專利名稱：一種軟弱膨脹型圍巖巷道支護裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及巷道的支護及其治理技術領域，更具體涉及一種軟弱膨脹 型圍巖巷道支護裝置，也可用于軟弱圍巖隧道的支護。
背景技術：
粘土巖是構成煤系地層的主要巖性之一，通常所見的泥巖、鋁土巖和斷層泥 即屬于典型的粘土巖。我國煤礦開采中每年修建的井下巷道累計長達數百公里， 其中相當一部分修建在粘土巖中。粘土巖中常含有蒙脫石、伊利石和高嶺土等粘 土礦物，蒙脫石、伊利石遇水具有膨脹性，高嶺土不具膨脹性，但遇水易軟化， 導致巖石強度大大降低。研究表明當蒙脫石含量達7%以上或伊利石含量達20%
以上時，粘土巖即具有明顯的脹縮特性，且其含量愈高，線脹縮總率愈大。在這 類地層中，如果對底板積水、空氣潮濕控制不當，表面巖石日漸軟化膨脹，將在 同樣的地應力條件下使圍蚩松動圈增大。同時,由于這類巖石遇水后體積成倍膨 脹,膨脹變形壓力巨大,又使圍巖內應力升高,結果圍巖的碎脹和吸水膨脹結合起 來產生較大的圍巖變形，表現為強烈的底臌、幫鼓和頂板下沉，造成巷道圍巖失 穩、支護結構破壞、生產受到嚴重影響。 .
為解決膨脹型軟弱圍巖巷道自身承載力較差、開挖后變形大的圍巖穩定控制 與支護技術難題，本實用新型提供了一種軟弱膨脹型圍巖巷道支護裝置，能夠一 次性實現圍巖穩定，避免巷道多次翻修影響生產，在節省大量人力、物力、財力 情況下，達到較好的治理效果。
發明內容
本實用新型的目的在于提供了一種軟弱膨脹型圍巖巷道支護裝置，結構簡 單，制作方便，軟弱膨脹型圍巖巷道支護裝置高強抗折抗裂，在大大提高了圍巖 抗剪強度的同時，也有效減小了巷道開挖后軟弱圍巖變形大的問題。
3為了實現上述目的，本發明采用以下技術措施一種軟弱膨脹型圍巖巷道支護裝置，它包括弧形底拱、混凝土找平層、高強 預應力錨桿和預應力錨索幫腳錨桿、底角錨桿、泡沫墊層、鋼筋網、鋼筋格柵 拱架、復噴層、水溝、碎石、地坪。混凝土找平層厚50mm，復噴層厚150mm， 泡沫墊層厚100mm，其結構關系為在已經按優化斷面形狀開挖的巷道底板上 開挖弧形底拱，高強預應力錨桿和預應力錨索連接(施加)在圍巖全斷面上，并 在兩幫墻腳往上0.2 0.3米處連接(施加)傾斜向下的幫角錨桿，在底板兩端距 邊墻0.2 0.3米處連接(施加)傾斜向外的底角錨桿，緊貼巷道全斷面噴射混凝 土找平層，找平層后跟隨100mm后泡沫墊層，泡沫墊層后鋪設第一層鋼筋網、 全斷面鋼筋格柵拱架、第二層鋼筋網，并噴射150mm厚混凝土復噴層進行封閉， 從而形成"鋼筋格柵拱架+雙層鋼筋網"為骨架的鋼筋混凝土封閉噴層，這樣 的噴層結構高強抗折抗裂，能夠防止圍巖變形導致的噴層折斷、開裂，最后在復 噴層形成的反底拱結構上，于巷道斷面中軸線處現澆混凝土水溝，水溝兩側鋪設 碎石，碎石頂部澆筑混凝土地坪。本發明具體的制作流程為按優化的斷面形狀開挖巷道，在巷道底板上挖出 弧形底拱；全斷面噴射50mm厚混凝土找平層；施工錨桿錨索，支護過程中的錨 桿錨索孔施工不可避免地需要用水，為了消除粘土性礦物的遇水膨脹性，控制"一 次施工膨脹"，特在水中添加山梨醇三硬脂酸酯(商品名為Span65，化學分子 式為soibitantristearate)水平衡齊U，該平衡齊!j的HLB(Hydrophile-Lipophile Balance Number，稱親水疏水平衡值)為2.1，添加量為3%,從而在不影響澆筑的情況下， 減小了圍巖與水發生化學作用而產生的膨脹變形；敷設泡沫墊層，形成預闔變形 緩沖層；掛第一層鋼筋網；布置全斷面封閉型鋼筋格柵拱架，將格柵內側主筋與 第一層鋼筋網綁扎牢固；掛第二層鋼筋網，并與格柵外側主筋牢固綁扎，隨之噴 射150mm厚復噴層，形成"格柵底板+雙層鋼筋網"為骨架結構的鋼筋混凝土 封閉結構；在底板因復噴層形成的反底拱結構上，于巷道斷面中軸線處現澆混凝 土水溝，水溝兩側鋪設碎石，碎石頂部澆筑混凝土地坪。本發明的優點在于(O在施工用水中通過添加親水性較低的水平衡劑， 減少了軟弱圍巖中粘性礦物的遇水膨脹性，從而縮減了巷道變形量；(2)通過噴 射復噴層，形成了"格柵底板+雙層鋼筋網"為骨架結構的鋼筋混凝土封閉結構，在加大支護強度的同時，也使得圍巖被封閉起來，減少了圍巖與地下水接觸的幾 率，進而減小了巷道開挖后圍巖遇水產生的膨脹變形；(3)通過敷設100mm厚 泡沫墊層去緩沖因圍巖膨脹變形導致的支護結構開裂破壞。
圖1為一種軟弱膨脹型圍巖巷道支護裝置示意圖。圖2為預留變形縫的抗折抗裂襯砌結構斷面布置示意圖。圖3為格柵拱架結構示意圖。(a)為格柵拱架結構斷面觀測圖；(b)為格 柵拱架結構外部觀測圖其中l.混凝土找平層，2.高強預應力錨桿，3.預應力錨索，4.幫腳 錨桿，5.底角錨桿，6.泡沫墊層，7.鋼筋格柵拱架，8.復噴層，9.弧形坑槽， 10.水溝，11.碎石，12.地坪，13第一層鋼筋網，14.第二層鋼筋網具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。一種軟弱膨脹型圍巖巷道支護裝置，它包括混凝土找平層l、高強預應力 錨桿2和預應力錨索3、幫腳錨桿4、底角錨桿5、泡沫墊層6、第一層鋼筋網 13、第二層鋼筋網14、鋼筋格柵拱架7、復噴層8、弧形坑槽9、水溝IO、碎石 11、地坪12。該支護裝置各個組成部件之間的連接關系及其作用可表述為按 優化的斷面形狀開挖巷道后，在巷道底板上挖出弧形坑槽9，并全斷面噴射50mm 厚混凝土找平層l，找平層l起到封閉圍巖的作用，并防止圍巖吸水膨脹、風化 和表面危巖跨落，減少巷道表面的凹凸差，改善錨桿錨索托盤與圍巖表面的密貼 性，提高錨桿錨索對圍巖的支護效果，弧形坑槽9開挖半徑4.36m，弧長5.58m， 拱高0.816m，噴射混凝土強度等級C20，水灰比為0.4 0.6，重量配合比為水泥 黃沙瓜子片=1: 2: 2，速凝劑摻入量為水泥重量的3.5%~5% ，速凝劑采用8604 型噴射混凝土用水泥速凝劑，它是一種近于中性(PH值=7 8)的無毒無腐蝕 性棕色無機粉末固體，對人體無刺激，加入水泥中能提高噴射混凝土新噴料的粘 聚性，并能顯著降低回彈及粉塵，而且對各種水泥的適應性能良好，在全斷面圍巖上連接(施加)高強預應力錨桿2和預應力錨索3，提高圍巖的抗剪強度，并 在兩幫墻腳往上0.2 0.3米處與傾斜向下的幫腳錨桿4 (俯角45°)相連，在底 板兩端距邊墻0.2 0.3米處與傾斜向外的底角錨桿5 (外傾角30 45°)相連， 起加固幫角應力集中區，阻止圍巖剪切滑移的作用，同時為了消除圍巖中因含有 較多粘土性礦物的遇水膨脹性，特在施工用水中添加了山梨醇三硬脂酸酯(商品 名為Span 65，化學分子式為soibitan tristearate)水平衡劑，該平衡劑的HLB (Hydrophile-Lipophile Ba^nce Number,稱親水疏水平衡值)為2.1，添加量為3%， 從而在不影響錨固錨接條件下，減小了圍巖與水發生化學作用而產生的膨脹變 形，采用高強預應力錨桿，材料為建筑IV級螺紋鋼，等強螺紋，左旋無縱筋桿體， 參數為O22L=2200 2800@700x700 (直徑22mm，全長2200 2800mm,間距 700mm，排距700mm)，梅花形布置，釆用兩節Z2350樹脂藥巻加長錨固，錨桿 錨固段長度不小于1800mm，錨桿預應力50~70kN，錨索設計參數為017.8L= 6000 8000mm，垂直于巷道輪廓線布置，兩幫和拱部每斷面布置五根錨索，材 料為低松馳鋼絞線，預應力不小于150kN，安裝錨索時每孔使用一巻K2350和 三巻Z2350型樹脂藥巻，錨桿索布置及其技術要求詳見圖1;在巷道全斷面緊貼 找平層1鋪設100mm厚泡沫墊層6，通過增設100mm間隙預留巷道變形量，緩 沖因圍巖膨脹變形導致的支護結構開裂破壞；緊貼泡沫墊層掛第一層鋼筋網13， 再布置全斷面封閉型鋼筋格柵拱架7，將格柵內側主筋與第一層鋼筋網13綁扎 牢固，掛第二層鋼筋網14在鋼筋格柵拱架上，并與格柵外側主筋牢固綁扎即格 柵鋼架內外設二層鋼筋網，分別綁扎于拱架內外層主筋上，格柵結構布置見圖2， 格柵拱架結構示意圖見圖3，格柵拱架主筋采用<D22 25鋼筋(視巷道斷面大小 及原巖應力大小確定)，截面尺寸為120xl20mm，相鄰兩榀縱向間距lm，每榀 之間利用縱向聯結筋連接，縱向聯結筋環向間距'lm;在巷道全斷面噴射150mm 厚復噴層8，與格柵拱架和內外層鋼筋網一起形成高強抗折抗裂的封閉支護層， 復噴層必須完全覆蓋格柵拱架，其材料及配比與初噴層相同；在底板因復噴層形 成的反底拱結構上，于巷遣斷面中軸線處現澆混凝土水溝10，水溝尺寸500x450 mm，水溝兩側鋪設碎石ll，碎石頂部澆筑厚度100mm的混凝土地坪12，這樣 對采用斷面形狀優化的底板結構進行底臌治理，同時改善整個支護加固結構的受 力狀態，結構詳見圖l。
權利要求1、一種軟弱膨脹型圍巖巷道支護裝置，它包括混凝土找平層(1)、高強預應力錨桿(2)、底角錨桿(5)、泡沫墊層(6)、鋼筋網(14)、鋼筋格柵拱架(7)、復噴層(8)、弧形坑槽(9)，其特征在于在巷道底板上挖出弧形坑槽(9)，全斷面噴射50mm厚混凝土找平層(1)，弧形坑槽(9)開挖半徑4.36m，弧長5.58m，拱高0.816m，在全斷面圍巖上連接高強預應力錨桿(2)和預應力錨索(3)，在兩幫墻腳上0.2～0.3米與傾斜向下的幫腳錨桿(4)相連，在底板兩端距邊墻0.2～0.3米與傾斜向外的底角錨桿(5)相連，在巷道全斷面噴射150mm厚復噴層(8)，于巷道斷面中軸線處現澆混凝土水溝(10)，水溝兩側鋪設碎石(11)，碎石(11)頂部澆筑厚度100mm的混凝土地坪(12)。
2、根據權利要求1所述的一種軟弱膨脹型圍巖巷道支護裝置，其特征在于: 所述的混凝土找平層(l)上鋪設100mm厚泡沫墊層(6)，泡沬墊層后掛第一層鋼筋 網(13)、全斷面鋼筋格柵拱架(7)、第二層鋼筋網(14)，將格柵內側主筋與第一 層鋼筋網(13)綁扎，并與格柵外側主筋綁扎即格柵鋼架內外設二層鋼筋網，分 別綁扎于拱架內外層主筋上，格柵拱架主筋采用①22 25鋼筋，截面尺寸為 120xl20mm，相鄰兩榀縱向間距lm，每榀之間利用縱向聯結筋連接，縱向聯結 筋環向間距lm。
專利摘要本實用新型公開了一種軟弱膨脹型圍巖巷道支護裝置，它包括混凝土找平層、高強預應力錨桿、底角錨桿、泡沫墊層、鋼筋網、鋼筋格柵拱架、復噴層、弧形坑槽，在巷道底板上挖出弧形坑槽，全斷面噴射混凝土找平層，弧形坑槽開挖半徑，弧長，拱高，在全斷面圍巖上連接高強預應力錨桿和預應力錨索，在兩幫墻腳上與傾斜向下的幫腳錨桿相連，在底板兩端距邊墻米與傾斜向外的底角錨桿相連，在巷道全斷面噴射復噴層，于巷道斷面中軸線處現澆混凝土水溝，水溝兩側鋪設碎石，碎石頂部澆筑混凝土地坪。本實用新型結構簡單，操作簡單、易于實現，節省了大量的人力、物力、財力，在實際工程中能得以廣泛應用。
文檔編號E21D11/10GK201381861SQ20082024110
公開日2010年1月13日 申請日期2008年12月30日 優先權日2008年12月30日
發明者劉泉聲, 呂穎慧, 瑋 高 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所