本實用新型涉及深部地下巖體工程圍巖加固技術(shù)，屬于巖石力學與工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國基礎(chǔ)工程建設(shè)、水電能源開發(fā)、礦山資源開發(fā)、交通隧道工程、鐵道工程逐步深部化(埋設(shè)大于800m)，將會出現(xiàn)越來越多的深部地下洞室和深埋長大隧道/隧洞工程，以巖爆為代表的深部地下工程動力災害問題日趨增多，對深部工程造成巨大威脅，是制約深部地下工程安全建設(shè)的關(guān)鍵瓶頸問題。

巖爆是高地應力地區(qū)由于地下工程開挖卸荷引起的硬脆性圍巖發(fā)生彈射性破壞的一種地質(zhì)災害現(xiàn)象。處于三向應力狀態(tài)下的深部硬脆巖石的開挖卸荷，將會導致巖體內(nèi)部應力重分布和彈性應變能局部集聚。當開挖引起的應力集中或受到動力擾動引起的圍巖應力超過巖石的承載能力時，圍巖將產(chǎn)生劇烈的動力破壞，積聚著大量彈性能的巖石塊體以較快的速率彈射而出。巖爆發(fā)生具有高度的突發(fā)性和隨機性，難以準確預測，圍巖加固是當前巖爆防控的最重要手段之一。

當前，錨噴支護系統(tǒng)是地下洞室圍巖加固中最為廣泛應用的一種形式。洞室開挖后，迅速施作的噴射混凝土層和錨桿可以從臨空面為圍巖提供一定的支護力，防止圍巖表層的張性開裂，而圍巖內(nèi)部的剪切破壞可通過錨桿來控制。但是，國內(nèi)外大量地下工程實踐表明，錨噴支護系統(tǒng)不完全適用于高地應力條件下具有強烈?guī)r爆傾向的圍巖，一般難以防止強烈?guī)r爆的發(fā)生。主要原因在于噴射混凝土抗拉強度有限，難以有效防止圍巖表層張拉劈裂形成巖板，巖板彎曲受拉后折斷進而導致巖爆的發(fā)生。此外，錨桿之間的聯(lián)系不夠緊密，導致錨桿之間的薄弱地帶成為巖爆發(fā)生的突破口，使得錨桿難以發(fā)揮聯(lián)合支護作用，導致錨桿布置密度偏大，由此增大了圍巖加固費用。為此，本實用新型應用具有高抗拉強度特性的玄武巖纖維布覆蓋于圍巖表面，顯著提高圍巖表層的抗拉強度，從而有效防止圍巖表層劈裂巖板彎曲受拉折斷，進而抑制巖爆的發(fā)生，或利用表層巖板作為防護盾牌以阻擋巖爆碎塊直接向開挖面發(fā)生高速彈射，由此降低巖爆危害。該系統(tǒng)具有實現(xiàn)容易、成本低廉、高吸能性、巖爆防護效果好等優(yōu)點。

申請公布號為CN101270667A的實用新型專利介紹了一種深埋地下洞室極強或強烈或中等巖爆洞段的圍巖支護系統(tǒng)，主要是通過調(diào)整錨桿和錨索的密度來控制不同程度的巖爆強度，當巖爆強度高時，需要布置密度較大錨桿和錨索，將帶來加固成本過高的問題。此外，支護結(jié)構(gòu)的布置密度的調(diào)整依賴于現(xiàn)場人員的經(jīng)驗，現(xiàn)場操作難度較大。還有，巖爆工程實踐證明，當特別強烈?guī)r爆發(fā)生，鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土不能完全有效阻擋巖爆發(fā)生時高速彈射而出的巖石碎塊。

本實用新型提出一種巖爆危害的玄武巖纖維布與錨桿聯(lián)合作用的圍巖加固系統(tǒng)，不僅可以通過變形和板折等變化來吸收巖爆發(fā)生時的能量，從而降低巖爆等級，而且能阻止強烈?guī)r爆發(fā)生時高速巖石碎塊向圍巖表面發(fā)生彈射，從而有效避免或降低巖爆災害對人員與開挖設(shè)備的安全威脅。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提出一種降低巖爆危害的玄武巖纖維布與錨桿聯(lián)合作用圍巖加固系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要通過具有高抗拉強度的玄武巖纖維布改善圍巖表層抗拉性能，并有效加強錨桿之間圍巖的薄弱地帶，達到抑制巖爆的發(fā)生，或利用表層巖板作為防護盾牌以屏蔽巖爆碎塊直接向開挖面發(fā)生高速彈射破壞的目的。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用了以下技術(shù)方案：

一種降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)，包括找平層、玄武巖纖維布層和若干根錨桿，所述找平層設(shè)置在圍巖表面，所述玄武巖纖維布層設(shè)置在找平層表面，若干根錨桿分布植入在圍巖上。

進一步的，所述的找平層為噴射混凝土、噴射水泥砂漿或膠凝材料。找平層具備一定的黏性，方便后續(xù)玄武巖纖維布的粘貼和固定。

進一步的，所述的玄武巖纖維布的厚度為0.5mm，面密度為300g/m²。所述的玄武巖纖維布是以玄武巖纖維機織物為基材，經(jīng)高分子抗乳液浸泡涂層編織而成的雙向抗拉布，具有良好的抗堿性、柔韌性以及經(jīng)緯向高度抗拉力。

進一步的，所述的錨桿為直接植入式機械錨桿。所述的錨桿主要通過摩擦力將圍巖固定，如倒楔式金屬錨桿、管縫式錨桿等。

進一步的，所述的玄武巖纖維布粘貼，需在混凝土初凝時進行，粘貼時壓平玄武巖纖維布使之內(nèi)外表面均被混凝土浸透并緊貼，保證玄武巖纖維布的抗拉特性得到充分發(fā)揮。

進一步的，所述的錨桿植入需在玄武巖纖維布粘貼完工后迅速進行，防止混凝土在空氣中凝固，而能順利地將玄武巖纖維布固定在找平層表面上，使養(yǎng)護完成后的玄武巖纖維布、錨桿與圍巖形成統(tǒng)一整體。

進一步的，在植入錨桿之前，撥開玄武巖纖維布的縱橫纖維條預留孔洞，做出標記，便于錨桿植入，而不至于切斷纖維布。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實用新型具備的有益效果：

顯著提升圍巖強度，降低巖爆發(fā)生風險。被混凝土浸透的玄武巖纖維布在圍巖表面上粘貼、及混凝土養(yǎng)護完成后，由于混凝土的膠合作用而與圍巖表面共同形成一層剛度極大的巖板，在錨桿的錨固作用下不易發(fā)生折斷，圍巖能夠積蓄更多的彈性能，從而使圍巖強度得到大幅提升，所以整體上降低了巖爆發(fā)生的風險。

大量吸收巖爆孕育過程中的彈性應變能，大幅降低巖爆強度。隨著開采深度的增加，地下硐室開挖引起的高地應力導致的巖石破裂將不可避免，當巖石受到擾動荷載作用時，應力進一步增加。巖板的剛度保證了其在折斷過程中將耗散大量能量，使得巖爆強度降低，甚至會使圍巖破壞形式由巖爆彈射破壞轉(zhuǎn)為脆性破壞，達到進一步降低巖爆危害的效果。

圍巖表面形成剛性保護層，阻止巖爆彈射破壞，提高工程安全系數(shù)。傳統(tǒng)的圍巖加固系統(tǒng)，混凝土噴層作為單一的表面支護單元在巖爆發(fā)生時會產(chǎn)生大量的“飛石”，而本方面中的玄武巖纖維布與圍巖表面形成剛度極大的巖板，圍巖表面也更加致密，阻止了巖爆發(fā)生時，碎塊的彈射和剝落，防止對工程人員和設(shè)備造成危害。

成本低廉，施工簡便。玄武巖纖維布的價格低于鋼筋網(wǎng)，可直接從市場上購買，而鋼筋網(wǎng)的預制還需消耗人工，并且在粘貼方式上玄武巖纖維布比鋼筋網(wǎng)易于懸掛。

剛?cè)峤Y(jié)合，支護結(jié)構(gòu)有延性。支護的重點在于控制巖石破裂后的狀況，而不是阻止巖石破裂。玄武巖纖維布的高強抗拉特性在允許圍巖膨脹變形的同時還吸收了大量圍巖積蓄的彈性能，大大降低了巖爆發(fā)生的強度。歷經(jīng)大變形之后，錐形錨桿和摩擦錨桿仍然具備承載能力，將圍巖表面的張力向圍巖深處轉(zhuǎn)移，從而達到剛?cè)岵?，?lián)合支護的效果。此外，此支護結(jié)構(gòu)具備一定的延性，發(fā)生巖爆時為施工人員爭取到時間逃生，降低了工程風險。

附圖說明

圖1為本實用新型所述降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)的施工步驟流程圖；

圖2為本實用新型所述實施實例完工后隧道橫截面示意圖；

圖3為本實用新型所述利用真三軸巖爆試驗機示意圖；

圖4為本實用新型所述試樣上錨桿布置圖；

圖5為本實用新型所述真三軸巖爆試驗中安裝了錨桿的試樣照片；

圖6為本實用新型所述的真三軸巖爆試驗中試樣巖爆破壞過程高速攝像截圖；

圖7為本實用新型所述的真三軸巖爆試驗中試樣巖爆后破壞形態(tài)照片。

圖中：

1.找平層；2.玄武巖纖維布層；3.試樣；4.X向加載推頭；5.Z向加載推頭；6.巖樣開孔；7.墊片；8.阻擋巖爆碎塊向外彈射的彎折巖板；9.螺母；10.螺紋桿；11.錨桿。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術(shù)方案更加清晰明了，下面將結(jié)合說明書附圖中一個實施實例和一個玄武巖纖維布和錨桿聯(lián)合支護巖樣的室內(nèi)巖爆試驗，對本實用新型的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。

實施例的施工步驟如下：

步驟101，在開挖的隧道圍巖表面濕噴混凝土找平層。

具體地，按設(shè)計的斷面形狀開挖隧道，開挖完成后，在隧道圍巖表面采用濕噴技術(shù)噴射混凝土找平層(可以取30mm厚)。噴射作業(yè)先從拱腳或墻角向上噴射，噴射混凝土表面應大致平整并呈濕潤無干斑或滑移流淌狀態(tài)。找平層起到封閉圍巖、填補圍巖裂隙、防治圍巖風化和表面危巖垮塌的作用。

步驟102，在混凝土找平層初凝前迅速粘貼玄武巖纖維布。

具體地，將玄武巖纖維布切割成長為略大于隧道設(shè)計斷面周長的值，寬為5米的矩形布(寬度也可以是其他可以利于現(xiàn)場切割和布置的值)，沿隧道掘進方向逐張鋪貼。粘貼時，壓緊玄武巖纖維布使之被水泥砂漿浸透，確保玄武巖纖維布的高強抗拉特性與混凝土結(jié)合成整體后得到充分發(fā)揮，且相鄰矩形玄武巖纖維布之間的搭接長度不小于300mm。

步驟103，在玄武巖纖維布粘貼完成和混凝土初凝后的圍巖上迅速植入錨桿。

具體地，使用錨桿機植入錨桿，錨桿之間的間距要符合設(shè)計要求的支護密度，并且小于2m。玄武巖纖維布搭接處一定要有錨桿植入，并且在此區(qū)域內(nèi)增大錨桿植入密度。注意在植入錨桿之前，撥開玄武巖纖維布的縱橫纖維條預留孔洞，做出標記，便于錨桿植入，而不至于切斷纖維布。錨桿植入方向盡量與巖層結(jié)構(gòu)面垂直。使玄武巖纖維布被錨桿上的托盤壓住，緊貼在圍巖上，保證由混凝土、玄武巖纖維布、錨桿組成的支護系統(tǒng)的完整性。

此外，玄武巖纖維布和錨桿聯(lián)合支護效果的室內(nèi)試驗驗證實施方式如下：

利用真三軸壓力試驗機來模擬巖石在錨桿和玄武巖纖維聯(lián)合支護的條件下發(fā)生巖爆或脆性破壞過程，包括以下步驟：

1)巖樣制備：巖樣為中粗晶粒紅色花崗巖，取自廣西壯族自治區(qū)梧州市岑溪縣。巖樣密度約為2607kg/m³，平均單軸抗壓強度約為120MPa，常溫下縱波波速約為5.2km/s，完整性和均勻性較好。

2)巖樣加工：開孔方向垂直于試樣表面，開孔直徑8mm，開孔深度75mm±2mm。開孔后再進行切割、打磨，加工成型后的試樣尺寸為200mm×100mm×100mm，開孔位于試樣表面中心，加工精度嚴格按國際巖石力學協(xié)會標準執(zhí)行。試樣上的錨桿布置如圖4所示。

3)植入錨桿：選用螺紋桿以及相應的螺母和方形墊片模擬錨桿，使用水泥砂漿作為膠結(jié)劑將螺紋桿黏合在預留孔洞內(nèi)。所述的錨桿采用直徑為6mm的HRB300級螺紋桿；所述的托盤尺寸為30mm×30mm×2.5mm，所述的螺母為內(nèi)徑為6mm的4.8級鍍鋅六角螺母；孔道采用水泥砂漿灌漿。

4)粘貼玄武巖纖維布：將水泥砂漿均勻地涂抹在已植入錨桿的巖面上，再粘貼一層與巖面大小一致玄武巖纖維布，壓平玄武巖纖維布使之被水泥砂漿浸透，再使用螺母把方形墊片固定在纖維布表面，并在適當?shù)臏囟群蜐穸葪l件下養(yǎng)護不少于七天。實際養(yǎng)護完成的試樣圖如圖5所示。

5)裝機：將養(yǎng)護完成的試樣置于真三軸試驗機內(nèi)進行巖爆實驗。利用真三軸試驗機進行巖爆實驗的示意圖如圖3所示。

6)加載：實驗采用“五面受力-單面臨空-軸向加載”的加載方式，即Y軸方向(臨空面對立面)的最小主應力和X軸方向的中間主應力加載到一定值后保持不變，按照一定的加載速率逐漸施加最大主應力方向的荷載直至發(fā)生巖爆。本實驗的σx取30MPa，σy取5MPa，σz方向荷載的加載速率為0.5MPa/s。

試樣的巖爆破壞過程如圖6所示。

實驗后試樣的破壞形態(tài)圖如圖7所示。

由圖7及實驗數(shù)據(jù)可得出：首先，臨空面最外層的巖體與纖維布結(jié)合成一個剛度很大的巖板，阻止了碎塊向臨空面的彈射。其次，巖板雖然彎折，但沒有剝落下來，并且在彎折時吸收了大量的彈性能，從試樣側(cè)面可以看出并未形成貫穿的剪切裂縫，巖爆后試樣相對完整，巖爆強度大大降低。最后，從實驗數(shù)據(jù)所得，圍巖的強度得到大幅提升。