隧洞围岩大变形灾害防治对策探讨

李永兵

（新疆阿勒泰地区水利水电勘测设计院，新疆阿勒泰 836500）

1 现有隧洞围岩大变形灾害控制材料

1.1 围岩大变形灾害及控制对策研究现状

长期以来一直围绕采用的传统锚杆（索）支护控制措施，广泛适用于浅埋地下工程和工程地质简单、围岩条件好的较深埋地下工程中。而随着国内当今一批长距离调水、高速公路、高铁和矿山等工程的快速发展，对岩土工程界提出了更高的要求。隧洞超长、埋深大，地质条件极为复杂，在工程建设中将会遇到大塌方、围岩大变形、高地应力岩爆等诱发的工程地质灾害。工程实践证明，传统支护方式已无法适应岩土体的大变形特征，因此，研究在有限变形下“拉而不断、爆（冲）而不垮”的支护新材料，能有效控制和防治塌方、围岩大变形、岩爆灾害的发生，备受世界各国隧道工程界的关注。

（1）围岩大变形灾害被动控制：以钢拱架、钢筋混凝土、注浆加固支护为代表。广泛适用于浅埋地下工程中。

（2）围岩大变形灾害主动控制：以锚杆、锚索、挂网、喷护支护为代表。支护形式由单一的支护发展为多种联合支护形式，它具有能够把深部围岩强度和浅部支护岩体联合作用的独特优点，已成为深部软岩隧道控制稳定性支护的关键技术。

（3）围岩大变形灾害耦合控制：隧洞进入深埋围岩后，单纯主动支护已经无法保证深部地下工程围岩的稳定性。中国矿业大学国家重点实验室通过大量软岩隧洞工程的理论与现场试验研究，于1997年首次提出围岩耦合支护的理念。该支护主要针对深部隧洞工程岩体的大变形力学特性、各种支护之间的耦合以及支护体与围岩之间的耦合，实现对深部隧洞围岩稳定性的有效控制。

1.2 围岩大变形锚杆的研究现状

大量现场观测资料表明，围岩松动的隧洞掘出后，其围岩的自稳时间很短，在掘进引起的隧洞围岩应力调整阶段围岩变形速率快，变形量大；应力调整阶段完成后，在应力相对稳定阶段围岩蠕变显著，蠕变变形量较大，累积变形量也较大，一般均大于200mm，有的可达500mm。上述大变形的隧洞中使用普通小变形锚杆支护时，常因锚杆不能适应隧洞围岩的变形而被拉断失效。

通过对国内外典型大变形锚杆研究现状的深入分析，总结出几种典型大变形锚杆力学性能参数的差异特征，主要包括支护阻力和最大变形量。这些锚杆具有一定拉伸量，但支护力较低且呈现非恒阻特点，均未能在实践中得到推广应用。

由于上述锚杆在支护阻力，特别是恒定支护阻力，以及拉伸量2方面尚不能满足深部软岩大变形控制的需求。为此，中国矿业大学国家重点实验室成功研发了一种能适应深部软岩隧洞大变形的NPR材料，该材料不仅能够提供恒定的较高支护力，又可产生十分大的拉伸量，从而满足了产生大变形的软岩隧洞对于锚杆的要求。

2 NPR锚杆（索）新型支护材料及特性

2.1 材料结构及特点

材料在拉伸过程中，垂直于拉应力方向不发生通常的收缩，而是发生膨胀的特性称为负泊松比效应。而传统锚杆（索）、钢架支护材料是典型的PR材料，即在拉伸变形过程中径向收缩，并伴随材料强度的急剧衰减，从而导致锚杆（索）端部断裂、中部拉断以及钢架扭曲破坏。基于负泊松比材料的特殊力学特性，结合隧洞围岩大变形灾害能量释放过程的实验研究，受“以柔克刚，刚柔相济”的哲学思想的启迪，以实现对围岩变形能量的有控制性释放为突破点，中国矿业大学国家重点实验室于2007年研发了能够在大变形拉伸过程中始终保持恒定支护阻力的NPR锚杆（索）支护新材料（图1）。

其中，恒阻装置包括恒阻套管和恒阻体，并且恒阻套管内表面和杆体的外表面均为螺纹结构，降低了锚杆的自重。恒阻装置，套装于杆体的尾部，托盘和螺母依次安装在恒阻装置的尾部。恒阻装置是NPR锚杆（索）的核心结构其内表面及杆体外表面均为螺纹结构，当受到外部轴向拉力大于恒阻装置和杆体之间的静摩擦力时，杆体和恒阻装置发生相对位移，并保持恒定的工作阻力。

图1 NPR恒阻锚杆（索）支护新材料

在此基础上，建立了恒阻装置结构力学和数学模型，推导了恒阻体最大静摩擦力，即恒阻力P0的设计公式（图2），从而实现了NPR锚杆（索）支护材料的系列化。

图2 恒阻装置结构力学和数学模型

目前，形成了130kN、200kN（锚杆）、200kN、350kN（锚索）的系列NPR锚杆（索）支护材料（表1），均获国家矿用产品安全标志（MEF 110115），并已建成年产20万套的生产线。

表1 NPR锚杆（索）技术参数

NPR材料具有如下特点：

（1）具有“抗中有让，让中有抗，恒阻防断”的大变形特性；

（2）在软岩隧洞产生较大变形时，NPR材料可保持恒定工作阻力大于120kN；

（3）在恒定工作阻力下，恒阻大变形锚杆变形量可达300～1000m；

（4）在煤矿巷道达到服务年限后，锚杆杆体和锚索恒阻器可回收，并重复利用；

（5）NPR材料主要应用于深部工程软岩大变形、岩爆大变形、冲击大变形、突出大变形灾害控制。

2.2 NPR锚杆（索）支护原理

地下工程开挖后，破坏了原岩的力学平衡，一方面由于围岩应力重新调整，使岩体自身的力学属性承受不了应力集中，从而产生塑性区或拉力区；另一方面是由于施工将引起围岩松弛，加上地质构造的影响，降低了围岩的稳定程度。因此，在隧洞围岩尚未发生大变形破坏前，必须采取一定的支护措施，改变围岩本身的力学状态，提高围岩强度，从而在隧洞围岩体内形成一个完整稳定的承载圈，与围岩共同作用，达到维护隧洞稳定的目的。图3为NPR锚杆（索）的支护工作原理。

（1）弹性变形阶段。隧洞围岩的变形能通过托盘（外锚固段）和内锚固段施加到杆体上。当围岩变形能较小，施加于杆体上的轴力小于恒阻大变形锚杆的设计恒阻力时，恒阻装置不发生任何移动，此时，恒阻大变形锚杆依靠杆体材料的弹性变形来抵抗岩体的变形破坏。

（2）结构变形阶段。随着隧洞围岩变形能逐渐积累，施加于杆体上的轴力大于或等于恒阻大变形锚杆的设计恒阻力时，恒阻装置内的恒阻体沿着套管内壁发生摩擦滑移，在滑移过程中保持恒阻特性，依靠恒阻装置的结构变形来抵抗岩体的变形破坏。

（3）极限变形阶段。隧洞围岩经过恒阻大变形锚

图3 NPR锚杆（索）支护与围岩相互作用原理

杆材料变形和结构变形后，变形能得到充分释放，由于外部荷载小于设计恒阻力值，恒阻装置内的恒阻体停止摩擦滑移，隧洞围岩再次处于相对稳定状态。

因此，当围岩发生缓慢或瞬间大变形破坏时，恒阻大变形锚杆可以吸收岩体变形能，使围岩中的能量得到释放。在新型锚杆发生结构变形阶段，仍然能够保持恒定的工作阻力和稳定的变形量，从而实现了隧洞围岩的稳定，大大降低冒顶、塌方、片帮、底臌等缓慢变形以及岩爆、冲击等安全隐患。

基于NPR锚杆（索）的独特力学特性，根据NPR锚杆（索）支护与围岩相互作用原理，建立NPR锚杆（索）支护能量本构关系如图4所示。

图4 NPR锚杆（索）支护能量本构关系

据此，可以推导得出支护体与围岩相互作用能量平衡方程，得到了隧洞支护力P和位移ΔU的解[式（1）]，从而为以NPR恒阻锚杆（索）为主体的隧洞支护定量化设计奠定了基础。

式中：P0——NPR锚杆（索）恒阻力，MPa；

n——NPR锚杆（索）根数；

EI——NPR锚杆（索）弹性变形阶段吸收能量（三角形阴影面积），J；

EII——锚杆（索）恒阻变形阶段吸收能量（矩形阴影面积），J；U0——NPR锚杆（索）弹性变形阶段变形量，mm；ΔU——NPR锚杆（索）恒阻变形阶段变形量，mm。

2.3 NPR锚杆（索）力学特性

通过配套的室内实验系统，对NPR锚杆（索）新材料进行了静力拉伸及动力冲击力学特性实验研究，结果表明：NPR恒阻锚杆/索的恒阻值分别达到200kN、350kN，恒阻运行长度均超过1000mm；能够在恒定支护阻力下承受多次冲击作用而不断，具有快速吸收冲击能量的超常力学性能。相关物理力学参数均居于国际领先地位（表2）。

3 以NPR锚杆（索）支护为主体的大变形灾害控制技术及应用

3.1 大变形灾害控制技术

（1）针对岩爆及冲击地压灾害，提出了基于高恒阻NPR锚杆/索支护的工作面切顶卸压防冲控制技术。研究表明，冲击地压主要发生在回采巷道（约91%），而其中又以沿空顺槽为主（约86%），其事故多发的力学根源在于煤层回采后，在工作面前方及两侧煤体内引起采动叠加高应力集中。为此，从切断诱发工程灾害的应力来源出发，该技术通过对回采巷道采空区侧顶板爆破预裂切缝，使其在回采过程中沿切缝自动切落，在切断回采动压直接向工作面两侧煤壁传递的同时，形成下一工作面回采巷道；作为核心关键技术之一，通过大变形预留量、高恒阻NPR锚杆/索支护、高预应力及多次加压注浆，有效控制老顶来压及切落时产生的冲击，保证巷道的整体稳定和安全。

（2）针对深井软岩巷道围岩大变形及塌方灾害，提出了预留变形量释放岩体内部积聚的变形能量，通过高预应力提高围岩强度（NPR锚杆180kN、NPR锚索300kN），NPR锚杆/索支护实现围岩变形能量的有控制性释放，根据围岩情况，配合多次加压注浆，从而保证巷道整体稳定的NPR锚杆/索耦合支护技术。

3.2 工程应用

（1）四川芙蓉白皎矿。作为中国煤炭工业协会按照国务院“5.12”灾后重建有关指示组织的“煤炭科技进四川”活动核心推荐技术，基于高恒阻NPR锚杆/索支护的工作面切顶卸压防冲控制技术率先在全国冲击灾害最严重的川煤集团芙蓉白皎矿进行试验应用，取得了极大成功。该项技术自2010年7月在四川白皎矿成功实施后，已作为重点推广项目在川煤集团全面开展，累计支护成巷工程量3万余米。结束了建矿41年来每年都因发生冲击地压灾害造成人员伤亡的历史。

表2 国内外主要大变形锚杆（索）材料技术性能对比

（2）辽宁沈阳清水矿。沈阳清水矿开采煤层为三叠系地层。由于在回采巷道支护仍采用原有的静压巷道条件下均匀支护形式，如工字钢对棚支护或U型棚联合支护等。随着开采深度的增加，地应力不断增大，断层、褶曲等构造较多，受采动和不良地质条件的影响，掘进速度慢，岩爆灾害时有发生，最大变形量达800～1000mm，严重影响矿井的安全生产。结合现场工程实际，提出了恒阻大变形锚杆+钢带+底角注浆锚管耦合支护设计方案，采用该方案支护后，围岩变形得到了有效的控制，保证了巷道的安全运行。

（3）甘肃平凉新安矿。该技术于2010年首次在甘肃平凉新安矿井中生代地层应用。由于井底车场埋深大，围岩以泥质岩石为主，强度低，膨胀性矿物含量高，同时受复杂构造应力场影响，已施工巷道出现大量锚杆拉断、支架破坏现象，多次返修仍无法控制底臌、帮缩和顶板塌方等问题，严重影响矿井正常投产。为了解决以上难题，在新安煤矿+535回风石门新掘巷道支护工程采用了NPR锚杆/索耦合支护技术，取得了良好的效果。

（4）山东龙口北皂矿。北皂煤矿是我国2005年6月第一个实现海下采煤的矿井，北皂井田埋深350m，海水深11m。巷道围岩膨胀性矿物以蒙脱石为主，含量大于60%。巷道掘进与使用期间变形破坏严重，顺槽巷道U型棚壁后充填混凝土的支护方式需2次返修才能满足使用要求。

实践证明，采用传统的锚喷、金属棚式支护已不能适应煤层海域开采软岩巷道支护和安全生产要求。因此，在海域开采软岩巷道支护现场采用了以恒阻大变形锚杆为主体的耦合支护技术，保证巷道在回采期间的稳定。

4 工程适用性分析

作为控制软岩围岩变形、塌方以及冲击等灾害的新型支护材料，NPR锚杆（索）已在地下洞室工程中成功应用，并在锦屏水电站引水隧洞工程推广。通过现场实践工程的检验，NPR锚杆（索）支护材料可以完全能够满足深埋超长隧洞工程围岩大变形灾害控制的需要。

（1）工艺可行性。NPR锚杆（索）的施工工艺为：确定孔位→钻进锚杆（索）钻孔→孔口扩孔（300～500mm，视恒阻器长度）→清孔→安装树脂锚固剂→插入杆（索）体→搅拌锚固剂→上托盘→锚杆（索）施加预应力→永久支护。

NPR锚杆（索）的支护原理决定了它的施工工艺基本不改变现有锚杆支护施工机具与施工流程，只在清孔环节之后增加一步扩孔环节。在充分利用现有施工机具的基础上，随着配套机具的完善，扩孔及施加预应力环节所需时间极短。

（2）经济适用性。由于NPR锚杆（索）采用新型钢材及结构制作而成，因此单根成本高于普通锚杆（索）支护材料，约为普通锚杆（索）的1.5～3.0倍。施工成本基本与普通锚杆（索）支护施工成本相同。由于NPR锚杆（索）支护后的隧洞完全可以满足围岩大变形灾害控制要求，无需像普通锚杆（索）支护法需要多次返修或配合钢架等刚性支护，因此，经济适用性强。

（3）安全可靠性。与普通锚杆支护相比，NPR恒阻锚杆（索）具有高恒阻、大拉伸变形量的特点，同时能够在恒定支护阻力下承受多次冲击作用而不断以及快速吸收冲击能量的超常力学性能，在支护过程中能够大幅降低围岩变形量和变形速率，通过对围岩提供恒定的支护阻力，实现岩体内部变形能量的有控制性释放，从而达到支护体—围岩共同作用的隧洞稳定性控制目标。