張君寶， 李昌存*， 李韞芃， 郭愛(ài)鵬， 余浩然， 陶志剛

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 唐山 063200; 2.深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院有限公司， 深圳 518003; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 北京 100089)

自21世紀(jì)以來(lái)，城市的交通壓力也隨之越來(lái)越大。以往的兩車道小斷面隧道已經(jīng)明顯不能解決現(xiàn)在的交通擁堵問(wèn)題，城市內(nèi)的居民對(duì)于單洞三車道、四車道超大斷面隧道工程的需求在日益增加[1-2]。但是超大斷面隧道由于其跨度大，在跨越軟弱圍巖地層時(shí)更容易發(fā)生圍巖大變形情況[3-4]?；谒淼朗┕み^(guò)程中的安全性考慮，采用何種支護(hù)體系才能確保超大斷面隧道穿越軟弱圍巖帶時(shí)的安全，是當(dāng)前超大斷面隧道研究中迫切需要解決的問(wèn)題[5-6]。

1982年，Ashby首次將細(xì)胞狀負(fù)泊松比(negative Poisson’s ratio，NPR)材料應(yīng)用于錨索中，之后大量專家學(xué)者對(duì) NPR 材料進(jìn)行試驗(yàn)，研制出了很多種不同特性的吸能錨桿；1987年，撒赫諾等發(fā)明了一種成為波型錨桿的能量吸收錨桿，但其不能抵御較大的外力[7]；1990年， Jager研發(fā)出一種真正意義上可以稱作能量吸收錨桿的Conebolt錨桿，其相對(duì)波形錨桿性能大大提升，但是并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果[8]。但以上這些能量吸收錨桿都有著諸多缺陷，并沒(méi)有從根本上解決錨索的圍巖支護(hù)問(wèn)題。2006年何滿潮等[9-11]在分析國(guó)內(nèi)外經(jīng)典案例的前提下，開(kāi)發(fā)出了一種真正意義上具有新型NPR材料結(jié)構(gòu)效應(yīng)的新型恒阻大變形錨索。之后陶志剛等[12]對(duì)NPR錨索進(jìn)行了靜力拉伸及動(dòng)力沖擊試驗(yàn)，并通過(guò) FLAC3D有限差分軟件建立了 NPR 錨索的本構(gòu)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，與其特性試驗(yàn)結(jié)果接近。李英杰等[13]利用FLAC3D有限差分軟件對(duì)深埋大跨度隧道損傷破壞機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬研究，揭示了深埋隧道開(kāi)挖后受力分區(qū)；Li等[14]、朱淳[15]、宋崔蓉等[16]均通過(guò)FLAC3D軟件驗(yàn)證了多種超大斷面隧道圍巖變形支護(hù)的方法。之后陶志剛等[17]針對(duì)木寨嶺公路隧道地應(yīng)力高、隧道埋深大等特點(diǎn)，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出了小斷面大埋深隧道的提出 NPR 錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)方案。進(jìn)一步拓展了FLAC3D有限差分軟件在隧道等地下工程中的應(yīng)用范圍。另對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外大斷面隧道施工支護(hù)措施進(jìn)行調(diào)研，日本Enasan-Ⅱ高速公路隧道采用預(yù)應(yīng)力錨索束、噴射混凝土、格柵鋼架協(xié)同的支護(hù)措施，支護(hù)效果良好；劉德安等[18]在巴東富水泥巖隧道大隧道通過(guò)離散元分析方法提出超前帷幕注漿+超前管棚”的超前注漿加固方案，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加固效果較好。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟弱圍巖大斷面隧道圍巖變形控制措施進(jìn)行了很多研究，但仍然存在諸多不足：在進(jìn)行數(shù)值模擬研究時(shí)并未劃分詳細(xì)地層，所建立隧道模型粗糙，模擬結(jié)果往往達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)施工的預(yù)計(jì)要求，很難達(dá)到預(yù)期效果；國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的該支護(hù)控制領(lǐng)域研究較少，支護(hù)措施并不能調(diào)動(dòng)深部的圍巖來(lái)分散壓力，后期維護(hù)成本較大。目前，NPR 錨索僅在小跨度礦山巷道以及深埋隧道圍巖大變形控制方面有研究，軟弱圍巖超大斷面隧道圍巖大變形控制領(lǐng)域的研究尚屬空白?，F(xiàn)基于僑城東路北延通道工程，采用建模軟件Rhino6與有限差分軟件相結(jié)合的方法，建立極為細(xì)致的隧道模型；并通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬結(jié)合室內(nèi)物理相似比模型試驗(yàn)結(jié)果，首次研究 NPR 錨網(wǎng)索支護(hù)體系應(yīng)用于超大斷面隧道圍巖變形控制的可能性。為深圳立體交通項(xiàng)目整體施工以及初期支護(hù)提供理論支撐，并為類似條件隧道圍巖變形控制奠定理論基礎(chǔ)。

1 僑城東路北延通道工程概況

僑城東路北延通道工程隧道最大開(kāi)挖跨度達(dá)32 m，為世界之最(現(xiàn)公路隧道最大跨度的世界紀(jì)錄為30.01 m)，相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)超出現(xiàn)行規(guī)范范疇。且在不足1 km2的山體內(nèi)設(shè)置有6條主線隧道、8條匝道隧道，形成上下穿越空間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜的隧道群，國(guó)內(nèi)無(wú)如此規(guī)模的類似工程案例。隧道大多位于部九窩渣土場(chǎng)下方，隧道拱部為強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化花崗巖甚至素填土，且地下水位高，圍巖級(jí)別差，隧道設(shè)計(jì)、施工風(fēng)險(xiǎn)高，如圖1所示。

圖1 僑城東路-寶鵬通道立交處隧道工程概況Fig.1 An overview of the tunnel works at the East Qiaocheng Road-Baopeng passage interchange

2 僑城東路北延通道工程圍巖大變形機(jī)理

2.1 隧道圍巖物理力學(xué)特性

圍巖的力學(xué)特性是影響隧道變形的根本因素。因此對(duì)原位鉆探所取巖石樣品(圖2)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，可知隧道周圍最大水平主應(yīng)力為1.35 MPa，垂直應(yīng)力為2.98 MPa。通過(guò)對(duì)比分析巖體單軸抗壓強(qiáng)強(qiáng)度與隧道應(yīng)力大小可以發(fā)現(xiàn)：隧道上部巖層素填土、塊狀強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化中粒花崗巖、中風(fēng)化中粒花崗巖、微風(fēng)化中粒花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度與隧道垂直的應(yīng)力的比值分別為0.007、0.45、0.16、4.63、10.20；與隧道水平的應(yīng)力的比值分別為0.003、1.01、0.35、10.23、22.52。可見(jiàn)隧道壓力超過(guò)了隧道上部巖層素填土、塊狀強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化中?；◢弾r的抗壓極限：因此在隧道開(kāi)挖后，隧道頂部圍巖會(huì)很快發(fā)生大變形，且中風(fēng)化與微風(fēng)化中?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度與隧道最大應(yīng)力比值均大于1，則隧道位移應(yīng)該表現(xiàn)為拱頂沉降量最大，拱底的收縮量最小。隧道周圍巖體抗壓強(qiáng)度高，拱底隆起小，隧道頂周圍的應(yīng)力難以向下釋放，會(huì)集中在隧道的兩側(cè)，并對(duì)隧道的兩側(cè)進(jìn)行擠壓，導(dǎo)致隧道兩側(cè)水平位移變大。同時(shí)隧道左側(cè)巖層厚度較薄，會(huì)導(dǎo)致隧道圍巖左側(cè)位移大小大于右側(cè)。

表1 隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Physical parameters of tunnel surrounding rock mass

2.2 隧道沿線水文地質(zhì)條件

勘察鉆孔分別對(duì)九窩渣土填埋場(chǎng)素填土、基巖裂隙水地下水影響等典型地段進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 水文地質(zhì)條件測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of hydrogeological conditions

按《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)附錄K規(guī)定，可知僑城東路隧道沿線地下水位土質(zhì)對(duì)砼結(jié)構(gòu)具弱-中等腐蝕性(介質(zhì)為pH)；對(duì)鋼筋砼結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)按pH判定具有微-弱腐蝕性。因此選擇耐腐蝕的支護(hù)措施尤為重要。

2.3 隧道圍巖大變形機(jī)理

基于上述測(cè)試與研究成果，分析得出僑城東路北延通道工程超大斷面隧道軟弱圍巖大變形的主要原因如下。

(1)隧道地應(yīng)力高，素填土、塊狀強(qiáng)風(fēng)化與全風(fēng)化中立強(qiáng)度較低。因此在隧道開(kāi)挖后極易發(fā)生破壞，并向下發(fā)生沉降，隧道拱頂變形量最大，拱底的變形量相對(duì)較小；隧道兩側(cè)受到擠壓，也會(huì)發(fā)生一定程度的大變形。

(2)在擬建隧道場(chǎng)地附近主要發(fā)育有多條斷裂，多與隧道呈大角度相交，受地質(zhì)歷史上多次區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，場(chǎng)地基巖構(gòu)造裂隙普遍較發(fā)育，錨索排距過(guò)密可能會(huì)導(dǎo)致巖體破碎，且圍巖裂隙除成為地下水的蓄水空間及滲水通道外，對(duì)洞身圍巖的穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生一定的不利影響。

3 軟弱圍巖超大斷面隧道NRR錨網(wǎng)索支護(hù)體系研究

3.1 隧道圍巖控制方法

結(jié)合以上研究成果，可以確定引起僑城東路北延通道工隧道圍巖大變形的主要因素包括巖性、構(gòu)造裂隙、高應(yīng)力、腐蝕性地下水。解決巖性差、裂隙多的問(wèn)題主要是注漿，可以將圍巖黏接起來(lái)，提高圍巖的穩(wěn)定性，主要研究錨索特性，故注漿手段不多加探討。高應(yīng)力問(wèn)題的主要解決方式是改善隧道圍巖應(yīng)力條件，通過(guò)NPR錨索室內(nèi)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)其高恒阻、強(qiáng)吸能的特性，可以完美地解決隧道高應(yīng)力的問(wèn)題。隧道沿線地下水的腐蝕性問(wèn)題，需要耐久度高的支護(hù)措施。NPR錨索具備一定的耐腐蝕性，可以保障隧道支護(hù)斷面的長(zhǎng)久性與穩(wěn)定性。

3.2 NPR錨索工作機(jī)理及本構(gòu)模型構(gòu)建

3.2.1 高恒阻能量吸收錨索概述

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)的何滿潮院士經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)研究，提出了大變形控制的理念——NPR錨索可以吸收巖體變形時(shí)釋放的變形能，減緩巖體的變形情況[19]。

3.2.2 高恒阻能量吸收錨索特性試驗(yàn)

1)室內(nèi)靜力拉伸試驗(yàn)

室內(nèi)靜力拉伸試驗(yàn)主要采用HWL-2 000 NPR拉力試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)4槽以及6槽長(zhǎng)度為90 mm的上底直徑66 mm、下底直徑72 mm恒阻體NPR吸收錨索進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖3，靜力拉伸試驗(yàn)不含填充物。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4靜力拉伸試驗(yàn)曲線可以看出，4槽以及6槽的恒阻體阻力都呈不斷增大的趨勢(shì)，然后進(jìn)入短暫的恒阻階段，隨后阻力繼續(xù)增大，錨索被拉斷。NPR錨索軸力在破壞前始終在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，表現(xiàn)出了很明顯的恒阻現(xiàn)象，但6開(kāi)槽φ上66×φ下72恒阻體雖然出現(xiàn)了恒阻現(xiàn)象，但是恒阻值偏小，沒(méi)有超過(guò)300 kN，而采用4開(kāi)槽φ上66×φ下72恒阻體結(jié)構(gòu)特征能夠滿足恒阻要求，恒阻值為340～360 kN，滿足了設(shè)計(jì)的恒阻值要求，可以投入工程使用。

圖3 HWL-2000 NPR錨索拉力試驗(yàn)系統(tǒng)[12]Fig.3 HWL-2000 anchor cable tension test system with constant resistance and large deformation[12]

圖4 綜合靜力拉伸試驗(yàn)曲線Fig.4 Comprehensive static tensile test curve

2)室內(nèi)動(dòng)力沖擊試驗(yàn)

室內(nèi)動(dòng)力沖擊試驗(yàn)主要采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)HZ-200000J恒阻大變形錨索落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)高恒阻能量吸收錨索進(jìn)行動(dòng)力沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖5。實(shí)驗(yàn)采用恒阻套管規(guī)格為φ133 mm×2 000 mm，恒阻體規(guī)格為φ93 mm～φ95 mm、錨索長(zhǎng)度為2 500 mm的高恒阻能量吸收錨索進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5 HZ-200000J型恒阻大變形錨索落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 HZ-200000J type constant resistance and large deformation anchor cable drop weight impact test system

圖6 NPR 錨索動(dòng)力沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Dynamic impact test results of NPR anchor cable

由圖6可以看出，NPR錨索表現(xiàn)出了很明顯的沖擊恒阻特性。試驗(yàn)過(guò)程中NPR錨索變形量最大為1 821.4 mm，延伸率高達(dá)58.3%，產(chǎn)生均勻變形。

3.2.3 NPR錨索本構(gòu)模型構(gòu)建

由靜力拉伸和動(dòng)力沖擊試驗(yàn)可以看出，NPR錨索不僅能夠具有很明顯的沖擊恒阻特性，還能提供持久有效的高恒阻力。若采用FLAC3D對(duì)恒組大變形錨索的支護(hù)效果進(jìn)行模擬，需用其內(nèi)嵌的Fish語(yǔ)言重新定義錨索單元的參數(shù)(幾何、材料參數(shù)和錨固劑特性)，恒組大變形錨索屬于彈塑性體，需要用一維本構(gòu)模型描述其特性：利用Fish語(yǔ)言判斷其自由端與錨固端的距離長(zhǎng)短，并監(jiān)測(cè)恒組大變形錨索受力情況，當(dāng)變形值達(dá)到初始預(yù)定值時(shí)，釋放錨索單元，此刻錨索軸力變?yōu)?0 kN，判定恒組大變形錨索破壞，無(wú)法在對(duì)圍巖的變形情況進(jìn)行限制。

3.3 數(shù)值模擬分析

首先根據(jù)以上研究資料截取東路隧道標(biāo)準(zhǔn)段K3+355～K3+375段，通過(guò)Rhino6建立模型。為保證數(shù)值模擬結(jié)果精確，建立146 m×140 m×20 m的隧道模型，開(kāi)挖跨度達(dá)20.97 m，高10 m，隧道橫向方向左右各留63 m(3倍洞涇，為消除邊界因素造成的影響)，底部留42 m(2倍洞涇，為消除邊界因素造成的影響)，模型拱頂至地表，隧道縱向長(zhǎng)度取20 m。

隧道模型計(jì)算研究分析采用Mohr-Coulomb(摩爾-庫(kù)倫)準(zhǔn)則，null(刪除-挖空)模型模擬隧道開(kāi)挖工法， cable(錨索)單元和shell(襯砌) 單元共同模擬圍巖支護(hù)控制。

在隧道底和4個(gè)側(cè)方向上施展約束力，頂部施加自重力，形成模型初始應(yīng)力場(chǎng)。其中模型初始位移場(chǎng)作為土體固結(jié)產(chǎn)生的原始位移，在隧道開(kāi)挖施工時(shí)已經(jīng)經(jīng)過(guò)多年變形完成，因此在隧道開(kāi)挖工法模擬開(kāi)始時(shí)將位移化為零。模型見(jiàn)圖7。

根據(jù)國(guó)內(nèi)以往大斷面大跨度隧道支護(hù)方案經(jīng)驗(yàn)，共建立 4 組支護(hù)方案(按照錨索的種類和錨索間排距設(shè)置)，見(jiàn)表3。本次其余支護(hù)參數(shù)參照《僑城東路隧道地質(zhì)勘察報(bào)告》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等資料，見(jiàn)表4。

①為素填土；②為塊狀強(qiáng)風(fēng)化中粒花崗巖；③為全風(fēng)化中粒花崗巖；④為中風(fēng)化中?；◢弾r；⑤為中風(fēng)化中?；◢弾r；⑥為僑城東路東線隧道圖7 隧道模型構(gòu)建Fig.7 Tunnel model construction

表3 隧道圍巖各變更初期支護(hù)方案及數(shù)值計(jì)算模型Table 3 The initial support scheme and numerical calculation model of tunnel surrounding rock for each change

表4 材料參數(shù)Table 4 Material parameters

3.3.1 位移場(chǎng)變化特征

由隧道圍巖位移場(chǎng)云圖可以看出，在4種支護(hù)條件下，隧道圍巖均形成了塌落拱。且在水平方向上隧道圍巖左側(cè)變形均大于右側(cè)。在無(wú)錨索狀態(tài)下，隧道頂變形達(dá)到了0.48 m，水平方向達(dá)到了0.35 m，均發(fā)生了大變形，無(wú)法滿足隧道施工時(shí)安全的需求，之后采取普通錨索支護(hù)，變形情況得到收斂。加之以NPR錨索支護(hù)后，圍巖變形情況得到了進(jìn)一步的控制，說(shuō)明NPR錨索支護(hù)下，圍巖整體狀況良好，且方案A相較方案B更為妥當(dāng)。

圖8 隧道圍巖水平位移場(chǎng)云圖Fig.8 Cloud image of horizontal displacement field of tunnel surrounding rock

圖9 隧道圍巖垂直位移場(chǎng)云圖Fig.9 Cloud image of vertical displacement field of tunnel surrounding rock

3.3.2 應(yīng)力場(chǎng)變化特征以及初支單元位移分析

因僑城東路隧道標(biāo)準(zhǔn)段屬于淺埋隧道工程，最大主應(yīng)力云圖表現(xiàn)為上下較小，兩側(cè)較大。由圖10、圖11可以看出，NPR錨索支護(hù)下，圍巖的應(yīng)力集中區(qū)有了明顯的減小，可見(jiàn)NPR錨索在支護(hù)時(shí)可以調(diào)動(dòng)深層的圍巖，來(lái)分散承受的壓力，圍巖整體情況較好，其承載能力更強(qiáng)。圖14顯示在隧道頂部襯砌變形量最大，其次是拱肩及拱腰位置。而從整體來(lái)看，在NPR 錨索支護(hù)狀態(tài)下下的云圖顏色比較少而相對(duì)比較集中，隧道圍巖在支護(hù)后整體性較好。同時(shí)全NPR錨索支護(hù)方案A是要優(yōu)于方案B的。

圖10 隧道圍巖水平應(yīng)力場(chǎng)云圖Fig.10 Cloud image of horizontal stress field of tunnel surrounding rock

圖11 隧道圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)云圖Fig.11 Cloud image of vertical stress field of tunnel surrounding rock

4 室內(nèi)相似比物理模型試驗(yàn)

4.1 相似理論及相似材料

在數(shù)值模擬方法尚未完全成熟可靠的現(xiàn)階段，室內(nèi)相似比物理模型試驗(yàn)是了解巖土工程相關(guān)力學(xué)特征的重要手段，也可以對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。室內(nèi)相似比物理模型試驗(yàn)是可以將工程問(wèn)題簡(jiǎn)化的試驗(yàn)方法，首先，按一定相似比例縮小隧道模型；其次，采用幾何相似理論以及應(yīng)力相似條件獲得模型受力后的變形及應(yīng)力分布特征；最后，對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果，再反饋到隧道實(shí)際工程中。

室內(nèi)相似比物理模型試驗(yàn)加載設(shè)備尺寸為：長(zhǎng)、寬、高分別為1.6、1.6和0.4 m。采用豎向壓力和側(cè)向壓力。豎向壓力模擬隧道的豎向應(yīng)力，水平荷載模擬隧道的最大水平主應(yīng)力。通過(guò)對(duì)地勘資料分析，垂直地應(yīng)力為2.98 MPa，最大水平應(yīng)力1.35 MPa。為節(jié)約試驗(yàn)成本根據(jù)第2節(jié)僑城東路北延通道工程圍巖大變形機(jī)理可知，隧道所處中粒花崗巖單軸平均抗壓強(qiáng)度約為15.25 MPa，強(qiáng)度相似比選取為10，因此相似材料單軸強(qiáng)度應(yīng)該在1.5 MPa左右。模型試驗(yàn)中幾何相似常數(shù)選取為50，隧道的寬度400 mm。長(zhǎng)度10 m的錨索，縮小50倍后總長(zhǎng)度為200 mm。長(zhǎng)度5 m的錨索，總長(zhǎng)度應(yīng)為100 mm。通過(guò)對(duì)不同配比下的相似材料試驗(yàn)分析，最終選取重晶石粉、石英砂、石膏粉、滑石粉和水作為相似材料。每1 kg相似材料中選取重晶石粉0.620 kg、石英砂0.120 kg、石膏粉0.130 kg、滑石粉0.010 kg和水0.120 kg。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

相似比物理模型試驗(yàn)選用的是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖12所示。

圖12 相似模擬試驗(yàn)設(shè)備Fig.12 Similar simulated experimental equipment

為了研究?jī)S城東路隧道圍巖大變形變形破壞結(jié)構(gòu)效應(yīng)以及NPR錨索控制效果，同時(shí)對(duì)比無(wú)錨索(左)與NPR錨索(右)支護(hù)條件下隧道變形情況。錨索則采用3D打印技術(shù)進(jìn)行等比例縮小，縮小比例為1∶50，參數(shù)如表5所示，模型實(shí)物及各部位組成如圖13、圖14所示。

表5 縮小比例為1∶50時(shí)參數(shù)Table 5 Parameters at 1∶50 reduction ratio

圖13 NPR錨索模型Fig.13 NPR anchor cable model

圖14 相似比隧道模型錨索布置Fig.14 Similar ratio tunnel model anchor cable arrangement

由圖15模擬圍巖變形特征試驗(yàn)結(jié)果可以看出，10 h后左側(cè)無(wú)錨索支護(hù)隧道拱頂?shù)膸r石出現(xiàn)大量滑移，變形遠(yuǎn)大于其他部位。而右側(cè)隧道在NPR錨索的控制下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)也發(fā)生了變形現(xiàn)象，但整體變形量較小，隧道并未發(fā)生明顯破壞。從左右兩隧道變形特征以及與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出，NPR錨索對(duì)隧道圍巖控制效果十分明顯，能有效解決圍巖的大變形問(wèn)題。

圖15 模擬圍巖變形特征Fig.15 Simulation of surrounding rock deformation characteristics

5 結(jié)論

(1)通過(guò) NPR 錨索室內(nèi)靜力拉伸以及動(dòng)力沖擊條件下的試驗(yàn)結(jié)果證明：NPR 錨索表現(xiàn)出了顯著的高恒阻、強(qiáng)吸能、抗沖擊以及材料耐久度高等特性，能夠適應(yīng)超大斷面隧道存在的圍巖條件差等問(wèn)題。同時(shí)利用內(nèi)嵌的Fish語(yǔ)言在FLAC3D中構(gòu)建NPR錨索單元也與實(shí)際力學(xué)特性相似。

(2)通過(guò)隧道支護(hù)控制數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：隧道圍巖位移均表現(xiàn)為拱頂下沉、拱底隆起、兩側(cè)向隧道內(nèi)擠入。隧道頂部﹑底部和兩側(cè)是應(yīng)力集中的主要部位，水平方向上左側(cè)變形情況大于右側(cè)，與理論分析結(jié)果相同。并分別對(duì)比了普通錨索支護(hù)下以及NPR錨索支護(hù)0.8 m排距下對(duì)下方相鄰隧道的影響，證明排距0.8 m，環(huán)距1 m的NPR錨網(wǎng)索支護(hù)體系不僅可以保障本身隧道施工時(shí)的安全性，還可以降低施工對(duì)于相鄰并行隧道的影響。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬與室內(nèi)相似比物理模擬試驗(yàn)相對(duì)比，證明了數(shù)值模擬的科學(xué)性和真實(shí)性。室內(nèi)相似比物理模型試驗(yàn)證明：無(wú)錨索支護(hù)下的隧道圍巖破壞明顯，在恒阻錨索的控制下，隧道圍巖并未發(fā)生顯著破壞。圍巖變形拱頂處明顯大于其他區(qū)域，與數(shù)值模擬結(jié)果相同，說(shuō)明NPR錨索能夠有效控制隧道圍巖初期支護(hù)大變形問(wèn)題。為類似條件隧道大變形的災(zāi)害控制措施選擇提供了重要思路。