地下工程活动常遇不良地质裂隙岩体,注浆加固能够封堵岩体裂隙,改善裂隙岩体的物理力学性能。针对地下工程裂隙岩体注浆加固由于水泥基材料自收缩造成浆岩界面出现微裂缝或充填空隙的问题,本文创新地提出了裂隙岩体自应力浆液加固方法和基于预应力锚和自应力注的裂隙岩体锚注加固方法。通过外加剂促使浆液结石体在约束空间内体积膨胀,补偿水泥基材料自收缩同时产生膨胀应力,提高浆液结石体的密实度,改善加固体的受力状态。通过浆液结石体自应力与锚杆轴向应力共同加固岩体,使加固体处于准三维的受力状态,一定程度上恢复了原岩受力状态,显著提高了锚注加固效果。通过理论分析、室内试验、数值模拟、工程应用等方法研究了基于预应力锚和自应力注的裂隙岩体锚注加固机理。主要成果如下:(1)分析了裂隙岩体自应力浆液加固原理和基于预应力锚和自应力注的裂隙岩体锚注加固原理。自应力浆液加固岩体的优势包括:浆液结石体的密实度和强度得到提高,浆液结石体与岩体形成的固结体受力状态得到改善。浆液结石体膨胀应力和锚杆轴向应力对裂隙岩体最大主应力的提高呈叠加关系。随着岩体与浆液结石体的距离增大,膨胀压力产生的附加应力逐渐减小,且附加应力与浆液结石体体积呈正相关。分析了考虑预应力损失前后锚杆轴向应力与界面剪应力的关系以及锚杆锚固段脱锚前后的剪应力-剪切位移关系。(2)通过纵向自由膨胀率测试、约束浆液结石体强度试验、约束结石体微观分析,研究了自应力水泥浆液膨胀性能与强度特征。随着膨胀剂掺量增大,浆液纵向自由膨胀率和约束结石体强度均先增大后减小,配制自应力注浆材料的最佳膨胀剂掺量为10%。10%膨胀剂掺量超细硅质浆液的纵向自由膨胀率为1.94%,约束状态自应力浆液结石体的峰值强度比普通浆液结石体高50.37%。自应力超细硅酸盐水泥浆液结石体颗粒相互搭接,形成网状结构,密实性明显优于普通浆液结石体。(3)选取不同岩性的预制裂隙岩体进行普通浆液加固和自应力浆液加固单轴压缩试验和声发射试验,并进行砂岩预制裂隙的锚注加固试验。各种岩性试样通过自应力浆液对预制裂隙试样的加固效果均优于普通注浆。随着岩体强度的降低,注浆加固岩体试样的强度折减系数呈增大的趋势,注浆加固对不同岩性裂隙岩体强度的恢复程度排序为砂岩<炭质泥岩<砂质泥岩<煤。随着岩性强度逐渐变弱,浆液加固岩体逐渐由沿着对角线方向剪切滑移破坏向劈裂伴崩解破坏过渡。锚注加固裂隙砂岩经过压密阶段和弹性变形阶段至峰值强度后,出现了明显较长的峰后延缓变形。浆液加固砂岩试样的锚固强度越高,对砂岩试样的峰值强度提高幅度越大。1根和2根锚杆的新型预应力锚注加固砂岩的峰值强度分别比普通锚注加固试件高13.59%、12.65%,新型预应力锚注加固砂岩的优势明显。(4)通过数值模拟研究裂隙倾角、裂隙开度、裂隙粗糙度等裂隙参数对普通浆液加固和自应力浆液加固岩体峰值强度、峰值应变、弹性模量等的影响。当裂隙倾角θ位于θ1<θ<θ2,注浆加固裂隙岩体表现为以沿浆岩界面剪切滑移破坏为主,其它角度表现为以整体劈裂破坏为主。两种浆液加固岩体的峰值强度、峰值应变均随裂隙倾角增大呈现先减小后增大的趋势。不同裂隙开度的普通浆液加固岩体和自应力浆液加固岩体的峰值强度基本分别在3.30MPa和3.65MPa左右。两种浆液加固岩体的峰值强度和峰值应变均随裂隙面粗糙度降低逐渐减小。相同裂隙倾角、裂隙开度、裂隙粗糙度的自应力浆液加固岩体峰值强度和峰值应变均大于普通浆液加固岩体峰值强度。(5)以超细水泥、改性粘土、硅粉、膨胀剂、减水剂、速凝剂为原材料,通过正交试验研制出超细硅质自应力复合注浆加固材料,配方为超细水泥掺量79%、粘土掺量5%、膨胀剂掺量10%、硅粉掺量6%、速凝剂掺量2.9%、减水剂掺量2.5%。该材料具有初凝快、流动性好、膨胀性好、强度高等特点。(6)基于围岩破碎机理分析和原支护方式评价,将基于预应力锚和自应力注的锚注加固方法用于平煤十矿变电所巷道围岩控制,设计了高强预应力注浆锚杆系统和新型锚注支护方案。新型锚注加固后,注浆浆脉充填了围岩裂隙,浆液扩散性良好,填充裂隙的浆液结石体结构较为致密,颗粒相对均匀。预应力注浆锚杆锚索受力稳定,锚固范围内的松散破碎围岩变形得到有效控制。变电所巷道变形逐渐趋于稳定状态,表面围岩最大位移为83mm,围岩变形不大,真正实现了巷道维修后的零修复。