木寨岭隧道软岩大变形机理及NPR控制技术

　　一、总体介绍

　　项目概述

　　依托兰海高速公路G75渭武段木寨岭公路隧道。木寨岭2#斜井深埋薄层状软岩隧道建设初期发生了大范围的大变形问题，严重影响了隧道的建设。通过工程地质条件的分析，得到了隧道地应力特征、岩体结构特征以及相关岩石力学参数，对隧道围岩宏观变形特征进行了分析，同时建立了隧道围岩结构力学模型及数值模型，分析了影响隧道围岩变形破坏的主控因素。通过室内实验、理论分析及数值模拟，讨论了高预紧力NPR恒阻锚索支护机制，设计了基于隧道围岩非对称变形的非对称支护方案。通过实验对比分析了高预紧力NPR恒阻锚索支护效果，最终通过支护方案的工程应用及相应数据监测分析，论证了该方案的可靠性。本课题探索出高预紧力NPR恒阻锚索在软岩隧道大变形工程中适用性，设计适应于木寨岭软岩隧道的支护方案，解决在软弱围岩条件下初期支护易产生变形破坏的世界性技术难题，编制适用于木寨岭隧道的NPR锚索支护系统施工规范及施工方案，有效指导了木寨岭隧道设计和施工。将研究成果推广应用到其他类似地质条件的软岩隧道中去，将有助于提高我国在软岩隧道中的设计和施工技术水平。主要科技创新成果如下：

　　主要目标

　　本项目主要研究目标：开展宏观NPR锚杆/索研发及以“宏观NPR锚杆/索” 为核心的软岩工程大变形灾害控制与安全监测关键技术的推广及应用。

　　主要内容

　　项目组长期致力于基于产学研合作的宏观NPR锚杆/索研发及软岩工程大变形灾害控制与安全监测关键技术的推广及应用。依托中国矿业大学(北京)及其 负责的隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室为产学研“学”研究基地，依托合作单位安阳工学院为产学研“研”研究基地，以及广西路桥工程集团有限公司、甘肃长达路业有限责任公司、中国电建路桥集团为研究成果应用和示范基地。多年来面向国家社会经济发展，面向国家、行业、产业及企业的重要技术任务开展产学研合作研发，在宏观NPR锚杆/索研发与优化、宏观NPR锚杆/索的力学性能测试、软岩工程大变形灾害控制，产生多项创新成果，并实现产品的产业化，成果在多个工程技术领域广泛应用与推广。

　　合作模式

　　本项目拟采取的合作模式为：成果技术转化。

　　合作机制

　　本项目所有合作均采用合同约定方式进行：

　　(1)委托开发，委托开发方根据协议支付开发费用，受委托方根据协议内 容按照进度完成委托任务;

　　(2)联合承担的国家、省部级项目，按照协议完成各自承担的任务以及获 取约定比例的经费。

　　利益分配机制

　　利益分配机制按照合作开发和委托开发模式分为两类：

　　(1)受委托开发项目：受委托方收取相应的委托开发费用，项目所取得的 技术成果归双方共同所有，未经对方允许，不得向第三方转让，所研发的成果及 产品产业化所取得的收益归产业化公司有。

　　(2)共同研发和共同承担国家项目：在项目实施过程中，由双方合作取得 的知识产权归双方共有，双方各占50%产权，并同意授权在本项目中使用;由各 方单独取得的知识产权归各方单独所有，并同意授权在合作项目中使用，合作项 目产业化所取得收益归实施产业化一方所有。

　　合作的主要单位

　　(1)中国矿业大学(北京)：该单位是教育部直属的全国重点高校、国家“世界一流学科建设高校”、国家“211工程”和“985工程优势学科创新平台项目”建设高校，为全国首批产业技术创新战略联盟高校、北京高科大学联盟和“一带一路”矿业高校联盟发起高校，教育部与原国家安全生产监督管理总局共建高校。研发团队在中国科学院院士何满潮的领导下，依托中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室，自1991年起开始从事软岩大变形控制、采矿技术革新、地质灾害监测和活断层监测等岩土领域的研究工作。研发了“宏观NPR锚杆”、“宏观NPR锚索”、“微观NPR钢”等系列的大变形控制材料，形成了以“宏观NPR锚杆/索”为核心的软岩工程大变形灾害控制与安全监测关键技术。

　　(2)安阳工学院：该单位是河南省属全日制普通本科高校，CDIO工程教 育联盟成员单位，中国产学研合作促进会常务理事单位。学校先后荣获“中国产 学研合作创新成果优秀奖”、“2020年度国内高质量就业示范高校”、“全国公共机构能效领跑者”、“新中国成立70周年河南最具国内就业竞争力高校” 等荣誉称号。学校着力打造航空、先进装备制造、土木建筑、化学化工、电子电 气与信息技术、生物食品及农产品等六大工科专业集群和应用文科专业集群。学 校建有省级科研平台9个、市级科研平台20个，与台湾昆山科技大学共建“微 精密制造”、“环境工程技术”2个研发中心。2009年起，学校和与中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室何满潮院士团队开始合作，共同开展宏观NPR锚杆/索的力学性能分析及其工程应用研究。

　　(3)甘肃长达路业有限责任公司：该单位隶属于甘肃省公路航空旅游投资集团有限公司，主要承担甘肃省高速公路项目的建设管理工作。单位先后承担了柳沟河至古浪、刘寨柯至白银、树屏至徐家磨、平凉至定西、武都至罐子沟、成县至武都、营盘水至双塔、兰州至永靖、渭源至武都、武都至九寨沟等一批国家 及省上重点建设项目。牵头组建了甘肃景礼高速公路陇南管理有限公司，负责省列重点PPP项目景泰至礼县高速公路陇南段的建设管理。从2018年开始，与中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室，依托联合研究中心孵化了两个重大科研项目，“木寨岭隧道大变形机理及 NPR锚索控制技术”和“武九高速公路高楼山隧道岩爆治理技术研究”。通过 该项目，NPR锚索成功解决了深埋高地应力节理化软岩大变形控制难题。

　　(4)广西路桥工程集团有限公司：从2020年开始，与中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室建立了联合研究中心，依托联合研究中心孵化了一个重大科研项目 “昌宁隧道大变形机理及NPR锚索控制技术”。通过该项目，采用宏观NPR锚索成功解决了断层破碎带软岩大变形控制难题。

　　(5)中国电建路桥集团有限公司：面对他白依隧道富水断层破碎带岩体大变形工程难题，研究团队以中国电建路桥集团的紧迫需求为导向，联合隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室的科研力量，开展了一系列从理论到实践的协同创新。通过地质分析、模型构建与实验研究，揭示了隧道变形机理，基于何满潮院士提出的开挖应力补偿理论创新型的采用了双梯度注浆+NPR锚索+桁架组成的点-线-面联合支护体系，最终该技术方案在他白依隧道得到成功验证与应用，形成了指导施工的规范，有效解决了工程难题，并将成果推广至同类项目，实现了从技术攻关、产品研发到工程应用与产业提升的全链条闭环，弥补了我国在富水断层破碎带条件下隧道建设的技术水平。

　　二、创新点

　　创新点一：基于现场实测，确定了深埋隧道地应力与埋深的关系，分析了木寨岭隧道2#斜井工程地质条件及岩石物理力学特性

　　分析深埋隧道地应力与埋深之间的关系，通过地应力与岩石强度之间的比值，确定地应力强度水平。分析岩石矿物成分组成，判断其吸水膨胀性以及其他物理化学性质。采用现场点载荷试验及进行围岩强度分析(图1.1)，并对围岩吸水软化后强度变化进行研究，开展不同层理倾角炭质板岩巴西劈裂试验,并采用内聚力模型进行数值分析。

　　图1.1不同埋深与地应力关系及现场点载荷试验

　　创新点二：根据现场围岩变形破坏特征，揭示了深埋薄层板岩隧道变形机理及其主控因素研究

　　通过对原支护条件下的隧道变形数据进行统计分析，对前期各阶段隧道围岩变形破坏进行梳理，得到木寨岭2#斜井薄层状板岩隧道变形特征。建立深埋薄层状板岩结构力学模型，分析影响隧道变形的主控因素。通过数值模拟手段，建立适应于该地层条件下的计算模型，分析不同围岩节理倾角、不同埋深以及吸水软化对隧道围岩变形的影响。

　　创新点三：通过静力拉伸和动力学冲击试验确定NPR锚索恒阻大变形的变形特征，探究了NPR锚索支护机制以及与围岩相互作用关系

　　采用静力学拉伸试验和动力学冲击试验，对恒阻锚索进行力学实验研究，得到其恒阻值以及变形特征。建立长短恒阻锚索控制下的薄层板岩力学模型，从组合梁及悬吊理论的角度出发，研究NPR锚索对围岩的控制机理。从能量角度分析围岩释能机理以及恒阻锚索对能量的吸收。利用数值分析的方法，研究不同预紧力恒阻锚索与围岩相互作用关系，理论推导了能量耦合机理。

　　3.3能量耦合支护机理

　　创新点四：考虑隧道围岩非对称变形，及对关键部位进行加强支护的支护策略及施工工艺，提出了深埋高地应力薄层板岩隧道NPR锚索支护方案

　　在对深埋薄层状板岩隧道变形机理以及NPR锚索支护控制机制研究的基础上，研究考虑隧道围岩非对称变形，及对关键部位进行加强支护的支护策略及施工工艺。采用模型实验及数值实验，对比分析支护方案的可靠性。

　　创新点五：实施了NPR锚索控制下的隧道围岩变形现场实验，验证了NPR锚索支护技术可靠性以及支护效果。

　　将支护设计方法应用于现场实际工程中，利用相关测试设备分析围岩变形特征、锚索受力特征、钢拱架受力特征以及深部围岩运移特征，全面分析了NPR锚索支护技术可靠性以及支护效果。

　　三取得的成效

　　申报单位产学研合作在组织创新、管理创新、机制创新、管 理创新等方面的体会和经验：

　　通过本项目研究，获得的经验和体会主要有：加强校企合作，实现以应用带研究，以研究支撑应用，理论和实践相结合;创新驱动发展，树立创新意识，坚持创新是生产力、竞争力的思想;尊重贡献、责权分明、科学管理，有效保证合作各方的利益;建立校企人才培养新模式，为产学研合作创新提供动力。

　　2.1 加强校企合作，实现以应用带研究，以研究支撑应用，践行理论与实际结合

　　高校和企业看似是两个独立的个体，但其实高校是研究成果的主要创造者， 企业是科研成果的主要应用者和需求者，两者本应是建立在供求需求上的合作关系。但作为企业，市场导向和经济效益是第一追求，对于科研成果的需求强烈但不知如何开始，高校作为前沿科学研究的主力军，研究成果缺乏市场的检验和实际的应用测试，一直无法得到很好的效益汇报，从而打击科研的积极性。高校和企业缺乏交流与合作是造成这种局面的主要原因，因此促进产学研合作刻不容缓。加强校企合作对于产学研合作意义重大，应按照“优势互补、互利平等、稳定推进、全面合作”的原则，坚持“服务经济为先，服务企业为先”和“以互利促合作，以合作促发展”的指导方针。学校开放自己的科研设备供企业使用，企业也开放自己的项目为学校提供实训岗位。企业也可以将先进的产品提供给学校开展学生及社会人员的技能应用培训，学校学生获得了最新的技术培训，掌握了通过本项目研究，获得的经验和体会主要有：加强校企合作，实现以应用带 研究，以研究支撑应用，理论和实践相结合;创新驱动发展，树立创新意识，坚 持创新是生产力、竞争力的思想;尊重贡献、责权分明、科学管理，有效保证合作各方的利益;建立校企人才培养新模式，为产学研合作创新提供动力。 先进的技能，企业也发展了潜在的客户，这是双赢。同样企业也可以将一些科研 攻关任务委托给学校老师。这样企业既降低了人力成本，也得到了新的技术。学校也得到了真正的生产锻炼。2022年，研究团队与中国电建路桥集团有限公司联合，以NPR材料为基础，进行宏观NPR锚杆/索以及NPR桁架联合支护体系的研发与测试，在这种在这种合作方式下，学校将科研成果转化为应用，企业也得 到了最新的技术，降低了成本，实现了产学研结合。

　　2.2创新驱动发展，树立创新意识，坚持创新是生产力、竞争力的思想

　　创新的重要性创新对于一个国家和民族而言，有着重要的影响作用，它是国 家发展和民族振兴的前提保证。因此创新的重要性决不容我们忽视。企业只有通 过不断的创新才能适应新时代下新的机遇，也只有创新才能使企业产生突变，才具备“应万变”的适应能力，以应对快速变化的市场。产学研结合是创新技术的前沿应用中效果较好和最有前景的途径之一，具体内容包括合作研究、合作开发、 合资生产等形式。这种方式能充分利用合作伙伴的知识技能和资源，发挥自己的优势，弥补自己的短处，有利于迅速获取技术，可以减少成本和风险。产学研合 作适应社会与市场需要。产学研合作，学校通过企业反馈与需要，有针对性进行 课题研究，结合市场导向，集中精力解决企业、市场的需求。实现了让企业充分 利用学校的技术进行产业化，学校利用企业的设备进行技术研究的互利共赢的模式。

　　本项目成果突破了岩体非线性大变形灾害控制受制于材料变形能力不足的技术瓶颈，在岩体大变形灾害控制及预测预报技术方面取得了跨越式发展，整体达到了国际领先水平。所研发的宏观NPR锚杆/索新材料及其配套技术 有效解决了软岩隧道大变形灾害控制难题。

　　2.3尊重贡献、责权分明、科学管理，有效保证合作各方的利益

　　良好的组织模式和科学的管理模式是团队取得成功的关键。由于产学研涉及 多个性质差别较大、功能定位不同的团队共同合作，因此就更需要科学管理、责 权分明、规范运作和严格的制度保障。在项目进行过程中，要明确各方的任务与责任，管理要细致严格，避免因粗放的管理造成团体松散，使得产学研合作形同 虚设。因此确立合作目标、明确各方需求和利益的汇合点;健全合作共同体的治 理机构，建立自律、互律和他律相结合的激励和约束机制。同时，在后期成果分 配上，一定要公平公正公开，按照合同约定或者贡献大小进行分配。尤其要注意 知识产权的保护，围绕核心成果，结合目标市场和竞争对手的情况，进行专利布 局，在核心成果的基础上不断持续创新。

　　2.4建立校企人才培养新模式，为产学研合作创新提供动力

　　在不断探索和完善产学研结合机制的过程中，学校应始终将人才培养模式改 革作为自主创新和提升竞争力的重要领域。积极探索和推进高水平人才教育培养 的最佳方案，构建以市场和社会需求为导向、学校和企业共同参与人才培养过程 的人才培养机制，尽最大可能调动学校、企业和学生各方面的积极性，打破了传 统人才培养模式中培养主体学校单一化格局。本项目培养了博士后、博士和硕士 30人，同时为相关企业培养了大批优秀的技术及管理人员。