簡介挪威的隧道施工法NMT
白金瑞
摘 要
         本文概觀挪威的隧道施工法NMT的組成要素，在具有節理弱面的岩體中隧道的經濟設計及施工被認為是基本的。對公路或鐵路隧道，乾燥的車道是基本的要求。本原理亦可應用於建在岩石中的水力發電隧道及地下洞室。本文亦描述新的Q岩體分類系統及震測的應用，Q岩體分類系統及震測用來設計經濟的永久支撐系統，此支撐系統是由高品質的鋼纖噴凝土(以機械臂施噴)及防腐蝕岩栓所組成。NMT能夠提供永久的隧道支撐系統，其成本只有傳統隧道施工的小部份，因此一般狀況不採用襯砌混凝土，除非岩盤地質狀況很差，襯砌混凝土可用來穩定岩盤的擠壓或膨脹。

一、前言

         就公路隧道或鐵路隧道而言，NMT是由許多各式各樣的隧道經驗所累積，這些低成本高技術的挪威隧道其開挖面積從45平方公尺到110平方公尺。下列是NMT的基本要素：
1.設計
         (1)初期設計是根據現場的地質圖、鑽探岩心及震測結果。
         (2)岩體品質描述採用Q值(Barton 1974；Barton 和Grimstad 1994)。
         (3)根據施工過程所獲得隧道岩石品質及Q系統支撐建議來選擇最後支撐。
         (4)大部份常用的永久支撐類別利用二向度離散元素(可分析節理)UDEC-BB程式及三向度3DEC(可分析3D節理)程式來確認。NGI所發展的UDEC-S(fr)可檢核噴凝土所承受的力。
         (5)基本上採用NMT所設計的公路隧道是允許排水的，如果為了控制隧道內的水及霜凍，可採用混凝土隔版將水隔離。
2.合約
         (1)業主支付技術上正確的支撐項目。
         (2)承包商根據合約中所列的單價依實作數量計價。
         (3)業主比承包商承擔較多的風險。
         (4)所採用的支撐是由業主與承包商所同意的Q值，而且經常改變。
3.開挖及支撐
         (1)一般採用鑽炸法開挖隧道，依地質現況選擇適當的開挖方法。
         (2)臨時支撐如Sb，B或S(fr)是永久支撐的一部份。
         (3)永久支撐類別是在隧道開挖過程中才選定。
         (4)永久支撐一般是由高品質的濕式鋼纖噴凝土及全著型岩栓所構成，岩栓具有防腐蝕能力。
         (5)岩盤地質條件很差時，才使用襯砌混凝土。
         NMT不同於NATM：(1)NMT利用預言性的岩體分類於支撐設計，(2)NATM利用計測於支撐設計選擇，(3)NMT採用的永久支撐不是襯砌混凝土(除非需要)，(4)NATM採用臨時支撐，襯砌混凝土為永久支撐，(5)NMT採用機械臂施噴鋼纖噴凝土(10-25m3/hr)，(6)NATM採用鋼線網，一般採用手持乾式噴凝土。
         由於濕式噴凝土反彈量低(一般是4% - 6%)，及不採用內襯砌混凝土來防水，用於NMT與NATM隧道的混凝土量有很大的不同(NMT混凝土用量約只有NATM的1/2 – 1/5)，施工工期也明顯受到影響。由於NMT採用機械化施工(機械臂、電腦控制鑽堡)，隧道開挖面的工人每班只有三人。
         NMT代表性特點，圖(一)：
         (1)根據露頭、岩心、隧道壁面的岩體特徵描述作為撐類別估算。
         (2)當有震測資料可用時，可利震測資料來建立岩體品質。
         (3)現地採用Q系統來選擇支撐類別。
         (4)利用數值分析模式來確認依經驗設計的支撐系統。
         (5)濕式噴凝土採用機械臂施噴。
圖一 NMT設計與施工

三、岩體特性描述

         在1970年利用Q系統來描述岩體特性，當時鋼纖噴凝土尚未問世(最早利用鋼纖噴凝土是1972年，應用於Ririe霸的隧道)。二十年來Q系統更新了兩次，是為了配合最近六年濕式鋼纖噴凝土技術及挪威所建立的經驗。現今的Q系統(Barton和Grimstad,1994)和二十年前的系統大致上沒有改變，只有在地應力的項目作了改進，岩體品質數(Q值)範圍改為0.001至1000，如此較能確實地反應隧道地質狀況的巨大變化，既從膨脹或擠壓岩盤和黏土到厚塊狀、無節理岩盤。Q值的計算公式由六個參數組成：
         Q = (RQD/Jn)(Jr/Ja)(Jw/SRF)
         六個參數是經驗評分，其評分如表一所示，並利用統計方法將六個參數摘要在如圖(二)。
表一 Q系統評分表(Barton and Grimstad, 1994)
1.Rock Quality Designation RQD
A Very poor 0．25
B Poor 25．50
C Fair 50．75
D Good 75．90
E Excellent 90．100
Note: i ) Where RQD is reported or measured as≦10(including 0),a nominal value of 10 is used to evaluate 0.
ii) RQD intervals of 5,i.e., 100,95,90,etc.,are sufficiently accurate.
　 　
2.Joint Set Number Jn
A Massive, no or few joints 0.5．1.0
B One joint set 2
C One joint set plus random joints 3
D Two joint sets 4
E Two joint sets plus random joints 6
F Three joint sets 9
G Three joint sets plus random joints 12
H Four or more joint sets, random, heavly jointed,
"sugar cube", etc.		 15
J Crushed rock, earthlike 20
Note: i ) For intersections, use(3.0×Jn)
ii) For portals, (use2.0×Jn)
　 　
3.Joint Roughness Number Jr
a)Rock-wall contact, and b) rock-wall contact before 10 cm shear
A Discontinuous joints 4
B Rough or irregular, undulating 3
C Smooth, undulating 2
D Slickensided, undulating 1.5
E Rough or irregular, planar 1.5
F Smooth, planar 1.0
G Slickensided, planar 0.5
Notel: i ) Descnptions refer to small scale features and intermediate scale features, in that order. 　
c)No rock-wall contact when sheared
H Zoon containing clay minerals thick enough to prevent rock-wall contact 10
J Sandy,gravelly or crushed zone thick enough to prevent rock-wall contact 10
Note: i ) Add 1.0 if the mean spacing of the relevant joint set is greater than 3m
ii) Jr = 0.5 can be used for planar slickensided joints having lineation, provided the lineations are oriented for minmum strength.
　 　
4.Joint Alteration Number ∮r
approx.		 Ja
a)Rock-wall contact (no mineral fillings, only coatings) 　
A Tightly healed, hard, non-softening, impermeable filling, i.e., quartx or epidote 　 0.75
B Unaltered joint walls, surface staining only 25-35° 1.0
C Slightly altered joint walls. Non-softening mineral coatings, sandy particles, clay-free disintegrated rock, etc. 25-30° 2.0
D Silty-or sandy-clay coatings, small clay fraction (non-softening) 20-25° 3.0
E Softening or low fnction clay mineral coatings, i.e., kaolinite or mica. Also chlorite, talc, gypsum, graphite, etc., and small quantities of swelling clays. 8-16° 4.0
b)Rock-wall contact before 10 cm shear (thin mineral fillings) 　
F Sandy particles, clay-free disintegrate drock, etc. 25-30° 4.0
G Strongly over-consolldated non-softening clay mineral fillings (continuous, but<5mm thickness) 16-24° 6.0
H Medium or low over-consolidation, softening, clsy mineral fillings(continuous, but<5mm thickness) 12-16° 8.0
J Swelling-clay fillings, i.e., montmorillonite (continuous,but<5mm thickness).Value of Ja depends on percent of swelling clay-size particles, and access to water, etc. 6-12° 8-12
c)No rock-wall contact when sheared(thick minaral fillings) 　
KLM Zones or bands of disintegrated or crushed rock and clay (see G, H, j for description of clay condition) 6-24° 6, 8, or
8-12
N Zones or bands of silty-or sandy-clay, small clay fraction(non-softening) - 5.0
OPR Thick, continuous zones or bands of clay (see G, H, J for description of clay condition) 6-24° 10, 13,
or 13-20
1/3 (Mpa) where r = rock density in kN/m3(Singh,1993)
5.Joint Water Reduction Factor Jw
A Dry excavations or minor inflow, i.e.,<5mm 1/min locally 10
B Medium inflow or pressure, occasional outwash of joint fillings 0.66
C Large inflow or high pressure, in competent rock with unfilled joints 0.5
D Large inflow or high pressure, considerable outwash or joint fillings 0.33
E Exceptionally high inflow or water pressure at blasting, decaying with time 0.2．0.1
F Exceptionally high inflow or water pressure continuing without noticeable decay 0.1．0.05
Note: i ) Factors C to F are crude estimates. Increase Jw if drainage measures are installed.
ii) Special problems caused by ice formation are not considered
　 　
6.Stress Reduction Factor SRF
a)Weakness zones in intersecting excavation, which may cause lossening of rock mass when tunnel excavated
A Multiple occurrences of weakness zones containing clay or chemically disintegrated rock, very loose surrounding rock (any depth) 10
B Single weakness zones containing clay or chemically disintegrated rock (depth of excavation≦50m) 5
C Single weakness zones containing clay or chemically disintegrated rock (depth of excavation>50m) 2.5
D Multiple shear zones in competent rock (clay-free), loose surrounding rock (any depth) 7.5
E Single shear zones in competent rock (clay-free) (depth of excavation≦50m) 5.0
F Single shear zones in competent rock (clay-free) (depth of excavation>50m) 2.5
G Loose, open joints, heavily jointed or "sugar cube" .etc (any depth) 5.0
Note: i ) Reduce these values of SRF by 25.50% if the relevant shear zones only influence but do not intersect the excavation
b)Competent rock, rock stress problems σ3 /σ1 σθ /σc SRF
H Low stress, near surface. Open joints 200 <0.01 25
J Medium stress, favourable stress condition 200．10 0.01．0.3 1
K High stress, vary tight structure Usually favourable to stability, may be unfavourable for wall stability 10．5 0.3．0.4 0.5．2
L Moderate slabbing after 1 hour in massive rock 5．3 0.5．0.65 5．50
M Slabbing and rock burst after a few minutes in massive rock 3．2 0.65．1 50．200
N Heavy rock burst (strain burst) and immediate dynamic deformations in massive rock <2 >1 200．400
Note: ii ) For strongly anisotropic virgin stress field (if measured) when 5≦σ1 /σ3≦10. Reduce σc to 0.75σc whenσ1 /σ3 >10. Reduce σc to 0.5σc' where σc = unconfined compression strength, σ1 and σ3 are the major and minor pnncipal stresses, and σc = maximum tangential stress (estimated from elastic theory)
iii ) Few case records available where depth of crown below surface is less than span width. Suggest SRF increase from 2.5 to 5 for such cases(see H).
C)Squeezing rock :plastic flow of incompetent rock under the influence of high rock pressure σθ /σc SRF
O Mild squeezing rock pressure 1.5 5-10
P Heavy squeezing rock pressure >5 10-20
Note: iv ) Cases of squeezing rock may occur for depth H > 350Q1/3(Singh et al., 1992). Rock mass compression strength can be estimated from q = 0.7 γ Q
d)Swelling rock: chemical swelling depending on presence of water
R Mild swelling rock pressure 5-10
S Heavy swelling rock pressure 10-15
Note: Jr and Ja classification is applied to the joint set or discontinuity that is least favourable for stability both from the point of view orientation and shear resistance, T ( where T =σn tan-1(Jr / Ja)
Choose the most likely feature to allow failure to initiate
　 Q = RQD × Jr × Jw 　
Jn Ja SRF 　


圖二 Q系統參數統計圖

四、經驗支撐設計

         圖(一)中左邊第二個圖列出永久性支撐代表性方法，支撐建議是根據1250個案例。經驗支撐設計技巧如圖(三)所示。對公路和鐵路隧道（地下水力發電廠）ESR = 0.9 – 1.1，輸水隧道ESR = 1.6 – 2.0，ESR因素修正支撐程度，也因此修正成本及安全水準。
         依據NMT原理，岩體分類主要用來支撐類別選擇而非監測，然而就隧道的行為及岩體品質，監測資料可提供有用的判斷，Barton et al(1994)建議隧道壁面變位：
         (mm)＝SPAN(m)×σc)1/2 ×Q
         假設SPAN＝10m，Q＝0.01，H＝100m，σc＝10MPa，△＝316mm。

五、岩栓設計

         同一輪進的岩栓其長度依實際狀況而變，數值分析可用來確認岩栓所需的長度，最佳的岩栓設計是考慮岩栓承受最大荷重的地方，同時考慮岩栓的斷面大小。對於變形性較大的地盤，容許較大變形的環氧樹脂玻璃纖維岩栓較為適合。不同承載力及勁度的岩栓會影響噴凝土內部所承受的力。
         NMT採用B+S(fr)(岩栓＋濕式鋼纖噴凝土)作為永久性支撐，不需襯砌混凝土，所以鋼纖及岩栓須具有防腐蝕功能。岩栓受防蝕處理、黏著劑及PVC套管保護，或採用玻璃纖維岩栓。

六、鋼纖噴凝土

         1974年的Q系統支撐建議只有噴凝土或加舖鋼線網S(mr)，1984年濕式鋼纖噴凝土S(fr)首次商業上應用於挪威的水力電廠計畫，因此大約到1984年以後，S(mr)在挪威已不再使用，原因是S(fr)的施噴技術有戲劇性的成功進展，
其中包括機械臂噴漿機的高噴量(25m3/hr)、高品質、低反彈量。圖(一)中左邊第三個圖摘要現代噴凝土的關鍵要素，其在安全的、迅速的及經濟的隧道施工方面代表著一種革命。
         S(fr)的關鍵性質包括很低的滲透率，鋼纖受到保護(噴凝土品質好，低含水量，W/(C+F)=0.4 – 0.45)，S(fr)變形時吸收破裂的能量為純噴凝土的30至40倍，且等於二層鋼線網噴凝土。S(fr)的另一優點是S(fr)可以密貼於不平整的岩壁面(鋼線網是不可能，會形成孔洞，增加腐蝕的潛在性)。S(fr)可以和所有岩壁密合，可發揮最高的可能的黏著力、凝聚力及磨擦力。

圖三 Q系統隧道補強材料設計圖(Grimstad Barton, 1993)

七、震測推估岩石品質

         對於未來的隧道計畫，利用震測來調查地層的低速帶所在位置最為便利，但其主要問題是如何利用震測資料來推估岩體品質。淺層硬岩岩盤的震波折射法(深度等於或小於25m)，Barton et al(1992)建議：
         Vp＝log10Qc＝3.5 km/s (1)
         Vp＝是P波速度
         Qc＝Q×σc/100
         圖(四)說明Qc與Vp、深度、岩體組構孔隙、單軸抗壓及岩體變形模數的關係，岩石孔隙率n越大，Vp越小，深度越大，Vp越大，地層深度等於或小於25m時，利用(1)式須考慮n值作修正，地層深度等大於25m時，Vp亦須修正。對較大深度地層，如果可能，可採用孔內震測，由於深度較大，節理較為緊閉，岩盤據有較高的彈性波速及變形模數，但可能無法提高隧道隧道品質（Q值），因為高應力產生擠壓、壓碎或板裂(slabbing)，抵消因節理較為緊閉使岩盤具有較高的彈性波速及模數，所以應用Qc-Vp關係要小心。假設Q值=2，σc=50MPa，Qc =2×50/100=1，假設n = 10﹪，隧道深度是100公尺，n減少Vp，隧道深度增加Vp，兩者效用幾近相抵消，所以採用(1)式預估現地Vp=3.5km/s及變形模數M=10GPa。M = 10QC1/3 GPa。


八、數值分析確認

         Q系統所建議的隧道支撐系統，包括岩栓間距、鋼纖噴凝土厚度、鋼肋加勁噴凝土(RRS)或場鑄混凝土拱(CCA)(岩盤差者)，是根據經驗關係。在決定支撐系統時，仍然需要考慮岩栓的承載力及勁度，檢核噴凝土所承受的荷重。因此NMT設計亦採用數值分析來幫助了解支撐潛在的異常承受荷重，改進基本的經驗的設計。如圖(五)所示，對於Q＜0.1，可採用破碎地盤為連續體模式，對於0.1＜Q＜100，節理可採用二向度UDEC或三向度3DEC來模擬。Flac程式(連續體模式)無法實際描述離散節理岩盤的變形行為。

圖四 震波速度與岩石品質、靜泰變形模數關圖(Barton, 1995)

圖五 Q值與數值分析模式關係圖(修正自Hoek, 1983)

九、鋼纖噴凝土數值分析模式

         當新鮮岩壁具有高度粗糙度時，適當選擇鋼纖噴凝土黏著力，將發現噴凝土與岩壁間會有潛在很高的磨擦強度，圖(六)可用來估算S(fr)與岩壁間的強度。

十、岩栓防腐蝕保護

         B+ S(fr)作為隧道永久支撐給予設計者很大的負擔(50年或100年的隧道設計年限)，挪威採用CT(Combi-Tube)解決了此問題，如圖(七)所示。PVC套管將灌漿液分為兩層，岩栓桿件經鍍鋅處理，並塗上環氧樹脂，機械式錨端為臨時錨定。岩栓可在噴凝土前或後灌滿漿液。噴凝土後岩栓灌漿需預留灌漿管。在岩盤具有低變形模數及岩栓勁度較大與岩盤變形無法協調時，採用玻璃纖維岩栓灌置環氧樹脂或合成樹脂亦可解決腐蝕問題。

十一、乾燥的NMT隧道

         圖(八)說明NMT沒有鋼肋及有鋼肋的支撐型式。NMT隔離水及霜凍如圖(九)所示，有四個重點需要強調得：
         (1)隧道要排水但要維持乾燥(預先灌漿止水)。
         (2)節省大量混凝土數量。
         (3)需要可靠NMT岩盤加勁(因為是永久的隧道支撐)。
         (4)需要低的維護。■
MDEC-S(fr)之S(fr)輸入資料
1)當δc(岩石)＞δc(噴凝土)，JCSsΦ及rs是最弱的連結
2)當δc(岩石)＜δc(噴凝土)，JCSs及Φrr是最弱的連結
1)握裏失敗前的剪力強度
2)握裏失敗後的剪力強度
Ⅲ 作用在噴凝土的正方向應力
•典型平均支撐壓力P
岩栓10t/m2=0.1 Mpa
•假設平均支撐壓力P
噴凝土=0.01∼0.1Mpa
由於非常低的正向應力，Φ1及Φ2很高，既大於50°因此JCOH＞JTENS
假設 σe/σ1for S(fr)＝10/1
假設JTENS(Mpa)＝(差) 0.25←→1.0(好)
圖六 估算岩壁-S(fr)間的強度的方法


圖七 挪威CT岩栓示意圖                  圖八 支撐系統縱向及橫向示意圖

圖九 NMT隧道襯砌具有排水設施，但車道是乾燥的(Kveldsvik及Karlsrud, 1995)

參考文獻：

         1. Nick Barton & Panayiotis Chryssanthakis(1996) "Design of Tunnels for NMT Using Fibre Reinforced Shotcrete and Bolting as Permanent Support", Second International Symposium on Sprayed Concrete.