基于Hoek-Brown准则的先进应变软化模型在深部巷道围岩稳定数值模拟研究

为什么隧道周围的岩体很重要

随着矿井和地下交通隧道不断加深，开挖周围的岩体被推至临近破坏的状态。当岩体开始裂开并发生膨胀时，可能使钢支护屈曲、隧道被碎屑填塞，并对作业人员造成严重威胁。本研究提出了一个兼具安全与经济意义的实用问题：能否通过更精细的计算机模型帮助工程师预测深部岩体开挖后的行为，从而设计出与实际相匹配的支护体系？

超越简单的岩体行为假设

传统设计方法常把岩体视为一种近似弹性、在破坏后按简单规律减弱的材料。但来自深部矿井的观测显示，现实更为复杂：在达到峰值强度后，岩体会丧失刚度、丧失强度、出现裂缝，甚至在碎裂颗粒重新排列和膨胀时体积增大。作者关注一种称为IMASS的“先进应变软化”模型，该模型基于广泛应用的岩石强度准则Hoek–Brown构建。IMASS试图在破坏后捕捉四种关键行为：粘聚力和抗拉强度的下降、碎块间摩擦的增加、刚度的逐步软化，以及从脆性破裂向更具延性、塑性流动的转变。

新模型如何表征破裂的岩体

IMASS模型把巷道周围岩体的演化分为若干阶段。首先是完好峰值强度阶段，岩体仍保持整体性。当应力过高时，材料进入峰后阶段：裂缝形成，粘聚强度下降，但碎块仍相互咬合且相对致密。随着变形进一步发展，系统向最终态演进，此时破碎颗粒已经重排，孔隙率可达约40%，岩体更像一堆颗粒堆。该模型将这些阶段与可测量的量联系起来，如地质强度指数（评价岩体质量的指标）、实验测得的抗压强度，以及描述塑性剪切应变累积速率的参数。模型还允许弹性刚度和剪切过程中岩体膨胀倾向随损伤演化。

测试哪些岩性参数最重要

为了考察这些要素如何影响巷道稳定性，作者建立了一个三维数值模型，模拟位于约1000米深处、具有典型半圆形断面的深部巷道。他们在每次只改变一组参数的情况下系统地运行模拟。通过将岩体质量从差到好进行变化，观察到粘聚力和抗拉强度的退化、内部摩擦的增加，以及塑性区和巷道周围位移的演变。随后他们开启或关闭模量软化，探讨剪切膨胀（岩体剪切时体积膨胀程度）的影响，并调整控制材料从强硬刚性到完全软化跳越速度的脆性参数。结果表明：当岩体较弱且脆性明显时，位移和损伤对模量软化和膨胀非常敏感；而当岩体质量较好且更连续时，这些影响则小得多。

将多种预警信号合并为一项评分

作者并不依赖单一指标（如围岩位移或理论上的“松散圈”），而提出了一个将多项度量融合为0到1之间分值的综合稳定性指数。他们纳入了塑性区大小、总变形、峰值应力的水平与分布、粘聚力的削弱程度以及膨胀强度等指标。通过采用分层分析法（AHP）并结合基于熵值的权重修正，为各因素赋予合理权重，重点放在塑性区规模和应力集中上。经归一化处理后，计算出单一指数，可将巷道分为稳定、边界、临界不稳定或高坍塌风险等级，并据此指导相应的支护措施。

在真实矿井中的应用

研究团队随后将先进的IMASS模型与一种更传统的应变软化模型应用于中国全甸煤矿的一条深部软岩巷道，那里岩体为高度破碎的砂岩。他们将模拟的位移、破坏深度、应力分布和膨胀与现场测量值进行了比较。传统模型预测的变形和破坏带均明显小于现场观测，给出一个过于乐观的稳定性指数，与测得值偏差约162%。相比之下，IMASS模拟得到更大的位移、更宽的塑性区、更强的膨胀，并与实测值更加接近；其稳定性指数仅与测得值相差约26%，并正确识别该巷道为高风险状态。

对更安全隧道的意义

对非专业读者而言，结论很直接：深部隧道周围的岩体不会只是简单地裂开然后停住——它会软化、膨胀并逐步重组，而这些细微差别对安全至关重要。IMASS通过追踪刚度损失、膨胀和脆性程度，提供了更现实的损伤扩展图景以及系统接近失稳的程度。将这些信息汇总为单一稳定性指数后，工程师能更有把握地选择更可靠或更经济的支护方案。作者也指出，未来工作需纳入动力荷载、地下水和时间相关效应，但他们的研究表明，更细化的数值模型可以显著缩小预测与现场实际之间的差距。

引用: Wang, R., Wu, R., Xu, J. et al. Research on numerical simulation of surrounding rock stability of deep roadway with advanced strain softening model based on Hoek-Brown criterion. Sci Rep 16, 11910 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39882-w

关键词: 深部巷道稳定性, 岩体软化, 数值模拟, 地下支护设计, Hoek-Brown准则