一种渐进式巷道及隧道的破碎围岩的加固方法

1.本发明涉及矿山巷道及交通隧道施工维护技术领域，特别是涉及一种渐进式巷道及隧道的破碎围岩的加固方法。


背景技术：

2.破碎岩体巷道/隧道掘进成型后，对于巷道/隧道而言，破碎围岩的修复加固对于巷道/隧道的稳定性和工程正常运行至关重要。但是，巷道/隧道的破碎围岩局部容易垮落形成坑洞，巷道/隧道整体或局部外形受损较为严重；同时，巷道/隧道临空面破碎围岩的失稳往往具有连锁反应，对于这部分破碎易垮落但尚未垮落岩体的加固及确保长期的稳定难度较大；此外，加固修复的巷道/隧道往往缺乏简单易行且可靠的长期的检测评估手段。
3.对于巷道及隧道工程而言，注浆加固技术能够在一定程度上起到改善破碎围岩物理力学特性，提高破碎围岩的强度和防渗特性的作用，具体地，注浆加固技术从注浆压力的角度而言，可分为静压注浆和高压喷射注浆两大类，其中，静压注浆一般是采用较低压力将纯水泥浆液或化学浆液注入裂隙岩土体中，注入后浆液呈流动状态，且注浆压力随浆液遇到阻力增大而有所升高，从作用机理上一般可将静压注浆分为裂隙注浆、渗透注浆、压密注浆及劈裂注浆。而对于破碎围岩而言，由于其软弱结构面大多十分发育，浆液注入后，在低压状态下浆液即可自流、渗透、扩散，快速充填破碎围岩内的间隙，并且与破碎围岩胶结形成一个具有一定强度的整体，从而起到加固破碎围岩的作用。
4.针对巷道及隧道的破碎围岩的加固，逐渐由单一化向多种方法联合加固转变，其中喷锚网索、壁后注浆等被实践证明是较为有效的加固方式。但是，现有的巷道及隧道的破碎围岩的加固技术，一般都没有充分考虑各加固方式发挥最佳承载性能的时效特性，仅仅是将不同的加固修复方式机械地拼凑、组合在一起，不同加固方式之间缺乏加固强度的渐进性，导致组合后的加固结构不能被充分地利用以最大限度地发挥其加固性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种渐进式巷道及隧道的破碎围岩的加固方法，以解决上述现有技术存在的问题，得到的加固结构能够被充分地利用以最大限度地发挥其加固性能。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种渐进式巷道及隧道的破碎围岩的加固方法，包括以下步骤：
8.步骤一，建立破碎围岩待加固的目标区域的三维形态模型，并对所述目标区域进行规划分区；
9.步骤二，采用柔性的金属网对所述目标区域的壁面形态进行塑形并固定；
10.步骤三，采用碎石填充所述金属网与所述目标区域之间的空腔；
11.步骤四，预埋注浆钢管至所述目标区域的所述破碎围岩的浅层；
12.步骤五，将所述注浆钢管的出露部分遮挡封闭，对所述壁面进行喷浆封闭并形成喷射混凝土层；
13.步骤六，所述喷射混凝土层完全凝结后，从最下排所述注浆钢管开始并依次向上逐排注浆，完成第一次注浆；
14.步骤七，所述目标区域的所述破碎围岩的浅层初步凝结后，钻孔形成第一注浆孔，向所述第一注浆孔内注浆，完成第二次注浆，且所述第一注浆孔的深度大于所述注浆钢管的预埋深度；
15.步骤八，所述第二次注浆初步发挥作用后，钻孔形成第二注浆孔，向所述第二注浆孔内注浆，完成第三次注浆，且所述第二注浆孔的深度大于所述第一注浆孔的深度。
16.优选地，所述步骤七中，采用中空锚杆向所述第一注浆孔内注浆并完成所述第二次注浆。
17.优选地，所述步骤八中，采用中空注浆锚索向所述第二注浆孔内注浆并完成所述第三次注浆。
18.优选地，所述注浆钢管的长度为[70，80]厘米，所述注浆钢管的预埋深度为[50，70]厘米，所述注浆钢管的安装角度为相对于水平方向斜向下[5，10]度，各排所述注浆钢管之间的排距为[1.0，1.5]米，任意同排相邻两所述注浆钢管的间距为[0.6，1.0]米；所述第一注浆孔的深度为[150，200]厘米，所述第一注浆孔的开设方向垂直于所述壁面，任意同排相邻两所述第一注浆孔的间距为[1.5，2.0]米；所述第二注浆孔的深度为[500，800]厘米，所述第二注浆孔的开设方向垂直于所述壁面。
[0019]
优选地，所述第一次注浆的注浆压力不超过0.2兆帕，所述第二次注浆的注浆压力不超过1兆帕，所述第三次注浆的注浆压力不超过3兆帕。
[0020]
优选地，所述喷射混凝土层的厚度为[8，15]厘米。
[0021]
优选地，任意相邻两所述金属网之间的搭接长度不小于20厘米，搭接部分采用铁丝捆绑固定或者焊接固定。
[0022]
优选地，将所述中空注浆锚索向所述第二注浆孔内安装的同时，将锚索测力计安装在部分所述中空注浆锚索上，并将多点位移计安装在未安装有所述锚索测力计的所述中空注浆锚索所在的所述第二注浆孔内。
[0023]
优选地，将收敛计的两端分别固定安装在加固后的巷道/隧道相对的两个侧壁上。
[0024]
优选地，在加固后的巷道/隧道的侧壁上钻孔形成观察孔，并定期监测观察孔内情况。
[0025]
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0026]
本发明提供的渐进式巷道及隧道的破碎围岩的加固方法，施工工艺简单、清晰、易行、可靠，整个工艺过程充分地考虑各加固结构发挥承载性能的时效特性和渐进性，能够适应多种类型巷道及隧道的破碎围岩的修复加固需要，尤其能够适用于一些比较重要的矿山主巷道或交通隧道等中硬以上破碎围岩的加固和维护施工。此外，将修复性加固施工过程与长期质量监测与评估有机结合融为一体，能够有效的确保修复加固后的巷道及隧道保持长期安全稳定。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，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的附图。
[0028]
图1为本发明提供的渐进式巷道及隧道的破碎围岩的加固方法得到的加固结构的立面示意图；
[0029]
图2为图1加固结构中a-a处的剖面结构示意图；
[0030]
图3为图1加固结构中b-b处的剖面结构示意图。
[0031]
图中：1-金属网、2-破碎围岩、3-注浆钢管、4-喷射混凝土层、5-中空锚杆、6-中空注浆锚索、7-观察孔、8-锚索测力计、9-多点位移计、10-收敛计。
具体实施方式
[0032]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
[0033]
本发明的目的是提供一种渐进式巷道及隧道的破碎围岩的加固方法，以解决上述现有技术存在的问题，得到的加固结构能够被充分地利用以最大限度地发挥其加固性能。
[0034]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0035]
目前，针对破碎巷道修复加固方式也逐渐由单一化修复加固向多种方法联合修复加固转变，现有相关技术简述如下：
[0036]
(1)一种基于井壁破裂程度分类的不同修复加固方法，包括以下步骤：根据井壁的破裂范围、破裂深度将井壁的破裂程度进行分类，然后根据不同的井壁破裂程度，采取相应的修复加固方法。其中对于iv类(井壁局部破坏深度大于1000mm、破坏区域未水平贯通)采用锚网喷临时支护和顶柱支护后，固定钢模板，然后浇筑混凝土进行充填修补，再进行井圈支护，对于v类(井壁破坏区域水平贯通)采用锚网喷临时支护和顶柱支护后，用井圈填补在水平贯通破坏区域里，接着固定钢模板，然后浇筑混凝土，最后进行井圈支护。
[0037]
(2)一种煤矿巷道注浆锚索施工方法，旨在解决现有的单根锚索及壁后注浆分别进行施工效果差、成本高的问题，包括先施工单根锚索孔，根据现有锚索直径选择合适的钻头，采用2卷树脂药进行端头锚固，先不上盘加压，采用1m长一头带丝的4分管，从锚索孔口插入，4分管与锚索位置巷道壁持平，采用破布进行封口处理，进行注浆施工，待注浆上压后，停止注浆，等待浆液凝固，进行锚索上盘加压施工，该设计能够减少二次打眼的施工，降低煤矿巷道的施工成本，对巷道进行中深孔注浆加固，减少二次打眼对巷道围岩的二次扰动，实现单根锚索全长锚固的作用。
[0038]
(3)一种变形破坏巷道的修复方法及其巷道结构，主要适用于围岩变形破坏严重的深部巷道及软岩巷道的修复施工。巷道修复新技术由六个部分组成，分别是：巷道勘察，变形顶帮胶结固化，清除鼓出围岩，胶结固化底板，巷道围岩表面密封，围岩活动检测与维护。首先胶结固化变形顶帮，使巷道修复作业在具有一定厚度的整体顶帮的保护下安全施工，提高了巷修效率，修复主体是将巷道围岩胶结固化并进行表面密封的整体结构，大幅提高围岩整体强度和承载能力，修复后巷道在服务年限内围岩完整稳定，不需要再次修复施
工，施工工艺简单易行、综合成本低、作业安全。
[0039]
(4)一种煤矿软岩工作面回风巷扩修和支护方法，首先采用侧装机进行拉底，利用巷道修复机进行挑顶和扩帮，然后对于锚网索支护段，施工锚网索，采用架设倾向矿工钢棚、槽式木垛和贴帮木垛进行加强支护，对于u型钢棚支护段巷道，重新架设u型钢棚、槽式木垛和贴帮木垛进行加强支护，主要是为了解决在工作面回采过程中，软岩巷道受矿山压力、开采扰动等作用影响下，出现顶底板和两帮收敛，导致巷道断面大幅度降低，影响通风、行人、运料、运煤等难题，通过该方案也可以有效降低巷道翻修频率，降低工人劳动强度，提高工作面推进速度，对于提高矿井经济效益具有重要的意义。
[0040]
(5)一种大埋深冲击地压矿井巷道修复方法，大埋深冲击地压矿井巷道修复方法包括如下步骤：支护、薄喷封闭、深孔注浆和复喷，在薄喷封闭过程主要为了将浅层松散破碎的围岩进行填充，形成浅部锚杆压缩区组合拱，深孔注浆则对深部松散围岩进行胶结形成深部浆液扩散加固拱，深孔注浆过程中为了确保浆料具备零号的渗透性能够与深部松散围岩紧密结合且与薄喷封闭层粘合稳固。优点为浆料中大颗粒不易沉降，注浆成的拱形结构面稳定性强，采用薄喷封闭与深孔注浆配合形成了双层加压复合拱结构对巷道进行加固，在薄喷封闭与深孔注浆分别采用亲泥性浆料改进型亲泥浆料进行注浆，确保双层加压复合拱结构的稳固性。
[0041]
(6)顶板中空注浆锚索及底板注浆巷道修复技术针对潘三矿西二石门顶、帮、底破坏严重等问题，分析了巷道变形和破坏的原因，在充分利用了原有支护基础上采用了顶板中空注浆锚索和底板无止浆层分层注浆技术进行巷道维修。
[0042]
(7)复杂围岩受损动压巷道修复技术研究以代池坝煤矿31342综采工作面运输巷复杂围岩为研究对象，研究了复杂围岩受损动压巷道变形破坏特征及破坏机理，提出了“强顶、固帮、减跨补强、控底”修复思想及在原支护基础上采用单体支柱配合锚网索修复技术方案。
[0043]
(8)复杂围岩灾变环境下巷道修复技术研究针对麦垛山煤矿110207工作面运输巷受复杂围岩应力影响，顶板出现开裂下沉等现象，提出巷道整体以高强预应力锚杆和锚索梁进行有限让压强化支护，形成以高强、高预应力锚杆支护为基本的支护体系，以锚索为骨架的网状支护单元。通过注浆改变围岩受力状态提高承载能力，巷道特殊地段二次支护采用29#u型可缩性钢支架进行耦合让压支护，使支护体与巷道围岩之间相互耦合，按照“预防为主、综合治理”的原则，提出了“集中疏水泄压+注浆控制裂隙+喷浆封闭”的综合防治水技术，降低顶板裂隙水的影响，确保了巷道围岩的整体稳定性。
[0044]
(9)锚网索喷与壁后注浆联合支护技术研究与应用针对受采面动压影响巷道原有的支护体系遭到破坏，围岩挤出量大，巷道顶板掉落、片帮、底鼓严重，常出现变形量过大的问题，导致巷道出现维护周期短，巷道维修困难的状况，根据锚网索支护的原理，结合壁后注浆加固技术，延长巷道的维护周期，进而更好的提高生产安全和经济效益。
[0045]
(10)软煤层回采工作面锚网喷支护及壁后注浆加固试验针对新星煤矿主采回采工作面运输顺槽开挖后，采用11#矿用工字钢梯棚支护时巷道围岩变形严重，影响了掘进速度且巷道维护修理费用高的问题。在开挖回采工作面运输顺槽时，基于该工作面附近有f10逆断层构造，提出了该工作面两巷采用锚网喷支护、两帮及底角采用壁后注浆的加固技术，有效提高了巷帮锚杆锚固力，控制了围岩变形，取得了显著的效果。
[0046]
分析上述现有技术现状可知，针对巷道加固支护方式也逐渐由单一化向多种方法联合支护转变，针对不同工程条件其支护加固的方式不同，其中喷锚网索、壁后注浆等被实践证明是其中较为有效的加固方式，但此类加固方式在矿山主要巷道或交通隧道等破碎岩体工程加固中，仍存在问题：
[0047]
(1)以往的工程实践中往往没有充分考虑各加固方式发挥最佳承载性能的时效特性，在实践中不同的加固修复方式往往机械的组合在一起，不同加固方式之间缺乏加固强度的渐进性，导致组合后的加固结构难以最大限度的充分发挥其加固性能；
[0048]
(2)现有的巷道加固修复与加固质量检测往往是两个分离的状态过程，没有将加固修复施工与必要的质量检测手段有机的结合，且缺乏长期连续的检测、评估和反馈修正过程。
[0049]
针对上述现有技术存在的问题和破碎岩体工程巷道修复加固面临的主要难题，结合工程实际需要，有必要优化破碎岩体巷道修复加固和质量监测方法。
[0050]
如图1-3所示，本发明提供一种渐进式巷道及隧道的破碎围岩2的加固方法，包括以下步骤：
[0051]
步骤一，建立破碎围岩2待加固的目标区域的三维形态模型，并对目标区域进行规划分区；
[0052]
步骤二，采用柔性的金属网1对目标区域的壁面形态进行塑形并固定；
[0053]
步骤三，采用碎石填充金属网1与目标区域之间的空腔；
[0054]
步骤四，预埋注浆钢管3至目标区域的破碎围岩2的浅层；
[0055]
步骤五，将注浆钢管3的出露部分遮挡封闭，对壁面进行喷浆封闭并形成喷射混凝土层4；
[0056]
步骤六，喷射混凝土层4完全凝结后，从最下排注浆钢管3开始并依次向上逐排注浆，完成第一次注浆；
[0057]
步骤七，目标区域的破碎围岩2的浅层初步凝结后，钻孔形成第一注浆孔，向第一注浆孔内注浆，完成第二次注浆，且第一注浆孔的深度大于注浆钢管3的预埋深度；
[0058]
步骤八，第二次注浆初步发挥作用后，钻孔形成第二注浆孔，向第二注浆孔内注浆，完成第三次注浆，且第二注浆孔的深度大于第一注浆孔的深度。
[0059]
本发明提供的渐进式巷道及隧道的破碎围岩2的加固方法，施工工艺简单、清晰、易行、可靠，整个工艺过程充分地考虑各加固结构发挥承载性能的时效特性和渐进性，能够适应多种类型巷道及隧道的破碎围岩2的修复加固需要，尤其能够适用于一些比较重要的矿山主巷道或交通隧道等中硬以上破碎围岩2的加固和维护施工，并且本发明的加固方法主要是对已施工完成后的巷道及隧道的破碎围岩进行修复性加固，属于长期或永久性加固，与施工过程中的加固存在显著区别，更为具体地，在步骤一中，可以采用多方位三维数字摄影测量成像的方式，采用计算机快速建立破碎围岩2待加固的目标区域的三维形态模型，在此基础上，结合设计和工程实际需要，可以快速获取待修复目标区域基本尺寸、面积以及工程量等信息，并对目标区域进行规划分区；在步骤二中，根据规划，为确保加固修复后的形态能够满足工程需求，结合设计形态采用柔性的金属网1对目标区域的壁面形态进行塑形并固定；在步骤三中，为减少喷射混凝土工作量和降低潜在空腔对后续加固作业的不利影响，采用碎石填充金属网1与目标区域之间的空腔，其中较为优选地，所采用的碎石
可以是破碎围岩2巷道垮落的废石，使废石得到利用；在步骤四中，注浆钢管3可以提前制作，其中较为优选地，注浆钢管3上布设有梅花形渗浆孔，以便于浆液扩散；在步骤五中，按照常规喷浆工艺对壁面进行喷浆封闭作业即可，但是需要注意的是，喷浆封闭质量会直接影响注浆效果，且其中较为优选地，注浆钢管3的出露部分可以通过塑料袋包裹实现遮挡封闭，节省材料成本，且拆装方便；在步骤六中，喷射混凝土层4完全凝结所需时间一般为24小时以上，为确保注浆效果，注浆过程应严格按照相应的标准规范中的操作要求进行作业；在步骤七中，目标区域的破碎围岩2的浅层初步凝结所需时间一般为7天左右；在步骤八中，第二次注浆初步发挥作用所需时间一般为28天以上。
[0060]
进一步地，步骤七中，采用中空锚杆5向第一注浆孔内注浆并完成第二次注浆，中空锚杆5在完成第二次注浆后与浆液留在第一注浆孔内，能够提高第二次注浆所形成的加固结构的稳固程度。
[0061]
进一步地，步骤八中，采用中空注浆锚索6向第二注浆孔内注浆并完成第三次注浆，中空注浆锚索6在完成第三次注浆后与浆液留在第二注浆孔内，能够提高第三次注浆所形成的加固结构的稳固程度。
[0062]
进一步地，注浆钢管3的长度为[70，80]厘米，注浆钢管3的预埋深度为[50，70]厘米，注浆钢管3的安装角度为相对于水平方向斜向下[5，10]度，各排注浆钢管3之间的排距为[1.0，1.5]米，任意同排相邻两注浆钢管3的间距为[0.6，1.0]米，便于注浆操作和浆液扩散，且能够保证整个目标区域的破碎围岩2的浅层的结构稳固，且其中较为优选地，任意相邻两排注浆钢管3交错布置；第一注浆孔的深度为[150，200]厘米，第一注浆孔的开设方向垂直于壁面，任意同排相邻两第一注浆孔的间距为[1.5，2.0]米；第二注浆孔的深度为[500，800]厘米，第二注浆孔的开设方向垂直于壁面，能够保证整个目标区域的破碎围岩2的结构更为稳固。
[0063]
进一步地，第一次注浆的注浆压力不超过0.2兆帕，第二次注浆的注浆压力不超过1兆帕，第三次注浆的注浆压力不超过3兆帕，通过控制三次注浆压力的逐渐增大，使各加固结构能够发挥较好承载性能。
[0064]
进一步地，喷射混凝土层4的厚度为[8，15]厘米，其中较为优选地，喷射混凝土层4的厚度为10厘米。
[0065]
进一步地，任意相邻两金属网1之间的搭接长度不小于20厘米，搭接部分采用铁丝捆绑固定或者焊接固定，结构简单，易于操作，而且连接牢固，。
[0066]
进一步地，将中空注浆锚索6向第二注浆孔内安装的同时，将锚索测力计8安装在部分中空注浆锚索6上，并将多点位移计9安装在未安装有锚索测力计8的中空注浆锚索6所在的第二注浆孔内，相比现有技术中的巷道加固修复与加固质量检测往往是两个分离的状态过程，本发明中将中空注浆锚索6向第二注浆孔内安装的同时，安装锚索测力计8以及多点位移计9，能够监测锚索的受力情况用于评估加固效果，实现将修复加固施工过程与长期质量监测、分析评估融为一体，能够有效的确保修复加固后的巷道/隧道保持长期安全稳定。
[0067]
进一步地，将收敛计10的两端分别固定安装在加固后的巷道/隧道相对的两个侧壁上，能够检测相应的收敛变形情况，可以作为评估加固修复效果的重要依据。
[0068]
进一步地，在加固后的巷道/隧道的侧壁上钻孔形成观察孔7，并定期监测观察孔7
内情况，其中较为优选地，加固修复施工完成15天后施工少量的钻孔作为观察孔7(孔深2至3米)，查看观察孔7内情况，并在15天、3个月、6个月、1年、2年以及5年等特定时间点，采用钻孔成像设备扫描成像并评估加固修复的长期持续效果。
[0069]
其中，数据采集过程中，多点位移计9、锚索测力计8、收敛计10的数据全部集成到数据采集站按照一定频率进行采集(一般12小时/次或24小时/次)，观察孔7的数据则采用钻孔成像设备扫描成像定期采集，将获取到的观测数据进行连续持续性的综合处理分析，并基于修复后巷道/隧道的围岩的应力、变形以及结构变化等情况对加固修复质量进行动态评价和反馈，为确保巷道的长期安全稳定提供科学依据。
[0070]
因此，本发明提供的渐进式巷道及隧道的破碎围岩2的加固方法，通过运用在注浆方式、注浆压力、加固时机、加固强度以及质量检测等多维度全方位渐进形式，充分考虑各加固结构发挥承载性能的时效特性和渐进性，更贴合加固后的围岩结构体应力、变形演化规律，且将修复加固施工过程与长期质量监测、分析评估融为一体，能够有效的确保修复加固后的巷道及隧道保持长期安全稳定，而且整体施工工艺简单、清晰、易行、可靠。
[0071]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。