阿公店水庫引水隧道穿越南二高施工變更設(shè)計(jì)案例討論

/阿公店水庫引水隧道穿越南二高施工變更設(shè)計(jì)案例討論楊豐榮1，張世賢1，陳逢時(shí)2，吳炫宗21經(jīng)濟(jì)部水利署南區(qū)水資源局，臺灣2聯(lián)合大地工程顧問股份有限公司，臺灣摘要阿公店水庫越域引水隧道工程為阿公店水庫更新計(jì)畫內(nèi)之一部分，對臺灣南部大高雄地區(qū)之用水需求居重要地位。因隧道需穿越南二高高架橋橋墩基礎(chǔ)，有鑒於南二高係臺灣南部重要之交通要道，細(xì)設(shè)規(guī)劃施工方式是否造成橋墩沉陷存有疑慮，經(jīng)研商後決議進(jìn)行變更設(shè)計(jì)修改隧道線形，並進(jìn)行改線隧道路線之地質(zhì)調(diào)查，將所得地質(zhì)參數(shù)資料利用數(shù)值模擬分析，進(jìn)行橋樑結(jié)構(gòu)平安影響評估，分析結(jié)果之沉陷量及角變量，皆小於容許範(fàn)圍，協(xié)作適當(dāng)之施工方式及完備之監(jiān)測系統(tǒng)，顯示量測結(jié)果與數(shù)值模擬之值相符，顯示本次施工變更設(shè)計(jì)案例，由變更設(shè)計(jì)規(guī)劃至隧道施工完成，均能有效駕馭隧道周圍及地表之變位情形，保障南二高高架橋平安。關(guān)鍵字：南二高、數(shù)值模擬.THEDISCUSSIONOFDESIGNVARIATIONOFTHEA-KUNG-TIENRESERVOIRTRANSBASINTHNNELSECTIONUNDERTHENATIONALHIGHWAYFeng-RongYang1,Shih-HsienChang1,Feng-ShihChen2,Xuan-ZongWu21SouthRegionWaterResourcesOffice,WRA,MEA,Taiwan2UnitedGeotech,Inc.,TaiwanAbstractThetransbasinwaterwayofA-Kung-TienReservoirisapartoftherehabilitationprojectofA-Kung-TienReservoir.ItplaysveryimportantroleonsupplyingwaterresourceintheKaohsiungareaofsouthTaiwan.ThenationalhighwayNo.3isanimportantlineofthetrafficinsouthTaiwan.Becausethetunnelneedstopassthroughthepier-footingofthenationalhighwayNo.3,itisdoubtthatiftheoriginaldesigncouldcausethesettlementofpier-footingornot.Itwasresolvedtochangethedesignandrevisethealignmentofthetunnelafterdiscussion,andprocessesthegeologicalsurveyalongthemodifiedtunnel.Thegeologicalparameterswillbeusedtoestimatethesafetyofthestructureofthebridgebynumericalsimulationanalysis.Theanalysisresultisthatsettlementandanglevariablearewithinthepermittingrange.Withtheproperconstructionwayandcompletemonitoringsystem,itshowsthattheresultisinconformitywithvalueofthenumericalsimulation.ItalsoshowsthatthesafetyofthebridgeofthenationalhighwayNo.3canbeensuredbyeffectivelycontrollingthediplacementofthesurroundingsoftunnelinthisKeyword:ThenationalhighwayNo.3、numericalsimulation1.前言經(jīng)濟(jì)部水利署南區(qū)水資源局(以下簡稱南水局)辦理之阿公店水庫更新工程計(jì)畫-越域引水路工程第五工區(qū)，因隧道穿越既有南二高田寮二號高架橋之橋墩P48及P49之間，為了解隧道施工後地盤變化狀況及對於既有橋樑結(jié)構(gòu)物之平安性影響，應(yīng)高公局之要求須就實(shí)際隧道施工後，橋樑、地形及地質(zhì)之現(xiàn)況關(guān)係及位移量對橋樑結(jié)構(gòu)之影響進(jìn)行完善之分析計(jì)算，妥予評估平安性並提出建議供越域引水路工程隧道施工執(zhí)行作業(yè)參考之需，經(jīng)佈設(shè)完整監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測至隧道完工，以驗(yàn)證橋墩實(shí)際發(fā)生位移量與分析計(jì)算之關(guān)係。2.工址概況2.1引水隧道與南二高高架橋之相對位置改線前後之引水隧道和南二高高架橋之平面及剖面相對位置如圖1、2所示。引水隧道於南二高里程276K+700~276K+800間之橋樑下方穿越通過，改線前引水隧道水平距P48橋墩僅1.9公尺，經(jīng)改線後其中距P48橋墩之最近水平距離為29.4公尺；距P49橋墩之水平距離為50公尺。P48橋墩為干脆基礎(chǔ)，P49橋墩為井式基礎(chǔ)。引水隧道位於地表下約17公尺，為一內(nèi)徑4公尺圖1引水隧道改線前後與南二高橋墩相對位置平面圖圖2引水隧道改線前後與南二高橋墩相對位置（E-E）剖面圖圖3引水隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖2.2地質(zhì)概況本工程工區(qū)位於臺灣西南部新化丘陵地之南側(cè)，屬二仁溪流域範(fàn)圍，隧道穿越南二高田寮二號橋旁邊，出露地層為上新世至更新世之古亭坑層泥巖，此層之泥巖為塊狀青灰色至暗灰色泥巖，泥巖之巖質(zhì)鬆軟、顆粒細(xì)小、透水性低，遇水立刻變得特別軟滑，植物難以生長於其上，因而常因坡面沖蝕而形成惡地地形。3.工程佈置設(shè)計(jì)與施工由於泥巖屬軟弱巖層，隧道開挖以機(jī)械開挖方式進(jìn)行，利用鋼支保、鋼線網(wǎng)噴凝土及預(yù)鑄仰拱進(jìn)行支撐，及早完成仰拱閉合，以避開隧道周圍巖體之過度變形。支撐系統(tǒng)及巖盤分類如下表1所示。表1支撐系統(tǒng)及巖盤分類一覽表3.1工程設(shè)計(jì)理念因隧道穿越段上方之橋樑結(jié)構(gòu)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)，均以干脆或間接方式座落於巖盤上，其上方橋面有高速行駛之車輛，故對基礎(chǔ)沉陷之限制要求極嚴(yán)。本穿越段雖已改線方式遠(yuǎn)離橋墩柱位置，惟於設(shè)計(jì)上仍盡可能採取較保守方式，以先撐後挖，減少土、巖層擾動(dòng)，抑制隧道開挖變形之施工原則，將可能發(fā)生有害於橋墩基礎(chǔ)之因素儘量予以解除解決，以達(dá)順利穿越之目的。3.2隧道開挖支撐與邊坡保護(hù)由現(xiàn)地地形及地質(zhì)研判，隧道改線後在穿越南二高同時(shí)，幾乎為在平行鄰近邊坡之坡趾底下穿越，故存在淺覆蓋及偏壓問題，為解決淺覆蓋及偏壓問題，設(shè)計(jì)以方形石籠護(hù)坡工法，增厚覆蓋層厚度以平衡偏壓，隧道開挖時(shí)再用先撐後挖施工方式，打設(shè)前進(jìn)鋼管支撐巖盤再開挖隧道，並架設(shè)雙支保及20cm厚噴凝土循序支撐，以每一輪0.8公尺前進(jìn)，以降低對周圍巖體之?dāng)_動(dòng)。且方形石籠護(hù)坡同時(shí)能干脆保護(hù)邊坡、降低水流沖蝕，避開橋墩基礎(chǔ)及隧道結(jié)構(gòu)之潛在危險(xiǎn)。4.隧道工程及平安檢核隧道開挖對南二高橋墩基礎(chǔ)之影響，以數(shù)值模擬分析，並考慮現(xiàn)地初始應(yīng)力、隧道通過地質(zhì)的巖體性質(zhì)與支撐材料的力學(xué)參數(shù)，以及開挖前進(jìn)面之影響等，進(jìn)行隧道工程及平安之檢核。4.1分析方法及模式分析採用之?dāng)?shù)值分析法為有限元素法(FinitEelementMethod)，分析程式運(yùn)用德國Stuttgart大學(xué)發(fā)展之PLAXIS套裝軟體(7.11版)，模擬於巖體內(nèi)開挖隧道之情況。於模擬巖體與支撐系統(tǒng)之力學(xué)行為時(shí)，採二維平面應(yīng)變元素模擬地層，以梁元素模擬鋼支保與噴凝土，破壞準(zhǔn)則採用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。4.2分析斷面及參數(shù)本評估分析係針對引水隧道開挖對南二高橋墩之影響情形，以有限元素法分析程式PLAXIS對D-D、E-E及F-F等三個(gè)剖面（位置見圖1）進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，並考慮以下之邊界條件及參數(shù)進(jìn)行分析。初始應(yīng)力初始應(yīng)力主要來自地盤自重，垂直及水平應(yīng)力重量表示如下：σy=γ×H(1)σx=K×σy(2)(1)、(2)式中γ：地層單位重(KN/m3)H：覆土深度(M)K：水平側(cè)壓力係數(shù)，取K=1.5(由鄺寶山、王文禮(1993)建議之公式K=2H-0.0986推算)橋樑基礎(chǔ)載重?P48基礎(chǔ)形式：干脆基礎(chǔ)尺寸：W×L×t=10m×10m×2m墩柱載重：1235T?P49基礎(chǔ)形式：井式基礎(chǔ)尺寸：直徑11m，L=17~19m墩柱載重：7165T分析元素力學(xué)參數(shù)各種分析元素之力學(xué)參數(shù)詳表2所示。支撐系統(tǒng)參數(shù)依原設(shè)計(jì)資料求得噴凝土與鋼支保複合斷面之等值斷面參數(shù)如下：E=5.0×106KN/m2I=7.672×10-4KN/m2,A=0.2575m表2分析元素力學(xué)參數(shù)一覽表分析元素混凝土覆土層泥巖層單位重γ(KN/m3)242023彈性模數(shù)E(KN/m2)2.04×1076.16×1041.33×105柏松比υ0.30.350.25C(KN/m2)1.2×1042.6150摩擦角∮(°)103040膨脹角Ψ(°)51516.5水平側(cè)壓力係數(shù)K0.30.5621.54.3分析結(jié)果經(jīng)計(jì)算分析各剖面之隧道開挖對橋墩基礎(chǔ)之影響後，發(fā)現(xiàn)P49橋墩之變位幾乎為零，此係因P49之基礎(chǔ)底面較隧道所在位置為低，故幾乎不受隧道開挖之影響，因而本分析將僅針對P48基礎(chǔ)進(jìn)行評估，經(jīng)分析得各剖面之變位值如表3所示。表3各剖面P48橋墩基礎(chǔ)變位情形一覽表剖面D-D剖面(P48L)E-E剖面(P48L)F-F剖面(P48R)位置水平向垂直向水平向垂直向水平向垂直向基礎(chǔ)近隧道端3.0121.17.72.212基礎(chǔ)中心2.4130.49.11.413基礎(chǔ)遠(yuǎn)隧道端1.4110.58.20.612註：1.表中所示之單位為mm。2.水平向之變位為正表示向隧道方向移動(dòng)。3.垂直向之變位為正表示基礎(chǔ)沉陷。根據(jù)以上分析結(jié)果顯示，P48L橋墩基礎(chǔ)之平均沉陷量為10mm；平均角變量為7.5×10-5。P48R橋墩基礎(chǔ)之平均沉陷量為12mm；平均角變量為0。由分析結(jié)果顯示，阿公店水庫越域引水隧道的施工對南二高田寮二號高架橋之P48橋墩將造成約1公分之沉陷，對P49橋墩及更遠(yuǎn)之橋墩則無影響。5.監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置及成果5.1監(jiān)測系統(tǒng)種類及位置本監(jiān)測系統(tǒng)佈設(shè)種類及位置如圖4所示，並概述如下：橋墩傾斜計(jì)計(jì)有T1-A、T1-B、T2-A及T2-B等4處傾斜計(jì)，進(jìn)行橋墩傾斜情形之量測。橋墩及地表沉陷點(diǎn)計(jì)有P1、P2及G1～G6等8處沈陷點(diǎn)，其中P1及P2量測R48及L48橋墩之沈陷量，G1～G6則量測隧道上方地表之沈陷情形。邊坡傾斜管計(jì)有5處傾斜管，位於R48橋墩靠近隧道一側(cè)之坡面上，以傾斜儀量測邊坡變位情形。圖4過南二高監(jiān)測系統(tǒng)種類及位置圖5.2監(jiān)測系統(tǒng)量測成果本工程針對南二高橋墩所佈設(shè)之監(jiān)測系統(tǒng)，其量測結(jié)果均在變位管理值的平安範(fàn)圍內(nèi)，各測點(diǎn)累計(jì)變位量如表4~6所示，其中，地表沉陷點(diǎn)成果顯示累計(jì)沉陷量為4-10mm，傾斜計(jì)觀測成果顯示累計(jì)傾斜量最大僅為70.04秒，可知變位量皆遠(yuǎn)小於管理基準(zhǔn)，且與數(shù)值模擬分析之預(yù)估變形量結(jié)果相符，顯示引水隧道之穿越對高架橋並無平安性之影響。表4穿越南二高橋墩傾斜計(jì)觀測成果表計(jì)測編號安裝位置方向累計(jì)傾斜量（秒）預(yù)警燈號1隧道中心線右距30.053MX-28.84綠燈Y-49.442隧道中心線右距32.647MX32.96綠燈Y0.003隧道中心線右距30.901MX-59.74綠燈Y-30.904隧道中心線右距33.530MX70.04綠燈Y-4.12註：1.管理值I：傾斜度=1/700（4分54秒）；管理值II：傾斜度=1/600（6分15秒）。2.變位量在管理值I以下則預(yù)警燈號為綠燈；變位量在管理值Ⅰ及管理值Ⅱ之間預(yù)警燈號為黃燈；變位量在管理值Ⅱ以上預(yù)警燈號為紅燈。表5穿越南二高橋墩（P）及地表沈陷點(diǎn)（G）觀測成果表計(jì)測編號安裝位置累計(jì)沉陷量（mm）預(yù)警燈號P1隧道中心線右距30.436M-7綠燈P2隧道中心線右距30.751M-4綠燈G1隧道中心線右距18.704M-10綠燈G2隧道中心線右距19.435M-7綠燈G3隧道中心線右距19.939M-5綠燈G4隧道中心線右距20.213M-4綠燈G5隧道中心線右距20.255M-6綠燈G6隧道中心線右距20.065M-7綠燈註：1.管理值I：10mm；管理值II：16mm。2.變位量在管理值I以下則預(yù)警燈號為綠燈；變位量在管理值Ⅰ及管理值Ⅱ之間預(yù)警燈號為黃燈；變位量在管理值Ⅱ以上預(yù)警燈號為紅燈。表6穿越南二高地表傾斜管觀測成果表計(jì)測編號軸向累計(jì)變位量預(yù)警燈號變位量（mm）深度（M）1A軸-6.65-6.75綠燈B軸3.83-0.252A軸12.48-0.75綠燈B軸-8.18-0.753A軸3.06-0.25綠燈B軸9.62-0.754A軸11.26-22.75綠燈B軸-6.81-20.755A軸-16.59-0.75綠燈B軸-3.37-0.75註：1.累計(jì)變位量為傾斜管在孔下某深度之最大變位量。2.管理值I：20mm；管理值II：40mm。3.變位量在管理值I以下則預(yù)警燈號為綠燈；變位量在管理值Ⅰ及管理值Ⅱ之間預(yù)警燈號為黃燈；變位量在管理值Ⅱ以上預(yù)警燈號為紅燈。6.結(jié)論1.本引水隧道改線之後，雖距離最近橋墩達(dá)23公尺以上，惟於設(shè)計(jì)及施工上仍採較保守之方式進(jìn)行，並於施工