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工程建设与科学管理

工程建设与科学管理

Engineering Construction and Scientific Management

  • 主办单位: 
    未來中國國際出版集團有限公司
  • ISSN: 
    3079-708X（P）
  • ISSN: 
    3080-0781（O）
  • 期刊分类: 
    工程技术
  • 出版周期: 
    月刊
  • 投稿量: 
    1
  • 浏览量: 
    320

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薄喷衬砌材料力学性能与支护应用研究综述

A Review on Mechanical Properties and Support Application of Thin Spray-on Liner Materials

发布时间：2026-05-29
作者: 单文毫 :江西理工大学 江西赣州;
摘要: 随着深部地下工程建设规模不断扩大，传统支护方式难以满足复杂围岩的稳定控制需求，薄喷衬砌材料凭借施工便捷、粘结性能优良等优势逐渐成为研究热点。本文系统梳理薄喷衬砌材料在力学性能、界面粘结特性、围岩支护效应、动力响应及环境适应性等方面的研究成果。文章总结了当前领域的整体研究进展，指出微观机理、多场耦合试验、复杂工况应用等方面存在的不足，并对未来研究方向进行展望。本文可为薄喷衬砌材料的后续试验研究、材料优化及工程应用提供较为全面的文献参考与思路借鉴。
Abstract: As the scale of deep underground construction projects continues to expand, traditional support methods can hardly meet the stability control requirements of complex surrounding rocks. Thin spray-on liner materials have gradually become a research hotspot due to their advantages such as convenient construction and excellent bonding performance. This paper systematically reviews the research findings of thin spray-on liner materials in terms of mechanical properties, interfacial bonding characteristics, rock mass support effect, dynamic response and environmental adaptability. It summarizes the overall research progress in this field, points out the deficiencies in micro-mechanism, multi-field coupling tests and complex working condition applications, and prospects future research directions. This paper can provide a relatively comprehensive literature reference and idea reference for the subsequent experimental research, material optimization and engineering application of thin spray-on liner materials.
关键词: 薄喷衬砌材料；围岩支护；隧道；矿山
Keywords: thin spray-on liner materials; surrounding rock support; tunnel; mine

引言

地下矿山与隧道工程不断向深部推进，围岩面临高地应力、强爆破扰动和复杂水环境等多重挑战，传统喷射混凝土与金属网支护在施工效率、变形适配性和耐久性上逐渐显现局限。薄喷衬砌材料作为一类新型薄层支护材料，在矿山支护和隧道工程中展现出良好的应用潜力，相关研究也在逐年增多。为清晰把握该领域的发展脉络与研究重点，有必要对现有成果进行系统性整理。本文围绕薄喷衬砌材料的性能特征、支护机理、动态响应及工程适用性展开文献综述，归纳关键结论与技术共识。通过对现有研究的总结与评述，发现当前研究存在的薄弱环节，为后续针对性开展试验研究、材料改性和工程设计提供理论支撑，推动薄喷衬砌技术在地下工程中更加科学合理地应用。

1研究背景与目的

地下矿山开采与隧道工程建设持续向深部延伸，高应力与爆破扰动会引发围岩破碎、片帮冒落等灾害，直接威胁工程施工安全与长期稳定。传统喷射混凝土、金属网等支护方式存在施工效率低、材料耗量大、延性不足等缺陷，难以适配复杂地质条件下的围岩支护需求。薄喷衬砌材料作为新型表层支护材料，凭借薄层施工、高粘结性、强延性与快速硬化的特点，成为替代传统支护体系的核心技术方向，在岩土工程领域具备广阔的应用前景。当前工程实践中，材料配比优化、界面粘结调控、动载支护适配等技术难题尚未完全解决，学术层面的研究成果分散，缺乏系统性的梳理与整合，无法为工程设计与材料研发提供统一的理论参考。

全面梳理薄喷衬砌材料的现有研究成果，整合材料性能、支护机理与工程应用的核心数据，明确当前研究的技术空白与发展局限。依托文献梳理形成完整的研究框架，为论文后续的试验设计与理论分析划定研究边界，规避重复性研究内容，保障研究方向贴合工程实际需求与学术前沿趋势。

2 文献梳理与分析

2.1薄喷衬砌材料基础力学性能与改性优化

Chen等通过室内拉拔试验系统探究了薄喷衬砌厚度对不同围岩界面粘结强度的影响规律，建立了花岗岩、砂岩、混凝土与煤体四种基材下粘结强度与衬砌厚度的定量计算公式，明确了不同围岩条件下衬砌材料的破坏模式差异。Chen Qingfa等以孔隙结构分形特征为切入点，引入孔隙率作为中间变量，构建了基于双重分形维数的薄喷衬砌有效抗拉强度预测模型，验证了微观孔隙结构对材料宏观拉伸性能的决定性作用，模型预测值与实测数据具备高度契合性。Han等开展柔性薄喷衬砌单轴压缩试验，分析苯丙乳液掺量、灰砂比与玻璃纤维含量对材料抗压性能的调控作用，发现乳液掺量可实现材料脆性向延性的转化，纤维掺量能同步提升强度与弹性模量，同时基于循环加载试验建立了应力应变本构模型，实现了不同加载路径下材料力学响应的精准预测。Zheng等采用正交试验优化复合水泥基薄喷衬砌配比，通过丙烯酸乳液、玄武岩纤维与橡胶粉的复合改性，构建三维网状致密结构，解决了传统水泥基材料抗拉强度低、韧性差的缺陷，确定了适配煤矿大变形巷道的最优材料配比，为高性能衬砌材料制备提供了微观改性理论支撑。Dondapati等研发纤维增强型薄喷衬砌材料，通过对类岩石与煤体试样的包裹试验，证实5mm厚度衬砌可将岩体抗拉强度提升四倍，改变岩体拉伸破坏为剪切破坏，显著提升材料峰后耗能能力与变形协调性。Dong等对比三种聚合物改性衬砌材料的力学性能，确定乙烯-醋酸乙烯酯共聚物乳液为最优改性剂，明确聚合物水泥比15%为最佳配比，厘清了材料黏度与粘结强度、抗弯强度的关联机制，为工程材料选型提供数据支撑。Han等针对含裂隙红砂岩开展衬砌包裹试验，结合颗粒流数值模拟，揭示了衬砌对裂隙岩体强度、变形与能量演化的提升机制，证实衬砌填充作用可弱化裂隙尖端应力集中，抑制张拉裂纹扩展，对裂隙岩体的加固效果优于完整岩体。薄喷衬砌材料的力学性能调控是材料研发的核心方向，现有研究已形成宏观试验与微观机理相结合的研究体系。

2.2薄喷衬砌材料界面粘结特性与影响因素

Ozturk等系统对比不同行业粘结测试方法的优劣，提出基于电梯螺栓拉拔的衬砌粘结强度标准测试方法，通过理论解析与试验验证，证实粘结强度与衬砌厚度平方根呈反比关系，为粘结性能测试标准化奠定基础。Ozturk创新提出粘结功计算方法，基于拉拔荷载位移曲线量化衬砌与基材的界面粘结性能，测得典型衬砌材料在不同岩石基材下的粘结功与有效粘结宽度，填补了行业界面粘结性能量化指标的空白。Li等开展室内粘结试验，探究基材强度与表面粗糙度对粘结强度的耦合影响，发现低强度基材下粘结強度随岩体强度提升显著增长，高强度基材下增长趋势趋于平缓，表面粗糙度增大可全面提升界面粘结性能。Han等依据欧洲规范开展衬砌粘结与承载性能测试，证实聚合物组分决定材料抗拉强度，胶凝材料组分主导早期粘结强度，两种组分协同调控可满足结构支护的最低性能标准。Ozturk等开展衬砌包裹岩芯压缩试验，证實衬砌对均质岩体強度提升效果有限，核心加固作用体现在峰后韧性增强，建立岩芯直径、衬砌厚度与能量吸收增益的定量方程，否定了固定厚度衬砌的通用设计理念。界面粘结性能直接决定衬砌支护体系的稳定性，基材属性、材料组分与测试方法均为关键影响因子。

2.3薄喷衬砌材料围岩支护效应与破坏机理

Kolapo等系统梳理薄喷衬砌在矿山工程的应用进展，对比传统锚杆、喷射混凝土与金属网支护体系，明确衬砌具备快凝、高强、高粘结、施工高效的技术优势，可限制岩块滑移、提升施工机械化水平，同时总结了行业应用痛点与未来研发方向，为技术推广提供全景式参考。Teng等创新研发穿孔岩体内置衬砌测试方法，模拟巷道淋水环境开展养护试验，对比衬砌、金属网与复合支护体系的加固效果，证实复合支护可使砂岩抗压强度提升70%以上，精准测定支护壳体临界应变，测试结果更贴合隧道工程实际受力状态。Qiao等开展衬砌渗透岩体节理直剪试验，探究表面粗糙度、渗透厚度、剪切速率与法向荷载对节理剪切性能的影响，明确衬砌对节理岩体的抗剪加固机制。Qiao等通过三种岩石包裹试验，揭示衬砌支护的核心机理，证实衬砌抗拉强度高于岩体时加固效果显著，对软弱岩体的适配性优于坚硬岩体，完善了衬砌支护的适用条件理论。Mpunzi等采用巴西劈裂与三点弯曲试验，量化衬砌对岩体與喷射混凝土的抗拉增强效果，证实优质衬砌可使硬岩抗拉强度提升30%，喷射混凝土提升40%，明确了多孔软弱岩石的应用局限性。衬砌支护效应集中体现为岩体强度提升、裂纹抑制与峰后耗能增强，复合支护体系可实现性能的协同优化。

2.4薄喷衬砌材料动力响应与工程现场适用性

Wang等开展动静载单轴压缩试验，研究不同厚度衬砌包裹砂岩的动力力学性能，证实衬砌可同步提升岩体強度与峰值应变，增强效果随厚度增加持续提升，动力强度与应变率呈指数关系，数值模拟验证了衬砌被动支护特性可延缓岩体破坏、减少裂纹数量。Zhang等开展14组现场爆破试验，测试衬砌层动态位移、应变与压力响应，证实爆破振动幅值与动态位移、拉应变峰值呈线性正相关，与动压力峰值呈非线性正相关，建立动力响应峰值与装药量、爆源距离的幂函数关系，确定了衬砌支护的许用爆破振动速度。Zhang等通过21组现场爆破对比试验，全面分析衬砌与喷射混凝土的施工性能、支护效果与经济成本，证实衬砌施工环境更优、造价更低，远场爆破下顶板位移更小，近场爆破下破坏范围更窄，岩体波速衰减率低于10%，明确了硬岩巷道中的工程适配性。Long等采用霍普金森压杆试验研究衬砌砂岩的动力层裂特性，证实衬砌厚度增大可提升岩体抗冲击性能，衰减反射波幅值，减少层裂次数并改变层裂位置，10mm厚度为能量吸收效果的最优阈值，同等支护效果下衬砌厚度仅为砂浆的十分之一，粘结性能优势显著。Guner等首次开展水泥基衬砌拉伸蠕变试验，基于不同养护龄期与荷载等级测试，构建蠕变断裂包络线，确定衬砌长期服役的安全应力阈值，明确高应力下材料易发生短期蠕变破坏，为长期支护设计提供关键参数。动载扰动下衬砌的动力响应与抗爆性能是深部工程应用的核心指标，现场试验为参数设计提供直接依据。

2.5薄喷衬砌材料环境适应性与长期服役性能

Kanda等模拟井下高温高湿环境，开展112天长期老化试验，研究环境因素对衬砌抗拉强度、变形模量与断裂伸长率的影响，证实湿度与高温会显著劣化材料力学性能，水性衬砌适配潮湿环境但耐高温性能不足，否定了基于标准实验室参数的工程设计方法。Kanda等制备喷射混凝土巴西劈裂试样，开展环境老化对比试验，验证环境条件对衬砌增强效果的调控作用，数值模拟进一步证实实验室参数与现场服役性能的差异性，为环境适配性材料研发提供试验支撑。Dong等采用声发射与数字图像相关技术，研究不同养护龄期衬砌包裹六种岩石的压缩破坏特征，证实衬砌可提升多数岩体峰值应变，养护龄期对石灰岩力学性能影响显著，对其他岩体影响较弱，衬砌作用下岩体剪切裂纹占比提升，破坏模式呈现明显轴向劈裂特征。环境温湿度、养护龄期与长期荷载共同决定衬砌的服役寿命，环境适应性优化是材料推广的关键前提。

3研究现状总结与评述

近些年国内外学界围绕薄喷衬砌材料形成了多维度的研究体系，研究内容覆盖材料改性优化、基础力学性能测试、界面粘结机制、围岩支护效应、动力响应特征及现场工程应用等多个核心方向。研究手段融合室内物理试验、数值模拟计算与现场原位测试，建立了材料配比与力学性能的关联模型，量化了衬砌厚度、围岩属性对粘结强度与支护效果的影响规律，验证了材料在爆破动载、高温高湿环境下的服役特性，对比明确了该材料相较于传统喷射混凝土与金属网的技术优势，为地下工程支护选型提供了充足的试验数据与理论依据。

当前领域研究仍存在多处明显短板，微观层面的材料改性机理研究多集中于单一组分调控，多材料复合改性的协同作用机制尚未形成完整定论。多数试验聚焦单一环境或单一荷载条件，温湿度、蠕变、爆破动载等多因素耦合作用下的材料性能演化研究较为匮乏。现场试验多选取完整硬岩巷道开展，软弱破碎围岩、深部高应力巷道等复杂工况下的应用数据不足，材料长期服役的耐久性与损伤演化规律缺乏长期监测支撑。已建立的力学模型与预测公式多适配实验室理想条件，向工程现场转化的适配性与通用性有待进一步提升。

研究维度的不均衡性限制了材料在复杂地质工程中的规模化推广。未来研究可聚焦多场耦合环境下的材料性能演化，深化多组分复合改性的微观机理，开发适配全岩性工况的高性能衬砌材料。扩大现场试验的地质覆盖范围，补充软弱围岩与深部工程的应用数据，构建材料全寿命周期的损伤监测与预测体系。推动实验室理论模型的工程化优化，结合工程实际需求简化参数设计流程，实现薄喷衬砌材料支护体系的高效化、经济化与安全化应用，充分发挥新型材料在地下工程支护领域的核心价值。

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