深埋隧道災(zāi)變防控方法*

何滿潮 任樹林 陶志剛

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室， 北京 100083， 中國)(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083， 中國)

0 引 言

近些年，我國交通、水利、能源事業(yè)發(fā)展迅速，大型工程建設(shè)投入逐步由東部沿海向西部山區(qū)轉(zhuǎn)移。鐵路隧道、公路隧道、引水隧道等重大工程逐步向深部發(fā)展，如峨漢高速公路隧道最大埋深1944m、引漢濟渭輸水隧洞最大埋深2012m、錦屏水電站引水隧洞最大埋深約2525m(李利平等， 2021)?！吧睢㈤L、險、大”已經(jīng)成為當(dāng)前隧道工程的主要特點，特別是在青藏高原地區(qū)，亞歐板塊和印度洋板塊相互作用，板塊構(gòu)造活動極其強烈，造成了工程巖體每年數(shù)十毫米移動速率的強活動性，使深埋隧道的建設(shè)運營面臨眾多嚴(yán)峻的工程技術(shù)難題(黃藝丹等， 2020； 伍純昊等， 2021)。

深部巖體賦存環(huán)境復(fù)雜多樣，具有高地應(yīng)力、高地震烈度、高環(huán)境梯度以及強烈工程擾動、板塊擾動和內(nèi)外地質(zhì)動力擾動等特征(何滿潮等， 2005， 2014a； 劉泉聲等， 2016； 謝和平， 2019)，使深部隧道工程極易發(fā)生軟巖大變形、巖爆、活動性斷裂等工程災(zāi)變。蘭渝鐵路木寨嶺隧道全長19.1km，埋深710m，建設(shè)期間全段落50%發(fā)生了軟巖大變形，最大變形量約3700mm，部分段落初期支護(hù)多次發(fā)生變形開裂、初支侵限嚴(yán)重，甚至在二襯完工3年后仍發(fā)生變形開裂錯斷現(xiàn)象(劉高等， 2005)。錦屏水電站引水隧洞88%洞段以Ⅱ-Ⅲ類圍巖為主，巖石堅硬、致密，施工過程中發(fā)生巖爆700多次，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失(張文東等， 2014)。針對性開展深埋隧道相關(guān)工程和科學(xué)問題的研究與治理一直以來是巖土工程的核心課題。李利平等(2021)系統(tǒng)研究了深部工程強突涌水、巖爆、軟巖大變形、巨石垮塌等災(zāi)害的災(zāi)變機理、監(jiān)測預(yù)警方法和防控關(guān)鍵技術(shù)。何振寧(2016)以30多座典型隧道工程為例，歸納總結(jié)了高壓富水巖溶、黃土崩塌等15類疑難工程問題，分析了各類災(zāi)害成因和工程地質(zhì)特征，并給出了相關(guān)建議。丁秀麗等(2019)通過整理國內(nèi)外典型穿越活動性斷層隧洞案例，探討了目前斷層防控常用措施的適用性和存在問題。郭志強(2003)、陳緒文等(2018)、唐杰靈等(2019)針對巖爆問題提出了應(yīng)力釋放、加密錨桿支護(hù)以及柔性吸能防護(hù)網(wǎng)等控制措施。田洪銘等(2011)基于高地應(yīng)力軟巖流變效應(yīng)的特點，采用U型鋼可壓縮支架和泡沫混凝土填充層的聯(lián)合支護(hù)方式對宜昌—巴東高速公路軟巖隧道進(jìn)行支護(hù)，取得較好的支護(hù)效果。張民慶等(2013)提出了適用于高地應(yīng)力軟巖隧道的釋放-約束平衡支護(hù)法，工程驗證表明該方法能夠?qū)λ淼来笞冃斡行Э刂?。總體而言，上述的研究都從不同角度對深埋隧道工程所面臨的主要問題進(jìn)行了研究討論，取得了豐碩的研究成果。但仍存在著防控對策、控制機理等方面的研究不夠全面，特別是對一系列關(guān)鍵工程問題的解決措施多為原則性規(guī)定或建議，缺乏針對性、具體化的防控治理方案，以及方案合理性和有效性的實際工程應(yīng)用驗證不足。

本文在相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研、成果總結(jié)和實地考察的基礎(chǔ)上，著重提出了深埋隧道建設(shè)所面臨軟巖大變形、巖爆、活動性斷裂帶、高溫高濕以及隧道進(jìn)出口高邊坡5大工程問題，提出了一種新的適用于深埋隧道大變形災(zāi)變的防控理論，即開挖補償法，并研發(fā)了災(zāi)變防控核心材料——NPR錨桿/索。針對性地提出深埋隧道主要工程問題的具體防控策略，并結(jié)合具體的實際工程應(yīng)用案例對方案有效性進(jìn)行分析說明，為深埋隧道的安全施工運營提供參考。

1 深埋隧道大變形災(zāi)變防控理論

1.1 開挖補償法

工程開挖是導(dǎo)致隧道圍巖大變形災(zāi)變的根本原因。隧道開挖后，隧道圍巖的徑向應(yīng)力σ3為0，切向應(yīng)力σ1將發(fā)生集中，在靜水壓力狀況下，切向應(yīng)力σ1將增大至兩倍，超過圍巖強度包絡(luò)線，此時圍巖發(fā)生破壞導(dǎo)致大變形災(zāi)變的發(fā)生，巖體應(yīng)力狀態(tài)由三維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為二維或一維應(yīng)力狀態(tài)。因此，深埋有效支護(hù)的關(guān)鍵在于隧道開挖后及時施加高預(yù)應(yīng)力補償，恢復(fù)圍巖的三維應(yīng)力狀態(tài)，獲得更高的巖體承載力。

普氏法和新奧法是目前隧道支護(hù)的兩種常用理論。如表 1所示，普氏拱法是一種無應(yīng)力補償支護(hù)方法，該方法利用隧道開挖后圍巖形成的壓力拱而實現(xiàn)自穩(wěn)，主要適用于淺埋土體或松散巖體隧道。新奧法以“少擾動，早噴錨，勤量測，緊封閉”為指導(dǎo)方針，是一種低應(yīng)力補償支護(hù)方法，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，在中淺埋工程支護(hù)中，該方法一般能夠?qū)崿F(xiàn)圍巖穩(wěn)定，而對于深埋隧道，這種低應(yīng)力補償無法實現(xiàn)圍巖的應(yīng)力恢復(fù)，而且無法實現(xiàn)應(yīng)力的及時補償，最終導(dǎo)致支護(hù)失敗。

表 1 隧道主要支護(hù)理論對比(He et al.，2022a)Table1 Comparison of main supporting theories of tunnels

基于現(xiàn)有支護(hù)理論往往難以有效控制深部隧道圍巖大變形的實際問題，筆者提出了開挖補償法(He et al.，2022a)，該方法以恢復(fù)圍巖在開挖擾動前的三維應(yīng)力狀態(tài)為核心理念，認(rèn)為圍巖大變形控制的最有效方法是開挖補償，而開挖補償?shù)淖顑?yōu)方法是采用及時高預(yù)緊力支護(hù)策略，充分調(diào)動深部巖體強度，使開挖后的圍巖應(yīng)力得到及時有效補償，進(jìn)而實現(xiàn)深埋隧道圍巖大變形的有效控制。

1.2 NPR錨桿/索新材料

錨桿/索是隧道支護(hù)的核心材料，其對改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)、提高圍巖自承能力等具有重要作用(劉泉聲等， 2016； 劉才華等， 2018)。但隨著隧道工程逐漸向深部發(fā)展，深部巖體呈現(xiàn)高應(yīng)力、大變形和強時間效應(yīng)等特征(何滿潮等， 2005)，傳統(tǒng)的錨桿/索支護(hù)材料往往由于其延伸率和材料強度等方面的不足無法滿足高預(yù)緊力的施加，進(jìn)而導(dǎo)致其無法滿足深埋隧道的支護(hù)要求。究其原因，主要由于傳統(tǒng)錨桿/索具有泊松效應(yīng)的材料加工而成(Poisson’s Ratio，簡稱PR材料)，即受拉時發(fā)生頸縮變形從而破斷的小變形材料。因此，研發(fā)一種能夠承受高預(yù)緊力施加的高恒阻大變形錨桿/索控制材料是實現(xiàn)深埋隧道開挖補償?shù)年P(guān)鍵。為解決此問題，筆者基于負(fù)泊松比材料的研發(fā)思想，成功研發(fā)出第1代宏觀NPR結(jié)構(gòu)型錨桿/索(1G-NPR錨桿/索)和第2代微觀NPR材料型錨桿/索(2G-NPR錨桿/索)。

1.2.1 1G-NPR結(jié)構(gòu)型錨桿/索

圖 1 1G-NPR錨桿/索設(shè)計原理圖(何滿潮等，2014b)Fig. 1 Schematic diagram of 1G-NPR bolt/cable design

2009年，筆者基于恒阻套筒和恒阻錐體的調(diào)控設(shè)計，成功研發(fā)出1G-NPR錨桿/索(何滿潮等， 2014b)。如圖 1為1G-NPR錨桿/索的設(shè)計原理示意圖，主要由恒阻套筒、恒阻錐體和普通錨桿/索3部分構(gòu)成。受拉伸作用時，普通錨桿/索首先發(fā)生受力變形，待達(dá)到普通錨桿/索屈服強度的90%時，恒阻裝置開始發(fā)揮作用，恒阻錐體在套筒內(nèi)發(fā)生滑移，伸長同時使套筒發(fā)生徑向膨脹，以此產(chǎn)生NPR結(jié)構(gòu)效應(yīng)，實現(xiàn)其高恒阻、大變形及超強吸能的力學(xué)性能。目前， 1G-NPR錨桿/索主要包括20t NPR錨桿、35t NPR錨索以及85t NPR巨型錨索3種類型(圖 2a)，其靜力拉伸力-位移曲線如圖 2b，具有顯著的恒阻大變形特征。此外，基于室內(nèi)落錘沖擊試驗或霍普金森高速沖擊試驗結(jié)果表明， 1G-NPR錨桿/索在動力沖擊條件下同樣具有超強的抵抗沖擊變形和能量吸收的能力(何滿潮等， 2014c)。

1.2.2 2G-NPR材料型錨桿/索

圖 2 1G-NPR錨桿/索產(chǎn)品類型及準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能曲線(He et al.，2021)Fig. 2 1G-NPR bolt/cable product types and quasi-static mechanical performance curves(He et al.，2021)

基于1G-NPR結(jié)構(gòu)型錨桿/索的研發(fā)基礎(chǔ)，為了更進(jìn)一步拓寬NPR系列錨桿/索的適用范圍， 2014年筆者提出了2G-NPR材料型錨桿/索的概念，研發(fā)一種與普通鋼筋外形相似，但具有1G-NPR結(jié)構(gòu)型錨桿/索優(yōu)良力學(xué)性能的新型材料。從鋼水冶煉出發(fā)，通過元素配比、冶煉工藝的不斷改善和嘗試，最終于2018年成功研發(fā)出2G-NPR材料，其靜力拉伸曲線結(jié)果如圖 3a所示。2G-NPR材料拉伸曲線無屈服平臺，其屈服強度區(qū)間為600～1050MPa，對應(yīng)延伸率區(qū)間為30%～68%，具有顯著的準(zhǔn)理想彈塑性力學(xué)特征，有效平衡了傳統(tǒng)鋼材高延性和高強度的矛盾關(guān)系(He et al.，2021)。圖 3b和圖 3c為2G-NPR材料和普通PR材料的拉伸過程紅外拍攝結(jié)果和斷后特征， 2G-NPR材料拉伸全過程均勻變形，且其斷后基本無頸縮，而普通PR材料具有顯著的變形集中和斷后頸縮嚴(yán)重等特征(Sui et al.，2022)。2G-NPR材料的落錘沖擊和霍普金森相關(guān)實驗結(jié)果同樣表明了其在動力沖擊條件下的超常力學(xué)特性(Tang et al.，2021； 王琦等， 2022)。此外，基于2G-NPR材料錨固剪切試驗表明，相較于普通PR材料，該材料在圍巖支護(hù)中能夠提供更高的抗剪強度貢獻(xiàn)，承受更大的剪切位移變形(He et al.，2022b)。

鑒于NPR錨桿/索優(yōu)良的力學(xué)性能，目前已廣泛應(yīng)用于隧道大變形控制、巷道圍巖支護(hù)、邊坡加固、滑坡監(jiān)測等工程領(lǐng)域，并已被列入加拿大巖爆支護(hù)手冊(Cai et al.，2018)。針對深埋隧道的實際工程問題，NPR錨桿/索是深埋隧道大變形治理的關(guān)鍵防控材料。

2 深埋隧道防控對策

2.1 軟巖大變形防控對策

2.1.1 NPR錨網(wǎng)索高應(yīng)力補償技術(shù)

圖 3 2G-NPR材料型錨桿/索(He et al.，2021; Sui et al.，2022)Fig. 3 2G-NPR bolt/cable(He et al.，2021; Sui et al.，2022)

深部巖體處于高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓和工程擾動的特殊環(huán)境中，表現(xiàn)出大變形和流變性等與淺部巖體不同的力學(xué)特性，極易發(fā)生大變形災(zāi)變。國內(nèi)外學(xué)者針對深埋隧道軟巖大變形的防控方面進(jìn)行了大量的工程實踐和科學(xué)研究，形成了“以剛克剛”、“以柔克剛”、“分層支護(hù)、先柔后剛”以及“剛?cè)岵钡炔煌闹ёo(hù)策略，為深部圍巖軟巖大變形的控制起到了積極作用(Kimura et al.，1987； 張民慶等， 2013； 張德華等， 2014； 曹小平等， 2018)。但隨著深埋隧道工程難度的不斷增加，其工程建設(shè)難度已突破國內(nèi)外隧道和地下工程界所遵循的巖石力學(xué)理論和隧道建造認(rèn)識水平，以木寨嶺隧道為例，采用傳統(tǒng)的新奧法支護(hù)思想和方法，其隧道最大變形量最大可達(dá)3m(陶志剛等， 2020a)。單純的通過變更支護(hù)方案，如加密布設(shè)錨索或增加被動的重型拱架或多層拱架，圍巖大變形依然無法有效控制，無法實現(xiàn)軟巖大變形支護(hù)的“強度耦合、剛度耦合和結(jié)構(gòu)耦合”(何滿潮等， 2002)。因此，針對軟巖大變形的支護(hù)問題，筆者基于開挖補償法支護(hù)理論和NPR錨桿/索新材料，提出了NPR錨網(wǎng)索高應(yīng)力補償技術(shù)(圖 4)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)350kN錨索高預(yù)應(yīng)力的施加，并且能夠在半個小時內(nèi)發(fā)揮錨固作用，充分調(diào)動深部巖體強度，使開挖后的圍巖應(yīng)力得到及時有效補償，對深埋隧道的軟巖大變形進(jìn)行有效控制。

圖 4 NPR錨網(wǎng)主動補償技術(shù)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of active compensation technology for NPR anchor cable and net

2.1.2 軟巖大變形控制工程案例——木寨嶺公路隧道

木寨嶺隧道位于渭武高速公路咽喉部位，是國家高速公路網(wǎng)中蘭海高速的重要路段。木寨嶺隧道2#斜井與隧道主洞交叉樁號為K218+400，與主洞平面交角為90°，起點樁號為K0+000，終點樁號為K1+813，全長1813m，最大埋深591m。隧道圍巖以炭質(zhì)板巖為主，節(jié)理發(fā)育，基本為Ⅴ級圍巖，地應(yīng)力測試報告顯示，該地區(qū)屬于極高地應(yīng)力區(qū)。隧道原支護(hù)基于新奧法支護(hù)理論，主要采用錨噴支護(hù)體系，其支護(hù)設(shè)計如圖 5。如圖 6所示，原支護(hù)條件下，隧道圍巖大變形嚴(yán)重且非對稱現(xiàn)象明顯，最大變形量達(dá)到了2936mm，初支破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和施工安全。

針對木寨嶺隧道原支護(hù)條件下的非對稱大變形問題，基于NPR錨網(wǎng)索高應(yīng)力主動補償技術(shù)，提出了NPR錨索“非對稱布設(shè)和長-短錨索組合搭配”的綜合控制體系，對木寨嶺隧道2#斜井進(jìn)行隧道圍巖支護(hù)，其支護(hù)設(shè)計如圖 7(陶志剛等， 2020b)。

采用NPR錨索支護(hù)方法后，隧道圍巖變形得到有效控制(圖 8)，特別是隧道圍巖變形量較大的左肩部也得到充分的控制，初期支護(hù)未發(fā)生破壞。隧道斷面基本在25～30d左右完成收斂，左拱肩部位變形大于右拱肩，其最大變形量為230mm，各部位變形收斂值均小于500mm設(shè)計預(yù)留變形量。

圖 5 木寨嶺隧道2#斜井原支護(hù)方案設(shè)計圖Fig. 5 Design drawing of the original support scheme for the 2# inclined shaft of the Muzhailing Tunnel

圖 6 木寨嶺隧道2#斜井原支護(hù)方案隧道圍巖變形特征Fig. 6 The deformation characteristics of the surrounding rock of the original support scheme a. 噴射混凝土開裂； b. 圍巖大變形； c. 鋼拱架扭曲變形； d. 圍巖滲水

圖 7 木寨嶺隧道2#斜井NPR錨索支護(hù)設(shè)計圖(陶志剛等， 2020b)Fig. 7 Design drawing of NPR anchor cable support for No. 2 inclined shaft of Muzhailing Tunnel a. 支護(hù)斷面圖; b. 支護(hù)平面展開圖

圖 8 2#斜井圍巖NPR支護(hù)效果圖Fig. 8 Effect drawing of NPR support of surrounding rock of 2# inclined shaft

2.2 巖爆防控對策

2.2.1 巖爆隧道能量吸收補償技術(shù)

脆性巖體在“三高一擾動”的深部環(huán)境中逐漸向延性轉(zhuǎn)化，而受到工程開挖卸載后又向脆性轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致巖爆發(fā)生頻率極高(何滿潮等， 2007)。巖爆由于其突發(fā)性、高危性的特點，嚴(yán)重威脅施工人員安全，影響施工進(jìn)度。國內(nèi)外眾多學(xué)者對巖爆的發(fā)生機制、發(fā)生條件、影響因素、監(jiān)測預(yù)警以及防控方法等方面進(jìn)行了廣泛深入的研究，并從能量、強度等角度對巖爆發(fā)生機制進(jìn)行分析，提出了巖爆的強度理論、能量理論、斷裂損傷理論、分析理論等，采用微震監(jiān)測、聲波探測以及數(shù)值模擬等方法對巖爆發(fā)生的風(fēng)險進(jìn)行評估，取得了豐碩的研究成果(何滿潮等， 2007， 2014d； 苗金麗等， 2009； 馮夏庭等， 2012； Chen et al.，2015； Feng et al.，2017； 李春林， 2019)。

圖 9 巖爆實驗系統(tǒng)Fig. 9 Rockburst experimental system：(a)1G strain rockburst experimental system(b)2G strain rockburst experimental system(c)3G impact rockburst experimental system a. 1G應(yīng)變巖爆實驗系統(tǒng)， b. 2G應(yīng)變巖爆實驗系統(tǒng)， c. 3G沖擊巖爆實驗系統(tǒng)； 1. 巖石試樣， 2. 加載墊塊， 3. 壓力計， 4. 加載桿， 5. 可拆式加載桿， 6. 聲發(fā)射傳感器

圖 10 巖爆能量計算模型 (He et al.，2012； 何滿潮， 2014)Fig. 10 Model for energy calculation of impact rockburst

巖爆根據(jù)其發(fā)生時的力學(xué)狀態(tài)可分為應(yīng)變巖爆和沖擊巖爆，應(yīng)變巖爆發(fā)生在地下工程開挖過程中，包括瞬時巖爆、滯后巖爆和礦柱巖爆，沖擊巖爆主要發(fā)生在地下工程開挖后，包括爆破誘發(fā)、頂板斷裂誘發(fā)和斷層滑移誘發(fā)等(He et al.，2012)。針對深部巖體與高應(yīng)力場相互作用的大變形力學(xué)特性，深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室自主研發(fā)了系列巖爆力學(xué)實驗系統(tǒng)(圖 9)， 1G應(yīng)變巖爆實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)單面卸載應(yīng)變巖爆實驗(圖 9a)，如掌子面巖爆。2G應(yīng)變巖爆可實現(xiàn)多面卸載(雙面、三面、四面)應(yīng)變巖爆實驗(圖 9b)，如隧道交叉處巖爆、巖柱巖爆等。3G沖擊巖爆實驗系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊波誘發(fā)型巖爆實驗等(圖 9c)。研究結(jié)果表明，巖爆是能量巖體沿著開挖臨空面瞬間釋放能量的非線性動力學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)巖體積聚的彈性應(yīng)變能超過單元巖體單軸破壞能量值時，則易發(fā)生巖爆(圖 10)(He et al.，2012； 何滿潮， 2014)，用數(shù)學(xué)公式可表示為：

(1)

式中： ΔE為單元巖體巖爆釋放能量；E(σc)、σc、εc分別為巖體單軸壓縮破壞能量值、單軸破壞峰值強度及破壞時最大應(yīng)變值；E(σ1c)、σ1c分別為巖爆發(fā)生時刻的能量值和最大主應(yīng)力。

因此，巖爆災(zāi)害控制的核心思想在于吸收能量，即采用一種具有高恒阻、大變形、防沖抗爆、超強吸能的支護(hù)材料對隧道圍巖實現(xiàn)高預(yù)緊力的及時支護(hù)。

室內(nèi)試驗及工程應(yīng)用表明，NPR錨桿/索在動力沖擊作用下仍具有恒阻力高、變形量大的優(yōu)良特性，能夠良好地適應(yīng)動態(tài)沖擊，在深部地下工程中具有良好的防沖抗爆能力?；贜PR錨桿/索材料，提出了深埋隧道的巖爆控制設(shè)計。如圖 11為巖爆控制設(shè)計示意圖，假定直徑為r的圓形隧道發(fā)生巖爆，巖爆發(fā)生的最大深度為距離其臨空面ΔH的位置?？紤]到實際工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，以及巖爆支護(hù)的安全設(shè)計，將巖爆能量理論計算時的安全系數(shù)設(shè)置為1.5，即計算巖爆釋放能量時，將巖爆控制區(qū)計算深度設(shè)置為實際發(fā)生最大深度的1.5倍。因此，隧道巖爆發(fā)生時，其巖爆釋放總能量ET為：

(2)

式中：f(v)是單元巖體巖爆能量函數(shù)； Ω是巖爆控制區(qū)面積。

圖 11 深埋隧道巖爆控制示意圖Fig. 11 Schematic diagram of rockburst control for a deep tunnel

通過單元巖體巖爆能量函數(shù)在整個巖爆控制區(qū)面積的積分計算即可獲得巖爆總能量。通過工程現(xiàn)場巖爆易發(fā)區(qū)的巖體取樣，基于室內(nèi)巖爆實驗即可獲得單元巖體巖爆體積能量。但如何確定單元巖體尺寸，獲得巖體表征單元體(Representative Elementary Volume， REV)是能量計算的關(guān)鍵?；诖藛栴}，提出了準(zhǔn)REV單元的概念(何滿潮等， 2002)，在室內(nèi)巖爆實驗中，采用尺寸為150mm×60mm×30mm的巖樣尺寸可基本符合工程巖體的REV單元尺寸要求。因此，可通過室內(nèi)巖爆實驗獲得的REV巖爆能量計算得到巖爆釋放總能量。

對深埋巖爆隧道的有效支護(hù)即支護(hù)材料能夠有效吸收或抵抗巖爆釋放能量。NPR錨桿/索具有恒阻大變形的力學(xué)特性，將其力-位移曲線簡化為理想彈塑性曲線進(jìn)行能量計算以確定NPR錨桿/索的能量吸收能力(圖 12)。NPR錨桿/索的總吸收能量ES的主要包括彈性階段吸能EⅠ和塑性階段吸能EⅡ兩部分，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

ES=EⅠ+EⅡ

(3)

(4)

式中：Uc為NPR錨桿/索彈性變形長度；U0為NPR錨桿/索總變形長度。

圖 12 NPR錨桿/索能量吸收計算模型Fig. 12 Energy model of NPR bolt/anchor cable

最終計算得到：

(5)

基于隧道圍巖巖爆總能量ET和單根NPR錨桿/索吸收總能量ES，可計算得到圍巖支護(hù)所需要的NPR錨桿/索數(shù)量n，最終實現(xiàn)巖爆隧道的能量控制。

(6)

2.2.2 巖爆隧道控制工程案例——引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞

引漢濟渭工程是全局性、基礎(chǔ)性、公益性、戰(zhàn)略性的重大水利工程。秦嶺引水隧洞位于秦嶺山脈地區(qū)，隧洞全長98.3km，其中穿越秦嶺主脊段39.08km，采用TBM施工方式。區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，經(jīng)過一系列脆性堅硬巖地層，巖性以大理巖、石英片巖、花崗巖、花崗斑巖、花崗閃長巖、閃長巖等為主，單軸抗壓強度最高可達(dá)307.9MPa。隧洞最大埋深為2012m，地應(yīng)力高，埋深1170m處實測地應(yīng)力最大達(dá)70.1MPa。隧洞內(nèi)巖爆事件頻率高且裂度大，累積監(jiān)測巖爆事件6萬余次，極強巖爆1329次，巖爆爆坑深度最大可達(dá)10.6m，巖爆強度及頻率世界罕見。

隧洞原初期支護(hù)主要采用砂漿錨桿+鋼拱架+鋼筋排+混凝土的被動支護(hù)系統(tǒng)，在隧洞拱部90°范圍增設(shè)Φ25砂漿錨桿，長3.5m，間距1.2m， 120°范圍增設(shè)Φ16鋼筋排，采用H150型鋼拱架，鋼拱架間距0.9m/0.6m(困難段落)，鋼拱架封閉后內(nèi)側(cè)澆筑C30混凝土，并噴射15cm厚的C20混凝土。該支護(hù)條件下，無法對巖爆進(jìn)行有效控制，初支破壞嚴(yán)重，造成了錨桿、鋼拱架損毀失效(圖 13)。

圖 13 秦嶺輸水隧洞原支護(hù)方案結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)圖Fig. 13 The structural deformation and instability diagram of the original support scheme of the Qinling Water Conveyance Tunnel

圖 14 秦嶺隧洞NPR錨桿支護(hù)方案設(shè)計圖Fig. 14 Design drawing of NPR bolt support scheme in Qinling Tunnel

圖 15 秦嶺隧洞NPR錨桿支護(hù)爆坑深度實測結(jié)果圖Fig. 15 Measured result of blasting pit depth of NPR bolt support in Qinling Tunnel

引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞NPR錨桿巖爆防治科研試驗段選擇在嶺北段K43+865～K43+815開展，試驗段總長度為50m，最大埋深1871m?；趲r爆能量吸收補充技術(shù)，提出了NPR錨桿+W鋼帶+柔性網(wǎng)的三維NPR錨桿支護(hù)體系。如圖 14為NPR錨桿支護(hù)設(shè)計示意圖，隧洞拱頂120°的斷面范圍內(nèi)布設(shè)9根NPR錨桿，其中6根采用TBM鉆機施工， 3根采用人工鉆孔施工，錨桿間排距為900mm(環(huán)向)×1000mm(縱向)。NPR錨桿預(yù)緊力為200kN，其中預(yù)緊力施加全過程耗時30min，具有及時支護(hù)預(yù)緊和高應(yīng)力補償?shù)奶攸c。如圖 15為NPR錨桿支護(hù)后巖爆爆坑實測結(jié)果，采用普通砂漿錨桿的原支護(hù)方案，其平均爆坑深度達(dá)到0.95m以上，而NPR錨桿巖爆防治試驗段的巖爆爆坑平均深度僅為0.42m， NPR錨桿能夠有效降低硬巖隧道巖爆烈度和頻次。

2.3 活動性斷裂帶防控對策

2.3.1 雙梯度注漿補償技術(shù)和NPR錨網(wǎng)索桁架耦合支護(hù)技術(shù)

活動性斷裂帶是影響深埋隧道安全建設(shè)運營的關(guān)鍵因素，其對深埋隧道的不利影響主要體現(xiàn)在如下方面：首先，活動性斷裂帶是板塊運動的核心，受地質(zhì)構(gòu)造作用，斷層運動頻繁，在長期的蠕滑活動下，往往造成隧道的錯動變形失穩(wěn)?；顒有詳嗔褞Т蠖酁榘l(fā)震斷裂帶，中強地震的發(fā)生往往會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生災(zāi)難性的影響。此外，活動性斷裂帶巖體往往風(fēng)化程度較高、松散破碎、完整性較差，在隧道開挖過程中，圍巖承載力極低，易出現(xiàn)突水突泥、塌方冒頂?shù)葹?zāi)害，且隧道開挖后圍巖變形量大、時間長、速率快，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和安全。相關(guān)學(xué)者基于物理模型試驗、理論分析及工程實踐等方法對隧道斷錯災(zāi)變的力學(xué)模型、防控措施等都展開了大量研究(孫風(fēng)伯等， 2015； 鄒昌磊， 2021； 朱勇等， 2022)。田四明等(2019)提出了活動性斷裂隧道“小震不壞、中震可修、大震不垮”的總體設(shè)防目標(biāo)以及“預(yù)留空間、優(yōu)化斷面、節(jié)段設(shè)計、運營監(jiān)測”的原則。目前活動性斷裂隧道也基本形成了以設(shè)置柔性連接段、擴大斷面尺寸、采用洞內(nèi)明管、采用復(fù)合式襯砌等應(yīng)對措施(丁秀麗等， 2019)。隨著工程難度的日益增加，特別是針對極其活躍的斷層活動以及高地應(yīng)力、極軟巖等特殊的深部環(huán)境，對活動性斷裂帶的有效控制帶來了更大的挑戰(zhàn)。

圖 16 雙梯度超前注漿示意圖Fig. 16 Schematic diagram of double gradient advance grouting

圖 17 NPR錨索桁架耦合支護(hù)概念圖Fig. 17 Concept diagram of NPR anchor cable truss coupling support

深埋跨活動性斷裂帶隧道有效控制的關(guān)鍵在于隧道圍巖的結(jié)構(gòu)恢復(fù)和強度補償，基于此思路提出了適用于活動性斷裂帶隧道支護(hù)的雙梯度注漿補償技術(shù)和NPR錨網(wǎng)索桁架耦合支護(hù)技術(shù)。如圖 16為雙梯度注漿示意圖，首先對隧道掌子面推進(jìn)方向進(jìn)行超前探測，確定隧道開挖方向破碎帶發(fā)育情況，以此確定注漿材料和注漿孔間距等參數(shù)。距離探測到的斷層帶一定距離時停止隧道掌子面推進(jìn)，對隧道外圍巖進(jìn)行超前鉆孔，并注漿孔內(nèi)進(jìn)行低壓大粒徑材料注漿，對破碎帶宏觀大裂隙進(jìn)行填充，形成對應(yīng)破碎帶的第一梯度增強圍巖。待第一梯度增強圍巖對應(yīng)的漿液凝固后，對注漿孔進(jìn)行加深，并對加深后的注漿孔進(jìn)行小粒徑材料的二次劈裂注漿，對注漿區(qū)的微小裂隙進(jìn)行填充，完成第二梯度的圍巖增強。雙梯度超前注漿技術(shù)能夠有效地填充破碎帶內(nèi)不同規(guī)模和形式裂隙，顯著提升隧道圍巖的強度，避免了破碎帶巖體因隧道開挖引起的應(yīng)力釋放和大變形破壞。雙梯度超前注漿完成后，對圍巖實施NPR錨網(wǎng)索桁架耦合支護(hù)，其支護(hù)示意如圖 17所示，其特點是利用NPR錨索的柔性調(diào)控斷層破碎帶圍巖的形變能，并通過立體桁架的剛性約束特性，避免支護(hù)結(jié)構(gòu)的蠕變，從而保障破碎帶圍巖的穩(wěn)定。通過柔性調(diào)控和剛性約束，促使NPR錨索-桁架-圍巖形成讓-抗的支護(hù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對圍巖的支護(hù)一體化和荷載均一化，從而達(dá)到耦合支護(hù)的目的。

發(fā)震斷裂帶活動性的動態(tài)測量和超前預(yù)警是隧道施工運營的重要保障，以雙體災(zāi)變力學(xué)理論為基礎(chǔ)，以巨型NPR錨索大變形材料和牛頓力監(jiān)測技術(shù)為支撐，筆者提出了跨斷層界面牛頓力監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，并研發(fā)了跨斷層牛頓力實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。牛頓力監(jiān)測技術(shù)的可靠性已在滑坡預(yù)測中得到成功驗證，并通過汶川地震牛頓力監(jiān)測預(yù)警物理模型試驗，發(fā)現(xiàn)了“地震發(fā)生，斷裂帶牛頓力突降的科學(xué)現(xiàn)象”，但目前尚未在現(xiàn)場監(jiān)測中證實(何滿潮， 2016)。截止2022年，已經(jīng)在我國5條主發(fā)震斷裂帶上建立了10個跨斷層牛頓力監(jiān)測點，取得大量珍貴數(shù)據(jù)。在穿活動性斷裂帶隧道工程中，跨斷層牛頓力監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用可為隧道的安全實時監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3.2 斷層破碎帶控制工程案例——他依公路隧道

他依隧道是建水至元陽段高速公路線路的控制性工程，隧道設(shè)計樁號為左線全長2613m，右線全長2590m。隧道凈空(寬×高)11.1m×7.1m，隧道縱坡2.58%(單向坡)。隧道進(jìn)口軸線方向255°，隧道出口軸線方向292°，一般埋深100～250m，最大埋深297m，屬深埋長隧道。隧道通過區(qū)巖體中小斷層及節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，圍巖巖性以泥質(zhì)板巖為主，呈中風(fēng)化和強風(fēng)化泥質(zhì)板巖互層狀態(tài)，圍巖極為破碎。經(jīng)現(xiàn)場地應(yīng)力實測，他依隧道150m埋深條件下，最大水平主應(yīng)力達(dá)到4.54MPa，垂直主應(yīng)力達(dá)到3.89MPa，受大地構(gòu)造影響，他依隧道地應(yīng)力水平整體較高，此外，他依隧道進(jìn)口處約500m范圍內(nèi)，隧道走向和最大主應(yīng)力方向幾乎垂直，夾角達(dá)85°，其對隧道的圍巖穩(wěn)定控制極其不利。

表 2 他依隧道NPR錨索支護(hù)設(shè)計參數(shù)表Table2 Table of design parameters of NPR anchor cable support of Tayi tunnel

他依隧道原支護(hù)采用“超前支護(hù)+初期支護(hù)+二次支護(hù)”復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。其中：超前支護(hù)均采用Φ42超前小導(dǎo)管(35mm×300mm(環(huán)×縱)，長度4.5m)，以便加固拱頂部位圍巖性能，減少拱頂沉降。初期支護(hù)包括中空注漿錨桿(Φ25mm，L=3.5m，間排距60mm×120mm)，工字鋼(I20a，間距60cm/榀)和噴射C25混凝土，厚度26mm，每榀拱架上、中、下臺階設(shè)置12根3.5m的Φ42×3.5mm注漿鎖腳錨管，二次襯砌采用C30鋼筋混凝土厚度50cm，主筋采用Φ22螺紋鋼，間距為20cm。原支護(hù)條件下，他依隧道在穿越斷層破碎影響帶及多級次生斷層影響區(qū)域發(fā)生了大范圍的初支侵限、仰拱隆起、二襯開裂以及地表裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，初支換拱率高達(dá)70%以上，仰拱隆起段落長達(dá)334m，發(fā)生涌水突泥4次，塌方46次，二襯開裂段落長達(dá)60m，嚴(yán)重影響了隧道的工期并造成了巨額的處置費用(圖 18a， 圖 18b)。

由于原支護(hù)方案條件下，隧道圍巖變形無法控制，對原支護(hù)設(shè)計方案進(jìn)行變更，將原支護(hù)方案中的I20a，換做成雙層拱架(I25b+I20a)進(jìn)行支護(hù)，即采用“超前導(dǎo)管+4.0m系統(tǒng)錨桿+I25b+I20a雙層鋼拱架混凝土+二次襯砌”。但大變形破壞現(xiàn)象依然無法控制，如隧道右洞K63+478.8～499.4位置處，受區(qū)域斷裂影響，累計變形最大達(dá)到了150cm(圖 18c)，在ZK63+583.0～601.6位置處最大變形量達(dá)到了140cm(圖 18d)。

圖 18 原支護(hù)設(shè)計隧道變形失穩(wěn)特征圖Fig. 18 Characteristic diagram of deformation and instability of the original support design tunnel a. 初支大變形破壞(Z5K62+695～Z5K63+116段); b. 突水突泥(K63+035～K63+050); c. 初支大變形破壞(K63+478.8～499.4); d. 初支 大變形破壞(ZK63+583.0～601.6)

他依隧道NPR錨索支護(hù)設(shè)計方案科研試驗段落選擇在隧道右線K63+540～K63+560之間，該試驗段內(nèi)圍巖主要以中風(fēng)化和強風(fēng)化泥質(zhì)板巖為主，巖體極為破壞，整體圍巖呈Ⅴ級。采用“雙梯度超前注漿+NPR錨索+雙層立體桁架”的聯(lián)合支護(hù)措施對圍巖變形進(jìn)行控制，具體參數(shù)如表 2所示。主要施工工序包括“超前注漿+超前導(dǎo)管+柔性支護(hù)體系(包括NPR錨索+W型鋼帶)+剛性約束體系(雙層立體桁架)+安全儲備(二次襯砌)”。雙梯度超前注漿主要包括低壓粗料注漿和高壓細(xì)料注漿，低壓粗料注漿采早強硫鋁酸鹽單液漿或同性能的普通水泥單液漿+HPC注漿外加劑漿液。單液漿配比:W︰C=(0.8～1)︰1，HPC外加劑摻量12%～15%，硫鋁酸鹽水泥標(biāo)號42.5，高壓注漿材料超細(xì)水泥。

通過NPR錨索柔性調(diào)控和雙層立體桁架剛性約束支護(hù)體系，自掌子面開挖到圍巖變形穩(wěn)定持續(xù)近48d，圍巖變形監(jiān)測曲線結(jié)果表明(圖 19a)，該支護(hù)體系有效將圍巖變形控制在250mm以內(nèi)。如圖 19b為NPR錨索軸力監(jiān)測結(jié)果，施工時控制NPR錨索預(yù)緊力均在280～300kN 范圍內(nèi)，由于他依隧道的圍巖較為松散，會發(fā)生預(yù)緊力損失的問題，但隨著圍巖變形的增加，作用在NPR錨索上的軸力逐漸增大，在NPR錨索柔性調(diào)控和雙層立體桁架的剛性約束綜合作用下，錨索軸力最終基本維持在350kN作用，有效控制了圍巖的變形。初期支護(hù)后的施工效果如圖 20a，永久支護(hù)效果圖如圖 20b。

圖 19 他依隧道監(jiān)測曲線(特征斷面K63+550)Fig. 19 Surrounding rock deformation monitoring curve(characteristic section K63+550) a. 圍巖變形監(jiān)測； b. NPR錨索軸力監(jiān)測

2.4 高溫高濕防控對策

2.4.1 高溫高濕隧道雙隔雙控技術(shù)

我國川西藏東地區(qū)位于印度洋板塊和歐亞板塊擠壓接觸帶的東部地區(qū)，屬于地中海-喜馬拉雅地?zé)釒?，區(qū)域內(nèi)水熱活動強烈且地溫異常區(qū)分布廣泛(多吉， 2003； 王云等， 2018)。受高地溫的影響，深埋隧道建設(shè)期間會產(chǎn)生嚴(yán)重的熱害問題，隧道洞內(nèi)產(chǎn)生的高溫巖體和高溫?zé)崴雀邷責(zé)釒と税踩珜λ淼蕾|(zhì)量都會產(chǎn)生極其不利的影響。此外，當(dāng)隧道打開后，極端高溫巖體遭遇極端低溫空氣后高溫差激變可能會導(dǎo)致非線性力學(xué)現(xiàn)象，易發(fā)生圍巖高溫軟化大變形和高地溫誘發(fā)的支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等突變型大變形災(zāi)害，特別是本身就處在高應(yīng)力區(qū)的巖石會加劇巖爆等災(zāi)害的發(fā)生。

圖 20 他依隧道NPR錨索支護(hù)效果圖Fig. 20 The effect of NPR anchor cable support in Tayi Tunnel： (a) Initial support(b) Permanent support a. 初期支護(hù)效果； b. 永久支護(hù)效果

高地溫災(zāi)害現(xiàn)象研究最早起于法國， 1740年已經(jīng)開始對金屬礦山地溫進(jìn)行監(jiān)測， 18世紀(jì)后期，英國開始系統(tǒng)觀測巷道氣溫變化及其影響因素，得到風(fēng)溫隨深度增加而升高。20世紀(jì)初至50年代，主要研究關(guān)注理想狀態(tài)下隧道圍巖熱平衡理論，提出了圍巖調(diào)熱圈等基本概念和風(fēng)溫計算的基本思路。隨著能源開采的深部發(fā)展，我國的撫順、淮南、平頂山等礦區(qū)巷道相繼遇到水熱災(zāi)害，開始研究巷道水熱災(zāi)害及防控措施。另外，我國成昆鐵路的埃岱、蓮池、白石巖等隧道遇見水熱災(zāi)害，隧道內(nèi)空氣溫度高達(dá)35～40℃，也開始優(yōu)化通風(fēng)降溫研究(鄧孝， 1992)。目前，深部工程降溫技術(shù)從冷媒系統(tǒng)角度可分為水制冷系統(tǒng)、冰制冷系統(tǒng)和壓縮空氣制冷系統(tǒng)(范磊， 2019； 喬華等， 2000； 楊曉春， 2022)。此外，熱害的資源化利用技術(shù)，將熱害轉(zhuǎn)化為熱能是目前深部巖體熱力學(xué)溫控對策研究的熱點(何滿潮等， 2013； 郭平業(yè)等， 2022)。

針對深埋隧道高溫高濕問題，筆者基于新型NPR材料高溫條件下仍能保持恒阻大變形的力學(xué)特性以及溫濕控制系統(tǒng)，提出了深埋隧道高溫高濕雙隔雙控技術(shù)。如圖 21a，在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中通過隔水結(jié)構(gòu)和隔熱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)水熱隔離，通過溫濕控制系統(tǒng)實現(xiàn)隧道內(nèi)的濕熱環(huán)境調(diào)控。同時，在隧道開挖實施過程中，通過超前探測、超前注漿和超前防治實現(xiàn)掌子面前方的高溫?zé)崴綔y與防治(圖 21b)。

圖 21 高溫高濕隧道“雙隔雙控”技術(shù)示意圖Fig. 21 Schematic diagram of “double partition and double control” technology in high temperature and high humidity tunnel a. 隧道斷面示意圖； b. 隧道走向剖面示意圖

2.4.2 高溫高濕防控工程案例——張雙樓礦

張雙樓煤礦是我國東部典型的深部礦井，位于江蘇省徐州市，由于長期開采，淺部煤炭資源日趨減少，埋深達(dá)到1000m時巖溫高達(dá)45～50℃，開采工作面溫度高達(dá)35～40℃，相對濕度達(dá)95%以上。高溫高濕環(huán)境不但引起生產(chǎn)效率降低，而且使得井下工人體能下降，易產(chǎn)生高溫中暑甚至死亡，嚴(yán)重影響身體健康和煤礦安全生產(chǎn)。

張雙樓高地溫?zé)岷刂婆c熱能利用系統(tǒng)是通過一系列工藝技術(shù)實現(xiàn)熱害資源化、變廢為寶，有效改善井下熱環(huán)境的同時，成功利用提取井下熱能代替井上燃煤鍋爐供熱，最終解決深部礦區(qū)面臨的熱害和燃煤鍋爐供熱環(huán)境污染兩個問題，促進(jìn)礦區(qū)低碳環(huán)境經(jīng)濟，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。其工作原理是利用礦井各水平現(xiàn)有涌水，通過能量提取系統(tǒng)從中提取冷量，然后運用提取出的冷量與工作面高溫空氣進(jìn)行換熱作用，降低工作面的環(huán)境溫度及濕度，并且以礦井涌水為介質(zhì)將工作面熱害轉(zhuǎn)為熱能輸送到井上代替燃煤鍋爐進(jìn)行供熱，工作原理如圖 22(郭平業(yè)等， 2013)。

圖 22 張雙樓煤礦高地溫?zé)岷Ψ揽嘏c熱能利用工藝原理圖Fig. 22 Schematic diagram of high ground temperature heat damage prevention and control and heat energy utilization process in Zhangshuanglou Coal Mine

整個工藝系統(tǒng)分井上井下兩部分，其中井下部由HEMS-T換熱工作站、HEMS-I制冷工作站、HEMS-PT壓力轉(zhuǎn)換工作站及HEMS-Ⅱ降溫工作站組成，井上部分由HEMS-T換熱工作站、HEMS-Ⅲ熱能利用工作站、洗浴供熱及井口HEMS-Ⅱ-Shaft防凍工作站組成。技術(shù)具有如下特點：(1)以井下礦井涌水為冷源，降溫原理先進(jìn)； (2)純風(fēng)降溫模式，降溫效果好，同時可以降濕； (3)投資小，能耗低，運行費用低； (4)本項目技術(shù)并不僅僅是一個熱害治理技術(shù)，它可以把從深井中置換出的熱量以水為載體，通過泵站輸送到地面工作站，升溫后可以作為地面供熱及洗浴的熱源，從而形成井下降溫采熱、地面熱能利用的熱害資源化循環(huán)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，大大改善了井下工人的高溫環(huán)境下的安全工作狀況。

張雙樓礦高地溫?zé)岷刂婆c熱能利用系統(tǒng)從2009年開始運行后，工作面溫度都能控制在30℃以內(nèi)，相對濕度降低5%～15%(圖 23)。滿足《煤礦安全規(guī)程》要求，避免了礦井停產(chǎn)，取得了顯著的經(jīng)濟效益。同時，取代地面全部燃煤鍋爐，大大減輕工業(yè)廣場環(huán)境污染，運行以來節(jié)約燃煤60000t標(biāo)煤，減排CO2約150000t，減排SO2約393.2t，減排氮氧化物約335.6t，減排煙塵約64t。

圖 23 張雙樓煤礦應(yīng)用效果Fig. 23 Application effect of Zhangshuanglou Coal Mine a. 井下高溫?zé)岷刂菩Ч?b. 井上熱能利用效果； Ⅰ. 系統(tǒng)運行期， Ⅱ. 秋冬季系統(tǒng)停運期； F1. HEMS-Ⅱ進(jìn)風(fēng)， F2. 風(fēng)筒出風(fēng)； A. 皮帶機道里， C. 工作面下角點

2.5 隧道進(jìn)出口高邊坡防控對策

2.5.1 NPR錨索防治-加固-監(jiān)測-預(yù)警一體化雙補償控制技術(shù)

隧道進(jìn)出口高邊坡的穩(wěn)定性是影響隧道安全的關(guān)鍵因素，進(jìn)出口邊坡的失穩(wěn)將會對掩蓋隧道洞門和鐵路軌道，對隧道施工運營的安全性帶來嚴(yán)重威脅。隧道進(jìn)出口邊坡的穩(wěn)定性主要受內(nèi)外動力作用、水的作用、工程擾動等方面的影響。在強烈的構(gòu)造運動作用下，加之高地應(yīng)力和高地震烈度等方面的影響，邊坡極易產(chǎn)生裂隙并拓展貫通，形成滑動面，最終導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生。高原地區(qū)的凍融作用也是影響邊坡體穩(wěn)定性的關(guān)鍵方面。隨著全球溫度的不斷升高，冰川的凍融作用導(dǎo)致西部山區(qū)水系補給水源充足，地表水的滲透也會造成邊坡巖土體力學(xué)強度的降低以及內(nèi)部孔隙水壓力的上升，巖土體抗剪強度降低，最終導(dǎo)致滑坡體穩(wěn)定性降低。此外，隧道洞門修建時，會對其仰坡進(jìn)行大規(guī)模開挖切割作業(yè)，導(dǎo)致坡體應(yīng)力場發(fā)生改變，在洞口處易形成滑坡的潛在剪出口，不利于隧道進(jìn)出口邊坡的穩(wěn)定性。

隧道進(jìn)出口高邊坡穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵是隧道工程和邊坡工程的耦合穩(wěn)定?；轮聻?zāi)本質(zhì)是巖土體在降雨、振動、開挖等內(nèi)外因素綜合作用下發(fā)生大變形而產(chǎn)生的災(zāi)變破壞，其核心屬性是巖土體的大變形，也是傳統(tǒng)巖體小變形力學(xué)指導(dǎo)下剛性加固措施所受到的本質(zhì)挑戰(zhàn)，客觀表現(xiàn)是傳統(tǒng)小變形和剛性加固工程因不能夠滿足巖土體大變形特性而被破壞失效，無法抵抗滑坡災(zāi)害的發(fā)生。如2017年6月24日，四川省茂縣新磨村發(fā)生特大滑坡大變形災(zāi)害，造成10人死亡、73人失蹤(Wang et al.，2017)，造成邊坡70%以上的預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁加固工程的破壞。因此，具備大變形、高阻力吸能特性加固材料與方法等方面的研究是解決當(dāng)下滑坡加固困境的客觀需求。此外，滑坡的監(jiān)測預(yù)警同樣是災(zāi)變防控的關(guān)鍵方面，滑坡發(fā)生前能夠?qū)吰聞討B(tài)信息實時監(jiān)測并及時發(fā)布災(zāi)變前兆信息，對保證深埋隧道的安全建設(shè)和運營具有十分重要的意義。

圖 24 NPR錨索邊坡加固機制(何滿潮等， 2021)Fig. 24 Analysis on strengthening mechanism of NPR anchor cable a. 滑坡發(fā)生前; b. 滑坡發(fā)生時; c. 滑坡發(fā)生后

針對目前對隧道進(jìn)出口高邊坡控制監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的實際需求，以實現(xiàn)隧道開挖補償和邊坡開挖補償為目標(biāo)，筆者基于巨型NPR錨索材料基礎(chǔ)和邊坡相關(guān)工程經(jīng)驗，提出了隧道進(jìn)出口高邊坡防治-加固-監(jiān)測-預(yù)警一體雙補償控制技術(shù)。巨型NPR錨索的恒阻力能夠達(dá)到85kN，變形量能夠達(dá)到2m以上，其滑坡控制作用機制如圖 24所示。通過計算滑坡體和巨型NPR錨索的能量平衡關(guān)系，對邊坡進(jìn)行巨型NPR錨索支護(hù)設(shè)計(何滿潮， 2016)。滑坡發(fā)生前后，巨型NPR錨索能夠通過自身的錨索束體彈性變形和恒阻裝置結(jié)構(gòu)變形，有效抵抗和吸收滑坡大變形產(chǎn)生的能量。此外，基于自主研發(fā)的滑坡牛頓力遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可將巨型NPR錨索作為測力錨索實時監(jiān)測邊坡體潛在滑動面牛頓力的大小?，F(xiàn)場工程應(yīng)用和室內(nèi)物理模型試驗表明，滑坡發(fā)生的充分必要條件是牛頓力變化，滑坡發(fā)生前，牛頓力監(jiān)測曲線會出現(xiàn)突降現(xiàn)象，并基于牛頓力測量技術(shù)建立了滑坡牛頓力預(yù)警模式和預(yù)警準(zhǔn)則。目前，該技術(shù)已在全國建立623個監(jiān)測點，所監(jiān)測的工程領(lǐng)域包括水利工程、交通工程、采礦工程、工民建防護(hù)工程以及文化遺產(chǎn)保護(hù)工程等(圖 25)，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的16次滑坡災(zāi)害均提前3.5～20h發(fā)出臨滑預(yù)警信息(數(shù)據(jù)截止至2022年6月)，有效保障了生命財產(chǎn)安全，成功解決了滑坡短臨預(yù)報的科學(xué)難題(何滿潮， 2016； 陶志剛等， 2017； 何滿潮等， 2021)。

2.5.2 隧道進(jìn)出口高邊坡工程案例——獅子山隧道出口邊坡

滇中引水工程從金沙江上游石鼓河段取水向滇中城鎮(zhèn)生活及工業(yè)供水、同兼顧農(nóng)業(yè)與生態(tài)，以解決云南省社會經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)嚴(yán)重缺水問題。獅子山隧道出口邊坡位于滇中引水工程大理Ⅱ段施工4標(biāo)(樁號范圍DLII 50+057～DLII 72+730)(圖 26a)。獅子山隧洞出口開挖邊坡最大高度約64m，原始地形坡度40°～45°，基巖出露。巖性為強風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖夾砂巖，飽和抗壓強度低，層間擠壓現(xiàn)象發(fā)育。邊坡為斜向坡，傾角中陡，傾向山體。巖體表層風(fēng)化裂隙密集發(fā)育，結(jié)構(gòu)較破碎-完整性差，岸坡抗剪強度低，表層結(jié)構(gòu)松弛，沖溝內(nèi)有季節(jié)性流水侵蝕。該邊坡原支護(hù)采用錨桿、噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)的支護(hù)方案，錨桿直徑為22mm，長度為4.5m，間排距1.5m梅花型布置，錨桿角度垂直于巖面，深入圍巖4.28m，網(wǎng)片采用φ6鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格間距20cm×20cm，網(wǎng)片搭接不小于20cm，噴射混凝土強度為C20，厚度為10cm。經(jīng)過邊坡穩(wěn)定性的復(fù)核計算，采取支護(hù)措施后邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。但受連續(xù)、集中的強降雨作用，邊坡淺表層發(fā)生蠕動變形，邊坡局部發(fā)生開裂、隆起等變形特征。為保障施工期的安全，同時考慮獅子山隧洞出口永久邊坡對事故閘、洗窩帚山隧洞、牛駝子箐暗涵運行期的安全，需對獅子山隧洞出口邊坡進(jìn)行加固處理。

圖 25 NPR錨索防治-加固-監(jiān)測-預(yù)警一體化控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域Fig. 25 Application fields of NPR anchor cable prevention-reinforcement-monitoring-early warning integrated control technology

圖 26 獅子山隧洞出口邊坡Fig. 26 The exit slope of the Shizishan Tunnel：(a)Overview of the tunnel exit slope(b)Reinforcement diagram of the tunnel exit slope a. 隧洞出口邊坡概況; b. 隧洞出口邊坡加固示意圖

圖 27 獅子山隧洞出口邊坡牛頓力監(jiān)測曲線Fig. 27 Newton force monitoring curve of the exit slope of Shizishan Tunnel: (a)Monitoring point NO.2-1(b)Monitoring point NO.2-3 a. 監(jiān)測點NO.2-1; b. 監(jiān)測點NO.2-3

獅子山隧洞出口邊坡加固處理方案主要采用NPR錨索防治-加固-監(jiān)測-預(yù)警一體化控制技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場邊坡變形的實際情況，提出了NPR錨索-PR錨索組合布設(shè)加固方案(圖 26b)。在邊坡1995m、1986m、1980m高程處布置3排錨索，錨索間距5m、鉆孔深35m、錨固段長度10m。其中：基于滑坡災(zāi)害牛頓力遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警學(xué)術(shù)思想，在NPR錨索基礎(chǔ)上設(shè)置邊坡牛頓力監(jiān)測預(yù)警裝備，對邊坡牛頓力進(jìn)行實時監(jiān)測，如圖 27為目前獅子山隧道出口邊坡牛頓力實時監(jiān)測曲線，監(jiān)測曲線平穩(wěn)，根據(jù)滑坡牛頓力監(jiān)測預(yù)警模式和預(yù)警準(zhǔn)則，該邊坡在新的加固方案下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié) 論

強烈的內(nèi)動力作用、復(fù)雜的地層和圍巖結(jié)構(gòu)、超高地應(yīng)力及開挖強卸荷作用等都給深埋隧道的建設(shè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為此，基于開挖補償法和NPR錨桿/索新材料，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，著重對深埋隧道所面臨的軟巖大變形、巖爆、活動性斷裂帶、高溫高濕及隧道進(jìn)出口高邊坡等工程問題提出了一系列的防控方法，為深埋隧道的建設(shè)提供參考。

(1)提出了一種新的適用于深埋隧道圍巖大變形支護(hù)理論，即開挖補償法，該方法以恢復(fù)圍巖在開挖擾動前的三維應(yīng)力狀態(tài)為核心理念，采用及時高預(yù)緊力支護(hù)的策略，充分調(diào)動深部巖體強度，使開挖后的圍巖應(yīng)力得到及時有效補償，并研發(fā)了具有恒阻大變形特性、能夠滿足深埋隧道及時高應(yīng)力補償需求的NPR錨桿/索新材料。

(2)提出了適用于軟巖大變形隧道的NPR錨網(wǎng)索高預(yù)緊力補償技術(shù)。該技術(shù)充分發(fā)揮NPR錨桿/索高恒阻、大變形的力學(xué)特性，能夠滿足高預(yù)應(yīng)力的施加要求，并且能夠在半個小時內(nèi)發(fā)揮錨固作用，實現(xiàn)了軟巖隧道圍巖應(yīng)力的開挖補償。基于木寨嶺隧道工程的現(xiàn)場應(yīng)用，有效驗證了該技術(shù)軟巖大變形隧道控制的有效性。

(3)提出了適用于巖爆隧道的能量吸收補償技術(shù)。采用自主研發(fā)的室內(nèi)巖爆實驗系統(tǒng)，通過不同類型巖爆的室內(nèi)試驗，揭示了巖爆發(fā)生時的能量準(zhǔn)則。該技術(shù)基于能量吸收的巖爆控制思想和NPR錨桿/索防沖抗爆、超強吸能的力學(xué)特性，提出了NPR錨桿/索控制巖爆隧道的能量計算方法。

(4)提出了適用于活動性斷裂破碎帶隧道的雙梯度注漿強度補償技術(shù)、NPR錨網(wǎng)索桁架耦合支護(hù)技術(shù)，以及斷層活動性牛頓力監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該技術(shù)首先通過第一梯度的低壓大粒徑材料注漿和第二梯度的小粒徑材料劈裂注漿，實現(xiàn)了斷層破碎帶圍巖的強度補償。然后對圍巖實施NPR錨網(wǎng)索桁架耦合支護(hù)，利用NPR錨索的柔性調(diào)控斷層破碎帶圍巖的形變能，并通過立體桁架的剛性約束特性，有效避免支護(hù)結(jié)構(gòu)的蠕變變形，保障破碎帶圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

(5)提出了適用于高溫高濕深埋隧道防控的“雙隔雙控”技術(shù)。該技術(shù)基于新型NPR材料高溫條件下仍能保持恒阻大變形的力學(xué)特性，通過隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置隔水結(jié)構(gòu)和隔熱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)水熱隔離，并通過溫濕控制系統(tǒng)實現(xiàn)隧道內(nèi)的濕熱環(huán)境調(diào)控。

(6)提出了適用于隧道進(jìn)出口高邊坡防控的NPR錨索防治-加固-監(jiān)測-預(yù)警一體化雙補償控制技術(shù)。該技術(shù)基于巨型NPR錨索大變形高恒阻的力學(xué)特性，能夠有效抵抗和吸收滑坡大變形產(chǎn)生的能量。并自主研發(fā)了滑坡牛頓力遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定性的實時監(jiān)測和臨滑預(yù)警。