能源是中国经济的一大命脉，而煤炭在能源中占着举足轻重的地位，随着中国经济的快速平稳增长，煤炭、石油、天然气等化石燃料的补给也需要平稳增长。以煤炭地下开采为例，随着地下浅部资源的日益枯竭，深部煤炭开采的比重越来越大，而与之对应的技术、经济困难性越来越严重。以高地压、高温、高渗透压为代表的开采障碍正在影响着中国广大的煤炭企业。在瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、透水事故、顶板冒落、冲击矿压、煤炭自燃等众多问题中，深部地下工程中的巷道（硐室）围岩的合理控制作为地下生产系统的血脉显得尤为重要。目前，国内外关于深部围岩控制的理论较多，工程经验相对成熟，结合前人的研究成果，本文提出了四设计基本原则，并在此基础上初步探讨了未来地下深部工程的发展方向。

1. 四设计基本原则

Kastner 和Fanner根据经典的理想弹塑性理论，得到了地下硐室的围岩特性曲线并且进一步指导围岩控制设计，主要包括三个方面，一是改善巷道围岩的应力状态，二是改善巷道的围岩力学性能，三是提高巷道的支护强度。当然巷道的布置层位，与最大水平构造应力方向的关系等等也涉及到围岩最优控制，由于源头设计的局限性，不在此详述。个人根据自己的理解把围岩控制分成了四种基本设计的组合，一是让压设计，二是卸压设计，三是补强设计，四是支护设计。四种设计原则是相互影响，相互联系，相互依赖的，只有合理设计围岩控制方案，充分发挥第一和第二原则的前提下，借助第三、第四原则实现围岩控制的最优化。

1.1 让压设计

地下工程涉及的研究对象是各种类型的岩层，地质力学环境较为复杂，随着国内外勘测、探测技术的发展，对地下工程岩体的认识越来越充分，层理、节理、断层、褶皱、地下水、岩浆区域等地质状况清晰度不断增加，但是在深部地下工程中，岩体物理力学性质的变化存在着不确定性和复杂性。对地下响应的岩体的准确认识可以帮助我们更好的设计，同时个人感觉地下岩体本身具有一定的生命力或者自修复能力，当我们开挖硐室或者巷道时，岩石的三向应力状态转为二向应力状态，静态平衡状态被破坏，工程岩体开始重新进行应力分布以适应这种工程响应，而且这种自修复是不能避免的。在动态平衡形成的过程中，如果我们可以合理利用，加以引导就能形成让压设计技术，从而充分发挥围岩的生命力，达到优化设计的目的。近年来，国内外学者开展了大量的装备、技术、工艺等研究，形成了广泛却不系统的让压设计理论与技术。具体包括以下几项技术：

1）高阻高延伸率让压锚杆、大延伸率锚索技术

2）预留刚隙柔层技术、刚柔层桁架支护技术

3）超边界开挖技术

4）高预应力让压锚杆（带有让压构件：让压管或者让压环）

5）木托盘与铁托盘的复合托盘（木托盘是让压构件）

6）可收缩金属支架技术、让压拱形支架技术

1.2 卸压设计

由于让压设计是一个被动过程，而且其主要根据是围岩的力学环境主要包括有无地下水，围岩破碎程度，围岩的力学性能，水理性质等等，所以卸压技术原则是主动改变围岩的赋存力学环境，降低巷道或者硐室围岩应力，特别是其峰值的位置。工程岩体开挖后，自由面区域在动态平衡过渡期间，力学性质不断劣化，随着位移量的增加，从弹性区向塑性区转移，最终形成破碎区（松动圈范围），从巷道向深处依次为破碎区、塑性区、弹性区，与此同时释放存储的变形能，形成裂隙带，应力向深部转移，重新利用三向应力状态控制变形，最终达到新的工程平衡。考虑到一个现实问题，如果工程岩体本身地应力就较大，则需要更多的破碎区与塑性区来释放能量，从而导致松动圈范围过大，严重影响围岩的稳定。所以松动圈是一个矛盾体，对于具体的工程岩体，存在着一个优化点。我们人为的通过技术手段降低工程岩体的高应力状态，是围岩处于低应力状态，从而有利于结构的稳定，此类技术便是第二大优化控制原则：卸压设计原则。目前常见的技术手段有：

1) 钻孔卸压技术

2) 巷道围岩浅部松动爆破技术

3) 巷道开槽、开缝卸压技术

4) 开掘邻近卸压硐室（巷道）技术，主要有底板巷，顶板巷等等

5) 巷道迎头超前钻孔应力释放技术

6) 上行开采或者连续卸压开采带来的岩层整体卸压技术

7) 跨采巷道卸压技术

8) 坚硬顶板的爆破致裂或者水力压裂技术（主要适用于沿空留巷、沿空掘巷的侧向顶板）

9) 水力割缝（高压水射流）等预裂技术

10)控制底鼓的药壶爆破技术

1.3 补强设计

改善工程岩体的物理力学性质（峰值强度、残余强度、内摩擦角、粘聚力等等）可以提高地下工程的稳定性，我们称之为补强设计。具体计算包括四个层面，若干技术。基于分区破裂现象，可以分区的进行补强设计，强调浅部、深部的合理补强控制。

第一层面：注浆补强

注浆技术作为补强设计中主要技术，可以显著提高岩体强度，在地下岩体大承载结构下形成小承载结构，充分发挥围岩应力转移后的结构效应。同时对于部分地下水渗流情况下，可以通过注入马丽散等进行堵水。例如采用高水速凝材料注浆加固遇水弱化、膨胀的泥岩等等。近年来，注浆材料发展迅速，水泥基注浆材料和化学注浆材料在地下工程中的应力越来越多。主要分为以下几个技术：

1) 超前注浆技术

2) 滞后注浆技术

3) 锚注技术

4) 钻锚注一体化技术

第二层面：混凝土置换补强技术

随着深部开采的加剧，地下工程中会涉及到部分地质软岩，其力学特性表现为松散软弱，并且有各种膨胀岩，如伊利石，蒙脱石等等，在地下渗透水或者灰岩水的作用下，围岩力学性质非常弱，有时需要采用置换的方法去除围岩浅部异常脆弱的区域，此类方法称为置换补强，例如治理底鼓采用的反底拱技术，无论是帮部还是底板，主要采用的都是混凝土技术，工序合理且采用慢循环进行替换，从而达到置换补强围岩的目的。

第三层面：护表补强技术

采用高预紧力（预应力）的锚杆、锚索对围岩表面进行补强，从而使围岩处于准三向应力状态，同时强化钢带、梁、金属网的材料，底板的反底拱技术，保证围岩表面的强度。此类设计统称为护表补强技术。护表补强技术在一定程度上限制了围岩松动圈的发展，保障了围岩体的完整性，减少了破裂区和塑性区，但是同时抑制了应力向深部转移，与卸压设计是相互制约的。找到两者的合理点可以实现优化设计。

第四层面：工程支护材料的补强技术

采用大延伸量的高强度锚杆、锚索支护系统，一方面可以强化锚固区围岩强度，提高巷道围岩自身稳定性，另一方面支护材料自身强度的增加可以使其承受更高的拉应力和切应力等等，因此，改善提高支护体（锚杆、锚索、金属支架）的力学性能是一种重要的补强技术。

1.4 支护设计

支护设计的概念相对较广，也是我们平时所知的围岩支护设计。无论是锚杆、锚索的主动支护技术还是金属支架（U型钢、工字钢、角钢、槽钢等等）+壁后充填的被动支护技术，未来的支护设计应该重点强调动态性、非对称性、空间性、时效性、组合优化性，从传统的钢结构与钢结构的组合到未来的钢结构与混凝土结构的有效搭配，充分借鉴钢管混凝土、钢骨混凝土、钢与混凝土的组合结构、网壳结构、桁架结构等领域的经验，结合前面三个设计原则（让压设计、卸压设计、补强设计）与地质力学测试等等，进行围岩优化控制设计。例如锚网索联合支护时，强调锚网支护的及时性和锚索支护的滞后性，合理的支护时机对于围岩的优化控制有着重要的作用。

1) 锚杆支护设计

2) 锚索支护设计

3) U型钢、工字钢等金属支架

4) 液压支架或者支柱

5) 墩柱支护

6) 钢管混凝土结构支护

2. 基于四设计原则的技术分析

根据前面的四项基本原则，把现有的围岩控制技术进行初步归类分析，为合理优化设计提供科学依据。

1) 锚注技术（注浆补强设计与支护设计）

2) 金属支架与壁后充填技术（护表补强设计与支护设计）

3) 锚网索喷与深、浅孔注浆技术（注浆补强设计与支护设计）

4) 高阻高延伸率锚杆、锚索支护技术（让压设计与支护设计）

5) 控制底鼓的底角(板)锚杆与注浆技术（注浆补强设计与支护设计）

6) 二次支护技术（让压设计与支护设计）

7) 管棚超前注浆技术（注浆补强设计与支护设计）

8) 巷道底板松动爆破与再注浆技术（卸压设计与注浆补强设计）

9) 高强度钢管混凝土支架支护技术（补强设计与支护设计）

3. 发展方向的探讨

深部地下工程中巷道、硐室的围岩控制领域涉及到越来越多的学科，其研究的复杂程度、广度也不断增加，总体而言，未来地下工程的围岩控制的发展可能涉及到下面几个方向。

1) 深部地下工程围岩控制的最优化研究，即体现有传统的钢结构与钢结构组合到未来的钢结构与混凝土结构的组合，也体现时间与空间的优化协调。强调支护的非对称性、针对性，考虑水平构造应力方向的地质力学性质快速测量技术与巷道布置的优化分析。

2) 钢结构与混凝土结构的组合在地下工程中的应用，例如钢管混凝土、钢骨混凝土、钢与混凝土的组合结构、网壳结构、桁架结构。

3) 地下巷道与硐室在高温高压高渗透水作用下的THMC多场（流-固-热-化）耦合理论研究

4) 工程支护材料的升级与组合支护结构的多样化、精准化、标准化、模块化，例如提高锚杆、锚索的强度和延伸率，优化注浆材料、锚固材料的物理力学性能，改善护表结构的整体性等等，实现动态支护的无损在线快速监测技术。