阿公店水库越域引水隧道工程与台湾南部大高雄地区用水需求

阿公店水库越域引水隧道工程与台湾南部大高雄地区用水需求

0结构物安全性评估经济部水利秘书处（以下简称南水局）委托给越南-越境引水工程第五阶段的阿公店水库更新工程计划。因为隧道穿过南二桂田一号大桥的p48和p49号码头。为了了解隧道施工后区域的变化以及现有桥梁结构的安全影响，应按照上级当局的要求，分析和计算实际隧道施工后桥梁、地形和地质现状的关系，并调整桥梁结构的影响。应充分评估和提出建议，应用于越境隧道工程的实施和应用，应充分考虑桥墩的实际位移关系。应通过完整的监测系统进行监测和应用，以验证桥墩的实际位移与分析计算之间的关系。1工作地点的简要介绍1.1隧道地位距改线前后之引水隧道和南二高高架桥之平面及剖面相对位置如图1、2所示。引水隧道于南二高里程276K+700～+800间之桥梁下方穿越,改线前引水隧道水平距P48桥墩仅1.9m,经改线后距P48桥墩之最近水平距离为29.4m,距P49桥墩之水平距离为50m。P48桥墩为直接基础,P49桥墩为井式基础。引水隧道位于地表下约17m,为一内径4m之标准马蹄形隧道,隧道标准断面如图3所示。1.2南二高田思岩泥岩地层本工程工区位于台湾西南部新化丘陵地之南侧,属二仁溪流域范围,隧道穿越南二高田寮二号桥附近,出露地层为上新世至更新世之古亭坑层泥岩,此层之泥岩为块状青灰色至暗灰色泥岩,泥岩之岩质松软、颗粒细小、透水性低,遇水立即变得十分软滑,植物难以生长于其上,因而常因坡面冲蚀而形成恶地地形。2喷凝土及预铸仰拱由于泥岩属软弱岩层,隧道开挖以机械开挖方式进行,利用钢支保、钢线网喷凝土及预铸仰拱进行支撑,及早完成仰拱闭合,以避免隧道周围岩体之过度变形。支撑系统及岩盘分类如表1所示。2.1基础沉陷限制因隧道穿越段上方之桥梁结构形式为独立基础,均以直接或间接方式座落于岩盘上,其上方桥面有高速行驶之车辆,故对基础沉陷之限制要求极严。本穿越段虽已改线远离桥墩柱位置,惟于设计上仍尽可能采取较保守方式,以先撑后挖,减少土、岩层扰动,抑制隧道开挖变形之施工原则,将可能发生有害于桥墩基础之因素尽量予以排除解决,以达顺利穿越之目的。2.2浅覆盖及偏压问题解决技术由现地地形及地质分析,隧道改线后在穿越南二高同时,几乎为在平行邻近边坡之坡趾底下穿越,故存在浅覆盖及偏压问题,为解决浅覆盖及偏压问题,设计以方形石笼护坡工法,增厚覆盖层厚度以平衡偏压。隧道开挖时再用先撑后挖施工方式,打设前进钢管支撑岩盘再开挖隧道,并架设双支保及20cm厚喷凝土循序支撑,以每一轮0.8m前进,以降低对周围岩体之扰动。且方形石笼护坡同时能直接保护边坡、降低水流冲蚀,避免桥墩基础及隧道结构之潜在危险。3隧道工程及安全检核隧道开挖对南二高桥墩基础之影响,以数值模拟分析,并考虑现地初始应力、隧道通过地质的岩体性质与支撑材料的力学参数,以及开挖前进面之影响等,进行隧道工程及安全之检核。3.1隧道模拟及分析分析采用之数值分析法为有限元素法(FinitEelementMethod),分析程序使用德国Stuttgart大学发展之PLAXIS软件包(7.11版),模拟于岩体内开挖隧道之情况。于仿真岩体与支撑系统之力学行为时,采二维平面应变元素仿真地层,以梁元素仿真钢支保与喷凝土,破坏准则采用Mohr-Coulomb准则。3.2响应情形及分析条件本评估分析系针对引水隧道开挖对南二高桥墩之影响情形,以有限元素法分析程序PLAXIS对D-D、E-E及F-F等三个剖面(位置见图1)进行数值运算,并考虑以下之边界条件及参数进行分析。3.2.1覆土深度调度x初始应力主要来自地盘自重,垂直及水平应力分量表示如下:σy=γ×H(1)σx=K×σy(2)式中:γ为地层单位重,kN/m3;H为覆土深度,m;K为水平侧压力系数,取K=1.5(由邝宝山、王文礼(1993)建议之公式K=2H-0.0986推算)。3.2.2桥梁基础重量p48基础尺寸:W×L×t=10m×10m×2m墩柱载重:1235tp49基础尺寸:直径11m,L=17～19m墩柱载重:7165t3.2.3分析元素的力学参数各种分析元素之力学参数详表2所示。3.2.4断面之等价参数依原设计数据求得喷凝土与钢支保复合断面之等值断面参数如下:E=5.0×106kN/m2I=7.672×10-4kN/m2A=0.2575m23.3要对桥墩基础的沉陷量进行评估经计算分析各剖面之隧道开挖对桥墩基础之影响后,发现P49桥墩之变位几乎为零,此系因P49之基础底面较隧道所在位置为低,故几乎不受隧道开挖之影响,因而本分析将仅针对P48基础进行评估,经分析得各剖面之变位值如表3所示。根据以上分析结果显示,P48L桥墩基础之平均沉陷量为10mm;平均角变量为7.5×10-5。P48R桥墩基础之平均沉陷量为12mm;平均角变量为0。由分析结果显示,阿公店水库越域引水隧道的施工对南二高田寮二号高架桥之P48桥墩将造成约1cm之沉陷,对P49桥墩及更远之桥墩则无影响。4监控系统的配置和性能4.1监控系统的类型和位置监测系统布设种类及位置如图4所示,并概述如下。4.1.1桥坡面测量计有T1-A、T1-B、T2-A及T2-B等4处倾斜计,进行桥墩倾斜情形之量测。4.1.2桥梁和地面沉降点计有P1、P2及G1～G6等8处沉陷点,其中P1及P2量测R48及L48桥墩之沉陷量,G1～G6则量测隧道上方地表之沉陷情形。4.1.3倾斜防护台计有5处倾斜管,位于R48桥墩靠近隧道一侧之坡面上,以倾斜仪量测边坡变位情形。4.2点累计变位量工程针对南二高桥墩所布设之监测系统,其量测结果均在变位管理值的安全范围内,各测点累计变位量如表4～6所示,其中,地表沉陷点成果显示累计沉陷量为4～10mm,倾斜计观测成果显示累计倾斜量最大仅为70.04″,可知变位量皆远小于管理基准,且与数值模拟分析之预估变形量结果相符,显示引水隧道之穿越对高架桥并无安全性之影响。5支架基础之影响①本引水隧道改线之后,虽距离最近桥墩达23m以上,惟于设计及施工上仍采较保守之方式进行,并于施工过程中能秉持抑制隧道开挖变形之施工原则,将可能影响桥墩基础之因素尽量予以排除,终达顺利穿越之目的。②阿公店水库引水隧道开挖时对南二高高架桥桥墩基础影响之数值模拟分析,其分析结果显示:P48L桥墩基础之平均沉陷量为10mm;平均角变量为7.5×10-5。P48R桥墩基础之平均沉陷量为12mm;平均角变量为0。P49桥墩及更远之桥墩则无影响。对桥墩本身而言,沉陷量及角变量皆小于容许范围。惟桥墩之差异沉陷量对整体桥梁而言,仍须进行其对桥梁结构之影响评估。③由分析结果显示,南二高田寮二号高架桥之桥墩将因隧道施工而造成约1cm之差异沉陷。