CN105927244A - 一种降低岩爆危害的围岩加固系统 - Google Patents

Abstract

一种降低岩爆危害的围岩加固系统，包括找平层、玄武岩纤维布层和若干根锚杆，所述找平层设置在围岩表面，所述玄武岩纤维布层设置在找平层表面，若干根锚杆分布植入在围岩上。实施方法是：在岩体开挖后，向围岩表面湿喷一层混凝土找平，待混凝土初凝前迅速沿着混凝土表面粘贴具有高抗拉强度的玄武岩纤维布，然后安装锚杆，锚杆穿过玄武岩纤维布和混凝土找平层植入岩体，从而使得围岩、喷射混凝土、玄武岩纤维布和锚杆群形成一个围岩加固系统，显著提高围岩表层的抗拉强度，从而有效防止围岩表层劈裂岩板弯曲受拉折断，进而抑制岩爆的发生，或利用表层岩板作为防护盾牌以阻挡岩爆碎块直接向开挖面发生高速弹射，由此降低岩爆危害。

Description

一种降低岩爆危害的围岩加固系统

技术领域

本发明涉及深部地下岩体工程围岩加固技术，属于岩石力学与工程技术领域。

背景技术

随着我国基础工程建设、水电能源开发、矿山资源开发、交通隧道工程、铁道工程逐步深部化(埋设大于800m)，将会出现越来越多的深部地下洞室和深埋长大隧道/隧洞工程，以岩爆为代表的深部地下工程动力灾害问题日趋增多，对深部工程造成巨大威胁，是制约深部地下工程安全建设的关键瓶颈问题。

岩爆是高地应力地区由于地下工程开挖卸荷引起的硬脆性围岩发生弹射性破坏的一种地质灾害现象。处于三向应力状态下的深部硬脆岩石的开挖卸荷，将会导致岩体内部应力重分布和弹性应变能局部集聚。当开挖引起的应力集中或受到动力扰动引起的围岩应力超过岩石的承载能力时，围岩将产生剧烈的动力破坏，积聚着大量弹性能的岩石块体以较快的速率弹射而出。岩爆发生具有高度的突发性和随机性，难以准确预测，围岩加固是当前岩爆防控的最重要手段之一。

当前，锚喷支护系统是地下洞室围岩加固中最为广泛应用的一种形式。洞室开挖后，迅速施作的喷射混凝土层和锚杆可以从临空面为围岩提供一定的支护力，防止围岩表层的张性开裂，而围岩内部的剪切破坏可通过锚杆来控制。但是，国内外大量地下工程实践表明，锚喷支护系统不完全适用于高地应力条件下具有强烈岩爆倾向的围岩，一般难以防止强烈岩爆的发生。主要原因在于喷射混凝土抗拉强度有限，难以有效防止围岩表层张拉劈裂形成岩板，岩板弯曲受拉后折断进而导致岩爆的发生。此外，锚杆之间的联系不够紧密，导致锚杆之间的薄弱地带成为岩爆发生的突破口，使得锚杆难以发挥联合支护作用，导致锚杆布置密度偏大，由此增大了围岩加固费用。为此，本发明应用具有高抗拉强度特性的玄武岩纤维布覆盖于围岩表面，显著提高围岩表层的抗拉强度，从而有效防止围岩表层劈裂岩板弯曲受拉折断，进而抑制岩爆的发生，或利用表层岩板作为防护盾牌以阻挡岩爆碎块直接向开挖面发生高速弹射，由此降低岩爆危害。该系统具有实现容易、成本低廉、高吸能性、岩爆防护效果好等优点。

申请公布号为CN101270667A的发明专利介绍了一种深埋地下洞室极强或强烈或中等岩爆洞段的围岩支护系统，主要是通过调整锚杆和锚索的密度来控制不同程度的岩爆强度，当岩爆强度高时，需要布置密度较大锚杆和锚索，将带来加固成本过高的问题。此外，支护结构的布置密度的调整依赖于现场人员的经验，现场操作难度较大。还有，岩爆工程实践证明，当特别强烈岩爆发生，钢筋网和喷射混凝土不能完全有效阻挡岩爆发生时高速弹射而出的岩石碎块。

本发明提出一种岩爆危害的玄武岩纤维布与锚杆联合作用的围岩加固系统，不仅可以通过变形和板折等变化来吸收岩爆发生时的能量，从而降低岩爆等级，而且能阻止强烈岩爆发生时高速岩石碎块向围岩表面发生弹射，从而有效避免或降低岩爆灾害对人员与开挖设备的安全威胁。

发明内容

本发明提出一种降低岩爆危害的玄武岩纤维布与锚杆联合作用围岩加固系统，该系统主要通过具有高抗拉强度的玄武岩纤维布改善围岩表层抗拉性能，并有效加强锚杆之间围岩的薄弱地带，达到抑制岩爆的发生，或利用表层岩板作为防护盾牌以屏蔽岩爆碎块直接向开挖面发生高速弹射破坏的目的。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种降低岩爆危害的围岩加固系统，包括找平层、玄武岩纤维布层和若干根锚杆，所述找平层设置在围岩表面，所述玄武岩纤维布层设置在找平层表面，若干根锚杆分布植入在围岩上。

进一步的，所述的找平层为喷射混凝土、喷射水泥砂浆或胶凝材料。找平层具备一定的黏性，方便后续玄武岩纤维布的粘贴和固定。

进一步的，所述的玄武岩纤维布的厚度为0.5mm，面密度为300g/m²。所述的玄武岩纤维布是以玄武岩纤维机织物为基材，经高分子抗乳液浸泡涂层编织而成的双向抗拉布，具有良好的抗碱性、柔韧性以及经纬向高度抗拉力。

进一步的，所述的锚杆为直接植入式机械锚杆。所述的锚杆主要通过摩擦力将围岩固定，如倒楔式金属锚杆、管缝式锚杆等。

进一步的，所述的玄武岩纤维布粘贴，需在混凝土初凝时进行，粘贴时压平玄武岩纤维布使之内外表面均被混凝土浸透并紧贴，保证玄武岩纤维布的抗拉特性得到充分发挥。

进一步的，所述的锚杆植入需在玄武岩纤维布粘贴完工后迅速进行，防止混凝土在空气中凝固，而能顺利地将玄武岩纤维布固定在找平层表面上，使养护完成后的玄武岩纤维布、锚杆与围岩形成统一整体。

进一步的，在植入锚杆之前，拨开玄武岩纤维布的纵横纤维条预留孔洞，做出标记，便于锚杆植入，而不至于切断纤维布。

与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：

显著提升围岩强度，降低岩爆发生风险。被混凝土浸透的玄武岩纤维布在围岩表面上粘贴、及混凝土养护完成后，由于混凝土的胶合作用而与围岩表面共同形成一层刚度极大的岩板，在锚杆的锚固作用下不易发生折断，围岩能够积蓄更多的弹性能，从而使围岩强度得到大幅提升，所以整体上降低了岩爆发生的风险。

大量吸收岩爆孕育过程中的弹性应变能，大幅降低岩爆强度。随着开采深度的增加，地下硐室开挖引起的高地应力导致的岩石破裂将不可避免，当岩石受到扰动荷载作用时，应力进一步增加。岩板的刚度保证了其在折断过程中将耗散大量能量，使得岩爆强度降低，甚至会使围岩破坏形式由岩爆弹射破坏转为脆性破坏，达到进一步降低岩爆危害的效果。

围岩表面形成刚性保护层，阻止岩爆弹射破坏，提高工程安全系数。传统的围岩加固系统，混凝土喷层作为单一的表面支护单元在岩爆发生时会产生大量的“飞石”，而本方面中的玄武岩纤维布与围岩表面形成刚度极大的岩板，围岩表面也更加致密，阻止了岩爆发生时，碎块的弹射和剥落，防止对工程人员和设备造成危害。

成本低廉，施工简便。玄武岩纤维布的价格低于钢筋网，可直接从市场上购买，而钢筋网的预制还需消耗人工，并且在粘贴方式上玄武岩纤维布比钢筋网易于悬挂。

刚柔结合，支护结构有延性。支护的重点在于控制岩石破裂后的状况，而不是阻止岩石破裂。玄武岩纤维布的高强抗拉特性在允许围岩膨胀变形的同时还吸收了大量围岩积蓄的弹性能，大大降低了岩爆发生的强度。历经大变形之后，锥形锚杆和摩擦锚杆仍然具备承载能力，将围岩表面的张力向围岩深处转移，从而达到刚柔并济，联合支护的效果。此外，此支护结构具备一定的延性，发生岩爆时为施工人员争取到时间逃生，降低了工程风险。

附图说明

图1为本发明所述降低岩爆危害的围岩加固系统的施工步骤流程图；

图2为本发明所述实施实例完工后隧道横截面示意图；

图3为本发明所述利用真三轴岩爆试验机示意图；

图4为本发明所述试样上锚杆布置图；

图5为本发明所述真三轴岩爆试验中安装了锚杆的试样照片；

图6为本发明所述的真三轴岩爆试验中试样岩爆破坏过程高速摄像截图；

图7为本发明所述的真三轴岩爆试验中试样岩爆后破坏形态照片。

图中：

1.找平层；2.玄武岩纤维布层；3.试样；4.X向加载推头；5.Z向加载推头；6.岩样开孔；7.垫片；8.阻挡岩爆碎块向外弹射的弯折岩板；9.螺母；10.螺纹杆；11.锚杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清晰明了，下面将结合说明书附图中一个实施实例和一个玄武岩纤维布和锚杆联合支护岩样的室内岩爆试验，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例的施工步骤如下：

步骤101，在开挖的隧道围岩表面湿喷混凝土找平层。

具体地，按设计的断面形状开挖隧道，开挖完成后，在隧道围岩表面采用湿喷技术喷射混凝土找平层(可以取30mm厚)。喷射作业先从拱脚或墙角向上喷射，喷射混凝土表面应大致平整并呈湿润无干斑或滑移流淌状态。找平层起到封闭围岩、填补围岩裂隙、防治围岩风化和表面危岩垮塌的作用。

步骤102，在混凝土找平层初凝前迅速粘贴玄武岩纤维布。

具体地，将玄武岩纤维布切割成长为略大于隧道设计断面周长的值，宽为5米的矩形布(宽度也可以是其他可以利于现场切割和布置的值)，沿隧道掘进方向逐张铺贴。粘贴时，压紧玄武岩纤维布使之被水泥砂浆浸透，确保玄武岩纤维布的高强抗拉特性与混凝土结合成整体后得到充分发挥，且相邻矩形玄武岩纤维布之间的搭接长度不小于300mm。

步骤103，在玄武岩纤维布粘贴完成和混凝土初凝后的围岩上迅速植入锚杆。

具体地，使用锚杆机植入锚杆，锚杆之间的间距要符合设计要求的支护密度，并且小于2m。玄武岩纤维布搭接处一定要有锚杆植入，并且在此区域内增大锚杆植入密度。注意在植入锚杆之前，拨开玄武岩纤维布的纵横纤维条预留孔洞，做出标记，便于锚杆植入，而不至于切断纤维布。锚杆植入方向尽量与岩层结构面垂直。使玄武岩纤维布被锚杆上的托盘压住，紧贴在围岩上，保证由混凝土、玄武岩纤维布、锚杆组成的支护系统的完整性。

此外，玄武岩纤维布和锚杆联合支护效果的室内试验验证实施方式如下：

利用真三轴压力试验机来模拟岩石在锚杆和玄武岩纤维联合支护的条件下发生岩爆或脆性破坏过程，包括以下步骤：

1)岩样制备：岩样为中粗晶粒红色花岗岩，取自广西壮族自治区梧州市岑溪县。岩样密度约为2607kg/m³，平均单轴抗压强度约为120MPa，常温下纵波波速约为5.2km/s，完整性和均匀性较好。

2)岩样加工：开孔方向垂直于试样表面，开孔直径8mm，开孔深度75mm±2mm。开孔后再进行切割、打磨，加工成型后的试样尺寸为200mm×100mm×100mm，开孔位于试样表面中心，加工精度严格按国际岩石力学协会标准执行。试样上的锚杆布置如图4所示。

3)植入锚杆：选用螺纹杆以及相应的螺母和方形垫片模拟锚杆，使用水泥砂浆作为胶结剂将螺纹杆黏合在预留孔洞内。所述的锚杆采用直径为6mm的HRB300级螺纹杆；所述的托盘尺寸为30mm×30mm×2.5mm，所述的螺母为内径为6mm的4.8级镀锌六角螺母；孔道采用水泥砂浆灌浆。

4)粘贴玄武岩纤维布：将水泥砂浆均匀地涂抹在已植入锚杆的岩面上，再粘贴一层与岩面大小一致玄武岩纤维布，压平玄武岩纤维布使之被水泥砂浆浸透，再使用螺母把方形垫片固定在纤维布表面，并在适当的温度和湿度条件下养护不少于七天。实际养护完成的试样图如图5所示。

5)装机：将养护完成的试样置于真三轴试验机内进行岩爆实验。利用真三轴试验机进行岩爆实验的示意图如图3所示。

6)加载：实验采用“五面受力-单面临空-轴向加载”的加载方式，即Y轴方向(临空面对立面)的最小主应力和X轴方向的中间主应力加载到一定值后保持不变，按照一定的加载速率逐渐施加最大主应力方向的荷载直至发生岩爆。本实验的σx取30MPa，σy取5MPa，σz方向荷载的加载速率为0.5MPa/s。

试样的岩爆破坏过程如图6所示。

实验后试样的破坏形态图如图7所示。

由图7及实验数据可得出：首先，临空面最外层的岩体与纤维布结合成一个刚度很大的岩板，阻止了碎块向临空面的弹射。其次，岩板虽然弯折，但没有剥落下来，并且在弯折时吸收了大量的弹性能，从试样侧面可以看出并未形成贯穿的剪切裂缝，岩爆后试样相对完整，岩爆强度大大降低。最后，从实验数据所得，围岩的强度得到大幅提升。

Claims (7)

1.一种降低岩爆危害的围岩加固系统，其特征在于，包括找平层、玄武岩纤维布层和若干根锚杆，所述找平层设置在围岩表面，所述玄武岩纤维布层设置在找平层表面，若干根锚杆分布植入在围岩上。

2.如权利要求1所述的降低岩爆危害的围岩加固系统，其特征在于，所述的找平层为喷射混凝土、喷射水泥砂浆或胶凝材料。

3.如权利要求1所述的降低岩爆危害的围岩加固系统，其特征在于，所述的玄武岩纤维布的厚度为0.5mm，面密度为300g/m²。

4.如权利要求1所述的降低岩爆危害的围岩加固系统，其特征在于，所述的锚杆为直接植入式机械锚杆。

5.如权利要求1所述的降低岩爆危害的围岩加固系统，其特征在于，所述玄武岩纤维布的粘贴，需在混凝土初凝时进行，粘贴时压平玄武岩纤维布使之内外表面均被混凝土浸透并紧贴，保证玄武岩纤维布的抗拉特性得到充分发挥。

6.如权利要求1所述的降低岩爆危害的围岩加固系统，其特征在于，所述的锚杆植入需在玄武岩纤维布粘贴完工后迅速进行，防止混凝土在空气中凝固，而能顺利地将玄武岩纤维布固定在找平层表面上，使养护完成后的围岩、玄武岩纤维布与锚杆形成统一整体。

7.如权利要求1所述的降低岩爆危害的围岩加固系统，其特征在于，在植入锚杆之前，拨开玄武岩纤维布的纵横纤维条预留孔洞，做出标记，便于锚杆植入，而不至于切断纤维布。