挪威隧道工法简介

挪威在隧道工程方面取得的成就引起了国际隧道界的关注。挪威作为人口仅520多万的国家，建起了里程超过1000公里，数量达1800条的公路和铁路隧道，其中已建成的L?rdal隧道，全长24.5公里，是世界上最长的公路隧道，而且越来越多和越来越深的隧道正在挪威开建。

L?rdal隧道是世界上最长的公路隧道

L?rdal隧道是单壳隧道，极大部分都只有锚杆+纤维喷砼支护

Hardangerbrua大桥两端的隧道也是单壳隧道

Hardangerbrua大桥隧道洞口，挪威隧道简单粗旷

随之而来的一个问题却困扰挪威隧道人，很多挪威以外的工程师认为挪威隧道技术只是新奥法（New Austrian TunnellingMethod，简称NATM）中的一种形式。这一点并不被挪威本土工程师认可，为了与NATM加以区别，并且突出原创性，他们为挪威隧道技术取名为NMT（The Norwegian Method of Tunnelling），即挪威隧道工法。

发展历程

1974年Barton等人提出一套岩体分级和确定对应支护方式的系统，被Q系统。Q系统被提出后即得到了挪威隧道工程界的欢迎，并在实际工程中被大量使用，Barton等人根据积累的使用经验，对Q系统进行了改进，使之成为NMT法的核心。截至到目前为止，至少有1500个案例采用Q系统进行设计和施工。

1974年至1984年之间，Q系统主要支撑方式为锚杆、钢筋网喷砼、格栅拱架和浇筑混凝土拱（Cast Concrete Arch，简称CCA），与NATM是类似的。在1984年以后，挪威不再使用钢筋网喷砼、钢拱架，很少采用CCA，转而采用钢纤维喷砼和锚杆作为主要支撑方式，这一趋势在瑞典、芬兰等北欧国家同时期发生；在施工方式上以机械化快速施工为主，要求开挖后以最短时间进行支护，减小变形发生。2000年以来，NMT又发展了极具效率的高压注浆（5~10MPa）技术，大幅减少了隧道渗水，使得纤维喷砼的喷射质量和功效进一步得以提高，同时进一步增强“单壳称砌”在破碎围岩中应用的信心。至此，NMT与NATM的区别越来越明显，呈现出独特的风格。

功效显著

NMT成为挪威隧道人引以自豪的工法，原因不光在于它具有很强原创性，还在于挪威隧道人认为它的功效非常高（Barton等人，1992；Barton，1996；Barton，2012）：

1.提高施工效率——由于NMT不必挂网，不设钢拱架，不浇二衬，因此施工时间大幅缩短，施工最佳进度可达90.2米/天、426米/周、1176米/月。

NMT强调全机械化施工，开挖和支护要及时

2.节约施工成本——每米4000~8000美元（断面大小从45m2至110m2），价格仅NATM的1/2~1/5；高压注浆的情况下每米建设费用会提高20%。

3.施工更加安全——NATM在安装钢筋网、钢拱架时机械化程度较低，工人直接面对没有很好支护的岩石，危险程度很高；NMT主要依靠纤维砼和锚杆，两个工况都可以采用全机械化施工，工人远离掌子面，因此被认为更加安全。

4.环保更加有利——NATM水泥、砂石等的用量是NMT的3~5倍，而这些建筑材料都是Co2排放的重要来源，因此NMT建造方式更加绿色环保。

NMT认为快速施工的原因在于围岩变形最小，最容易发挥锚杆和喷砼支护效果和岩体自身承载能力

Q系统

关于Q系统中参数意义和组成，可以参考讲解围岩分级的教科书，这里介绍一下Q系统特点和基础，主要内容来自于Barton在2012年的一次访谈内容。

Q系统是NMT的核心。到目前为止至少有1500个案例应用挪威法，这些案例大部分来自挪威，但早期案例也有许多来自于瑞典。正是这些案例，以及许多其他国家的众多单层洞室，成为挪威围岩分级系统——Q系统和及其隧道支护定义的初始动力。Q系统的提出主要是为了回应一位国有业主的问题：“为什么挪威水电站主厂房有这么多不同类型的变形”？

挪威有5000公里的“单壳”隧道，其中3500公里是水工隧洞。后者中许多不加支护，并被冠以“无衬砌”隧道的名称，原因在于就隧道用于过水和就其跨度而言，Q值足够高（不需要支护），即便考虑某些隧道存在很大地应力。

Q系统以经济的“单壳”隧道和洞室（单层喷砼）支护为基础。Q系统可以针对于大多数硬质不连续的岩体，包括岩体位于断层带内时，节理和不连续面会填充黏土等软弱带的情况。有时挪威也会遇到膨胀性黏土的情况，Q系统也需要包括膨胀性粘土的解决方案。正是这些不连续的节理面或断层带中不连续面的存在，导致了岩体的内摩擦角和黏聚力的不足，也最终解释了为什么需要采用锚杆和纤维喷砼（B + S（fr））的进行加强支护。

Q系统根据不同Q值选择支护方式

Barton在2012年的访谈中也谈到了NMT支护的发展和特点。

纤维喷射混凝土

挪威在1978年开始，钢筋网+喷砼的方式逐渐被纤维混凝土喷砼取代。同一时期，该趋势在瑞典也发生了。瑞典的承包商同样进行了大规模的面板试验来证明新型纤维喷砼（S（fr））的优越性。挪威首个研究纤维喷砼（S（fr））的博士论文可追溯至1981年，比英国开展研究更早。

在挪威，纤维喷砼（S（fr））通常采用Dramix不锈钢纤维和BarChip聚丙烯（表面粗糙）纤维，两种纤维对喷砼抗拉强度的提升效果均可以接受。光滑的平板型纤维不应在隧道中使用。与NATM施工的案例中通常采用钢筋网+喷砼不同，挪威在过去30 - 35年间修建的隧道选择采用纤维喷砼（S（fr））。如果对比钢筋网喷砼和纤维喷砼（S（fr））两种支护的实际效果，选择纤维喷砼就不难理解：钢筋网不易贴近凹凸不平的围岩表面，不可避免留下空洞和死角（见下图）；而纤维喷砼可以与凹凸不平的岩石表面形成完全密贴的效果。下面图中，钢筋网喷砼与纤维喷砼的区别画的并不夸张，事实就是如此。

纤维喷砼与钢筋网喷砼区别，在挪威钢筋网喷砼被认为是低效的

NMT法要求在喷砼前，需要采用空气/水射流对岩石表面进行彻底的清洗，事实上，这一点对任何地方的隧道支护是必要的。但这个过程（当然，如果是容易被冲蚀的岩石，应该避免）在许多国家被忽视。无需多说，高品质的纤维喷射混凝土（S（fr））也是必要的：喷砼和纤维都需要具有优良的质量。目前，在许多国家，仍然不愿意接受在喷砼中加入纤维和塑性剂等添加剂，认为这些“高单价材料”会抬高隧道支护的费用。在同一个国家的长期经验表明，不采用高品质喷砼的代价是隧道掘进的速度和总成本将受到影响。高品质的纤维混凝土需要添加硅粉（在于注浆中也需要），因为要发挥纤维的抗拉就需要混凝土具有优良的锚住纤维的能力。由此产生的较低的水/（水泥加填料）比例很容易实现。

在挪威，纤维混凝土每小时可施喷25m3以上，回弹量5～10%，典型纤维混凝土强度在50～60MPa，高的可以达到100MPa以上，混凝土塌落度12～20cm。湿喷纤维砼对隧道掘进和安全是革命性的。

纤维喷砼+防水板+纤维喷砼的结构被应用于瑞典的地铁中

锚杆

NMT中锚杆是必不可少的支护措施。锚杆具有强度和延展性，对于提高岩体的韧性是非常关键的。挪威很多类型锚杆，有临时锚杆、纤维锚杆和永久锚杆。挪威重视锚杆防腐，永久锚杆必须有防腐措施。

随后，挪威开发了多层防腐岩石锚杆（防腐措施包括：镀锌，环氧涂层“combicoat”，内部灌浆层，PVC套管，外部灌浆层），被称为CT锚杆。这项技术非常必要，进一步增强了挪威建造“单壳”隧道和洞室的信心，其中跨度62m、开挖量14万m3的Gj?vik地下体育馆的修建就是基于这种信心。Gj?vik地下体育馆的Q值范围为2~30（差/一般/好），10cm的钢纤维混凝土（S（fr））和相应锚杆足够作为洞室的永久性支护。为了验证设计的安全性，采用了UDEC-BB（一种离散元计算程序）进行校核，计算结果为7mm~9mm垂直位移，最终在量测中得到了验证。在入口完成后，主洞室开挖和支护6个月就完成了。

多重防腐锚杆—CT锚杆，挪威重视锚杆防腐

钢筋喷砼加劲环（RRS）

在易产生挤压的软弱岩体、含膨胀性黏土或覆盖层薄时，一般厚度的纤维喷砼层提供支撑力可能不足；或者炸开后断面过于不规则，而无法使岩体形成承载环时，NMT一般采用RRS加劲环（rib reinforced shotcrete），如下图所示。

格栅拱架不是也不应该是NMT中一部分，即格栅拱架不适合在NMT中使用，因为它们使用会加大隧道的变形。当格栅作为“Q系统的一部分”加以应用时很可能会失败，因为它从来不属于Q系统中的支护类型。因为总体而言，格栅拱架不是一种高效、快速的支护措施，容易错过围岩开挖后宝贵的支护时机。

在不稳定围岩情况下，首先，钢纤维（S（fr））支护拱通过机械手喷射快速形成。然后，再可以施作RRS加劲环加强对钢纤维支护拱进行加固。这种加固效果优于格栅拱架。由于加劲环的锚杆仍然加固围岩的一部分，因此这种加劲方式，并不会大幅增加锚杆用量。相比之下，格栅拱架或钢拱架必须有一定变形后才能发挥支撑能力。

RRS加劲环示意和实际施工

高压注浆

近十年来，高压（5~10 MPa）预注浆已经成为NMT法控制围岩渗水、涌水和加固破碎围岩的一种标准方法。通过高压预注浆，岩体条件总体上得到了很大的改善，从而大大减小超挖，并且实际上减少了永久性支护的需求。挪威在最近的三个铁路隧道中都采用了高压预注浆，但在实际施工过程中还是要特别关注高压注浆对周围环境影响，以及是否真正起到了维护地下水位。通过实践可知，高压注浆至少应该使洞周5~6m范围内的岩层的地震波速和弹性模量增加才称得上有效。虽然完成一环高压预注浆（包括长钻孔和注浆）需要20~30个小时，但高压注浆仍称得上是一种非常好的投资，在破碎围岩中完成注浆后，岩体更加完整，开挖可以更快，不需要二次衬砌，总体上更便宜。

挪威近年来不断发展高压注浆技术，注浆后围岩几乎干燥

结论

NMT具有不少优点，包括支护方式、工时、费用有其吸引人的地方，但本文仅是简要介绍了NMT的一些特点，还称不上系统性的介绍。挪威隧道设计和施工方法都非常灵活，近年来更是发展迅猛，取得成绩也很突出，全面系统的了解挪威隧道工法的现状和发展趋势对我国隧道工程发展很有意义，希望引起更多的关注和了解。

参考

Barton N,Grimstad E, Aas G, Opsahl OA, Bakken A, Pedersen L, Johansen ED (1992) Norwegianmethod of tunnelling. WT Focus on Norway, World Tunnelling, June/August 1992.

Barton N (1996).Investigation, design and support of major road tunnels in jointed rock using NMTprinciples. Keynote Lecture,IX Australian Tunnelling Conf. Sydney.

Barton N (2012) .DefiningNMT as part of the NATM SCL debate. In: Wallace S (ed) TunnelTalk.