他白依隧道围岩灾变机理及NPR锚注双控关键技术

　　云南建(个)元高速公路是云南省、红河州“五网”建设的重点项目，作为其中关键性节点工程的他白依隧道，因其极为复杂的地质因素成为建个元高速公路全线通车的“拦路虎”。自开工建设以来，开挖过程中断层破碎带大变形、突水突泥现象高频发生，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334 m，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。隧道国重何满潮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控制在了300mm以内，换拱率降为0。

　　隧道工程建设不断向极端自然环境、复杂地质构造等条件下的工程禁区延伸。恶劣的地质环境和落后的支护理念之间的矛盾严重制约着复杂条件隧道围岩稳定控制理论及技术的发展，常常导致大变形、冒顶塌方等灾害频发;在地应力高、岩体节理发育、水害威胁严重等复杂条件影响下，现有小变形支护材料难以适应隧道围岩大变形的需求，造成锚杆(索)等支护失效，隧道围岩稳定控制难度大;受复杂条件及极端天气影响，隧道施工与运营期间对地表边坡稳定性影响显著，缺乏隧道及其地表滑坡灾害一体化监测预警防控技术，地隧灾害防控及监测预警成为突破禁区的卡脖子难题。

　　创新点1：建立了他白依隧道围岩开挖补偿力学方法，揭示了隧道围岩开挖效应与应力补偿效应，构建了隧道围岩复杂应力场控制条件下的开挖补偿力学模型。

　　(1)建立了他白依软弱隧道围岩开挖补偿法，阐明了他白依软弱隧道开挖围岩应力演化规律，确定了隧道开挖造成围岩应力重分布是引起隧道围岩大变形的主因(见图1)。

　　(2)首次从力学角度揭示了隧道工程开挖破坏规律，阐明了隧道开挖条件下围岩应力演化规律，解决了隧道开挖下支护时间与围岩应力调整不耦合、施工隐患不可控的难题。

　　(3)建立了复杂条件软弱隧道围岩开挖补偿力学模型，提出了复杂条件深埋隧道围岩开挖补偿力计算方法，解决了复杂条件软弱隧道围岩主动支护力设计难确定、应力补偿位置不准确的技术瓶颈。

　　创新点2：揭示了他白依隧道围岩变形机理，提出了隧道围岩开挖补偿支护方法，研发了高预应力NPR新材料，实现了软岩大变形复合力学机制向单一类型转化。

　　(1)研发了具有负泊松比效应的NPR新材料，揭示了NPR新材料高强度、高延性、高抗剪、强吸能等超常力学特性，实现了材料受力情况下的整体均匀变形，突破了传统PR材料支护装备与隧道围岩大变形不相适应的材料瓶颈。

　　(2)基于软岩工程力学理论，确定了他白依软弱隧道围岩的复杂变形力学机制，研发了具有恒阻大变形力学特性的NPR锚索，实现了他白依软岩隧道围岩复合型力学变形机制向单一型的转变。

　　(3)攻克了传统支护材料无法持续提供高应力补偿的难题，突破了传统锚杆(索)支护无法适应软弱隧道围岩大变形的技术瓶颈，实现了他白依软岩隧道围岩高应力补偿支护。

　　创新点3：研制了隧道节理化围岩注浆新材料及双层立体NPR桁架结构，攻克了他白依隧道围岩承载性能差、锚固能力低、支护整体性提升难的技术瓶颈，提出了他白依软弱隧道围岩双梯度注浆新技术，突破了断层带碎裂围岩承载能力差和锚固能力提升难的技术瓶颈。

　　(1)基于他白依隧道节理化围岩注浆治理的技术要求，揭示了隧道开挖期间断层破碎带分布及涌出物形态和空间特征，建立了穿断层隧道破碎围岩双梯度注浆模式，揭示了双梯度注浆加固原理。

　　(2)设计并研制了双梯度动态三维注浆实验装备，开发了隧道节理化围岩注浆新材料，提出了加载条件下注浆全过程动态监测方法，揭示了特定工况下注浆材料粒径梯度与注浆压力梯度的适配规律。

　　(3)开发了基于机器学习的双梯度注浆数值模拟和注浆过程跟踪方法，实现了对断层带软弱结构面间距、密度、张开度等的全面解析和注浆颗粒粒径、注浆压力、注浆时长等注浆参数指标的快速获取，揭示了开挖过程中岩-浆结构特性的空间演进规律，提升了复杂条件下注浆工程建设的智能信息化水平。

　　创新点4：研发了NPR锚索-桁架耦合的双层立体NPR桁架，开发了双层立体NPR桁架结构设计及优化方法，实现了双层立体NPR桁架承载性能的显著提升。

　　(1)研发了NPR锚索-桁架耦合支护体系，通过数值分析和现场试验，成功的将围岩变形量控制在300mm之内，实现了他白依等复杂条件条件软弱隧道围岩零换拱的突破。

　　(2)基于开挖应力补偿理论，构件了NPR锚索-桁架力学模型，相较于传统支护设计，通过NPR锚索对围岩施加预应力可以降低支护结构的弯矩，而桁架可以提高支护结构的刚度，增加隧道支护结构安全储备。

　　(3)揭示了隧道开挖条件下围岩变形量、拱架应力、围岩压力等的演化规律，阐明了NPR锚索-桁架、二衬对隧道围岩的承载作用机制，实现了双层立体NPR桁架承载性能的显著提升。

　　创新点5：提出了了他白依隧道围岩“点-线-面-体”四位一体控制技术体系，创新了NPR锚索高预应力补偿耦合支护设计方法，实现了他白依大变形隧道换拱率为零的突破。

　　(1)基于软岩工程力学理论，揭示了他白依软弱隧道围岩及支护体的变形破坏特征，阐明了隧道围岩层状滑移、弯折断裂等破坏模式，确定了高应力比、低岩体强度、节理发育、泥质充填是隧道围岩大变形的根本原因，揭示了他白依软弱隧道围岩变形破坏机理。

　　(2)基于他白依断层破碎带隧道围岩节理裂隙分布特征和地下浆体力学，揭示了不同粒径浆液的渗流规律及加固机理，提出了开挖隧道穿越断层破碎带双梯度注浆围岩加固理念及方法，开发了隧道围岩破碎带不同粒径浆液分次灌注的双梯度注浆技术及相关装备。

　　(3)基于开挖补偿、组合拱及悬吊拱理论，提出了快预紧、高恒阻、大变形的软弱隧道围岩稳定控制理念，形成了他白依软弱隧道围岩“点-线-面-体”(锚索-钢带-柔网-桁架)四位一体支护技术体系及NPR耦合支护设计方法，实现了他白依反复穿越断层破碎带大变形隧道换拱率为零的突破。

　　创新点5：揭示了他白依隧道围岩及上覆地表滑坡灾害特征及预警机制，构建了他白依地隧一体多源实时监测预警系统，有效保障了他白依大变形隧道的安全运营。

　　(1)建立了隧道围岩与地表边坡的耦合结构模型，揭示了他白依隧道施工及运营期间围岩变形破坏及上覆地表滑坡灾害特征，阐明了不同开挖工序、不同降雨条件下隧道围岩变形对边坡稳定性的影响规律，确定了他白依软弱隧道围岩大变形对地表沉降及不稳定斜坡的影响机理。

　　(2)确定了他白依软弱地层隧道与地表边坡的时空联系，揭示了隧道冒顶塌方、二衬开裂和地表滑坡的致灾机理，确立了长期预警、中期预警、短期预警及临滑预警的分级预警体系及模式。

　　(3)建立了隧道开挖对地表边坡稳定性影响的科学评价方法及体系，构建了以锚索受力、深部位移、拱架受力、围岩变形、滑坡牛顿力等为主要监测内容的地隧一体多源监测系统及云平台，实现了隧道施工及运营期间地隧一体化实时监测预警。

　　地隧一体多源监测预警技术能够有效解决常规评价和监测方法难以对隧道围岩及地表边坡稳定性进行整体评价的技术难题，实现了对隧道围岩和地表边坡的系统评价与实时监测预警，保障了工程施工和运营安全。