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研究生: 黃勇誠
Yung-Chen Huang
論文名稱: 隧道復舊工程冰凍溫度場數值模擬與分析
Numerical Simulation and Analysis on Temperature Field of a Ground Freezing Work for Tunnel Repair
指導教授: 廖洪鈞
Hung-Jiun Liao
口試委員: 鄭世豪
Shih-Hao Cheng
陳文通
Wen-Tung Chen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 200
中文關鍵詞: 冰凍工法鹵水液態氮凍土帷幕數值分析溫度場
外文關鍵詞: ground freezing, brine, liquid Nitrogen, frozen soil wall, numerical analysis, temperature field
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  • 本研究旨在探討台電輸電線路隧道TBM施工遭困修復計畫之冰凍處理工作。為防止隧道的鋼筋混凝土襯砌坍塌,該隧道已進行了注水處理,以平衡周圍的水、土壓力。修復計畫是要繞過受損的TBM,將兩條平行隧道從側壁貫通連結。為將隧道內積水排出,騰出空間進行修復工程,需於隧道內建造阻水堰體和凍土牆。在過程中,先以45公尺深的特密管工法在隧道內構築阻水混凝土堰體。由於不能確定堰體的水密性,為確保後續隧道連接工程的安全,而採用凍土墻作為不漏水的保證措施。
    本文採用數值分析軟體(PLAXIS 2D)對冰凍工法凍結過程中,對目標凍結區的溫度變化,分別以鹵水和液態氮冷凍方式進行模擬,以了解凍土帷幕的形成過程和結果。將數值分析得到的溫度場分佈,與安裝在地面上的測溫管資料進行對比後,可發現模擬溫度場的溫度變化與現場實測溫度數據相吻合;而現場修復工作亦能夠順利地進行,過程中並未發生有凍土壁滲漏水的狀況。


    The subject of this research is a repair work of a stuck TBM bored tunnel for Taiwan Power Transmission Line. To prevent the collapse of tunnel RC lining, this tunnel had already been flooded with water to balance the surrounding water and earth pressure. The plan was to by-pass the broken TBM and connect two parallel tunnels from side to side. To clear the space for the repairing work, an ice-wall was to be constructed inside the water filled tunnel to prevent further water leak-in from the broken TBM and also for the pumping out of water from the tunnel. Before the freezing work, a concrete dam was built inside the tunnel by tremie pipe method from the ground surface 45 m above. Since it was not sure the water tightness of the concrete dam, an ice-wall inside and around the tunnel was adopted as the quarantine measure against water leak for the safety of tunnels connecting work later.
    Since a solid and watertight frozen soil wall was crucial for the success of this tunnel repair work, this study used a numerical software (PLAXIS 2D) to simulate the ground temperature changes of the targeted freezing zone using brine and liquid Nitrogen as the coolant during the ground freezing process. The temperature field distribution generated from the numerical analysis was checked with the data gathered from the thermal couples installed in the ground to ensure the forming of frozen soil wall. In general, the ground temperature changes were in good agreement with the field measured temperature data. The repairing work was able to carry out successfully with no water leak through the frozen wall reported.

    摘要 I ABSTRACT II 誌謝 IV 目錄 V 圖目錄 VIII 表目錄 XI 第一章 緒論 1 1.1研究動機 1 1.2研究目的 2 1.3研究範圍 3 第二章 文獻回顧 4 2.1背景 4 2.2應用領域 6 2.2.1凍結原理 8 2.2.2密閉式冷卻系統 9 2.2.3開放式冷卻系統 10 2.2.4冰凍工法特色與特性 12 2.3熱傳理論 15 2.3.1熱傳導 15 2.3.2熱對流 16 2.3.3熱輻射 16 2.4冰凍工法適用性與凍土成長模式 17 2.4.1冰凍工法適用性 18 2.4.2凍土成長模式 19 2.4.3熱傳導係數(Thermal conductivity) 20 2.4.4比熱容量(Specific heat capacity) 21 2.4.5熱擴散係數(Thermal diffusivity) 22 2.5冰凍工法數值分析相關文獻 22 第三章 冰凍方案設計 28 3.1工程概況 28 3.1.1工程現況與分析 30 3.1.2工程地質 32 3.2凍土帷幕設計及計算理論 33 3.2.1凍土帷幕設計 34 3.2.2凍土帷幕參數 34 3.2.3凍土帷幕厚度 36 3.2.4凍土強度 38 3.2.5冰凍時間與冰凍負荷 39 3.3冰凍工法資訊化技術 42 3.4風險評估與對策 43 第四章 冰凍方案施工 47 4.1洞道修復冰凍工程 47 4.2冰凍工法的施工順序 49 4.2.1施工流程 50 4.2.2臨時凍土牆厚度計算 53 4.2.3冰凍施工參數規劃 54 4.2.4冰凍管布設 55 4.2.5配管及隔熱作業 59 4.3冰凍監測 61 4.3.1監測目的及內容 61 4.3.2監測系統布設 62 4.3.3地面監測 63 第五章 冰凍方案溫度場數值模擬 66 5.1概述 66 5.2 有限元素分析軟體 67 5.2.1分析軟體介紹 67 5.2.2分析模式 68 5.2.3數值分析輸入程序 69 5.3冰凍工法數值模擬 71 5.3.1模擬計算 72 5.3.2模擬分析 75 5.4數值分析結果 86 5.4.1溫度場模擬 86 5.4.2變更冷凍管數溫度場模擬 97 5.4.3變化鹵水溫度之溫度場模擬 102 5.4.4液態氮與鹵水溫度場模擬 107 5.4.5冷凍管排距模擬 111 5.4.6小結 114 第六章 結論與建議 116 6.1結論 116 6.2建議 118 參考文獻 120 附錄 A 124 附錄 B 161 附錄 C 182

    1.Johansson, Teddy. (2009). Artificial Ground Freezing in Clayey Soils: Laboratory and Field Studies of Deformations During Thawing at the Bothnia Line. Doctoral thesis, Division of Soil and Rock Mechanics, Department of Civil and Architectural Engineering, KTH Royal Institute of Technology. pp.10 - 21. Stockholm, Sweden.
    2.姚義久 (2006),地盤冰凍工法理論與實務,現代營建雜誌社。
    3.張睦雄、蔡佐良、籃元宏、羅均鴻、盧憲志、黃任中 (2012),人工冰凍凍土成長之研究-溫度場與滲流場耦合解析與模型驗證。行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告(計畫編號:NSC99-2221-E-224-039)。
    4.廖洪鈞、陳福勝 (2006),地盤改良設計及施工案例,中華民國大地工程學會。
    5.黃任中 (2019),人工冰凍地盤地下水臨界流速之模型試驗與理論驗證,國立雲林科技大學工程科技研究所博士論文,第4 - 9頁。
    6.日本材料学会土質安定材料委員会 (1991),地盤改良工法便覧, pp.179 - 192。
    7.Selvadurai, A.P.S., and Nguyen, T.S.. (1996) “Scoping analyses of the coupled thermal-hydrological-mechanical behavior of the rock mass around a nuclear fuel waste repository,” Engineering Geology, Vol.47, pp.379 - 400.
    8.凍土分科會 (2014),凍土の知識-人工凍土壁の技術,日本雪氷学会誌雪氷,76巻,2号,pp.179 - 192。日本北海道北見市:北見工業大学地球環境工学科。
    9.趙柏祥 (2002),砂質土壤細粒料含量對冰凍土壤之影響,國立台灣科技大學營建工程系碩士論文,第35 - 45頁。
    10.林振華、呂志宗 (2004),冰凍工法施工設計條件之研究,中華民國第二十八屆全國力學會議論文集,第955 – 962頁。行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告(計畫編號:NSC93-2625-Z-216-001)。
    11.李佳恩 (2006),潛盾隧道冰凍工法熱傳導之有限元素分析,國立中央大學土木工程研究所碩士論文,第27 – 96頁。
    12.陳靜宜 (2007),冰凍工法於隧道鏡面工程之行為研究與數值分析,國立台灣科技大學營建工程系碩士論文,第30 – 50頁。
    13.肖朝昀 (2007),人工地层冻结冻土帷幕形成与解冻规律研究,同济大学土木工程学院博士学位论文,pp.113 – 127。中国上海市:同济大学。
    14.田堯仁 (2007),潛盾隧道冰凍工法凍脹效應之有限元素分析,國立中央大學土木工程研究所碩士論文,第65 – 79頁。
    15.崔亚男 (2008),广州某地铁隧道人工冻结法施工冻结壁厚度及冻结周期计算,北京交通大學碩士論文,pp.22 – 34。中国北京市交通大学。
    16.胡向东、程烨尔 (2009),盾构尾刷冻结法更换的温度场数值分析。岩石力学与工程学报,第28卷,增2,pp.3516 – 3525。中国湖北省武汉市:中国岩石力学与工程学会。
    17.崔 灏、李栋伟 (2009),水平冻结法施工温度场数值模拟与分析。低溫建筑技术,2009年,第2期,pp.98 – 100。中國黑龙江省哈尔滨市:黑龙江省寒地建筑科学研究院。
    18.胡 俊、韩宏超 (2014),盾构隧道端头井垂直冻结加固不同冻结管间距温度场数值分析。隧道建设,第34卷,增刊,pp.105 – 110。中國广东省广州市:中铁隧道勘察设计研究院有限公司。
    19.胡向东、韩延广 (2015),环形单圈管冻结稳态温度场一般解析解。中南大学学报(自然科学版),第46卷,第6期,pp.2342 – 2349。中國湖南省长沙市:中南大学。
    20.苏恒宇 (2016),地铁隧道工程中人工冻结法关键技术及应用。安徽理工大學碩士論文,pp.57 – 61。中國安徽省:安徽理工大學。
    21.郭繁陽 (2017),土壤冰凍工法在地下電纜洞道建設之應用,國立台灣科技大學營建工程系碩士論文,第32 – 80頁。
    22.Sopko, Joseph A. (2017).“Coupled Heat Transfer and Groundwater Flow Models for Ground Freezing Design and Analysis in Construction”. Geotechnical Frontiers 2017: Geotechnical Materials, Modeling, and Testing. pp.719 - 729.
    23.Hu Rui, Liu Quan, & Xing Yixuan. (2018). Case Study of Heat Transfer during Artificial Ground Freezing with Groundwater Flow. Water, Volume: 10, Issue: 10, 1322. (Special Issue “Water Flow, Solute and Heat Transfer in Groundwater”) Basel, Switzerland: Multidisciplinary Digital Publishing Institute.
    24.胡 俊、欧阳素娟、李春芳、吴雨薇、汪树成 (2018),新型管幕冻结法不同冻结管布置方案温度场数值分析,森林工程,第34卷,第3期,pp.86 – 92。中國黑龙江省哈尔滨市:东北林业大学。
    25.张生权、霍永鹏、文彦鑫、揭定前、伍 旺、晏启祥 (2020),冻结盐水温度对人工冻结温度场影响研究,山西建築,第46卷,第16期,pp.7 – 9。中國山西省太原市:山西省建筑科学研究院。
    26.王承晶、张 勇、朱成山、韩 翔 (2020),隧道内流水对联络通道冻结效果影响分析,现代隧道技术,第57卷,第4期,pp.113 – 118。中國四川省成都市:中铁西南科学研究院有限公司和中国土木工程学会隧道及地下工程分会。
    27.台電北施處、台灣世曦、鹿島-大陸 (2018),松湖~大安、深美~大安 345kV 電纜線路潛盾洞道暨附屬機電統包工程,八德、光復路口潛盾洞道滲漏事故復舊計畫書。
    28.Bentley Systems, Incorporated. (2020). PLAXIS 2D Reference Manual. CONNECT Edition V21.00: 2. Posted: 2020/12/01. Accessed: 2021/01/10. URI: https://communities.bentley.com/products/geotech-analysis/w/plaxis-soilvision-wiki/46137/manuals---plaxis
    29.廖洪鈞、陳正忠、陳洋元、謝玉山 (2000) ,液態氮冰凍工法應用於粉質砂土之評估研究,地工技術,第78期,第113 – 126頁。
    30.吴志峰 (2015) ,液氮垂直冻结技术中塑料单管冻结温度场研究。安徽理工大學碩士論文,pp.24 – 44。中國安徽省:安徽理工大學。

    無法下載圖示 全文公開日期 2031/10/20 (校內網路)
    全文公開日期 2031/10/20 (校外網路)
    全文公開日期 2031/10/20 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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