阿公店水庫(kù)越域引水隧道工程與臺(tái)灣南部大高雄地區(qū)用水需求

阿公店水庫(kù)越域引水隧道工程與臺(tái)灣南部大高雄地區(qū)用水需求

0結(jié)構(gòu)物安全性評(píng)估經(jīng)濟(jì)部水利秘書(shū)處（以下簡(jiǎn)稱南水局）委托給越南-越境引水工程第五階段的阿公店水庫(kù)更新工程計(jì)劃。因?yàn)樗淼来┻^(guò)南二桂田一號(hào)大橋的p48和p49號(hào)碼頭。為了了解隧道施工后區(qū)域的變化以及現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的安全影響，應(yīng)按照上級(jí)當(dāng)局的要求，分析和計(jì)算實(shí)際隧道施工后橋梁、地形和地質(zhì)現(xiàn)狀的關(guān)系，并調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)的影響。應(yīng)充分評(píng)估和提出建議，應(yīng)用于越境隧道工程的實(shí)施和應(yīng)用，應(yīng)充分考慮橋墩的實(shí)際位移關(guān)系。應(yīng)通過(guò)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和應(yīng)用，以驗(yàn)證橋墩的實(shí)際位移與分析計(jì)算之間的關(guān)系。1工作地點(diǎn)的簡(jiǎn)要介紹1.1隧道地位距改線前后之引水隧道和南二高高架橋之平面及剖面相對(duì)位置如圖1、2所示。引水隧道于南二高里程276K+700～+800間之橋梁下方穿越,改線前引水隧道水平距P48橋墩僅1.9m,經(jīng)改線后距P48橋墩之最近水平距離為29.4m,距P49橋墩之水平距離為50m。P48橋墩為直接基礎(chǔ),P49橋墩為井式基礎(chǔ)。引水隧道位于地表下約17m,為一內(nèi)徑4m之標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形隧道,隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖3所示。1.2南二高田思巖泥巖地層本工程工區(qū)位于臺(tái)灣西南部新化丘陵地之南側(cè),屬二仁溪流域范圍,隧道穿越南二高田寮二號(hào)橋附近,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)松軟、顆粒細(xì)小、透水性低,遇水立即變得十分軟滑,植物難以生長(zhǎng)于其上,因而常因坡面沖蝕而形成惡地地形。2噴凝土及預(yù)鑄仰拱由于泥巖屬軟弱巖層,隧道開(kāi)挖以機(jī)械開(kāi)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,以避免隧道周?chē)鷰r體之過(guò)度變形。支撐系統(tǒng)及巖盤(pán)分類(lèi)如表1所示。2.1基礎(chǔ)沉陷限制因隧道穿越段上方之橋梁結(jié)構(gòu)形式為獨(dú)立基礎(chǔ),均以直接或間接方式座落于巖盤(pán)上,其上方橋面有高速行駛之車(chē)輛,故對(duì)基礎(chǔ)沉陷之限制要求極嚴(yán)。本穿越段雖已改線遠(yuǎn)離橋墩柱位置,惟于設(shè)計(jì)上仍盡可能采取較保守方式,以先撐后挖,減少土、巖層擾動(dòng),抑制隧道開(kāi)挖變形之施工原則,將可能發(fā)生有害于橋墩基礎(chǔ)之因素盡量予以排除解決,以達(dá)順利穿越之目的。2.2淺覆蓋及偏壓?jiǎn)栴}解決技術(shù)由現(xiàn)地地形及地質(zhì)分析,隧道改線后在穿越南二高同時(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?jiǎn)栴},為解決淺覆蓋及偏壓?jiǎn)栴},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(kāi)挖時(shí)再用先撐后挖施工方式,打設(shè)前進(jìn)鋼管支撐巖盤(pán)再開(kāi)挖隧道,并架設(shè)雙支保及20cm厚噴凝土循序支撐,以每一輪0.8m前進(jìn),以降低對(duì)周?chē)鷰r體之?dāng)_動(dòng)。且方形石籠護(hù)坡同時(shí)能直接保護(hù)邊坡、降低水流沖蝕,避免橋墩基礎(chǔ)及隧道結(jié)構(gòu)之潛在危險(xiǎn)。3隧道工程及安全檢核隧道開(kāi)挖對(duì)南二高橋墩基礎(chǔ)之影響,以數(shù)值模擬分析,并考慮現(xiàn)地初始應(yīng)力、隧道通過(guò)地質(zhì)的巖體性質(zhì)與支撐材料的力學(xué)參數(shù),以及開(kāi)挖前進(jìn)面之影響等,進(jìn)行隧道工程及安全之檢核。3.1隧道模擬及分析分析采用之?dāng)?shù)值分析法為有限元素法(FinitEelementMethod),分析程序使用德國(guó)Stuttgart大學(xué)發(fā)展之PLAXIS軟件包(7.11版),模擬于巖體內(nèi)開(kāi)挖隧道之情況。于仿真巖體與支撐系統(tǒng)之力學(xué)行為時(shí),采二維平面應(yīng)變?cè)胤抡娴貙?以梁元素仿真鋼支保與噴凝土,破壞準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。3.2響應(yīng)情形及分析條件本評(píng)估分析系針對(duì)引水隧道開(kāi)挖對(duì)南二高橋墩之影響情形,以有限元素法分析程序PLAXIS對(duì)D-D、E-E及F-F等三個(gè)剖面(位置見(jiàn)圖1)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算,并考慮以下之邊界條件及參數(shù)進(jìn)行分析。3.2.1覆土深度調(diào)度x初始應(yīng)力主要來(lái)自地盤(pán)自重,垂直及水平應(yīng)力分量表示如下:σy=γ×H(1)σx=K×σy(2)式中:γ為地層單位重,kN/m3;H為覆土深度,m;K為水平側(cè)壓力系數(shù),取K=1.5(由鄺寶山、王文禮(1993)建議之公式K=2H-0.0986推算)。3.2.2橋梁基礎(chǔ)重量p48基礎(chǔ)尺寸:W×L×t=10m×10m×2m墩柱載重:1235tp49基礎(chǔ)尺寸:直徑11m,L=17～19m墩柱載重:7165t3.2.3分析元素的力學(xué)參數(shù)各種分析元素之力學(xué)參數(shù)詳表2所示。3.2.4斷面之等價(jià)參數(shù)依原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)求得噴凝土與鋼支保復(fù)合斷面之等值斷面參數(shù)如下:E=5.0×106kN/m2I=7.672×10-4kN/m2A=0.2575m23.3要對(duì)橋墩基礎(chǔ)的沉陷量進(jìn)行評(píng)估經(jīng)計(jì)算分析各剖面之隧道開(kāi)挖對(duì)橋墩基礎(chǔ)之影響后,發(fā)現(xiàn)P49橋墩之變位幾乎為零,此系因P49之基礎(chǔ)底面較隧道所在位置為低,故幾乎不受隧道開(kāi)挖之影響,因而本分析將僅針對(duì)P48基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)估,經(jīng)分析得各剖面之變位值如表3所示。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(kù)越域引水隧道的施工對(duì)南二高田寮二號(hào)高架橋之P48橋墩將造成約1cm之沉陷,對(duì)P49橋墩及更遠(yuǎn)之橋墩則無(wú)影響。4監(jiān)控系統(tǒng)的配置和性能4.1監(jiān)控系統(tǒng)的類(lèi)型和位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)種類(lèi)及位置如圖4所示,并概述如下。4.1.1橋坡面測(cè)量計(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(cè)。4.1.2橋梁和地面沉降點(diǎn)計(jì)有P1、P2及G1～G6等8處沉陷點(diǎn),其中P1及P2量測(cè)R48及L48橋墩之沉陷量,G1～G6則量測(cè)隧道上方地表之沉陷情形。4.1.3傾斜防護(hù)臺(tái)計(jì)有5處傾斜管,位于R48橋墩靠近隧道一側(cè)之坡面上,以傾斜儀量測(cè)邊坡變位情形。4.2點(diǎn)累計(jì)變位量工程針對(duì)南二高橋墩所布設(shè)之監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其量測(cè)結(jié)果均在變位管理值的安全范圍內(nèi),各測(cè)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(cè)成果顯示累計(jì)傾斜量最大僅為70.04″,可知變位量皆遠(yuǎn)小于管理基準(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(duì)高架橋并無(wú)安全性之影響。5支架基礎(chǔ)之影響①本引水隧道改線之后,雖距離最近橋墩達(dá)23m以上,惟于設(shè)計(jì)及施工上仍采較保守之方式進(jìn)行,并于施工過(guò)程中能秉持抑制隧道開(kāi)挖變形之施工原則,將可能影響橋墩基礎(chǔ)之因素盡量予以排除,終達(dá)順利穿越之目的。②阿公店水庫(kù)引水隧道開(kāi)挖時(shí)對(duì)南二高高架橋橋墩基礎(chǔ)影響之?dāng)?shù)值模擬分析,其分析結(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。P49橋墩及更遠(yuǎn)之橋墩則無(wú)影響。對(duì)橋墩本身而言,沉陷量及角變量皆小于容許范圍。惟橋墩之差異沉陷量對(duì)整體橋梁而言,仍須進(jìn)行其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)之影響評(píng)估。③由分析結(jié)果顯示,南二高田寮二號(hào)高架橋之橋墩將因隧道施工而造成約1cm之差異沉陷。