1907年俄國學者普羅托吉雅可諾夫提出普氏冒落拱理論，該理論認為：巷道開掘后，已采空間上部巖層將逐步垮落，其上方會形成一個拋物線的自然平衡拱，下方冒落拱的高度與巖層強度和巷道寬度有關。該理論適用于確定巷道圍巖強度不高、開采深度不是很大的巷道支護反力。20世紀50年代以來，人們開始使用彈塑性力學解決巷道支護問題，其中最著名的是Fener公式和Kastner公式。

國內(nèi)外巷道頂板控制理論發(fā)展很快，我國在1956年開始使用錨桿支護，錨桿支護機理研究隨著錨桿支護實踐的不斷發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)取得大量研究成果。

1952年路易斯阿帕內(nèi)科（Louis.Apnake）等提出了懸吊理論，懸吊理論認為錨桿支護的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上，在預加張緊力作用下，每根錨桿承擔起周圍一定范圍內(nèi)巖體的重量，錨桿的錨固力應大于其所懸吊的巖體的重力。

錨桿懸吊作用原理示意圖

組合梁理論認為：端部錨固錨桿提供的軸向力將對巖層離層產(chǎn)生約束，并且增大了各層間摩擦力，與錨桿桿體提供的抗剪力共同阻止巖層間產(chǎn)生相對滑動，提高其自承能力。將幾層薄巖鎖緊組成較厚的巖層（即組合梁），厚巖層量內(nèi)的最大彎曲應力和應變與梁的厚度的平方成反比，集成的巖梁越厚，最大彎曲應力和應變就越小。通過錨桿的預拉應力將原薄巖層擠緊增大巖層間的摩擦力，錨桿本身強度也提供一定的抗剪能力，阻止層間錯動。

錨桿組合梁原理示意圖：a、未設置錨桿；b、設置錨桿

在懸吊作用理論及組合梁作用理論的基礎上提出了減跨理論，該理論任務錨桿末端固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)，穿過薄層狀頂板，每根錨桿相當于一個鉸支點，將巷道頂板劃分為小跨，從而使頂板撓度降低。

減跨作用示意圖

組合拱理論認為：在沿拱形巷道周邊布置錨桿后，在預緊固力的作用下，每根錨桿都有一定的應力作用范圍，只要取合理的錨桿間距，其應力作用范圍會互相重疊，從而形成連續(xù)的擠壓加固帶—即厚度較大的組合拱，該加固帶的厚度是普通襯砌支護厚度的數(shù)倍，從而更為有效的抵抗圍巖應力，減少變形。

組合拱作用原理示意圖

20世紀60年代，奧地利工程師繆勒等在總結前人的經(jīng)驗基礎上，提出了一種新的隧道設計施工方法，成為新奧法（NATM）。核心思想是調動圍巖的承載能力，促使圍巖本身成為支護結構的重要組成部分，摒棄了過去將巖體作為支護結構作用和荷載和采用后襯砌的傳統(tǒng)做法。在新奧法中錨桿是提供圍巖主動承載力的重要構件。

20世紀70年代，M.D.Salamon等人提出了能量支護理論。該理論認為支護結構與圍巖相互作用、共同變形，在變形過程中，圍巖釋放一部分能量，支護結構吸收一部分能量，但總的能量沒有變化。因而主張利用支護結構的特點，使支架自動調整圍巖釋放的能量和支護體系吸收的能量，支護結構具有自動釋放多余能量的功能。該理論主要是把巖體視為均質線彈性體進行分析，具有一定的局限性。

孫鈞院士、朱效嘉教授、鄭雨天教授等提出的錨噴—大弧板支護理論，通過壁后軟性固化填充及接頭處可壓縮墊板而使支架具有一定的可縮讓壓特性，讓壓到一定程度，要堅決頂住，以滿足軟巖支護“邊支邊讓，先柔后剛，柔讓適度，剛強足夠”的特點。

董方庭教授提出的圍巖松動圈支護理論，認為巷道在開挖前后，巖體由三向應力狀態(tài)轉變?yōu)槎驊顟B(tài)，巖體強度急劇下降，由于應力的轉移，巷道周邊出現(xiàn)應力集中，使周邊巖體受力增加，如應力超過巖體強度，巖體發(fā)生破壞，使其承載能力變低，應力向深部轉移，直到應力低于巖體的塑性屈服應力為止。在巷道周邊一次形成破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。通過現(xiàn)場實測圍巖松動圈的大小來選擇合理的支護參數(shù)

方祖烈教授提出了主次承載區(qū)支護理論，該理論認為：巷道開挖后，在為嚴重形成拉壓域，壓縮域在巖層深部，處于三向應力狀態(tài)，圍巖強度高，是維護巷道穩(wěn)定的主承載區(qū)。張拉域在巷道周圍，圍巖強度相對較低，通過支護加固，也有一定在承載力，稱為次承載區(qū)。主、次承載區(qū)的協(xié)調作用決定巷道的最終穩(wěn)定。

侯朝炯等通過深入研究得到了煤巷錨桿支護的關鍵理論和技術，特別是提出了圍巖強度強化理論，主要內(nèi)容：

• 錨桿支護實質是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結構

• 錨桿支護可以提高錨固體的力學參數(shù)，包括錨固體破壞前與破壞后的力學參數(shù)改善被錨巖體力學性能

• 巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)域巖體的峰值強度、峰后強度及殘余強度均能得到強化

• 錨桿支護可以改變圍巖的應力狀態(tài)，增加圍壓，提高圍巖的承載能力，改善巷道支護狀況

• 圍巖錨固體強度提高后，可減小巷道周圍的破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍和巷道表面位移，控制圍巖破碎區(qū)的發(fā)展，從而有利于巷道圍巖的穩(wěn)定。

最大水平應力理論認為，當垂直應力增大后，巖層由于泊松效應產(chǎn)生側向變形，造成巖層之間沿摩擦力很低的層面出現(xiàn)相對滑動形成附加水平應力作用于頂板巖層。澳大利亞學者W.J.Gale通過現(xiàn)場觀測與數(shù)值模擬分析，得出水平應力對巷道圍巖變形的穩(wěn)定性作用，認為巷道頂板變形與穩(wěn)定主要受水平應力的影響。

何滿潮院士等認為傳統(tǒng)剛性錨桿允許巷道圍巖的變形量一般均在200mm以下，不能適應巷道圍巖大變形破壞而被拉斷失效。恒阻大變形錨桿在動力沖擊作用和靜力拉伸作用下恒阻大變形錨桿可以提供500～1000mm的變形量。當圍巖發(fā)生大變形破壞時，恒阻大變形錨桿可以吸收巖體變形能，使圍巖中的能量得到釋放。恒阻大變形錨桿為軟巖巷道支護提供了可靠的支護方式。

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[8]百度文庫.錨桿支護理論