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1、1,第八章 巷道支护,第三节 喷射混凝土支护,2,2,2018/9/1,一、喷射混凝土支护的作用原理喷射混凝土支护是以压缩空气为动力，用喷射机将混凝土以喷射的方法覆盖到需要维护的岩面上，凝结硬化后形成混凝土结构的支护方式。如图8-64、65所示。其作用主要表现在以下四个方面：1.加固与防止风化作用喷射混凝土以较高的速度射入张开的节理裂隙，产生如同石墙灰缝一样的粘结作用，从而提高了岩体的粘结力和内摩擦角，也就是提高了围岩的强度。,图8-64 混凝土喷射机,2018/9/1,3,4,2018/9/1,4,图8-65 喷射混凝土,5,5,2018/9/1,同时喷射混凝土层封闭了围岩，能够防止因水和风
2、化作用造成围岩的破坏与剥落。2.改善围岩应力状态作用喷射混凝土一方面可将围岩表面凹凸不平处填平，消除因岩面不平引起的应力集中现象；另一方面，可使围岩由单向或双向受力状态转化为三向受力状态，提高了围岩的强度。3.柔性支护结构作用一方面，喷射混凝土能与围岩紧密地粘结在一起，同时喷层较薄，具有一定的柔性，可以与围岩,6,6,2018/9/1,共同变形，使围岩应力得以释放；另一方面，混凝土喷层在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生愈来愈大的支护反力，能够抑制围岩产生过大的变形，防止围岩发生松动破碎。4.与围岩共同作用开巷后如能及时对暴露围岩喷射一层混凝土，使喷层与岩石的粘结力和抗剪强度足以抵抗围岩的局
3、部破坏，防止个别危岩活石的滑移或坠落，那么岩块间的联锁咬合作用就能得以保持，这样，不仅能保持围岩自身的稳定，并且与喷层构成共同承载,7,7,2018/9/1,的整体结构。喷射混凝土可以单独使用，在岩石、土层面或结构面上形成护壁结构，成为喷射混凝土。与锚杆联合使用时，主要是用于避免锚头部位锚杆间岩土体的松脱和风化，可以起到加强锚杆等锚固构件的作用。二、喷射混凝土材料及配合比(一)喷射混凝土材料1.水泥喷射混凝土要求凝结硬化快，早期强度高，故,8,8,2018/9/1,应优先选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，水泥的强度等级不得低于42.5。不得使用受潮或过期结块的水泥。2.骨料(1)细骨料(沙子)为
4、了保证混凝土强度，防止混凝土硬化后的收缩和减少喷射粉尘，喷射混凝土中的细骨料应采用粒径为0.353.0mm坚硬干净的中、粗沙为好。用细沙制成的混凝土容易产生较大的收缩变形；且过细的粉沙中游离劝晓含量较高，有损操作人员的健康。沙的含,9,9,2018/9/1,水率不应大于7。沙子的细度模数宜大于2.5。(2)粗骨料(石子)一般选用坚硬的河卵石或碎石，其中碎石回弹力低，但易于堵管和磨损管道，而河卵石则相反。石子粒径应根据喷射机性能选取。在实际工作中，为了减小回弹和防止管路堵塞，喷射混凝土的石子粒径一般不大于15mm。石子的合理级配是影响混凝土质量、水泥用量和回弹率的重要因素之一，其合理级配可参考表
5、8-18选取。,10,10,2018/9/1,3.水要求洁净，不含杂质的清水。凡是能饮用的自来水和清洁的天然水，都能用来拌制和养护混凝土。污水、pH4的酸性水和硫酸盐含量按SO3计算超过水重1%的水以及含油脂、糖类的水均不许使用。 4.速凝剂为了使混凝土能迅速粘结在壁面上，提高早期强,表8-18 喷射混凝土用石子的合理颗粒级配,11,11,2018/9/1,度，需要在喷射混凝土中添加水泥重量2.54的速凝剂，速凝剂的掺入比例根据品种不同而异，一般要求初凝时间不应大于5min，终凝时间不应大于10min。为了适应湿喷混凝土，正在试用液体速凝剂和减水剂，以提高混凝土的强度。5.钢纤维在混凝土中加入
6、钢纤维可有效地改善混凝土的整体力学性能，特别是提高喷层的抗拉强度与变形能力，变脆性材料为塑性材料。一般在喷射混凝土中掺加水泥重量4%的约30mm长、直径0.250.4mm的钢纤维,12,12,2018/9/1,。这种钢纤维喷射混凝土可提高抗压强度约50%、抗拉强度50%70%、抗弯强度30%左右，韧度还能提高9倍，从而减少了喷射混凝土脆性可能引起的破坏。(二)喷射混凝土的配合比喷射混凝土配合比，可按配合比设计方法求得。喷射混凝土的设计强度等级不应低于20MPa，水灰比以0.40.5为最佳。水灰比在此范围内，喷射的混凝土强度高而回弹少。合适的配合比应使喷层有足够的抗压、抗拉和粘结强度，收缩变形值
7、要小，回弹力要低。喷混凝土重,13,13,2018/9/1,量配合比可参照表8-19选用。,喷水泥砂浆的重量配合比为:水泥:砂=1:(23)，砂浆标号不应低于75号。水灰比以0.40.5为最佳，水灰比在此范围内，喷射的混凝土强度高而回弹少。,表8-19 喷混凝土的配合比,14,14,2018/9/1,三、喷射混凝土主要性能指标1.喷射混凝土强度技术规范4.3.1：喷射混凝土的设计强度等级不应低于C15；对于立井及重要隧洞和斜井工程，喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20；喷射混凝土ld龄期的抗压强度不应低于5MPa。钢纤维喷射混凝土的设计强度等级不应低予C20，其抗拉强度不应低于2MPa，抗弯
8、强度不应低于6MPa。2.喷射混凝土厚度技术规范4.3.3条文说明：喷射混凝土的收缩,15,15,2018/9/1,较大，若其厚度小于50mm时，喷层中粗骨料的含量甚少，更容易引起收缩开裂。同时，喷层过薄也不足以抵抗岩块的移动，常出现局部开裂或剥落。近几年来，有关部门对喷射混凝土支护使用情况调查结果表明，喷射混凝土支护层产生局部开裂剥落者，其厚度多在50mm以下，也有3040mm的。因此，本条规定喷射混凝土支护的最小厚度不应小于50mm。根据锚喷支护原理，要求喷层具有一定的柔性。因此，规定喷射混凝土厚度一般不应超过200mm，特,16,16,2018/9/1,别在软弱围岩中作初期支护，喷层过厚
9、，会产生过大的形变压力，易导致喷层出现破坏，这是不经济的。当喷层不能满足支护抗力要求时，可用锚杆或配筋予以加强。四、喷射混凝土施工1.喷射混凝土施工工艺流程从混合料及施工工艺上可将喷射工艺分为干式喷射法和湿式喷射法两种。(1)式喷射法目前，干喷法在我国和其他国家仍是喷射混凝,17,17,2018/9/1,土的一种主要方法。用干式喷射工艺时，先将砂、石过筛，按配合比和水泥一同送入搅拌机内搅拌，然后用矿车将拌合料运送到工作面，经上料机装入以压缩空气为动力的喷射机，同时加入规定量的速凝剂，再经输料管吹送到喷头处与水混合后喷敷到岩面上，如图8-66、67、68所示。,图8-66 干式喷射混凝土的工艺流
10、程,18,18,2018/9/1,图8-67 干式喷射混凝土的工艺流程图 l-石子;2-砂子;3-筛子;4-磅秤;5-搅拌机;6-水泥; 7-筛子;8-运料小车;9-料盘;10-上料机;11-喷射机;12-喷嘴;13-水箱;14-气包;15-电源,图8-68 工艺流程,19,2018/9/1,20,20,2018/9/1,(2)湿式喷射用干式喷射机喷射混凝土时，喷射作业时粉尘大，水灰比不易控制，混合料与水的拌合时间短，使混凝土的均质性和强度受到影响；而且回弹量大，喷层质量低。为了解决这些问题，可采用湿式混凝土喷射机，即将混凝土混合料与水充分拌合后再由喷射机进行喷射，其工艺流程如图8-69所示。
11、(3)解决干式喷射机粉尘大等问题的途径是研制与使用湿喷机，即装入喷射机的是潮湿的混合料，在喷头处再加入适量水后喷向岩面。使,21,2018/9/1,图8-69 湿式喷射混凝土的工艺流程图 1-石子;2-砂子;3-筛子;4-磅秤;5-搅拌机;6-水泥;7-筛子;8-搅拌机;9-喷嘴;10-湿喷机;11-液体速凝剂;12-气包;13-电源;14-水箱,22,22,2018/9/1,用含水率小于7%(水灰比o.35)的混合料，料腔不粘结，不需清理，其受料和出料系统能连续畅通，始终保证正常工作。2.喷射机具(1)混凝土喷射机50年代开始研制WG-25型双罐干式喷混凝土机，于60年代定型生产并大量应用，
12、成为我国锚喷支护第一代喷混凝土机械。与此同时，也出现了ZHP-2型转子式喷射机、LHP-701型水平螺旋喷射机、SPD-320型风动单罐喷射机等不同类型的设备，但是除转,23,23,2018/9/1,子式喷射机外，其他都因工作的可靠性、使用寿命和粉尘较大等问题而被淘汰。但双罐式喷射机也因上料高和体积较大、笨重，采用钟型阀改变风压上料而使粉尘较大等缺点而急待改进或换型。喷射混凝土支护的发展，在一定程度上有赖于混凝土喷射机的发展。20世纪70年代，我国先后研制成转子-I型、转子-型喷射机，取代了机体高大、笨重、操作频繁，劳动强度大的双罐式喷射机。粉尘大、回弹率高是长期困扰喷射混凝土支护技术的两大难
13、题。“七五”和“八五”期间，我国,24,24,2018/9/1,对喷射机及喷射工艺、喷射材料、外加剂等进行了系统的试验与研究。近10多年来，从单机到喷机组，从干喷机到湿喷机、机，从喷射主机到上料辅机，从粉状速凝剂到液体速凝剂等进行了攻关，取得了显著的研究成果，使我国喷射混凝土支护技术和装备发展到了一个新水平。目前在喷射混凝土作业中，绝大多数是使用转子式混 凝土喷射机。这种喷射机结构简单、工作性能可靠、外形小、重量轻、维修和操作方便。目前国内常用转子式混凝土喷射机一览表见表8-20。,25,25,2018/9/1,表8-20 常用转子式混凝土喷射机,26,26,2018/9/1,如图8-70、7
14、1所示，转子型喷射机由主机、传动机构、风路系统、电气系统、机架等组成。主机由旋转体、密封胶板、定量下料机构、搅拌器、料斗、出料弯头、上下壳体等组成。定量下料机构由定量隔板和定量叶片组成，隔板可上下移动，以调整喷射能力。工作时，电动机通过减速器带动旋转体、搅拌器和拨料板旋转，料斗中的混合料被均匀拨人旋转体的料槽中。当装满料的料槽对准出料弯头时，内圈的气室也恰好对准进风管，于是混合料被压气压入出料弯头和输料管，在喷嘴处与水混合,27,图8-70 转子型喷射机 1-上壳体;2-下壳体;3-旋转体;4-入料口;5-出料弯头;6-进风管;7-密封胶板;8-料斗;9-拨料板;10-搅拌器;11-定量板;1
15、2-油水分离器;13-电动机;14-减速器,27,2018/9/1,28,图8-71 转子喷射机,28,2018/9/1,29,29,2018/9/1,喷向岩面。目前，湿喷法在我国仍处在试验研究阶段，还未达到全面推广应用的水平。主要是湿喷机体积庞大，工艺复杂，对集料要求高，而我国生产的液体速凝剂、外加剂性能较差，影响了湿式喷射机的推广和应用。湿式混凝土喷射机如图8-72所示。(2)混凝土喷射机的配套机械人工配料、人工搅拌、人工喂料给喷射机，不仅劳动强度大、粉尘大，且配料、搅拌质量难以保证。为此，我国研制了HPLG-5型转子型喷射机供料,30,图8-72 湿式混凝土喷射机,30,2018/9/1
16、,和干喷通用CP-5中型喷射机,矿用湿式混凝土喷浆机,混凝土湿式喷射机,KSP-9型湿式混凝土喷射机,31,31,2018/9/1,装置，它可与国内各种型号的转子式混凝土喷射机配套使用，作为配比、搅拌和向喷射机供料之用。 煤矿用混凝土搅拌机如图8-73、74所示。由于煤矿井下巷道断面较小，一般多采用手持式喷头，如图8-75所示。这种喷射方式劳动强度大、工作条件恶劣，喷射质量也难以保证，所以应研制煤矿适用的喷射机械手，如图8-7679所示。在隧道工程中已经使用了喷混凝土机器人，并先后应用于济南绕城高速公路隧道、东秦岭隧道、昆明一石林高速公路的阳宗隧道和威海绕城高速公路隧道等。,32,图8-73 煤矿用混凝土搅拌机,32,2018/9/1,煤矿用轨轮式混凝土搅拌输送车,矿用混凝土连续上料搅拌机,井下移动式混凝土搅拌机,JD-100型煤矿用混凝土搅拌机,33,图8-74 在西班牙某隧道现场采用的Sika- Pm500型移动式喷射混凝土机,33,2018/9/1,
