不良岩体巷道的湿喷混凝土支护技术

韩斌¹，王贤来²，文有道²

(1. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京，100083；

2. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

摘  要：通过分析传统支护理论与实践存在的不足，提出湿喷混凝土在不良岩体巷道支护中的支撑作用、充填与隔离作用以及应力转化作用；根据具体的工程背景，应用Barton的Q岩体分级及支护方法，提出采用湿喷混凝土＋树脂锚杆的支护方案。研究结果表明：该支护方案实现了对不良岩体巷道的有效支护；湿喷混凝土直接成本与干喷混凝土直接成本近似相等，相同材料的湿喷混凝土平均强度比干喷混凝的平均强度高45%~85%，实现了对不良岩体巷道的支护需要；湿喷混凝土＋树脂锚杆支护技术可替代传统的干喷混凝土＋钢网＋锚杆工艺，对不良岩体的支护具有独特优势。

关键词：湿喷混凝土；不良岩体；支护方案

中图分类号：TD353          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)06-2381-05

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)

Abstract: 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.

Key words: wet shotcrete; weak rock mass; draft support

喷射混凝土支护是使用混凝土喷射机，利用压缩空气或其他动力，将按一定比例配合的拌和料通过管道输送并高速喷射到受喷面上，迅速凝固成具有一定抗压、抗拉强度的支护结构，从而对围岩起到一定的支护作用。根据喷射工艺的不同，喷射混凝土可分为干式喷射混凝土、潮式喷射混凝土、湿式喷射混凝土等。近年来，湿式喷射混凝土技术以其生产效率高、工程质量好等优势，在水利、水电和地铁等大断面地下工程中得到逐步推广，但在我国地下矿山的应用还很少。在此，本文作者通过对传统支护理论与实践的分析，根据湿喷混凝土的特点及其在巷道支护中作用机理，研究湿喷混凝土在不良岩体巷道支护中的作用和优势，并结合工程实例，采用湿喷混凝土＋树脂锚杆支护技术替代传统干喷混凝土＋钢网＋锚杆技   术^[1-7]。

1  湿喷混凝土的特点及其作用机理

1.1  湿喷混凝土的特点

喷锚网支护是目前地下矿山巷道最常用的一次支护方式，喷锚网支护能在巷道裸露后2~3 h快速完成，可迅速提供连续的支撑力，改变围岩的受力状态，阻止巷道变形的迅速发展，避免围岩的松散和脱落，有利于巷道的稳定。同时，喷射混凝土具有良好的封闭性，大大降低了潮湿空气及地下水对岩体的侵蚀和由此伴生的潮解、膨胀和矿物变质，有利于保持岩体的固有强度。

目前，我国地下矿山的喷锚网支护普遍采用干式喷射混凝土技术。干喷混凝土喷层常出现断裂、剥落甚至坍塌现象，并最终导致岩体片帮、冒落和锚杆失效，这也是目前不良岩层巷道支护的一个技术难题。同时，在施工过程中，由于挂网的需要，锚杆垫板常常不能压紧岩面以阻止其位移，这也会大大降低了锚杆的支护效果。

对处于不良岩层或深部开采的巷道，岩体往往表现出软岩的特征：易变形，易风化，流变性强，变形地压大。传统的支护理论主张采用先柔后刚、先让后抗的支护原则。实践表明：若一次支护强度不够，“柔”性过大，则很容易使巷道周围岩体变形加剧，岩体松动圈进一步扩大，岩体自承能力降低，即使二次支护采用现浇钢筋混凝土等钢性支护，也往往难以阻止巷道的进一步破坏。干喷混凝土28 d单轴抗压强度一般为10~20 MPa，由于其强度不能提供足够的支撑抗力以阻止围岩松散，导致围岩自承能力降低，松动圈扩大，这是造成干喷混凝土喷层断裂、剥落甚至坍塌现象的关键原因，也是不良岩体巷道锚杆失效和巷道失稳的重要原因。不良岩层巷道支护的大量工程实践表明：加大一次支护强度，可防止围岩松动圈进一步扩大，阻止围岩自承能力降低，能够有效提高巷道的稳定状态，其中，湿喷混凝土支护是加强一次支护的一种良好途径。

湿喷混凝土的特点主要表现在：(1) 可大量减少回弹(在正常情况下，回弹损耗率为5%~15%)；(2) 作业环境好，粉尘少；(3) 由于有效使用各种外加剂材料，喷层可较厚；(4) 各种配合比组分可以得到精确控制；(5) 力学性能好，强度指标偏差小；(6) 施工机械化程度高、速度快，总经济效益显著；(7) 适用范围广，不仅能作为永久支护，而且能用于掘进工作面的临时支护，还可用于处理工程事故。鉴于上述原因，湿喷混凝土已在发达国家广泛采用，并逐渐替代干喷混凝土。

1.2  湿喷混凝土在巷道喷锚支护中的作用机理

湿喷混凝土具有良好的力学性能，克服了干喷混凝土强度低的不足，其28 d单轴抗压强度可达到30~ 50 MPa。采用湿喷混凝土与锚杆支护技术，可有效提高巷道稳定性，究其原因，湿式喷锚支护在巷道支护中的作用主要表现在以下几个方面^[8-10]。

(1) 支撑作用。湿喷混凝土比干喷混凝土强度提高45%~85%，且具有较高的早期强度；在一次支护中与锚杆配合使用，能够控制锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏，不同程度地提高喷锚区的岩体强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等力学参数，改善发生塑性变形和破碎岩体的力学性质，显著提高其屈服后强度，改变屈服后岩体变形特性，最大限度地保持锚固区围岩的完整性，避免出现围岩有害变形，提高锚固区围岩的整体强度和稳定性。

(2) 充填与隔离作用。由于湿喷混凝土料浆流动性较好，并以高速喷射到岩壁上，砂浆和细料被挤入岩石缝隙和节理，产生加锲效应，能充分充填围岩裂隙、节理，大大提高了岩体的整体强度。同时，湿喷混凝土层与岩壁之间有很好的黏性，湿喷混凝土彻底封闭了围岩的表面，完全隔绝了空气、水与围岩的接触，有效地防止了风化、潮解引起的围岩破坏与剥落，避免了围岩的松动和自承能力的削弱。

(3) 应力转化作用。高速(30~120 m/s)喷射到岩面上形成高强度混凝土层，具有很高的黏结力，使得混凝土与围岩紧密结合，并将锚杆之间岩层的载荷传递给锚杆，使混凝土层、锚杆与围岩形成了大刚度共同承载的力学体系，对于受拉区域，可抵消部分拉应力，提高围岩抗拉能力；对于受剪区域，通过压应力产生的摩擦力提高围岩的抗剪能力。此外，在湿喷混凝土中加入钢纤维或塑料纤维，可替代传统的钢网，不但减少了挂网工序，还可有效提高混凝土的整体力学性能，特别是可提高混凝土喷层的抗拉强度与变形能力，可以与围岩协同变形，达到适当让压与加强一次支护强度的目的，对巷道的稳定具有非常重要的作用。

2  工程实例

2.1  工程背景

我国某金矿工程地质条件复杂，矿区划分为3个工程地质岩组：松散岩组、砂岩夹黏土岩半坚硬-软弱岩组和黏土岩夹砂岩半坚硬-软弱岩组。矿体及顶底板围岩以薄至中厚层砂岩与薄层黏土岩为主，其单轴抗压强度一般为21.6~59.5 MPa。矿区地质构造发育，风化作用强烈，黏土岩软弱层及断裂破碎带分布广，易发生垮塌和遇水泥化等现象，属半坚硬软弱层状碎屑岩类矿床，巷道变形表现出明显的软岩特性。鉴于巷道内运行大型机械化设备的需要，主下斜和沿脉运输道等巷道断面达5.5 m×5.5 m。该矿过去采用以干喷混凝土＋钢网＋管缝式锚杆为主的支护工艺，该支护工艺存在工艺复杂、成本高、支护强度低等诸多缺点。鉴于上述原因，该矿引进国外带机械手和行走系统的机械化湿喷车，建成相应的湿喷混凝土料浆制备系统，在不良岩体中尝试采用湿喷混凝土+树脂锚杆技术为核心的机械化支护新工艺，以期达到提高支护强度和降低支护成本的目的。

2.2  支护方案

该矿工程地质现场调查结果表明：主下斜Q岩体的90%以上为0.4~10.0。根据Barton的Q岩体分级与支护方式的关系可知：对于断面规格为5.5 m×5.5 m的主下斜，其锚杆长度应大于2.2 m，锚杆间距一般为1.5~2.4 m，喷射混凝土厚度为0~65 mm^[11-13]。根据以上参数，确定如下主下斜支护方案。

(1) 锚杆杆体采用直径为25 mm的HRB335螺纹钢筋，长度为2.4 m，间距为1 200 mm，排距为1 500 mm。锚杆托盘采用长×宽×高为150 mm×150 mm×6 mm立方体托盘，材质为A3钢。

(2) 锚固剂：采用直径×长度为28 mm×1 000 mm的快速药卷2卷。

(3) 湿喷混凝土选用C40混凝土，厚度为70 mm。湿喷混凝土主要技术参数见表1。

2.3  支护效果评价

该矿采用上述支护方案进行主下斜的支护实践。在支护过程中，实行先喷后锚的支护工艺，即巷道掘进后立即喷射厚度为70 mm混凝土，及早封闭围岩，然后安装树脂锚杆。

为考察该种支护方式的支护效果，在主下斜布置多个巷道断面对其位移进行监测，每个断面设置5个监测点。图1所示为其中1个断面的观测结果，A₁，A₂，A₃，A₄和A₅分别代表巷道左、右两帮和顶板共5监测点。

图1  巷道变形监测结果

Fig.1  Monitoring results for laneway deformation

从图1可见：当监测断面与工作面的距离超过26.1 m时，巷道表面的收敛变形逐渐趋于稳定，由此反映出巷道在工作面后方26.1 m后巷道变形基本稳定。经过1 a多的生产实践，主下斜巷道表面完好，没有出现喷层开裂和巷道片帮、冒顶等现象，达到了设计要求。

该矿过去采用以干喷混凝土+钢网+管缝式锚杆为主的支护工艺，该支护工艺存在工艺复杂、成本高、支护强度低等缺点。目前，该矿引进国外带机械手和行走系统的机械化喷浆车，所有巷道已全部采用湿喷混凝土+树脂锚杆支护技术，并取得了良好的支护  效果。

表1  湿喷混凝土主要技术参数

Table 1  Main technical parameters of wet shotcrete

2.4  技术经济比较

2.4.1  2种喷射混凝土的技术经济比较

湿喷混凝土与干喷混凝土综合技术经济指标比较，结果见表2。

表2  干、湿喷混凝土技术经济比较

Table 2  Techno-economic comparison of dry and wet shotcrete

考虑喷射混凝土回弹等综合因素，湿喷和干喷混凝土两者成本差不多，但湿喷混凝土与干喷混凝土相比具有以下优点(见表2)^[14-16]：

(1) 相同材料条件下湿喷混凝土平均强度比干喷混凝土平均强度高45%~85%，混凝土强度的提高，能有效地提高支护强度，防止围岩松动圈的进一步扩大，阻止围岩自承能力的降低，能够有效提高巷道的稳定状态。

(2) 湿喷混凝土有效地保证了混凝土质量的稳定性，克服了干喷因水灰比及物料组分控制不好、回弹量不均匀等原因造成混凝土质量的波动，在较大程度上消除了工程质量隐患。

(3) 粉尘质量浓度大幅度降低，改善了劳动环境，有效地保护了操作工的身体健康。

(4) 湿喷车比干喷机生产效率高，一次湿喷的喷层厚度较厚，支护强度可得到有效保证；同时，同等厚度的喷射次数减少，加快了施工进度。

(5) 在湿喷混凝土中加入钢纤维或塑料纤维，有效提高了混凝土的整体力学性能，可代替传统的钢网，纤维混凝土与围岩协同变形，达到了适当让压与加强一次支护强度的目的，对提高支护强度、简化支护工艺和提高巷道稳定性十分有益。

2.4.2  2种支护工艺的技术经济比较

该矿过去采用以干喷混凝土＋钢网＋管缝式锚杆为主的支护工艺，目前所有巷道全部采用湿喷混凝土＋树脂锚杆支护技术，这2种支护工艺的综合技术经济指标比较见表3。

表3  2种支护工艺技术经济指标比较

Table 3  Techno-economic index comparison of two support methods

需要强调的是：在干喷混凝土＋钢网＋管缝式锚杆施工过程中，由于挂网的需要，锚杆垫板常常不能压紧岩面以阻止其位移，会大大降低锚杆的支护效果；而湿喷混凝土＋树脂锚杆支护工艺克服了上述弊病，锚杆能够最大限度地发挥其支撑作用。

从上述分析结果可知：湿喷混凝土＋树脂锚杆支护具有成本低、效率高和支护强度高的特点。

3  结论

(1) 湿喷混凝土与锚杆配合使用，能够控制锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏，不同程度地提高了喷锚区的岩体强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等力学参数，最大限度地保持了锚固区围岩的完整性，避免了围岩有害变形的出现，提高了锚固区围岩的整体强度和稳定性，这对不良岩体巷道具有良好的支护效果。

(2) 在湿喷混凝土中加入钢纤维或塑料纤维，有效提高了混凝土的整体力学性能，特别是提高了混凝土喷层的抗拉强度与变形能力；湿喷混凝土+树脂锚杆支护工艺可代替传统的以干喷混凝土＋钢网＋锚杆的支护工艺。

(3) 采用Barton的Q岩体分级与支护方式的关系进行湿喷混凝土＋树脂锚杆方案设计，并应用于某金矿不良岩体的大断面巷道支护中。采用该支护方案不仅降低了支护成本，而且提高了支护效率，达到了对不良岩体巷道的支护要求。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2009-12-22；修回日期：2010-03-18

基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAB02A01)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NECT-07-0070)；国家自然科学基金资助项目(50774011)

通信作者：韩斌(1969-)，男，甘肃张掖人，博士，从事采矿与岩石力学研究；电话：13241806882；E-mail: hanb66@126.com