新奧工法「現地設計」與某隧道災變案例之觀察(上)

新奧工法(或稱新奧隧道工法，NATM)是新奧地利隧道工法(New Austrian Tunnelling Method)的簡稱，該稱呼是 ... (二) 台灣岩體分類與隧道支撐系統(PCCR系統)【文獻4】 新奧工法「現地設計」與某隧道災變案例之觀察(上) □林真在 一、前言         新奧工法(或稱新奧隧道工法，NATM)是新奧地利隧道工法(NewAustrianTunnellingMethod)的簡稱，該稱呼是因應歐洲奧地利這個國家的現代隧道工程與其傳統的隧道工程，在構築理念及作法上，有相當大的不同，為了區別起見，在西元1962年左右，所提出的名詞。

傳統隧道工法將隧道周圍地盤視為荷重的成員，NATM的基本理念是將隧道周圍地盤活化為承載環，成為重要的支撐成員，與鋼支保工法相對比，NATM可稱為〝地盤支撐工法〞。

【文獻1】【文獻2】         台灣積極提昇隧道工程技術多年，山區隧道的設計及施工，已不再是傳統的鋼支保工法，而是基於變形控制的理念，以岩栓、噴凝土與輕型鋼支保為主之半剛性支撐施工，稱為CCM工法(Convergence-ConfinementMethod，變位控制工法)，也有隧道從業人員將CCM工法(變位控制工法)稱為新奧工法(NATM)。

【文獻3】         同樣的新奧工法(NATM)名稱，奧地利這個國家的新奧工法(NATM)與台灣實施的新奧工法(NATM)有何異同？似乎值得探究，本文對於新奧工法「現地設計」(on-goingdesign，邊施工邊設計)與某隧道內侵修挖之災變案例，提出個人觀察與看法，以供各界指正或參考。

二、變位控制工法概要 (一)Bieniawski的地質力學分類法         Bieniawski的岩體評分(RMR)系統亦稱地質力學分類法(geomechanicsclassification)，該分類法是依據岩石材料強度、RQD(岩石品質指標)、節理間距、節理狀況、地下水以及節理的位態等項目加以評分，後依評分的總和進行分類；地質力學分類法評分標準(1989年版)示於表1(地質力學分類法評分標準)，RMR值=材料強度評分+RQD(岩石品質指標)評分+節理間距評分+節理狀況評分+地下水評分+節理的位態評分。

(二)台灣岩體分類與隧道支撐系統(PCCR系統)【文獻4】         依據台灣地質材料特性、岩體相關強度特性、岩體對水的敏感性，並參考台灣岩層地質年代，劃分台灣岩盤為A、B、C、D四種類別，表2為A、B岩類之岩體分級標準表，表3為台灣地區A、B岩類隧道標準支撐建議表，其他表格例如A、B、C、D四種類別之隧道岩體分類劃分基準建議表、岩體分級標準表、以及隧道支撐建議表等等，請參詳【文獻4】或【文獻5】，在此從略。

        使用PCCR系統應注意事項如下：         1.PCCR系統係適用於山岳隧道，而且非屬特殊地質之一般岩體。

山岳隧道工程可能遭遇之特殊地質，包括擠壓、膨脹、湧水、有害氣體、地熱、岩爆、大規模斷層帶等七大類地盤，其開挖工法與支撐設計均應需視個案特性加以特別考量。

【文獻4】         2.A、B岩類以及C、D岩類之隧道支撐建議不適用於隧道洞口段、交叉段及淺覆蓋段(H<2D)、通過重要結構物下方、近接或並設隧道等情況。

各隧道工程於實際執行時，執行人員可按相關各表所列內容訂定各支撐構件之規格尺寸，並得依其專業判斷作適當調整。

【文獻4】 (三)變位控制工法的設計及施工         1.台灣高速公路山岳隧道之設計及施工概要         張森源先生(1993年)【文獻6】認為，台灣高速公路山岳隧道一般設計的順序是「作業上先依據隧道全線之地質情況歸類，分出五至六種不同等級的岩體，次依隧道需要之功能淨空，訂出開挖斷面之形狀與尺寸，再訂各級岩體之開挖方法與步驟，最後參考以往經驗，擬出各級岩體構成岩拱所需之補強措施，包括噴凝土厚度，鋼線網，輔助鋼肋，岩釘佈置等…。

施工時隨同開挖面之前進，逐段評定岩體之實際等級，依據適合該等級岩體標準施工圖所示之斷面，開挖方法與補強措施等進行施工。

施工後密集監測隧道岩壁之變位，視其收歛情形，增減既設之補強措施。

」         2.變位控制工法之設計及施工概要         張吉佐侯秉承劉弘祥(2004年)【文獻3】表達，變位控制工法之設計及施工概要為「以經驗設計法搭配岩體分類進行(支撐設計)，再根據地質調查或試驗所推估之參數，以數值分析法加以檢核。

在設計階段，預先將可能之岩盤按優劣次序訂定不同等級與相應之支撐類型。

在施工階段，根據開挖後之岩盤實況，在現場評定其等級及選定支撐類型，並配以變形監測及回饋分析，作為需否加強支撐之依據。

」         3.回饋設計之施行程序【文獻4】         回饋設計之施行程序如下：         (1)管理基準的設定         (2)隨施工之進行而實施觀察及監測         (3)根據觀察及監測結果，實施最終預測         (4)監測值及預測值與管理基準值之比對         (5)初步設計及施工妥當性的探討         (6)必要時重新探討管理基準等         4.計測管理與回饋分析之案例【文獻7】【文獻8】【文獻9】【文獻10】         八卦山隧道(公路總局東西向快速道路漢寶草屯線)長約5公里，係由彰化縣員林鎮泉州寮橫穿過八卦山台地至南投縣草屯鎮頂寮，隧道採雙孔雙車道設計，開挖斷面積約120m2，包含左、右兩線的行車隧道以及一座作為通風用途的豎井(內徑9.5m、深度240m)。

兩平行隧道之間距為23m，隧道斷面形狀為六心圓，高度為10.5m、寬度為12.6m。

隧道所穿過之地層為頭嵙山層火炎山相礫石層，礫石層夾凸鏡狀之砂層或粉砂層，及厚度不一之層狀泥層(不透水層)。

八卦山隧道計測管理基準示於表4，隧道施工管理等級與對策示於表5，隧道施工管理等級與處理方式示於表6。

奧地利式的新奧工法(NATM)概要 (一)NATM概說         奧地利式的新奧工法(NATM)主要基於實務經驗發展而來，是以科學依據為基礎的隧道構築理念。

創始者及提倡者均瞭解到：大部分的地盤在隧道開挖前呈穩定狀態，在隧道完成後亦呈穩定狀態，亦即地盤中的應力呈平衡狀態；但在隧道開挖及隧道呈現穩定狀態之間的情況，是一個應力重分配的過程，為不穩定狀態，是一個會隨時間而變的過程，該過程可以經由動態(dynamic)或流變(rheological)過程來瞭解，而無法以靜態狀況予以計算。

因此，他們將隧道工程的重要原則，依隧道支撐及地盤之力學行為整合成獨特的處理方式，在設計圖說及施工上，不僅依賴隧道完工後的靜力學，更致力於隧道開挖到隧道穩定期間，隧道支撐及地盤之力學行為的瞭解與控制，使得隧道工程既安全、又經濟。

(二)地盤分類(groundclassification)【文獻1】【文獻2】【文獻5】         NATM地盤分類(groundclassification)是依隧道支撐及地盤之力學行為(geomechanicalgroundbehavior)加以分類，有人以NATM「岩體分類」稱呼NATM「地盤分類」。

依據力學行為之不同，Rabcewicz-Pacher將地盤分成安定地盤、剝離地盤、易崩落地盤、擠壓地盤、強擠壓地盤及顆粒地盤(或稱土砂地盤)等五種不同的類型，每一類型相關的隧道工程重要原則(力學行為、支撐構件的設置時機及應變處理、仰拱需求、破壞模式等)，略述如下：         1.類型一：安定地盤         地盤屬於安定到輕微剝離，地盤單軸抗壓強度大於隧道的切向應力，變形量不大，屬於彈性變形，在隧道開挖後，應將不連續面及隧道開挖面所組成的關鍵岩塊或有鬆動顧慮的岩塊，立即加以支撐(例如施加預力膨脹岩栓，並且視需要施加噴凝土)或清除，經過清除及局部支撐後，隧道即可達到隧道應力重分配後的永久平衡。

在初始應力(primarystress)高的環境中，應注意脆性破壞(岩爆問題)，若有岩爆問題，應有特別的措施加以處理。

類型一的地盤環境，不需設置仰拱。

隧道開挖面的頂部落石，屬於立即破壞，若沒有適當的處理及預防，會危及施工人員的安全，造成施工機具之損壞。

        2.類型二：剝離地盤         隧道開挖後，地盤反應具有易剝離的特性，地盤單軸抗壓強度大於隧道的切向應力，變形量不大，屬於彈性變形；亦即整體上，地盤的反應是安定的，此與類型一相同。

但隧道頂部的地盤易剝離，需要將隧道頂拱位置的地盤加強(例如施加噴凝土、鋼線網及系統性制式預力岩栓)，用以防止落盤發生，避免危及施工人員及機具之安全。

類型二的地盤環境，不需設置仰拱。

        3.類型三：易崩落地盤         隧道開挖後，地盤反應具有易崩落的特色，隧道周圍地盤強度等於或稍微小於隧道應力重分配中的切向應力，上半部(頂拱)及台階的地拱強度需要系統性加強，才能夠使隧道穩定。

至於是否需設仰拱，則視現場情況而定。

        4.類型四：擠壓性地盤         隧道開挖後，地盤具有擠壓性，地盤單軸抗壓強度小於隧道的切向應力，岩體強度受到隧道開挖後應力重分配的顯著影響，岩體塑性化，產生擠壓行為。

壓力來自隧道周圍四方，而在垂直於最大初始壓應力方向的地方，應力特別集中。

在這種呈現擠壓性行為的地方施工，所有開挖暴露面(含仰拱)的立即保護及加強，是必要的。

地盤的擠壓，原則上可藉由支撐環的閉合加以克服。

類型四的地盤環境，需要設置仰拱，仰拱的功能在於增加抗抵擠壓的力量；靜力學上，當圓管沒有缺口時，方具有圓管的功能。

在類型四擠壓性的地盤環境中，頂拱位置在開挖後，應立即施加噴凝土、鋼線網及系統性制式岩栓，至於是否採用先撐後挖的方式，通常視現場情況來決定。

類型四地盤在隧道開挖後，地盤的變形為塑性變形，變形量較彈性變形為大，破壞模式為剪力破壞。

        5.類型五：強擠壓地盤及顆粒地盤(或稱土砂地盤)         隧道開挖後，地盤具有擠壓性，地盤單軸抗壓強度小於隧道的切向應力，岩體強度受隧道開挖後應力重分配的顯著影響，岩體塑性化，產生擠壓行為。

施工時，所有開挖暴露面(含仰拱)的立即保護及加強，是必要的。

原則上類型五的地盤環境中，採用先撐後挖，亦即在尚未開挖前，先打設鋼板、鋼管或施行管冪工法，用以增加開挖面的自立時間，預防開挖後落盤之發生。

頂拱在開挖後，應立即施加噴凝土、鋼線網及系統性制式岩栓，而地盤的擠壓，須藉由支撐環的閉合加以克服。

在強擠壓性的地盤環境下，有時設置仰拱尚不足以使隧道穩定，還需以施加岩栓或灌漿方式，加強仰拱的地拱強度，才能使隧道穩定。

類型五擠壓性的地盤在隧道開挖後，地盤的變形為塑性變形，變形量較彈性變形為大，破壞模式為剪力破壞。

(三)NATM的施行概要【文獻2】【文獻5】【文獻11】【文獻12】【文獻13】         新奧隧道工法的施行方式，一般先進行調查，然後衡量覆蓋厚度、全線地質情況、隧道斷面大小及形狀、輪進長度、輪進時間、開挖面分割掘進方式、開挖施工品質、仰拱閉合時間、仰拱閉合距離、支撐構件的種類與數量、以及支撐構件的按裝時間與順序等等與隧道行為有關的因素，依據隧道支撐和地盤之力學行為以及設計者之經驗，進行地盤分類，製成設計圖說(含施工技術規範)等發包文件。

        施工時，首先由業主與施工廠商之「施工督導」(執行現地設計工作之隧道工程師)共同來決定岩體分類等級評定，施工廠商依判定地盤類別的施工條件進行施工，接著是藉助具有NATM經驗之隧道工程師(經歷適當隧道地拱力學行為之教育、訓練與經驗之專業人員)之專業能力，解讀計測資料所代表之隧道地拱力學行為，研判破壞模式，進行現地設計(設計調整)工作，致力於隧道開挖到隧道穩定期間，隧道支撐及地盤之力學行為的瞭解與控制，促使隧道工程在安全與經濟條件下完成。

(四)計測與山岳隧道現地設計之案例【文獻14【文獻15】【文獻16】         奧地利Tauern公路隧道全長6.4公里，隧道斷面積約100m2，北口360m為崩積土，主要由塊石及砂組成，黏土含量很少，塊石尺寸可達10m3，地盤類別屬於類型五顆粒地盤(或稱土砂地盤)，開挖採用頂拱及台階方式，分四階開挖，頂拱及台階均留土心，仰拱須在頂拱開挖後30日內閉合。

穿越崩積土後之岩石為千枚岩(phyllite)，開挖採用頂拱及台階方式，頂拱輪進長度1.5～2.5m，里程Tkm0.709處，覆蓋厚度350m，支撐構件為岩栓、10cm噴凝土、及鋼線網，台階距離頂拱開挖面40m，仰拱閉合時機依計測資料決定，然而在頂拱開挖面後面僅10～15m，產生剪力裂縫，部分鋼線網扭曲變形，噴凝土局部浮離，埋在噴凝土之切向應力計所量測到之切向應力歷時曲線，顯示在台階開挖後以及仰拱混凝土澆灌之歲月，切向應力大小變動很大，壓力重複地昇高及降低，仰拱混凝土澆灌後，切向應力歷時曲線趨於穩定，隧道呈穩定狀態，但部分測點量到的切向應力，約略大於150t/m2，顯示地拱承載環(由岩栓、10cm噴凝土、鋼線網與地盤所組成)遭受剪力破壞後，仍能承受150t/m2之切向應力。

        里程Tkm1.000處，覆蓋厚度約450m，岩石是含絹雲母-綠泥石-石英之千枚岩，地盤類別屬於類型四擠壓性地盤，支撐構件為鋼線網、鋼支堡、15cm噴凝土、及4m岩栓，開挖採用三階(頂拱及兩段台階)方式，頂拱輪進長度1.0m，在頂拱開挖面後面約100m處，鋼線網、鋼支堡、噴凝土、岩栓、及地盤所組成之地拱產生扭曲變形，顯示支撐強度不足，因此緊急施加相當數量較長岩栓。

隨後之計測資料觀察，岩栓補強之效果良好。

在地拱產生扭曲變形的地方施加岩栓，一方面，可以避免鬆散的噴凝土襯砌掉落，另一方面，強化地拱承載環，可以避免變形加大惡化。

藉助於本案例破壞機制之瞭解與成功處理經驗，為要避免隧道類似破壞發生，發展出允許相當變形的支撐方式，該方式是：先行超挖預留變形空間、噴凝土每3m預留20cm縱向槽溝、以及使用可伸縮式鋼支保等，由於使用該支撐方式後之效果良好，即將開挖的後續4kmTauern隧道，在地質條件及覆蓋厚度適用時，皆採用此種允許相當變形的支撐方式。

        Tauern公路隧道首先使用允許相當變形的支撐方式，後來奧地利Arlberg公路隧道(約14km長，隧道斷面積90～103m2)也使用這種允許相當變形的支撐方式，其允許變形量高達50～80cm。

四、隧道因內侵修挖引致崩坍擠壓之仲裁案例【文獻17】 (一)案例要旨：         隧道工程施工時，因內淨空不足之修挖造成長達70公尺的隧道崩坍，另一孔已開挖貫通完成一次支撐之隧道則受其影響產生擠壓現象，其發生原因不外乎設計錯誤或修挖不當，或因天然因素所致，但在設計責任無充分資料佐證下，本案判定係因內侵空修挖不當所引致，但隧道上方不明廢礦坑、地表地貌地形改變及連日陰雨等天然因素使災害範圍更為擴大，並非申請廠商承攬本工程時所能預料，因此按「情勢變更」原則，由主辦機關負擔部份修復費用。

(二)原因事實         ○○公路隧道工程採用鑽炸法施工，施工至民國82年3月27日後，北上線22K+285至22K+357陸續崩坍，南下線已貫通路段22K+238至22K+355則受波及，發生擠壓，工程修復費用花費甚鉅，主辦機關與申請廠商對於崩坍及擠壓變形之成因為何、責任歸屬及修復費用之分攤，互有指摘，諸多爭議，申請廠商於民國84年工程修復完成後，請求中華民國商務仲裁協會就上述爭議進行仲裁判斷。

(三)申請廠商及主辦機關之主張概述         1.申請廠商陳述意旨         (1)設計階段之地質調查不正確。

        設計階段鑽孔資料對岩心樣本判釋多為新鮮，而抽心後之鑽孔資料判釋出現「破碎」「高度風化」「夾泥」、、、「疑為廢礦坑」等字眼。

        主辦機關提供之地質資料，崩坍地段頁岩係位於隧道下方，實際施工隧道必須穿越頁岩層。

        廢煤坑道疏於研測，悉憑猜測，施工中發現四條廢煤坑，均與隧道發生擠壓、變形、崩塌有關。

        低估地質之複雜度，地質調查費用太低，難求調查之充足與完善。

        (2)施工中主辦機關岩體分類錯誤，導致支撐不足。

        低判岩體等級，本工程如遇煤層依約應判定為第Ⅵ類岩體，主辦機關竟歸類為第Ⅴ類岩體。

        主辦機關兩位現場地質師對同一區段之岩體分類判定方法不同，判定結果歧異，內部未作協調溝通與岩體分類管理。

        (3)隧道支撐設計錯誤。

        軟弱岩體不適合採用新奧工法施工。

        原始設計未通盤考量軟弱岩體特性，支撐設計不足。

        原始設計未考量雙孔隧道間之互制影響。

        (4)申請廠商並無修挖不當情事，且修挖與隧道崩坍無因果關係。

        修挖過程曾有4至6公尺因開挖而造成之無支撐區段，以及監工單位指示暫停內侵之修挖及先行鑽設岩栓支撐，並非事實。

        修挖前並無減少任何支撐，反而增加多項支撐，惟2公尺隧道之修挖何以會造成長達72公尺之坍方，顯示北上線崩坍與修挖無關。

        (5)主辦機關未作施工中回饋設計，導致隧道支撐補強不足。

        (6)天然因素為隧道發生災害之潛在因素。

        不明廢礦坑道之影響。

        災害發生前已降雨多時，隧道上方開發整地，地表水下滲，軟化地層。

        (7)申請廠商是否派駐資深工程師，應不影響本工程之進度與品質。

        (8)系爭災變係肇因長期支撐不足，而主辦機關從事原始設計時，因地質資料不正確導致岩體判斷錯誤，支撐不足，主辦機關又未依NATM工法原理適時為回饋設計調整支撐等則為隧道長期支撐不足之原因。

凡此均可歸責於主辦機關之事由，依合約一般規範第5.16及5.24條規定，應償付申請廠商因此所至支出之搶修及修復費用。

        (9)系爭災變係肇因於潛伏不利地質狀況，該地質狀況與設計條件有差異，且非其事先所能預知者，則依一般規範第4.4條規定，亦應償付申請廠商所需費用。

《未完待續》