施工中潛盾隧道變形突湧冰凍工法地盤改良

鹵水循環冰凍工法於熱帶地區潛盾隧道施工災害加固應用

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1.工程背景

泰國某潛盾隧道於施工期間一處豎井與隧道連接處發生沉陷、錯動，導致地下水與砂土湧入地下空間引發隧道坍塌災變。施工單位為保護地表結構物及淺埋箱涵與各類管路安全，除了對塌陷區域進行緊急回填外，另持續針對坍塌位置及周邊進行地盤改良灌漿，但效果並不理想。經召集具備地盤改良及搶險經驗專家諮詢後，為因應本工程各項惡劣條件，決定採用冰凍工法進行地層加固、止水，並由駿馳工程泰國分公司負責技術整合與施工。

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2.解決方案

本災害發生於市區地表下約GL-26.0m~GL-30.5m，地面存在高架橋、主要道路、住宅、高壓電塔，地下淺埋排水箱涵、汙水管及各類公共管路，豎井周邊尚有鋼板樁等地下障礙物，加上本區域靠近湄南河，地下水量充沛且具流動特性。經各項影響條件評估，最後選定冰凍工法進行搶險作業，並擬定解決方案如下：

(1)現場勘查、收集前期資料及補充鑽探

(2)地層特性分析及冰凍帷幕、冰凍孔、現場監測設計

(3)冰凍設備選用、機房設計與佈置

(4)現場鑽孔、溝槽及管路施工

(5)地層冰凍作業及即時監測與回饋分析

(6)隧道搶修、持續監測及緊急應變

(7)維護凍結、停止凍結、冰凍機房拆除

(8)冰凍管拔除與充填、融沉防護與監測、結構修復、場地復原。

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3.施工設計

本潛盾隧道坍塌長度約16.9 m，原隧道設計中心線GL-26.55 m，坍塌後最低深度約GL-31.50m。地層GL-16.0~GL-27.0 m為粉土質黏土，GL.27.0~GL-38.0 m為粉土質細砂。為達到冰凍工法維護災變位置保護對象及後續修復工作安全，相關施工設計要點如下：

(1)在災變位置鑽設5個地質探勘孔，比對事故前後的地層分佈及擾動情況

(2)採用鹵水冰凍工法(無水氯化鈣，鹽水比重1.26~1.27)搭配「長凍結管入口+短凍結管出口」優化設計，將冰凍能量集中在修復區

(3)凍結區長20.4m、寬9.0m、高35.51m，豎井旁另設置長度2.95m和1.55m的凍結區，有效凍結層厚度2.14m，底部保護層厚度4.70m，共設置108根外徑127 mm凍結管

(4)凍結管沿隧道軸線對稱佈置6排凍結孔，排間距1.7m，孔間距1.75m，鑽孔最大深度隧道環片底部下5m

(5) -10℃凍土設計單軸壓縮強度不小於4.0MPa、彎折抗拉強度不小於2.0MPa，剪力強度不小於1.5MPa

(6)冰凍範圍內佈置15個測溫孔；每組凍結管迴路安裝溫度感測器，自動監測地層冰凍發展與設備運作狀況，並導入回饋分析

(7)地層冰凍設備持續運作至隧道結構修復完成，並達到結構設計強度60%以上後停止凍結，再運用鹵水加熱循環方式解除地層冰凍

(8)拆除機房、管路，拔除凍結管並回填混凝土，地層解凍及冰凍設備拆除過程加強地層、箱涵及保護對象沉陷變形監測。

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4.施工過程

由於泰國為熱帶氣候國家，空氣、地層、地下水溫度高，冰凍工法施行須克服困難較多。加上施工地點位於高架橋下，地表及地下保護對象多且複雜，施工期間亦須保持高架橋與兩側的平面道路正常通車，更增添了執行上的難度。為因應上述需求，本工程特別導入先進的集中局部凍結技術，搭配自動化監測及反饋建立PSO演算法數位孿生模型進行即時安全性分析，確實掌握施工現場狀況，確保隧道修復施工及各類受保護對象安全。

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5.執行成果

經由創新長短管局部凍結技術，搭配監測數據反饋孿生模型安全分析，本工程達成潛盾隧道坍塌區封堵段縱向凍結有效長度3.5m、隧道上下凍結有效厚度5.0m、隧道兩側凍結有效厚度2.4m的擋土、止水效果。經施工期間監測數據顯示，淺層箱涵最大凍脹變形僅8.29mm，整體地層最大凍脹量約5.57 cm且集中於凍結區的四周，符合冰凍工法微擾動要求，未造成地面、淺層結構物及受損潛盾隧道差異變形影響，順利完成施工中潛盾隧道變形突湧冰凍工法地盤改良工作。

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