深埋隧道灾变防控方法*

何满潮 任树林 陶志刚

(中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083， 中国)(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083， 中国)

近些年，我国交通、水利、能源事业发展迅速，大型工程建设投入逐步由东部沿海向西部山区转移。铁路隧道、公路隧道、引水隧道等重大工程逐步向深部发展，如峨汉高速公路隧道最大埋深1944m、引汉济渭输水隧洞最大埋深2012m、锦屏水电站引水隧洞最大埋深约2525m(李利平等， 2021)。“深、长、险、大”已经成为当前隧道工程的主要特点，特别是在青藏高原地区，亚欧板块和印度洋板块相互作用，板块构造活动极其强烈，造成了工程岩体每年数十毫米移动速率的强活动性，使深埋隧道的建设运营面临众多严峻的工程技术难题(黄艺丹等， 2020；

伍纯昊等， 2021)。

深部岩体赋存环境复杂多样，具有高地应力、高地震烈度、高环境梯度以及强烈工程扰动、板块扰动和内外地质动力扰动等特征(何满潮等， 2005， 2014a；

刘泉声等， 2016；

谢和平， 2019)，使深部隧道工程极易发生软岩大变形、岩爆、活动性断裂等工程灾变。兰渝铁路木寨岭隧道全长19.1km，埋深710m，建设期间全段落50%发生了软岩大变形，最大变形量约3700mm，部分段落初期支护多次发生变形开裂、初支侵限严重，甚至在二衬完工3年后仍发生变形开裂错断现象(刘高等， 2005)。锦屏水电站引水隧洞88%洞段以Ⅱ-Ⅲ类围岩为主，岩石坚硬、致密，施工过程中发生岩爆700多次，造成了严重的经济损失(张文东等， 2014)。针对性开展深埋隧道相关工程和科学问题的研究与治理一直以来是岩土工程的核心课题。李利平等(2021)系统研究了深部工程强突涌水、岩爆、软岩大变形、巨石垮塌等灾害的灾变机理、监测预警方法和防控关键技术。何振宁(2016)以30多座典型隧道工程为例，归纳总结了高压富水岩溶、黄土崩塌等15类疑难工程问题，分析了各类灾害成因和工程地质特征，并给出了相关建议。丁秀丽等(2019)通过整理国内外典型穿越活动性断层隧洞案例，探讨了目前断层防控常用措施的适用性和存在问题。郭志强(2003)、陈绪文等(2018)、唐杰灵等(2019)针对岩爆问题提出了应力释放、加密锚杆支护以及柔性吸能防护网等控制措施。田洪铭等(2011)基于高地应力软岩流变效应的特点，采用U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充层的联合支护方式对宜昌—巴东高速公路软岩隧道进行支护，取得较好的支护效果。张民庆等(2013)提出了适用于高地应力软岩隧道的释放-约束平衡支护法，工程验证表明该方法能够对隧道大变形有效控制。总体而言，上述的研究都从不同角度对深埋隧道工程所面临的主要问题进行了研究讨论，取得了丰硕的研究成果。但仍存在着防控对策、控制机理等方面的研究不够全面，特别是对一系列关键工程问题的解决措施多为原则性规定或建议，缺乏针对性、具体化的防控治理方案，以及方案合理性和有效性的实际工程应用验证不足。

本文在相关文献调研、成果总结和实地考察的基础上，着重提出了深埋隧道建设所面临软岩大变形、岩爆、活动性断裂带、高温高湿以及隧道进出口高边坡5大工程问题，提出了一种新的适用于深埋隧道大变形灾变的防控理论，即开挖补偿法，并研发了灾变防控核心材料——NPR锚杆/索。针对性地提出深埋隧道主要工程问题的具体防控策略，并结合具体的实际工程应用案例对方案有效性进行分析说明，为深埋隧道的安全施工运营提供参考。

1.1 开挖补偿法

工程开挖是导致隧道围岩大变形灾变的根本原因。隧道开挖后，隧道围岩的径向应力σ3为0，切向应力σ1将发生集中，在静水压力状况下，切向应力σ1将增大至两倍，超过围岩强度包络线，此时围岩发生破坏导致大变形灾变的发生，岩体应力状态由三维应力状态转化为二维或一维应力状态。因此，深埋有效支护的关键在于隧道开挖后及时施加高预应力补偿，恢复围岩的三维应力状态，获得更高的岩体承载力。

普氏法和新奥法是目前隧道支护的两种常用理论。如表 1所示，普氏拱法是一种无应力补偿支护方法，该方法利用隧道开挖后围岩形成的压力拱而实现自稳，主要适用于浅埋土体或松散岩体隧道。新奥法以“少扰动，早喷锚，勤量测，紧封闭”为指导方针，是一种低应力补偿支护方法，充分发挥围岩自身的承载能力，在中浅埋工程支护中，该方法一般能够实现围岩稳定，而对于深埋隧道，这种低应力补偿无法实现围岩的应力恢复，而且无法实现应力的及时补偿，最终导致支护失败。

表 1 隧道主要支护理论对比(He et al.，2022a)Table1 Comparison of main supporting theories of tunnels

基于现有支护理论往往难以有效控制深部隧道围岩大变形的实际问题，笔者提出了开挖补偿法(He et al.，2022a)，该方法以恢复围岩在开挖扰动前的三维应力状态为核心理念，认为围岩大变形控制的最有效方法是开挖补偿，而开挖补偿的最优方法是采用及时高预紧力支护策略，充分调动深部岩体强度，使开挖后的围岩应力得到及时有效补偿，进而实现深埋隧道围岩大变形的有效控制。

1.2 NPR锚杆/索新材料

锚杆/索是隧道支护的核心材料，其对改善围岩应力状态、提高围岩自承能力等具有重要作用(刘泉声等， 2016；

刘才华等， 2018)。但随着隧道工程逐渐向深部发展，深部岩体呈现高应力、大变形和强时间效应等特征(何满潮等， 2005)，传统的锚杆/索支护材料往往由于其延伸率和材料强度等方面的不足无法满足高预紧力的施加，进而导致其无法满足深埋隧道的支护要求。究其原因，主要由于传统锚杆/索具有泊松效应的材料加工而成(Poisson’s Ratio，简称PR材料)，即受拉时发生颈缩变形从而破断的小变形材料。因此，研发一种能够承受高预紧力施加的高恒阻大变形锚杆/索控制材料是实现深埋隧道开挖补偿的关键。为解决此问题，笔者基于负泊松比材料的研发思想，成功研发出第1代宏观NPR结构型锚杆/索(1G-NPR锚杆/索)和第2代微观NPR材料型锚杆/索(2G-NPR锚杆/索)。

1.2.1 1G-NPR结构型锚杆/索

图 1 1G-NPR锚杆/索设计原理图(何满潮等，2014b)Fig. 1 Schematic diagram of 1G-NPR bolt/cable design

2009年，笔者基于恒阻套筒和恒阻锥体的调控设计，成功研发出1G-NPR锚杆/索(何满潮等， 2014b)。如图 1为1G-NPR锚杆/索的设计原理示意图，主要由恒阻套筒、恒阻锥体和普通锚杆/索3部分构成。受拉伸作用时，普通锚杆/索首先发生受力变形，待达到普通锚杆/索屈服强度的90%时，恒阻装置开始发挥作用，恒阻锥体在套筒内发生滑移，伸长同时使套筒发生径向膨胀，以此产生NPR结构效应，实现其高恒阻、大变形及超强吸能的力学性能。目前， 1G-NPR锚杆/索主要包括20t NPR锚杆、35t NPR锚索以及85t NPR巨型锚索3种类型(图 2a)，其静力拉伸力-位移曲线如图 2b，具有显著的恒阻大变形特征。此外，基于室内落锤冲击试验或霍普金森高速冲击试验结果表明， 1G-NPR锚杆/索在动力冲击条件下同样具有超强的抵抗冲击变形和能量吸收的能力(何满潮等， 2014c)。

1.2.2 2G-NPR材料型锚杆/索

图 2 1G-NPR锚杆/索产品类型及准静态力学性能曲线(He et al.，2021)Fig. 2 1G-NPR bolt/cable product types and quasi-static mechanical performance curves(He et al.，2021)

基于1G-NPR结构型锚杆/索的研发基础，为了更进一步拓宽NPR系列锚杆/索的适用范围， 2014年笔者提出了2G-NPR材料型锚杆/索的概念，研发一种与普通钢筋外形相似，但具有1G-NPR结构型锚杆/索优良力学性能的新型材料。从钢水冶炼出发，通过元素配比、冶炼工艺的不断改善和尝试，最终于2018年成功研发出2G-NPR材料，其静力拉伸曲线结果如图 3a所示。2G-NPR材料拉伸曲线无屈服平台，其屈服强度区间为600～1050MPa，对应延伸率区间为30%～68%，具有显著的准理想弹塑性力学特征，有效平衡了传统钢材高延性和高强度的矛盾关系(He et al.，2021)。图 3b和图 3c为2G-NPR材料和普通PR材料的拉伸过程红外拍摄结果和断后特征， 2G-NPR材料拉伸全过程均匀变形，且其断后基本无颈缩，而普通PR材料具有显著的变形集中和断后颈缩严重等特征(Sui et al.，2022)。2G-NPR材料的落锤冲击和霍普金森相关实验结果同样表明了其在动力冲击条件下的超常力学特性(Tang et al.，2021；

王琦等， 2022)。此外，基于2G-NPR材料锚固剪切试验表明，相较于普通PR材料，该材料在围岩支护中能够提供更高的抗剪强度贡献，承受更大的剪切位移变形(He et al.，2022b)。

鉴于NPR锚杆/索优良的力学性能，目前已广泛应用于隧道大变形控制、巷道围岩支护、边坡加固、滑坡监测等工程领域，并已被列入加拿大岩爆支护手册(Cai et al.，2018)。针对深埋隧道的实际工程问题，NPR锚杆/索是深埋隧道大变形治理的关键防控材料。

2.1 软岩大变形防控对策

2.1.1 NPR锚网索高应力补偿技术

图 3 2G-NPR材料型锚杆/索(He et al.，2021; Sui et al.，2022)Fig. 3 2G-NPR bolt/cable(He et al.，2021; Sui et al.，2022)

深部岩体处于高地应力、高地温、高渗透压和工程扰动的特殊环境中，表现出大变形和流变性等与浅部岩体不同的力学特性，极易发生大变形灾变。国内外学者针对深埋隧道软岩大变形的防控方面进行了大量的工程实践和科学研究，形成了“以刚克刚”、“以柔克刚”、“分层支护、先柔后刚”以及“刚柔并济”等不同的支护策略，为深部围岩软岩大变形的控制起到了积极作用(Kimura et al.，1987；

张民庆等， 2013；

张德华等， 2014；

曹小平等， 2018)。但随着深埋隧道工程难度的不断增加，其工程建设难度已突破国内外隧道和地下工程界所遵循的岩石力学理论和隧道建造认识水平，以木寨岭隧道为例，采用传统的新奥法支护思想和方法，其隧道最大变形量最大可达3m(陶志刚等， 2020a)。单纯的通过变更支护方案，如加密布设锚索或增加被动的重型拱架或多层拱架，围岩大变形依然无法有效控制，无法实现软岩大变形支护的“强度耦合、刚度耦合和结构耦合”(何满潮等， 2002)。因此，针对软岩大变形的支护问题，笔者基于开挖补偿法支护理论和NPR锚杆/索新材料，提出了NPR锚网索高应力补偿技术(图 4)，该技术能够实现350kN锚索高预应力的施加，并且能够在半个小时内发挥锚固作用，充分调动深部岩体强度，使开挖后的围岩应力得到及时有效补偿，对深埋隧道的软岩大变形进行有效控制。

图 4 NPR锚网主动补偿技术示意图Fig. 4 Schematic diagram of active compensation technology for NPR anchor cable and net

2.1.2 软岩大变形控制工程案例——木寨岭公路隧道

木寨岭隧道位于渭武高速公路咽喉部位，是国家高速公路网中兰海高速的重要路段。木寨岭隧道2#斜井与隧道主洞交叉桩号为K218+400，与主洞平面交角为90°，起点桩号为K0+000，终点桩号为K1+813，全长1813m，最大埋深591m。隧道围岩以炭质板岩为主，节理发育，基本为Ⅴ级围岩，地应力测试报告显示，该地区属于极高地应力区。隧道原支护基于新奥法支护理论，主要采用锚喷支护体系，其支护设计如图 5。如图 6所示，原支护条件下，隧道围岩大变形严重且非对称现象明显，最大变形量达到了2936mm，初支破坏严重，严重影响施工进度和施工安全。

针对木寨岭隧道原支护条件下的非对称大变形问题，基于NPR锚网索高应力主动补偿技术，提出了NPR锚索“非对称布设和长-短锚索组合搭配”的综合控制体系，对木寨岭隧道2#斜井进行隧道围岩支护，其支护设计如图 7(陶志刚等， 2020b)。

采用NPR锚索支护方法后，隧道围岩变形得到有效控制(图 8)，特别是隧道围岩变形量较大的左肩部也得到充分的控制，初期支护未发生破坏。隧道断面基本在25～30d左右完成收敛，左拱肩部位变形大于右拱肩，其最大变形量为230mm，各部位变形收敛值均小于500mm设计预留变形量。

图 5 木寨岭隧道2#斜井原支护方案设计图Fig. 5 Design drawing of the original support scheme for the 2# inclined shaft of the Muzhailing Tunnel

图 6 木寨岭隧道2#斜井原支护方案隧道围岩变形特征Fig. 6 The deformation characteristics of the surrounding rock of the original support scheme a. 喷射混凝土开裂；

b. 围岩大变形；

c. 钢拱架扭曲变形；

d. 围岩渗水

图 7 木寨岭隧道2#斜井NPR锚索支护设计图(陶志刚等， 2020b)Fig. 7 Design drawing of NPR anchor cable support for No. 2 inclined shaft of Muzhailing Tunnel a. 支护断面图; b. 支护平面展开图

图 8 2#斜井围岩NPR支护效果图Fig. 8 Effect drawing of NPR support of surrounding rock of 2# inclined shaft

2.2 岩爆防控对策

2.2.1 岩爆隧道能量吸收补偿技术

脆性岩体在“三高一扰动”的深部环境中逐渐向延性转化，而受到工程开挖卸载后又向脆性转化，导致岩爆发生频率极高(何满潮等， 2007)。岩爆由于其突发性、高危性的特点，严重威胁施工人员安全，影响施工进度。国内外众多学者对岩爆的发生机制、发生条件、影响因素、监测预警以及防控方法等方面进行了广泛深入的研究，并从能量、强度等角度对岩爆发生机制进行分析，提出了岩爆的强度理论、能量理论、断裂损伤理论、分析理论等，采用微震监测、声波探测以及数值模拟等方法对岩爆发生的风险进行评估，取得了丰硕的研究成果(何满潮等， 2007， 2014d；

苗金丽等， 2009；

冯夏庭等， 2012；

Chen et al.，2015；

Feng et al.，2017；

李春林， 2019)。

图 9 岩爆实验系统Fig. 9 Rockburst experimental system：(a)1G strain rockburst experimental system(b)2G strain rockburst experimental system(c)3G impact rockburst experimental system a. 1G应变岩爆实验系统， b. 2G应变岩爆实验系统， c. 3G冲击岩爆实验系统；

1. 岩石试样， 2. 加载垫块， 3. 压力计， 4. 加载杆， 5. 可拆式加载杆， 6. 声发射传感器

图 10 岩爆能量计算模型 (He et al.，2012；

何满潮， 2014)Fig. 10 Model for energy calculation of impact rockburst

岩爆根据其发生时的力学状态可分为应变岩爆和冲击岩爆，应变岩爆发生在地下工程开挖过程中，包括瞬时岩爆、滞后岩爆和矿柱岩爆，冲击岩爆主要发生在地下工程开挖后，包括爆破诱发、顶板断裂诱发和断层滑移诱发等(He et al.，2012)。针对深部岩体与高应力场相互作用的大变形力学特性，深部岩土力学与地下工程国家重点实验室自主研发了系列岩爆力学实验系统(图 9)， 1G应变岩爆实验系统可实现单面卸载应变岩爆实验(图 9a)，如掌子面岩爆。2G应变岩爆可实现多面卸载(双面、三面、四面)应变岩爆实验(图 9b)，如隧道交叉处岩爆、岩柱岩爆等。3G冲击岩爆实验系统能够实现冲击波诱发型岩爆实验等(图 9c)。研究结果表明，岩爆是能量岩体沿着开挖临空面瞬间释放能量的非线性动力学现象，当岩体积聚的弹性应变能超过单元岩体单轴破坏能量值时，则易发生岩爆(图 10)(He et al.，2012；

何满潮， 2014)，用数学公式可表示为：

(1)

式中：
ΔE为单元岩体岩爆释放能量；
E(σc)、σc、εc分别为岩体单轴压缩破坏能量值、单轴破坏峰值强度及破坏时最大应变值；
E(σ1c)、σ1c分别为岩爆发生时刻的能量值和最大主应力。

因此，岩爆灾害控制的核心思想在于吸收能量，即采用一种具有高恒阻、大变形、防冲抗爆、超强吸能的支护材料对隧道围岩实现高预紧力的及时支护。

室内试验及工程应用表明，NPR锚杆/索在动力冲击作用下仍具有恒阻力高、变形量大的优良特性，能够良好地适应动态冲击，在深部地下工程中具有良好的防冲抗爆能力。基于NPR锚杆/索材料，提出了深埋隧道的岩爆控制设计。如图 11为岩爆控制设计示意图，假定直径为r的圆形隧道发生岩爆，岩爆发生的最大深度为距离其临空面ΔH的位置。考虑到实际工程地质条件的复杂性，以及岩爆支护的安全设计，将岩爆能量理论计算时的安全系数设置为1.5，即计算岩爆释放能量时，将岩爆控制区计算深度设置为实际发生最大深度的1.5倍。因此，隧道岩爆发生时，其岩爆释放总能量ET为：

(2)

式中：f(v)是单元岩体岩爆能量函数；

Ω是岩爆控制区面积。

图 11 深埋隧道岩爆控制示意图Fig. 11 Schematic diagram of rockburst control for a deep tunnel

通过单元岩体岩爆能量函数在整个岩爆控制区面积的积分计算即可获得岩爆总能量。通过工程现场岩爆易发区的岩体取样，基于室内岩爆实验即可获得单元岩体岩爆体积能量。但如何确定单元岩体尺寸，获得岩体表征单元体(Representative Elementary Volume， REV)是能量计算的关键。基于此问题，提出了准REV单元的概念(何满潮等， 2002)，在室内岩爆实验中，采用尺寸为150mm×60mm×30mm的岩样尺寸可基本符合工程岩体的REV单元尺寸要求。因此，可通过室内岩爆实验获得的REV岩爆能量计算得到岩爆释放总能量。

对深埋岩爆隧道的有效支护即支护材料能够有效吸收或抵抗岩爆释放能量。NPR锚杆/索具有恒阻大变形的力学特性，将其力-位移曲线简化为理想弹塑性曲线进行能量计算以确定NPR锚杆/索的能量吸收能力(图 12)。NPR锚杆/索的总吸收能量ES的主要包括弹性阶段吸能EⅠ和塑性阶段吸能EⅡ两部分，其数学表达式为：

ES=EⅠ+EⅡ

(3)

(4)

式中：Uc为NPR锚杆/索弹性变形长度；
U0为NPR锚杆/索总变形长度。

图 12 NPR锚杆/索能量吸收计算模型Fig. 12 Energy model of NPR bolt/anchor cable

最终计算得到：

(5)

基于隧道围岩岩爆总能量ET和单根NPR锚杆/索吸收总能量ES，可计算得到围岩支护所需要的NPR锚杆/索数量n，最终实现岩爆隧道的能量控制。

(6)

2.2.2 岩爆隧道控制工程案例——引汉济渭工程秦岭输水隧洞

引汉济渭工程是全局性、基础性、公益性、战略性的重大水利工程。秦岭引水隧洞位于秦岭山脉地区，隧洞全长98.3km，其中穿越秦岭主脊段39.08km，采用TBM施工方式。区域地质条件复杂，经过一系列脆性坚硬岩地层，岩性以大理岩、石英片岩、花岗岩、花岗斑岩、花岗闪长岩、闪长岩等为主，单轴抗压强度最高可达307.9MPa。隧洞最大埋深为2012m，地应力高，埋深1170m处实测地应力最大达70.1MPa。隧洞内岩爆事件频率高且裂度大，累积监测岩爆事件6万余次，极强岩爆1329次，岩爆爆坑深度最大可达10.6m，岩爆强度及频率世界罕见。

隧洞原初期支护主要采用砂浆锚杆+钢拱架+钢筋排+混凝土的被动支护系统，在隧洞拱部90°范围增设Φ25砂浆锚杆，长3.5m，间距1.2m， 120°范围增设Φ16钢筋排，采用H150型钢拱架，钢拱架间距0.9m/0.6m(困难段落)，钢拱架封闭后内侧浇筑C30混凝土，并喷射15cm厚的C20混凝土。该支护条件下，无法对岩爆进行有效控制，初支破坏严重，造成了锚杆、钢拱架损毁失效(图 13)。

图 13 秦岭输水隧洞原支护方案结构变形失稳图Fig. 13 The structural deformation and instability diagram of the original support scheme of the Qinling Water Conveyance Tunnel

图 14 秦岭隧洞NPR锚杆支护方案设计图Fig. 14 Design drawing of NPR bolt support scheme in Qinling Tunnel

图 15 秦岭隧洞NPR锚杆支护爆坑深度实测结果图Fig. 15 Measured result of blasting pit depth of NPR bolt support in Qinling Tunnel

引汉济渭工程秦岭输水隧洞NPR锚杆岩爆防治科研试验段选择在岭北段K43+865～K43+815开展，试验段总长度为50m，最大埋深1871m。基于岩爆能量吸收补充技术，提出了NPR锚杆+W钢带+柔性网的三维NPR锚杆支护体系。如图 14为NPR锚杆支护设计示意图，隧洞拱顶120°的断面范围内布设9根NPR锚杆，其中6根采用TBM钻机施工， 3根采用人工钻孔施工，锚杆间排距为900mm(环向)×1000mm(纵向)。NPR锚杆预紧力为200kN，其中预紧力施加全过程耗时30min，具有及时支护预紧和高应力补偿的特点。如图 15为NPR锚杆支护后岩爆爆坑实测结果，采用普通砂浆锚杆的原支护方案，其平均爆坑深度达到0.95m以上，而NPR锚杆岩爆防治试验段的岩爆爆坑平均深度仅为0.42m， NPR锚杆能够有效降低硬岩隧道岩爆烈度和频次。

2.3 活动性断裂带防控对策

2.3.1 双梯度注浆补偿技术和NPR锚网索桁架耦合支护技术

活动性断裂带是影响深埋隧道安全建设运营的关键因素，其对深埋隧道的不利影响主要体现在如下方面：首先，活动性断裂带是板块运动的核心，受地质构造作用，断层运动频繁，在长期的蠕滑活动下，往往造成隧道的错动变形失稳。活动性断裂带大多为发震断裂带，中强地震的发生往往会对隧道结构产生灾难性的影响。此外，活动性断裂带岩体往往风化程度较高、松散破碎、完整性较差，在隧道开挖过程中，围岩承载力极低，易出现突水突泥、塌方冒顶等灾害，且隧道开挖后围岩变形量大、时间长、速率快，严重影响施工进度和安全。相关学者基于物理模型试验、理论分析及工程实践等方法对隧道断错灾变的力学模型、防控措施等都展开了大量研究(孙风伯等， 2015；

邹昌磊， 2021；

朱勇等， 2022)。田四明等(2019)提出了活动性断裂隧道“小震不坏、中震可修、大震不垮”的总体设防目标以及“预留空间、优化断面、节段设计、运营监测”的原则。目前活动性断裂隧道也基本形成了以设置柔性连接段、扩大断面尺寸、采用洞内明管、采用复合式衬砌等应对措施(丁秀丽等， 2019)。随着工程难度的日益增加，特别是针对极其活跃的断层活动以及高地应力、极软岩等特殊的深部环境，对活动性断裂带的有效控制带来了更大的挑战。

图 16 双梯度超前注浆示意图Fig. 16 Schematic diagram of double gradient advance grouting

图 17 NPR锚索桁架耦合支护概念图Fig. 17 Concept diagram of NPR anchor cable truss coupling support

深埋跨活动性断裂带隧道有效控制的关键在于隧道围岩的结构恢复和强度补偿，基于此思路提出了适用于活动性断裂带隧道支护的双梯度注浆补偿技术和NPR锚网索桁架耦合支护技术。如图 16为双梯度注浆示意图，首先对隧道掌子面推进方向进行超前探测，确定隧道开挖方向破碎带发育情况，以此确定注浆材料和注浆孔间距等参数。距离探测到的断层带一定距离时停止隧道掌子面推进，对隧道外围岩进行超前钻孔，并注浆孔内进行低压大粒径材料注浆，对破碎带宏观大裂隙进行填充，形成对应破碎带的第一梯度增强围岩。待第一梯度增强围岩对应的浆液凝固后，对注浆孔进行加深，并对加深后的注浆孔进行小粒径材料的二次劈裂注浆，对注浆区的微小裂隙进行填充，完成第二梯度的围岩增强。双梯度超前注浆技术能够有效地填充破碎带内不同规模和形式裂隙，显著提升隧道围岩的强度，避免了破碎带岩体因隧道开挖引起的应力释放和大变形破坏。双梯度超前注浆完成后，对围岩实施NPR锚网索桁架耦合支护，其支护示意如图 17所示，其特点是利用NPR锚索的柔性调控断层破碎带围岩的形变能，并通过立体桁架的刚性约束特性，避免支护结构的蠕变，从而保障破碎带围岩的稳定。通过柔性调控和刚性约束，促使NPR锚索-桁架-围岩形成让-抗的支护结构，实现对围岩的支护一体化和荷载均一化，从而达到耦合支护的目的。

发震断裂带活动性的动态测量和超前预警是隧道施工运营的重要保障，以双体灾变力学理论为基础，以巨型NPR锚索大变形材料和牛顿力监测技术为支撑，笔者提出了跨断层界面牛顿力监测预警技术，并研发了跨断层牛顿力实时监测预警系统。牛顿力监测技术的可靠性已在滑坡预测中得到成功验证，并通过汶川地震牛顿力监测预警物理模型试验，发现了“地震发生，断裂带牛顿力突降的科学现象”，但目前尚未在现场监测中证实(何满潮， 2016)。截止2022年，已经在我国5条主发震断裂带上建立了10个跨断层牛顿力监测点，取得大量珍贵数据。在穿活动性断裂带隧道工程中，跨断层牛顿力监测技术的应用可为隧道的安全实时监测提供数据支撑。

2.3.2 断层破碎带控制工程案例——他依公路隧道

他依隧道是建水至元阳段高速公路线路的控制性工程，隧道设计桩号为左线全长2613m，右线全长2590m。隧道净空(宽×高)11.1m×7.1m，隧道纵坡2.58%(单向坡)。隧道进口轴线方向255°，隧道出口轴线方向292°，一般埋深100～250m，最大埋深297m，属深埋长隧道。隧道通过区岩体中小断层及节理发育，岩体破碎，围岩岩性以泥质板岩为主，呈中风化和强风化泥质板岩互层状态，围岩极为破碎。经现场地应力实测，他依隧道150m埋深条件下，最大水平主应力达到4.54MPa，垂直主应力达到3.89MPa，受大地构造影响，他依隧道地应力水平整体较高，此外，他依隧道进口处约500m范围内，隧道走向和最大主应力方向几乎垂直，夹角达85°，其对隧道的围岩稳定控制极其不利。

表 2 他依隧道NPR锚索支护设计参数表Table2 Table of design parameters of NPR anchor cable support of Tayi tunnel

他依隧道原支护采用“超前支护+初期支护+二次支护”复合式衬砌结构。其中：超前支护均采用Φ42超前小导管(35mm×300mm(环×纵)，长度4.5m)，以便加固拱顶部位围岩性能，减少拱顶沉降。初期支护包括中空注浆锚杆(Φ25mm，L=3.5m，间排距60mm×120mm)，工字钢(I20a，间距60cm/榀)和喷射C25混凝土，厚度26mm，每榀拱架上、中、下台阶设置12根3.5m的Φ42×3.5mm注浆锁脚锚管，二次衬砌采用C30钢筋混凝土厚度50cm，主筋采用Φ22螺纹钢，间距为20cm。原支护条件下，他依隧道在穿越断层破碎影响带及多级次生断层影响区域发生了大范围的初支侵限、仰拱隆起、二衬开裂以及地表裂缝等地质灾害，初支换拱率高达70%以上，仰拱隆起段落长达334m，发生涌水突泥4次，塌方46次，二衬开裂段落长达60m，严重影响了隧道的工期并造成了巨额的处置费用(图 18a， 图 18b)。

由于原支护方案条件下，隧道围岩变形无法控制，对原支护设计方案进行变更，将原支护方案中的I20a，换做成双层拱架(I25b+I20a)进行支护，即采用“超前导管+4.0m系统锚杆+I25b+I20a双层钢拱架混凝土+二次衬砌”。但大变形破坏现象依然无法控制，如隧道右洞K63+478.8～499.4位置处，受区域断裂影响，累计变形最大达到了150cm(图 18c)，在ZK63+583.0～601.6位置处最大变形量达到了140cm(图 18d)。

图 18 原支护设计隧道变形失稳特征图Fig. 18 Characteristic diagram of deformation and instability of the original support design tunnel a. 初支大变形破坏(Z5K62+695～Z5K63+116段); b. 突水突泥(K63+035～K63+050); c. 初支大变形破坏(K63+478.8～499.4); d. 初支 大变形破坏(ZK63+583.0～601.6)

他依隧道NPR锚索支护设计方案科研试验段落选择在隧道右线K63+540～K63+560之间，该试验段内围岩主要以中风化和强风化泥质板岩为主，岩体极为破坏，整体围岩呈Ⅴ级。采用“双梯度超前注浆+NPR锚索+双层立体桁架”的联合支护措施对围岩变形进行控制，具体参数如表 2所示。主要施工工序包括“超前注浆+超前导管+柔性支护体系(包括NPR锚索+W型钢带)+刚性约束体系(双层立体桁架)+安全储备(二次衬砌)”。双梯度超前注浆主要包括低压粗料注浆和高压细料注浆，低压粗料注浆采早强硫铝酸盐单液浆或同性能的普通水泥单液浆+HPC注浆外加剂浆液。单液浆配比:W︰C=(0.8～1)︰1，HPC外加剂掺量12%～15%，硫铝酸盐水泥标号42.5，高压注浆材料超细水泥。

通过NPR锚索柔性调控和双层立体桁架刚性约束支护体系，自掌子面开挖到围岩变形稳定持续近48d，围岩变形监测曲线结果表明(图 19a)，该支护体系有效将围岩变形控制在250mm以内。如图 19b为NPR锚索轴力监测结果，施工时控制NPR锚索预紧力均在280～300kN 范围内，由于他依隧道的围岩较为松散，会发生预紧力损失的问题，但随着围岩变形的增加，作用在NPR锚索上的轴力逐渐增大，在NPR锚索柔性调控和双层立体桁架的刚性约束综合作用下，锚索轴力最终基本维持在350kN作用，有效控制了围岩的变形。初期支护后的施工效果如图 20a，永久支护效果图如图 20b。

图 19 他依隧道监测曲线(特征断面K63+550)Fig. 19 Surrounding rock deformation monitoring curve(characteristic section K63+550) a. 围岩变形监测；

b. NPR锚索轴力监测

2.4 高温高湿防控对策

2.4.1 高温高湿隧道双隔双控技术

我国川西藏东地区位于印度洋板块和欧亚板块挤压接触带的东部地区，属于地中海-喜马拉雅地热带，区域内水热活动强烈且地温异常区分布广泛(多吉， 2003；

王云等， 2018)。受高地温的影响，深埋隧道建设期间会产生严重的热害问题，隧道洞内产生的高温岩体和高温热水等高温热带对工人安全对隧道质量都会产生极其不利的影响。此外，当隧道打开后，极端高温岩体遭遇极端低温空气后高温差激变可能会导致非线性力学现象，易发生围岩高温软化大变形和高地温诱发的支护结构失效等突变型大变形灾害，特别是本身就处在高应力区的岩石会加剧岩爆等灾害的发生。

图 20 他依隧道NPR锚索支护效果图Fig. 20 The effect of NPR anchor cable support in Tayi Tunnel：
(a) Initial support(b) Permanent support a. 初期支护效果；

b. 永久支护效果

高地温灾害现象研究最早起于法国， 1740年已经开始对金属矿山地温进行监测， 18世纪后期，英国开始系统观测巷道气温变化及其影响因素，得到风温随深度增加而升高。20世纪初至50年代，主要研究关注理想状态下隧道围岩热平衡理论，提出了围岩调热圈等基本概念和风温计算的基本思路。随着能源开采的深部发展，我国的抚顺、淮南、平顶山等矿区巷道相继遇到水热灾害，开始研究巷道水热灾害及防控措施。另外，我国成昆铁路的埃岱、莲池、白石岩等隧道遇见水热灾害，隧道内空气温度高达35～40℃，也开始优化通风降温研究(邓孝， 1992)。目前，深部工程降温技术从冷媒系统角度可分为水制冷系统、冰制冷系统和压缩空气制冷系统(范磊， 2019；

乔华等， 2000；

杨晓春， 2022)。此外，热害的资源化利用技术，将热害转化为热能是目前深部岩体热力学温控对策研究的热点(何满潮等， 2013；

郭平业等， 2022)。

针对深埋隧道高温高湿问题，笔者基于新型NPR材料高温条件下仍能保持恒阻大变形的力学特性以及温湿控制系统，提出了深埋隧道高温高湿双隔双控技术。如图 21a，在隧道支护结构中通过隔水结构和隔热结构实现水热隔离，通过温湿控制系统实现隧道内的湿热环境调控。同时，在隧道开挖实施过程中，通过超前探测、超前注浆和超前防治实现掌子面前方的高温热水探测与防治(图 21b)。

图 21 高温高湿隧道“双隔双控”技术示意图Fig. 21 Schematic diagram of “double partition and double control” technology in high temperature and high humidity tunnel a. 隧道断面示意图；

b. 隧道走向剖面示意图

2.4.2 高温高湿防控工程案例——张双楼矿

张双楼煤矿是我国东部典型的深部矿井，位于江苏省徐州市，由于长期开采，浅部煤炭资源日趋减少，埋深达到1000m时岩温高达45～50℃，开采工作面温度高达35～40℃，相对湿度达95%以上。高温高湿环境不但引起生产效率降低，而且使得井下工人体能下降，易产生高温中暑甚至死亡，严重影响身体健康和煤矿安全生产。

张双楼高地温热害控制与热能利用系统是通过一系列工艺技术实现热害资源化、变废为宝，有效改善井下热环境的同时，成功利用提取井下热能代替井上燃煤锅炉供热，最终解决深部矿区面临的热害和燃煤锅炉供热环境污染两个问题，促进矿区低碳环境经济，实现可持续发展。其工作原理是利用矿井各水平现有涌水，通过能量提取系统从中提取冷量，然后运用提取出的冷量与工作面高温空气进行换热作用，降低工作面的环境温度及湿度，并且以矿井涌水为介质将工作面热害转为热能输送到井上代替燃煤锅炉进行供热，工作原理如图 22(郭平业等， 2013)。

图 22 张双楼煤矿高地温热害防控与热能利用工艺原理图Fig. 22 Schematic diagram of high ground temperature heat damage prevention and control and heat energy utilization process in Zhangshuanglou Coal Mine

整个工艺系统分井上井下两部分，其中井下部由HEMS-T换热工作站、HEMS-I制冷工作站、HEMS-PT压力转换工作站及HEMS-Ⅱ降温工作站组成，井上部分由HEMS-T换热工作站、HEMS-Ⅲ热能利用工作站、洗浴供热及井口HEMS-Ⅱ-Shaft防冻工作站组成。技术具有如下特点：(1)以井下矿井涌水为冷源，降温原理先进；

(2)纯风降温模式，降温效果好，同时可以降湿；

(3)投资小，能耗低，运行费用低；

(4)本项目技术并不仅仅是一个热害治理技术，它可以把从深井中置换出的热量以水为载体，通过泵站输送到地面工作站，升温后可以作为地面供热及洗浴的热源，从而形成井下降温采热、地面热能利用的热害资源化循环生产工艺系统，大大改善了井下工人的高温环境下的安全工作状况。

张双楼矿高地温热害控制与热能利用系统从2009年开始运行后，工作面温度都能控制在30℃以内，相对湿度降低5%～15%(图 23)。满足《煤矿安全规程》要求，避免了矿井停产，取得了显著的经济效益。同时，取代地面全部燃煤锅炉，大大减轻工业广场环境污染，运行以来节约燃煤60000t标煤，减排CO2约150000t，减排SO2约393.2t，减排氮氧化物约335.6t，减排烟尘约64t。

图 23 张双楼煤矿应用效果Fig. 23 Application effect of Zhangshuanglou Coal Mine a. 井下高温热害控制效果， b. 井上热能利用效果；

Ⅰ. 系统运行期， Ⅱ. 秋冬季系统停运期；

F1. HEMS-Ⅱ进风， F2. 风筒出风；

A. 皮带机道里， C. 工作面下角点

2.5 隧道进出口高边坡防控对策

2.5.1 NPR锚索防治-加固-监测-预警一体化双补偿控制技术

隧道进出口高边坡的稳定性是影响隧道安全的关键因素，进出口边坡的失稳将会对掩盖隧道洞门和铁路轨道，对隧道施工运营的安全性带来严重威胁。隧道进出口边坡的稳定性主要受内外动力作用、水的作用、工程扰动等方面的影响。在强烈的构造运动作用下，加之高地应力和高地震烈度等方面的影响，边坡极易产生裂隙并拓展贯通，形成滑动面，最终导致滑坡灾害的发生。高原地区的冻融作用也是影响边坡体稳定性的关键方面。随着全球温度的不断升高，冰川的冻融作用导致西部山区水系补给水源充足，地表水的渗透也会造成边坡岩土体力学强度的降低以及内部孔隙水压力的上升，岩土体抗剪强度降低，最终导致滑坡体稳定性降低。此外，隧道洞门修建时，会对其仰坡进行大规模开挖切割作业，导致坡体应力场发生改变，在洞口处易形成滑坡的潜在剪出口，不利于隧道进出口边坡的稳定性。

隧道进出口高边坡稳定性控制的关键是隧道工程和边坡工程的耦合稳定。滑坡致灾本质是岩土体在降雨、振动、开挖等内外因素综合作用下发生大变形而产生的灾变破坏，其核心属性是岩土体的大变形，也是传统岩体小变形力学指导下刚性加固措施所受到的本质挑战，客观表现是传统小变形和刚性加固工程因不能够满足岩土体大变形特性而被破坏失效，无法抵抗滑坡灾害的发生。如2017年6月24日，四川省茂县新磨村发生特大滑坡大变形灾害，造成10人死亡、73人失踪(Wang et al.，2017)，造成边坡70%以上的预应力锚索格构梁加固工程的破坏。因此，具备大变形、高阻力吸能特性加固材料与方法等方面的研究是解决当下滑坡加固困境的客观需求。此外，滑坡的监测预警同样是灾变防控的关键方面，滑坡发生前能够对边坡动态信息实时监测并及时发布灾变前兆信息，对保证深埋隧道的安全建设和运营具有十分重要的意义。

图 24 NPR锚索边坡加固机制(何满潮等， 2021)Fig. 24 Analysis on strengthening mechanism of NPR anchor cable a. 滑坡发生前; b. 滑坡发生时; c. 滑坡发生后

针对目前对隧道进出口高边坡控制监测预警技术的实际需求，以实现隧道开挖补偿和边坡开挖补偿为目标，笔者基于巨型NPR锚索材料基础和边坡相关工程经验，提出了隧道进出口高边坡防治-加固-监测-预警一体双补偿控制技术。巨型NPR锚索的恒阻力能够达到85kN，变形量能够达到2m以上，其滑坡控制作用机制如图 24所示。通过计算滑坡体和巨型NPR锚索的能量平衡关系，对边坡进行巨型NPR锚索支护设计(何满潮， 2016)。滑坡发生前后，巨型NPR锚索能够通过自身的锚索束体弹性变形和恒阻装置结构变形，有效抵抗和吸收滑坡大变形产生的能量。此外，基于自主研发的滑坡牛顿力远程监测预警系统，可将巨型NPR锚索作为测力锚索实时监测边坡体潜在滑动面牛顿力的大小。现场工程应用和室内物理模型试验表明，滑坡发生的充分必要条件是牛顿力变化，滑坡发生前，牛顿力监测曲线会出现突降现象，并基于牛顿力测量技术建立了滑坡牛顿力预警模式和预警准则。目前，该技术已在全国建立623个监测点，所监测的工程领域包括水利工程、交通工程、采矿工程、工民建防护工程以及文化遗产保护工程等(图 25)，监测区域内的16次滑坡灾害均提前3.5～20h发出临滑预警信息(数据截止至2022年6月)，有效保障了生命财产安全，成功解决了滑坡短临预报的科学难题(何满潮， 2016；

陶志刚等， 2017；

何满潮等， 2021)。

2.5.2 隧道进出口高边坡工程案例——狮子山隧道出口边坡

滇中引水工程从金沙江上游石鼓河段取水向滇中城镇生活及工业供水、同兼顾农业与生态，以解决云南省社会经济发展的核心区严重缺水问题。狮子山隧道出口边坡位于滇中引水工程大理Ⅱ段施工4标(桩号范围DLII 50+057～DLII 72+730)(图 26a)。狮子山隧洞出口开挖边坡最大高度约64m，原始地形坡度40°～45°，基岩出露。岩性为强风化钙质泥岩夹砂岩，饱和抗压强度低，层间挤压现象发育。边坡为斜向坡，倾角中陡，倾向山体。岩体表层风化裂隙密集发育，结构较破碎-完整性差，岸坡抗剪强度低，表层结构松弛，冲沟内有季节性流水侵蚀。该边坡原支护采用锚杆、喷射混凝土和钢筋网的支护方案，锚杆直径为22mm，长度为4.5m，间排距1.5m梅花型布置，锚杆角度垂直于岩面，深入围岩4.28m，网片采用φ6钢筋网网格间距20cm×20cm，网片搭接不小于20cm，喷射混凝土强度为C20，厚度为10cm。经过边坡稳定性的复核计算，采取支护措施后边坡整体稳定安全系数满足规范要求。但受连续、集中的强降雨作用，边坡浅表层发生蠕动变形，边坡局部发生开裂、隆起等变形特征。为保障施工期的安全，同时考虑狮子山隧洞出口永久边坡对事故闸、洗窝帚山隧洞、牛驼子箐暗涵运行期的安全，需对狮子山隧洞出口边坡进行加固处理。

图 25 NPR锚索防治-加固-监测-预警一体化控制技术应用领域Fig. 25 Application fields of NPR anchor cable prevention-reinforcement-monitoring-early warning integrated control technology

图 26 狮子山隧洞出口边坡Fig. 26 The exit slope of the Shizishan Tunnel：(a)Overview of the tunnel exit slope(b)Reinforcement diagram of the tunnel exit slope a. 隧洞出口边坡概况; b. 隧洞出口边坡加固示意图

图 27 狮子山隧洞出口边坡牛顿力监测曲线Fig. 27 Newton force monitoring curve of the exit slope of Shizishan Tunnel: (a)Monitoring point NO.2-1(b)Monitoring point NO.2-3 a. 监测点NO.2-1; b. 监测点NO.2-3

狮子山隧洞出口边坡加固处理方案主要采用NPR锚索防治-加固-监测-预警一体化控制技术，根据现场边坡变形的实际情况，提出了NPR锚索-PR锚索组合布设加固方案(图 26b)。在边坡1995m、1986m、1980m高程处布置3排锚索，锚索间距5m、钻孔深35m、锚固段长度10m。其中：基于滑坡灾害牛顿力远程监测预警学术思想，在NPR锚索基础上设置边坡牛顿力监测预警装备，对边坡牛顿力进行实时监测，如图 27为目前狮子山隧道出口边坡牛顿力实时监测曲线，监测曲线平稳，根据滑坡牛顿力监测预警模式和预警准则，该边坡在新的加固方案下处于稳定状态。

强烈的内动力作用、复杂的地层和围岩结构、超高地应力及开挖强卸荷作用等都给深埋隧道的建设提出了严峻的挑战。为此，基于开挖补偿法和NPR锚杆/索新材料，结合实际工程经验，着重对深埋隧道所面临的软岩大变形、岩爆、活动性断裂带、高温高湿及隧道进出口高边坡等工程问题提出了一系列的防控方法，为深埋隧道的建设提供参考。

(1)提出了一种新的适用于深埋隧道围岩大变形支护理论，即开挖补偿法，该方法以恢复围岩在开挖扰动前的三维应力状态为核心理念，采用及时高预紧力支护的策略，充分调动深部岩体强度，使开挖后的围岩应力得到及时有效补偿，并研发了具有恒阻大变形特性、能够满足深埋隧道及时高应力补偿需求的NPR锚杆/索新材料。

(2)提出了适用于软岩大变形隧道的NPR锚网索高预紧力补偿技术。该技术充分发挥NPR锚杆/索高恒阻、大变形的力学特性，能够满足高预应力的施加要求，并且能够在半个小时内发挥锚固作用，实现了软岩隧道围岩应力的开挖补偿。基于木寨岭隧道工程的现场应用，有效验证了该技术软岩大变形隧道控制的有效性。

(3)提出了适用于岩爆隧道的能量吸收补偿技术。采用自主研发的室内岩爆实验系统，通过不同类型岩爆的室内试验，揭示了岩爆发生时的能量准则。该技术基于能量吸收的岩爆控制思想和NPR锚杆/索防冲抗爆、超强吸能的力学特性，提出了NPR锚杆/索控制岩爆隧道的能量计算方法。

(4)提出了适用于活动性断裂破碎带隧道的双梯度注浆强度补偿技术、NPR锚网索桁架耦合支护技术，以及断层活动性牛顿力监测预警系统。该技术首先通过第一梯度的低压大粒径材料注浆和第二梯度的小粒径材料劈裂注浆，实现了断层破碎带围岩的强度补偿。然后对围岩实施NPR锚网索桁架耦合支护，利用NPR锚索的柔性调控断层破碎带围岩的形变能，并通过立体桁架的刚性约束特性，有效避免支护结构的蠕变变形，保障破碎带围岩结构的稳定。

(5)提出了适用于高温高湿深埋隧道防控的“双隔双控”技术。该技术基于新型NPR材料高温条件下仍能保持恒阻大变形的力学特性，通过隧道支护结构中设置隔水结构和隔热结构实现水热隔离，并通过温湿控制系统实现隧道内的湿热环境调控。

(6)提出了适用于隧道进出口高边坡防控的NPR锚索防治-加固-监测-预警一体化双补偿控制技术。该技术基于巨型NPR锚索大变形高恒阻的力学特性，能够有效抵抗和吸收滑坡大变形产生的能量。并自主研发了滑坡牛顿力远程监测预警系统，能够实现隧道进出口边坡稳定性的实时监测和临滑预警。

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