木寨岭隧道软岩大变形机理及NPR控制技术

　　渭武高速公路是国家高速公路(G75)兰州至海口的重要组成路段，该项目自2016年5月开工建设以来，木寨岭特长公路隧道段出现了量级较大的高地应力、大变形等“卡脖子”施工难题，建设初期便出现了2m及以上的大变形，拆换拱率高达30%以上，工期延误了2年之久。为解决木寨岭公路隧道软岩大变形问题，隧道国重何满潮院士创新性提出了隧道开挖补偿法，院士团队提出了高预应力NPR恒阻锚索大变形支护技术体系，应用后将围岩最大变形量由3m控制在了300mm以内，换拱率降为0。

　　依托兰海高速公路G75渭武段木寨岭公路隧道。木寨岭2#斜井深埋薄层状软岩隧道建设初期发生了大范围的大变形问题，严重影响了隧道的建设。通过工程地质条件的分析，得到了隧道地应力特征、岩体结构特征以及相关岩石力学参数，对隧道围岩宏观变形特征进行了分析，同时建立了隧道围岩结构力学模型及数值模型，分析了影响隧道围岩变形破坏的主控因素。通过室内实验、理论分析及数值模拟，讨论了高预紧力NPR恒阻锚索支护机制，设计了基于隧道围岩非对称变形的非对称支护方案。通过实验对比分析了高预紧力NPR恒阻锚索支护效果，最终通过支护方案的工程应用及相应数据监测分析，论证了该方案的可靠性。本课题探索出高预紧力NPR恒阻锚索在软岩隧道大变形工程中适用性，设计适应于木寨岭软岩隧道的支护方案，解决在软弱围岩条件下初期支护易产生变形破坏的世界性技术难题，编制适用于木寨岭隧道的NPR锚索支护系统施工规范及施工方案，有效指导了木寨岭隧道设计和施工。将研究成果推广应用到其他类似地质条件的软岩隧道中去，将有助于提高我国在软岩隧道中的设计和施工技术水平。主要科技创新成果如下：

　　创新点一：基于现场实测，确定了深埋隧道地应力与埋深的关系，分析了木寨岭隧道2#斜井工程地质条件及岩石物理力学特性

　　分析深埋隧道地应力与埋深之间的关系，通过地应力与岩石强度之间的比值，确定地应力强度水平。分析岩石矿物成分组成，判断其吸水膨胀性以及其他物理化学性质。采用现场点载荷试验及进行围岩强度分析，并对围岩吸水软化后强度变化进行研究，开展不同层理倾角炭质板岩巴西劈裂试验,并采用内聚力模型进行数值分析。

　　创新点二：根据现场围岩变形破坏特征，揭示了深埋薄层板岩隧道变形机理及其主控因素研究

　　通过对原支护条件下的隧道变形数据进行统计分析，对前期各阶段隧道围岩变形破坏进行梳理，得到木寨岭2#斜井薄层状板岩隧道变形特征。建立深埋薄层状板岩结构力学模型，分析影响隧道变形的主控因素。通过数值模拟手段，建立适应于该地层条件下的计算模型，分析不同围岩节理倾角、不同埋深以及吸水软化对隧道围岩变形的影响。

　　创新点三：通过静力拉伸和动力学冲击试验确定NPR锚索恒阻大变形的变形特征，探究了NPR锚索支护机制以及与围岩相互作用关系

　　采用静力学拉伸试验和动力学冲击试验，对恒阻锚索进行力学实验研究，得到其恒阻值以及变形特征。建立长短恒阻锚索控制下的薄层板岩力学模型，从组合梁及悬吊理论的角度出发，研究NPR锚索对围岩的控制机理。从能量角度分析围岩释能机理以及恒阻锚索对能量的吸收。利用数值分析的方法，研究不同预紧力恒阻锚索与围岩相互作用关系，理论推导了能量耦合机理。

　　创新点四：考虑隧道围岩非对称变形，及对关键部位进行加强支护的支护策略及施工工艺，提出了深埋高地应力薄层板岩隧道NPR锚索支护方案

　　在对深埋薄层状板岩隧道变形机理以及NPR锚索支护控制机制研究的基础上，研究考虑隧道围岩非对称变形，及对关键部位进行加强支护的支护策略及施工工艺。采用模型实验及数值实验，对比分析支护方案的可靠性。

　　创新点五：实施了NPR锚索控制下的隧道围岩变形现场实验，验证了NPR锚索支护技术可靠性以及支护效果。

　　将支护设计方法应用于现场实际工程中，利用相关测试设备分析围岩变形特征、锚索受力特征、钢拱架受力特征以及深部围岩运移特征，全面分析了NPR锚索支护技术可靠性以及支护效果。