負泊松比錨索超大斷面隧道圍巖大變形控制體系

張君寶， 李昌存*， 李韞芃， 郭愛鵬， 余浩然， 陶志剛

(1.華北理工大學礦業工程學院， 唐山 063200; 2.深圳市綜合交通設計研究院有限公司， 深圳 518003; 3.中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點試驗室， 北京 100089)

自21世紀以來，城市的交通壓力也隨之越來越大。以往的兩車道小斷面隧道已經明顯不能解決現在的交通擁堵問題，城市內的居民對于單洞三車道、四車道超大斷面隧道工程的需求在日益增加[1-2]。但是超大斷面隧道由于其跨度大，在跨越軟弱圍巖地層時更容易發生圍巖大變形情況[3-4]。基于隧道施工過程中的安全性考慮，采用何種支護體系才能確保超大斷面隧道穿越軟弱圍巖帶時的安全，是當前超大斷面隧道研究中迫切需要解決的問題[5-6]。

1982年，Ashby首次將細胞狀負泊松比(negative Poisson’s ratio，NPR)材料應用于錨索中，之后大量專家學者對 NPR 材料進行試驗，研制出了很多種不同特性的吸能錨桿；1987年，撒赫諾等發明了一種成為波型錨桿的能量吸收錨桿，但其不能抵御較大的外力[7]；1990年， Jager研發出一種真正意義上可以稱作能量吸收錨桿的Conebolt錨桿，其相對波形錨桿性能大大提升，但是并沒有達到預期的設計效果[8]。但以上這些能量吸收錨桿都有著諸多缺陷，并沒有從根本上解決錨索的圍巖支護問題。2006年何滿潮等[9-11]在分析國內外經典案例的前提下，開發出了一種真正意義上具有新型NPR材料結構效應的新型恒阻大變形錨索。之后陶志剛等[12]對NPR錨索進行了靜力拉伸及動力沖擊試驗，并通過 FLAC3D有限差分軟件建立了 NPR 錨索的本構模型并進行數值模擬試驗，與其特性試驗結果接近。李英杰等[13]利用FLAC3D有限差分軟件對深埋大跨度隧道損傷破壞機理進行數值模擬研究，揭示了深埋隧道開挖后受力分區；Li等[14]、朱淳[15]、宋崔蓉等[16]均通過FLAC3D軟件驗證了多種超大斷面隧道圍巖變形支護的方法。之后陶志剛等[17]針對木寨嶺公路隧道地應力高、隧道埋深大等特點，通過數值模擬結合現場試驗提出了小斷面大埋深隧道的提出 NPR 錨網索支護設計方案。進一步拓展了FLAC3D有限差分軟件在隧道等地下工程中的應用范圍。另對近年來國內外大斷面隧道施工支護措施進行調研，日本Enasan-Ⅱ高速公路隧道采用預應力錨索束、噴射混凝土、格柵鋼架協同的支護措施，支護效果良好；劉德安等[18]在巴東富水泥巖隧道大隧道通過離散元分析方法提出超前帷幕注漿+超前管棚”的超前注漿加固方案，經現場試驗加固效果較好。

雖然國內外學者對軟弱圍巖大斷面隧道圍巖變形控制措施進行了很多研究，但仍然存在諸多不足：在進行數值模擬研究時并未劃分詳細地層，所建立隧道模型粗糙，模擬結果往往達不到現場施工的預計要求，很難達到預期效果；國內外現有的該支護控制領域研究較少，支護措施并不能調動深部的圍巖來分散壓力，后期維護成本較大。目前，NPR 錨索僅在小跨度礦山巷道以及深埋隧道圍巖大變形控制方面有研究，軟弱圍巖超大斷面隧道圍巖大變形控制領域的研究尚屬空白。現基于僑城東路北延通道工程，采用建模軟件Rhino6與有限差分軟件相結合的方法，建立極為細致的隧道模型；并通過理論分析、數值模擬結合室內物理相似比模型試驗結果，首次研究 NPR 錨網索支護體系應用于超大斷面隧道圍巖變形控制的可能性。為深圳立體交通項目整體施工以及初期支護提供理論支撐，并為類似條件隧道圍巖變形控制奠定理論基礎。

1 僑城東路北延通道工程概況

僑城東路北延通道工程隧道最大開挖跨度達32 m，為世界之最(現公路隧道最大跨度的世界紀錄為30.01 m)，相關設計標準超出現行規范范疇。且在不足1 km2的山體內設置有6條主線隧道、8條匝道隧道，形成上下穿越空間關系錯綜復雜的隧道群，國內無如此規模的類似工程案例。隧道大多位于部九窩渣土場下方，隧道拱部為強風化、全風化花崗巖甚至素填土，且地下水位高，圍巖級別差，隧道設計、施工風險高，如圖1所示。

圖1 僑城東路-寶鵬通道立交處隧道工程概況Fig.1 An overview of the tunnel works at the East Qiaocheng Road-Baopeng passage interchange

2 僑城東路北延通道工程圍巖大變形機理

2.1 隧道圍巖物理力學特性

圍巖的力學特性是影響隧道變形的根本因素。因此對原位鉆探所取巖石樣品(圖2)進行了試驗研究，試驗結果如表1所示。

通過對現場進行地應力測量，可知隧道周圍最大水平主應力為1.35 MPa，垂直應力為2.98 MPa。通過對比分析巖體單軸抗壓強強度與隧道應力大小可以發現：隧道上部巖層素填土、塊狀強風化、全風化中粒花崗巖、中風化中粒花崗巖、微風化中粒花崗巖單軸抗壓強度與隧道垂直的應力的比值分別為0.007、0.45、0.16、4.63、10.20；與隧道水平的應力的比值分別為0.003、1.01、0.35、10.23、22.52。可見隧道壓力超過了隧道上部巖層素填土、塊狀強風化、全風化中粒花崗巖的抗壓極限：因此在隧道開挖后，隧道頂部圍巖會很快發生大變形，且中風化與微風化中粒花崗巖的抗壓強度與隧道最大應力比值均大于1，則隧道位移應該表現為拱頂沉降量最大，拱底的收縮量最小。隧道周圍巖體抗壓強度高，拱底隆起小，隧道頂周圍的應力難以向下釋放，會集中在隧道的兩側，并對隧道的兩側進行擠壓，導致隧道兩側水平位移變大。同時隧道左側巖層厚度較薄，會導致隧道圍巖左側位移大小大于右側。

表1 隧道圍巖力學性質試驗結果Table 1 Physical parameters of tunnel surrounding rock mass

2.2 隧道沿線水文地質條件

勘察鉆孔分別對九窩渣土填埋場素填土、基巖裂隙水地下水影響等典型地段進行試驗。試驗結果如表2所示。

表2 水文地質條件測試結果Table 2 Test results of hydrogeological conditions

按《公路工程地質勘察規范》(JTG C20—2011)附錄K規定，可知僑城東路隧道沿線地下水位土質對砼結構具弱-中等腐蝕性(介質為pH)；對鋼筋砼結構中的鋼筋具微腐蝕性；對鋼結構按pH判定具有微-弱腐蝕性。因此選擇耐腐蝕的支護措施尤為重要。

2.3 隧道圍巖大變形機理

基于上述測試與研究成果，分析得出僑城東路北延通道工程超大斷面隧道軟弱圍巖大變形的主要原因如下。

(1)隧道地應力高，素填土、塊狀強風化與全風化中立強度較低。因此在隧道開挖后極易發生破壞，并向下發生沉降，隧道拱頂變形量最大，拱底的變形量相對較小；隧道兩側受到擠壓，也會發生一定程度的大變形。

(2)在擬建隧道場地附近主要發育有多條斷裂，多與隧道呈大角度相交，受地質歷史上多次區域構造運動的影響，場地基巖構造裂隙普遍較發育，錨索排距過密可能會導致巖體破碎，且圍巖裂隙除成為地下水的蓄水空間及滲水通道外，對洞身圍巖的穩定會產生一定的不利影響。

3 軟弱圍巖超大斷面隧道NRR錨網索支護體系研究

3.1 隧道圍巖控制方法

結合以上研究成果，可以確定引起僑城東路北延通道工隧道圍巖大變形的主要因素包括巖性、構造裂隙、高應力、腐蝕性地下水。解決巖性差、裂隙多的問題主要是注漿，可以將圍巖黏接起來，提高圍巖的穩定性，主要研究錨索特性，故注漿手段不多加探討。高應力問題的主要解決方式是改善隧道圍巖應力條件，通過NPR錨索室內試驗可以發現其高恒阻、強吸能的特性，可以完美地解決隧道高應力的問題。隧道沿線地下水的腐蝕性問題，需要耐久度高的支護措施。NPR錨索具備一定的耐腐蝕性，可以保障隧道支護斷面的長久性與穩定性。

3.2 NPR錨索工作機理及本構模型構建

3.2.1 高恒阻能量吸收錨索概述

中國礦業大學(北京)的何滿潮院士經過反復的試驗研究，提出了大變形控制的理念——NPR錨索可以吸收巖體變形時釋放的變形能，減緩巖體的變形情況[19]。

3.2.2 高恒阻能量吸收錨索特性試驗

1)室內靜力拉伸試驗

室內靜力拉伸試驗主要采用HWL-2 000 NPR拉力試驗系統對4槽以及6槽長度為90 mm的上底直徑66 mm、下底直徑72 mm恒阻體NPR吸收錨索進行靜力拉伸試驗，試驗設備見圖3，靜力拉伸試驗不含填充物。試驗結果見圖4。

由圖4靜力拉伸試驗曲線可以看出，4槽以及6槽的恒阻體阻力都呈不斷增大的趨勢，然后進入短暫的恒阻階段，隨后阻力繼續增大，錨索被拉斷。NPR錨索軸力在破壞前始終在一個范圍內波動，表現出了很明顯的恒阻現象，但6開槽φ上66×φ下72恒阻體雖然出現了恒阻現象，但是恒阻值偏小，沒有超過300 kN，而采用4開槽φ上66×φ下72恒阻體結構特征能夠滿足恒阻要求，恒阻值為340～360 kN，滿足了設計的恒阻值要求，可以投入工程使用。

圖3 HWL-2000 NPR錨索拉力試驗系統[12]Fig.3 HWL-2000 anchor cable tension test system with constant resistance and large deformation[12]

圖4 綜合靜力拉伸試驗曲線Fig.4 Comprehensive static tensile test curve

2)室內動力沖擊試驗

室內動力沖擊試驗主要采用中國礦業大學(北京)HZ-200000J恒阻大變形錨索落錘沖擊試驗系統對高恒阻能量吸收錨索進行動力沖擊試驗，試驗設備見圖5。實驗采用恒阻套管規格為φ133 mm×2 000 mm，恒阻體規格為φ93 mm～φ95 mm、錨索長度為2 500 mm的高恒阻能量吸收錨索進行試驗，試驗結果如圖6所示。

圖5 HZ-200000J型恒阻大變形錨索落錘沖擊試驗系統Fig.5 HZ-200000J type constant resistance and large deformation anchor cable drop weight impact test system

圖6 NPR 錨索動力沖擊試驗結果Fig.6 Dynamic impact test results of NPR anchor cable

由圖6可以看出，NPR錨索表現出了很明顯的沖擊恒阻特性。試驗過程中NPR錨索變形量最大為1 821.4 mm，延伸率高達58.3%，產生均勻變形。

3.2.3 NPR錨索本構模型構建

由靜力拉伸和動力沖擊試驗可以看出，NPR錨索不僅能夠具有很明顯的沖擊恒阻特性，還能提供持久有效的高恒阻力。若采用FLAC3D對恒組大變形錨索的支護效果進行模擬，需用其內嵌的Fish語言重新定義錨索單元的參數(幾何、材料參數和錨固劑特性)，恒組大變形錨索屬于彈塑性體，需要用一維本構模型描述其特性：利用Fish語言判斷其自由端與錨固端的距離長短，并監測恒組大變形錨索受力情況，當變形值達到初始預定值時，釋放錨索單元，此刻錨索軸力變為 0 kN，判定恒組大變形錨索破壞，無法在對圍巖的變形情況進行限制。

3.3 數值模擬分析

首先根據以上研究資料截取東路隧道標準段K3+355～K3+375段，通過Rhino6建立模型。為保證數值模擬結果精確，建立146 m×140 m×20 m的隧道模型，開挖跨度達20.97 m，高10 m，隧道橫向方向左右各留63 m(3倍洞涇，為消除邊界因素造成的影響)，底部留42 m(2倍洞涇，為消除邊界因素造成的影響)，模型拱頂至地表，隧道縱向長度取20 m。

隧道模型計算研究分析采用Mohr-Coulomb(摩爾-庫倫)準則，null(刪除-挖空)模型模擬隧道開挖工法， cable(錨索)單元和shell(襯砌) 單元共同模擬圍巖支護控制。

在隧道底和4個側方向上施展約束力，頂部施加自重力，形成模型初始應力場。其中模型初始位移場作為土體固結產生的原始位移，在隧道開挖施工時已經經過多年變形完成，因此在隧道開挖工法模擬開始時將位移化為零。模型見圖7。

根據國內以往大斷面大跨度隧道支護方案經驗，共建立 4 組支護方案(按照錨索的種類和錨索間排距設置)，見表3。本次其余支護參數參照《僑城東路隧道地質勘察報告》《混凝土結構設計規范》等資料，見表4。

①為素填土；②為塊狀強風化中粒花崗巖；③為全風化中粒花崗巖；④為中風化中粒花崗巖；⑤為中風化中粒花崗巖；⑥為僑城東路東線隧道圖7 隧道模型構建Fig.7 Tunnel model construction

表3 隧道圍巖各變更初期支護方案及數值計算模型Table 3 The initial support scheme and numerical calculation model of tunnel surrounding rock for each change

表4 材料參數Table 4 Material parameters

3.3.1 位移場變化特征

由隧道圍巖位移場云圖可以看出，在4種支護條件下，隧道圍巖均形成了塌落拱。且在水平方向上隧道圍巖左側變形均大于右側。在無錨索狀態下，隧道頂變形達到了0.48 m，水平方向達到了0.35 m，均發生了大變形，無法滿足隧道施工時安全的需求，之后采取普通錨索支護，變形情況得到收斂。加之以NPR錨索支護后，圍巖變形情況得到了進一步的控制，說明NPR錨索支護下，圍巖整體狀況良好，且方案A相較方案B更為妥當。

圖8 隧道圍巖水平位移場云圖Fig.8 Cloud image of horizontal displacement field of tunnel surrounding rock

圖9 隧道圍巖垂直位移場云圖Fig.9 Cloud image of vertical displacement field of tunnel surrounding rock

3.3.2 應力場變化特征以及初支單元位移分析

因僑城東路隧道標準段屬于淺埋隧道工程，最大主應力云圖表現為上下較小，兩側較大。由圖10、圖11可以看出，NPR錨索支護下，圍巖的應力集中區有了明顯的減小，可見NPR錨索在支護時可以調動深層的圍巖，來分散承受的壓力，圍巖整體情況較好，其承載能力更強。圖14顯示在隧道頂部襯砌變形量最大，其次是拱肩及拱腰位置。而從整體來看，在NPR 錨索支護狀態下下的云圖顏色比較少而相對比較集中，隧道圍巖在支護后整體性較好。同時全NPR錨索支護方案A是要優于方案B的。

圖10 隧道圍巖水平應力場云圖Fig.10 Cloud image of horizontal stress field of tunnel surrounding rock

圖11 隧道圍巖垂直應力場云圖Fig.11 Cloud image of vertical stress field of tunnel surrounding rock

4 室內相似比物理模型試驗

4.1 相似理論及相似材料

在數值模擬方法尚未完全成熟可靠的現階段，室內相似比物理模型試驗是了解巖土工程相關力學特征的重要手段，也可以對數值模擬的結果進行對比驗證。室內相似比物理模型試驗是可以將工程問題簡化的試驗方法，首先，按一定相似比例縮小隧道模型；其次，采用幾何相似理論以及應力相似條件獲得模型受力后的變形及應力分布特征；最后，對比數值模擬結果，再反饋到隧道實際工程中。

室內相似比物理模型試驗加載設備尺寸為：長、寬、高分別為1.6、1.6和0.4 m。采用豎向壓力和側向壓力。豎向壓力模擬隧道的豎向應力，水平荷載模擬隧道的最大水平主應力。通過對地勘資料分析，垂直地應力為2.98 MPa，最大水平應力1.35 MPa。為節約試驗成本根據第2節僑城東路北延通道工程圍巖大變形機理可知，隧道所處中粒花崗巖單軸平均抗壓強度約為15.25 MPa，強度相似比選取為10，因此相似材料單軸強度應該在1.5 MPa左右。模型試驗中幾何相似常數選取為50，隧道的寬度400 mm。長度10 m的錨索，縮小50倍后總長度為200 mm。長度5 m的錨索，總長度應為100 mm。通過對不同配比下的相似材料試驗分析，最終選取重晶石粉、石英砂、石膏粉、滑石粉和水作為相似材料。每1 kg相似材料中選取重晶石粉0.620 kg、石英砂0.120 kg、石膏粉0.130 kg、滑石粉0.010 kg和水0.120 kg。

4.2 試驗結果分析

相似比物理模型試驗選用的是中國礦業大學(北京)深部國家重點試驗室物理模型試驗系統，如圖12所示。

圖12 相似模擬試驗設備Fig.12 Similar simulated experimental equipment

為了研究僑城東路隧道圍巖大變形變形破壞結構效應以及NPR錨索控制效果，同時對比無錨索(左)與NPR錨索(右)支護條件下隧道變形情況。錨索則采用3D打印技術進行等比例縮小，縮小比例為1∶50，參數如表5所示，模型實物及各部位組成如圖13、圖14所示。

表5 縮小比例為1∶50時參數Table 5 Parameters at 1∶50 reduction ratio

圖13 NPR錨索模型Fig.13 NPR anchor cable model

圖14 相似比隧道模型錨索布置Fig.14 Similar ratio tunnel model anchor cable arrangement

由圖15模擬圍巖變形特征試驗結果可以看出，10 h后左側無錨索支護隧道拱頂的巖石出現大量滑移，變形遠大于其他部位。而右側隧道在NPR錨索的控制下，隨著時間的延長也發生了變形現象，但整體變形量較小，隧道并未發生明顯破壞。從左右兩隧道變形特征以及與數值模擬結果進行對比可以看出，NPR錨索對隧道圍巖控制效果十分明顯，能有效解決圍巖的大變形問題。

圖15 模擬圍巖變形特征Fig.15 Simulation of surrounding rock deformation characteristics

5 結論

(1)通過 NPR 錨索室內靜力拉伸以及動力沖擊條件下的試驗結果證明：NPR 錨索表現出了顯著的高恒阻、強吸能、抗沖擊以及材料耐久度高等特性，能夠適應超大斷面隧道存在的圍巖條件差等問題。同時利用內嵌的Fish語言在FLAC3D中構建NPR錨索單元也與實際力學特性相似。

(2)通過隧道支護控制數值模擬發現：隧道圍巖位移均表現為拱頂下沉、拱底隆起、兩側向隧道內擠入。隧道頂部﹑底部和兩側是應力集中的主要部位，水平方向上左側變形情況大于右側，與理論分析結果相同。并分別對比了普通錨索支護下以及NPR錨索支護0.8 m排距下對下方相鄰隧道的影響，證明排距0.8 m，環距1 m的NPR錨網索支護體系不僅可以保障本身隧道施工時的安全性，還可以降低施工對于相鄰并行隧道的影響。

(3)通過數值模擬與室內相似比物理模擬試驗相對比，證明了數值模擬的科學性和真實性。室內相似比物理模型試驗證明：無錨索支護下的隧道圍巖破壞明顯，在恒阻錨索的控制下，隧道圍巖并未發生顯著破壞。圍巖變形拱頂處明顯大于其他區域，與數值模擬結果相同，說明NPR錨索能夠有效控制隧道圍巖初期支護大變形問題。為類似條件隧道大變形的災害控制措施選擇提供了重要思路。