深埋高应力隧道软岩大变形开挖补偿控制研究
2025-02-27陶志刚许闯李勇王祥王欢
摘 要：随着中国西部地区隧道工程建设的蓬勃发展，深埋、高应力、高海拔隧道的软岩大变形灾害愈发严重，已经成为隧道灾害控制领域的研究重点和难点。位于横断山脉的大亮山公路隧道因其埋深大、断层多、突涌水、围岩强度低、地应力高等特点，隧道围岩大变形现象十分严重。为了探索这种类型隧道围岩大变形控制策略，提出了一种基于NPR材料的深埋隧道软岩大变形开挖补偿控制对策，为了验证其可行性和科学性，通过现场观测、室内物理模型试验与数值模拟进行深入研究。结果表明：NPR锚索可承受的最大动力冲击荷载为284.811 kN，抗冲击性能最高约为Q235锚杆的2倍，非线性吸能效果显著；NPR锚索开挖补偿控制体系能够有效调节围岩应力分布特征，及时为受开挖扰动的围岩提供补偿支护力，约束围岩塑性区扩展并吸收围岩释放的变形能；在正常与超载条件下，分别将软岩隧道围岩变形量控制在3 mm与5.8 mm以内，且无明显应力集中区域；NPR锚索开挖补偿支护体系可有效约束隧道围岩位移，最大水平位移量控制在3.35 mm以内，最大竖向位移量控制在15.21 mm以内。NPR锚索补偿开挖支护体系能够有效控制深埋高应力隧道软岩大变形灾害。
关键词：NPR锚索；软岩隧道；大变形灾害；物理模型试验
中图分类号：U 455""" 文献标志码：A
文章编号：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 Yong2，3，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
随着中国城市化进程的加速及交通基础设施建设的不断发展[1-5]，软岩隧道工程灾害日益增加，其防灾控制已经成为岩石力学领域的研究热点。然而，由于中国软岩地域性质差异的复杂性和广泛性，软岩隧道灾变为工程安全带来了极大挑战。软岩隧道，特别是深埋软岩隧道在施工过程中极易发生各种变形破坏，如果支护体系不能及时控制围岩变形向深部演化，将给隧道带来极大安全隐患。
从上世纪中期开始，学术界与工程界一直致力于寻找有效支护方法控制软岩隧道的大变形破坏，已经形成了多种软岩隧道大变形控制技术[6-7]。随着隧道开挖深度、跨度、应力场等难度的增加，又建立了许多创新性的支护体系，研发了高强吸能的支护材料。例如，郭新新等提出一种可自进式锚杆，可提升支护结构的稳定性[8]；汪波等通过拉拔试验，研发了一种新型锚固系统，可实现预应力的快速响应，有效减小软岩隧道围岩大变形[9]；陶志刚等建立了一种NPR锚索支护体系，通过对多种围岩大变形控制案例分析，该支护体系对围岩大变形有较高适用性[10]；赵金鹏等通过云屯堡隧道现场试验研究，发现超前预支护可有效约束围岩变形，且初期双层支护等措施可有效解决初支失效的问题[11]；潘英东等通过一系列试验研究，总结了3类主要软岩隧道破坏模式，长锚杆与短锚杆组合支护可有效控制软岩变形[12]；LI等认为原位围岩破坏主要由剪切破坏造成，通过多层支护体系可有效抵抗剪切破坏，控制围岩变形[13]；崔光耀等
对中义隧道围岩挤压变形控制进行研究，提出阻力联合释放与强支护2种控制围岩变形方案[14-15]；阳军生等通过现场研究，验证了预加固地层支护可控制隧道围岩变形[16]；曹小平等通过现场试验，提出了一种采用单层初支与双层二次衬砌相结合的隧道围岩变形控制方法[17]；孙晓明等
通过室内物理模型试验，对倾斜岩层隧道非对称变形破坏进行研究，证明利用CRLD锚索进行非对称支护，
可有效控制隧道非对称变形问题[18]；张博等通过对昌宁隧道大变形的物理模拟研究，得出深埋隧道采用NPR锚索支护体系可有效避免初支变形与二衬破坏的问题[19]。
研究与实践表明，理论分析、现场试验与物理模型室内试验已经成为软岩隧道大变形控制的主要手段。近年来，随着数值模拟技术的发展，数值模拟分析已经广泛应用于隧道支护研究。邓鹏海等采用FDEM方法揭示了软岩隧道变形破坏机理[20]；郭庆昊通过3DEC研究了软硬互层隧道在高地应力作用下的围岩变形破坏机理，得出该类隧道更适用于预留核心土法进行施工[21]；张金等通过离散元模拟断层隧道大变形的不同支护措施效果，证明超前注浆小导管支护方法可有效控制岩体变形[22]；陶志刚等利用数值模拟对兰海高速公路木寨岭隧道不同支护方案进行优化[23]；李干等对深埋大断面隧道锚索间排距、长度以及预应力等进行模拟分析，揭示10 m长锚索可有效调动深部围岩强度[24]。
国内外学者对隧道大变形控制中，如何调动深部围岩压力、及时补偿开挖径向应力损失、遏制因补偿不及时造成的切向应力集中等研究较少。文中以云南横断山地区大亮山隧道软岩大变形控制工程为背景，建立软岩隧道主动支护体系，通过室内力学试验、物理模型试验和数值模拟相结合的综合分析方法，对大亮山软岩隧道大变形段进行深入研究，揭示隧道开挖过程中温度场、位移场及应力场的演变规律，探索NPR锚索对大亮山软岩隧道围岩大变形支护控制效果，为类似软岩大变形隧道工程控制提供借鉴。
1 软岩隧道区域工程地质条件
1.1 隧道基本特征
大亮山隧道是云南省云县至临沧高速的组成部分，隧道整体结构为双洞分离式隧道，建设标准为双向四车道，设计时速80 km/h。隧道左线长10 235 m，右线长10 210 m，两线相距约28～40 m，最大埋深约1 200 m。
隧道所处区域历史构造发育，存在多处断层，表现为：隧道起始端前发育有逆断层，为南汀河活动性断裂，该断层穿越隧道右线洞口右侧垭口；隧道出口处发育有正断层，为勐撒-曼岗山活动性断裂，与隧道出口端相距约100 m。
由于断层带的影响，隧道进出口段岩体较为破碎且节理裂隙发育[19]。隧道围岩主要分为3类，分别为中-强风化片岩、花岗岩与砾岩（图1）。
1.2 隧道围岩变形模式及演化规律
大亮山隧道在原被动钢拱架支护条件下，软岩大变形破坏现象十分严重[25]，现场宏观破坏特征如图2所示。
1.2.1 宏观破坏特征
初支变形破坏主要有两侧墙岩体明显内挤、拱顶严重下沉，围岩变形量平均约60 cm。现场宏观观测显示，隧道初支喷射的混凝土出现裂缝且拱顶、拱腰出现混凝土层脱落现象，脱落宽度最大50 cm。钢筋亦出现显著弯曲变形，初支钢拱架明显弯折、扭转、错断。随着时间推移，围岩裂缝开始向环向、纵向及斜向扩展延伸，裂缝处钢筋混凝土保护层脱落，内部钢筋出现明显弯曲变形，甚至弯折现象。
1.2.2 变形量观测分析
在现场对典型开挖断面进行变形量监测，监测曲线如图3所示。初始阶段，隧道拱顶及拱腰累计变形量逐渐增加，第一天拱腰及拱顶变形量均超过50 mm；伴随着隧道开挖，围岩总变形量呈增加趋势，表现出隧道拱腰变形大于拱顶变形的规律；仰拱施工结束后，被动支护环向闭合，隧道围岩变形量增速显著下降；自第20天开始，围岩变形量基本趋于稳定，没有明显增加，最终拱腰累计收敛量为785 mm，拱顶累计沉降量为702 mm。
2 高应力补偿锚索动力学特性试验
2.1 开挖补偿原理
随着隧道埋深的增加，软岩隧道出现了各种各样的变形破坏。为了探索能够更加适应于深部环境下软岩隧道的支护策略，何满潮院士团队研发出具有高强、高韧、抗剪等力学特性的NPR锚索[26]，并且提出了基于新材料的隧道开挖补偿法（CEM）[27-28]。现场试验证明该方法针对深部软岩隧道的大变形控制具有显著效果。该理论的核心思想是在隧道工程中，所有破坏都源于开挖效应，在深埋隧道中这种影响更加明显。在未进行开挖时，围岩处于应力低于Mohr-Coulomb强度包络线的稳定状态（图4）。隧道开挖后，围岩最小主应力σ3瞬间降为零，随着时间发展，最大主应力σ1会出现应力集中并增大至2倍，超过围岩强度包络线，导致隧道围岩最终发生破坏。普氏法依赖于压力拱自平衡来实现支护，属于一种无应力补偿的支护方法；新奥法是一种中低应力补偿支护方法，虽充分发挥隧道围岩自承能力，开挖后对围岩进行了主动支护、定期监测隧道变形、不断更新支护方案，但对于深埋隧道，因支护不及时而导致应力集中，塑性圈扩展，最终发生大变形破坏。
因此，对深埋隧道的及时支护是软岩隧道大变形控制的核心，支护材料是否能够第一时间承受围岩大变形成为关键。为此，将NPR锚索新材料引入到大亮山隧道软岩大变形的控制中，因NPR锚索材料的静力学特性已经开展了大量的研究，但是其抗冲击动力学特性研究尚少，是否能适应于深埋隧道开挖扰动动力学需求，尚不明确。
2.2 NPR材料动力冲击特性试验
为了探索NPR锚索的抗冲击动力学特性，采用自主研发的动力冲击试验系统（图5），对相同尺寸的传统锚杆制作材料Q235钢和新型吸能锚杆材料NPR钢进行落锤冲击试验，目的是揭示2种材料在相同中等应变率条件下的动力学特性（图6）。
2.2.1 20 mm冲击高度力学特性
将锤体以20 mm高度向下冲击时，其冲击力变化如图6（a）所示。Q235锚杆所承受的最大冲击力为79.7 kN，冲击力第2波峰峰值为75.1 kN，冲击力第3个波峰峰值为65.4 kN，整个冲击时长为2.41 s；NPR锚杆所承受最大冲击力为66.9 kN，冲击力第2波峰峰值为59.8 kN，冲击力第3个波峰峰值为52.9 kN，整个冲击时长为2.19 s。在20 mm的冲击高度下，Q235锚杆所提供的冲击阻力及冲击时长都要大于NPR锚杆，但较10 mm冲击高度下两者的差量明显减小，NPR锚杆依然可在较短时间内消散掉锤体冲击所带来的能量。
2.2.2 400 mm冲击高度力学特性
将锤体以400 mm高度向下冲击时，其冲击力变化如图6（b）所示。Q235锚杆所承受的最大冲击力为174.543 kN，冲击力第2波峰峰值为108.366 kN，冲击力第3波峰峰值为93.76 kN，整个冲击时长为2.7 s；NPR锚杆所承受最大冲击力为236.328 kN，冲击力第2波峰峰值为205.322 kN，冲击力第3个波峰峰值为185.289 kN，整个冲击时长为5.5 s。在400 mm的冲击高度下，Q235锚杆所提供的冲击阻力远小于NPR锚杆，Q235锚杆冲击时长，冲击峰值时间间隔远小于NPR锚杆。
2.2.3 800 mm冲击高度力学特性
将锤体以800 mm高度向下冲击时，其冲击力变化如图6（c）所示。Q235锚杆所承受的最大冲击力为227.718 kN，冲击力第2波峰峰值为133.681 kN，第3个波峰峰值为118.347 kN，整个冲击时长为3 s；NPR锚杆所承受最大冲击力为276.906 kN，冲击力第2波峰峰值为205.078 kN，冲击力第3个波峰峰值为184.895 kN，整个冲击时长为5.5 s。在800 mm的冲击高度下，Q235锚杆所提供的冲击阻力远小于NPR锚杆，Q235锚杆冲击时长，冲击峰值时间间隔远小于NPR锚杆。
2.2.4 1 000 mm冲击高度力学特性
将锤体以1 000 mm高度向下冲击时，其冲击力变化如图6（d）所示。Q235锚杆所承受的最大冲击力为239.255 kN，冲击力第2波峰峰值为140.706 kN，冲击力第3个波峰峰值为121.488 kN，整个冲击时长为3.5 s；NPR锚杆所承受最大冲击力为284.811 kN，冲击力第2波峰峰值为210.345 kN，冲击力第3个波峰峰值为188.737 kN，整个冲击时长为5.2 s。在1 000 mm的冲击高度下，Q235锚杆所提供的冲击阻力远小于NPR锚杆材料，Q235锚杆材料冲击时长，冲击峰值时间间隔远小于NPR锚杆。
试验证明，NPR材料的力学性能要远远优于普通Q235材料，具有超强吸能特性与抗冲击能力，对实际工程具有重要理论和实践意义。
3 软岩隧道开挖补偿控制物理模拟
3.1 软岩隧道开挖补偿设计
目前，大亮山隧道软岩段在被动钢拱架支护体系下大变形现象严重，故文中利用NPR锚索主动支护体系对其进行支护设计，探究基于NPR锚索的开挖补偿支护体系对软岩隧道大变形的控制效果。设计支护方案以长、短NPR锚索相结合方式对隧道围岩进行支护（图7），其中长锚索长12.3 m，短锚索长6.3 m，长锚索与短锚索设计间排距分别为2 m×1.2 m与1 m×1.2 m。
3.2 模型试验设计
为了验证上述开挖补偿方案是否适应大亮山隧道实际地质特征和围岩变形控制需求，拟开展相似物理模型试验。
3.2.1 试验系统
物理模型试验系统几何尺寸为160 cm×40 cm×160 cm（长×宽×高）。该试验系统可实现调控各点位加压大小，如图8（a）所示。在试验仪器上固定预制模板，将相似材料搅拌好倒入预支模板中，根据相似理论，模型相似比例为1∶50，结合工程现场实际岩性，选取河砂、石膏、水泥灰、水为相似材料，搅拌配成现场强度，配置好的材料如图8（b）所示。模型现浇成型后涂抹散斑点，为测量位移场做准备，试验准备步骤如图8所示。
3.2.2 试验模型组成材料
相似比物理模型试验材料包含NPR锚索、W钢带、防护网、拱架。为了保证这些核心材料的几何尺寸和强度参数能够满足相似比，拱架、NPR锚索、套筒、垫片等装置全部由3D打印技术制成。柔性网采用铁丝网，W钢带采用不锈钢条，如图9（a）所示。根据具体开挖补偿方案，在隧道模型周围共布置20个应力监测点，旨在监测隧道开挖过程中隧道围岩应力场的演变规律，监测点如图9（b）所示。另外，在隧道模型中拟布置5个锚索轴力监测点，旨在监测NPR锚索轴力演变规律，轴力监测传感器如图9（c）所示。
分别采用散斑监测仪与红外摄像机对隧道模型的位移场与温度场进行连续监测，如图9（d）所示。
软岩隧道大变形控制物理模型试验采用3台阶法开挖隧道，加载方式设计如图10所示。在初始阶段，根据相似理论换算，施加应力模拟隧道原岩应力状态，随后，再进行隧道开挖。在隧道开挖结束后，对模型进行超载试验，旨在分析不同深度应力水平下隧道周围岩体由小变形到大变形，由稳态到破坏的全过程变形特征。
3.3 物理模型试验结果
3.3.1 围岩位移场的散斑分析
隧道开挖过程位移场演变规律如图11所示。在初始开挖阶段，开挖面掘进距离较浅，对围岩整体稳定性影响较小。从图11（a）可以看出，隧道周围岩体基本没有位移产生，变形量均在0.05 mm以内。随着开挖逐渐深入，隧道周围岩体逐渐出现变形，由于上台阶开挖对岩体稳定的破坏，隧道拱顶周围先开始出现位移，变形量超过2 mm（图11（b））。在隧道上部可以看到出现较为明显的局部位移，右侧拱肩处位移量较大，超过2.3 mm。
当开挖进行到第5步（图11（c）），隧道上部位移场扩大，但位移量与前一阶段相比变化较小，整体变形量有效控制在3 mm。右侧拱肩处变形量也没有明显增加，隧道周围由于NPR锚索的限制，位移量没有出现明显增加，说明NPR锚索可及时提供补偿支护，约束开挖面周围岩体变形。在隧道超载阶段，可观察到隧道周围岩体受到作用力影响比较显著，隧道周围岩体变形量增加，出现明显位移，最大变形量约5.8 mm。但是，隧道围岩NPR锚索覆盖范围内，围岩变形相比较小且位移较为均匀，没有出现应力集中现象，隧道围岩结构仍可保持稳定，无明显破坏。综上说明，NPR锚索支护在超载状态下仍可以继续维持补偿效应，没有发生破坏。
3.3.2 围岩温度场的红外分析
如图12所示，隧道开挖过程中，开挖断面四周围岩受到应力作用发生变形，变形过程中伴随能量的释放导致开挖区周围岩体温度升高。在初始开挖阶段（图12（a）），围岩整体受到开挖扰动影响较小，区域温度变化不明显，拱顶围岩区域温度略微升高，这是由于开挖面两侧围岩向中间挤压，使得拱顶围岩发生变形造成的。随着开挖进行（图12（b）、12（c）），相较于初始阶段，开挖断面周围岩体温度均出现升高，隧道上部围岩温度与初始阶段相比升高明显，说明隧道上部岩体变形量较大。通过图12（c）与图12（b）对比可观察到，隧道顶部区域温度场变化较小，证明NPR锚索可有效限制围岩变形扩展，且隧道顶部NPR锚索覆盖区域围岩温度略有降低，说明围岩应力得到较好释放，隧道围岩没有发生破坏，围岩释放的应力得到有效吸收，表现出NPR锚索良好的吸能特性。
隧道超载阶段（图12（d）），在对隧道进行超载过程中，可以观察到隧道顶部区域温度有明显升高，说明顶部岩体变形量增加，但其余区域温度相比图12（c）变化较小，隧道四周岩体仍维持稳定，没有发生破坏。证明NPR锚索在超载情况下仍可以较好实现支护作用，约束覆盖范围内岩体变形，较好的自适应调节了围岩内部的应力状态。
3.3.3 围岩应力场分析
隧道开挖过程中围岩应力变化特征如图13所示。试验分别在开挖断面的拱腰、拱肩及拱顶，由浅至深布置4层监测点位进行应力监测。前3个挖掘步骤应力场变化较为微弱，因为开挖面还未到达监测断面。第3步开挖之后，挖掘到监测断面位置，各监测点的应力逐渐增加。在第5步开挖之后，各层监测点的应力均显著增加。
在隧道超载阶段，各点围岩应力均呈现明显的上升趋势，但整体分布相对均匀，没有出现突出的应力集中现象。对监测的4层围岩应力进行对比分析，距离开挖面最近的第1层各测点应力最高（图13（a）），第2，3两层测点的应力相差不大（图13（b）和13（c）），但大于第4层测点的应力（图13（d））。这说明NPR锚索支护增加了锚固范围内围岩应力，较好地实现了对围岩的应力补偿。NPR锚索支护系统能够有效地改善锚索覆盖区域内围岩的受力特性，使得应力更为均匀分布，有效减轻地下结构面临的局部应力集中问题。
3.3.4 NPR锚索的轴力分析
图14为NPR锚索轴力监测曲线，分别在拱腰、拱肩及拱顶布置5个轴力监测点。锚索轴力监测曲线显示在进行开挖后，各测点轴力均出现明显突增现象，随着掌子面开挖，各测点轴力逐步稳定在40～46 N。这一现象表明，受开挖影响，隧道周围岩体由于损失应力而出现变形，NPR锚索支护系统快速为受开挖影响的围岩提供支护力，补偿由于开挖导致岩体损失的应力。
在隧道超载阶段，NPR锚索轴力出现一段明显的应力增加过程，但逐步趋于稳定，且各点位轴力整体分布均匀，没有出现较大波动，轴力值也均在设计恒阻值51 N左右稳定波动。在隧道开挖阶段，由于开挖面围岩应力损失使得周围岩体出现变形，NPR锚索轴力出现显著增加，之后锚索轴力逐步趋于稳定，说明围岩变形开始逐渐减少并停止增加。在试验超载阶段，NPR锚索轴力也只是短暂出现增加后便趋于稳定。这表现了NPR锚索抗冲击和超强吸能的特性，可以及时调节围岩内部应力状态，约束围岩变形量，防止大变形破坏，在超载情况下可以保障隧道主体结构稳定性。
4 隧道软岩开挖补偿控制的数值模拟
为了证明开挖补偿控制的可行性，采用数值模拟方法，建立长宽高分别为100 m×10 m×100 m的物理模型。锚索单元按照长、短NPR锚索设置，长、短锚索的间排距分别为2 m×1.2 m和1 m×1.2 m，长锚索长为12.3 m，短锚索长为6.3 m，锚索与隧道空间布设如图15所示。
在NPR锚索支护条件下，软岩隧道围岩的位移模拟云图如图16所示。
图16（a）（b）（c）为隧道竖向位移模拟云图。由图16（a）可知，在隧道上台阶开挖结束后，围岩竖向位移变化明显，围岩拱顶区域位移变化量较大，最大值约11.6 mm，拱腰两侧围岩位移最大变化量约9 mm。在中台阶开挖结束后，如图16（b）所示，相比于上台阶开挖，围岩竖向位移出现了明显的增加，拱顶区域位移变化量较大，最大变形量约15.18 mm，相比于上台阶开挖最大变形量增加了3.5 mm，拱腰两侧围岩竖向位移最大变形量比上台阶开挖时增加了3 mm，约12 mm。当隧道3台阶全部开挖结束后，如图16（c）所示，隧道围岩竖向位移基本没有出现明显增加，拱顶区域围岩
竖向位移最大值相比于中台阶开挖仅增加0.03 mm，约15.21 mm。拱腰两侧围岩变形量仍然稳定在12 mm。
图16（d）（e）（f）为隧道水平位移模拟云图。由图16（d）可知，在隧道上台阶开挖后，隧道两侧围岩水平位移变化较为明显，隧道左侧围岩最大变形量约为3.04 mm，右侧围岩最大变形量约为3.02 mm。在中台阶开挖结束后，如图16（e）所示，隧道两侧围岩没有继续发生过大变形，相较于上台阶开挖时，左侧围岩最大变形量增加0.3 mm，约3.34 mm，右侧围岩最大变形量增加0.33 mm，约3.35 mm，且变形主要位于开挖断面附近，随着距离开挖断面距离的增加，位移整体呈减小趋势。隧道3台阶开挖结束后，如图16（f）所示，相较于中台阶开挖时，围岩变形量最大增加约0.08 mm，整体变形量仍然稳定在3.35 mm。
在NPR锚索的补偿力学支护下，可以快速实现对围岩的开挖应力补偿，将隧道围岩变形区域控制在毗邻较小范围内，并及时吸收岩体释放的变形能量，使岩体不会发生较大变形。同时NPR锚索能够有效改善锚固范围内围岩应力特性，具有通过调动深层岩体来承受开挖面应力的补偿支护特点，这可以有效分散开挖面周围围岩应力，不会出现明显的应力集中现象。
5 结 论
1）NPR材料具有远超Q235钢的动力学性能，抗冲击性能约为Q235钢的2倍，非线性动力学吸能特性显著。
2）NPR锚索在正常支护条件下，可将隧道围岩变形量有效控制在3 mm以内，超载条件下可将隧道围岩变形量有效控制在5.8 mm以内，且隧道围岩无明显应力集中区域。
3）基于NPR锚索的开挖补偿支护体系可有效调节围岩应力分布特征，改善锚索覆盖区域内围岩的受力特性，及时为受开挖扰动影响的围岩提供补偿支护力，约束围岩塑性区向深部扩展产生大变形破坏。NPR锚索可吸收岩体释放的变形能，在超载状态下仍然保持稳定。
4）在NPR锚索支护体系下，隧道围岩位移可以得到有效约束。同时NPR锚索能有效改善锚固范围内围岩应力特性，提升围岩强度，利用深层岩体强度，消除应力集中现象。
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（责任编辑：刘洁）
