复杂地质条件下深埋隧道多灾害开挖补偿控制技术及工程应用

《International Journal of Coal Science & Technology》：Technologies of excavation compensation control for multiple disasters in deeply buried tunnels under complex geology & engineering applications

　　

隧道工程面临着复杂地质条件引起的软岩变形、岩爆、富水断层、热害以及洞口边坡失稳等多种挑战，导致传统支护技术难以满足需求。研究人员创新性地提出了“开挖补偿法”（excavation compensation method），并开发了负泊松比材料（Negative Poisson's Ratio, NPR）。建立了四个协同耦合技术体系：高预应力锚索主动支护（high-prestressed anchor cable active support）、双梯度注浆（double-gradient grouting）、隧道断层双重隔离与双重控制（double isolation and double control of tunnel faults）以及高地温隧道双重隔离与双重控制（double isolation and double control of high geothermal tunnels）。通过工程应用，这些技术在围岩变形控制、岩爆减灾、水害治理、热害缓解及边坡稳定方面取得了显著成效，为未来隧道多灾害防控提供了参考。

**论文解读：复杂地质条件下深埋隧道多灾害开挖补偿控制技术及工程应用**

**研究背景与问题**

随着全球交通基础设施的快速发展，隧道工程在山区高速公路、铁路、地铁及水下通道中扮演着关键角色。然而，隧道施工面临复杂地质环境带来的多重挑战：软岩地层因强度低、自稳能力差，易产生大变形甚至坍塌；硬岩隧道在高地应力下易发生岩爆，瞬间释放高强度能量，对支护结构造成灾难性破坏；富水断层破碎带中，地下水渗流显著增加施工复杂性，可能引发围岩失稳和衬砌渗漏；高地温隧道中，高温环境危害施工人员健康、降低设备性能，同时浪费大量地热资源；隧道洞口边坡稳定性受开挖应力场影响，易发生滑坡。传统支护技术，如锚喷支护、U型钢支架等，在应对这些复杂地质条件时存在明显不足：软岩变形控制中，传统刚性支护易破坏，且无法适应长期变形；硬岩岩爆预测和精准防控效果有限；富水断层注浆材料扩散控制困难，单一材料难以满足要求；高地温治理中通风降温成本高，热资源利用效率低；边坡监测预警系统受环境干扰大，准确性差。因此，亟需在支护理念和材料上进行创新，以实现隧道工程的安全、高效与可持续发展。

**研究内容与意义**

研究人员（作者团队）针对上述问题，开展了系统性研究。首先，从理论上提出了“开挖补偿法”（excavation compensation method），即通过向围岩自由面施加高补偿力，恢复或接近初始应力状态，从根本上解决开挖引起的应力重分布导致的失稳问题。其次，开发了具有高延性、高强度、高能量吸收能力及抗冲击抗爆性能的负泊松比材料（Negative Poisson's Ratio, NPR），并基于此建立了四个协同耦合技术体系：高预应力锚索主动支护、双梯度注浆、隧道断层双重隔离与双重控制、高地温隧道双重隔离与双重控制。这些技术通过工程应用，在软岩变形控制、岩爆减灾、水害治理、热害缓解及边坡稳定方面取得了显著成效。论文发表在《International Journal of Coal Science》，为隧道工程多灾害防控提供了创新性技术参考，推动了支护理论从被动支撑向主动适应地质变化的转变。

**关键技术方法**

研究人员主要采用了以下关键技术方法：①高预应力锚索主动支护技术，基于NPR材料的高预紧力特性，主动调控围岩应力状态；②双梯度注浆技术，通过低压力粗颗粒注浆先填充大裂隙，再高压力细颗粒注浆填充微裂隙，增强围岩完整性；③隧道断层双重隔离与双重控制技术，采用巨型NPR锚索构建外部抗滑移线，内部设置恒阻大变形锚索与柔性网组成的缓冲系统，实现刚柔耦合控制；④高地温隧道双重隔离与双重控制技术，结合热提取、热调节与隔热结构，实现温度精准控制与热能资源化利用。此外，还包括牛顿力（Newton force）监测预警技术用于断层和边坡位移监测。工程案例涉及云南昌宁隧道、甘肃木寨岭隧道、云南他白依隧道等，未提及特定样本队列来源。

**研究结果**

**4.1 软岩隧道灾害防控**
研究人员通过开挖补偿法中的高预应力补偿方法，结合NPR锚网主动补偿技术及二维光面爆破技术，主动调节围岩应力状态，形成协同承载体系。在昌宁隧道、木寨岭隧道、海东隧道等工程中，应用高预紧力NPR长锚索与普通短锚索组合，变形控制在200 mm以内，收敛时间约25–30天，显著优于传统重型支护。

**4.2 硬岩隧道灾害防控**
针对岩爆灾害，研究人员基于能量判据ΔE>0，设计NPR耗能锚杆/索，通过实验室岩爆实验模拟高应力条件，优化材料参数。在秦岭引水隧洞中，应用2G-NPR锚杆后，微震能量和频率明显降低，爆坑平均深度从0.95 m下降，表明NPR材料能有效吸收岩爆释放的能量，控制大变形。

**4.3 断裂隧道灾害防控**
研究人员将隧道断层错动划分为四种模式（大断层错动、轴向集中错动、轴向延性错动、多裂隙面错动），并提出双重隔离与双重控制技术。在他白依隧道中，应用“双梯度注浆+NPR锚索+双层三维桁架”组合方案，变形控制在300 mm以内，相比传统支护变形降低69%–76%。注浆后锚固力提升34.6%，达到474.87 kN。

**4.4 水害隧道灾害防控**
研究人员提出“三超前”技术（超前探测、超前注浆、超前加固）。超前探测采用地质雷达与地震波反射法；超前注浆采用双梯度注浆技术，先低压力粗粒注浆填充大裂隙，再高压力细粒注浆填充微裂隙；超前加固以NPR锚索主动支护为核心，结合钢网与喷混凝土形成主动框架。技术协同作用有效提升围岩力学性能，阻断地下水渗流。

**4.5 热害隧道资源利用**
针对高温隧道，研究人员开发了温度控制双重隔离与双重控制技术，包括热提取结构、热湿调节系统与隔热结构，并研制了可装配移动式热控单元。通过热泵技术实现热能回收与利用，在隧道内进行温度控制，同时将多余热能用于洞口防冻等，提高资源利用效率。

**4.6 洞口边坡灾害防控**
研究人员提出NPR支护系统双补偿技术，并设计耦合分区支护方法：根据滑坡面与隧道空间关系将隧道分为四个区域（洞口段、强边坡影响段、弱边坡影响段、普通段），采用不同支护策略。采用牛顿力监测技术，通过锚索轴力监测实现滑坡预警，建立了力学模型Fs=k1P+k2。

**讨论与结论**

论文讨论部分指出，基于开挖补偿法和NPR材料的创新技术体系在软岩、岩爆、断层、水害隧道中取得了显著应用效果，但在热害隧道和洞口边坡方面仍需进一步验证与完善。结论部分翻译如下：

(1) 在理论创新方面，隧道开挖引起的地应力重分布导致围岩失稳。研究人员提出了“开挖补偿法”，通过向围岩自由面施加高补偿力重构应力场，成功解决了复杂地质环境下隧道开挖稳定性问题。这一创新将支护理念转向主动、精准调控围岩应力，为支护理论创新提供了基础，革新了行业支护设计理念，拓宽了隧道应对复杂地质的策略选择。

(2) 在材料创新方面，通过长期科研与实践，研究人员开发了具有高延性、高阻力、强能量吸收、抗冲击与防爆特性的NPR材料。在软岩变形、硬岩岩爆、断层错动等复杂地质灾害场景中，基于NPR材料的多支护技术框架表现出强适应性和高效防控能力，弥补了传统材料的不足，扩展了隧道支护技术的应用范围，为隧道抗灾提供了材料保障。

(3) 在技术集成层面，研究人员建立了包含高预应力锚索主动支护、双梯度注浆、隧道错动双重控制、高地温隧道“双重控制”的协同耦合技术体系。每个系统根据地质特征和灾害机制融合了多种技术的协同作用，显著提高了围岩承载力，防控了岩爆、断层、水害、热害及边坡失稳，提升了综合效益和全生命周期管理水平。

(4) 在工程实践方面，研究人员的创新成果在多种隧道项目中展示了显著应用效果。在软岩隧道中，围岩变形得到有效控制；在硬岩隧道中，岩爆风险降低；在断层富水隧道中，水害和固体问题得到精准管理；在高地温热害隧道中，热害资源化利用得到探索；在边坡工程中，稳定性得到提升。软岩、岩爆、断层带和水害隧道已有丰富试验结果，尽管热害隧道和洞口边坡试验取得进展，但仍需进一步研究和完善，以推动隧道工程技术的可持续发展。