第三节 喷射混凝土支护

第八章巷道支护第三节喷射混凝土支护122023/2/5

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。2图8-64

混凝土喷射机2023/2/5332023/2/54图8-65

喷射混凝土452023/2/5同时喷射混凝土层封闭了围岩，能够防止因水和风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562023/2/5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672023/2/5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782023/2/5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0.35～3.0mm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892023/2/5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8-18选取。9102023/2/53.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、pH﹥4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粒径/mm5～77～1515～25百分率/%25～3555～45＜2010112023/2/5度，需要在喷射混凝土中添加水泥重量2.5％～4％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0.25～0.4mm的钢纤维11122023/2/5。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0.4～0.5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，收缩变形值要小，回弹力要低。喷混凝土重12132023/2/5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:(2～3)，砂浆标号不应低于75号。水灰比以0.4～0.5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喷混凝土的配合比喷射部位配合比水泥:粗中混合砂:石子水泥:细砂:石子侧壁1:(2.0～2.5):(2.5～2.0)1:2.0:(2.0～2.5)顶拱1:2.0:(1.5～2.0)1:(1.5～2.0):(1.5～2.0)13142023/2/5

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14152023/2/5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30～40mm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15162023/2/5别在软弱围岩中作初期支护，喷层过厚，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16172023/2/5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程17182023/2/5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18图8-68工艺流程192023/2/519202023/2/5(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。

(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20212023/2/5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21222023/2/5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，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22232023/2/5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-Ⅱ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题。“七五”和“八五”期间，我国23242023/2/5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、潮喷机，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。24252023/2/5表8-20

常用转子式混凝土喷射机25262023/2/5

如图8-70、71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26图8-70转子—Ⅱ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;12-油水分离器;13-电动机;14-减速器272023/2/527图8-71转子喷射机282023/2/528292023/2/5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29图8-72湿式混凝土喷射机302023/2/5潮喷和干喷通用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30312023/2/5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8-76～79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。31图8-73煤矿用混凝土搅拌机322023/2/5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32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332023/2/533图8-75手持式喷头342023/2/534图8-77MK-II型液压机械手1-液压系统;2-气、水系统;3-转柱;4-支柱油缸;5-大臂;6-拉杆;7-照明灯;8-伸缩油缸;9-翻转油缸;10-导向支撑杆;11-摆角油缸;12-回转器;13-喷头图8-76HJ-I型筒易机械手1-喷头;2-回转器;3-软轴;4-电动机和减速器;5-回转杠杆;6-伸缩立柱;7-小车;8-手轮2023/2/53535图8-78新筑XZPS30B喷射机械手362023/2/5喷浆助力机械手36图8-79在瑞士的一条隧道中使用喷射混凝土机械手的情况372023/2/537382023/2/53.喷射混凝土的施工工艺

(1)喷射混凝土的主要工艺参数为了确保喷层质量、减少回弹率和降低粉尘浓度，必须正确选择施工工艺参数。①工作风压。工作风压是指正常喷射作业时，喷射机工作室里的风压，工作风压决定喷嘴出口处的风压，而喷嘴出口处的风压的大小直接影响着回弹率、混凝土喷层质量与喷射速度，而喷射速度又与回弹率、喷层强度等密切相关。当混凝土配合比为1:2.5:2、输料管水平长度为20m、喷头距受喷面38392023/2/51m左右时，其工作风压以0.11～0.13MPa为宜。根据试验，干式喷射时，喷嘴出口处的风压应控制在0.1MPa，湿喷时应控制在0.15～0.18MPa。此外，工作风压应随着输料管长度的增加而增大。

②水压。水压应比风压高0.1MPa左右，以保证喷头处的水环能充分湿润瞬间高速流过的干拌合料。调节喷头水环上的水阀即可控制水压。

③水灰比。喷射混凝土的最佳水灰比为0.4～0.45，喷层表面平整、潮润光泽、粘塑性好、密实；当水量不足时，喷层表面有浮砂，出现干斑，39402023/2/5回弹率高，粉尘多；当水量过大时，则喷层会产生滑移、下坠或流淌。

④喷头与受喷面的距离及倾角。合适的距离应使回弹率低，混凝土强度高，一般控制在0.8～1.2m为宜。喷头方向除了喷墙下部可下俯10°～15°外，应尽量与受喷面正交，当喷头与受喷面垂直时，回弹率最低。

⑤一次喷射厚度。若一次喷射厚度过大，由于重力的作用会使混凝土颗粒间的凝结力减弱，混凝土从受喷面将发生重力坠落；若喷射厚度太小，石40412023/2/5子无法嵌入灰浆层，将会使回弹率增大。一般喷射顺序为分段从墙角向上喷射，并且自下而上的一次喷射厚度逐渐减小，其部位和厚度可按图8-80所示进行工作。

⑥分层喷射的间歇时间。如果一次喷射厚度达不到设计厚度，需要进行分层喷射时，其间隔时间与水泥品种、工作温度和速凝剂掺量等因素有关。一般对于掺有速凝剂的普通水泥，温度在15℃～20℃时，其间歇时间为15～20min；不掺速凝剂时为2～4h，并在复喷前先喷水湿润。41图8-80一次喷厚与喷射部位之间的关系，分子为喷射方向与水平面平角度；分母为一次喷射厚度(cm)2023/2/54242432023/2/5⑦混合料的存放时间。由于砂、石含有一定水分，与水泥混合后，存放时间应尽量缩短。掺速凝剂时，存放时间不应超过20min；不掺速凝剂时，存放时间不应超过2h，混合料最好随拌随用。(2)施工准备工作喷射混凝土之前，应按设计要求检查巷道断面尺寸是否符合要求；撬掉岩面上的活石，清除巷道两帮基底的存矸，使其达到设计规定的深度(底板以下100mm)；用高压风、水冲洗岩面上的爆破粉尘和岩体节理中的断层泥，以保证混凝土与岩面牢固黏43442023/2/5结；埋设控制喷层厚度标桩；认真检查喷射机具和气、水、电、管线以及准备好照明和防尘设施等，发现问题及时解决。

(3)喷射作业

①严格按操作规程正确使用混凝土喷射机。尤其要注意调整好气压、水压，以减少回弹量和粉尘浓度。

②喷头操作。作业开始时，要先开风后给水，最后送电给料；作业结束时，先停止给料，待罐内喷料用完后，再停电，最后关水、停风。同时调节44452023/2/5好给料速度，给料速度太低会导致产生团块输送，而无法实现稳态喷射；相反，给料速度太快又会造成喷枪堵塞。

③为了保证混合料搅拌均匀，要随时观察围岩、喷层表面、回弹、粉尘等情况，及时调整水灰比，掌握好工作风压、喷射距离和角度，尽可能地降低回弹率。

④喷射顺序应先墙后拱，自下而上进行。在喷射中，喷头应保持不断移动，以便减少回弹，保持喷层厚度均匀。使喷头按圆形和椭圆形呈螺旋状轨45462023/2/5迹式连续喷射，环形圈应为长轴400～600mm，短轴150～200mm左右为宜。

⑤为了保证喷射质量、提高工效，应合理划分喷射区段。一般以6m长为一基本段，基本段再分为2m长的三小段。喷墙时，每喷完1.5m高便依次向相邻小段前进。图8-81所示为拱形巷道合理划分喷射区段的一个实例。对于凹凸严重的岩面，应先凹后凸、自下而上地正确选择喷射次序。

(4)喷射混凝土支护存在的问题

①回弹46图8-81喷射区段的划分与喷射顺序2023/2/54747482023/2/5

喷射混凝土施工中，部分材料回弹落地是难以避免的，但回弹过多，既浪费材料，又在一定程度上改变了混凝土的配合比，使喷层强度降低。因此，在施工中应合理确定工艺参数，使回弹率控制在：边墙不超过计划的15%，拱部不超过计划的25%。回弹量增大的原因及减少回弹的措施见表8-21。回弹物应尽量收回利用，可作为喷射混凝士的骨料，但掺量不应超过骨料总量的30%，也可用于浇灌水沟、地板或预制水沟盖板等低强度混凝土构件。

②粉尘48表8-21喷射混凝士回弹影响因素分析2023/2/54949502023/2/5干式喷射混凝土的水是在喷头处加入的，水与干拌合料的混合时间很短，故易产生粉尘。装干料时或设备密封不良，也会产生粉尘。

降低粉尘浓度的主要措施有：

a.加强水泥与水的混合。一方面可适当增加砂石含水率，(允许的砂石平均含水率为5%；左右)；另一方面在输料管距喷头4～5m处安设预加水环和异径葫芦管(图8-82)，预先给干拌合料加水(为总水量的1／3)，当料通过异径葫芦管时，曲于涡流使水、料充分搅拌，使粉尘显著减少。据试验测定，未加50图8-82预加水环和异径葫芦管的安装位置1-φ65mm无缝钢管；2-φ100mm无缝钢管；3-法兰盘；4-φ38mm输料胶管；5-预加水环；6-φ13mm胶管；7-输料胶管；8-水环；9-喷头；10-拢料管；11-水管；12-水阀门2023/2/55151522023/2/5水环和异径葫芦管前，粉尘浓度为47.3mg／m3，预加水环后，粉尘浓度降至17mg／m3，再加异径葫芦管后粉尘浓度进一步下降至12.8mg／m3；另外，在上料口安装吸尘装置，加强通风等措施使作业区的粉尘浓度下降至10mg／m3。

b.加强通风。尽量采用混合式或压入式通风，风筒口距作业地点以10m左右为宜。在喷射作业地点的回风流中应设喷雾洒水装置。

c.注意操作人员的个体防护，如佩戴防尘眼镜、防尘口罩。52532023/2/5d.采用湿喷机。这是减少粉尘的根本途径，可将粉尘浓度降至5mg／m3左右。我国正在积极研制和进行井下工业性试验及试用。

(5)围岩渗漏水的处理围岩涌水会降低喷层与岩面的粘结力，使喷层脱落或离层。因此，喷射混凝土前必须对水进行处理。①若岩帮仅有少量渗水、滴水，可用压气清扫，边吹边喷即可。②遇有小裂隙水，可用快凝水泥砂浆封堵，然53542023/2/5后再喷。③若有成股涌水或大面积漏水，必须将水导出，如图8-83所示。首先找到水源点，在该处凿一个深约10cm的喇叭口，冲洗干净后，用快凝水泥将导水管埋入，再向管子周围喷混凝土，待混凝土达到一定强度后，再向导管内注入水泥浆，将孔封闭。图8-83埋设导管排水

1-喷层；2-导水管；3-快凝水泥净浆；4-水源54552023/2/5

(6)喷层的养护

由于喷射混凝土水泥用量较大，含砂量较高，喷层又是大面积薄层结构，加入速凝剂后迅速凝结，这就使混凝土在凝结期的收缩量大为减少；而硬化期的收缩量则明显增大，使喷层产生有规则的收缩裂缝，降低了喷层的强度。为了减少喷层的收缩裂缝，应尽可能选用优质水泥、控制水泥用量、不用细砂、掌握适宜的喷层厚度，喷射后必须按养护制度规定进行养护。要求在混凝土终凝2h后喷水养护，用普通水泥时喷水养55562023/2/5护时间不小于7d，用矿渣水泥时不小于14d。只有在淋水的地段或相对湿度95%以上的情况下，才可不专门进行养护。(7)高性能喷射混凝土在各阶段的性能特点要求如下：

①喷射阶段。具有高粘聚性、附着性，回弹率低、粉尘小。

②硬化早期。早凝、早强，化学缩减小，干缩小。