李永兵

（新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院，新疆阿勒泰 836500）

1 現(xiàn)有隧洞圍巖大變形災(zāi)害控制材料

1.1 圍巖大變形災(zāi)害及控制對策研究現(xiàn)狀

長期以來一直圍繞采用的傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)控制措施，廣泛適用于淺埋地下工程和工程地質(zhì)簡單、圍巖條件好的較深埋地下工程中。而隨著國內(nèi)當(dāng)今一批長距離調(diào)水、高速公路、高鐵和礦山等工程的快速發(fā)展，對巖土工程界提出了更高的要求。隧洞超長、埋深大，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，在工程建設(shè)中將會遇到大塌方、圍巖大變形、高地應(yīng)力巖爆等誘發(fā)的工程地質(zhì)災(zāi)害。工程實(shí)踐證明，傳統(tǒng)支護(hù)方式已無法適應(yīng)巖土體的大變形特征，因此，研究在有限變形下“拉而不斷、爆（沖）而不垮”的支護(hù)新材料，能有效控制和防治塌方、圍巖大變形、巖爆災(zāi)害的發(fā)生，備受世界各國隧道工程界的關(guān)注。

（1）圍巖大變形災(zāi)害被動控制：以鋼拱架、鋼筋混凝土、注漿加固支護(hù)為代表。廣泛適用于淺埋地下工程中。

（2）圍巖大變形災(zāi)害主動控制：以錨桿、錨索、掛網(wǎng)、噴護(hù)支護(hù)為代表。支護(hù)形式由單一的支護(hù)發(fā)展為多種聯(lián)合支護(hù)形式，它具有能夠把深部圍巖強(qiáng)度和淺部支護(hù)巖體聯(lián)合作用的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已成為深部軟巖隧道控制穩(wěn)定性支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)。

（3）圍巖大變形災(zāi)害耦合控制：隧洞進(jìn)入深埋圍巖后，單純主動支護(hù)已經(jīng)無法保證深部地下工程圍巖的穩(wěn)定性。中國礦業(yè)大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過大量軟巖隧洞工程的理論與現(xiàn)場試驗(yàn)研究，于1997年首次提出圍巖耦合支護(hù)的理念。該支護(hù)主要針對深部隧洞工程巖體的大變形力學(xué)特性、各種支護(hù)之間的耦合以及支護(hù)體與圍巖之間的耦合，實(shí)現(xiàn)對深部隧洞圍巖穩(wěn)定性的有效控制。

1.2 圍巖大變形錨桿的研究現(xiàn)狀

大量現(xiàn)場觀測資料表明，圍巖松動的隧洞掘出后，其圍巖的自穩(wěn)時(shí)間很短，在掘進(jìn)引起的隧洞圍巖應(yīng)力調(diào)整階段圍巖變形速率快，變形量大；應(yīng)力調(diào)整階段完成后，在應(yīng)力相對穩(wěn)定階段圍巖蠕變顯著，蠕變變形量較大，累積變形量也較大，一般均大于200mm，有的可達(dá)500mm。上述大變形的隧洞中使用普通小變形錨桿支護(hù)時(shí)，常因錨桿不能適應(yīng)隧洞圍巖的變形而被拉斷失效。

通過對國內(nèi)外典型大變形錨桿研究現(xiàn)狀的深入分析，總結(jié)出幾種典型大變形錨桿力學(xué)性能參數(shù)的差異特征，主要包括支護(hù)阻力和最大變形量。這些錨桿具有一定拉伸量，但支護(hù)力較低且呈現(xiàn)非恒阻特點(diǎn)，均未能在實(shí)踐中得到推廣應(yīng)用。

由于上述錨桿在支護(hù)阻力，特別是恒定支護(hù)阻力，以及拉伸量2方面尚不能滿足深部軟巖大變形控制的需求。為此，中國礦業(yè)大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了一種能適應(yīng)深部軟巖隧洞大變形的NPR材料，該材料不僅能夠提供恒定的較高支護(hù)力，又可產(chǎn)生十分大的拉伸量，從而滿足了產(chǎn)生大變形的軟巖隧洞對于錨桿的要求。

2 NPR錨桿（索）新型支護(hù)材料及特性

2.1 材料結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

材料在拉伸過程中，垂直于拉應(yīng)力方向不發(fā)生通常的收縮，而是發(fā)生膨脹的特性稱為負(fù)泊松比效應(yīng)。而傳統(tǒng)錨桿（索）、鋼架支護(hù)材料是典型的PR材料，即在拉伸變形過程中徑向收縮，并伴隨材料強(qiáng)度的急劇衰減，從而導(dǎo)致錨桿（索）端部斷裂、中部拉斷以及鋼架扭曲破壞?；谪?fù)泊松比材料的特殊力學(xué)特性，結(jié)合隧洞圍巖大變形災(zāi)害能量釋放過程的實(shí)驗(yàn)研究，受“以柔克剛，剛?cè)嵯酀?jì)”的哲學(xué)思想的啟迪，以實(shí)現(xiàn)對圍巖變形能量的有控制性釋放為突破點(diǎn)，中國礦業(yè)大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2007年研發(fā)了能夠在大變形拉伸過程中始終保持恒定支護(hù)阻力的NPR錨桿（索）支護(hù)新材料（圖1）。

其中，恒阻裝置包括恒阻套管和恒阻體，并且恒阻套管內(nèi)表面和桿體的外表面均為螺紋結(jié)構(gòu)，降低了錨桿的自重。恒阻裝置，套裝于桿體的尾部，托盤和螺母依次安裝在恒阻裝置的尾部。恒阻裝置是NPR錨桿（索）的核心結(jié)構(gòu)其內(nèi)表面及桿體外表面均為螺紋結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到外部軸向拉力大于恒阻裝置和桿體之間的靜摩擦力時(shí)，桿體和恒阻裝置發(fā)生相對位移，并保持恒定的工作阻力。

圖1 NPR恒阻錨桿（索）支護(hù)新材料

在此基礎(chǔ)上，建立了恒阻裝置結(jié)構(gòu)力學(xué)和數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了恒阻體最大靜摩擦力，即恒阻力P0的設(shè)計(jì)公式（圖2），從而實(shí)現(xiàn)了NPR錨桿（索）支護(hù)材料的系列化。

圖2 恒阻裝置結(jié)構(gòu)力學(xué)和數(shù)學(xué)模型

目前，形成了130kN、200kN（錨桿）、200kN、350kN（錨索）的系列NPR錨桿（索）支護(hù)材料（表1），均獲國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志（MEF 110115），并已建成年產(chǎn)20萬套的生產(chǎn)線。

表1 NPR錨桿（索）技術(shù)參數(shù)

NPR材料具有如下特點(diǎn)：

（1）具有“抗中有讓，讓中有抗，恒阻防斷”的大變形特性；

（2）在軟巖隧洞產(chǎn)生較大變形時(shí)，NPR材料可保持恒定工作阻力大于120kN；

（3）在恒定工作阻力下，恒阻大變形錨桿變形量可達(dá)300～1000m；

（4）在煤礦巷道達(dá)到服務(wù)年限后，錨桿桿體和錨索恒阻器可回收，并重復(fù)利用；

（5）NPR材料主要應(yīng)用于深部工程軟巖大變形、巖爆大變形、沖擊大變形、突出大變形災(zāi)害控制。

2.2 NPR錨桿（索）支護(hù)原理

地下工程開挖后，破壞了原巖的力學(xué)平衡，一方面由于圍巖應(yīng)力重新調(diào)整，使巖體自身的力學(xué)屬性承受不了應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生塑性區(qū)或拉力區(qū)；另一方面是由于施工將引起圍巖松弛，加上地質(zhì)構(gòu)造的影響，降低了圍巖的穩(wěn)定程度。因此，在隧洞圍巖尚未發(fā)生大變形破壞前，必須采取一定的支護(hù)措施，改變圍巖本身的力學(xué)狀態(tài)，提高圍巖強(qiáng)度，從而在隧洞圍巖體內(nèi)形成一個完整穩(wěn)定的承載圈，與圍巖共同作用，達(dá)到維護(hù)隧洞穩(wěn)定的目的。圖3為NPR錨桿（索）的支護(hù)工作原理。

（1）彈性變形階段。隧洞圍巖的變形能通過托盤（外錨固段）和內(nèi)錨固段施加到桿體上。當(dāng)圍巖變形能較小，施加于桿體上的軸力小于恒阻大變形錨桿的設(shè)計(jì)恒阻力時(shí)，恒阻裝置不發(fā)生任何移動，此時(shí)，恒阻大變形錨桿依靠桿體材料的彈性變形來抵抗巖體的變形破壞。

（2）結(jié)構(gòu)變形階段。隨著隧洞圍巖變形能逐漸積累，施加于桿體上的軸力大于或等于恒阻大變形錨桿的設(shè)計(jì)恒阻力時(shí)，恒阻裝置內(nèi)的恒阻體沿著套管內(nèi)壁發(fā)生摩擦滑移，在滑移過程中保持恒阻特性，依靠恒阻裝置的結(jié)構(gòu)變形來抵抗巖體的變形破壞。

（3）極限變形階段。隧洞圍巖經(jīng)過恒阻大變形錨

圖3 NPR錨桿（索）支護(hù)與圍巖相互作用原理

桿材料變形和結(jié)構(gòu)變形后，變形能得到充分釋放，由于外部荷載小于設(shè)計(jì)恒阻力值，恒阻裝置內(nèi)的恒阻體停止摩擦滑移，隧洞圍巖再次處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

因此，當(dāng)圍巖發(fā)生緩慢或瞬間大變形破壞時(shí)，恒阻大變形錨桿可以吸收巖體變形能，使圍巖中的能量得到釋放。在新型錨桿發(fā)生結(jié)構(gòu)變形階段，仍然能夠保持恒定的工作阻力和穩(wěn)定的變形量，從而實(shí)現(xiàn)了隧洞圍巖的穩(wěn)定，大大降低冒頂、塌方、片幫、底臌等緩慢變形以及巖爆、沖擊等安全隱患。

基于NPR錨桿（索）的獨(dú)特力學(xué)特性，根據(jù)NPR錨桿（索）支護(hù)與圍巖相互作用原理，建立NPR錨桿（索）支護(hù)能量本構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

圖4 NPR錨桿（索）支護(hù)能量本構(gòu)關(guān)系

據(jù)此，可以推導(dǎo)得出支護(hù)體與圍巖相互作用能量平衡方程，得到了隧洞支護(hù)力P和位移ΔU的解[式（1）]，從而為以NPR恒阻錨桿（索）為主體的隧洞支護(hù)定量化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

式中：P0——NPR錨桿（索）恒阻力，MPa；

n——NPR錨桿（索）根數(shù)；

EI——NPR錨桿（索）彈性變形階段吸收能量（三角形陰影面積），J；

EII——錨桿（索）恒阻變形階段吸收能量（矩形陰影面積），J；U0——NPR錨桿（索）彈性變形階段變形量，mm；ΔU——NPR錨桿（索）恒阻變形階段變形量，mm。

2.3 NPR錨桿（索）力學(xué)特性

通過配套的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對NPR錨桿（索）新材料進(jìn)行了靜力拉伸及動力沖擊力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：NPR恒阻錨桿/索的恒阻值分別達(dá)到200kN、350kN，恒阻運(yùn)行長度均超過1000mm；能夠在恒定支護(hù)阻力下承受多次沖擊作用而不斷，具有快速吸收沖擊能量的超常力學(xué)性能。相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)均居于國際領(lǐng)先地位（表2）。

3 以NPR錨桿（索）支護(hù)為主體的大變形災(zāi)害控制技術(shù)及應(yīng)用

3.1 大變形災(zāi)害控制技術(shù)

（1）針對巖爆及沖擊地壓災(zāi)害，提出了基于高恒阻NPR錨桿/索支護(hù)的工作面切頂卸壓防沖控制技術(shù)。研究表明，沖擊地壓主要發(fā)生在回采巷道（約91%），而其中又以沿空順槽為主（約86%），其事故多發(fā)的力學(xué)根源在于煤層回采后，在工作面前方及兩側(cè)煤體內(nèi)引起采動疊加高應(yīng)力集中。為此，從切斷誘發(fā)工程災(zāi)害的應(yīng)力來源出發(fā)，該技術(shù)通過對回采巷道采空區(qū)側(cè)頂板爆破預(yù)裂切縫，使其在回采過程中沿切縫自動切落，在切斷回采動壓直接向工作面兩側(cè)煤壁傳遞的同時(shí)，形成下一工作面回采巷道；作為核心關(guān)鍵技術(shù)之一，通過大變形預(yù)留量、高恒阻NPR錨桿/索支護(hù)、高預(yù)應(yīng)力及多次加壓注漿，有效控制老頂來壓及切落時(shí)產(chǎn)生的沖擊，保證巷道的整體穩(wěn)定和安全。

（2）針對深井軟巖巷道圍巖大變形及塌方災(zāi)害，提出了預(yù)留變形量釋放巖體內(nèi)部積聚的變形能量，通過高預(yù)應(yīng)力提高圍巖強(qiáng)度（NPR錨桿180kN、NPR錨索300kN），NPR錨桿/索支護(hù)實(shí)現(xiàn)圍巖變形能量的有控制性釋放，根據(jù)圍巖情況，配合多次加壓注漿，從而保證巷道整體穩(wěn)定的NPR錨桿/索耦合支護(hù)技術(shù)。

3.2 工程應(yīng)用

（1）四川芙蓉白皎礦。作為中國煤炭工業(yè)協(xié)會按照國務(wù)院“5.12”災(zāi)后重建有關(guān)指示組織的“煤炭科技進(jìn)四川”活動核心推薦技術(shù)，基于高恒阻NPR錨桿/索支護(hù)的工作面切頂卸壓防沖控制技術(shù)率先在全國沖擊災(zāi)害最嚴(yán)重的川煤集團(tuán)芙蓉白皎礦進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，取得了極大成功。該項(xiàng)技術(shù)自2010年7月在四川白皎礦成功實(shí)施后，已作為重點(diǎn)推廣項(xiàng)目在川煤集團(tuán)全面開展，累計(jì)支護(hù)成巷工程量3萬余米。結(jié)束了建礦41年來每年都因發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害造成人員傷亡的歷史。

表2 國內(nèi)外主要大變形錨桿（索）材料技術(shù)性能對比

（2）遼寧沈陽清水礦。沈陽清水礦開采煤層為三疊系地層。由于在回采巷道支護(hù)仍采用原有的靜壓巷道條件下均勻支護(hù)形式，如工字鋼對棚支護(hù)或U型棚聯(lián)合支護(hù)等。隨著開采深度的增加，地應(yīng)力不斷增大，斷層、褶曲等構(gòu)造較多，受采動和不良地質(zhì)條件的影響，掘進(jìn)速度慢，巖爆災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，最大變形量達(dá)800～1000mm，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)。結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)際，提出了恒阻大變形錨桿+鋼帶+底角注漿錨管耦合支護(hù)設(shè)計(jì)方案，采用該方案支護(hù)后，圍巖變形得到了有效的控制，保證了巷道的安全運(yùn)行。

（3）甘肅平?jīng)鲂掳驳V。該技術(shù)于2010年首次在甘肅平?jīng)鲂掳驳V井中生代地層應(yīng)用。由于井底車場埋深大，圍巖以泥質(zhì)巖石為主，強(qiáng)度低，膨脹性礦物含量高，同時(shí)受復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力場影響，已施工巷道出現(xiàn)大量錨桿拉斷、支架破壞現(xiàn)象，多次返修仍無法控制底臌、幫縮和頂板塌方等問題，嚴(yán)重影響礦井正常投產(chǎn)。為了解決以上難題，在新安煤礦+535回風(fēng)石門新掘巷道支護(hù)工程采用了NPR錨桿/索耦合支護(hù)技術(shù)，取得了良好的效果。

（4）山東龍口北皂礦。北皂煤礦是我國2005年6月第一個實(shí)現(xiàn)海下采煤的礦井，北皂井田埋深350m，海水深11m。巷道圍巖膨脹性礦物以蒙脫石為主，含量大于60%。巷道掘進(jìn)與使用期間變形破壞嚴(yán)重，順槽巷道U型棚壁后充填混凝土的支護(hù)方式需2次返修才能滿足使用要求。

實(shí)踐證明，采用傳統(tǒng)的錨噴、金屬棚式支護(hù)已不能適應(yīng)煤層海域開采軟巖巷道支護(hù)和安全生產(chǎn)要求。因此，在海域開采軟巖巷道支護(hù)現(xiàn)場采用了以恒阻大變形錨桿為主體的耦合支護(hù)技術(shù)，保證巷道在回采期間的穩(wěn)定。

4 工程適用性分析

作為控制軟巖圍巖變形、塌方以及沖擊等災(zāi)害的新型支護(hù)材料，NPR錨桿（索）已在地下洞室工程中成功應(yīng)用，并在錦屏水電站引水隧洞工程推廣。通過現(xiàn)場實(shí)踐工程的檢驗(yàn)，NPR錨桿（索）支護(hù)材料可以完全能夠滿足深埋超長隧洞工程圍巖大變形災(zāi)害控制的需要。

（1）工藝可行性。NPR錨桿（索）的施工工藝為：確定孔位→鉆進(jìn)錨桿（索）鉆孔→孔口擴(kuò)孔（300～500mm，視恒阻器長度）→清孔→安裝樹脂錨固劑→插入桿（索）體→攪拌錨固劑→上托盤→錨桿（索）施加預(yù)應(yīng)力→永久支護(hù)。

NPR錨桿（索）的支護(hù)原理決定了它的施工工藝基本不改變現(xiàn)有錨桿支護(hù)施工機(jī)具與施工流程，只在清孔環(huán)節(jié)之后增加一步擴(kuò)孔環(huán)節(jié)。在充分利用現(xiàn)有施工機(jī)具的基礎(chǔ)上，隨著配套機(jī)具的完善，擴(kuò)孔及施加預(yù)應(yīng)力環(huán)節(jié)所需時(shí)間極短。

（2）經(jīng)濟(jì)適用性。由于NPR錨桿（索）采用新型鋼材及結(jié)構(gòu)制作而成，因此單根成本高于普通錨桿（索）支護(hù)材料，約為普通錨桿（索）的1.5～3.0倍。施工成本基本與普通錨桿（索）支護(hù)施工成本相同。由于NPR錨桿（索）支護(hù)后的隧洞完全可以滿足圍巖大變形災(zāi)害控制要求，無需像普通錨桿（索）支護(hù)法需要多次返修或配合鋼架等剛性支護(hù)，因此，經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)。

（3）安全可靠性。與普通錨桿支護(hù)相比，NPR恒阻錨桿（索）具有高恒阻、大拉伸變形量的特點(diǎn)，同時(shí)能夠在恒定支護(hù)阻力下承受多次沖擊作用而不斷以及快速吸收沖擊能量的超常力學(xué)性能，在支護(hù)過程中能夠大幅降低圍巖變形量和變形速率，通過對圍巖提供恒定的支護(hù)阻力，實(shí)現(xiàn)巖體內(nèi)部變形能量的有控制性釋放，從而達(dá)到支護(hù)體—圍巖共同作用的隧洞穩(wěn)定性控制目標(biāo)。