软岩巷道变形控制与支护优化研究

摘要：软岩巷道变形控制一直是地下工程建设中的重要难题，其变形机制复杂，支护设计需要在安全性与经济性之间取得平衡。文章通过分析软岩的力学特性和变形破坏模式，探讨不同支护形式的适用性及其优化设计方法，提出了一套基于理论分析、数值模拟与工程实践相结合的支护优化策略。同时结合典型工程案例与智能监测技术的应用，验证支护优化方案在实际工程中的可行性与效果。研究表明，合理的支护设计不仅能够有效控制软岩巷道变形，还能提高施工效率和安全性，为类似工程提供了重要的参考价值。

关键词：软岩巷道；变形控制；支护优化；力学特性；智能监测

软岩巷道在矿山开采、交通隧道和地下空间开发等领域具有重要应用，但由于软岩围岩的低强度、高塑性和显著的蠕变特性，其变形控制一直是工程界关注的焦点。软岩巷道变形不仅受岩体自身特性和地应力条件的影响，还与地下水渗透作用及施工工艺密切相关。在高地应力条件下，软岩巷道围岩极易发生显著的变形与破坏，严重影响施工进度和运营安全。传统的支护技术虽然能在一定程度上缓解巷道变形，但在应对复杂地质条件时，往往存在支护不足或过度支护的问题，亟需通过优化设计提升支护效果。近年来，随着数值模拟技术和智能监测手段的快速发展，为研究软岩巷道变形机制和支护优化提供了新的技术支持，推动了这一领域研究的深入开展。

一、软岩巷道变形机制分析

（一）软岩力学特性及其影响因素

软岩具有显著的低强度、高塑性和蠕变特性，其围岩力学行为主要受矿物成分、结构特征和地质环境等因素的影响。在复杂地质条件下，软岩表现出非线性变形特征，包括应力软化、膨胀效应以及显著的时效蠕变。地下水对软岩变形的影响尤为关键，水的渗透作用会降低岩体强度并加速蠕变。例如，在某地下工程的巷道中，软岩围岩的单轴抗压强度仅为515 MPa，弹性模量约为12 GPa，而渗透压力显著提高了岩体塑性区范围，需重点控制地下水对围岩的软化作用。

（二）软岩巷道变形破坏模式

软岩巷道的变形破坏模式主要包括剪切破坏、膨胀破坏和挤压破坏，这些模式常因地质条件和应力环境的不同而交替或叠加出现。剪切破坏多发生在软弱结构面发育的围岩中，表现为岩体的局部滑移和剪切带的形成，其特征是沿结构面产生明显的滑动位移，常伴随岩块脱落，直接威胁支护体系的稳定性[1]。膨胀破坏通常由围岩中的膨胀性黏土矿物（如蒙脱石、伊利石）吸水膨胀引起，其结果是围岩体积显著增加，衬砌结构承载力下降，导致巷道变形加剧，甚至产生衬砌破裂。挤压破坏则是高地应力条件下的典型破坏模式，表现为围岩发生大范围塑性流动，挤压作用使巷道断面缩小，变形量严重超标。施工过程中，需要通过精确监测围岩的变形量及其时空分布，结合施工现场实际情况，及时判断破坏模式的主导类型，采取针对性的支护加固措施。

（三）软岩巷道变形的力学机制

软岩巷道变形是地应力、围岩性质与支护体系共同作用的结果，其力学行为复杂且动态变化。在高地应力条件下，围岩内应力集中，塑性区扩展形成明显的大变形区，严重威胁巷道的结构稳定性和施工安全[2]。围岩与支护结构之间的相互作用力学行为直接决定了巷道变形的稳定性和支护效果。例如，某工程通过数值模拟发现，当支护结构刚度不足时，围岩的塑性变形会迅速扩展，导致支护结构失稳甚至破坏；而若支护刚度过高，则会引发次生应力集中效应，造成局部围岩破坏加剧。由此可见，合理设计支护参数至关重要，必须综合考虑巷道埋深、围岩类别、地质条件以及施工环境等多重因素，以确保支护体系的适应性和稳定性，达到控制变形的目的。

二、软岩巷道支护体系优化设计

（一）常用支护形式及其适用性分析

软岩巷道中常用的支护形式包括锚杆支护、喷射混凝土支护、钢拱架支护和复合支护体系。这些支护形式的选择通常取决于围岩的力学特性、巷道断面尺寸、地应力条件以及施工成本。

锚杆支护是软岩巷道中最为常见的支护形式之一，其原理是通过锚固围岩，提升岩体整体性和自承能力，防止岩块剥落和滑移。锚杆的类型多样，包括全螺纹锚杆、膨胀式锚杆和预应力锚杆等[3]。强度较高且地应力较低的软岩巷道适合采用预应力锚杆支护，既能控制围岩变形，又能减少施工材料使用，降低成本。

喷射混凝土支护具有封闭围岩表面、提高整体承载能力的作用，能有效防止水分侵入和碎石脱落。其施工工艺通常包括混凝土搅拌、喷射及养护三个环节。喷射混凝土一般与钢筋网或纤维材料结合使用，以提高抗剪强度和耐久性。该支护形式适用于岩体破碎、渗水严重的巷道。近年来，高强纤维增强喷射混凝土因其卓越的抗裂性能和施工便捷性，得到了广泛应用。

钢拱架支护以其较强的承载力和变形适应能力成为高地应力巷道的首选方案，特别是在埋深较大的巷道中，其使用寿命和结构稳定性表现突出。钢拱架通常采用Q235或Q345钢材加工，设计时需重点考虑弧形结构的应力分布和支护接头的灵活性。虽然钢拱架的成本较高，但在复杂地质条件下，其综合效益优于单一支护形式。

复合支护体系是针对复杂围岩条件的优化方案，如“锚杆+喷射混凝土+钢拱架”的组合设计。该体系充分利用了各支护形式的优点，实现了对软岩巷道支护效果的显著提升。例如，在某深埋隧道工程中，采用复合支护体系后，围岩变形量减少了40%，有效延长了巷道使用寿命。

（二）支护参数优化设计

支护参数的优化是实现稳定性与经济性平衡的关键步骤，需要结合现场地质条件、巷道用途和支护材料性能进行科学设计[4]。

锚杆的长度、直径和间距是优化设计的核心参数，其选择直接影响支护体系的承载能力和经济性。例如，在某地下工程巷道中，针对围岩强度偏低的情况，锚杆长度设计为1.5～2.5 m，直径选择18 mm，间距控制在0.8 m以内。通过适当增加锚杆密度，提升了岩体的整体稳定性，同时保证了施工效率。此外，为应对复杂变形情况，部分项目还引入了全螺纹锚杆和可调节锚杆技术，以增强适应性。

喷射混凝土的厚度和材料配比是另一项重要参数。通常厚度设计在50～150 mm之间，根据围岩的破碎程度和变形特性，选择适宜的掺合材料，例如高强纤维、速凝剂和减水剂。纤维材料的加入显著提高了喷射混凝土的抗拉强度和抗裂性能，而速凝剂的应用则有效缩短了初凝时间，提高了施工效率。在某高地应力隧道中，优化后的喷射混凝土厚度为120 mm，掺入了5%的聚丙烯纤维，使支护结构的抗弯强度提升了25%。

钢拱架的选型与围岩压力密切相关，其截面尺寸、间距和接头设计需要通过力学计算确定。采用弧形或拱形结构的钢拱架不仅能有效分散应力，还具备良好的变形吸能能力。例如，某矿区巷道选用Q235材质的拱架，间距设计为1.2 m，接头采用滑移型连接方式，确保了支护体系在围岩变形中的柔性响应能力。

（三）动态支护技术的应用

动态支护技术是应对软岩巷道大变形和长期蠕变问题的创新解决方案，旨在通过柔性设计和动态调整，提升支护体系对复杂地质条件的适应能力。

可缩性锚杆是一种具备良好延展性的锚固装置，其采用分段结构设计，允许一定范围的塑性变形。锚杆的外套管由高强度材料制成，内核为滑移机构，在围岩变形较大时能吸收部分能量，防止锚杆断裂。在某矿山工程中，采用可缩性锚杆后，围岩变形量从120 mm降低至80 mm，显著提高了施工安全性。

变形协调型钢拱架是动态支护的重要组成部分，其设计特点是采用可滑移接头和可变刚度结构。通过调整拱架的安装角度和刚度参数，该支护形式能够动态适应围岩的应力变化。例如，在某高地应力巷道中，变形协调型钢拱架有效缓解了次生应力集中问题，巷道稳定性显著提升。

此外，动态支护技术通常结合实时监测系统，通过传感器采集围岩变形数据，动态调整支护参数[5]。在某工程实践中，通过监测发现围岩应力异常后，施工团队及时更换了高强度锚杆，并加设了局部支护，成功避免了巷道大范围塌方的发生。动态支护技术的推广应用，为软岩巷道提供了更加灵活和可靠的解决方案。

三、软岩巷道变形控制与支护优化实践

（一）案例分析：典型软岩巷道工程

以某地下工程的主运输巷道为例，该巷道围岩为中等膨胀性泥岩，地下水渗透较为活跃，围岩蠕变效应明显，初始变形速率达6 mm/d，属于典型的软岩巷道变形问题。在施工中，选择了“锚杆+喷射混凝土+钢拱架”的复合支护体系，以实现对围岩变形的有效控制。具体设计中，锚杆间距为0.8 m，采用18 mm直径的全螺纹锚杆，单根锚杆抗拔力达80 kN。喷射混凝土的厚度控制在100 mm，掺入5%的聚丙烯纤维以提高抗裂性能，同时使用速凝剂加快施工进度。钢拱架选用Q235材质，间距为1.2 m，拱架接头设计为滑移型，以适应围岩的动态变形。

施工过程中，为保证复合支护体系的协同性，采用分步支护方式：先进行初期锚杆加固，随后喷射混凝土封闭围岩表面，最后安装钢拱架完成整体支护。通过持续的现场监测，发现围岩累计变形量在支护实施初期迅速下降，最终稳定在25 mm以内。支护结构在动态地应力环境下表现出良好的稳定性，满足了巷道长期安全运营的要求。

（二）数值模拟分析与模型验证

采用FLAC3D软件对软岩巷道的变形行为进行了系统的数值模拟，模拟模型充分结合了围岩的非线性弹塑性行为以及支护体系与围岩的相互作用特性。模型中详细设置了围岩参数，包括弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角，分别取值为1.5 GPa、0.3、25 kPa和18°，同时考虑了支护结构的参数，如锚杆的长度、直径和间距，以及喷射混凝土的厚度和强度等级，确保模型的可靠性和科学性。

通过模拟分析，不同支护方案对巷道稳定性的影响得以量化。当锚杆长度为2 m、间距为0.8 m，喷射混凝土厚度为120 mm时，巷道围岩的塑性区范围由初始的2.4 m缩小至1.2 m，围岩最大变形量成功降低至20 mm以内。同时，支护结构的内力分布均匀，未出现局部超载现象或支护失效风险，表明优化支护方案对巷道变形具有良好的控制效果。为进一步验证模拟结果，将模拟预测值与现场监测数据进行了详细对比，吻合度达85%以上，充分证明了该方案的科学性和实用性。

此外，模拟还揭示了参数变化对支护效果的显著影响。当锚杆长度不足或喷射混凝土厚度低于100 mm时，围岩变形明显增加，塑性区范围迅速扩大，支护体系失稳风险显著提高。这一结果为工程实践提供了重要参考，进一步指导施工团队在高地应力和复杂地质条件下优先采用高强度、长锚杆和厚喷射混凝土的组合支护方案，以确保巷道的长期稳定性和安全性。这种科学化的参数优化方法极大提高了施工效率，同时降低了施工风险和工程成本。

（三）智能化监测技术在变形控制中的应用

实时监测技术是软岩巷道变形控制的重要保障，其核心在于高效的监测设备和精准的数据分析。针对某软岩巷道工程，采用光纤光栅传感器和激光扫描仪对围岩位移、支护内力、应力及温湿度进行了全方位的在线监测。光纤光栅传感器布设在锚杆和钢拱架的关键受力部位，用于实时记录支护体系的受力状态，测量精度可达±0.01 mm。激光扫描仪则定期对巷道断面进行三维成像，生成高精度的变形分布图，为后续的支护调整提供直观数据支持。

监测系统通过无线传感网络将数据实时上传至远程控制平台，利用专用分析软件对数据进行自动处理和预警。例如，在某矿区巷道的监测过程中，系统发现围岩某局部区域位移异常增加，超过了设计警戒值，施工团队据此快速采取了补充支护措施，包括增设2 m长锚杆和局部加厚喷射混凝土，从而避免了潜在的塌方风险。

此外，智能化监测技术还能与动态支护技术相结合，通过实时调整支护刚度或接头灵活性，实现对围岩变形的动态适应。某项目采用此方法后，围岩变形趋势逐渐趋于平稳，巷道长期稳定性得到了显著提升。该技术的推广应用为软岩巷道工程的安全管理和支护优化提供了新的解决方案。

总结：软岩巷道的变形控制和支护优化是地下工程建设中至关重要的环节。软岩因其低强度、高塑性及蠕变特性，在地应力、地下水和施工扰动的综合作用下，极易发生显著变形和破坏。通过对软岩力学机制和变形模式的深入研究，明确了影响围岩变形的主要因素，为优化支护体系提供了科学依据。在工程实践中，结合“锚杆+喷射混凝土+钢拱架”的复合支护体系，显著提高了支护效果，成功控制了围岩的累计变形量。合理的支护设计包括优化锚杆长度、间距和喷射混凝土厚度，并通过动态支护技术增强结构对围岩大变形的适应性。

参考文献

[1]赵南南，齐升龙，闵祺，等.开采扰动下软岩巷道支护优化及其应用效果研究[J].煤炭与化工，2023.06.001.

[2]陈宁.软岩回采巷道围岩变形控制技术研究[J].煤，2024，33（06）：46-48.

[3]肖起辉.深部软岩巷道岔点变形控制技术研究[D].安徽理工大学，2024.000149.

[4]李万峰，深井软岩巷道全长锚固支护体系受力分析及参数优化.安徽省，淮南矿业（集团）有限责任公司，2020-12-24.

[5]段宇.岳城煤矿15号煤顶板动态支护技术应用[J].机械管理开发，2021.09.088.