隧洞圍巖大變形災害防治對策探討

李永兵

（新疆阿勒泰地區水利水電勘測設計院，新疆阿勒泰 836500）

1 現有隧洞圍巖大變形災害控制材料

1.1 圍巖大變形災害及控制對策研究現狀

長期以來一直圍繞采用的傳統錨桿（索）支護控制措施，廣泛適用于淺埋地下工程和工程地質簡單、圍巖條件好的較深埋地下工程中。而隨著國內當今一批長距離調水、高速公路、高鐵和礦山等工程的快速發展，對巖土工程界提出了更高的要求。隧洞超長、埋深大，地質條件極為復雜，在工程建設中將會遇到大塌方、圍巖大變形、高地應力巖爆等誘發的工程地質災害。工程實踐證明，傳統支護方式已無法適應巖土體的大變形特征，因此，研究在有限變形下“拉而不斷、爆（沖）而不垮”的支護新材料，能有效控制和防治塌方、圍巖大變形、巖爆災害的發生，備受世界各國隧道工程界的關注。

（1）圍巖大變形災害被動控制：以鋼拱架、鋼筋混凝土、注漿加固支護為代表。廣泛適用于淺埋地下工程中。

（2）圍巖大變形災害主動控制：以錨桿、錨索、掛網、噴護支護為代表。支護形式由單一的支護發展為多種聯合支護形式，它具有能夠把深部圍巖強度和淺部支護巖體聯合作用的獨特優點，已成為深部軟巖隧道控制穩定性支護的關鍵技術。

（3）圍巖大變形災害耦合控制：隧洞進入深埋圍巖后，單純主動支護已經無法保證深部地下工程圍巖的穩定性。中國礦業大學國家重點實驗室通過大量軟巖隧洞工程的理論與現場試驗研究，于1997年首次提出圍巖耦合支護的理念。該支護主要針對深部隧洞工程巖體的大變形力學特性、各種支護之間的耦合以及支護體與圍巖之間的耦合，實現對深部隧洞圍巖穩定性的有效控制。

1.2 圍巖大變形錨桿的研究現狀

大量現場觀測資料表明，圍巖松動的隧洞掘出后，其圍巖的自穩時間很短，在掘進引起的隧洞圍巖應力調整階段圍巖變形速率快，變形量大；應力調整階段完成后，在應力相對穩定階段圍巖蠕變顯著，蠕變變形量較大，累積變形量也較大，一般均大于200mm，有的可達500mm。上述大變形的隧洞中使用普通小變形錨桿支護時，常因錨桿不能適應隧洞圍巖的變形而被拉斷失效。

通過對國內外典型大變形錨桿研究現狀的深入分析，總結出幾種典型大變形錨桿力學性能參數的差異特征，主要包括支護阻力和最大變形量。這些錨桿具有一定拉伸量，但支護力較低且呈現非恒阻特點，均未能在實踐中得到推廣應用。

由于上述錨桿在支護阻力，特別是恒定支護阻力，以及拉伸量2方面尚不能滿足深部軟巖大變形控制的需求。為此，中國礦業大學國家重點實驗室成功研發了一種能適應深部軟巖隧洞大變形的NPR材料，該材料不僅能夠提供恒定的較高支護力，又可產生十分大的拉伸量，從而滿足了產生大變形的軟巖隧洞對于錨桿的要求。

2 NPR錨桿（索）新型支護材料及特性

2.1 材料結構及特點

材料在拉伸過程中，垂直于拉應力方向不發生通常的收縮，而是發生膨脹的特性稱為負泊松比效應。而傳統錨桿（索）、鋼架支護材料是典型的PR材料，即在拉伸變形過程中徑向收縮，并伴隨材料強度的急劇衰減，從而導致錨桿（索）端部斷裂、中部拉斷以及鋼架扭曲破壞。基于負泊松比材料的特殊力學特性，結合隧洞圍巖大變形災害能量釋放過程的實驗研究，受“以柔克剛，剛柔相濟”的哲學思想的啟迪，以實現對圍巖變形能量的有控制性釋放為突破點，中國礦業大學國家重點實驗室于2007年研發了能夠在大變形拉伸過程中始終保持恒定支護阻力的NPR錨桿（索）支護新材料（圖1）。

其中，恒阻裝置包括恒阻套管和恒阻體，并且恒阻套管內表面和桿體的外表面均為螺紋結構，降低了錨桿的自重。恒阻裝置，套裝于桿體的尾部，托盤和螺母依次安裝在恒阻裝置的尾部。恒阻裝置是NPR錨桿（索）的核心結構其內表面及桿體外表面均為螺紋結構，當受到外部軸向拉力大于恒阻裝置和桿體之間的靜摩擦力時，桿體和恒阻裝置發生相對位移，并保持恒定的工作阻力。

圖1 NPR恒阻錨桿（索）支護新材料

在此基礎上，建立了恒阻裝置結構力學和數學模型，推導了恒阻體最大靜摩擦力，即恒阻力P0的設計公式（圖2），從而實現了NPR錨桿（索）支護材料的系列化。

圖2 恒阻裝置結構力學和數學模型

目前，形成了130kN、200kN（錨桿）、200kN、350kN（錨索）的系列NPR錨桿（索）支護材料（表1），均獲國家礦用產品安全標志（MEF 110115），并已建成年產20萬套的生產線。

表1 NPR錨桿（索）技術參數

NPR材料具有如下特點：

（1）具有“抗中有讓，讓中有抗，恒阻防斷”的大變形特性；

（2）在軟巖隧洞產生較大變形時，NPR材料可保持恒定工作阻力大于120kN；

（3）在恒定工作阻力下，恒阻大變形錨桿變形量可達300～1000m；

（4）在煤礦巷道達到服務年限后，錨桿桿體和錨索恒阻器可回收，并重復利用；

（5）NPR材料主要應用于深部工程軟巖大變形、巖爆大變形、沖擊大變形、突出大變形災害控制。

2.2 NPR錨桿（索）支護原理

地下工程開挖后，破壞了原巖的力學平衡，一方面由于圍巖應力重新調整，使巖體自身的力學屬性承受不了應力集中，從而產生塑性區或拉力區；另一方面是由于施工將引起圍巖松弛，加上地質構造的影響，降低了圍巖的穩定程度。因此，在隧洞圍巖尚未發生大變形破壞前，必須采取一定的支護措施，改變圍巖本身的力學狀態，提高圍巖強度，從而在隧洞圍巖體內形成一個完整穩定的承載圈，與圍巖共同作用，達到維護隧洞穩定的目的。圖3為NPR錨桿（索）的支護工作原理。

（1）彈性變形階段。隧洞圍巖的變形能通過托盤（外錨固段）和內錨固段施加到桿體上。當圍巖變形能較小，施加于桿體上的軸力小于恒阻大變形錨桿的設計恒阻力時，恒阻裝置不發生任何移動，此時，恒阻大變形錨桿依靠桿體材料的彈性變形來抵抗巖體的變形破壞。

（2）結構變形階段。隨著隧洞圍巖變形能逐漸積累，施加于桿體上的軸力大于或等于恒阻大變形錨桿的設計恒阻力時，恒阻裝置內的恒阻體沿著套管內壁發生摩擦滑移，在滑移過程中保持恒阻特性，依靠恒阻裝置的結構變形來抵抗巖體的變形破壞。

（3）極限變形階段。隧洞圍巖經過恒阻大變形錨

圖3 NPR錨桿（索）支護與圍巖相互作用原理

桿材料變形和結構變形后，變形能得到充分釋放，由于外部荷載小于設計恒阻力值，恒阻裝置內的恒阻體停止摩擦滑移，隧洞圍巖再次處于相對穩定狀態。

因此，當圍巖發生緩慢或瞬間大變形破壞時，恒阻大變形錨桿可以吸收巖體變形能，使圍巖中的能量得到釋放。在新型錨桿發生結構變形階段，仍然能夠保持恒定的工作阻力和穩定的變形量，從而實現了隧洞圍巖的穩定，大大降低冒頂、塌方、片幫、底臌等緩慢變形以及巖爆、沖擊等安全隱患。

基于NPR錨桿（索）的獨特力學特性，根據NPR錨桿（索）支護與圍巖相互作用原理，建立NPR錨桿（索）支護能量本構關系如圖4所示。

圖4 NPR錨桿（索）支護能量本構關系

據此，可以推導得出支護體與圍巖相互作用能量平衡方程，得到了隧洞支護力P和位移ΔU的解[式（1）]，從而為以NPR恒阻錨桿（索）為主體的隧洞支護定量化設計奠定了基礎。

式中：P0——NPR錨桿（索）恒阻力，MPa；

n——NPR錨桿（索）根數；

EI——NPR錨桿（索）彈性變形階段吸收能量（三角形陰影面積），J；

EII——錨桿（索）恒阻變形階段吸收能量（矩形陰影面積），J；U0——NPR錨桿（索）彈性變形階段變形量，mm；ΔU——NPR錨桿（索）恒阻變形階段變形量，mm。

2.3 NPR錨桿（索）力學特性

通過配套的室內實驗系統，對NPR錨桿（索）新材料進行了靜力拉伸及動力沖擊力學特性實驗研究，結果表明：NPR恒阻錨桿/索的恒阻值分別達到200kN、350kN，恒阻運行長度均超過1000mm；能夠在恒定支護阻力下承受多次沖擊作用而不斷，具有快速吸收沖擊能量的超常力學性能。相關物理力學參數均居于國際領先地位（表2）。

3 以NPR錨桿（索）支護為主體的大變形災害控制技術及應用

3.1 大變形災害控制技術

（1）針對巖爆及沖擊地壓災害，提出了基于高恒阻NPR錨桿/索支護的工作面切頂卸壓防沖控制技術。研究表明，沖擊地壓主要發生在回采巷道（約91%），而其中又以沿空順槽為主（約86%），其事故多發的力學根源在于煤層回采后，在工作面前方及兩側煤體內引起采動疊加高應力集中。為此，從切斷誘發工程災害的應力來源出發，該技術通過對回采巷道采空區側頂板爆破預裂切縫，使其在回采過程中沿切縫自動切落，在切斷回采動壓直接向工作面兩側煤壁傳遞的同時，形成下一工作面回采巷道；作為核心關鍵技術之一，通過大變形預留量、高恒阻NPR錨桿/索支護、高預應力及多次加壓注漿，有效控制老頂來壓及切落時產生的沖擊，保證巷道的整體穩定和安全。

（2）針對深井軟巖巷道圍巖大變形及塌方災害，提出了預留變形量釋放巖體內部積聚的變形能量，通過高預應力提高圍巖強度（NPR錨桿180kN、NPR錨索300kN），NPR錨桿/索支護實現圍巖變形能量的有控制性釋放，根據圍巖情況，配合多次加壓注漿，從而保證巷道整體穩定的NPR錨桿/索耦合支護技術。

3.2 工程應用

（1）四川芙蓉白皎礦。作為中國煤炭工業協會按照國務院“5.12”災后重建有關指示組織的“煤炭科技進四川”活動核心推薦技術，基于高恒阻NPR錨桿/索支護的工作面切頂卸壓防沖控制技術率先在全國沖擊災害最嚴重的川煤集團芙蓉白皎礦進行試驗應用，取得了極大成功。該項技術自2010年7月在四川白皎礦成功實施后，已作為重點推廣項目在川煤集團全面開展，累計支護成巷工程量3萬余米。結束了建礦41年來每年都因發生沖擊地壓災害造成人員傷亡的歷史。

表2 國內外主要大變形錨桿（索）材料技術性能對比

（2）遼寧沈陽清水礦。沈陽清水礦開采煤層為三疊系地層。由于在回采巷道支護仍采用原有的靜壓巷道條件下均勻支護形式，如工字鋼對棚支護或U型棚聯合支護等。隨著開采深度的增加，地應力不斷增大，斷層、褶曲等構造較多，受采動和不良地質條件的影響，掘進速度慢，巖爆災害時有發生，最大變形量達800～1000mm，嚴重影響礦井的安全生產。結合現場工程實際，提出了恒阻大變形錨桿+鋼帶+底角注漿錨管耦合支護設計方案，采用該方案支護后，圍巖變形得到了有效的控制，保證了巷道的安全運行。

（3）甘肅平涼新安礦。該技術于2010年首次在甘肅平涼新安礦井中生代地層應用。由于井底車場埋深大，圍巖以泥質巖石為主，強度低，膨脹性礦物含量高，同時受復雜構造應力場影響，已施工巷道出現大量錨桿拉斷、支架破壞現象，多次返修仍無法控制底臌、幫縮和頂板塌方等問題，嚴重影響礦井正常投產。為了解決以上難題，在新安煤礦+535回風石門新掘巷道支護工程采用了NPR錨桿/索耦合支護技術，取得了良好的效果。

（4）山東龍口北皂礦。北皂煤礦是我國2005年6月第一個實現海下采煤的礦井，北皂井田埋深350m，海水深11m。巷道圍巖膨脹性礦物以蒙脫石為主，含量大于60%。巷道掘進與使用期間變形破壞嚴重，順槽巷道U型棚壁后充填混凝土的支護方式需2次返修才能滿足使用要求。

實踐證明，采用傳統的錨噴、金屬棚式支護已不能適應煤層海域開采軟巖巷道支護和安全生產要求。因此，在海域開采軟巖巷道支護現場采用了以恒阻大變形錨桿為主體的耦合支護技術，保證巷道在回采期間的穩定。

4 工程適用性分析

作為控制軟巖圍巖變形、塌方以及沖擊等災害的新型支護材料，NPR錨桿（索）已在地下洞室工程中成功應用，并在錦屏水電站引水隧洞工程推廣。通過現場實踐工程的檢驗，NPR錨桿（索）支護材料可以完全能夠滿足深埋超長隧洞工程圍巖大變形災害控制的需要。

（1）工藝可行性。NPR錨桿（索）的施工工藝為：確定孔位→鉆進錨桿（索）鉆孔→孔口擴孔（300～500mm，視恒阻器長度）→清孔→安裝樹脂錨固劑→插入桿（索）體→攪拌錨固劑→上托盤→錨桿（索）施加預應力→永久支護。

NPR錨桿（索）的支護原理決定了它的施工工藝基本不改變現有錨桿支護施工機具與施工流程，只在清孔環節之后增加一步擴孔環節。在充分利用現有施工機具的基礎上，隨著配套機具的完善，擴孔及施加預應力環節所需時間極短。

（2）經濟適用性。由于NPR錨桿（索）采用新型鋼材及結構制作而成，因此單根成本高于普通錨桿（索）支護材料，約為普通錨桿（索）的1.5～3.0倍。施工成本基本與普通錨桿（索）支護施工成本相同。由于NPR錨桿（索）支護后的隧洞完全可以滿足圍巖大變形災害控制要求，無需像普通錨桿（索）支護法需要多次返修或配合鋼架等剛性支護，因此，經濟適用性強。

（3）安全可靠性。與普通錨桿支護相比，NPR恒阻錨桿（索）具有高恒阻、大拉伸變形量的特點，同時能夠在恒定支護阻力下承受多次沖擊作用而不斷以及快速吸收沖擊能量的超常力學性能，在支護過程中能夠大幅降低圍巖變形量和變形速率，通過對圍巖提供恒定的支護阻力，實現巖體內部變形能量的有控制性釋放，從而達到支護體—圍巖共同作用的隧洞穩定性控制目標。