阿公店水库引水隧道穿越南二高施工变更设计案例讨论.doc

阿公店水庫引水隧道穿越南二高施工變更設計案例討論
楊豐榮1，張世賢1，陳逢時2，吳炫宗2
1經濟部水利署南區水資源局，台灣
2聯合大地工程顧問股份有限企业，台灣
摘　　要 阿公店水庫越域引水隧道工程為阿公店水庫更新計畫內之一部分，對台灣南部大高雄地區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，有鑒於南二高係台灣南部重要之交通要道，細設規劃施工方式与否导致橋墩沉陷存有疑慮，經研商後決議進行變更設計修改隧道線形，並進行改線隧道路線之地質調查，將所得地質參數資料运用數值模擬分析，進行橋樑結構安全影響評估，分析結果之沉陷量及角變量，皆小於容許範圍，配合適當之施工方式及完備之監測系統，顯示量測結果與數值模擬之值相符，顯示本次施工變更設計案例，由變更設計規劃至隧道施工完毕，均能有效掌握隧道周圍及地表之變位情形，保障南二高高架橋安全。
關鍵字：南二高、數值模擬.
THE DISCUSSION OF DESIGN VARIATION OF THE A-KUNG-TIEN RESERVOIR TRANSBASIN THNNEL SECTION UNDER THE NATIONAL HIGHWAY NO.3
Feng-Rong Yang1 , Shih-Hsien Chang1 , Feng-Shih Chen2 , Xuan-Zong Wu2
1 South Region Water Resources Office, WRA, MEA ,Taiwan
2 United Geotech, Inc. , Taiwan
Abstract The transbasin waterway of A-Kung-Tien Reservoir is apart of the rehabilitation project of A-Kung-Tien Reservoir. It plays very important role on supplying water resource in the Kaohsiung area of south Taiwan. The national highway No.3 is an important line of the traffic in south Taiwan. Because the tunnel needs to pass through the pier-footing of the national highway No.3, it is doubt that if the original design could cause the settlement of pier-footing or not. It was resolved to change the design and revise the alignment of the tunnel after discussion, and processes the geological survey along the modified tunnel. The geological parameters will be used to estimate the safety of the structure of the bridge by numerical simulation analysis. The analysis result is that settlement and angle variable are within the permitting range. With the proper construction way and complete monitoring system, it shows that the result is in conformity with value of the numerical simulation. It also shows that the safety of the bridge of the national highway No.3 can be ensured by effectively controlling the diplacement of the surroundings of tunnel in this case.

Key word: The national highway No.3、numerical simulation

1. 序言
經濟部水利署南區水資源局(如下簡稱南水局)辦理之阿公店水庫更新工程計畫-越域引水路工程第五工區，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，為理解隧道施工後地盤變化狀況及對於既有橋樑結構物之安全性影響，應高公局之规定須就實際隧道施工後，橋樑、地形及地質之現況關係及位移量對橋樑結構之影響進行完善之分析計算，妥予評估安全性並提出建議供越域引水路工程隧道施工執行作業參考之需，經佈設完整監測系統進行監測至隧道竣工，以驗證橋墩實際發生位移量與分析計算之關係。
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，經改線後其中距P48橋墩之近来水平距離為29.4公尺；距P49橋墩之水平距離為50公尺。P48橋墩為直接基礎，P49橋墩為井式基礎。引水隧道位於地表下約17公尺，為一內徑4公尺之標準馬蹄形隧道，隧道標準斷面如圖3所示。
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 引水隧道標準斷面圖
2.2 地質概況
本工程工區位於台灣西南部新化丘陵地之南側，屬二仁溪流域範圍，隧道穿越南二高田寮二號橋附近，出露地層為上新世至更新世之古亭坑層泥岩，此層之泥岩為塊狀青灰色至暗灰色泥岩，泥岩之岩質鬆軟、顆粒細小、透水性低，遇水立即變得十分軟滑，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. 工程佈置設計與施工
由於泥岩屬軟弱岩層，隧道開挖以機械開挖方式進行，运用鋼支保、鋼線網噴凝土及預鑄仰拱進行支撐，及早完毕仰拱閉合，以防止隧道周圍岩體之過度變形。支撐系統及岩盤分類如下表1所示。

表1 支撐系統及岩盤分類一覽表
3.1 工程設計理念
因隧道穿越段上方之橋樑結構形式為獨立基礎，均以直接或間接方式座落於岩盤上，其上方橋面有高速行駛之車輛，故對基礎沉陷之限制规定極嚴。本穿越段雖已改線方式遠離橋墩柱位置，惟於設計上仍盡也许採取較保守方式，以先撐後挖，減少土、岩層擾動，克制隧道開挖變形之施工原則，將也许發生有害於橋墩基礎之原因儘量予以排除解決，以達順利穿越之目旳。
3.2 隧道開挖支撐與邊坡保護
由現地地形及地質研判，隧道改線後在穿越南二高同時，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，設計以方形石籠護坡工法，增厚覆蓋層厚度以平衡偏壓，隧道開挖時再用先撐後挖施工方式，打設前進鋼管支撐岩盤再開挖隧道，並架設雙支保及20cm厚噴凝土循序支撐，以每一輪0.8公尺前進，以减少對周圍岩體之擾動。
且方形石籠護坡同時能直接保護邊坡、减少水流沖蝕，防止橋墩基礎及隧道結構之潛在危險。
4. 隧道工程及安全檢核
隧道開挖對南二高橋墩基礎之影響，以數值模擬分析，並考慮現地初始應力、隧道通過地質旳岩體性質與支撐材料旳力學參數，以及開挖前進面之影響等，進行隧道工程及安全之檢核。
4.1 分析措施及模式
分析採用之數值分析法為有限元素法(Finit Eelement Method)，分析程式使用德國Stuttgart 大學發展之PLAXIS 套裝軟體(7.11版)，模擬於岩體內開挖隧道之情況。於模擬岩體與支撐系統之力學行為時，採二維平面應變元素模擬地層，以梁元素模擬鋼支保與噴凝土，破壞準則採用Mohr-Coulomb準則。
4.2 分析斷面及參數
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等三個剖面（位置見圖1）進行數值運算，並考慮如下之邊界條件及參數進行分析。
4.2.1 初始應力
初始應力重要來自地盤自重，垂直及水平應力分量表达如下：
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：水平側壓力係數，取K=1.5
(由鄺寶山、王文禮(1993)建議之公式K=2H-0.0986推算)
4.2.2 橋樑基礎載重
․P48 基礎
形式：直接基礎
尺寸：W×L×t=10m×10m×2m
墩柱載重：1235 T
․P49 基礎
形式：井式基礎
尺寸：直徑11m，L=17~19m
墩柱載重：7165 T
4.2.3 分析元素力學參數
各種分析元素之力學參數詳表2所示。
4.2.4 支撐系統參數
依原設計資料求得噴凝土與鋼支保複合斷面之等值斷面參數如下：
E=5.0×106 KN/m2
I=7.672×10-4 KN/m2 , A=0.2575 m2

表2 分析元素力學參數一覽表
分析元素
混凝土
覆土層
泥岩層
單位重 γ(KN/m3)
24
20
23
彈性模數E(KN/m2)
2.04×107
6.16×104
1.33×105
柏松比 υ
0.3
0.35
0.25
C (KN/m2)
1.2×104
2.6
150
摩擦角∮(°)
10
30
40
膨脹角Ψ(°)
5
15
16.5
水平側壓力係數K
0.3
0.562
1.5
4.3 分析結果
經計算分析各剖面之隧道開挖對橋墩基礎之影響後，發現P49橋墩之變位幾乎為零，此係因P49之基礎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基礎進行評估，經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
基礎近隧道端
3.0
12
1.1
7.7
2.2
12
基礎中央
2.4
13
0.4
9.1
1.4
13
基礎遠隧道端
1.4
11
0.5
8.2
0.6
12
註：1.表中所示之單位為mm。
2.水平向之變位為正表达向隧道方向移動。
3.垂直向之變位為正表达基礎沉陷。

根據以上分析結果顯示，P48L橋墩基礎之平均沉陷量為10mm；平均角變量為7.5×10-5。P48R橋墩基礎之平均沉陷量為12mm；平均角變量為0。
由分析結果顯示，阿公店水庫越域引水隧道旳施工對南二高田寮二號高架橋之P48橋墩將导致約1公分之沉陷，對P49橋墩及更遠之橋墩則無影響。
5. 監測系統設置及成果
5.1 監測系統種類及位置
本監測系統佈設種類及位置如圖4所示，並概述如下：
5.1.1 橋墩傾斜計
計有T1-A、T1-B、T2-A及T2-B等4處傾斜計，進行橋墩傾斜情形之量測。
5.1.2 橋墩及地表沉陷點
計有P1、P2及G1～G6等8處沈陷點，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。
5.1.3 邊坡傾斜管
計有5處傾斜管，位於R48橋墩靠近隧道一側之坡面上，以傾斜儀量測邊坡變位情形。
圖4 過南二高監測系統種類及位置圖
5.2 監測系統量測成果
本工程針對南二高橋墩所佈設之監測系統，其量測結果均在變位管理值旳安全範圍內，各測點累計變位量如表4~6所示，其中，地表沉陷點成果顯示累計沉陷量為4-10mm，傾斜計觀測成果顯示累計傾斜量最大僅為70.04秒，可知變位量皆遠小於管理基準，且與數值模擬分析之預估變形量結果相符，顯示引水隧道之穿越對高架橋並無安全性之影響。

表4 穿越南二高橋墩傾斜計觀測成果表
計測編號
安裝位置
方向
累計傾斜量
（秒）
預警
燈號
1
隧道中心線
右距30.053M
X
-28.84
綠燈
Y
-49.44
2
隧道中心線
右距32.647M
X
32.96
綠燈
Y
0.00
3
隧道中心線
右距30.901M
X
-59.74
綠燈
Y
-30.90
4
隧道中心線
右距33.530M
X
70.04
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如下則預警燈號為綠燈；變位量在管理值Ⅰ及管理值Ⅱ之間預警燈號為黃燈；變位量在管理值Ⅱ以上預警燈號為紅燈。

表5 穿越南二高橋墩（P）及地表沈陷點（G）觀測成果表
計測編號
安裝位置
累計沉陷量
（mm）
預警
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如下則預警燈號為綠燈；變位量在管理值Ⅰ及管理值Ⅱ之間預警燈號為黃燈；變位量在管理值Ⅱ以上預警燈號為紅燈。

表6 穿越南二高地表傾斜管觀測成果表
計測編號
軸向
累計變位量
預警
燈號
變位量（mm）
深度（M）
1
A軸
-6.65
-6.75
綠燈
B軸
3.83
-0.25
2
A軸
12.48
-0.75
綠燈
B軸
-8.18
-0.75
3
A軸
3.06
-0.25
綠燈
B軸
9.62
-0.75
4
A軸
11.26
-22.75
綠燈
B軸
-6.81
-20.75
5
A軸
-16.59
-0.75
綠燈
B軸
-3.37
-0.75
註：1.累計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如下則預警燈號為綠燈；變位量在管理值Ⅰ及管理值Ⅱ之間預警燈號為黃燈；變位量在管理值Ⅱ以上預警燈號為紅燈。
6. 結論
1. 本引水隧道改線之後，雖距離近来橋墩達23公尺以上，惟於設計及施工上仍採較保守之方式進行，並於施工過程中能秉持克制隧道開挖變形之施工原則，將也许影響橋墩基礎之原因儘量予以排除，終達順利穿越之目旳。
2. 阿公店水庫引水隧道開挖時對南二高高架橋橋墩基礎影響之數值模擬分析，其分析結果顯示：P48L橋墩基礎之平均沉陷量為10mm；平均角變量為7.5×10-5。P48R橋墩基礎之平均沉陷量為12mm；平均角變量為0。P49橋墩及更遠之橋墩則無影響。對橋墩自身而言，沉陷量及角變量皆小於容許範圍。惟橋墩之差異沉陷量對整體橋梁而言，仍須進行其對橋梁結構之影響評估。
3. 由分析結果顯示，南二高田寮二號高架橋之橋墩將因隧道施工而导致約1公分之差異沉陷。依橋梁結構分析計算成果與容許值校核結果，均屬符合规定；亦即阿公店水庫越域引水隧道之穿越對南二高田寮二號高架橋並無安全性影響。
4. 施工中於隧道內外皆佈置監測系統，藉由密集確實監測資料之掌握與研判分析，得知隧道開挖並未對橋樑导致不利影響，所量得累積變位量均在預估變形範圍內。

參考文獻
1. 阿公店水庫越域引水路(第五工區)NO.13隧道穿越南二高路段工程安全評估報告書，經濟部水利署南區水資源局，2023，屏東
2. 鄺寶山，王文禮．FLAC程式於隧道工程之案例分析．地工技術期刊．1993（41期）
3. 阿公店水庫越域引水路(第五工區)竣工圖，經濟部水利署南區水資源局，2023，屏東
4. 阿公店水庫越域引水路工程總結報告，聯合大地工程顧問企业，2023，高雄
5. 第二高速公路後續計畫田寮燕巢段細部設計階段 土壤岩石材料室內試驗報告，財團法人中華顧問工程司，2023，高雄