本发明属于隧道支护施工技术领域，尤其涉及一种基于npr锚索的隧道支护的施工方法。
背景技术：
渭武高速是国家高速公路网中兰海高速的重要路段，该项目建设对完善公路网总体布局以及改善甘肃区域交通，带动甘肃中南部经济发展有重要意义。木寨岭隧道及岷县隧道位于渭武高速公路咽喉部位，同时由于其地质条件特殊性(深埋、特长、高地应力、薄层板岩围岩结构等)也是制约渭武高速全线通车的关键因素。
隧道破坏时有发生钢架扭曲、二衬开裂、左邦大变形收缩、初支开裂，传统锚杆/锚索传统材料大变形破坏现象锚杆/索因大变形破断失效，锚杆/索破断失效部位，拉断后的锚杆/索，破断失效锚杆/索，钢架扭曲破坏失效，钢架冲击破坏，木寨岭隧道——g75兰海高速渭源至武都段，隧道长度15226m——特长公路隧道，线路走向s19w，坡度1.51，与g212国道线走向基本一致，与兰渝铁路木寨岭隧道平面距离约900～1200m；地形地貌，北部属陇西黄土高原，以梁、峁、丘陵、沟壑为主南部属秦岭山脉的西延部分，沟谷深切呈“v”字型；地貌：构造剥蚀、河流侵蚀堆积和山麓斜坡堆积；地面高程：2416～3133m；最大埋深：629.1m；岷县隧道穿层情况：地形地貌：地形呈马鞍形，低中山地貌；标高及埋深：2337～2660m，最大埋深287m；掘进进尺：(左线)885m，(右线)934.4m；岩性：强风化炭质板岩(主要)、断层破碎带、强风化粉砂岩围岩级别：v级。掌子面概况：层理、节理极为发育，厚度集中在10cm左右，层理角度30～50。
2#斜井工程概况，长度：1813.43m，最大埋深：591m，自重应力：14.77mp，斜井走向：n71e，与最大主应力夹角37°。
根据《工程岩体分级标准》判断该区域属于极高地应力，且地层岩体较为破碎，隧道围岩发生大变形可能性较高。2#斜井围岩稳定性分区——1713m，基本稳定区：d<100mm，总长407m轻微变形区：断层破碎带，100d250mm，总长250m，较大变形区：h<500m，250d1000mm，总长717m；严重变形区：h>500m，d>1000mm，总长338m。
现支护设计，φ42超前注浆小导管4500mm，间距400mm，外插角10，φ25自进式中空注浆锚杆5000mm，间距1000x1500mm，φ42环向注浆小导管4000mm，间距1000x1500mm，全断面φ8钢筋网，hw175型钢钢架，间距500mm，c25喷砼280mm，二次衬砌c30钢筋混凝土厚55cm
木寨岭隧道工程难度属世界性难题，线路长15226m，特长公路隧道，构造复杂褶皱、断层影响大；围岩软以软质炭质板岩为主；埋深大629.1m；地应力水平高，自重应力15.7mpa，最大水平主应力24.95mpa。
隧道围岩变形破坏机理，影响薄层板岩隧道变形的主控因素包括：隧道洞泾；隧道埋深；节理倾角；围岩吸水软化。不同节理倾角对隧道围岩影响，不同埋深条件对隧道围岩影响，围岩吸水软化对隧道围岩影响，隧道岩体的周边位移和塑性区半径随随着岩体的埋深增大而快速的增加，可见岩体的竖向应力对于隧道围岩的变形影响是比较大的。当隧道支护阻力为30t时，埋深是600m时，岩体的塑性区半径是4.6m，岩体位移为0.5cm，随着支护阻力的增加，可以起到对岩体较好的变形控制作用。以上公式是基于弹性力学及相关连续性假设的基础上的，木寨岭隧道节理密集，并受水的影响很大，因此现场实际变形量应大于该计算。但变化规律应该是一致的。
木寨岭隧道--原支护设计方法及理念，复合式衬砌：喷砼+常规刚性锚杆+钢拱架+二次衬砌，被动支护：预留变形量、多层钢拱架、加厚二次衬砌厚度。针对木寨岭软岩隧道大变形控制问题，按照建立的工程软岩大变形控制理论与设计方法，以木寨岭隧道2#斜井为研究对象，开展了基于npr锚索支护为主体的支护方案设计研究。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于npr锚索的隧道支护的施工方法，解决了针对木寨岭软岩隧道大变形控制问题的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于npr锚索的隧道支护的施工方法，所述基于npr锚索的隧道支护的施工方法采用高预紧力恒阻锚索控制隧道大断面交叉口围岩变形，高预紧力npr锚索支护机制为短锚索和长锚索，高预紧力npr锚索增加围岩强度和和钢筋网增加围岩强度。
优选的：所述npr锚索的隧道支护的长锚索长度10300mm，预紧力35t，间排距为1000×1200mm；短锚索长度5300mm，预紧力35t，间排距为1000×1200mm；高强柔性网的网格尺寸100×100mm。
优选的：钢架从0.5m排距调整到0.6m。
优选的：斜井交叉口使用φ21.8×5300mm恒阻锚索和φ21.8×10300mm恒阻锚索。
优选的：主隧道使用φ21.8×5300mm恒阻锚索和φ21.8×10300mm恒阻锚索。
优选的：所述基于npr锚索的隧道支护的施工方法包括：
上台阶开挖，进行单体液压支柱临时支护，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
中台阶开挖，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
下台阶开挖，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
围岩变形稳定后，再进行钢拱架架设、无纺布、防水板铺设及二次衬砌。
优选的：所述基于npr锚索的隧道支护的施工方法的恒阻锚索安装流程：锚索打孔，安装锚索，预紧力张拉，35t。
优选的：预紧力恒阻锚索能够有效控制隧道大断面交叉口围岩变形，最大变形量230mm。
优选的：隧道采用npr锚索后，最大变形量140mm。
优选的：短锚索：组合梁理论下的-承压拱；长锚索：悬吊理论下的-加强拱。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于npr锚索的隧道支护的施工方法。具备以下有益效果：npr锚索具有高恒阻，大变形，吸收能量，多次冲击而不断，防爆抗冲，将复杂本构关系改变为简单弹塑性本构关系的特性，为支护优化设计提供理论基础。与原支护对比取消了注浆，取消环向锚杆，取消超前小导管，钢架从0.5m排距调整到0.6m，有效解决了隧道大变形问题。
附图说明
图1为本发明提出一种基于npr锚索的隧道支护的施工方法流程图。
图2为本发明提出一种木寨岭隧道2#斜井npr支护设计方案示意图。
图3为本发明提出一种支护方案—全断面示意图。
图4为本发明提出一种木寨岭隧道2#斜井交叉口设计方案示意图。
图5为本发明提出一种交叉口支护断面俯视图。
图6为本发明提出一种木寨岭隧道2#斜井主隧道设计方案示意图。
图7(a)-图7(c)为本发明提出一种实验结果示意图；图7(a)左侧隧道离层进一步发育；图7(b)左侧隧道破坏剥落；图7(c)500m应力水平下最终变形特征。
图8(a)-图8(c)为本发明提出一种数值模拟示意图；图8(a)模型尺寸；图8(b)锚索与围岩；图8(c)支护系统。
图9为本发明提出一种锚索支护下围岩位移云图。
图10(a)-图10(d)为本发明提出一种k1770断面监测结果分析示意图。图10(a)断面收敛情况，图10(b)钢拱架受力情况，图10(c)锚索受力情况，图10(d)左肩窝处多点位移情况。
图11(a)-图11(d)为本发明提出一种k1775断面监测结果分析示意图。图11(a)断面收敛情况，图11(b)钢拱架受力情况，图11(c)锚索受力情况，图11(d)左肩窝处多点位移情况。
图12(a)-图12(d)为本发明提出一种k1780断面监测结果分析示意图。图12(a)断面收敛情况，图12(b)钢拱架受力情况，图12(c)锚索受力情况，图12(d)左肩窝处多点位移情况。
图13为本发明提出一种k218+400断面示意图。
图14为本发明提出一种k218+440断面示意图。
图15为本发明提出一种k218+450.3断面示意图。
图16(a)为本发明提出k218+561隧道收敛量示意图。
图16(b)为本发明提出k218+525隧道收敛量示意图。
图16(c)为本发明提出k218+500隧道收敛量示意图。
图16(d)为本发明提出k218+480隧道收敛量示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的基于npr锚索的隧道支护的施工方法包括以下步骤：
s101：上台阶开挖，进行液压支柱临时支护，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
s102：中台阶开挖，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
s103：下台阶开挖，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
s104：围岩变形稳定后，再进行钢拱架架设、无纺布、防水板铺设及二次衬砌。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1
本发明实施例为木寨岭隧道npr恒阻锚索支护。针对木寨岭软岩隧道及大变形控制问题，按照建立的工程软岩大变形控制理论与设计方法，以木寨岭隧道2#斜井为研究对象，开展了基于npr锚网索支护为主体的支护方案设计研究。
如图2所示，木寨岭隧道2#斜井npr支护设计方案，长锚索1的长度10300mm，预紧力35t，间排距为1000×1200mm；短锚索2的长度5300mm，预紧力35t，间排距为1000×1200mm；高强柔性网3的网格尺寸100×100mm。
如图3所示，支护方案-全断面示意图。与原支护对比取消了环向注浆小导管及环向锚杆，取消超前小导管，钢架从0.5m排距调整到0.6m。
如图4所示，木寨岭隧道2#斜井交叉口设计方案，使用φ21.8×5300mm恒阻锚索和φ21.8×10300mm恒阻锚索。
如图5所示，交叉口支护断面俯视图。
如图6所示，木寨岭隧道2#斜井主隧道设计方案，使用φ21.8×5300mm恒阻锚索和φ21.8×10300mm恒阻锚索。
本发明实施例为木寨岭隧道npr恒阻锚索支护施工包括：
上台阶开挖，进行液压支柱临时支护，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
中台阶开挖，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
下台阶开挖，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
围岩变形稳定后，再进行钢拱架架设、无纺布、防水板铺设及二次衬砌。
恒阻锚索安装流程：锚索打孔，安装锚索，预紧力张拉，约35t。
下面结合实验对实施例1的技术方案作进一步的描述。
图7(a)-图7(c)为本发明提出一种实验结果示意图；图7(a)左侧隧道离层进一步发育；图7(b)左侧隧道破坏剥落；图7(c)500m应力水平下最终变形特征。
图8(a)-图8(c)为本发明提出一种数值模拟示意图；图8(a)模型尺寸；图8(b)锚索与围岩；图8(c)支护系统。
图9为本发明提出一种锚索支护下围岩位移云图。
图10(a)-图10(d)为本发明提出一种k1770断面监测结果分析示意图。图10(a)断面收敛情况，图10(b)钢拱架受力情况，图10(c)锚索受力情况，图10(d)左肩窝处多点位移情况。
图11(a)-图11(d)为本发明提出一种k1775断面监测结果分析示意图。图11(a)断面收敛情况，图11(b)钢拱架受力情况，图11(c)锚索受力情况，图11(d)左肩窝处多点位移情况。
图12(a)-图12(d)为本发明提出一种k1780断面监测结果分析示意图。图12(a)断面收敛情况，图12(b)钢拱架受力情况，图12(c)锚索受力情况，图12(d)左肩窝处多点位移情况。
图13为本发明提出一种k218+400断面示意图。
图14为本发明提出一种k218+440断面示意图。
图15为本发明提出一种k218+450.3断面示意图。
监测结论
(1)木寨岭隧道2#斜井监测断面均位于埋深500m以下，隧道断面收敛基本在25天至30天左右，左侧拱肩部位变形大于右侧，左侧拱肩最大变形量为230mm。在实施高预紧力恒阻锚索之前的k1613-k1713段落，换拱率达到40％。实施高预紧力恒阻锚索后，k1738-k1813段落，换拱率为0。
(2)预紧力设计为35t，通过对锚索测力计观测表明，由于预紧力损失，锚索作用于围岩上的力为28-30t左右。在围岩变形的影响下，高预紧力恒阻锚索受力起初线性增加，达到恒阻值后，因恒阻锚索固有性质，锚索受力维持在35t左右。
(3)通过对钢拱架应力监测表明，钢拱架左肩处应力最大，但钢拱架受力均未达到屈服强度。
(4)围岩深部多点位移计表明，在5m恒阻锚索的高预紧力作用下，围岩浅部围岩形成组合梁，5m范围内的围岩离层较小。离层主要集中于围岩深部5m至10m范围内。
(5)高预紧力恒阻锚索能够有效控制隧道大断面交叉口围岩变形，最大变形量230mm。
实施例2：
本发明实施例的高预紧力npr锚索支护机制，短锚索：组合梁理论下的-承压拱；长锚索：悬吊理论下的-加强拱；高预紧力npr锚索增加围岩强度和钢筋网增加围岩强度。
如图2所示，npr支护设计方案，长锚索1的长度10300mm，预紧力35t，间排距为1000×1200mm；短锚索2的长度5300mm，预紧力35t，间排距为1000×1200mm；高强柔性网3的网格尺寸100×100mm。
施工包括：
上台阶开挖，进行液压支柱临时支护，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
中台阶开挖，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
下台阶开挖，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射混凝土；
围岩变形稳定后，再进行钢拱架架设、无纺布、防水板铺设及二次衬砌。
恒阻锚索安装流程：锚索打孔，安装锚索，预紧力张拉，约35t。
图16(a)-图16(d)为本发明提出一种主隧道变形监测曲线示意图；图16(a)k218+561隧道收敛量；图16(b)k218+525隧道收敛量；图16(c)k218+500隧道收敛量；图16(d)k218+480隧道收敛量。
本发明建立了高预紧力npr锚索与隧道围岩相互作用的结构力学模型，研究了npr锚索吸收围岩释放的能量、对薄层板状围岩起到组合悬吊作用、改善围岩受力状态、增加围岩强度等特性。提出了木寨岭隧道npr锚索支护技术，通过实测分析论证了npr锚索控制高地应力软岩隧道的可靠性，围岩变形控制在300mm以内，实现了换拱率“0”的突破。基于npr锚索的隧道围岩支护技术对未来隧道软岩大变形支护具有重大科学理论和实践应用意义。
建立了高预紧力npr锚索与隧道围岩相互作用的结构力学模型，研究了：npr锚索吸收围岩释放能量、控制薄层板状围岩的组合+悬吊作用、改善围岩受力状态、增加围岩强度等特性。提出了木寨岭隧道npr锚索支护技术，通过实测分析了npr锚索控制高地应力软岩隧道的可靠性，围岩变形控制在300mm以内，实现了换拱率零的突破依托木寨岭隧道大变形控制研究的“新技术、
新材料、新工艺”对未来隧道软岩非线性大变形支护具有重大科学理论和实践应用意义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
技术特征：
1.一种基于npr锚索的隧道支护的施工方法，其特征在于，所述基于npr锚索的隧道支护的施工方法采用高预紧力恒阻锚索控制隧道围岩变形，高预紧力npr锚索支护机制为短锚索和长锚索，高预紧力npr锚索增加围岩强度。
2.如权利要求1所述的基于npr锚索的隧道支护的施工方法，其特征在于，所述npr锚索的隧道支护的长锚索长度10300mm，预紧力35t，间排距为1000×1200mm；短锚索长度5300mm，预紧力35t，间排距为1000×1200mm；高强柔性网的网格尺寸100×100mm。
3.如权利要求1所述的基于npr锚索的隧道支护的施工方法，其特征在于，钢架从0.5m排距调整到0.6m。
4.如权利要求1所述的基于npr锚索的隧道支护的施工方法，其特征在于，斜井交叉口使用φ21.8×5300mm恒阻锚索和φ21.8×10300mm恒阻锚索。
5.如权利要求1所述的基于npr锚索的隧道支护的施工方法，其特征在于，主隧道使用φ21.8×5300mm恒阻锚索和φ21.8×10300mm恒阻锚索。
6.如权利要求1所述的基于npr锚索的隧道支护的施工方法，其特征在于，所述基于npr锚索的隧道支护的施工方法包括：
上台阶开挖，进行液压支柱临时支护，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射砼；
中台阶开挖，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射砼；
下台阶开挖，实施高预紧力恒阻锚索支护，架设钢拱架及喷射砼；
围岩变形稳定后，再进行钢拱架架设、无纺布、防水板铺设及二次衬砌。
7.如权利要求6所述的基于npr锚索的隧道支护的施工方法，其特征在于，所述基于npr锚索的隧道支护的施工方法的恒阻锚索安装流程：锚索打孔，安装锚索，预紧力张拉，35t。
8.如权利要求1所述的基于npr锚索的隧道支护的施工方法，其特征在于，预紧力恒阻锚索能够有效控制隧道大断面交叉口围岩变形，最大变形量230mm。
9.如权利要求6所述的基于npr锚索的隧道支护的施工方法，其特征在于，隧道采用npr锚索后，最大变形量140mm。
10.如权利要求6所述的基于npr锚索的隧道支护的施工方法，其特征在于，短锚索：组合梁理论下的-承压拱；长锚索：悬吊理论下的-加强拱。
技术总结
本发明属于隧道施工技术领域，公开了一种基于NPR锚索的隧道支护的施工方法，所述基于NPR锚索的隧道支护的施工方法采用高预紧力恒阻锚索控制隧道大断面交叉口变形，高预紧力NPR锚索支护机制为短锚索和长锚索，高预紧力NPR锚索增加围岩强度。本发明提供了一种基于NPR锚索的隧道支护的施工方法，具备以下有益效果：NPR锚索具有高恒阻，大变形，吸收能量，多次冲击而不断，防爆抗冲，将复杂本构关系改变为简单弹塑性本构关系的特性，为支护优化设计提供理论基础。与原支护对比取消了环向注浆小导管及环向锚杆，取消超前小导管，钢架从0.5m排距调整到0.6m。
技术研发人员：唐绍武;王智佼;王治才;于家武;陈伟祥;魏小军;晏鹏博;张成勇;石磊;龙文华;林琳;赵宝锋;杨志永;胡朝烨;程宏生;王丙坤;寇建;姚利军;高昆
受保护的技术使用者：中铁隧道集团二处有限公司;中铁隧道局集团有限公司
技术研发日：2021.04.13
技术公布日：2021.07.13
声明：
“基于NPR锚索的隧道支护的施工方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中铁隧道集团二处有限公司;中铁隧道局集团有限公司
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2024年07月26日 ~ 28日 
