深埋高應力隧道軟巖大變形開挖補償控制研究

摘 要：隨著中國西部地區隧道工程建設的蓬勃發展，深埋、高應力、高海拔隧道的軟巖大變形災害愈發嚴重，已經成為隧道災害控制領域的研究重點和難點。位于橫斷山脈的大亮山公路隧道因其埋深大、斷層多、突涌水、圍巖強度低、地應力高等特點，隧道圍巖大變形現象十分嚴重。為了探索這種類型隧道圍巖大變形控制策略，提出了一種基于NPR材料的深埋隧道軟巖大變形開挖補償控制對策，為了驗證其可行性和科學性，通過現場觀測、室內物理模型試驗與數值模擬進行深入研究。結果表明：NPR錨索可承受的最大動力沖擊荷載為284.811 kN，抗沖擊性能最高約為Q235錨桿的2倍，非線性吸能效果顯著；NPR錨索開挖補償控制體系能夠有效調節圍巖應力分布特征，及時為受開挖擾動的圍巖提供補償支護力，約束圍巖塑性區擴展并吸收圍巖釋放的變形能；在正常與超載條件下，分別將軟巖隧道圍巖變形量控制在3 mm與5.8 mm以內，且無明顯應力集中區域；NPR錨索開挖補償支護體系可有效約束隧道圍巖位移，最大水平位移量控制在3.35 mm以內，最大豎向位移量控制在15.21 mm以內。NPR錨索補償開挖支護體系能夠有效控制深埋高應力隧道軟巖大變形災害。

關鍵詞：NPR錨索；軟巖隧道；大變形災害；物理模型試驗

中圖分類號：U 455""" 文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2025）01-0086-12

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2025.0108

Research on compensatory control of large deformation

excavation in soft rock of deep buried high stress tunnel

TAO Zhigang XU Chuang LI Yong^2，3，WANG Xiang⁴，WANG Huan⁴

（1.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China；

2.State Key Laboratory for Tunnel Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China；

3.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China；

4.China Railway Siyuan Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China）

Abstract：With the booming development of tunnel construction in the western region of China，the soft rock large deformation disaster of deep buried，high stress，high altitude tunnels has become increasingly serious，the focus of research and difficulty in the field of tunnel disaster control.Located in the Hengduan Mountain Range，Daliangshan Highway Tunnel has experienced large deformation" due to its complete burial depth，many faults，sudden water surges，low strength of the surrounding rock，and high geostress.In order to explore the control strategy of large deformation of surrounding rock in this type of tunnel，an excavation compensation control countermeasure for large deformation of soft rock in deep buried tunnels based on NPR materials is proposed.For a verification of its feasibility and scientificity，this paper carries out an in-depth study through on-site observation，indoor physical model test and numerical simulation analysis.The results show that the maximum dynamic impact load that NPR anchor cable can withstand is 284.811 kN，and the highest impact resistance is about two times of Q235 anchor，with significant nonlinear energy absorption effect.The NPR anchor cable excavation compensation control system is possible to effectively regulate the characteristics of the stress distribution of the surrounding rock，and to provide compensatory support for the surrounding rock perturbed by the excavation in a timely manner to restrain the expansion of the plastic zone of the surrounding rock，and to control the expansion of the plastic zone of the surrounding rock and the expansion of the plastic zone of the surrounding rock，as well as the expansion of the plastic zone of the surrounding rock and the expansion of the surrounding rock.The normal and overloading conditions，the deformation of the surrounding rock of soft-rock tunnels can be controlled by less than 3 mm and 5.8 mm respectively，and there is no obvious stress concentration area.The NPR anchor cable excavation compensation support system can effectively control the displacement of tunnel surrounding rock，the maximum horizontal displacement is controlled within 3.35 mm，and the maximum vertical displacement" within 15.21 mm.The NPR anchor cable compensation excavation support system can effectively control the large deformation disaster of soft rock in deep-buried high-stress tunnels.

Key words：NPR anchor cable；soft rock tunnel；large deformation hazard；physical modelling test

0 引 言

隨著中國城市化進程的加速及交通基礎設施建設的不斷發展^[1-5]，軟巖隧道工程災害日益增加，其防災控制已經成為巖石力學領域的研究熱點。然而，由于中國軟巖地域性質差異的復雜性和廣泛性，軟巖隧道災變為工程安全帶來了極大挑戰。軟巖隧道，特別是深埋軟巖隧道在施工過程中極易發生各種變形破壞，如果支護體系不能及時控制圍巖變形向深部演化，將給隧道帶來極大安全隱患。

從上世紀中期開始，學術界與工程界一直致力于尋找有效支護方法控制軟巖隧道的大變形破壞，已經形成了多種軟巖隧道大變形控制技術^[6-7]。隨著隧道開挖深度、跨度、應力場等難度的增加，又建立了許多創新性的支護體系，研發了高強吸能的支護材料。例如，郭新新等提出一種可自進式錨桿，可提升支護結構的穩定性^[8]；汪波等通過拉拔試驗，研發了一種新型錨固系統，可實現預應力的快速響應，有效減小軟巖隧道圍巖大變形^[9]；陶志剛等建立了一種NPR錨索支護體系，通過對多種圍巖大變形控制案例分析，該支護體系對圍巖大變形有較高適用性^[10]；趙金鵬等通過云屯堡隧道現場試驗研究，發現超前預支護可有效約束圍巖變形，且初期雙層支護等措施可有效解決初支失效的問題^[11]；潘英東等通過一系列試驗研究，總結了3類主要軟巖隧道破壞模式，長錨桿與短錨桿組合支護可有效控制軟巖變形^[12]；LI等認為原位圍巖破壞主要由剪切破壞造成，通過多層支護體系可有效抵抗剪切破壞，控制圍巖變形^[13]；崔光耀等

對中義隧道圍巖擠壓變形控制進行研究，提出阻力聯合釋放與強支護2種控制圍巖變形方案^[14-15]；陽軍生等通過現場研究，驗證了預加固地層支護可控制隧道圍巖變形^[16]；曹小平等通過現場試驗，提出了一種采用單層初支與雙層二次襯砌相結合的隧道圍巖變形控制方法^[17]；孫曉明等

通過室內物理模型試驗，對傾斜巖層隧道非對稱變形破壞進行研究，證明利用CRLD錨索進行非對稱支護，

可有效控制隧道非對稱變形問題^[18]；張博等通過對昌寧隧道大變形的物理模擬研究，得出深埋隧道采用NPR錨索支護體系可有效避免初支變形與二襯破壞的問題^[19]。

研究與實踐表明，理論分析、現場試驗與物理模型室內試驗已經成為軟巖隧道大變形控制的主要手段。近年來，隨著數值模擬技術的發展，數值模擬分析已經廣泛應用于隧道支護研究。鄧鵬海等采用FDEM方法揭示了軟巖隧道變形破壞機理^[20]；郭慶昊通過3DEC研究了軟硬互層隧道在高地應力作用下的圍巖變形破壞機理，得出該類隧道更適用于預留核心土法進行施工^[21]；張金等通過離散元模擬斷層隧道大變形的不同支護措施效果，證明超前注漿小導管支護方法可有效控制巖體變形^[22]；陶志剛等利用數值模擬對蘭海高速公路木寨嶺隧道不同支護方案進行優化^[23]；李干等對深埋大斷面隧道錨索間排距、長度以及預應力等進行模擬分析，揭示10 m長錨索可有效調動深部圍巖強度^[24]。

國內外學者對隧道大變形控制中，如何調動深部圍巖壓力、及時補償開挖徑向應力損失、遏制因補償不及時造成的切向應力集中等研究較少。文中以云南橫斷山地區大亮山隧道軟巖大變形控制工程為背景，建立軟巖隧道主動支護體系，通過室內力學試驗、物理模型試驗和數值模擬相結合的綜合分析方法，對大亮山軟巖隧道大變形段進行深入研究，揭示隧道開挖過程中溫度場、位移場及應力場的演變規律，探索NPR錨索對大亮山軟巖隧道圍巖大變形支護控制效果，為類似軟巖大變形隧道工程控制提供借鑒。

1 軟巖隧道區域工程地質條件

1.1 隧道基本特征

大亮山隧道是云南省云縣至臨滄高速的組成部分，隧道整體結構為雙洞分離式隧道，建設標準為雙向四車道，設計時速80 km/h。隧道左線長10 235 m，右線長10 210 m，兩線相距約28～40 m，最大埋深約1 200 m。

隧道所處區域歷史構造發育，存在多處斷層，表現為：隧道起始端前發育有逆斷層，為南汀河活動性斷裂，該斷層穿越隧道右線洞口右側埡口；隧道出口處發育有正斷層，為勐撒-曼崗山活動性斷裂，與隧道出口端相距約100 m。

由于斷層帶的影響，隧道進出口段巖體較為破碎且節理裂隙發育^[19]。隧道圍巖主要分為3類，分別為中-強風化片巖、花崗巖與礫巖（圖1）。

1.2 隧道圍巖變形模式及演化規律

大亮山隧道在原被動鋼拱架支護條件下，軟巖大變形破壞現象十分嚴重^[25]，現場宏觀破壞特征如圖2所示。

1.2.1 宏觀破壞特征

初支變形破壞主要有兩側墻巖體明顯內擠、拱頂嚴重下沉，圍巖變形量平均約60 cm。現場宏觀觀測顯示，隧道初支噴射的混凝土出現裂縫且拱頂、拱腰出現混凝土層脫落現象，脫落寬度最大50 cm。鋼筋亦出現顯著彎曲變形，初支鋼拱架明顯彎折、扭轉、錯斷。隨著時間推移，圍巖裂縫開始向環向、縱向及斜向擴展延伸，裂縫處鋼筋混凝土保護層脫落，內部鋼筋出現明顯彎曲變形，甚至彎折現象。

1.2.2 變形量觀測分析

在現場對典型開挖斷面進行變形量監測，監測曲線如圖3所示。初始階段，隧道拱頂及拱腰累計變形量逐漸增加，第一天拱腰及拱頂變形量均超過50 mm；伴隨著隧道開挖，圍巖總變形量呈增加趨勢，表現出隧道拱腰變形大于拱頂變形的規律；仰拱施工結束后，被動支護環向閉合，隧道圍巖變形量增速顯著下降；自第20天開始，圍巖變形量基本趨于穩定，沒有明顯增加，最終拱腰累計收斂量為785 mm，拱頂累計沉降量為702 mm。

2 高應力補償錨索動力學特性試驗

2.1 開挖補償原理

隨著隧道埋深的增加，軟巖隧道出現了各種各樣的變形破壞。為了探索能夠更加適應于深部環境下軟巖隧道的支護策略，何滿潮院士團隊研發出具有高強、高韌、抗剪等力學特性的NPR錨索^[26]，并且提出了基于新材料的隧道開挖補償法（CEM）^[27-28]。現場試驗證明該方法針對深部軟巖隧道的大變形控制具有顯著效果。該理論的核心思想是在隧道工程中，所有破壞都源于開挖效應，在深埋隧道中這種影響更加明顯。在未進行開挖時，圍巖處于應力低于Mohr-Coulomb強度包絡線的穩定狀態（圖4）。隧道開挖后，圍巖最小主應力σ3瞬間降為零，隨著時間發展，最大主應力σ1會出現應力集中并增大至2倍，超過圍巖強度包絡線，導致隧道圍巖最終發生破壞。普氏法依賴于壓力拱自平衡來實現支護，屬于一種無應力補償的支護方法；新奧法是一種中低應力補償支護方法，雖充分發揮隧道圍巖自承能力，開挖后對圍巖進行了主動支護、定期監測隧道變形、不斷更新支護方案，但對于深埋隧道，因支護不及時而導致應力集中，塑性圈擴展，最終發生大變形破壞。

因此，對深埋隧道的及時支護是軟巖隧道大變形控制的核心，支護材料是否能夠第一時間承受圍巖大變形成為關鍵。為此，將NPR錨索新材料引入到大亮山隧道軟巖大變形的控制中，因NPR錨索材料的靜力學特性已經開展了大量的研究，但是其抗沖擊動力學特性研究尚少，是否能適應于深埋隧道開挖擾動動力學需求，尚不明確。

2.2 NPR材料動力沖擊特性試驗

為了探索NPR錨索的抗沖擊動力學特性，采用自主研發的動力沖擊試驗系統（圖5），對相同尺寸的傳統錨桿制作材料Q235鋼和新型吸能錨桿材料NPR鋼進行落錘沖擊試驗，目的是揭示2種材料在相同中等應變率條件下的動力學特性（圖6）。

2.2.1 20 mm沖擊高度力學特性

將錘體以20 mm高度向下沖擊時，其沖擊力變化如圖6（a）所示。Q235錨桿所承受的最大沖擊力為79.7 kN，沖擊力第2波峰峰值為75.1 kN，沖擊力第3個波峰峰值為65.4 kN，整個沖擊時長為2.41 s；NPR錨桿所承受最大沖擊力為66.9 kN，沖擊力第2波峰峰值為59.8 kN，沖擊力第3個波峰峰值為52.9 kN，整個沖擊時長為2.19 s。在20 mm的沖擊高度下，Q235錨桿所提供的沖擊阻力及沖擊時長都要大于NPR錨桿，但較10 mm沖擊高度下兩者的差量明顯減小，NPR錨桿依然可在較短時間內消散掉錘體沖擊所帶來的能量。

2.2.2 400 mm沖擊高度力學特性

將錘體以400 mm高度向下沖擊時，其沖擊力變化如圖6（b）所示。Q235錨桿所承受的最大沖擊力為174.543 kN，沖擊力第2波峰峰值為108.366 kN，沖擊力第3波峰峰值為93.76 kN，整個沖擊時長為2.7 s；NPR錨桿所承受最大沖擊力為236.328 kN，沖擊力第2波峰峰值為205.322 kN，沖擊力第3個波峰峰值為185.289 kN，整個沖擊時長為5.5 s。在400 mm的沖擊高度下，Q235錨桿所提供的沖擊阻力遠小于NPR錨桿，Q235錨桿沖擊時長，沖擊峰值時間間隔遠小于NPR錨桿。

2.2.3 800 mm沖擊高度力學特性

將錘體以800 mm高度向下沖擊時，其沖擊力變化如圖6（c）所示。Q235錨桿所承受的最大沖擊力為227.718 kN，沖擊力第2波峰峰值為133.681 kN，第3個波峰峰值為118.347 kN，整個沖擊時長為3 s；NPR錨桿所承受最大沖擊力為276.906 kN，沖擊力第2波峰峰值為205.078 kN，沖擊力第3個波峰峰值為184.895 kN，整個沖擊時長為5.5 s。在800 mm的沖擊高度下，Q235錨桿所提供的沖擊阻力遠小于NPR錨桿，Q235錨桿沖擊時長，沖擊峰值時間間隔遠小于NPR錨桿。

2.2.4 1 000 mm沖擊高度力學特性

將錘體以1 000 mm高度向下沖擊時，其沖擊力變化如圖6（d）所示。Q235錨桿所承受的最大沖擊力為239.255 kN，沖擊力第2波峰峰值為140.706 kN，沖擊力第3個波峰峰值為121.488 kN，整個沖擊時長為3.5 s；NPR錨桿所承受最大沖擊力為284.811 kN，沖擊力第2波峰峰值為210.345 kN，沖擊力第3個波峰峰值為188.737 kN，整個沖擊時長為5.2 s。在1 000 mm的沖擊高度下，Q235錨桿所提供的沖擊阻力遠小于NPR錨桿材料，Q235錨桿材料沖擊時長，沖擊峰值時間間隔遠小于NPR錨桿。

試驗證明，NPR材料的力學性能要遠遠優于普通Q235材料，具有超強吸能特性與抗沖擊能力，對實際工程具有重要理論和實踐意義。

3 軟巖隧道開挖補償控制物理模擬

3.1 軟巖隧道開挖補償設計

目前，大亮山隧道軟巖段在被動鋼拱架支護體系下大變形現象嚴重，故文中利用NPR錨索主動支護體系對其進行支護設計，探究基于NPR錨索的開挖補償支護體系對軟巖隧道大變形的控制效果。設計支護方案以長、短NPR錨索相結合方式對隧道圍巖進行支護（圖7），其中長錨索長12.3 m，短錨索長6.3 m，長錨索與短錨索設計間排距分別為2 m×1.2 m與1 m×1.2 m。

3.2 模型試驗設計

為了驗證上述開挖補償方案是否適應大亮山隧道實際地質特征和圍巖變形控制需求，擬開展相似物理模型試驗。

3.2.1 試驗系統

物理模型試驗系統幾何尺寸為160 cm×40 cm×160 cm（長×寬×高）。該試驗系統可實現調控各點位加壓大小，如圖8（a）所示。在試驗儀器上固定預制模板，將相似材料攪拌好倒入預支模板中，根據相似理論，模型相似比例為1∶50，結合工程現場實際巖性，選取河砂、石膏、水泥灰、水為相似材料，攪拌配成現場強度，配置好的材料如圖8（b）所示。模型現澆成型后涂抹散斑點，為測量位移場做準備，試驗準備步驟如圖8所示。

3.2.2 試驗模型組成材料

相似比物理模型試驗材料包含NPR錨索、W鋼帶、防護網、拱架。為了保證這些核心材料的幾何尺寸和強度參數能夠滿足相似比，拱架、NPR錨索、套筒、墊片等裝置全部由3D打印技術制成。柔性網采用鐵絲網，W鋼帶采用不銹鋼條，如圖9（a）所示。根據具體開挖補償方案，在隧道模型周圍共布置20個應力監測點，旨在監測隧道開挖過程中隧道圍巖應力場的演變規律，監測點如圖9（b）所示。另外，在隧道模型中擬布置5個錨索軸力監測點，旨在監測NPR錨索軸力演變規律，軸力監測傳感器如圖9（c）所示。

分別采用散斑監測儀與紅外攝像機對隧道模型的位移場與溫度場進行連續監測，如圖9（d）所示。

軟巖隧道大變形控制物理模型試驗采用3臺階法開挖隧道，加載方式設計如圖10所示。在初始階段，根據相似理論換算，施加應力模擬隧道原巖應力狀態，隨后，再進行隧道開挖。在隧道開挖結束后，對模型進行超載試驗，旨在分析不同深度應力水平下隧道周圍巖體由小變形到大變形，由穩態到破壞的全過程變形特征。

3.3 物理模型試驗結果

3.3.1 圍巖位移場的散斑分析

隧道開挖過程位移場演變規律如圖11所示。在初始開挖階段，開挖面掘進距離較淺，對圍巖整體穩定性影響較小。從圖11（a）可以看出，隧道周圍巖體基本沒有位移產生，變形量均在0.05 mm以內。隨著開挖逐漸深入，隧道周圍巖體逐漸出現變形，由于上臺階開挖對巖體穩定的破壞，隧道拱頂周圍先開始出現位移，變形量超過2 mm（圖11（b））。在隧道上部可以看到出現較為明顯的局部位移，右側拱肩處位移量較大，超過2.3 mm。

當開挖進行到第5步（圖11（c）），隧道上部位移場擴大，但位移量與前一階段相比變化較小，整體變形量有效控制在3 mm。右側拱肩處變形量也沒有明顯增加，隧道周圍由于NPR錨索的限制，位移量沒有出現明顯增加，說明NPR錨索可及時提供補償支護，約束開挖面周圍巖體變形。在隧道超載階段，可觀察到隧道周圍巖體受到作用力影響比較顯著，隧道周圍巖體變形量增加，出現明顯位移，最大變形量約5.8 mm。但是，隧道圍巖NPR錨索覆蓋范圍內，圍巖變形相比較小且位移較為均勻，沒有出現應力集中現象，隧道圍巖結構仍可保持穩定，無明顯破壞。綜上說明，NPR錨索支護在超載狀態下仍可以繼續維持補償效應，沒有發生破壞。

3.3.2 圍巖溫度場的紅外分析

如圖12所示，隧道開挖過程中，開挖斷面四周圍巖受到應力作用發生變形，變形過程中伴隨能量的釋放導致開挖區周圍巖體溫度升高。在初始開挖階段（圖12（a）），圍巖整體受到開挖擾動影響較小，區域溫度變化不明顯，拱頂圍巖區域溫度略微升高，這是由于開挖面兩側圍巖向中間擠壓，使得拱頂圍巖發生變形造成的。隨著開挖進行（圖12（b）、12（c）），相較于初始階段，開挖斷面周圍巖體溫度均出現升高，隧道上部圍巖溫度與初始階段相比升高明顯，說明隧道上部巖體變形量較大。通過圖12（c）與圖12（b）對比可觀察到，隧道頂部區域溫度場變化較小，證明NPR錨索可有效限制圍巖變形擴展，且隧道頂部NPR錨索覆蓋區域圍巖溫度略有降低，說明圍巖應力得到較好釋放，隧道圍巖沒有發生破壞，圍巖釋放的應力得到有效吸收，表現出NPR錨索良好的吸能特性。

隧道超載階段（圖12（d）），在對隧道進行超載過程中，可以觀察到隧道頂部區域溫度有明顯升高，說明頂部巖體變形量增加，但其余區域溫度相比圖12（c）變化較小，隧道四周巖體仍維持穩定，沒有發生破壞。證明NPR錨索在超載情況下仍可以較好實現支護作用，約束覆蓋范圍內巖體變形，較好的自適應調節了圍巖內部的應力狀態。

3.3.3 圍巖應力場分析

隧道開挖過程中圍巖應力變化特征如圖13所示。試驗分別在開挖斷面的拱腰、拱肩及拱頂，由淺至深布置4層監測點位進行應力監測。前3個挖掘步驟應力場變化較為微弱，因為開挖面還未到達監測斷面。第3步開挖之后，挖掘到監測斷面位置，各監測點的應力逐漸增加。在第5步開挖之后，各層監測點的應力均顯著增加。

在隧道超載階段，各點圍巖應力均呈現明顯的上升趨勢，但整體分布相對均勻，沒有出現突出的應力集中現象。對監測的4層圍巖應力進行對比分析，距離開挖面最近的第1層各測點應力最高（圖13（a）），第2，3兩層測點的應力相差不大（圖13（b）和13（c）），但大于第4層測點的應力（圖13（d））。這說明NPR錨索支護增加了錨固范圍內圍巖應力，較好地實現了對圍巖的應力補償。NPR錨索支護系統能夠有效地改善錨索覆蓋區域內圍巖的受力特性，使得應力更為均勻分布，有效減輕地下結構面臨的局部應力集中問題。

3.3.4 NPR錨索的軸力分析

圖14為NPR錨索軸力監測曲線，分別在拱腰、拱肩及拱頂布置5個軸力監測點。錨索軸力監測曲線顯示在進行開挖后，各測點軸力均出現明顯突增現象，隨著掌子面開挖，各測點軸力逐步穩定在40～46 N。這一現象表明，受開挖影響，隧道周圍巖體由于損失應力而出現變形，NPR錨索支護系統快速為受開挖影響的圍巖提供支護力，補償由于開挖導致巖體損失的應力。

在隧道超載階段，NPR錨索軸力出現一段明顯的應力增加過程，但逐步趨于穩定，且各點位軸力整體分布均勻，沒有出現較大波動，軸力值也均在設計恒阻值51 N左右穩定波動。在隧道開挖階段，由于開挖面圍巖應力損失使得周圍巖體出現變形，NPR錨索軸力出現顯著增加，之后錨索軸力逐步趨于穩定，說明圍巖變形開始逐漸減少并停止增加。在試驗超載階段，NPR錨索軸力也只是短暫出現增加后便趨于穩定。這表現了NPR錨索抗沖擊和超強吸能的特性，可以及時調節圍巖內部應力狀態，約束圍巖變形量，防止大變形破壞，在超載情況下可以保障隧道主體結構穩定性。

4 隧道軟巖開挖補償控制的數值模擬

為了證明開挖補償控制的可行性，采用數值模擬方法，建立長寬高分別為100 m×10 m×100 m的物理模型。錨索單元按照長、短NPR錨索設置，長、短錨索的間排距分別為2 m×1.2 m和1 m×1.2 m，長錨索長為12.3 m，短錨索長為6.3 m，錨索與隧道空間布設如圖15所示。

在NPR錨索支護條件下，軟巖隧道圍巖的位移模擬云圖如圖16所示。

圖16（a）（b）（c）為隧道豎向位移模擬云圖。由圖16（a）可知，在隧道上臺階開挖結束后，圍巖豎向位移變化明顯，圍巖拱頂區域位移變化量較大，最大值約11.6 mm，拱腰兩側圍巖位移最大變化量約9 mm。在中臺階開挖結束后，如圖16（b）所示，相比于上臺階開挖，圍巖豎向位移出現了明顯的增加，拱頂區域位移變化量較大，最大變形量約15.18 mm，相比于上臺階開挖最大變形量增加了3.5 mm，拱腰兩側圍巖豎向位移最大變形量比上臺階開挖時增加了3 mm，約12 mm。當隧道3臺階全部開挖結束后，如圖16（c）所示，隧道圍巖豎向位移基本沒有出現明顯增加，拱頂區域圍巖

豎向位移最大值相比于中臺階開挖僅增加0.03 mm，約15.21 mm。拱腰兩側圍巖變形量仍然穩定在12 mm。

圖16（d）（e）（f）為隧道水平位移模擬云圖。由圖16（d）可知，在隧道上臺階開挖后，隧道兩側圍巖水平位移變化較為明顯，隧道左側圍巖最大變形量約為3.04 mm，右側圍巖最大變形量約為3.02 mm。在中臺階開挖結束后，如圖16（e）所示，隧道兩側圍巖沒有繼續發生過大變形，相較于上臺階開挖時，左側圍巖最大變形量增加0.3 mm，約3.34 mm，右側圍巖最大變形量增加0.33 mm，約3.35 mm，且變形主要位于開挖斷面附近，隨著距離開挖斷面距離的增加，位移整體呈減小趨勢。隧道3臺階開挖結束后，如圖16（f）所示，相較于中臺階開挖時，圍巖變形量最大增加約0.08 mm，整體變形量仍然穩定在3.35 mm。

在NPR錨索的補償力學支護下，可以快速實現對圍巖的開挖應力補償，將隧道圍巖變形區域控制在毗鄰較小范圍內，并及時吸收巖體釋放的變形能量，使巖體不會發生較大變形。同時NPR錨索能夠有效改善錨固范圍內圍巖應力特性，具有通過調動深層巖體來承受開挖面應力的補償支護特點，這可以有效分散開挖面周圍圍巖應力，不會出現明顯的應力集中現象。

5 結 論

1）NPR材料具有遠超Q235鋼的動力學性能，抗沖擊性能約為Q235鋼的2倍，非線性動力學吸能特性顯著。

2）NPR錨索在正常支護條件下，可將隧道圍巖變形量有效控制在3 mm以內，超載條件下可將隧道圍巖變形量有效控制在5.8 mm以內，且隧道圍巖無明顯應力集中區域。

3）基于NPR錨索的開挖補償支護體系可有效調節圍巖應力分布特征，改善錨索覆蓋區域內圍巖的受力特性，及時為受開挖擾動影響的圍巖提供補償支護力，約束圍巖塑性區向深部擴展產生大變形破壞。NPR錨索可吸收巖體釋放的變形能，在超載狀態下仍然保持穩定。

4）在NPR錨索支護體系下，隧道圍巖位移可以得到有效約束。同時NPR錨索能有效改善錨固范圍內圍巖應力特性，提升圍巖強度，利用深層巖體強度，消除應力集中現象。

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（責任編輯：劉潔）