一種降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】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。實(shí)施方法是：在巖體開(kāi)挖后，向圍巖表面濕噴一層混凝土找平，待混凝土初凝前迅速沿著混凝土表面粘貼具有高抗拉強(qiáng)度的玄武巖纖維布，然后安裝錨桿，錨桿穿過(guò)玄武巖纖維布和混凝土找平層植入巖體，從而使得圍巖、噴射混凝土、玄武巖纖維布和錨桿群形成一個(gè)圍巖加固系統(tǒng)，顯著提高圍巖表層的抗拉強(qiáng)度，從而有效防止圍巖表層劈裂巖板彎曲受拉折斷，進(jìn)而抑制巖爆的發(fā)生，或利用表層巖板作為防護(hù)盾牌以阻擋巖爆碎塊直接向開(kāi)挖面發(fā)生高速?gòu)椛?，由此降低巖爆危害。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及深部地下巖體工程圍巖加固技術(shù)，屬于巖石力學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)、水電能源開(kāi)發(fā)、礦山資源開(kāi)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(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的深部地下洞室和深埋長(zhǎng)大隧道/隧洞工程，以巖爆為代表的深部地下工程動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題日趨增多，對(duì)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(wèn)題。
[0003]巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)由于地下工程開(kāi)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(zāi)害現(xiàn)象。處于三向應(yīng)力狀態(tài)下的深部硬脆巖石的開(kāi)挖卸荷，將會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布和彈性應(yīng)變能局部集聚。當(dāng)開(kāi)挖引起的應(yīng)力集中或受到動(dòng)力擾動(dòng)引起的圍巖應(yīng)力超過(guò)巖石的承載能力時(shí)，圍巖將產(chǎn)生劇烈的動(dòng)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(jī)性，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，圍巖加固是當(dāng)前巖爆防控的最重要手段之一。
[0004]當(dāng)前，錨噴支護(hù)系統(tǒng)是地下洞室圍巖加固中最為廣泛應(yīng)用的一種形式。洞室開(kāi)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(hù)力，防止圍巖表層的張性開(kāi)裂，而圍巖內(nèi)部的剪切破壞可通過(guò)錨桿來(lái)控制。但是，國(guó)內(nèi)外大量地下工程實(shí)踐表明，錨噴支護(hù)系統(tǒng)不完全適用于高地應(yīng)力條件下具有強(qiáng)烈?guī)r爆傾向的圍巖，一般難以防止強(qiáng)烈?guī)r爆的發(fā)生。主要原因在于噴射混凝土抗拉強(qiáng)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(jìn)而導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。此外，錨桿之間的聯(lián)系不夠緊密，導(dǎo)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(hù)作用，導(dǎo)致錨桿布置密度偏大，由此增大了圍巖加固費(fèi)用。為此，本發(fā)明應(yīng)用具有高抗拉強(qiáng)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(qiáng)度，從而有效防止圍巖表層劈裂巖板彎曲受拉折斷，進(jìn)而抑制巖爆的發(fā)生，或利用表層巖板作為防護(hù)盾牌以阻擋巖爆碎塊直接向開(kāi)挖面發(fā)生高速?gòu)椛洌纱私档蛶r爆危害。該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)容易、成本低廉、高吸能性、巖爆防護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]申請(qǐng)公布號(hào)為CN101270667A的發(fā)明專(zhuān)利介紹了一種深埋地下洞室極強(qiáng)或強(qiáng)烈或中等巖爆洞段的圍巖支護(hù)系統(tǒng)，主要是通過(guò)調(diào)整錨桿和錨索的密度來(lái)控制不同程度的巖爆強(qiáng)度，當(dāng)巖爆強(qiáng)度高時(shí)，需要布置密度較大錨桿和錨索，將帶來(lái)加固成本過(guò)高的問(wèn)題。此外，支護(hù)結(jié)構(gòu)的布置密度的調(diào)整依賴于現(xiàn)場(chǎng)人員的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)操作難度較大。還有，巖爆工程實(shí)踐證明，當(dāng)特別強(qiáng)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(shí)高速?gòu)椛涠龅膸r石碎塊。
[0006]本發(fā)明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(guò)變形和板折等變化來(lái)吸收巖爆發(fā)生時(shí)的能量，從而降低巖爆等級(jí)，而且能阻止強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生時(shí)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(zāi)害對(duì)人員與開(kāi)挖設(shè)備的安全威脅。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明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(guò)具有高抗拉強(qiáng)度的玄武巖纖維布改善圍巖表層抗拉性能，并有效加強(qiáng)錨桿之間圍巖的薄弱地帶，達(dá)到抑制巖爆的發(fā)生，或利用表層巖板作為防護(hù)盾牌以屏蔽巖爆碎塊直接向開(kāi)挖面發(fā)生高速?gòu)椛淦茐牡哪康摹?br>[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0009]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。
[0010]進(jìn)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。
[0011]進(jìn)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(jī)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)瑋向高度抗拉力。
[0012]進(jìn)一步的，所述的錨桿為直接植入式機(jī)械錨桿。所述的錨桿主要通過(guò)摩擦力將圍巖固定，如倒楔式金屬錨桿、管縫式錨桿等。
[0013]進(jìn)一步的，所述的玄武巖纖維布粘貼，需在混凝土初凝時(shí)進(jìn)行，粘貼時(shí)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。
[0014]進(jìn)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(jìn)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(hù)完成后的玄武巖纖維布、錨桿與圍巖形成統(tǒng)一整體。
[0015]進(jìn)一步的，在植入錨桿之前，撥開(kāi)玄武巖纖維布的縱橫纖維條預(yù)留孔洞，做出標(biāo)記，便于錨桿植入，而不至于切斷纖維布。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備的有益效果:
[0017]顯著提升圍巖強(qiáng)度，降低巖爆發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。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(hù)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(qiáng)度得到大幅提升，所以整體上降低了巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。
[0018]大量吸收巖爆孕育過(guò)程中的彈性應(yīng)變能，大幅降低巖爆強(qiáng)度。隨著開(kāi)采深度的增加，地下硐室開(kāi)挖引起的高地應(yīng)力導(dǎo)致的巖石破裂將不可避免，當(dāng)巖石受到擾動(dòng)荷載作用時(shí)，應(yīng)力進(jìn)一步增加。巖板的剛度保證了其在折斷過(guò)程中將耗散大量能量，使得巖爆強(qiáng)度降低，甚至?xí)箛鷰r破壞形式由巖爆彈射破壞轉(zhuǎn)為脆性破壞，達(dá)到進(jìn)一步降低巖爆危害的效果O
[0019]圍巖表面形成剛性保護(hù)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(hù)單元在巖爆發(fā)生時(shí)會(huì)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(shí)，碎塊的彈射和剝落，防止對(duì)工程人員和設(shè)備造成危害。
[0020]成本低廉，施工簡(jiǎn)便。玄武巖纖維布的價(jià)格低于鋼筋網(wǎng)，可直接從市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)，而鋼筋網(wǎng)的預(yù)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。
[0021]剛?cè)峤Y(jié)合，支護(hù)結(jié)構(gòu)有延性。支護(hù)的重點(diǎn)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(qiáng)抗拉特性在允許圍巖膨脹變形的同時(shí)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(qiáng)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(dá)到剛?cè)岵?jì)，聯(lián)合支護(hù)的效果。此外，此支護(hù)結(jié)構(gòu)具備一定的延性，發(fā)生巖爆時(shí)為施工人員爭(zhēng)取到時(shí)間逃生，降低了工程風(fēng)險(xiǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明所述降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)的施工步驟流程圖；
[0023]圖2為本發(fā)明所述實(shí)施實(shí)例完工后隧道橫截面示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明所述利用真三軸巖爆試驗(yàn)機(jī)示意圖；
[0025]圖4為本發(fā)明所述試樣上錨桿布置圖；
[0026]圖5為本發(fā)明所述真三軸巖爆試驗(yàn)中安裝了錨桿的試樣照片；
[0027]圖6為本發(fā)明所述的真三軸巖爆試驗(yàn)中試樣巖爆破壞過(guò)程高速攝像截圖；
[0028]圖7為本發(fā)明所述的真三軸巖爆試驗(yàn)中試樣巖爆后破壞形態(tài)照片。
[0029]圖中:
[0030]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(kāi)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(shí)施方式】
[0031]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案更加清晰明了，下面將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖中一個(gè)實(shí)施實(shí)例和一個(gè)玄武巖纖維布和錨桿聯(lián)合支護(hù)巖樣的室內(nèi)巖爆試驗(yàn)，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
[0032]實(shí)施例的施工步驟如下:
[0033]步驟101，在開(kāi)挖的隧道圍巖表面濕噴混凝土找平層。
[0034]具體地，按設(shè)計(jì)的斷面形狀開(kāi)挖隧道，開(kāi)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(yīng)大致平整并呈濕潤(rùn)無(wú)干斑或滑移流淌狀態(tài)。找平層起到封閉圍巖、填補(bǔ)圍巖裂隙、防治圍巖風(fēng)化和表面危巖跨塌的作用。
[0035]步驟102，在混凝土找平層初凝前迅速粘貼玄武巖纖維布。
[0036]具體地，將玄武巖纖維布切割成長(zhǎng)為略大于隧道設(shè)計(jì)斷面周長(zhǎng)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(chǎng)切割和布置的值)，沿隧道掘進(jìn)方向逐張鋪貼。粘貼時(shí)，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(qiáng)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(zhǎng)度不小于300mm。
[0037]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。
[0038]具體地，使用錨桿機(jī)植入錨桿，錨桿之間的間距要符合設(shè)計(jì)要求的支護(hù)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(kāi)玄武巖纖維布的縱橫纖維條預(yù)留孔洞，做出標(biāo)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(pán)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(hù)系統(tǒng)的完整性。
[0039]此外，玄武巖纖維布和錨桿聯(lián)合支護(hù)效果的室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)施方式如下:
[0040]利用真三軸壓力試驗(yàn)機(jī)來(lái)模擬巖石在錨桿和玄武巖纖維聯(lián)合支護(hù)的條件下發(fā)生巖爆或脆性破壞過(guò)程，包括以下步驟:
[0041]I)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(qiáng)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。
[0042]2)巖樣加工:開(kāi)孔方向垂直于試樣表面，開(kāi)孔直徑8mm，開(kāi)孔深度75mm 土 2mm。開(kāi)孔后再進(jìn)行切割、打磨，加工成型后的試樣尺寸為200mmX 10mmX 100mm，開(kāi)孔位于試樣表面中心，加工精度嚴(yán)格按國(guó)際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試樣上的錨桿布置如圖4所示。
[0043]3)植入錨桿:選用螺紋桿以及相應(yīng)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(yù)留孔洞內(nèi)。所述的錨桿采用直徑為6mm的HRB300級(jí)螺紋桿;所述的托盤(pán)尺寸為30mm X 30mm X 2.5mm，所述的螺母為內(nèi)徑為6mm的4.8級(jí)鍍鋅六角螺母;孔道采用水泥砂漿灌漿。
[0044]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(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件下養(yǎng)護(hù)不少于七天。實(shí)際養(yǎng)護(hù)完成的試樣圖如圖5所示。
[0045]5)裝機(jī):將養(yǎng)護(hù)完成的試樣置于真三軸試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行巖爆實(shí)驗(yàn)。利用真三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行巖爆實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖3所示。
[0046]6)加載:實(shí)驗(yàn)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(duì)立面)的最小主應(yīng)力和X軸方向的中間主應(yīng)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(yīng)力方向的荷載直至發(fā)生巖爆。本實(shí)驗(yàn)的σχ取30MPa，oy取5MPa，σζ方向荷載的加載速率為0.5MPa/s。
[0047]試樣的巖爆破壞過(guò)程如圖6所示。
[0048]實(shí)驗(yàn)后試樣的破壞形態(tài)圖如圖7所示。
[0049]由圖7及實(shí)驗(yàn)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(gè)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(méi)有剝落下來(lái)，并且在彎折時(shí)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(duì)完整，巖爆強(qiáng)度大大降低。最后，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得，圍巖的強(qiáng)度得到大幅提升。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)，其特征在于，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。2.如權(quán)利要求1所述的降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)，其特征在于，所述的找平層為噴射混凝土、噴射水泥砂漿或膠凝材料。3.如權(quán)利要求1所述的降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)，其特征在于，所述的玄武巖纖維布的厚度為0.5臟，面密度為30(^/1112。4.如權(quán)利要求1所述的降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)，其特征在于，所述的錨桿為直接植入式機(jī)械銷(xiāo)桿。5.如權(quán)利要求1所述的降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)，其特征在于，所述玄武巖纖維布的粘貼，需在混凝土初凝時(shí)進(jìn)行，粘貼時(shí)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。6.如權(quán)利要求1所述的降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)，其特征在于，所述的錨桿植入需在玄武巖纖維布粘貼完工后迅速進(jìn)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(hù)完成后的圍巖、玄武巖纖維布與錨桿形成統(tǒng)一整體。7.如權(quán)利要求1所述的降低巖爆危害的圍巖加固系統(tǒng)，其特征在于，在植入錨桿之前，撥開(kāi)玄武巖纖維布的縱橫纖維條預(yù)留孔洞，做出標(biāo)記，便于錨桿植入，而不至于切斷纖維布。
【文檔編號(hào)】E21D11/00GK105927244SQ201610462393
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月22日
【發(fā)明人】蘇國(guó)韶, 陳康, 胡李華, 湯世鋮, 陳智勇, 江權(quán)
【申請(qǐng)人】廣西大學(xué)