深部掘进隧道变形机制研究及桩基—单元式支护应用

保障地下巷道安全

深部地下巷道是现代煤矿的动脉，输送新鲜空气、工人和重型设备。但在深部，围岩会缓慢挤压、开裂并使巷道底板弯曲，威胁安全和生产效率。本研究聚焦内蒙古某煤矿一条发生变形的运输巷道，测试一种将底板桩与模块化支撑结合、配合常规锚杆与锚索共同工作的支护新方案，以稳固围岩。

当地层开始移动时

所考察的巷道位于地表下约420米处，开采对象为厚而相对稳定的煤层。尽管如此，底板已经出现不均匀裂缝与隆起，顶板发生下垂，巷帮——即侧墙——出现隆胀。最严重的问题是在坚硬煤侧的底板隆起，导致巷道变形并威胁通行车辆。煤柱侧也有破坏，而顶板与坚煤侧受影响相对较小。这些破坏模式表明，深部原有的围岩力场在掘进后被打破。

地下应力如何破坏巷道

为弄清变形成因，研究者结合现场取样、钻芯实验室试验与现场应力测量。结果显示，围岩的自然水平应力大于由覆土产生的垂直应力。基于这些测量，建立了围岩三维数值模型。模拟表明，掘进会重新分布应力，在洞室周围及更深处形成高压区和张拉区。结果是在巷道周围形成一环状的围岩超出弹性极限的区域，该区开始发生不可逆变形和开裂。

为什么底板会不均匀隆起

研究组随后用简化的力学模型把底板视为一根在两端软化区上支撑的梁。他们表明，底板隆起的幅度和位置强烈依赖两点：两侧软化的“塑性”区宽度，以及该处的应力集中程度。当两侧条件相近时，底板中部隆起最大。但若一侧软化区更宽或应力集中更高，最大上升量会向该侧偏移并增大。就本案例而言，坚煤侧的影响更强，这解释了观测到的明显不对称底板隆起。

一种支撑围岩的新方法

由于单靠常规锚杆与锚索难以控制变形，研究者提出了一种新型支护理念：桩基—单元式支护。在巷道底板钻入钢桩，桩顶设平帽以承载模块化液压支撑单元。这些支撑与顶板和侧墙上的现有锚杆、锚索协同工作。桩体改善了底板的受力条件，切断巷道下方软化围岩的塑性流动，并提供平整、稳定的承载面，使支护能垂直、高效地工作。同时，支撑分担并扩散载荷，减轻沿侧墙的应力集中。

把危险挤压转为稳定地层

联合支护体系的数值模拟显示出显著改善：顶板和底板位移下降了80%至90%以上，侧墙位移约减少四分之三或更多。曾经连续的重度破坏环带被分割成若干孤立的小区，尤以底板处为甚，塑性应变在桩列处被截断并减少约80%。简言之，新支护方案能将严重挤压和位移的巷道转变为位移降至厘米级、应力由桩和支撑安全承担的状态。对于深部采矿，这一方法为保持关键运输巷道畅通、稳定与安全提供了有前景的路径。

引用: Gou, L., An, D., Song, Y. et al. Research on deformation mechanisms in deep excavation tunnels and the application of the pile foundation-unit-type support. Sci Rep 16, 12233 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43056-z

关键词: 隧道变形, 底板隆起, 地下采矿, 岩体支护, 桩基