深埋隧道灾变防控方法_何满潮.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2022/30(6)-1777-21何满潮，任树林，陶志刚 2022 深埋隧道灾变防控方法 J 工程地质学报，30(6):17771797 doi:1013544/jcnkijeg20220703He Manchao，en Shulin，Tao Zhigang 2022 Disaster prevention and control methods for deep buried tunnelsJ Journal of Engineering Geology，30(6):17771797 doi:1013544/jcnkijeg20220703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)摘要针对深埋隧道工程建设所面临的软岩大变形、岩爆、活动性断裂带、高温高湿以及隧道进出口高边坡 5 大主要工程问题，首先提出了一种新的适用于深埋隧道围岩大变形的支护理论 开挖补偿法，并研发了深埋隧道灾变防控核心材料 NP 锚杆/索。然后，针对性地提出了深埋隧道不同工程问题的防控对策和建议，主要包括软岩大变形隧道 NP 锚网索高预紧力补偿技术、岩爆隧道能量吸收补偿技术、活动性断裂带隧道双梯度注浆强度补偿技术和 NP 锚网索桁架耦合支护技术、高温高湿隧道双隔双控技术以及隧道进出口高边坡 NP 锚索防治加固监测预警一体化双补偿控制技术。最后，结合具体的实际工程，对深埋隧道的灾变防控应用效果进行说明，以期为未来深埋隧道工程防灾减灾提供参考和依据。关键词深埋隧道;工程问题;防控方法;开挖补偿法;NP 锚杆/索中图分类号:P642文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220703*收稿日期:20221018;修回日期:20221101基金项目:第 2 次青藏高原综合科学考察研究项目(资助号:2019QZKK0708)This research is supported by the Second Tibetan Plateau Scientific Expedition and esearch Grant(Grant No 2019QZKK0708)第一作者简介:何满潮(1956)，男，中国科学院院士，教授，博士生导师，主要从事深部岩体力学与工程灾害控制的教学与研究工作E-mail:hemanchao263net通讯作者简介:陶志刚(1981)，男，教授，博士生导师，主要从事岩土工程灾害控制的教学与研究工作 E-mail:taozhigangcumtbeducnDISASTE PEVENTION AND CONTOL METHODS FO DEEP BUIEDTUNNELSHE ManchaoEN ShulinTAO Zhigang(State Key Laboratory for Geomechanics Deep Underground Engineering，China University of Mining Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)(School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)AbstractThere are five major engineering problems faced by the deep buried tunnel projects They include largedeformation of soft rock，rock burst，active fault zone，high temperature and humidity，and high slope at the en-trance and exit of the tunnel First，the theory of deep-buried tunnel disaster prevention and control is proposed Itis called the compensation excavation method The core material called NP bolt/cable is developed Then，theprevention and control measures and suggestions for deep-buried tunnels are put forward They mainly include(1)compensation technology for high pre-tightening force of NP anchor net and cable for soft rock tunnels，(2)energy absorption compensation technology for rockburst tunnels，(3)double gradient grouting strength compen-sation technology and(4)NP anchor-net-cable-truss coupling support technology for active fault zone tunnels，(5)double partition and double control technology for high temperature and high humidity tunnels and(6)NPanchor cable prevention-reinforcement-monitoring-early warning integrated dual compensation control technology forthe high slope at the entrance and exit of the tunnel Finally，combined with the specific practical engineering expe-rience，the application effect of the prevention and control strategy is explained，in order to providing reference andbasis for the construction of the deep buried tunnelsKey wordsDeep-buried tunnel;Engineering problem;Prevention and control method;Excavation compensationmethod;NP bolt/anchor cable0引言近些年，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 1944 m、引汉济渭输水隧洞最大埋深 2012 m、锦屏水电站引水隧洞最大埋深约 2525 m(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 19.1 km，埋深710 m，建设期间全段落 50%发生了软岩大变形，最大变形量约 3700 mm，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 NP 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深埋隧道大变形灾变防控理论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 3为 0，切向应力 1将发生集中，在静水压力状况下，切向应力 1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8771Journal of Engineering Geology工程地质学报2022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)Table 1Comparison of main supporting theories of tunnels支护理论核心思想支护效果适用性普氏法无 3应力补偿(121)浅部开挖(土体、松散岩体)新奥法有限 3应力补偿(121151)中浅部开挖(中硬岩体)