喷射混凝土支护

施工工艺特殊的混凝土

喷射混凝土是一种原材料与普通混凝土相同，而施工工艺特殊的混凝土。喷射混凝土是将水泥、砂、石、按一定的比例混合搅拌后，送入混凝土喷射机中，用压缩空气将干拌合料压送到喷头处，在喷头的水环处加水后，高速喷射到巷道围岩表面，起支护作用的一种支护形式和施工方法。在矿山井巷，采用与锚杆支护相结合的喷射混凝土支护，取代原有的料石砌碹、混凝土衬砌，取得了明显的效果。

主要特点

喷射混凝土支护的主要特点：

1.技术上先进，质量上可靠。过去用钢、木支护、料石、混凝土碹支护只有消极地承受上部松动围岩的重量，维持巷道的稳定性。喷射混凝土支护则是充分考虑和积极发挥围岩本身自稳作用，喷射混凝土与围岩自稳能力相结合，变被动为主动，变消极为积极。喷射混凝土利用压气高速喷射到围岩表面的节理、裂隙中，把节理、裂隙分隔的岩体联结起来，有效地阻止岩块的松动和滑移。喷射混凝土形成一种紧贴岩面的封闭层，隔绝了水和空气对围岩的风化和剥蚀作用，防止因围岩风化、剥蚀而影响巷道稳定性和正常使用。喷射混凝土支护可填补由于爆破而形成的巷道围岩表面凸凹不平，使其成形圆滑规整，避免了应力集中。喷射混凝土支护紧跟掘进工作面，以最快的速度施工，有效减少围岩的暴露时间，有利于迅速控制或稳定围岩因爆破引起的扰动，从而大大地提高了围岩的稳定性和自撑能力。同时喷射混凝土同围岩岩层紧密粘结在一起，实际上组成了围岩和支护为一体的共同受力系统。把过去认为是荷载的岩层转化的承载结构的一部分。加之，喷射锚杆混凝土支护与锚杆支护、金属网相结合，提高了支护的性能和工程质量，改进了巷道的稳定性。

2.经济上合理，工艺上简便。喷射混凝土与传统的普通混凝土相比，其支护厚度可减少1/3~2/3。过去碹厚在250~500mm，喷射混凝土层厚度在50~200mm。这样，不仅开挖工作量可减少15%以上，支护材料也大幅度减少。同时，支护速度可以提高2~4倍，劳动力节省50%以上。

配比

水泥：水泥的品种和规格应根据巷道支护工程的要求、水泥对所用速凝剂的适应性，以及现场供应条件而定。应优先选用普通硅酸盐水泥，其特点是凝结硬化快，保水性好，早期强度增长快。水泥的标号一般不低于325号，过期、受潮结块或混合的水泥均不得使用。水泥进库时应根据出厂合格证进行验收，注意检查其品种、标号和出厂日期，并按批堆，防止堆放在底部的水泥长期不用而失效。

砂子：应采用坚硬耐久的中砂或粗细度模数应大于2.5，含水率宜控制在5%~7%，含泥量不得大于3%。细砂会增加喷射混凝土的干缩变形，而且过细的粉砂中小于5μm的颗粒和游离二氧化硅的含量增大，易产生大量粉尘，影响操作人员的身体健康。

石子：应采用坚硬耐久的卵石或碎石，粒径不应大于15mm。采用卵石，因其光滑干净，对喷射机和输料管路磨损少，有利于远距离输料和减小堵管故障。碎石混凝土比软石混凝土强度高，喷射作业中回弹率也较低，但碎石有棱角，表面粗糙，对喷射机和输料管路磨损严重，应尽量少用。

水：凡能饮用的自来水及天然水都可作为喷射混凝土混合用水。混合水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质，不得使用污水以及PH<4的酸性水和含硫酸盐量按SO4计算超过水重的1%的水。

速凝剂：分为两类：一类是以铝酸盐和碳酸盐为主，再复合一些其他无机盐类组成的；另一类则以水玻璃为主要成分，再与其他无机盐类复合组成。按其形状可分为粉状和液状两类。具体选用种类后，依说明进行配制。

配合比：由于喷射混凝土施工工艺的特点，在选择喷射混凝土时既要满足支护结构对喷射混凝土的物理力学性能方面的要求，又要考虑喷射混凝土施工工艺方面的要求，而使喷射混凝土具有足够的抗压、抗拉、粘结强度，以使喷射混凝土收缩变形值保持最小，喷射作业的回弹力最低。

混合料配合比是指一立方米喷射混凝土中，水泥、砂、石子所占比例。水泥用量大；喷射混凝土的收缩也大，容易开裂，而且费用增加。为了减少喷射时的回弹物，喷射混凝土与普通混凝土相比，其石子用量要少得多，而砂子用量则相应增大，甚至达50%。

一般喷射混凝土混合料的配合比如下：

1.水泥与砂石之重量比 1：4~1：4.5；砂率宜为45%~55%；水灰比宜为0.4~0.45。速凝剂掺时应根据产品性能通过试验确定。

2.喷浆时，水泥：砂为1：2至1：3（重量比），水灰比0.45~0.55。

3.喷射混凝土时，水泥：砂：石子为1：2：2，1:2.5:2，初喷时可适当减少石子掺量，水灰比0.4~0.5。

4.原材料按重量计，称量的允许偏差，水泥和速凝剂均为±2%，砂和石子均为±3%。

工艺参数

喷射混凝土的工艺流程中：主要是供料、压气、供水、供电四大系统；四大系统齐备，才能进行喷射混凝土操作。但是工作气压多大合适，喷头喷射的方向以及喷头距受喷围岩表面距离多少才能有效地作业，一次喷层厚度多大为合理，初喷与复喷的间隔时间多长为适宜，以及喷层与锚杆、金属网的关系等，都需要科学、合理、实用的工艺参数。工艺参数合理，才能保证喷射混凝土的质量和施工进度，从而有效地发挥其应有的支护作用。

1.工作压力

工作压力是指喷射混凝土正常施工时，喷射机工作罐时或转子体内的压气压力。喷射混凝土是靠压缩空气来输送混合料的，因此，正确掌握气压是十分重要的。气压掌握是否适当，对于减少喷射混凝土的回弹，降低粉尘，保证喷射混凝土质量，防止输送管路堵塞等都有很大影响。

控制气压，为了控制粉尘和回弹，大都采用低气压。一般来说，水平输送距离30~50m，喷射机的供气压力保持在0.12~0.18MPa是适当的和有效的。

进料管内径为50mm时，喷射机的工作气压可参照下列经验公式确定：

水平输料，输料管长度在200m以内，向上垂直输料时，要求工作气压比水平输料时大，每增加设计10m，约增加工作气压0.02~0.03 MPa。

当然，在喷射混凝土施工过程中，喷射机司机应与喷射手密切配合，根据实际情况及时调整喷射机的工作压力。

2.水压

为了保证喷头处加水通过水环能使气流迅速通过的混凝土混合料充分湿润，一般水压应比气压高0.1MPa左右。采用双水环比单水环的效果好一些。应当采用专用水箱，装上压力表，操作人员调节喷头水环上的水阀来控制水压。

3.水灰比

掌握合理的水灰比对于减少回弹、降低粉尘和保证喷射混凝土有直接关系。混合料加水变成混凝土是在喷头处水环供水瞬间实现的，理论上最合适的水灰比是0.4~0.5。但实际操作中全靠喷射手的经验加以控制，及时调整。主要靠目测，而不能实测。根据经验，如果新喷射的混凝土易粘着，回弹量少，喷层表面有一定的光泽，说明水灰比是合适的。如果喷射时出现干斑，粉尘飞扬，回弹量大，喷层表面无光泽，说明水灰比偏低，应适当增加水量。如果喷射时表面塑性大，出现流淌现象，则说明水灰比偏高，应适当减少水量。

4.喷头方向

当喷头喷射方向（即喷射料束方向）与受喷面（围岩表面）垂直，并略向刚喷射的部位倾斜时，回弹量最小。这时因喷射方向与受喷面垂直时，粗骨料遇岩面或混凝土层碰撞后总有一部分按垂直的相反方向弹回，这时弹回物受到喷射料束的约束，抵消了部分回弹的能量，有利于嵌入砂浆或混凝土层中。而喷头喷射方向略微向刚喷部位倾斜，则可使喷出的料束有相当部分直接冲入粘塑状态的混凝土中，而避免一部分骨料与岩面直接碰撞而增大回弹量。因此，除喷巷帮侧墙下部时，喷头的喷射角度可下俯10°~15°外，其他顶板及两帮喷射混凝土时，要求喷头的喷射基本上垂直于围岩受喷面。

5.喷头与受喷面的距离

喷头与受喷面最佳距离是根据喷射混凝土强度最高和回弹最小来确定的，最大限度约为800~1000mm。一般在输料距离30~50m，供气压力0.12~0.18MPa，最佳喷距喷帮300~500mm，喷顶450~600mm。如果距离过小，粗骨料喷射时所受空气阻力很小，而喷射动能很大，增大了回弹；如果距离过大，粗骨料喷射时所受空气阻力过大，相应的喷射动能减小而无法嵌入混凝土，而且有可能出现料束扩散较大，使回弹量有所增加。

6.一次喷射厚度

混凝土混合料从喷头喷出后，围岩表面立即粘结一层喷射混凝土。如果不移开喷头而连续在一处喷射，粘结的混凝土层会愈粘愈厚，直至混凝土支持不住本身的重量，就会出现错裂，甚至脱落，影响混凝土的粘结力与凝聚力。如喷头移动过快，地岩面上只留下薄薄一层砂浆，而大部分骨料弹回。等薄层硬结后再喷第二层，相当于又向岩面喷射，势必增加回弹率，影响效率。因此，一次喷射混凝土应有一定的厚度，其厚度主要根据岩性、围岩应力，裂隙、巷道规格尺寸，及其他形式支护（如锚杆）的配合情况来确定。过厚、过薄均不利。一般一次喷射混凝土的厚度：掺速凝剂水平喷100mm，向上喷射60mm；不掺速凝剂水平喷射70mm，向上喷射40mm。

7.喷射层间的间隔时间

因设计要求喷射混凝土很厚，或围岩部凹穴很深，喷射混凝土厚度往往超过一次喷射所能达到的厚度，要进行二次或多次复喷，其间隔时间，应当是喷射混凝土终凝后，且产生一定强度，能经受下次喷射流束的冲击而不至损坏。合理的间隔时间与水泥品种、速凝剂掺量、环境温度、水灰比大小、施工方法、支护性能等有密切关系。实际操作时，可根据具体情况和施工组织设计或作业规程的要求掌握。

支护结构

1.喷砂浆支护

巷道周围围岩表面喷一层砂浆的支护形式，主要用以封闭围岩使之不与大气环境接触，减缓风化、侵蚀作用。一般用于Ⅰ、Ⅱ类岩石巷道支护。喷砂浆的标号不应低于75号，喷砂浆的厚度不小于10mm，不大于30mm。

2.喷射混凝土支护

这是在井巷围岩表面喷射一层混凝土，与围岩自持能力相结合，共同支护巷道的一种形式，广泛应用于Ⅱ、Ⅲ类岩石和大部Ⅳ类岩石。喷射混凝土支护根据其使用功能，即临时支护、永久支护，或初喷、复喷的要求，喷射混凝土厚度最小30mm，最大200mm。喷射混凝土的强度，一般工程不低于C15，重要工程不低于C20，喷射混凝土容重可取2200kg/m3，弹性模量C15和C20分别取1.85×104和2.1×104。喷射混凝土与围岩的粘结力Ⅰ、Ⅱ类围岩不应低于0.8Mpa，Ⅱ类围岩不应低于0.5Mpa。

3.锚杆喷射混凝土支护

这是锚杆和喷射混凝土联合支护的一种结构形式，广泛应用于Ⅲ、Ⅳ类围岩和一部分Ⅱ类围岩。这种结构既能充分发挥锚杆的作用，又能充分发挥喷射混凝土的作用，这两种作用的结合，有效改进了支护的效能。

4.锚杆喷射混凝土金属网联合支护

锚杆、金属网和喷射混凝土进行联合支护的一种形式。金属网的介入，起到了加固的作用，很象钢筋混凝土结构，只不过还是浇注、捣固而是喷射混凝土。因此，在Ⅳ、Ⅴ类围岩的井巷支护，以及软岩巷中得到广泛的应用。一般金属网的网格不小于150mm×150mm,金属网所用钢筋或钢丝直径为2.5~10mm，施工时应注意用锚杆固定牢固，金属网间要用铁丝绑扎结实，钢筋保护层厚度不应小于20mm、大于40mm，必须能与喷射混凝土密切结合，保证强度。

5.钢架喷射混凝土联合支护。

这是在软岩中应用的一种特殊支护结构，即先在掘进后架设钢架，允许围岩收敛变形，基本稳定后再进行喷射支护，把钢架喷在里面，有时也打一些锚杆，控制围岩变形。这样，钢架自身仍保持相当的支护能力，同时，被喷射的混凝土裹住后又起到了“钢筋加固”的作用，而喷射的混凝土层有一定的柔性，对围岩基本稳定后的微量变形可以适应。

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