1907年美国剥制师C.阿克利[注]在修补芝加哥的菲尔德自然史博物馆时,应用压缩空气吹拌和的干料,使其通过输料管,并在喷射口与水混合,喷射至修补墙表面,该技术在1911年获得发明专利。喷射混凝土按喷射混合料组分不同,分为喷射砂浆、喷射混凝土、纤维喷射混凝土。喷射混凝土支护的目的是加固与防止围岩风化、改善围岩应力状态、与围岩紧密黏结一起形成柔性支护结构(图1)。喷射混凝土物理力学特点是其具有较高的强度、黏结力及耐久性,但其在凝固过程中产生一定的收缩变形,具有抗压不抗拉的特点。为改善喷射混凝土支护的力学性能,在拌和混凝土料中,添加纤维材料作为增强材料,成为纤维喷射混凝土,按添加纤维种类不同,分为钢纤维喷射混凝土和高分子纤维喷射混凝土。喷射混凝土按施工工艺不同分为干式喷射混凝土和湿式喷射混凝土两种(图2)。
喷射混凝土作用机理主要有5个方面:①自撑能力。喷射混凝土支护加强开挖后的岩层,使岩层和喷射混凝土共同形成承载结构,提高围岩自身稳定性和自撑能力。②黏结作用。喷射混凝土充填张开的节理、裂隙、岩缝及岩面的凹陷处,产生相当于砌体中砂浆的黏结作用。③防风化作用。喷射混凝土能阻止岩石节理发育和裂缝渗水,从而防止节理形成通道,可避免水和空气对围岩的风化破坏。④抗剪作用。喷射混凝土与岩石黏结在一起,能阻止松散岩块从顶板上垮落下来,提高岩体的抗剪切能力。⑤支撑作用。有一定厚度的喷射混凝土层可以看作为密闭的拱形构件,具有支撑作用。
喷射混凝土除具有较高的强度、黏结力和耐久性等性能外,还具有凝固速度快、吸湿性小、保水性好、早期强度增长快、体积稳定、与围岩表面黏结力好、回弹率低、粉尘小等特征。由于机械化程度高、施工速度快、材料省、成本低、质量好等特点,喷射混凝土支护已广泛应用于各种井巷工程支护中。