一种软破岩体硐室加固结构和方法

技术领域

本发明涉及围岩控制和加固领域，具体而言，涉及一种软破岩体硐室加固结构和方法。

背景技术

大型硐室往往是矿山建设中重要的人员、通风、设备、材料运输通道和提矿通道，其稳定性状态严重制约矿山的生产和安全。有些矿山不可避免地将大型硐室建立在地质条件复杂、围岩稳定性差的软破岩体中，这些存在于软破岩体中的大型硐室，呈现出流变大变形和垮塌大变形等复杂的破坏形式，而且越大的暴露空间，变形破坏越严重。随着硐室变形持续发展，硐室外围岩体的松动范围和深度变大，其加固治理的难度极大。

经发明人研究发现，目前代表性技术的大型破碎硐室加固主要通过注浆加固岩体、锚网喷、长锚索等单一及组合方法，能够控制围岩相对比较好的大型硐室的小范围内的岩体。现有技术未考虑不同深度及不同支护强度需求的大范围软破围岩加固，由于其加固的范围有限和支护的强度不足，不能解决软破岩体中大型硐室的大范围岩体稳定性控制问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软破岩体硐室加固结构和方法，其能够针对已经发生混凝土结构局部开裂、预期发生持续大变形的软破岩体中建造的大型硐室或硐室群，解决其大区域稳定性控制问题，并且考虑不同区域已出现的不同变形程度的分类控制，使加固后硐室变形得到有效控制。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种软破岩体硐室加固结构，包括：

第一层加固结构，所述第一层加固结构为硐室外围不同厚度的注浆岩体联合组成，所述注浆岩体上具有多个第一次预应力锚索孔和多个第二次预应力锚索孔；

第二层加固结构，所述第二层加固结构包括混凝土衬砌层和多根锚杆，所述混凝土衬砌层设置在所述硐室的内表面，多根所述锚杆穿过所述混凝土衬砌层并插入所述第一层加固结构中；

第三层加固结构，所述第三层加固结构包括多个第一层位释能钢板和多根第一次预应力锚索，多个所述第一层位释能钢板紧贴在所述混凝土衬砌层的内表面，多个所述第一次预应力锚索的一端一一对应的设置在多个所述第一次预应力锚索孔中，另一端设置在多个所述第一层位释能钢板上并将多个所述第一位层释能钢板连接在一起；

第四层加固结构，所述第四层加固结构包括多个第二层位释能钢板和多根第二预应力锚索，多个所述第二层位释能钢板紧贴在多个所述第一层位释能钢板上，多个所述第二次预应力锚索的一端一一对应的设置在多个所述第二次预应力锚索孔中，另一端设置在多个所述第二层位释能钢板上并将多个所述第二层位释能钢板连接在一起。

在可选的实施方式中，所述注浆岩体是通过所述第一次预应力锚索孔和所述第二次预应力锚索孔对硐室周围不同深度的软破岩体注入注浆材料构成。

在可选的实施方式中，所述注浆材料由普通硅酸盐水泥、纳米级沸石、膨胀剂和减水剂按照比例制成，且注浆后形成的结石体无收缩。

在可选的实施方式中，所述第一次预应力锚索的长度长于或者短于所述第二次预应力锚索的长度，避免第一次预应力锚索的长度与所述第二次预应力锚索的长度相等形成应力集中，对硐室外围深部岩体造成破坏。

在可选的实施方式中，所述第一次预应力锚索包括小吨位锚索和中吨位锚索，所述中吨位锚索设置在所述硐室的侧墙的中位线位置、顶板的中位线位置和地板的中位线位置，所述小吨位锚索设置在所述硐室的其余位置；所述第二次预应力锚索采用大吨位锚索。

在可选的实施方式中，所述小吨位锚索的锚固深度小于所述中吨位锚索的锚索深度8~10m。

在可选的实施方式中，所述中吨位锚索的锚固深度小于所述大吨位锚索的锚固深度8~10m。

第二方面，本发明提供一种软破岩体硐室加固方法，包括以下步骤：

步骤1：在硐室侧墙按照设计参数向软破岩体施工多个第一次预应力锚索孔和多个第二次预应力锚索孔；

步骤2：在所述第一次预应力锚索孔和所述第二次预应力锚索孔内，安放第一次预应力锚索和第二次预应力锚索；

步骤3：通过所述第一次预应力锚索孔和所述第二次预应力锚索孔，向软破岩体进行高压注浆形成注浆岩体；

步骤4：待高所述注浆岩体达到设计要求强度后，安装第一层位释能钢板，通过所述第一层位释能钢板将所述第一次预应力锚索在全空间范围内连在一起，并按照设计锁定值进行张拉锁定；

步骤5：在第一层位释能钢板上安装第二层位释能钢板，通过所述第二层位释能钢板将所述第二次预应力锚索在全空间范围内连在一起，并按照设计锁定值进行张拉锁定。

在可选的实施方式中，步骤3中，向所述第一次预应力锚索孔注浆时压力采用3MPa以下的压力值，向所述第二次预应力锚索孔注浆时压力应采用3MPa以上的压力值。

在可选的实施方式中，步骤4中，所述第一层位释能钢板在相邻搭接处要弯折成弧度并留有距离，可控的释放软破岩体硐室加固结构中潜在的变形能。

本发明实施例的有益效果是：

本发明内容提供的一种软破岩体硐室加固结构，主要针对已经发生混凝土结构局部开裂、预期发生持续大变形的软破岩体中建造的大型硐室或硐室群，能够解决其大区域稳定性控制问题，并且考虑不同区域已出现的不同变形程度的分类控制，使加固后硐室变形得到有效控制。本发明以提高围岩自身承载能力为主，通过硐室外围不同厚度的注浆岩体、混凝土衬砌层和多根锚杆、多个第一层位释能钢板和多根第一次预应力锚索、多个第二层位释能钢板和多根第二预应力锚索，实现对软破岩体的四层支护，形成的多层硐室加固结构，既促进了围岩自身强度的有效发挥，又有序可控释放了围岩中的部分变性能，同时第一次和第二次预应力锚索布置结构起到了减跨和对破坏围岩加固增强作用，加固后软破大型硐室的变形得到有效控制，可以彻底保障其永久工程长期正常使用。

本发明内容提供的一种软破岩体硐室加固方法，一方面，施工工艺相对简单，施工效率较高，施工对围岩的扰动影响小，可以尽可能较少工程投资和工程施工期，安全效益显著。另一方面，采用本发明提出的软破岩体硐室加固方法，充分利用围岩自身承载能力，同时兼顾控制流变大变形和垮塌大变形两种变形形式，考虑不同区域已出现的不同变形程度的分类控制，加固后硐室变形得到有效控制，可以彻底保障其永久工程长期正常使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的软破岩体硐室加固结构第一视角示意图；

图2为本发明实施例提供的软破岩体硐室加固结构第二视角示意图；

图3为本发明实施例提供的图2中局部A放大示意图；

图4为本发明实施例提供的硐室加固的内部表面局部示意图；

图5为本发明实施例提供的第二层位释能钢板和第二次预应力锚索连接示意图；

图6为本发明实施例提供的硐室混凝土破坏位置第一层释能钢板连接示意图。

图标:

100-第二层加固结构；110-混凝土衬砌层；120-锚杆；200-第三层加固结构；210-第一层位释能钢板；220-第一次预应力锚索；221-小吨位锚索；222-中吨位锚索；300-第四层加固结构；310-第二层位释能钢板；320-第二次预应力锚索；321-大吨位锚索;400-混凝土破坏位置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

随着硐室变形持续发展，硐室外围岩体的松动范围和深度变大，其加固治理的难度极大。为有效控制大变形大型硐室的稳定性，目前代表性的主要技术如下：

第一种现有技术，采用围岩深浅孔注浆锚杆、全断面锚网喷强力支护技术，能有效改善破碎围岩力学 ，提高围岩自身承载能力，确保巷道或硐室的稳定，但是该项技术采用锚杆支护未能加固深层及大范围内的硐室围岩。

第二种现有技术，采用光面爆破施工硐室，然后进行双层锚网喷+锚索耦合支护技术，实现支护工艺简单方便和支护安全可靠，该项技术适用于大跨度但是围岩较好的硐室加固，不能解决在软破岩体中大型硐室变形破坏问题。

第三种现有技术，采用在钻孔内实施双段全长锚固技术，其中第一段使用树脂药卷锚固剂支护，第二段使用注浆支护，该技术有效提高锚索对破碎围岩大跨度硐室的支护效果，增加了单个锚索在破碎岩体中支护的有效性，但是未涉及大型硐室整体的支护方法，仅靠提高锚索锚固性能无法控制大范围内软破岩体硐室的松动变形及破坏。

因此，为了克服现有技术的不足，本实施例提供一种软破岩体硐室加固结构和方法。

如图1~5所示，本实施例提供的一种软破岩体硐室加固结构，包括第一层加固结构（图中未示出）、第二层加固结构100、第三层加固结构200和第四层加固结构300；第一层加固结构为硐室外围不同厚度的注浆岩体联合组成，注浆岩体上具有多个第一次预应力锚索220孔和多个第二次预应力锚索320孔；第二层加固结构100包括混凝土衬砌层110和多根锚杆120，混凝土衬砌层110设置在硐室的内表面，多根锚杆120穿过混凝土衬砌层110并插入第一层加固结构中；第三层加固结构200包括多个第一层位释能钢板210和多根第一次预应力锚索220，多个第一层位释能钢板210紧贴在混凝土衬砌层110的内表面，多个第一次预应力锚索220的一端一一对应的设置在多个第一次预应力锚索220孔中，另一端设置在多个第一层位释能钢板210上并将多个第一位层210释能钢板连接在一起；第四层加固结构300包括多个第二层位释能钢板310和多根第二预应力锚索，多个第二层位释能钢板310紧贴在多个第一层位释能钢板210上，多个第二次预应力锚索320的一端一一对应的设置在多个第二次预应力锚索320孔中，另一端设置在多个第二层位释能钢板310上并将多个第二层位释能钢板310连接在一起。

可以理解的是，本实施例主要针对已经发生混凝土结构局部开裂、预期发生持续大变形的软破岩体中建造的大型硐室或硐室群，能够解决其大区域稳定性控制问题，并且考虑不同区域已出现的不同变形程度的分类控制，使加固后硐室变形得到有效控制。本发明以提高围岩自身承载能力为主，通过硐室外围不同厚度的注浆岩体、混凝土衬砌层110和多根锚杆120、多个第一层位释能钢板210和多根第一次预应力锚索220、多个第二层位释能钢板310和多根第二预应力锚索，实现对软破岩体的四层支护，形成的多层硐室加固结构，既促进了围岩自身强度的有效发挥，又有序可控释放了围岩中的部分变性能，同时第一次预应力锚索220和第二次预应力锚索320布置结构起到了减跨和对破坏围岩加固增强作用，加固后软破大型硐室的变形得到有效控制，可以彻底保障其永久工程长期正常使用。

具体的，注浆岩体是通过第一次预应力锚索220孔和第二次预应力锚索320孔对硐室周围不同深度的软破岩体注入注浆材料构成。

详细的，注浆材料由普通硅酸盐水泥、纳米级沸石、膨胀剂和减水剂按照比例制成，且注浆后形成的结石体无收缩。

需要说明的是，在本实施例中，注浆材料由普通硅酸盐水泥、纳米级沸石、膨胀剂和减水剂按照比例制成，在其他实施例中，还可以用单液水泥浆、粘土水泥浆、水泥-水玻璃浆等，与本实施例等同的方案，能够达到本实施例的效果的，均在本实施例的保护范围内。

如图2所示，进一步地，第一次预应力锚索220的长度长于或者短于第二次预应力锚索320的长度，避免第一次预应力锚索220的长度与第二次预应力锚索320的长度相等形成应力集中，对硐室外围深部岩体造成破坏。

可以理解的是，第一次预应力锚索220和第二次预应力锚索320的整根长度和内部锚固长度要有一定差异，第一次预应力锚索220的长度长于或者短于第二次预应力锚索320的长度，避免锚索内部锚固端应力集中造成硐室外围深部岩体破坏。

如图2所示，具体的，第一次预应力锚索220包括小吨位锚索221和中吨位锚索222，中吨位锚索222设置在硐室的侧墙的中位线位置、顶板的中位线位置和地板的中位线位置，小吨位锚索221设置在硐室的其余位置；第二次预应力锚索320采用大吨位锚索321。

详细的，第一次预应力锚索220和第二次预应力锚索320的锚固深度应错开距离。示例性的，小吨位锚索221的锚固深度小于中吨位锚索222的锚索深度8~10m，中吨位锚索222的锚固深度小于大吨位锚索321的锚固深度8~10m。

如图6所示，除此之外，第一层位释能钢板210在硐室内的混凝土衬砌层110的破坏位置应通过第一次预应力锚索220进行上下、左右的三角连接；第一层位释能钢板210和第二层位释能钢板310为了实现与硐室断面紧密贴合，需要进行塑形。

本实施例提供的一种软破岩体加固结构具有以下优点：

本实施例主要针对已经发生混凝土结构局部开裂、预期发生持续大变形的软破岩体中建造的大型硐室或硐室群，能够解决其大区域稳定性控制问题，并且考虑不同区域已出现的不同变形程度的分类控制，使加固后硐室变形得到有效控制。本发明以提高围岩自身承载能力为主，通过硐室外围不同厚度的注浆岩体、混凝土衬砌层110和多根锚杆120、多个第一层位释能钢板210和多根第一次预应力锚索220、多个第二层位释能钢板310和多根第二预应力锚索，实现对软破岩体的四层支护，形成的多层硐室加固结构，既促进了围岩自身强度的有效发挥，又有序可控释放了围岩中的部分变性能，同时第一次预应力锚索220和第二次预应力锚索320布置结构起到了减跨和对破坏围岩加固增强作用，加固后软破大型硐室的变形得到有效控制，可以彻底保障其永久工程长期正常使用。

本实施例还提供了一种软破岩体硐室加固方法，包括以下步骤：

步骤1：在硐室侧墙按照设计参数向软破岩体施工多个第一次预应力锚索220孔和多个第二次预应力锚索320孔；

步骤2：在第一次预应力锚索220孔和第二次预应力锚索320孔内，安放第一次预应力锚索220和第二次预应力锚索320；

步骤3：通过第一次预应力锚索220孔和第二次预应力锚索320孔，向软破岩体进行高压注浆形成注浆岩体；

步骤4：待注浆岩体达到设计要求强度后，安装第一层位释能钢板210，通过第一层位释能钢板210将第一次预应力锚索220在全空间范围内连在一起，并按照设计锁定值进行张拉锁定；

步骤5：在第一层位释能钢板210上安装第二层位释能钢板310，通过第二层位释能钢板310将第二次预应力锚索320在全空间范围内连在一起，并按照设计锁定值进行张拉锁定。

进一步地，步骤3中，向第一次预应力锚索220孔注浆时压力采用3MPa以下的压力值，向第二次预应力锚索320孔注浆时压力应采用3MPa以上的压力值。

进一步地，步骤4中，第一层位释能钢板210在相邻搭接处要弯折成弧度并留有距离，可控的释放软破岩体硐室加固结构中潜在的变形能。

本实施例提供的一种软破岩体加固方法具有以下优点：

发明内容提供的一种软破岩体硐室加固方法，一方面，施工工艺相对简单，施工效率较高，施工对围岩的扰动影响小，可以尽可能较少工程投资和工程施工期，安全效益显著。另一方面，采用本发明提出的软破岩体硐室加固方法，充分利用围岩自身承载能力，同时兼顾控制流变大变形和垮塌大变形两种变形形式，考虑不同区域已出现的不同变形程度的分类控制，加固后硐室变形得到有效控制，可以彻底保障其永久工程长期正常使用。

示例性的，以下以一个具体实施例对上述软破岩体加固结构和方法进行说明：

某铅锌矿，其资源持续接替工程盲混合井硐室群分布泥盆系和石炭系煤系地层中，岩体软弱破碎。考虑硐室群工程的服务年限与使用功能，基于已有的流变大变形和垮塌大变形破坏现象呈现模式，在大区域稳定性控制和局部硐室工程稳定控制相结合、应力源头及变形源头与地下水源头控制相结合、常规静力工况和地震动力工况稳定控制相结合的基础上，以实现防治后硐室群工程能够长期稳定的同时尽可能减少工程投资和工程施工期。该大型硐室呈现软破岩体强度低、结构面发育、高应力和地下水作用下易膨胀崩解、施工扰动影响大的复杂特点以及硐室群工程规模大、结构复杂、硐室跨度大、施工难度大等特点。

以下为具体实施方式：

（1）设计新加固硐室的侧墙及顶底板支护体系由硐室既有混凝土衬砌层110及锚杆120、注浆岩体、第一次预应力锚索220的300kN级小吨位锚索221、第一次预应力锚索220的600kN级中吨位锚索222、第二次预应力锚索320的720kN级大吨位长锚索和双层释能钢板组成。

（2）硐室内按照自上而下的施工顺序按照作业循环进行施工。每个作业循环内先进行钻孔注浆加固岩体作业，然后进行第一次和第二次预应力锚索320施工，最后自上而下对锚索进行张拉锁定。

（3）第一次预应力锚索220孔和第二次预应力锚索320孔，全部兼作先行注浆孔，在浆液终凝之后重新扫孔进行锚索安装作业，由于岩体破碎非常严重锚索孔成孔需要多次注浆扫孔再注浆的多次循环作业才能成孔。注浆浆液及锚索孔注浆配比：注浆浆液采用水泥浆（水灰比0.45:1，外掺XPM组分：纳米沸石8.7%、硫酸钠2.2%、减水剂3‰），锚索孔位应避让既有混凝土中的钢筋，第一次预应力锚索220中300kN级小吨位锚索221和600kN级中吨位锚索222注浆时压力采用2MPa的压力值，第二次预应力锚索320用720kN级大吨位锚索321注浆时压力应采用4MPa的压力值。

（4）第一次预应力锚索220的600kN级中吨位锚索222间排距为1.25m×1.25m，长度22.6m，外露长度0.6m，布置在硐室侧墙、顶板和底板的中线位置和混凝土破坏位置400；第一次预应力锚索220的300kN级小吨位锚索221间排距为1.25m×1.25m，长度12.6m，外露长度0.6m；第二次预应力锚索320的720kN级大吨位锚索321排距为2.5m×2.5m，长度为35.2m，外露长度1.8m，与第一次预应力锚索220平面上间隔布置。不同种类锚索遇到特殊要求须进行安装位置的适当调整。

（5）第一次预应力锚索220的300kN级小吨位锚索221由单根ψ21.8mm高强度、低松弛，抗拉强度为1860MPa的无粘结预应力钢绞线及相应锁具、锚具组成，对应孔径50mm。锚固长度6.0m，锚固段锚索剥皮去油，锚索孔底端采用挤压锚制作扩大头。全长二次劈裂注浆锚固待强度达到要求后张拉锁定。

（6）第一次预应力锚索220的600kN级中吨位锚索222由双根ψ21.8mm高强度、低松弛，抗拉强度为1860MPa的无粘结预应力钢绞线及相应锁具、锚具组成，对应孔径75mm。锚固长度12.0m，锚固段锚索剥皮去油，锚索孔底端采用挤压锚制作扩大头。全长二次劈裂注浆锚固待强度达到要求后张拉锁定。

（7）预应力锚索采用分级张拉，张拉之前先对每根锚索进行预张拉，以使锚索伸直。分级张拉加荷分别按照设计值25%、50%、75%、100%进行，并在最终以110%设计荷载值锁定。

（8）在水平和竖直方向上，将300kN级小吨位锚索221和600kN级中吨位锚索222把第一层位释能钢板210在硐室全空间范围内连在一起，要求第一层位释能钢板210直接与硐室钢筋混凝土结构紧贴。

（9）第二层位释能钢板310是与第一层位释能钢板210在全空间上间隔错位布置，且第二层位释能钢板310压在第一层位释能钢板210上，并通过第二次预应力锚索320的720kN级大吨位锚索321将所有第二层位释能钢板310在硐室全空间范围内连在一起。

（10）在硐室混凝土破坏位置400应通过第一次预应力锚索220的300kN级小吨位锚索221对第一层位释能钢板210进行上下、左右的三角连接。

（11）释能钢板厚度16mm，宽度250mm，材质Q235，特殊位置钢板可按照现场实际要求预先加工成型，释能钢板在相邻搭接处要弯折成弧度并留有距离，可控释放软破岩体四层硐室加固结构中潜在的变形能。

本实施例提供的一种软破岩体硐室加固方法具有以下优点：

一方面，施工工艺相对简单，施工效率较高，施工对围岩的扰动影响小，可以尽可能较少工程投资和工程施工期，安全效益显著。另一方面，采用本发明提出的软破岩体硐室加固方法，充分利用围岩自身承载能力，同时兼顾控制流变大变形和垮塌大变形两种变形形式，考虑不同区域已出现的不同变形程度的分类控制，加固后硐室变形得到有效控制，可以彻底保障其永久工程长期正常使用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。