陷試驗。
         (3) 鑽孔的施工性
        埋設冷凍管時，必須針對鑽孔的施工性，加以探討。尤其計畫水平鑽孔時，必須視土質情況，針對精度的預測或難易度，並根據以往的資料加以調查。
         (4) 地下溫度分佈及氣象條件
        為了計算冷凍機的容量，必須先調查地下溫度、河川的水溫以及其他地區的年氣溫變化等。
        進行調查時，其位置以及項目的選擇甚為重要，關於此等的選擇，應自現地的狀況或施工目的等，由負責工程師判斷。

五、工程計畫

(一) 冰凍工法應注意的基本事項
        冰凍工法必須根據事前調查，進行仔細探討，並充分考慮冰凍工法的特徵而後決定是否採用。
        冰凍工法通常使用於以地盤改良為目的，做為臨時工法的情況較多，必須與其他的工法（降低地下水位工法、化學灌漿工法及其他）進行比較。關於是否採用冰凍工法，諸如建址環境條件、障礙物件、地形及地質、安全性、工期及工程費等均為重要的探討項目，其中尤其必須慎重加以探討者，可列舉如下：
1. 地下水的流速
        地下水流若超過一定的流速時，則無法完成所需的凍土壁。此時的地下水流速稱為限界流速。鹵水方式及低溫液化瓦斯方式，一般認為其限界流速，分別為2m/day及10m/day。
        因此，地下水流若超過限界流速時，則必須設法降低地下水流速。
2. 冷凍管（或冷凍板）的設置
        冰凍工法首先需設置冷凍管。因此，必須針對障礙物的有無、地質、鑽孔長度以及鑽孔精度等加以探討。
        為了埋設冷凍管，鑽孔的精度除深度之外，冷凍管需求的間距必須正確且平行，故愈深愈需高度的鑽孔技術。
3. 是否有加熱源
        鄰近於冰凍對象的地盤，若有加熱源存在時，則時而不能形成所需的凍土。加熱源有幹線污水管及高溫之地下室等，故冰凍工法的可行性及經濟性，必須針對來自加熱源的流入熱量、保溫材的設置、加熱源的遷移處理等的措施，一併加以探討。
4. 凍脹及解陷對周邊造成的影響
        冰凍範圍的上方或周邊，有大樓、埋設管及橋梁等，經預測冰凍引致的凍脹及解陷，對此等的周邊結構物，若造成有害的影響時，則必須計算此等的容許變位量，與針對凍脹及解陷的防護措施之必要性，一併加以探討，俾決定是否採用冰凍工法。
5. 與凍土連接澆置的混凝土之養護
        與凍土接續澆置混凝土時，是否能獲得所需的強度及品質，必須加以探討。
6. 其他
        諸如溫泉地區之地下溫度異常高時，冷凍負荷增大，極為不經濟，時而不能形成凍土。
        冰凍基地或配管的設置困難時，自然不能採用冰凍工法。
        地盤的含水量愈高，土壤的凍結固不受影響，反之，含水量太低時，即使凍結，凍土時而不能達成所需的強度。因此，冰凍不飽和狀態的地盤，做為耐力牆使用時，必須加以仔細的探討。
(二) 冷卻方式的決定
        冷卻方式因使用冷媒的不同而區分為下列兩方式：
1. 鹵水方式
        鹵水方式，係使用冷凍機將鹵水冷卻至－20℃∼－40℃，以循環泵將此送進冷凍管，以冷卻周圍的地盤，鹵水的溫度因地盤內的熱而上升，再度以冷凍機將此冷卻，利用如此反覆循環的冷卻方式，稱為鹵水方式。此方式的特點是凍結雖費時，但可形成穩定而均勻的凍土。
2. 低溫液態氮方式
        低溫液態氮方式，係將在工廠製成的低溫液態氮，以油罐車搬運，將此流進冷凍管，以冷卻周圍的地盤，並使汽化的氮排出於大氣中，利用此期間的低溫液態氮的汽化熱（潛熱）以及顯熱，使地盤冰凍的方式，稱為低溫液態氮方式。此方式的特點是低溫液態氮的蒸發溫度低，因可低溫冷卻，故凍結時間較短。
        表2為將兩方式的特點彙整而成者。採用何種方式，必須將工程規模、施工性、工期以及工程費等，進行充分的比較探討而後決定。
(三) 冰凍範圍與冰凍形式
        冰凍範圍與冰凍形式，因工程的目的、周邊環境、施工條件及工程等而定。
1. 冰凍範圍
        冰凍範圍及其位置，原則上應依大地工程的方法，探討土壓、水壓、地中的應力分佈及地下水流等而後決定。
        冰凍工程的目的，在大部分的情況，形成截水牆與耐力牆，同時為所需求。
        關於冰凍範圍，應止於所需最小限度的凍土量，必須留意因任意形成的凍土，而可能引致多餘的凍脹及下陷。為此，時而併用其他工法，以縮小冰凍範圍。但是，與其他的工法組合併用時，與其他工法的銜接部分，往往成為凍土牆的弱點，故必須考慮設法使此部分完全凍著（例如確保完全的凍著面積或補強冷凍管的設置等）。
        但是，下列的情況，可省略凍土牆的一部分。
         (1) 有可靠強度的不透水層存在時
        例如，構築工作井之冰凍工程，自工作井底面下方有硬土等之不透水層存在時，其下方之冰凍。
         (2) 由於其他工法所具的特長，凍土牆無封閉的必要時。
        例如，在潛盾之發進的冰凍工程，併用壓氣推進時之底部的冰凍。
         (3) 藉由與其他的工法組合併用而可造成相當於凍土牆的截水牆及耐力牆時。
2. 冰凍形式    &n
bsp;    依冷凍管或冷凍板的設置狀況，可將冰凍形式區分如表3所示。
        一般所施工者為管列冰凍方式，係利用並成列狀的冷凍管造成年輪狀的凍土，相互連接，形成一個的凍土牆之冰凍形式。
        管列冰凍方式，依鑽孔作業等之臨時施工條件，可分垂直方式與水平方式。
        平板冰凍方式，係將具有平板狀的冷卻面之冷凍板，設置於地下，進行一維的冰凍之方式，以現況而言，僅在特殊的地點，部分使用。平板冰凍方式有諸如在橫貫河川沉設於河床的保溫冷凍板，與在板樁等的壁面，裝設冷凍管之簡易平板。
        平板冰凍比起管列冰凍，由於冰凍速度快，冰凍的效率也高，故依施工條件，此外，也可用凍土的剖面形狀，表示冰凍形式，茲以構築隧道為例，可大致分為如表4。此等的冰凍方式，雖均為利用管列冰凍方式者，但若將垂直方式與水平方式的冷凍管善予組合，則時而有利，關於其具體之例，必須各個加以探討。
(四) 施工計畫
        施工計畫以基本設計為基本，除建址條件及地盤條件之外，必須考慮主體工程、相關土木工程及輔助工法工程等之關係，針對各個的計畫內容，探討其施工方法、施工期間、作業空間及管理方法，加以整合後，擬定安全且經濟之可施行施工的計畫。
        基本設計重點放在探討是否採用冰凍工法的適宜性，而施工計畫則將重點放在探討採用冰凍工法時之具體的施工方法。因此，採用冰凍工法時，須針對施工方法仔細探討而後擬定施工計畫。
        冰凍工法主要包括的項目如下：
        1. 準備工程
        2. 冷凍管（冷凍板）及測溫管的製作
        3. 鑽孔工程及冷凍管埋設工程
        4. 配管工程及防熱工程
        5. 設備工程
        6. 運作及管理
        7. 解凍工程
        8. 撤離工程
        9. 其他
        此等的工程所需的施工方法，必須將施工機械、材料數量、用地、用電、水、管理方法及安全措施等加以具體探討而後擬定計畫。
        凍土，在整個冰凍工期中，不成穩定狀態。凍土的形狀經常變化，冰凍引起的各現象也經常發生變化。因此，現地管理必須精準且持續地掌握凍土的狀態。
        在現地管理之中主要者為，地下溫度之量測，以掌握凍土的狀況，與變形量測以獲知凍土周圍之周邊結構物的動態。
        冰凍的進行狀態或凍土的強度推估，因係預先藉由設置於冷凍對象的地盤內之測溫感應器施行，故須仔細探討測溫計畫，尤其是地下水的流動層、與其他工法的銜接段以及易受地表熱的影響之處，必須重點挑出，俾可量測，同時當計畫與實際不同時，須可進行變更。■

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