不良巖體巷道的濕噴混凝土支護技術

韓斌，王賢來，文有道

(1. 北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，北京，100083；2. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

不良巖體巷道的濕噴混凝土支護技術

韓斌1，王賢來2，文有道2

(1. 北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，北京，100083；2. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

通過分析傳統(tǒng)支護理論與實踐存在的不足，提出濕噴混凝土在不良巖體巷道支護中的支撐作用、充填與隔離作用以及應力轉化作用；根據(jù)具體的工程背景，應用Barton的Q巖體分級及支護方法，提出采用濕噴混凝土＋樹脂錨桿的支護方案。研究結果表明：該支護方案實現(xiàn)了對不良巖體巷道的有效支護；濕噴混凝土直接成本與干噴混凝土直接成本近似相等，相同材料的濕噴混凝土平均強度比干噴混凝的平均強度高 45%～85%，實現(xiàn)了對不良巖體巷道的支護需要；濕噴混凝土＋樹脂錨桿支護技術可替代傳統(tǒng)的干噴混凝土＋鋼網(wǎng)＋錨桿工藝，對不良巖體的支護具有獨特優(yōu)勢。

濕噴混凝土；不良巖體；支護方案

噴射混凝土支護是使用混凝土噴射機，利用壓縮空氣或其他動力，將按一定比例配合的拌和料通過管道輸送并高速噴射到受噴面上，迅速凝固成具有一定抗壓、抗拉強度的支護結構，從而對圍巖起到一定的支護作用。根據(jù)噴射工藝的不同，噴射混凝土可分為干式噴射混凝土、潮式噴射混凝土、濕式噴射混凝土等。近年來，濕式噴射混凝土技術以其生產(chǎn)效率高、工程質量好等優(yōu)勢，在水利、水電和地鐵等大斷面地下工程中得到逐步推廣，但在我國地下礦山的應用還很少。在此，本文作者通過對傳統(tǒng)支護理論與實踐的分析，根據(jù)濕噴混凝土的特點及其在巷道支護中作用機理，研究濕噴混凝土在不良巖體巷道支護中的作用和優(yōu)勢，并結合工程實例，采用濕噴混凝土＋樹脂錨桿支護技術替代傳統(tǒng)干噴混凝土＋鋼網(wǎng)＋錨桿技術[1?7]。

1 濕噴混凝土的特點及其作用機理

1.1 濕噴混凝土的特點

噴錨網(wǎng)支護是目前地下礦山巷道最常用的一次支護方式，噴錨網(wǎng)支護能在巷道裸露后2～3 h快速完成，可迅速提供連續(xù)的支撐力，改變圍巖的受力狀態(tài)，阻止巷道變形的迅速發(fā)展，避免圍巖的松散和脫落，有利于巷道的穩(wěn)定。同時，噴射混凝土具有良好的封閉性，大大降低了潮濕空氣及地下水對巖體的侵蝕和由此伴生的潮解、膨脹和礦物變質，有利于保持巖體的固有強度。

目前，我國地下礦山的噴錨網(wǎng)支護普遍采用干式噴射混凝土技術。干噴混凝土噴層常出現(xiàn)斷裂、剝落甚至坍塌現(xiàn)象，并最終導致巖體片幫、冒落和錨桿失效，這也是目前不良巖層巷道支護的一個技術難題。同時，在施工過程中，由于掛網(wǎng)的需要，錨桿墊板常常不能壓緊巖面以阻止其位移，這也會大大降低了錨桿的支護效果。

對處于不良巖層或深部開采的巷道，巖體往往表現(xiàn)出軟巖的特征：易變形，易風化，流變性強，變形地壓大。傳統(tǒng)的支護理論主張采用先柔后剛、先讓后抗的支護原則。實踐表明：若一次支護強度不夠，“柔”性過大，則很容易使巷道周圍巖體變形加劇，巖體松動圈進一步擴大，巖體自承能力降低，即使二次支護采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土等鋼性支護，也往往難以阻止巷道的進一步破壞。干噴混凝土28 d單軸抗壓強度一般為10～20 MPa，由于其強度不能提供足夠的支撐抗力以阻止圍巖松散，導致圍巖自承能力降低，松動圈擴大，這是造成干噴混凝土噴層斷裂、剝落甚至坍塌現(xiàn)象的關鍵原因，也是不良巖體巷道錨桿失效和巷道失穩(wěn)的重要原因。不良巖層巷道支護的大量工程實踐表明：加大一次支護強度，可防止圍巖松動圈進一步擴大，阻止圍巖自承能力降低，能夠有效提高巷道的穩(wěn)定狀態(tài)，其中，濕噴混凝土支護是加強一次支護的一種良好途徑。

濕噴混凝土的特點主要表現(xiàn)在：(1) 可大量減少回彈(在正常情況下，回彈損耗率為5%～15%)；(2) 作業(yè)環(huán)境好，粉塵少；(3) 由于有效使用各種外加劑材料，噴層可較厚；(4) 各種配合比組分可以得到精確控制；(5) 力學性能好，強度指標偏差小；(6) 施工機械化程度高、速度快，總經(jīng)濟效益顯著；(7) 適用范圍廣，不僅能作為永久支護，而且能用于掘進工作面的臨時支護，還可用于處理工程事故。鑒于上述原因，濕噴混凝土已在發(fā)達國家廣泛采用，并逐漸替代干噴混凝土。

1.2 濕噴混凝土在巷道噴錨支護中的作用機理

濕噴混凝土具有良好的力學性能，克服了干噴混凝土強度低的不足，其28 d單軸抗壓強度可達到30～50 MPa。采用濕噴混凝土與錨桿支護技術，可有效提高巷道穩(wěn)定性，究其原因，濕式噴錨支護在巷道支護中的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面[8?10]。

(1) 支撐作用。濕噴混凝土比干噴混凝土強度提高45%～85%，且具有較高的早期強度；在一次支護中與錨桿配合使用，能夠控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、張開裂隙等擴容變形與破壞，不同程度地提高噴錨區(qū)的巖體強度、彈性模量、黏聚力和內摩擦角等力學參數(shù)，改善發(fā)生塑性變形和破碎巖體的力學性質，顯著提高其屈服后強度，改變屈服后巖體變形特性，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，避免出現(xiàn)圍巖有害變形，提高錨固區(qū)圍巖的整體強度和穩(wěn)定性。

(2) 充填與隔離作用。由于濕噴混凝土料漿流動性較好，并以高速噴射到巖壁上，砂漿和細料被擠入巖石縫隙和節(jié)理，產(chǎn)生加鍥效應，能充分充填圍巖裂隙、節(jié)理，大大提高了巖體的整體強度。同時，濕噴混凝土層與巖壁之間有很好的黏性，濕噴混凝土徹底封閉了圍巖的表面，完全隔絕了空氣、水與圍巖的接觸，有效地防止了風化、潮解引起的圍巖破壞與剝落，避免了圍巖的松動和自承能力的削弱。

(3) 應力轉化作用。高速(30～120 m/s)噴射到巖面上形成高強度混凝土層，具有很高的黏結力，使得混凝土與圍巖緊密結合，并將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，使混凝土層、錨桿與圍巖形成了大剛度共同承載的力學體系，對于受拉區(qū)域，可抵消部分拉應力，提高圍巖抗拉能力；對于受剪區(qū)域，通過壓應力產(chǎn)生的摩擦力提高圍巖的抗剪能力。此外，在濕噴混凝土中加入鋼纖維或塑料纖維，可替代傳統(tǒng)的鋼網(wǎng)，不但減少了掛網(wǎng)工序，還可有效提高混凝土的整體力學性能，特別是可提高混凝土噴層的抗拉強度與變形能力，可以與圍巖協(xié)同變形，達到適當讓壓與加強一次支護強度的目的，對巷道的穩(wěn)定具有非常重要的作用。

2 工程實例

2.1 工程背景

我國某金礦工程地質條件復雜，礦區(qū)劃分為3個工程地質巖組：松散巖組、砂巖夾黏土巖半堅硬?軟弱巖組和黏土巖夾砂巖半堅硬?軟弱巖組。礦體及頂?shù)装鍑鷰r以薄至中厚層砂巖與薄層黏土巖為主，其單軸抗壓強度一般為 21.6～59.5 MPa。礦區(qū)地質構造發(fā)育，風化作用強烈，黏土巖軟弱層及斷裂破碎帶分布廣，易發(fā)生垮塌和遇水泥化等現(xiàn)象，屬半堅硬軟弱層狀碎屑巖類礦床，巷道變形表現(xiàn)出明顯的軟巖特性。鑒于巷道內運行大型機械化設備的需要，主下斜和沿脈運輸?shù)赖认锏罃嗝孢_5.5 m×5.5 m。該礦過去采用以干噴混凝土＋鋼網(wǎng)＋管縫式錨桿為主的支護工藝，該支護工藝存在工藝復雜、成本高、支護強度低等諸多缺點。鑒于上述原因，該礦引進國外帶機械手和行走系統(tǒng)的機械化濕噴車，建成相應的濕噴混凝土料漿制備系統(tǒng)，在不良巖體中嘗試采用濕噴混凝土+樹脂錨桿技術為核心的機械化支護新工藝，以期達到提高支護強度和降低支護成本的目的。

2.2 支護方案

該礦工程地質現(xiàn)場調查結果表明：主下斜Q巖體的90%以上為0.4～10.0。根據(jù)Barton的Q巖體分級與支護方式的關系可知：對于斷面規(guī)格為5.5 m×5.5 m的主下斜，其錨桿長度應大于2.2 m，錨桿間距一般為1.5～2.4 m，噴射混凝土厚度為 0～65 mm[11?13]。根據(jù)以上參數(shù)，確定如下主下斜支護方案。

(1) 錨桿桿體采用直徑為25 mm的HRB335螺紋鋼筋，長度為2.4 m，間距為1 200 mm，排距為1 500 mm。錨桿托盤采用長×寬×高為 150 mm×150 mm×6 mm立方體托盤，材質為A3鋼。

(2) 錨固劑：采用直徑×長度為 28 mm×1 000 mm的快速藥卷2卷。

(3) 濕噴混凝土選用C40混凝土，厚度為70 mm。濕噴混凝土主要技術參數(shù)見表1。

2.3 支護效果評價

該礦采用上述支護方案進行主下斜的支護實踐。在支護過程中，實行先噴后錨的支護工藝，即巷道掘進后立即噴射厚度為70 mm混凝土，及早封閉圍巖，然后安裝樹脂錨桿。

為考察該種支護方式的支護效果，在主下斜布置多個巷道斷面對其位移進行監(jiān)測，每個斷面設置5個監(jiān)測點。圖1所示為其中1個斷面的觀測結果，A1，A2，A3，A4和A5分別代表巷道左、右兩幫和頂板共5監(jiān)測點。

圖1 巷道變形監(jiān)測結果Fig.1 Monitoring results for laneway deformation

從圖 1可見：當監(jiān)測斷面與工作面的距離超過26.1 m時，巷道表面的收斂變形逐漸趨于穩(wěn)定，由此反映出巷道在工作面后方 26.1 m后巷道變形基本穩(wěn)定。經(jīng)過1 a多的生產(chǎn)實踐，主下斜巷道表面完好，沒有出現(xiàn)噴層開裂和巷道片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，達到了設計要求。

該礦過去采用以干噴混凝土+鋼網(wǎng)+管縫式錨桿為主的支護工藝，該支護工藝存在工藝復雜、成本高、支護強度低等缺點。目前，該礦引進國外帶機械手和行走系統(tǒng)的機械化噴漿車，所有巷道已全部采用濕噴混凝土+樹脂錨桿支護技術，并取得了良好的支護效果。

表1 濕噴混凝土主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of wet shotcrete

2.4 技術經(jīng)濟比較

2.4.1 2種噴射混凝土的技術經(jīng)濟比較

濕噴混凝土與干噴混凝土綜合技術經(jīng)濟指標比較，結果見表2。

表2 干、濕噴混凝土技術經(jīng)濟比較Table 2 Techno-economic comparison of dry and wet shotcrete

考慮噴射混凝土回彈等綜合因素，濕噴和干噴混凝土兩者成本差不多，但濕噴混凝土與干噴混凝土相比具有以下優(yōu)點(見表 2)[14?16]：

(1) 相同材料條件下濕噴混凝土平均強度比干噴混凝土平均強度高45%～85%，混凝土強度的提高，能有效地提高支護強度，防止圍巖松動圈的進一步擴大，阻止圍巖自承能力的降低，能夠有效提高巷道的穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 濕噴混凝土有效地保證了混凝土質量的穩(wěn)定性，克服了干噴因水灰比及物料組分控制不好、回彈量不均勻等原因造成混凝土質量的波動，在較大程度上消除了工程質量隱患。

(3) 粉塵質量濃度大幅度降低，改善了勞動環(huán)境，有效地保護了操作工的身體健康。

(4) 濕噴車比干噴機生產(chǎn)效率高，一次濕噴的噴層厚度較厚，支護強度可得到有效保證；同時，同等厚度的噴射次數(shù)減少，加快了施工進度。

(5) 在濕噴混凝土中加入鋼纖維或塑料纖維，有效提高了混凝土的整體力學性能，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼網(wǎng)，纖維混凝土與圍巖協(xié)同變形，達到了適當讓壓與加強一次支護強度的目的，對提高支護強度、簡化支護工藝和提高巷道穩(wěn)定性十分有益。

2.4.2 2種支護工藝的技術經(jīng)濟比較

該礦過去采用以干噴混凝土＋鋼網(wǎng)＋管縫式錨桿為主的支護工藝，目前所有巷道全部采用濕噴混凝土＋樹脂錨桿支護技術，這2種支護工藝的綜合技術經(jīng)濟指標比較見表3。

表3 2種支護工藝技術經(jīng)濟指標比較Table 3 Techno-economic index comparison of two support methods

需要強調的是：在干噴混凝土＋鋼網(wǎng)＋管縫式錨桿施工過程中，由于掛網(wǎng)的需要，錨桿墊板常常不能壓緊巖面以阻止其位移，會大大降低錨桿的支護效果；而濕噴混凝土＋樹脂錨桿支護工藝克服了上述弊病，錨桿能夠最大限度地發(fā)揮其支撐作用。

從上述分析結果可知：濕噴混凝土＋樹脂錨桿支護具有成本低、效率高和支護強度高的特點。

3 結論

(1) 濕噴混凝土與錨桿配合使用，能夠控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、張開裂隙等擴容變形與破壞，不同程度地提高了噴錨區(qū)的巖體強度、彈性模量、黏聚力和內摩擦角等力學參數(shù)，最大限度地保持了錨固區(qū)圍巖的完整性，避免了圍巖有害變形的出現(xiàn)，提高了錨固區(qū)圍巖的整體強度和穩(wěn)定性，這對不良巖體巷道具有良好的支護效果。

(2) 在濕噴混凝土中加入鋼纖維或塑料纖維，有效提高了混凝土的整體力學性能，特別是提高了混凝土噴層的抗拉強度與變形能力；濕噴混凝土+樹脂錨桿支護工藝可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以干噴混凝土＋鋼網(wǎng)＋錨桿的支護工藝。

(3) 采用Barton的Q巖體分級與支護方式的關系進行濕噴混凝土＋樹脂錨桿方案設計，并應用于某金礦不良巖體的大斷面巷道支護中。采用該支護方案不僅降低了支護成本，而且提高了支護效率，達到了對不良巖體巷道的支護要求。

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(編輯 陳燦華)

Drift support technology with wet shotcrete method in weak rock mass

HAN Bin1, WANG Xian-lai2, WEN You-dao2

(1. School of Civil & Environment Engineering, University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Through analysising the shortcomings of traditional draft support theory and practice, the support, paste and isolation and stress transform actions of wet shotcrete for weak rock condition were put forward based on engineering background, and support method of shotcrete with resin bolt by applying Q system was put forward. The results show that the support method plan realizes effective support for weak ground tunnels, and cost comparison of wet shotcrete and dry shotcrete shows that the cost is nearly equal, but with the same material, intension of wet shotcrete can be 45%?85%higher than that of dry shotcrete averagely, which significantly strengthens support capacity and can meet the requirement of support on mess rock. Wet shotcrete + resin blot support method replaces traditional dry shotcrete + mesh + bolt support method, and this tunnel support method has unique advantage in supporting weak rockmass.

wet shotcrete; weak rock mass; draft support

TD353

A

1672?7207(2010)06?2381?05

2009?12?22；

2010?03?18

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2006BAB02A01)；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NECT-07-0070)；國家自然科學基金資助項目(50774011)

韓斌(1969?)，男，甘肅張掖人，博士，從事采礦與巖石力學研究；電話：13241806882；E-mail: hanb66@126.com