软岩条件下锚注加固锚杆布置参数与注浆浆液参数的确定.pdf

第 24 卷增刊 岩 土 力 学 Vol.24 Supp.2003 年 10 月 Rock and Soil Mechanics Oct.2003 收稿日期：2003-03-28 作者简介：胡功笠，男，1956年生，1982年毕业于上海交通大学，1990 年获南京理工大学硕士学位，2000年在南京理工大学进修博士学位，现任空军后勤学院教授，硕士生导师。文章编号：1000-7598-(2003)增 2-0267-04 软岩条件下锚注加固锚杆布置参数 与注浆浆液参数的确定 胡功笠，田艳凤，张 超，王 峰(空军后勤学院五系，江苏 徐州 221000)摘 要：结合软岩巷道支护的基本原则和锚杆加固的压力拱理论，介绍了软岩巷道全断面锚注加固，并结合实际研究了锚杆加固中锚杆的布置参数和注浆参数。关 键 词：软岩；压力拱理论；锚注加固；锚杆布置参数；注浆浆液 中图分类号：TU 501 文献标识码：A The confirmation of disposal-parameters of bolting and serosity-parameter of injection-grouting of bolting-grouting reinforcement in soft-rock HU Gong-li,TIAN Yan-feng,ZHANG Chao,WANG Feng(The 5th Department,Air Force Logistics College,Xuzhou,Jiangsu 221000,China)Abstract:Combining the basic principle of support in the soft-rock laneway and the theory of pressure-arch,this article introduces the theory of fully bolting-grouting reinforcement,and associating the practice,brings forward to the parameters of bolting and serosity of bolting-grouting reinforcement in soft-rock.Key words:soft-rock;theory of pressure arch;bolting-grouting reinforcement,disposal-parameter of bolting,serosity of injection-grouting.1 前 言 软岩具有“强度低、孔隙率大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量易膨胀粘土矿物特征等，许多地下工程都遇到了软岩巷道的维护问题。随着矿山开采业及其它岩土工程领域的迅速发展，软岩支护与矿压控制问题变得愈加特殊。2 软岩巷道支护的基本原则 软岩巷道围岩压力具有来压迅猛、围岩变形量大、巷道四周同时来压和持续流变、以及对各类扰动极为敏感等特点，必须针对这些特点采取正确的支护原则和措施。2.1 根据不同的压力类型选择不同的巷道维护方法 松软岩层存在着三种不同的围岩压力类型，即松动压力、变形压力和膨胀压力。对松动压力可采用刚性支护来支撑围岩，防止破碎岩块垮落。变形压力是软岩巷道的主要压力显现形式，对其必须根据流变特征合理地设计支护刚度、控制支护时间和支护施工的顺序。这样，既有利于释放由于变形引发的能量，又能将变形控制在一定的范围之内。膨胀压力可看作是变形压力的一种，对其除采用与控制变形相同的措施外，还要特别注意预防围岩的物理化学效应，防止出现更严重的膨胀和崩解。2.2 改善围岩力学性质，充分发挥围岩的自稳能力 可采用封闭围岩暴露面、安装锚杆、向岩体内注浆以及支架壁后充填等方法提高岩体的力学指 岩 土 力 学 2003年 268 标，改善围岩力学性质，使其主要承受巷道上覆岩层重量。2.3 选择合适的二次支护时间 对松软岩层应采用先“柔”后“刚”的二次支护，一次成巷往往收不到应有的效果。2.4 加强对巷道底板的治理 松软岩层围岩具有强度低、遇水软化失稳、甚至崩解泥化等特性，巷道底板更易受到水的侵蚀和影响。软岩巷道的底鼓量通常超过顶底板移动量的2/3。实践证明，带底拱的全断面支护及对底板实施锚固或注浆加固等手段是克服松软岩体中巷道底鼓的有效措施。3 锚杆加固的压力拱理论 锚杆加固的压力拱理论是在兰(T.A.Lang)等人的光弹实验的基础上得出的。如果用点负荷方式的锚杆把弹性体固紧时，则作为顶点的锚紧部和固紧部的两个固定点在弹性体内部就会产生算盘珠式的压缩带。锚杆沿巷道断面排列成拱形，则会形成拱形的压缩带，起着拱形压缩带效应或拱效应的作用，从而产生支护效果。如图 1 所示(其中 1-相邻锚杆的两端在岩石中压缩形成的锥形体；2-在已加固的岩石中锥形体连结形成的环形带)。图1 岩石锚杆压力拱理论 Fig.1 Theory of pressure-arch bolting 但是，在围岩碎胀松软、巷道变形量大的情况下，上述成拱机理所必须的一些条件是无法满足的。一方面是巷道周边的岩体在很大范围内已处于破碎或极限平衡状态；另一方面是整个锚杆杆体都处在巷道周边的破碎或极限平衡区范围内的岩体时，锚杆的内着力点也很难形成，从而也就无法形成所谓的拱。在软岩条件下，锚喷网加固的地下工程巷道围岩挤入巷道自由空间几百毫米，难以成拱的实例很多。表 1 是刘长武等在葛泉煤矿井下各种围岩条件下，现场锚杆的实际抗拉拔阻力的抽查结果。普通管缝锚杆的平均拉拔力为 24.1 kN，全长粘结金属树脂锚杆的平均拉拔力为 50.4 kN。当围岩条件较差时，一些管缝式锚杆的拉拔力仅有 10 kN，全长粘结金属树脂锚杆的拉拔力仅有 30 kN，均比理论计算的拉拔力低得多，说明锚杆的作用在软岩条件下没有得到充分发挥。表1 锚杆锚固力拉拔测试 Table 1 Drawing test of bolting-grouting reinforcement power 巷 道 名 称 锚杆 位置 围岩 性质 锚杆 类型 直径/mm 锚杆长度/mm 拉拔力/kN 伴生 现象 集中轨 道上山 巷帮 中砂岩 管缝式 33.5 1 600 24.5 锚杆拉出 二采区石门 巷帮 粉砂岩 管缝式 33.5 1 600 15.0 锚杆弯曲 二采区石门 巷帮 粉砂岩 管缝式 33.5 1 600 26.4 挡环拉断 190 大巷 巷帮 中砂岩 管缝式 44.1 1 600 17.0 拉出 10 mm 二采区 运输下山 顶板 粉砂岩 管缝式 31.5 1 600 37.7 底圈拉断 1228 开切眼 顶板 粉砂岩 树脂全锚 18 2 000 43.4 脱 扣 1228 开切眼 顶板 粉砂岩 树脂全锚 18 2 000 56.6 1228 开切眼 顶板 粉砂岩 树脂全锚 18 2 000 33.4 拉 出 1326 运料巷 顶板 砂 岩 树脂全锚 22 2 000 71.2 1224 运料巷 顶板 粉砂岩 树脂全锚 18 2 000 50.9 拉 出 1224 运料巷 顶板 粉砂岩 树脂全锚 18 2 000 47.1 脱 扣 备 注 葛泉煤矿井下实测资料 4 锚固加固注浆锚杆布置参数确定 4.1 锚注加固 全断面锚注加固技术是利用特种中空锚杆兼作注浆管，融锚固、封孔、注浆工艺为一体，对岩体实施外锚内注加固处理的一种加固方式。是岩体注浆加固技术同岩体锚杆加固技术的有机结合，充分利用注浆加固与锚杆加固的各自优点，全力调动整个隧道围岩自身的承载能力，形成整体“护巷”效应。4.2 按注浆要求的锚杆间排距 注浆锚杆在实施锚注过程中以及日后的巷道维护中，不仅要完成向岩壁输送浆液的任务，还必须对巷帮围岩提供足够的支护阻力，在设计锚杆布置参数时，要综合考虑注浆要求的影响和锚杆对围岩提供支护阻力影响。4.2.1 注浆要求的锚杆间排距 按注浆的要求，注浆孔的布置应使相邻两孔固结浆液的径向分布在一定程度上互相渗透，且浆液的多余部分能充填固结体之间的空隙。根据孔的布置方式及每个注浆孔的扩散半径，可以确定出孔间距的大小。当按图 2 所示布置时，为满足要求，至少应使得1A=22A，其中1A 为矩形 ABCD 的面积，2A 为矩形 ABCD 内一个注浆孔的注浆扩散面积。增刊 胡功笠等：软岩条件下锚注加固锚杆布置参数与注浆浆液参数的确定 269 图2 行排列注浆孔间距图 Fig.2 Chart of injection-grouting bore distance of row disposal 设 R 为每一注浆孔的扩散半径,孔间距为 d，则有：RdA21=(1)2/22RA=(2)根据1A=22A，有：2 2RRd=(3)Rd57.1=(4)式中 R 大小同岩体的破碎程度、浆液的流动性、注浆压力等因素有关，可根据试验或现场实测确定。若 R 取 12.5 m 之间，则锚杆的布设间距和锚杆的排距至少可以在 1.5 m左右。4.2.2 按锚杆对围岩提供足够支护强度的要求，确定锚杆的间排距 根据巷道的原始尺寸及安全与使用等方面所允许的巷道周边的最大位移，保证加固圈围岩稳定；再根据锚杆能够承受的最大拉拔力，可确定锚杆间排距 HI 为：HI=1max2PF (5)当间排距相等，即 H=I 时：HI=211max2PF (6)=1Psin1sin2sin1 2sinuGa sin11sin1sin2)sin1)(cot(+abHc ()11sin1sin211cotcotcot11cbacc+(7)式中 maxF为锚杆的最大拉拔力；1P 为保证整个支护系统稳定的锚杆支护阻力；u 为巷道周边的允许位移；c1，1为加固圈内岩体的粘结力和内摩擦角；c，为中间极限平衡区内岩体的粘结力和内摩擦角；a为巷道当量半径；b 为注浆圈半径；为点距巷道中心的极半径。将使用锚注加固技术所维护的软岩巷道的具体矿山地质条件和生产技术条件代入(7)式，即可求出按支护强度所要求的中空注浆锚杆的间排距。4.3 注浆参数的确定 注浆参数主要指注浆量、注浆压力和注浆时间等。这些参数必须根据巷道围岩需要注浆范围的大小、裂隙的发育程度等因素来确定。刘长武2等所得注浆公式为如下：平均每孔注浆量为 NQQim=(8)式中 iQ 为浆液总重量；N 为试验段浆孔总数。5 试验实施 5.1 设计锚注加固锚杆间排距和注浆参数 试验地为一巷道翻修段，巷道断面 10.13 m2，巷道当量半径 1.8 m。考虑到一次支护仍起作用，基础实测平均最大支护阻力 P1的影响，基础处按支护强度要求的注浆锚杆间、排距在 1.2 m左右，沿巷道周边注浆锚布置图见图 3。注浆浆液采用425#普通硅酸盐水泥，先按(0.61.2)1 的水灰比调配；在掺入一定量的 40Be水玻璃，水泥灰浆与水玻璃间按 1(0.020.05)的重量比调配。图3 沿巷道周边注浆锚布置图 Fig.3 Bolting disposal chart along periphery of the laneway 岩 土 力 学 2003年 270 所用中空注浆锚杆由无缝不锈钢管截断面组成。管壁外径 18 mm，内径10 mm，管壁厚 4 mm。杆长1 800 mm，射浆段 600 mm。在射浆段每割 20 cm钻一个 5 mm的射浆通孔。5.2 施工流程 施工流程按图 4 所示。a.迎头扩帮，一次锚网；b.喷浆护表；c.清底、松动爆破；d.安设注浆锚杆；e.注浆 图4 试验段巷道施工流程关系图 Fig.4 Flow-connection chart of laneway in the segment of experimentation 图 4 中，1-锚注加固段；2-传统锚网加固对比段。5.3 试验结果分析 试验施工三个月后，施工影响基本稳定，在锚注段和非锚注段对比段内的巷道两帮各取岩芯进行分析。表 2 所示为钻孔取芯率及岩体完整性对比。表 3 是锚注段巷道变形测量结果表。表2 钻孔取芯率及岩体RQD值 Table 2 Ratio of drilled-rock core and value of rocks RQD 全 长 注 浆 圈 内/2.5 m 钻 孔 位 置 取 芯 率/%岩体 RQD值 /%取 芯 率/%岩体 RQD值/%锚 注 段 68.0 30.1 90.6 51.5 非锚注段 71.6 38.1 97.8 28.7 表3 锚注段巷道变形测量结果表 Table 3 Distortion-measured result of laneway in the segment of bolting-grouting reinforcement 变形速度/mmd-1 变形总量/mm 时间/d 水平 垂直 水平 垂直 0 2.1 1.9 21 19 9 0.89 1.33 29 13 27 0.28 0.72 34 44 72 0.40 0.55 52 68.7 107 0.18 0.25 58.3 77.6 166 0.08 0.12 63 84.7 由以上可看出，锚注加固在合理设计锚杆间排 距和注浆浆液参数后，支护软岩巷道取得了很好的效果。6 结 论 锚注加固能够解决软岩地下工程巷道的维护问题，合理设计锚杆间排距和注浆参数，不仅能达到解决地下支护的问题，也能最大限度地取得经济利益和社会效益。一些工程实例表明，锚注加固通过增加岩体的整体性、改善围岩微细结构、保护锚杆防止其锈蚀老化、护底使整个巷道成为一个涵拱等优点，从而达到解决软岩巷道支护的难题，此方法也为水体、城市等地下工程建设提供了一定的参考价值。参 考 文 献 1 廖世文.膨胀土与铁路工程M.北京：中国铁道出版社，1984.,322-323.2 刘长武.水泥注浆加固对工程岩体的作用与影响M.徐州：中国矿业大学,2000.3 鹿守敏.巷道锚喷支护机理与应用J.煤炭学报,1994.4 谭成中.隧道衬砌新型式-锚喷支护整体式衬砌J.现代隧道技术,2001(2):50-54.