巷道挤压大变形下围岩 - 支护相互作用的力学机制与实践策略研究

巷道挤压大变形下围岩-支护相互作用的力学机制与实践策略研究一、引言1.1研究背景与意义在各类地下工程，如煤矿开采、隧道建设、水利工程等领域中，巷道作为关键的通道结构，其稳定性直接关系到工程的安全运营与经济效益。随着开采深度的不断增加以及复杂地质条件的影响，巷道挤压大变形问题愈发突出，成为制约工程发展的关键因素之一。以煤矿开采为例，我国煤炭资源丰富，开采活动广泛。但近年来，随着浅部煤炭资源逐渐减少，开采逐渐向深部延伸。深部巷道所处的地应力环境更为复杂，高地应力、高地温、高水压以及强烈的采动影响，使得巷道围岩承受着巨大的压力，极易发生挤压大变形。这种大变形不仅导致巷道断面收缩，影响通风、运输和行人安全，还可能引发顶板垮落、片帮等严重的安全事故，对矿工的生命安全构成极大威胁。据相关统计数据显示，在一些深部煤矿开采区域，巷道因挤压大变形而需要频繁返修，每年耗费大量的人力、物力和财力，严重影响了煤炭生产效率，增加了生产成本。在隧道工程中，尤其是穿越复杂地质区域的隧道，如断层破碎带、软弱围岩地段等，巷道挤压大变形同样是一个棘手的问题。它会导致隧道衬砌结构承受过大的压力，出现开裂、剥落等损坏现象，降低隧道的使用寿命，增加后期维护成本。若变形过大且未能及时处理，还可能引发隧道坍塌等灾难性事故，对交通运营和周边环境造成严重影响。巷道围岩与支护结构之间存在着密切的相互作用关系。围岩在受到地应力、采动应力等作用时会发生变形，而支护结构则是为了限制围岩的过度变形，保持巷道的稳定性。但这种相互作用并非简单的线性关系，而是受到多种因素的影响，如围岩的力学性质、支护结构的类型和参数、施工工艺等。如果不能深入理解围岩-支护相互作用理论，就难以设计出合理的支护方案，导致支护效果不佳，无法有效控制巷道挤压大变形。因此，开展巷道挤压大变形及围岩-支护相互作用理论研究具有重要的现实意义和理论价值。从现实意义来看，深入研究巷道挤压大变形及围岩-支护相互作用理论，有助于准确掌握巷道变形规律和机制，从而制定出更加科学合理的支护方案，有效控制巷道变形，保障工程安全，提高生产效率，降低工程成本。从理论价值角度而言，该研究能够进一步丰富和完善岩石力学与地下工程领域的理论体系，为后续的工程实践和理论研究提供坚实的基础。1.2国内外研究现状在巷道挤压大变形及围岩-支护相互作用研究领域，国内外学者已取得了丰硕的成果。在巷道挤压大变形方面，国外学者较早开展了相关研究。20世纪中叶，随着地下工程的发展，岩石力学理论逐渐兴起，学者们开始关注巷道围岩在复杂应力条件下的变形问题。例如，基于连续介质力学理论，一些学者建立了巷道围岩变形的理论模型，通过解析方法分析了地应力、岩石力学参数等因素对巷道变形的影响。随着研究的深入，损伤力学、断裂力学等理论被引入到巷道变形研究中。如Smith等学者利用损伤力学理论，研究了巷道围岩在长期荷载作用下的损伤演化过程，揭示了损伤累积与巷道大变形之间的内在联系。在数值模拟技术方面，国外也处于领先地位，有限元、有限差分等数值方法被广泛应用于巷道变形模拟。通过建立精细化的数值模型，能够更准确地预测巷道在不同地质条件和施工工艺下的变形趋势。国内对巷道挤压大变形的研究起步相对较晚，但发展迅速。特别是近年来，随着我国煤炭、交通等基础设施建设的大规模开展，巷道挤压大变形问题日益突出，国内学者在该领域取得了众多成果。在深部巷道变形研究中，考虑到深部高地应力、高渗透压等特殊环境，国内学者提出了一系列新的理论和方法。如采用现场监测、室内试验与数值模拟相结合的手段，对深部巷道围岩的变形特征、破坏模式进行了深入分析。一些学者通过对深部煤矿巷道的长期监测，总结出了围岩变形随时间的变化规律，发现深部巷道围岩存在明显的蠕变现象，且蠕变变形在巷道总变形中占比很大。在软岩巷道变形研究方面，针对软岩的特殊力学性质，如低强度、高塑性、遇水膨胀等，国内学者开展了大量的室内试验研究，分析了软岩成分、结构与变形特性之间的关系，提出了适合软岩巷道的支护对策。在围岩-支护相互作用研究方面，国外学者在理论研究上取得了重要进展。20世纪60年代，奥地利学者Rabcewicz提出了新奥法（NATM），该方法强调充分利用围岩的自承能力，通过适时支护来控制围岩变形，其核心思想体现了围岩-支护相互作用的理念。此后，学者们围绕新奥法开展了大量的研究工作，进一步完善了围岩-支护相互作用理论。如基于弹塑性力学理论，建立了围岩-支护相互作用的解析模型，求解出了支护结构与围岩之间的相互作用力、变形协调关系等。在支护技术方面，国外不断研发新型的支护材料和结构。如Johnson等学者研究了高强度复合材料支架在软岩巷道中的应用效果，发现复合材料支架具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，能够有效提高巷道的支护效果。国内在围岩-支护相互作用研究方面也取得了显著成果。在理论研究上，国内学者结合我国地下工程的实际特点，对围岩-支护相互作用理论进行了深入探讨。考虑到巷道开挖过程中的时空效应、施工扰动等因素，建立了更加符合实际情况的围岩-支护相互作用模型。例如，通过引入损伤变量、考虑岩体的非线性力学行为，使模型能够更准确地描述围岩与支护之间的相互作用过程。在工程实践中，国内形成了多种针对不同地质条件的联合支护技术体系。如在深部破碎围岩巷道中，采用锚网索喷注+U型钢的联合支护方案，通过现场监测和数值模拟验证了该方案能够有效控制巷道变形，提高巷道的稳定性。在让压支护技术方面，国内学者提出了预应力锚索、可缩性支架等让压支护结构，研究了其让压原理和支护效果，为解决巷道大变形问题提供了有效的技术手段。尽管国内外在巷道挤压大变形及围岩-支护相互作用研究方面取得了众多成果，但仍存在一些不足之处。在巷道挤压大变形机理研究方面，虽然已经取得了一定的进展，但对于复杂地质条件下，如深部多场耦合（地应力、温度、渗流等）、节理裂隙发育岩体等，巷道大变形的内在机制尚未完全明确，现有的理论模型和分析方法还不能准确地描述和预测巷道的变形行为。在围岩-支护相互作用研究中，虽然已经建立了多种理论模型，但这些模型往往对实际情况进行了一定的简化，忽略了一些重要因素，如支护结构与围岩之间的接触非线性、岩体的各向异性等，导致模型的计算结果与实际情况存在一定的偏差。在支护技术方面，虽然已经开发了多种新型支护材料和结构，但在实际应用中，支护方案的选择往往缺乏科学的依据，主要依赖于工程经验，难以实现支护效果与成本的最优匹配。此外，对于巷道挤压大变形及围岩-支护相互作用的长期稳定性研究还相对较少，缺乏对巷道在长期服役过程中变形和力学性能演化规律的深入认识。二、巷道挤压大变形的案例分析2.1金川二矿1000m深巷道案例金川二矿作为我国重要的金属矿山之一，随着开采深度逐渐增加至1000m，其深部开采面临着复杂的地质环境。该区域处于青藏高原东北缘的前缘推挤效应影响范围内，导致地应力环境极为复杂。在这种复杂地质环境下，深部岩体呈现出“三高一扰动”的特点，即高地应力、高地温、高水压以及开采/开挖强扰动。这些因素相互作用，使得岩体常表现出脆性、脆塑性、延脆塑性等复杂地质力学行为，非线性大变形特征显著，深部巷道的大变形破坏问题也变得非常严重，巷道支护返修成本长期居高不下。从巷道大变形的特征来看，金川二矿1000m深巷道表现出多种变形形式。在850m水平，巷道出现了非对称变形，一侧边帮的变形量明显大于另一侧，导致巷道断面形状发生严重扭曲，影响了巷道的正常使用和后续维护。在610m水平，巷道发生片帮现象，帮部岩石在高应力作用下剥落、坍塌，不仅威胁到井下作业人员的安全，还会进一步削弱巷道围岩的稳定性，引发更大范围的变形和破坏。在630m水平，巷道边墙出现开裂，裂缝逐渐扩展，使得边墙的承载能力下降。在627m水平，底鼓现象较为突出，底板岩石在高应力和水的作用下向上隆起，导致巷道高度减小，影响通风和运输。在1158m水平，顶板开裂，顶板岩石出现裂缝，随着时间的推移，裂缝可能进一步扩展，导致顶板垮落。在850m水平，还出现了顶板下沉现象，顶板的下沉量较大，严重影响了巷道的安全使用。地应力对巷道挤压大变形的影响至关重要。通过采用耐高压小型水力压裂应力测量系统对金川二矿的应力场进行钻孔原位探测，在三个钻孔中共进行了17次水力压裂测量和7次印模试验，结果表明该区域应力场主要为走滑型应力，水平压缩力主导了区域应力场。收集汇编的9个钻孔的水力压裂测量数据显示，最大和最小水平主应力大小分别为7.10-56.73MPa和6.44-24.91MPa，最大水平主应力方向为NE-NNE方向，与区域构造应力场一致。高的地应力使得巷道围岩承受巨大的压力。当围岩强度不足以抵抗地应力时，就会发生塑性变形、破裂等现象，导致巷道挤压大变形。在构造应力场条件下，即侧压系数λ>1时，研究区850m水平围岩强度应力比（SSR）为0.04-0.10，均小于1，根据考虑地应力侧压系数的挤压大变形应力判别条件，该区域会发生围岩大变形。采用Hoek隧洞围岩变形预测公式计算研究区850m水平巷道围岩相对变形量，结果表明在构造应力场条件下，大部分情况下径向变形介于2.5%-10%之间，个别径向变形大于10%，整体为中等挤压大变形～严重挤压大变形，局部为非常严重挤压大变形。这与巷道实际的大变形破坏情况非常吻合，进一步说明了地应力是导致巷道挤压大变形的关键因素。2.2淮南朱集煤矿-906m东翼轨道大巷案例淮南朱集煤矿-906m东翼轨道大巷埋深达1020m，处于千米深部的特殊位置，其工程概况具有显著特点。巷道采用直墙半圆拱形设计，净宽×净高为5.4m×4.7m，这样的断面形状和尺寸是为了满足矿井运输、通风等生产需求。围岩主要为花斑泥岩，岩层大致呈水平向分布。该巷道作为连接井底车场和首采区的关键轨道运输大巷，设计服务年限长，对于矿井的正常生产和运营起着至关重要的作用，因此对其围岩变形控制有着极为严格的要求。该巷道开挖后，围岩产生了强烈的挤压变形，呈现出多种典型的变形特征。由于其处于东翼高地应力软弱围岩大断面高密度巷道群中，受到近距离临近巷道——东翼回风大巷及胶带大巷开挖扰动，二次和三次应力场相互叠加影响显著。巷道开挖后矿压显现剧烈，围岩裂隙快速萌生和扩展，导致不断产生强烈的挤压大变形。底鼓和顶沉现象严重，顶、底板移近速率高达28mm/d，这表明巷道围岩在垂直方向上受到了巨大的压力，导致顶板下沉和底板隆起。围岩时效变形特性明显，即使在开挖和支护较长时间后，仍未收敛稳定，这说明围岩的变形是一个持续的过程，受到多种因素的长期影响。多处U型钢支架倾斜、破坏，轨道歪斜扭曲，底板多处出现较大规模的张拉剪切裂缝等，这些现象表明巷道的支护结构在强大的围岩压力下已经失效，巷道失稳破坏严重，不仅影响了巷道的正常使用，还对矿井的安全生产构成了威胁。高地应力对该巷道变形的作用十分关键。通过现场地应力测试获取地应力值，发现该区域存在较高的地应力。高地应力使得巷道围岩承受着巨大的压力，当围岩的强度不足以抵抗这种压力时，就会发生塑性变形、破裂等现象。在高地应力作用下，围岩内部的应力状态发生改变，原本稳定的岩体结构被破坏，导致围岩裂隙快速萌生和扩展。这些裂隙的产生进一步削弱了围岩的强度，使得围岩更容易发生变形和破坏。高地应力还会导致巷道周边的应力集中，使得巷道的某些部位承受更大的压力，加剧了巷道的变形和破坏程度。软岩特性也是导致巷道变形的重要因素。朱集煤矿-906m东翼轨道大巷的围岩主要为花斑泥岩，这种软岩具有低强度、高塑性、遇水膨胀等特性。花斑泥岩的强度较低，无法承受高地应力的作用，容易发生塑性变形。其高塑性使得围岩在受到压力时容易发生流变现象，即随着时间的推移，变形不断增加。软岩遇水膨胀的特性在巷道开挖后，当围岩与地下水接触时，会导致围岩体积增大，从而对巷道支护结构产生更大的压力，进一步加剧巷道的变形和破坏。软岩的这些特性相互作用，使得巷道的变形控制变得更加困难。三、巷道挤压大变形的影响因素分析3.1地质因素3.1.1地应力地应力是影响巷道挤压大变形的关键地质因素之一。地应力主要由上覆岩层的重力、地质构造运动产生的构造应力以及岩体的自重应力等组成。在巷道开挖前，岩体处于原始应力平衡状态，但随着巷道的开挖，这种平衡被打破，巷道周围的岩体应力重新分布。当巷道处于高地应力区域时，围岩所承受的压力显著增大。例如，在深部矿井中，由于上覆岩层厚度大，地应力往往较高。据研究，深度每增加100m，垂直地应力大约增加2.5-3.0MPa。高地应力会使巷道围岩产生塑性变形、破裂等现象。当围岩的强度低于所承受的地应力时，围岩会发生屈服，产生塑性区。塑性区的不断扩大，会导致巷道周边岩体的承载能力下降，从而引发巷道挤压大变形。构造应力对巷道变形的影响也不容忽视。构造应力具有方向性和不均匀性，其作用会使巷道围岩的应力分布更加复杂。在构造应力作用下，巷道的某些部位会出现应力集中现象，导致这些部位的变形加剧。例如，在断层附近，由于构造应力的作用，巷道围岩更容易发生破坏和变形。有学者通过数值模拟研究发现，当构造应力方向与巷道轴线夹角为45°时，巷道围岩的应力集中程度最高，变形也最为严重。3.1.2岩石性质岩石性质是影响巷道挤压大变形的重要内在因素，它主要包括岩石的强度、弹性模量、泊松比、脆性、塑性以及岩石的矿物成分和结构等方面。这些性质决定了岩石在受力时的变形和破坏特征，进而对巷道的稳定性产生显著影响。岩石强度是衡量岩石抵抗外力破坏能力的重要指标，它与巷道挤压大变形密切相关。当巷道围岩的岩石强度较低时，如一些软岩，其抗压、抗拉和抗剪强度都相对较小，难以承受地应力和采动应力的作用。在这种情况下，围岩容易发生塑性变形、破裂和垮落等现象，导致巷道挤压大变形。以泥岩为例，其单轴抗压强度一般在5-20MPa之间，明显低于砂岩等硬岩。在相同的地应力条件下，泥岩巷道更容易出现大变形。岩石的弹性模量反映了岩石在弹性阶段抵抗变形的能力。弹性模量越大，岩石在受力时的弹性变形越小；反之，弹性模量越小，岩石越容易发生弹性变形。对于巷道围岩来说，如果岩石的弹性模量较小，在受到地应力和采动应力作用时，会产生较大的弹性变形，进而引发巷道的挤压大变形。泊松比则描述了岩石在横向应变与纵向应变之间的关系。泊松比大的岩石，在纵向受力时，横向变形较大。这对于巷道围岩的变形也有重要影响。例如，在巷道开挖后，围岩的应力状态发生改变，泊松比大的岩石会在横向产生较大的变形，从而加剧巷道的变形程度。岩石的脆性和塑性是其变形特性的重要体现。脆性岩石在受力时，变形较小，一旦达到其强度极限，就会突然发生破裂，呈现出脆性破坏的特征。而塑性岩石在受力时，能够产生较大的塑性变形，通过塑性流动来适应外力的作用。在巷道工程中，脆性岩石巷道容易发生片帮、冒顶等突发性破坏，而塑性岩石巷道则表现为持续的大变形。岩石的矿物成分和结构对其力学性质有着重要的影响。不同的矿物成分具有不同的力学性能，例如，石英含量高的岩石，其强度一般较高；而黏土矿物含量高的岩石，强度较低，且具有遇水膨胀的特性。岩石的结构包括颗粒大小、颗粒间的胶结方式、层理和节理等。结构面的存在会降低岩石的整体强度，增加岩石的渗透性，从而影响巷道围岩的稳定性。例如，节理发育的岩石，在受力时容易沿着节理面发生滑动和破坏，导致巷道变形。3.1.3岩体结构岩体结构是由岩石块体和结构面组成的复杂地质结构体，其对巷道挤压大变形的影响主要通过结构面的特征、岩石块体的组合方式以及岩体的完整性等方面体现出来。结构面是岩体中具有一定方向、厚度和连续性的地质界面，如节理、断层、层理等。结构面的存在改变了岩体的力学性质和应力分布状态。结构面的产状（走向、倾向和倾角）对巷道变形有着重要影响。当结构面的倾向与巷道轴线方向一致时，且倾角较小时，巷道围岩容易沿着结构面发生滑动和垮落，导致巷道变形。结构面的间距反映了结构面的密集程度。间距越小，结构面越密集，岩体被分割得越破碎，其整体强度越低，巷道围岩也就越容易发生变形。例如，在节理密集发育的岩体中，巷道开挖后，围岩的应力集中现象更加明显，容易出现片帮、冒顶等破坏现象。结构面的粗糙度影响着结构面之间的摩擦力和抗剪强度。粗糙度越大，结构面之间的摩擦力越大，抗剪强度越高，岩体的稳定性相对较好；反之，粗糙度越小，结构面之间的摩擦力和抗剪强度越低，岩体容易沿着结构面发生滑动，导致巷道变形。岩石块体的大小和形状也会影响巷道的稳定性。较大的岩石块体具有较高的承载能力，能够在一定程度上抵抗巷道围岩的变形；而较小的岩石块体，其承载能力较低，容易在应力作用下发生移动和破坏，从而加剧巷道的变形。岩石块体的形状不规则时，会导致岩体内部的应力分布不均匀，增加巷道变形的可能性。岩体的完整性是衡量岩体结构好坏的重要指标。完整性好的岩体，其内部结构面较少，岩石块体之间的连接紧密，整体强度较高，巷道开挖后，围岩的变形相对较小；而完整性差的岩体，由于内部结构面发育，岩石块体破碎，整体强度低，巷道围岩容易发生大变形。在断层破碎带等岩体完整性差的区域，巷道支护难度大，变形问题往往比较突出。3.2工程因素3.2.1巷道断面形状巷道断面形状是影响巷道稳定性和变形的重要工程因素之一。不同的断面形状在承受地应力和围岩压力时，其应力分布和变形特征存在显著差异。常见的巷道断面形状有矩形、梯形、直墙拱形（如三心拱形、半圆拱形、圆弧拱形）、封闭拱形、椭圆形、圆形等。矩形断面巷道具有施工方便、空间利用率高的优点，在一些浅部开采或地应力较小的区域应用较为广泛。但矩形断面的应力分布不均匀，在四个角点处容易出现应力集中现象。当受到地应力作用时，角点处的应力集中可能导致围岩破裂、片帮等问题，进而引发巷道变形。研究表明，在相同的地应力条件下，矩形巷道的变形量明显大于其他形状的巷道。梯形断面巷道主要应用于采区巷道等，其特点是上窄下宽，具有一定的稳定性。但梯形断面同样存在应力分布不均匀的问题，在两帮和顶底角处容易出现应力集中。与矩形断面相比，梯形断面的受力情况略有改善，但在高地应力条件下，其变形控制效果仍不理想。直墙拱形巷道是目前应用最为广泛的巷道断面形状之一，包括三心拱形、半圆拱形和圆弧拱形等。直墙拱形巷道的拱部能够将围岩压力有效地传递到两帮，使应力分布相对均匀，从而提高巷道的稳定性。半圆拱形巷道的拱高与跨度之比为1:2，其力学性能较好，在高地应力区域应用较多。但半圆拱形巷道的施工难度相对较大，成本较高。三心拱形巷道的拱部由三个圆心组成，其拱高与跨度之比一般为1:3，施工相对容易，成本较低，但在承受较大地应力时，其稳定性略逊于半圆拱形巷道。封闭拱形、椭圆形和圆形断面巷道具有更好的受力性能，能够有效地抵抗高地应力和围岩压力。这些断面形状的巷道在深部开采或软岩巷道中应用越来越广泛。封闭拱形巷道在直墙拱形的基础上，增加了底板的拱形结构，能够有效地控制底鼓现象。椭圆形巷道的长轴和短轴方向可以根据主应力方向进行调整，使其受力更加合理。圆形巷道的受力最为均匀，在高地应力和复杂地质条件下，其变形最小，但圆形巷道的施工难度最大，成本也最高。为了更直观地了解不同断面形状巷道的受力和变形情况，通过数值模拟软件建立了不同断面形状的巷道模型，在相同的地应力条件下进行模拟分析。结果表明，圆形巷道的周边应力分布最为均匀，其变形量最小；矩形巷道的应力集中最为明显，变形量最大；直墙拱形巷道的应力分布和变形量介于圆形和矩形巷道之间。在实际工程中，应根据巷道所处的地质条件、地应力大小和方向、巷道用途等因素，综合考虑选择合适的断面形状，以降低巷道的变形风险，提高巷道的稳定性。3.2.2开挖方式巷道开挖方式对围岩的扰动程度和巷道的变形有着重要影响。常见的开挖方式有钻爆法、机械化掘进法（如悬臂式掘进机掘进、连续采煤机掘进等）和盾构法等。钻爆法是通过钻孔、装药、爆破等工序将岩石破碎，从而形成巷道空间。钻爆法具有适应性强、成本较低的优点，在各类矿山和隧道工程中应用广泛。但钻爆法在爆破过程中会产生强烈的震动和冲击，对围岩造成较大的扰动，破坏围岩的原始结构，使围岩的强度降低，裂隙增多。这些扰动会导致巷道周边围岩的应力重新分布，增加巷道变形的风险。例如，在一些硬岩巷道中，采用钻爆法开挖后，由于爆破震动的影响，围岩出现了大量的裂隙，导致巷道围岩的稳定性下降，变形量增大。机械化掘进法是利用掘进机等机械设备直接切割岩石，形成巷道断面。悬臂式掘进机具有灵活性高、适应性强的特点，能够根据巷道的形状和尺寸进行灵活调整。连续采煤机则适用于煤层巷道的快速掘进，具有掘进速度快、效率高的优点。机械化掘进法相对于钻爆法，对围岩的扰动较小，能够较好地保持围岩的原始结构和强度。研究表明，采用悬臂式掘进机掘进的巷道，其围岩的松动圈范围明显小于钻爆法开挖的巷道，巷道的变形量也相对较小。机械化掘进法也存在一些局限性，如设备成本较高、对地质条件的适应性相对较弱等。盾构法主要应用于城市地铁隧道等大型地下工程，它是利用盾构机在地下挖掘并同时进行衬砌支护，形成完整的隧道结构。盾构法具有施工速度快、对周围环境影响小、能够有效控制地层变形等优点。在盾构施工过程中，盾构机的刀盘切削土体，通过千斤顶推动盾构机前进，同时在盾尾进行管片拼装，形成隧道衬砌。盾构法能够在一定程度上平衡地应力，减少对围岩的扰动，从而有效地控制巷道的变形。但盾构法的设备投资巨大，施工工艺复杂，对施工场地和技术要求较高。不同的开挖方式对巷道变形的影响机制不同。钻爆法主要通过爆破震动和冲击破坏围岩结构，导致应力集中和变形；机械化掘进法虽然对围岩扰动较小，但在掘进过程中也会产生一定的应力释放和变形；盾构法通过平衡地应力和及时支护，能够较好地控制变形，但对设备和施工技术要求严格。在实际工程中，应根据巷道的地质条件、断面尺寸、施工要求等因素，选择合适的开挖方式，以减小对围岩的扰动，降低巷道变形的风险。3.2.3支护时机支护时机是影响巷道围岩稳定性和变形控制的关键因素之一。合理的支护时机能够有效地限制围岩的变形，提高巷道的稳定性；而支护时机不当，则可能导致围岩过度变形，甚至失稳破坏。在巷道开挖后，围岩会经历一个应力调整和变形发展的过程。初期，围岩的变形速率较快，随着时间的推移，变形速率逐渐减小。如果在围岩变形初期就及时进行支护，能够有效地约束围岩的变形，使围岩与支护结构共同承载，形成稳定的承载体系。例如，在一些浅部巷道中，采用及时支护的方式，能够在围岩变形较小的情况下，就将其控制住，保证巷道的正常使用。如果支护时机过晚，围岩已经发生了较大的变形，此时再进行支护，支护结构需要承受更大的围岩压力，支护效果会大打折扣。围岩的过度变形可能导致其内部结构破坏，强度降低，即使后期进行支护，也难以恢复其原有的稳定性。在深部高地应力巷道中，如果支护不及时，围岩可能会出现塑性大变形、破裂等现象，导致巷道失稳，需要进行二次支护或多次返修，增加了工程成本和安全风险。确定合理的支护时机需要综合考虑多种因素。围岩的性质是重要因素之一，软岩围岩的变形速率较快，且具有流变特性，需要尽早进行支护；而硬岩围岩的变形相对较小，支护时机可以适当延迟。地应力大小也会影响支护时机的选择，高地应力条件下，围岩的变形和破坏更为迅速，应及时进行支护。巷道的用途和服务年限也对支护时机有要求，对于服务年限较长的巷道，需要更加注重支护时机的选择，以保证其长期稳定性。目前，确定支护时机的方法主要有现场监测法、理论分析法和数值模拟法等。现场监测法通过在巷道围岩中布置监测点，实时监测围岩的变形情况，根据变形速率和变形量来确定支护时机。理论分析法是根据岩石力学理论，建立围岩变形和支护的力学模型，通过计算分析来确定合理的支护时机。数值模拟法则是利用数值模拟软件，对巷道开挖和支护过程进行模拟，预测围岩的变形和应力分布，从而确定最佳的支护时机。在实际工程中，通常将多种方法结合起来，综合判断支护时机，以确保巷道的稳定性和安全性。四、围岩-支护相互作用理论基础4.1基本概念与原理在地下工程领域，深入理解围岩-支护相互作用理论，需先明晰相关基础概念。初始应力场，也被称作原岩应力场，是指在洞室开挖之前，岩体所处的相对稳定且平衡的应力状态。它主要由上覆岩层的重力、地质构造运动产生的构造应力以及岩体自身的自重应力等多种因素共同构成。初始应力场的分布并非均匀一致，而是受到地质构造、地形地貌以及岩体性质等多种因素的显著影响。在一些地质构造活动频繁的区域，构造应力可能在初始应力场中占据主导地位；而在地势较为平坦的地区，上覆岩层的重力则可能成为决定初始应力场的关键因素。当洞室开挖时，原本处于平衡状态的初始应力场被打破。由于围岩在开挖面处解除了约束，其内部的应力状态发生改变，各点的应力重新分布，以适应新的边界条件。这种由于洞室开挖而导致的应力重新分布现象，被称为应力重分布。应力重分布主要集中在洞室周围的有限范围内，在此范围之外，岩体仍保持着初始应力状态。洞室周边的围岩应力变化最为明显，随着与洞室距离的增加，应力变化逐渐减小，直至趋近于初始应力状态。围岩是指洞室周围发生应力重分布的这部分岩体。在应力重分布过程中，围岩会产生变形和位移。如果围岩自身的强度和稳定性足够，能够承受重分布后的应力，洞室则可保持稳定；反之，若围岩强度不足，无法承受重分布应力，就会发生破坏，进而影响洞室的稳定性。不同类型的围岩，其力学性质和变形特性存在显著差异。例如，坚硬完整的岩体，其强度高、变形小，在应力重分布过程中能够较好地保持自身的稳定性；而软弱破碎的岩体，强度低、变形大，容易在应力作用下发生破坏和变形。重新分布后的应力状态被称为二次应力状态，也称作围岩应力状态。二次应力状态的分布与岩体的初始应力状态、洞室断面形状以及岩体特性等因素密切相关。在圆形洞室中，当侧压系数（水平应力与垂直应力的比值）为1时，洞周的切向应力达到最大值，径向应力为0；当侧压系数不为1时，洞周的应力分布会更加复杂，可能出现拉应力区和压应力区。洞室断面形状对二次应力状态也有重要影响，如圆形断面受力状态相对较好，而矩形断面在角点处容易出现应力集中现象。在洞室开挖后，适时地沿隧道周边设置支护结构，此时便会进入三次应力状态，即支护与围岩相互作用状态。支护结构对岩体的移动产生阻力，形成约束；相应地，支护结构也将承受围岩所给予的作用力，并产生变形。支护结构变形后所能提供的阻力会有所增加，而围岩却在变形过程中释放了部分能量，进一步变形的趋势有所减弱，需要支护结构提供的阻力以及支护结构所承受的作用力都将降低。如果支护结构具备一定的强度和刚度，这种围岩和支护结构的相互作用会一直持续，直到支护所提供的阻力与围岩作用力之间达到平衡，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系。不同类型的支护结构，如锚杆、锚索、喷射混凝土、钢支撑等，与围岩的相互作用方式和效果各不相同。锚杆主要通过提供锚固力，增强围岩的整体性和稳定性；喷射混凝土则能够及时封闭围岩表面，防止围岩风化和剥落，并与围岩形成共同承载体系。围岩-支护相互作用是一个动态的过程，受到多种因素的影响。在实际工程中，需要综合考虑这些因素，合理设计支护结构，以确保洞室的稳定性。4.2相互作用的力学模型在研究巷道围岩-支护相互作用时，常用的力学模型有多种，每种模型都基于特定的假设条件，具有各自的应用范围。弹性力学模型是一种较为基础的模型，它假设围岩和支护均为连续、均匀、各向同性的弹性体。在该模型中，巷道开挖后，围岩和支护的变形遵循胡克定律，即应力与应变成正比。对于一些浅部巷道，当围岩性质较为均一，且地应力相对较小，巷道变形主要处于弹性阶段时，弹性力学模型能够较好地描述围岩-支护相互作用。例如，在一些岩石强度较高、完整性好的浅部矿山巷道中，采用弹性力学模型计算得到的围岩应力和位移与实际测量结果较为吻合。但该模型忽略了围岩的塑性变形、岩体的非均质性和各向异性等实际特性，在深部巷道或复杂地质条件下，其计算结果与实际情况可能存在较大偏差。弹塑性力学模型考虑了围岩的塑性变形特性，假设围岩在达到屈服条件后进入塑性状态。该模型基于摩尔-库仑准则、德鲁克-普拉格准则等屈服准则来判断围岩是否进入塑性。在深埋巷道或围岩强度较低的情况下，围岩容易发生塑性变形，此时弹塑性力学模型更能准确地描述围岩-支护相互作用。以深部煤矿巷道为例，由于高地应力的作用，巷道周边围岩往往会出现较大范围的塑性区，采用弹塑性力学模型能够合理地分析塑性区的发展以及支护结构与围岩之间的相互作用力。但弹塑性力学模型对于岩体的复杂力学行为，如应变软化、扩容等，考虑仍不够全面，在某些情况下可能会影响计算结果的准确性。损伤力学模型引入损伤变量来描述岩体在受力过程中的损伤演化，认为岩体的力学性能随着损伤的发展而劣化。该模型考虑了岩体内部微裂纹的萌生、扩展和贯通等过程对围岩-支护相互作用的影响。在节理裂隙发育的岩体中，损伤力学模型能够更真实地反映围岩的力学行为和变形破坏过程。例如，在隧道穿越断层破碎带时，岩体存在大量的节理和裂隙，采用损伤力学模型可以分析损伤对围岩稳定性和支护结构受力的影响，为支护设计提供更可靠的依据。损伤力学模型的参数确定较为复杂，且目前对于损伤机制的认识还不够深入，限制了其在实际工程中的广泛应用。流变力学模型主要考虑了岩体的流变特性，即岩体的变形随时间而变化的特性。该模型适用于软岩巷道、深部巷道等岩体具有明显流变行为的情况。在软岩巷道中，围岩的流变变形可能在巷道总变形中占很大比例，采用流变力学模型能够准确预测巷道围岩的长期变形和稳定性。通过建立流变力学模型，可以分析支护结构与围岩在长期流变过程中的相互作用，确定合理的支护时间和支护参数。但流变力学模型的参数较多，且不同地区、不同类型岩体的流变参数差异较大，获取准确的流变参数较为困难。离散元模型将岩体视为由离散的块体组成，块体之间通过节理、裂隙等结构面相互连接。该模型能够很好地模拟岩体的不连续性和大变形行为，适用于块状岩体和节理岩体。在巷道开挖过程中，离散元模型可以直观地展示块体的运动、相互作用以及失稳破坏过程。例如，在地下洞室开挖中，当围岩由块状岩体组成时，采用离散元模型可以准确地分析块体的滑落、坠落等破坏形式，以及支护结构对块体的约束作用。离散元模型的计算量较大，计算效率相对较低，且对于连续介质的模拟效果不如其他模型。五、围岩-支护相互作用的影响因素5.1支护结构类型与参数支护结构类型与参数对围岩-支护相互作用有着显著影响。常见的支护结构类型多样，不同类型的支护结构在控制巷道变形、承受围岩压力等方面表现出不同的特性。拱形支护是一种应用广泛的支护形式，如半圆拱形、三心拱形等。半圆拱形支护的力学性能较好，能够将围岩压力有效地传递到两帮，使应力分布相对均匀。在深部高地应力巷道中，半圆拱形支护能够较好地适应围岩的变形，控制巷道的收敛。通过数值模拟研究发现，在相同的地应力条件下，采用半圆拱形支护的巷道，其周边应力集中程度明显低于矩形支护巷道，巷道的变形量也较小。三心拱形支护施工相对容易，成本较低，但在承受较大地应力时，其稳定性略逊于半圆拱形支护。在一些地质条件相对较好、地应力较小的巷道中，三心拱形支护能够满足工程要求，且具有一定的经济性。钢拱支护包括工字钢拱架、U型钢拱架等，具有强度高、刚度大的特点，能够迅速提供较大的支护抗力。在软弱围岩巷道中，钢拱支护能够有效地限制围岩的过度变形，防止巷道坍塌。工字钢拱架的承载能力较强，适用于高地应力、围岩破碎的巷道。U型钢拱架则具有可缩性，能够适应围岩的大变形，在软岩巷道和深部巷道中应用较多。在某软岩巷道工程中，采用U型钢可缩性支架支护，通过现场监测发现，U型钢支架能够随着围岩的变形而收缩，有效地控制了巷道的变形，保证了巷道的稳定性。锚杆支护是通过锚杆将围岩与稳定岩体连接在一起，增强围岩的整体性和稳定性。锚杆的锚固方式有端锚、全锚等，不同的锚固方式对围岩的作用效果不同。全锚方式能够更好地约束围岩的变形，提高围岩的承载能力。锚杆的长度和间距也会影响支护效果，合理的锚杆长度和间距能够使锚杆的支护作用得到充分发挥。通过数值模拟和现场试验研究表明，增加锚杆长度可以有效地控制巷道围岩变形，减小顶板下沉量和底板底膨量。当锚杆间距过大时，围岩容易出现局部失稳现象；而间距过小时，会增加支护成本，且可能对围岩造成过多的扰动。喷射混凝土支护能够及时封闭围岩表面，防止围岩风化和剥落，同时与围岩形成共同承载体系。喷射混凝土的厚度和强度对支护效果有重要影响。适当增加喷射混凝土的厚度和强度，能够提高其对围岩的支护能力。在一些破碎围岩巷道中，采用喷射混凝土支护，并配合锚杆、钢筋网等，形成联合支护体系，有效地控制了巷道的变形。喷射混凝土的施工工艺也会影响其与围岩的粘结效果和支护性能，如喷射压力、喷射角度等。在实际工程中，往往采用联合支护的方式，将多种支护结构组合在一起，充分发挥各自的优势，以达到更好的支护效果。在深部破碎围岩巷道中，采用锚网索喷注+U型钢的联合支护方案，通过锚杆和锚索提供锚固力，钢筋网增强喷射混凝土的整体性，喷射混凝土封闭围岩表面，注浆加固围岩，U型钢提供较大的支护抗力，有效地控制了巷道的变形，提高了巷道的稳定性。通过现场监测和数值模拟验证了该联合支护方案的有效性，为类似工程提供了参考。5.2支护时间与施工工艺支护时间的选择对围岩-支护相互作用及巷道稳定性有着至关重要的影响。在巷道开挖后，围岩会经历一个应力调整和变形发展的过程。初期，围岩的变形速率较快，随着时间的推移，变形速率逐渐减小。如果在围岩变形初期就及时进行支护，能够有效地约束围岩的变形，使围岩与支护结构共同承载，形成稳定的承载体系。以某浅部煤矿巷道为例，该巷道采用及时支护的方式，在开挖后短时间内就安装了锚杆和喷射混凝土支护，有效地控制了围岩的变形，保证了巷道的正常使用。若支护时间过晚，围岩已经发生了较大的变形，此时再进行支护，支护结构需要承受更大的围岩压力，支护效果会大打折扣。围岩的过度变形可能导致其内部结构破坏，强度降低，即使后期进行支护，也难以恢复其原有的稳定性。在深部高地应力巷道中，如果支护不及时，围岩可能会出现塑性大变形、破裂等现象，导致巷道失稳，需要进行二次支护或多次返修，增加了工程成本和安全风险。确定合理的支护时间需要综合考虑多种因素。围岩的性质是重要因素之一，软岩围岩的变形速率较快，且具有流变特性，需要尽早进行支护；而硬岩围岩的变形相对较小，支护时间可以适当延迟。地应力大小也会影响支护时间的选择，高地应力条件下，围岩的变形和破坏更为迅速，应及时进行支护。巷道的用途和服务年限也对支护时间有要求，对于服务年限较长的巷道，需要更加注重支护时间的选择，以保证其长期稳定性。施工工艺同样会对围岩-支护相互作用产生影响。不同的施工工艺在施工过程中对围岩的扰动程度不同，进而影响围岩的力学性质和变形特征。钻爆法施工会产生较大的震动和冲击，对围岩造成一定的破坏，使围岩的强度降低，裂隙增多。在采用钻爆法施工的巷道中，围岩的松动圈范围往往较大，需要加强支护措施来控制围岩变形。而机械化掘进法，如悬臂式掘进机掘进，对围岩的扰动相对较小，能够较好地保持围岩的完整性和力学性能。采用悬臂式掘进机施工的巷道，围岩的松动圈范围较小，支护难度相对较低。但机械化掘进法也存在一些局限性，如设备成本较高、对地质条件的适应性相对较弱等。在支护结构的施工过程中，施工工艺的质量也会影响支护效果。例如，锚杆的安装质量对其锚固力有很大影响，如果锚杆的锚固长度不足、锚固剂填充不饱满等，会导致锚杆的锚固力降低，无法有效地约束围岩的变形。喷射混凝土的施工工艺也很关键，喷射压力、喷射角度、喷射厚度等参数都会影响喷射混凝土与围岩的粘结效果和支护性能。在实际工程中，应严格控制施工工艺的质量，确保支护结构能够发挥其应有的作用。六、基于案例的围岩-支护相互作用分析6.1案例巷道的支护方案与实施为深入探究围岩-支护相互作用，以某煤矿深部巷道为具体案例展开分析。该巷道埋深达800m，处于高地应力区域，地应力测试结果显示，最大主应力达到25MPa，方向为NE30°，最小主应力为12MPa。巷道围岩主要为泥岩和砂岩互层，泥岩强度较低，单轴抗压强度仅为15MPa，砂岩强度相对较高，单轴抗压强度为40MPa。由于受到高地应力和围岩性质的影响，巷道开挖后变形严重，出现了顶板下沉、两帮鼓出和底鼓等现象，严重影响了巷道的正常使用和安全生产。针对该巷道的复杂情况，设计了一套联合支护方案。在巷道开挖后，首先采用喷射混凝土进行初次支护，喷射混凝土厚度为100mm，强度等级为C20。喷射混凝土能够及时封闭围岩表面，防止围岩风化和剥落，同时为围岩提供一定的支护抗力。喷射混凝土施工时，严格控制喷射压力在0.5-0.7MPa，喷射角度与受喷面垂直，以确保喷射混凝土与围岩的粘结效果。在喷射混凝土的基础上，布置锚杆支护。锚杆采用直径22mm的螺纹钢，长度为2.5m，间排距为1.0m×1.0m。锚杆采用全长锚固方式，锚固剂选用高强度树脂锚固剂，每根锚杆使用3支锚固剂。锚杆的作用是将围岩与深部稳定岩体连接在一起，增强围岩的整体性和稳定性，提高围岩的自承载能力。在施工过程中，严格按照设计要求进行锚杆安装，确保锚杆的锚固力达到100kN以上。为进一步提高支护效果，在巷道顶部和两帮布置锚索支护。锚索采用直径17.8mm的钢绞线，长度为6.0m，间排距为2.0m×2.0m。锚索同样采用全长锚固方式，每根锚索使用5支锚固剂。锚索能够提供较大的预紧力，对围岩进行主动加固，有效控制巷道的顶板下沉和两帮变形。在锚索施工时，先钻孔，然后将锚索插入孔内，安装锚固剂并进行张拉，张拉预紧力控制在150kN以上。在巷道底部，采用底角锚杆和底梁联合支护的方式来控制底鼓。底角锚杆采用直径20mm的螺纹钢，长度为2.0m，与巷道底板夹角为45°，间排距为1.0m×1.0m。底梁采用11号工字钢，沿巷道纵向布置，与底角锚杆连接牢固。底角锚杆和底梁能够有效限制底板岩石的隆起，提高巷道底部的稳定性。在支护方案实施过程中，严格按照设计要求和施工规范进行操作。在喷射混凝土施工前，对巷道围岩表面进行清理，确保喷射混凝土与围岩能够紧密粘结。在锚杆和锚索施工时，采用专门的钻孔设备和安装工具，保证钻孔质量和锚杆、锚索的安装精度。在底角锚杆和底梁施工时，注意底角锚杆的角度和底梁的安装位置，确保其能够发挥有效的支护作用。同时，加强施工过程中的质量检测，对锚杆、锚索的锚固力、喷射混凝土的强度等进行实时监测，确保支护质量符合要求。6.2相互作用的监测与数据分析为了深入研究案例巷道中围岩与支护结构之间的相互作用，采用了现场监测与数值模拟相结合的方法。在现场监测方面，布置了多种类型的监测仪器。在巷道围岩内部，沿巷道轴向每隔10m布置一个多点位移计，用于监测围岩不同深度处的位移变化，以了解围岩内部的变形分布情况。在巷道表面，每隔5m设置一个测站，每个测站安装一组收敛计，监测巷道顶底板和两帮的收敛变形。同时，在锚杆和锚索上安装了应力计，实时监测锚杆和锚索的受力情况。在喷射混凝土中预埋了压力盒，用于测量喷射混凝土所承受的围岩压力。监测数据的采集频率根据巷道的变形情况进行调整。在巷道开挖初期，变形速率较快，每2小时采集一次数据；随着变形逐渐稳定，采集频率调整为每天一次。通过长期的监测，获得了大量的围岩变形和支护结构受力数据。从监测数据中可以看出，巷道开挖后，围岩变形迅速增加，在初期阶段，变形速率较大，随着时间的推移，变形速率逐渐减小。在支护结构施加后，围岩变形得到了有效的控制，但仍有一定的残余变形。锚杆和锚索的受力在支护初期迅速增加，随后逐渐趋于稳定，表明支护结构与围岩之间的相互作用逐渐达到平衡。喷射混凝土所承受的围岩压力也在初期较大，随着围岩变形的稳定，压力逐渐减小。为了进一步分析围岩-支护相互作用的规律，利用数值模拟软件FLAC3D对巷道开挖和支护过程进行了模拟。建立了与实际巷道尺寸和地质条件相同的数值模型，模型中考虑了围岩的非线性力学特性、支护结构的力学性能以及它们之间的相互作用。在模拟过程中，采用了摩尔-库仑屈服准则来描述围岩的塑性变形，通过逐步开挖巷道和施加支护结构，模拟了巷道开挖和支护的全过程。将数值模拟结果与现场监测数据进行对比分析。在围岩位移方面，数值模拟得到的巷道顶底板和两帮的位移变化趋势与现场监测数据基本一致，验证了数值模型的可靠性。在支护结构受力方面，数值模拟得到的锚杆、锚索和喷射混凝土的受力情况与现场监测数据也具有较好的吻合度。通过数值模拟，可以更直观地观察到巷道开挖过程中围岩应力和位移的分布变化情况，以及支护结构与围岩之间的相互作用机制。通过对监测数据和数值模拟结果的综合分析，总结出了该案例巷道围岩-支护相互作用的规律。在巷道开挖初期，围岩变形主要是由于应力释放引起的，此时支护结构的作用主要是限制围岩的自由变形，减少围岩的松动范围。随着时间的推移，围岩与支护结构之间逐渐形成共同承载体系，支护结构承担了部分围岩压力，围岩的变形得到有效控制。在高地应力和复杂地质条件下，围岩-支护相互作用更加复杂，需要合理设计支护结构，确保其能够适应围岩的变形和承载要求。6.3支护效果评价与优化建议通过对案例巷道支护方案实施后的监测数据和数值模拟结果分析可知，该支护方案在一定程度上有效地控制了巷道围岩的变形，保障了巷道的稳定性。从监测数据来看，巷道顶底板和两帮的收敛变形在支护后逐渐趋于稳定，变形速率明显降低。锚杆和锚索的受力也在合理范围内，表明它们有效地承担了部分围岩压力，增强了围岩的整体性和稳定性。喷射混凝土与围岩紧密结合，起到了封闭围岩表面、防止风化和剥落的作用。然而，该支护方案仍存在一些不足之处。在局部区域，如巷道的两帮底部，由于受到较大的剪切应力作用，出现了一定程度的片帮现象。这表明在该区域的支护强度可能不足，需要进一步加强。锚索的预应力损失问题也较为突出，随着时间的推移，部分锚索的预应力有所降低，影响了其对围岩的主动加固效果。这可能是由于锚索的锚固质量、岩体的蠕变等因素导致的。针对这些问题，提出以下优化建议：在巷道两帮底部等薄弱区域，增加锚杆和锚索的密度，提高支护强度。可以采用加长锚杆或增加锚索的长度，以锚固到更深层的稳定岩体中。对于锚索预应力损失问题，定期对锚索进行张拉，补充预应力。同时，优化锚索的锚固工艺，提高锚固质量，减少预应力损失。加强对巷道围岩的监测，及时发现潜在的安全隐患，并采取相应的措施进行处理。该案例巷道的支护方案为类似工程提供了重要的参考。在实际工程中，应根据巷道的地质条件、地应力大小和方向等因素，合理设计支护方