深埋高应力隧道卸载 - 填充 - 加固（UFR）耦合控制方法及基于有限差分法的验证

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Unloading-Filling-Reinforcement (UFR) coupled control method for deep high-stress tunnels and FDM-based verification

　　

摘要

随着矿产资源开采不断向更深的地下延伸，高原位应力下巷道的稳定性控制面临着日益严峻的挑战。卸压技术已被广泛应用于围岩稳定性控制，然而，传统的钻孔卸压往往会导致岩体完整性恶化，从而在应力转移与岩体承载能力之间形成矛盾。为应对上述挑战，本文提出了卸压-充填-加固（Unloading-Filling-Reinforcement，UFR）方法框架，用于高原位应力巷道的稳定性控制。该方法通过钻孔和造腔实现初始卸压，随后及时充填和加固，使应力向深部区域转移，同时抑制岩体强度退化和过度塑性扩张。主要工作包括：(1) 描述UFR施工流程，并通过数值模拟研究关键结构参数对应力转移的影响；(2) 评估UFR在不同岩体质量和原位应力状态下的适用性；(3) 结合锚杆支护方法进行一系列对比分析，表明UFR方法能有效改善支护结构的应力状态，并显著降低围岩中塑性区的体积（与无充填的卸压方案相比，塑性区体积减少了94.5%）。该方法为深部巷道的稳定性控制提供了一种潜在的解决方案。

引言

浅部矿产资源的逐步枯竭必然推动采矿作业向更深的地下延伸。随着开采深度的不断增加，原位应力的大小相应增加（Fairhurst, 2017；Ranjith等, 2017；Xie, 2019；Xie等, 2019；Liu等, 2024）。根据相关研究（Hou和Wu, 2022），当开采深度达到约1000 m时，最大原位应力可超过35 MPa。全球有超过100个矿井的开采深度超过了1000 m，其中Mponeng金矿的开采深度甚至超过4000 m（Wagner, 2019；Xie等, 2019；Xie, 2019）。固体矿产资源的开采不可避免需要在深部地下空间开挖大量巷道，其中开挖引起的岩体行为受主导原位应力场控制。一旦岩体被开挖，原有的应力平衡被打破，导致原位应力重新分布。重新分布的应力逐渐过渡到新的平衡状态，通常形成不同的区域：紧邻巷道边界的应力松弛区、稍远处的应力集中区以及更深层岩体中的未扰动原位应力区。应力集中区的峰值应力通常为初始原位应力的数倍，具体的应力集中系数受地质条件、岩体性质、巷道几何形状和开挖方法的影响（Eremenko等, 2012）。在此类高原位应力环境下，岩爆（He等, 2023；Zhou等, 2024）、支护失效（Crosky等, 2003；Luga和Periku, 2021）和挤压变形（Dwivedi等, 2013；Zhang等, 2020）等工程灾害频繁发生（图1），对地下作业的安全和稳定性构成了重大挑战。因此，有效地调节原位应力以确保巷道围岩的稳定性，尤其在高应力条件下，具有至关重要的意义。

近年来，众多学者致力于解决高原位应力下深部巷道面临的稳定性挑战，开展了理论和技术研究。Kang（2021）和Kang等（2023）系统总结了围岩控制的多种理论和技术。控制理论被分为五类：围岩松动荷载控制、围岩变形控制、围岩内承载结构的形成、围岩力学性质的改善以及原位应力控制。相应地，控制技术被分为表面支护、岩体锚固、岩体改性、应力/卸压以及综合控制技术（图2）。其中，卸压技术已成为提高深部巷道稳定性的关键方法之一。这些技术旨在将隧道边界附近的应力集中转移到更深层的岩体区域，从而减轻浅部围岩的承载压力。

卸压的概念最初由Roux和Leeman（Roux等, 1957）提出。此后，原位应力控制技术得到了显著发展，现在涵盖各种策略，包括优化巷道开挖方向、改进巷道截面几何形状，以及采用控制爆破和水力压裂等方法实现应力控制。这些技术的主要目的是减少开挖活动对巷道稳定性的不利影响。此外，还采取了一系列措施将浅部围岩的高原位应力转移到更深区域，包括割缝、钻孔、爆破、水力压裂和建造相邻辅助巷道等（Kang等, 2022；Dai等, 2024a）。在这些方法中，将应力集中区从浅部转移到围岩深部的概念——之前研究将其总结为"去应力化"（也称为应力/卸压或卸载）（Konicek, 2018）。该概念通常包括：(i) 开挖先导巷道，(ii) 去应力化开口，以及(iii) 去应力化钻孔。例如，Zhang等（2012）提出了一种通过开挖先导巷道来减轻岩爆危害的方法，先导巷道的实施通常复杂且耗时，限制了其实际应用。其他研究（Huang等, 2018；Hongchao等, 2020；Manouchehrian和Kulatilake, 2022；Manouchehrian等, 2022；Yin等, 2023）关注于优化去应力化钻孔的参数，而其他研究（Zhao等, 2018；Manouchehrian等, 2022；Manouchehrian和Kulatilake, 2022；Dai等, 2024b）探讨了钻孔去应力化在岩爆预防中的应用。此外，Xie等（2022）提出扩大钻孔末端形成卸压腔以进一步控制应力分布。目前，研究人员逐渐意识到卸压结构可能削弱岩体的完整性和承载能力。为解决这一问题，Yao提出了"分段扩径钻孔去应力化"技术（Yao等, 2020），Jiang等提出了"浅部支护、深部卸压"的概念（Jiang等, 2023）。基于原始支护方案，Xie等（2025）在煤侧增加了内部大直径卸压钻孔，从而提出了一种多动力压力下采动巷道围岩的非对称协同支护-卸压控制技术，并确定了水力卸压钻孔的最优参数。这两种方法都旨在最小化卸压措施与锚固系统之间的不利影响。然而，这些方法主要关注应力转移和减少岩体损伤，而未考虑对钻孔和腔体的加固或充填。

综上所述，尽管现有的去应力化技术在提高深部围岩稳定性控制方面取得了一定进展，但单一方法仍存在明显的局限性。去应力化钻孔或扩径钻孔可以释放和转移高应力（Zheng等, 2026），但由此产生的空腔可能引起局部损伤、刚度退化以及隧道边界附近的二次应力集中。基于钻孔或爆破的去应力化可能进一步扰动浅部岩体。浅部支护和深部卸压策略改善了支护与卸压的空间布局（Pei等, 2025），但未能有效恢复卸压引起的刚度损失。注浆加固可以增强裂隙岩体，但其主要提高强度和完整性，而非主动形成可控的应力转移路径。因此，需要一种协调的方法，以实现应力转移、刚度重建和浅部岩体保护的同时达成。

本研究提出了一种用于深部高应力巷道的"卸压-充填-加固"（UFR）耦合控制方法。与传统单独的卸压、支护或注浆方法不同，UFR将卸压、充填和加固整合到一个耦合框架中。卸压为应力转移提供空间，充填恢复卸压区的刚度和承载能力，加固则增强浅部围岩的强度及支护系统的有效性。因此，UFR的本质在于"应力转移-刚度重建-岩体增强"的协同机制，它能在将高应力从巷道边界转移的同时，减轻浅部岩体的退化。首先，介绍了UFR的基本原理和实施过程。然后，通过数值模拟研究关键结构参数对应力集中系数和应力转移距离的影响，并评估UFR方法在不同地质条件下的适用性。最后，对UFR框架下的不同方案进行了对比，以展示UFR在维持深部巷道稳定性方面的有效性。本研究框架如图3所示。

章节片段

IMASS本构模型

适当的本构模型是确保数值模拟结果准确性和可靠性的基础。在深部地质环境中，岩体的力学行为与浅部深度观察到的显著不同。传统的强度准则，如Mohr-Coulomb和Hoek-Brown模型，往往无法准确捕捉深部岩体的剪胀行为和渐进破坏机制。Itasca模型先进应变硬化（IMASS）模型……

UFR方法

围岩卸压技术在深部隧道和采矿应用中已被证明是有效的。之前的研究（Xie等, 2022；Jiang等, 2023）通过一系列数值模拟验证了钻孔或腔体卸压技术的应力转移能力。这些研究还分析了各种参数对应力重新分布效果的影响。然而，它们没有解决钻孔和造腔对岩体完整性的不利影响。

UFR参数对应力重新分布的影响

图13展示了UFR方法中不同施工时机下的应力重新分布特征。需要注意的是，T1和T2代表模拟步骤而非实际施工时间。在未来的工作中，可以将不同步骤下的模拟变形与现场监测的变形值相关联，从而确定实施UFR措施的适当时机。

(1) 峰值应力大小：当T1固定在500步时，峰值应力呈现……趋势。

在不同原位应力条件下的表现

图16展示了UFR结构在不同原位应力水平下的应用效果。图中，带有后缀"I"的结果代表没有UFR结构的初始情景。红色虚线箭头表示应力测量路径，蓝色虚线箭头表示位移测量路径。右侧的应力和位移等值线图仅显示分布模式，因此未放置图例。模拟结果（基于……）

讨论

本研究提出了一种卸压-充填-加固（UFR）方法，作为一种综合稳定性控制策略用于深部高应力巷道。与传统的去应力化方法主要依赖钻孔、割缝或腔体来释放和转移高应力不同，UFR方法并不将卸压空间视为临时空腔或未经修复的薄弱区域。相反，它将卸压腔体视为围岩内可控的结构构件。在此……

结论

针对深部巷道围岩稳定性控制的挑战，本研究提出了一种卸压-充填-加固（UFR）方法。通过数值模拟验证了UFR方法的可行性和有效性。主要结论如下：

(1) 系统分析了各种因素对应力重新分布特征的影响。为克服传统卸压技术的局限性，提出了一种充填和……的概念。

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