负泊松比锚索超大断面隧道围岩大变形控制体系

张君宝， 李昌存*， 李韫芃， 郭爱鹏， 余浩然， 陶志刚

(1.华北理工大学矿业工程学院， 唐山 063200; 2.深圳市综合交通设计研究院有限公司， 深圳 518003; 3.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点试验室， 北京 100089)

自21世纪以来，城市的交通压力也随之越来越大。以往的两车道小断面隧道已经明显不能解决现在的交通拥堵问题，城市内的居民对于单洞三车道、四车道超大断面隧道工程的需求在日益增加[1-2]。但是超大断面隧道由于其跨度大，在跨越软弱围岩地层时更容易发生围岩大变形情况[3-4]。基于隧道施工过程中的安全性考虑，采用何种支护体系才能确保超大断面隧道穿越软弱围岩带时的安全，是当前超大断面隧道研究中迫切需要解决的问题[5-6]。

1982年，Ashby首次将细胞状负泊松比(negative Poisson’s ratio，NPR)材料应用于锚索中，之后大量专家学者对 NPR 材料进行试验，研制出了很多种不同特性的吸能锚杆；1987年，撒赫诺等发明了一种成为波型锚杆的能量吸收锚杆，但其不能抵御较大的外力[7]；1990年， Jager研发出一种真正意义上可以称作能量吸收锚杆的Conebolt锚杆，其相对波形锚杆性能大大提升，但是并没有达到预期的设计效果[8]。但以上这些能量吸收锚杆都有着诸多缺陷，并没有从根本上解决锚索的围岩支护问题。2006年何满潮等[9-11]在分析国内外经典案例的前提下，开发出了一种真正意义上具有新型NPR材料结构效应的新型恒阻大变形锚索。之后陶志刚等[12]对NPR锚索进行了静力拉伸及动力冲击试验，并通过 FLAC3D有限差分软件建立了 NPR 锚索的本构模型并进行数值模拟试验，与其特性试验结果接近。李英杰等[13]利用FLAC3D有限差分软件对深埋大跨度隧道损伤破坏机理进行数值模拟研究，揭示了深埋隧道开挖后受力分区；Li等[14]、朱淳[15]、宋崔蓉等[16]均通过FLAC3D软件验证了多种超大断面隧道围岩变形支护的方法。之后陶志刚等[17]针对木寨岭公路隧道地应力高、隧道埋深大等特点，通过数值模拟结合现场试验提出了小断面大埋深隧道的提出 NPR 锚网索支护设计方案。进一步拓展了FLAC3D有限差分软件在隧道等地下工程中的应用范围。另对近年来国内外大断面隧道施工支护措施进行调研，日本Enasan-Ⅱ高速公路隧道采用预应力锚索束、喷射混凝土、格栅钢架协同的支护措施，支护效果良好；刘德安等[18]在巴东富水泥岩隧道大隧道通过离散元分析方法提出超前帷幕注浆+超前管棚”的超前注浆加固方案，经现场试验加固效果较好。

虽然国内外学者对软弱围岩大断面隧道围岩变形控制措施进行了很多研究，但仍然存在诸多不足：在进行数值模拟研究时并未划分详细地层，所建立隧道模型粗糙，模拟结果往往达不到现场施工的预计要求，很难达到预期效果；国内外现有的该支护控制领域研究较少，支护措施并不能调动深部的围岩来分散压力，后期维护成本较大。目前，NPR 锚索仅在小跨度矿山巷道以及深埋隧道围岩大变形控制方面有研究，软弱围岩超大断面隧道围岩大变形控制领域的研究尚属空白。现基于侨城东路北延通道工程，采用建模软件Rhino6与有限差分软件相结合的方法，建立极为细致的隧道模型；并通过理论分析、数值模拟结合室内物理相似比模型试验结果，首次研究 NPR 锚网索支护体系应用于超大断面隧道围岩变形控制的可能性。为深圳立体交通项目整体施工以及初期支护提供理论支撑，并为类似条件隧道围岩变形控制奠定理论基础。

1 侨城东路北延通道工程概况

侨城东路北延通道工程隧道最大开挖跨度达32 m，为世界之最(现公路隧道最大跨度的世界纪录为30.01 m)，相关设计标准超出现行规范范畴。且在不足1 km2的山体内设置有6条主线隧道、8条匝道隧道，形成上下穿越空间关系错综复杂的隧道群，国内无如此规模的类似工程案例。隧道大多位于部九窝渣土场下方，隧道拱部为强风化、全风化花岗岩甚至素填土，且地下水位高，围岩级别差，隧道设计、施工风险高，如图1所示。

图1 侨城东路-宝鹏通道立交处隧道工程概况Fig.1 An overview of the tunnel works at the East Qiaocheng Road-Baopeng passage interchange

2 侨城东路北延通道工程围岩大变形机理

2.1 隧道围岩物理力学特性

围岩的力学特性是影响隧道变形的根本因素。因此对原位钻探所取岩石样品(图2)进行了试验研究，试验结果如表1所示。

通过对现场进行地应力测量，可知隧道周围最大水平主应力为1.35 MPa，垂直应力为2.98 MPa。通过对比分析岩体单轴抗压强强度与隧道应力大小可以发现：隧道上部岩层素填土、块状强风化、全风化中粒花岗岩、中风化中粒花岗岩、微风化中粒花岗岩单轴抗压强度与隧道垂直的应力的比值分别为0.007、0.45、0.16、4.63、10.20；与隧道水平的应力的比值分别为0.003、1.01、0.35、10.23、22.52。可见隧道压力超过了隧道上部岩层素填土、块状强风化、全风化中粒花岗岩的抗压极限：因此在隧道开挖后，隧道顶部围岩会很快发生大变形，且中风化与微风化中粒花岗岩的抗压强度与隧道最大应力比值均大于1，则隧道位移应该表现为拱顶沉降量最大，拱底的收缩量最小。隧道周围岩体抗压强度高，拱底隆起小，隧道顶周围的应力难以向下释放，会集中在隧道的两侧，并对隧道的两侧进行挤压，导致隧道两侧水平位移变大。同时隧道左侧岩层厚度较薄，会导致隧道围岩左侧位移大小大于右侧。

表1 隧道围岩力学性质试验结果Table 1 Physical parameters of tunnel surrounding rock mass

2.2 隧道沿线水文地质条件

勘察钻孔分别对九窝渣土填埋场素填土、基岩裂隙水地下水影响等典型地段进行试验。试验结果如表2所示。

表2 水文地质条件测试结果Table 2 Test results of hydrogeological conditions

按《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)附录K规定，可知侨城东路隧道沿线地下水位土质对砼结构具弱-中等腐蚀性(介质为pH)；对钢筋砼结构中的钢筋具微腐蚀性；对钢结构按pH判定具有微-弱腐蚀性。因此选择耐腐蚀的支护措施尤为重要。

2.3 隧道围岩大变形机理

基于上述测试与研究成果，分析得出侨城东路北延通道工程超大断面隧道软弱围岩大变形的主要原因如下。

(1)隧道地应力高，素填土、块状强风化与全风化中立强度较低。因此在隧道开挖后极易发生破坏，并向下发生沉降，隧道拱顶变形量最大，拱底的变形量相对较小；隧道两侧受到挤压，也会发生一定程度的大变形。

(2)在拟建隧道场地附近主要发育有多条断裂，多与隧道呈大角度相交，受地质历史上多次区域构造运动的影响，场地基岩构造裂隙普遍较发育，锚索排距过密可能会导致岩体破碎，且围岩裂隙除成为地下水的蓄水空间及渗水通道外，对洞身围岩的稳定会产生一定的不利影响。

3 软弱围岩超大断面隧道NRR锚网索支护体系研究

3.1 隧道围岩控制方法

结合以上研究成果，可以确定引起侨城东路北延通道工隧道围岩大变形的主要因素包括岩性、构造裂隙、高应力、腐蚀性地下水。解决岩性差、裂隙多的问题主要是注浆，可以将围岩黏接起来，提高围岩的稳定性，主要研究锚索特性，故注浆手段不多加探讨。高应力问题的主要解决方式是改善隧道围岩应力条件，通过NPR锚索室内试验可以发现其高恒阻、强吸能的特性，可以完美地解决隧道高应力的问题。隧道沿线地下水的腐蚀性问题，需要耐久度高的支护措施。NPR锚索具备一定的耐腐蚀性，可以保障隧道支护断面的长久性与稳定性。

3.2 NPR锚索工作机理及本构模型构建

3.2.1 高恒阻能量吸收锚索概述

中国矿业大学(北京)的何满潮院士经过反复的试验研究，提出了大变形控制的理念——NPR锚索可以吸收岩体变形时释放的变形能，减缓岩体的变形情况[19]。

3.2.2 高恒阻能量吸收锚索特性试验

1)室内静力拉伸试验

室内静力拉伸试验主要采用HWL-2 000 NPR拉力试验系统对4槽以及6槽长度为90 mm的上底直径66 mm、下底直径72 mm恒阻体NPR吸收锚索进行静力拉伸试验，试验设备见图3，静力拉伸试验不含填充物。试验结果见图4。

由图4静力拉伸试验曲线可以看出，4槽以及6槽的恒阻体阻力都呈不断增大的趋势，然后进入短暂的恒阻阶段，随后阻力继续增大，锚索被拉断。NPR锚索轴力在破坏前始终在一个范围内波动，表现出了很明显的恒阻现象，但6开槽φ上66×φ下72恒阻体虽然出现了恒阻现象，但是恒阻值偏小，没有超过300 kN，而采用4开槽φ上66×φ下72恒阻体结构特征能够满足恒阻要求，恒阻值为340～360 kN，满足了设计的恒阻值要求，可以投入工程使用。

图3 HWL-2000 NPR锚索拉力试验系统[12]Fig.3 HWL-2000 anchor cable tension test system with constant resistance and large deformation[12]

图4 综合静力拉伸试验曲线Fig.4 Comprehensive static tensile test curve

2)室内动力冲击试验

室内动力冲击试验主要采用中国矿业大学(北京)HZ-200000J恒阻大变形锚索落锤冲击试验系统对高恒阻能量吸收锚索进行动力冲击试验，试验设备见图5。实验采用恒阻套管规格为φ133 mm×2 000 mm，恒阻体规格为φ93 mm～φ95 mm、锚索长度为2 500 mm的高恒阻能量吸收锚索进行试验，试验结果如图6所示。

图5 HZ-200000J型恒阻大变形锚索落锤冲击试验系统Fig.5 HZ-200000J type constant resistance and large deformation anchor cable drop weight impact test system

图6 NPR 锚索动力冲击试验结果Fig.6 Dynamic impact test results of NPR anchor cable

由图6可以看出，NPR锚索表现出了很明显的冲击恒阻特性。试验过程中NPR锚索变形量最大为1 821.4 mm，延伸率高达58.3%，产生均匀变形。

3.2.3 NPR锚索本构模型构建

由静力拉伸和动力冲击试验可以看出，NPR锚索不仅能够具有很明显的冲击恒阻特性，还能提供持久有效的高恒阻力。若采用FLAC3D对恒组大变形锚索的支护效果进行模拟，需用其内嵌的Fish语言重新定义锚索单元的参数(几何、材料参数和锚固剂特性)，恒组大变形锚索属于弹塑性体，需要用一维本构模型描述其特性：利用Fish语言判断其自由端与锚固端的距离长短，并监测恒组大变形锚索受力情况，当变形值达到初始预定值时，释放锚索单元，此刻锚索轴力变为 0 kN，判定恒组大变形锚索破坏，无法在对围岩的变形情况进行限制。

3.3 数值模拟分析

首先根据以上研究资料截取东路隧道标准段K3+355～K3+375段，通过Rhino6建立模型。为保证数值模拟结果精确，建立146 m×140 m×20 m的隧道模型，开挖跨度达20.97 m，高10 m，隧道横向方向左右各留63 m(3倍洞泾，为消除边界因素造成的影响)，底部留42 m(2倍洞泾，为消除边界因素造成的影响)，模型拱顶至地表，隧道纵向长度取20 m。

隧道模型计算研究分析采用Mohr-Coulomb(摩尔-库伦)准则，null(删除-挖空)模型模拟隧道开挖工法， cable(锚索)单元和shell(衬砌) 单元共同模拟围岩支护控制。

在隧道底和4个侧方向上施展约束力，顶部施加自重力，形成模型初始应力场。其中模型初始位移场作为土体固结产生的原始位移，在隧道开挖施工时已经经过多年变形完成，因此在隧道开挖工法模拟开始时将位移化为零。模型见图7。

根据国内以往大断面大跨度隧道支护方案经验，共建立 4 组支护方案(按照锚索的种类和锚索间排距设置)，见表3。本次其余支护参数参照《侨城东路隧道地质勘察报告》《混凝土结构设计规范》等资料，见表4。

①为素填土；②为块状强风化中粒花岗岩；③为全风化中粒花岗岩；④为中风化中粒花岗岩；⑤为中风化中粒花岗岩；⑥为侨城东路东线隧道图7 隧道模型构建Fig.7 Tunnel model construction

表3 隧道围岩各变更初期支护方案及数值计算模型Table 3 The initial support scheme and numerical calculation model of tunnel surrounding rock for each change

表4 材料参数Table 4 Material parameters

3.3.1 位移场变化特征

由隧道围岩位移场云图可以看出，在4种支护条件下，隧道围岩均形成了塌落拱。且在水平方向上隧道围岩左侧变形均大于右侧。在无锚索状态下，隧道顶变形达到了0.48 m，水平方向达到了0.35 m，均发生了大变形，无法满足隧道施工时安全的需求，之后采取普通锚索支护，变形情况得到收敛。加之以NPR锚索支护后，围岩变形情况得到了进一步的控制，说明NPR锚索支护下，围岩整体状况良好，且方案A相较方案B更为妥当。

图8 隧道围岩水平位移场云图Fig.8 Cloud image of horizontal displacement field of tunnel surrounding rock

图9 隧道围岩垂直位移场云图Fig.9 Cloud image of vertical displacement field of tunnel surrounding rock

3.3.2 应力场变化特征以及初支单元位移分析

因侨城东路隧道标准段属于浅埋隧道工程，最大主应力云图表现为上下较小，两侧较大。由图10、图11可以看出，NPR锚索支护下，围岩的应力集中区有了明显的减小，可见NPR锚索在支护时可以调动深层的围岩，来分散承受的压力，围岩整体情况较好，其承载能力更强。图14显示在隧道顶部衬砌变形量最大，其次是拱肩及拱腰位置。而从整体来看，在NPR 锚索支护状态下下的云图颜色比较少而相对比较集中，隧道围岩在支护后整体性较好。同时全NPR锚索支护方案A是要优于方案B的。

图10 隧道围岩水平应力场云图Fig.10 Cloud image of horizontal stress field of tunnel surrounding rock

图11 隧道围岩垂直应力场云图Fig.11 Cloud image of vertical stress field of tunnel surrounding rock

4 室内相似比物理模型试验

4.1 相似理论及相似材料

在数值模拟方法尚未完全成熟可靠的现阶段，室内相似比物理模型试验是了解岩土工程相关力学特征的重要手段，也可以对数值模拟的结果进行对比验证。室内相似比物理模型试验是可以将工程问题简化的试验方法，首先，按一定相似比例缩小隧道模型；其次，采用几何相似理论以及应力相似条件获得模型受力后的变形及应力分布特征；最后，对比数值模拟结果，再反馈到隧道实际工程中。

室内相似比物理模型试验加载设备尺寸为：长、宽、高分别为1.6、1.6和0.4 m。采用竖向压力和侧向压力。竖向压力模拟隧道的竖向应力，水平荷载模拟隧道的最大水平主应力。通过对地勘资料分析，垂直地应力为2.98 MPa，最大水平应力1.35 MPa。为节约试验成本根据第2节侨城东路北延通道工程围岩大变形机理可知，隧道所处中粒花岗岩单轴平均抗压强度约为15.25 MPa，强度相似比选取为10，因此相似材料单轴强度应该在1.5 MPa左右。模型试验中几何相似常数选取为50，隧道的宽度400 mm。长度10 m的锚索，缩小50倍后总长度为200 mm。长度5 m的锚索，总长度应为100 mm。通过对不同配比下的相似材料试验分析，最终选取重晶石粉、石英砂、石膏粉、滑石粉和水作为相似材料。每1 kg相似材料中选取重晶石粉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 试验结果分析

相似比物理模型试验选用的是中国矿业大学(北京)深部国家重点试验室物理模型试验系统，如图12所示。

图12 相似模拟试验设备Fig.12 Similar simulated experimental equipment

为了研究侨城东路隧道围岩大变形变形破坏结构效应以及NPR锚索控制效果，同时对比无锚索(左)与NPR锚索(右)支护条件下隧道变形情况。锚索则采用3D打印技术进行等比例缩小，缩小比例为1∶50，参数如表5所示，模型实物及各部位组成如图13、图14所示。

表5 缩小比例为1∶50时参数Table 5 Parameters at 1∶50 reduction ratio

图13 NPR锚索模型Fig.13 NPR anchor cable model

图14 相似比隧道模型锚索布置Fig.14 Similar ratio tunnel model anchor cable arrangement

由图15模拟围岩变形特征试验结果可以看出，10 h后左侧无锚索支护隧道拱顶的岩石出现大量滑移，变形远大于其他部位。而右侧隧道在NPR锚索的控制下，随着时间的延长也发生了变形现象，但整体变形量较小，隧道并未发生明显破坏。从左右两隧道变形特征以及与数值模拟结果进行对比可以看出，NPR锚索对隧道围岩控制效果十分明显，能有效解决围岩的大变形问题。

图15 模拟围岩变形特征Fig.15 Simulation of surrounding rock deformation characteristics

5 结论

(1)通过 NPR 锚索室内静力拉伸以及动力冲击条件下的试验结果证明：NPR 锚索表现出了显著的高恒阻、强吸能、抗冲击以及材料耐久度高等特性，能够适应超大断面隧道存在的围岩条件差等问题。同时利用内嵌的Fish语言在FLAC3D中构建NPR锚索单元也与实际力学特性相似。

(2)通过隧道支护控制数值模拟发现：隧道围岩位移均表现为拱顶下沉、拱底隆起、两侧向隧道内挤入。隧道顶部﹑底部和两侧是应力集中的主要部位，水平方向上左侧变形情况大于右侧，与理论分析结果相同。并分别对比了普通锚索支护下以及NPR锚索支护0.8 m排距下对下方相邻隧道的影响，证明排距0.8 m，环距1 m的NPR锚网索支护体系不仅可以保障本身隧道施工时的安全性，还可以降低施工对于相邻并行隧道的影响。

(3)通过数值模拟与室内相似比物理模拟试验相对比，证明了数值模拟的科学性和真实性。室内相似比物理模型试验证明：无锚索支护下的隧道围岩破坏明显，在恒阻锚索的控制下，隧道围岩并未发生显著破坏。围岩变形拱顶处明显大于其他区域，与数值模拟结果相同，说明NPR锚索能够有效控制隧道围岩初期支护大变形问题。为类似条件隧道大变形的灾害控制措施选择提供了重要思路。