CN101260669A - 钻喷注一体化扩体锚杆施工方法 - Google Patents

Abstract

一种钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，采用配备可液控启闭辅助注浆孔的单管钻进喷射注浆钻头和能够实施单管高速喷射流切削工艺的长钻架锚杆钻机进行钻进，当钻孔达到设计深度后，移动钻头至锚根孔段的设计位置，向钻头输送高压清水或浆液，产生高速喷射流切割锚孔侧壁形成符合设计要求的锚根孔；完成锚根孔的扩孔作业后，将钻头下放至锚孔底部，然后缓慢退出钻头并通过辅助注浆孔连续注浆直至完成锚孔注浆或锚孔置换注浆，再将锚束体下放到注满浆液的锚孔中，形成扩体锚杆。其目的在于提供一种锚杆承载力高，耐久性好，所用施工设备少，工艺简单，工效高，成本低，无污染，能在多种地层条件下施工作业的钻喷注一体化扩体锚杆施工方法。

Description

钻喷注一体化扩体锚杆施工方法

技术领域

本发明涉及一种基础工程和锚固工程专用的利用特种机具和流体高速喷射流技术设置锚杆或锚桩的施工方法。

背景技术

在交通、建筑、市政、水电、矿山建设等行业内的边坡、基坑、隧道、地下管线和抗浮工程中，各种类型的土层锚杆技术被广泛应用。迄今为止，绝大多数工程锚杆的锚固体呈圆柱形且直径较小，使在确定地层条件下锚杆承载力的提高主要取决于锚固长度，土层锚杆的抗拔承载力的提高受到制约。为了提高土层锚杆的承载力，申请号为94108778.6的中国发明专利公开了“大头锚杆施工方法及其使用的专用钻机”；专利号为ZL01103578.1的中国发明专利公开了“一种用于锚杆施工的高压喷射扩孔法”；专利号为ZL01144443.6的中国发明专利公开了“土体锚杆的施工方法及其所采用的锚杆组合件”，即一种采用搅拌旋喷实现扩大头锚杆的施工方法；专利号为ZL200510021318.9的中国发明专利公开了“高压喷射扩大头锚杆的施工方法和装置”。上述四种扩大头锚杆的施工技术各有特点，但在工程应用中，这些方法存在以下的缺点与问题：

申请号为94108778.6、发明名称为“大头锚杆施工方法及其使用的专用钻机”的中国发明专利，采用了带叶片钻杆和带喷嘴钻头的螺旋钻具，这种螺旋钻具在钻孔过程中必须多次进钻退钻，才能将钻孔内土体排出；在高压喷射注浆与复射过程中，螺旋钻具上的叶片会阻碍废浆液的排出通路，导致旋喷施工困难，施工质量无法控制；要求至少三次的高压注浆，造成施工工艺过于复杂。

专利号为ZL01103578.1、发明名称为“一种用于锚杆施工的高压喷射扩孔法”的中国发明专利，采用了高压旋喷扩孔技术，施工采用钻喷分开实施工艺，需要钻孔和高压旋喷两套施工设备，造成单锚施工周期较长和生产成本增加；此外，该方法在旋喷扩孔之前，就将锚杆杆体放入锚孔内的预定位置，增加了高压喷射扩孔的施工难度，旋喷扩孔装置的支承与操作也存在问题，这些不足会影响锚固体的质量与尺寸，且这种钻、喷分别施做的施工工艺在自稳能力较差的地层中容易发生塌孔现象。

专利号为ZL01144443.6、发明名称为“土体锚杆的施工方法及其所采用的锚杆组合件”的中国发明专利，即一种采用搅拌旋喷实现扩大头锚杆的施工方法应用搅拌旋喷方法进行扩头锚杆施工，能够在钻孔过程中将可拆卸式锚杆组合件带入锚孔中的规定位置，高压旋喷可以在钻进过程中或过程后实施扩孔。但采用可拆卸式锚杆组合件的单锚成本较高、工艺复杂，同时限制了锚杆承载力；由于搅拌叶片直径小，搅拌扩孔功能较差；而采用在下锚的同时或下锚之后进行高压旋喷扩孔，会出现和专利号为ZL01103578.1、发明名称为“一种用于锚杆施工的高压喷射扩孔法”的中国发明专利中类似的施工问题。

专利号为ZL200510021318.9、发明名称为“高压喷射扩大头锚杆的施工方法和装置”的中国发明专利，对专利号为ZL01103578.1、发明名称为“一种用于锚杆施工的高压喷射扩孔法”的中国发明专利中高压旋喷施工装置和工艺进行了改进，特别是通过利用接合部机构，将钻机设备、部分钻杆与前端带有喷头的高压管相连接的方式，解决了扩孔设备的支承和操作中存在的问题，也简化了施工设备。该方法在钻孔工序中使用带钻头的钻杆，钻孔完成后需要退出钻头，并更换上带喷头的高压管，再放入锚孔中进行高压旋喷扩孔，这种钻喷分别施做的施工工艺复杂费时，并且容易在自稳定性较差的土层中发生塌孔现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锚杆承载力高，耐久性好，所用施工设备少，工艺简单，工效高，成本低，无污染，能在多种地质条件下施工作业的钻喷注一体化扩体锚杆施工方法。

本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，包括以下步骤：

1)采用配备可液控启闭辅助注浆孔的单管钻进喷射注浆钻头和能够实施单管高速喷射流切削工艺的锚杆钻机进行钻进成孔作业，在钻进成孔作业过程中，以1-10MPa压力向钻头提供清水或浆液，清水或浆液由钻头的辅助注浆孔射出，直至钻进深度达到锚孔的设计要求；

2)当钻头钻进的锚孔达到设计深度后，让钻头位于锚根孔的最里端位置处转动并沿锚根孔轴线方向退钻，同时向钻头输送清水或浆液，并逐步调升输向钻头的清水或浆液的压力至20-60MPa，在该压力值范围内，钻头的辅助注浆孔处于关闭状态，清水或浆液通过转动的钻头的高压喷嘴产生的高速喷射流在里端锚根孔段长度范围内切割锚孔侧壁，形成符合设计要求的该锚根孔段，若需要，再移动钻头至另一个锚根孔段的设计位置，继续向钻头输送清水或浆液，并保持输向钻头的清水或浆液的压力在20-60MPa范围内，在该压力值范围内，钻头的辅助注浆孔处于关闭状态，清水或浆液通过转动的钻头的高压喷嘴产生的高速喷射流在该锚根孔段长度范围内切割锚孔侧壁，形成符合设计要求的该锚根孔段，如此循环往复，直至形成符合设计要求的整个锚根孔；

3)按设计要求尺寸完成锚根孔的扩孔作业后，停止向钻头输送清水，将钻头下放至锚根孔的底部，同时向钻头输送浆液，并将向钻头输送的浆液压力逐步降低至1-10MPa，在该压力值范围内，钻头的辅助注浆孔处于开启状态，输送向钻头的浆液经由辅助注浆孔注入锚根孔中，在确保辅助注浆孔的孔口埋置于注浆体中安全深度的情况下，缓慢退钻并连续注浆直至完成锚孔注浆或锚孔置换注浆；

4)在锚孔注浆完成后，按照设计位置将锚束体下放到注满浆液的锚孔中，形成扩体锚杆。

本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，其中在锚孔注浆后的7-28天内，进行外锚头、夹具、测力传感器、张拉千斤顶安装，并对锚杆进行分级张拉，根据设计要求锁定锚杆预应力。

本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，其中所述步骤2)中锚根孔的长度为0.5-8m，锚根孔直径0.5-1.5m，高速喷射流在每个锚根孔段长度范围内进行一次或多次切割锚孔侧壁；所述步骤3)中注浆浆液可采用以水泥基为主的浓浆液或水泥砂浆或加固浆液；所述步骤4)中的锚束体带有二次注浆管，并在完成压力注浆10-40小时内，通过二次注浆管进行二次水泥浆压力灌注，注浆压力为0.2-4MPa。

本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，其中所述步骤2)中锚根孔的长度为1-6m，锚根孔具有1-6个锚根孔段，每个锚根孔段的横截面为圆形；所述步骤3)中的注浆浆液的水灰比为0.32-0.45。

本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，其中所述步骤2)中的每个锚根孔段为圆柱形孔或圆锥台形孔或不同直径的圆柱孔的串联组合形或圆柱孔与圆锥台孔的串联组合形；所述步骤3)中的注浆浆液的水灰比为0.38。

本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，其中所述步骤1)中的锚杆钻机为长钻架锚杆钻机。

本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，由于能够将钻孔、扩孔和注浆组合为钻喷注一体化工艺，减少了施工设备，简化了施工工艺，提高了施工工效，节约了工程成本。与通过高压喷嘴进行高压喷射注浆的方式相比，本发明利用可液控启闭辅助注浆孔的单管钻进喷射注浆钻头的辅助注浆孔在锚孔底端进行压力注浆，有助于锚孔内的介质置换，这种压力灌注方式可以大大减少废浆液的排放量，有利于节约浆体材料和保护施工环境。由于辅助注浆孔的孔径远大于高压喷嘴，使得本发明的钻喷注一体化扩体锚杆施工方法可以用极简化的工艺步骤实现向锚孔内压灌浓浆液和粉细砂浆，其浓浆液的水灰比可以达到0.38，远低于现有锚杆施工的高压喷射注浆的浆液水灰比，从而实现通过调整浆液配比和浆体材料达到增加锚固体强度的目的，进而能够提高扩体锚杆的整体承载力，同时也有助于提高扩体锚杆的耐久性，并且能够缩短扩体锚杆施工工期，这些优点是现有锚杆施工方法所难以做到的。此外，本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法在工程应用中具备施工可操作性强、工艺简捷、机械化程度高、环境友好、施工周期短，地层适用性强，扩体锚根型式灵活多样、锚固段强度高、质量好、尺寸偏差小，耐久性好等特点。

下面结合附图及实施例详述本发明。

附图说明

图1为本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法中钻机使用的可液控启闭辅助注浆孔的单管全方位钻进喷射注浆钻头的一种实施方式的结构示意图的主视剖面图；

图2为可液控启闭辅助注浆孔的单管全方位钻进喷射注浆钻头的另一种实施方式的结构示意图的主视剖面图；

图3为可液控启闭辅助注浆孔的单管全方位钻进喷射注浆钻头的又一种实施方式的结构示意图的主视剖面图；

图4为可液控启闭辅助注浆孔的单管全方位钻进喷射注浆钻头的再一种实施方式的结构示意图的主视剖面图；

图5a～5e为本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法中扩体锚根孔的结构型式示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法中钻机使用的可液控启闭辅助注浆孔的单管全方位钻进喷射注浆钻头，包括钻头本体1，钻头本体1内具有空腔7，钻头本体1的侧壁上设有与空腔7相连的高压喷嘴5，高压喷嘴5的数量为2个，或者为1个或3个或4个，高压喷嘴5的内径为1-3mm，钻头本体1的下端设有钻尖2，钻头本体1的下部和钻尖2内沿轴向设有与钻头本体1内空腔7相连的浆液通道8，钻尖2的壁上设有与浆液通道8相连的辅助注浆孔6，辅助注浆孔6的数量为3个，或者为1个或2个或4个，辅助注浆孔6的内径为3-20mm，辅助注浆孔6与浆液通道8的中部相连，浆液通道8内设有液控截止阀10，液控截止阀10在正常状态下以及空腔7内流体压力低于设定值时处于常通状态，在空腔7内流体压力达到或高于设定值时，液控截止阀10就会关闭浆液通道8。

液控截止阀10包括阀座11和阀芯3，阀座11安装在浆液通道8内的上部，阀座11的具体安装固定位置可以是在浆液通道8上的钻尖2段，阀座11也可以是如图2所示安装固定在浆液通道8上的钻头本体1段，阀座11的中部沿轴向设有过液孔12，阀芯3的中部穿过过液孔12，阀芯3的上部设有与阀座11相配合的封闭阀头13，封闭阀头13为圆柱形，阀座11的上端面的中部设有圆柱形的沉孔16，封闭阀头13的下端面与沉孔16的底部相配合。浆液通道8的下部具有导向孔14，阀芯3的下部能滑动地插装在导向孔14内，导向孔14的下部设有与外界相通的排液孔18，用于排出渗透到导向孔14内的液体，阀芯3与导向孔14之间的间隙采用密封圈9密封，阀芯3的底端与导向孔14的底端之间设有弹簧4。弹簧4的具体设置方式可以是如图1所示，阀芯3的底端具有盲孔17，弹簧4的上部插装在盲孔17内，或者是如图2或图3所示，阀芯3的底端具有导向杆19，弹簧4的上部套装在导向杆19上。阀芯3可以采用如图1或图3所示让封闭阀头13的顶端顶在钻头本体1底端的方式，阻止阀芯3脱出导向孔14，在这种情况下，可以在封闭阀头13顶端的端面上沿径向开设方便液体通过的横槽，以使浆液通道8处于常通状态。阀芯3也可以采取在浆液通道8内的侧壁上设置挡圈(图中未画出)的方式阻止其脱出导向孔14。

上述钻头本体1的底端具有外侧壁带螺纹的圆柱，钻尖2的上部具有内侧壁带螺纹的圆柱套，钻尖2与钻头本体1之间采用螺纹连接。

如图4所示，本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法中钻机使用的可液控启闭辅助注浆孔的单管全方位钻进喷射注浆钻头的封闭阀头13也可以为球形，阀座11的上端面的中部则对应地设有半球形的沉孔15，封闭阀头13的球面的下部与沉孔15相配合。阀芯3可以采用让封闭阀头13的顶端顶在钻头本体1底端的方式，阻止阀芯3脱出导向孔14，在封闭阀头13的上部沿径向开设方便液体通过的横槽，以使浆液通道8处于常通状态。

可液控启闭辅助注浆孔的单管全方位钻进喷射注浆钻头在竖向、倾斜、水平和上仰钻进施工中，或者在竖向、倾斜、水平和上仰旋喷过程中，如果需要关闭浆液通道8，可以通过高压泥浆泵把空腔7内的清水或浆液压力调高，当压力达到设定值时，安装在浆液通道8内的液控截止阀10的阀芯3，就会在清水或浆液压力的作用下，向下运动并压缩弹簧4，阀芯3上的封闭阀头13会向下运动与阀座11的上端相贴，关闭过液孔12，从而使浆液通道8被截断，空腔7内的高压浆液不再经由浆液通道8流向辅助注浆孔6，而让空腔7内的高压浆液从高压喷嘴5喷出，确保旋喷高压喷嘴发挥最大高压喷射压力，安全、高质量地完成旋喷施工。如果需要开启浆液通道8，可通过高压泥浆泵把空腔7内的清水或浆液压力调低，当压力低于设定值时，安装在浆液通道8内的液控截止阀10的阀芯3，就会在弹簧4的作用下向上运动，阀芯3上的封闭阀头13会向上运动与阀座11的上端分离，开启过液孔12，使浆液通道8处于通畅状态，空腔7内的清水或浆液会经由浆液通道8流向辅助注浆孔6，对钻头进行润滑、冷却，或通过辅助注浆孔6进行注浆。

实施例1

本发明钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，包括以下步骤：

1)采用配备可液控启闭辅助注浆孔的单管钻进喷射注浆钻头和能够实施单管高速喷射流切削工艺的长钻架锚杆钻机进行钻进成孔作业，长钻架锚杆钻机的主钻架长度宜大于8m，在钻进成孔作业过程中，以1-10MPa压力向钻头提供清水或浆液，清水或浆液由钻头的辅助注浆孔射出，直至钻进深度达到锚孔的设计要求，钻孔孔径范围为100-250mm；

2)当钻头钻进的锚孔达到设计深度后，让钻头位于锚根孔的最里端位置处转动并沿锚根孔的轴线方向退钻，同时向钻头输送清水或浆液，并逐步调升输向钻头的清水或浆液的压力至20-60MPa，在该压力值范围内，钻头的辅助注浆孔处于关闭状态，清水或浆液通过转动的钻头的径向高压喷嘴产生的高速喷射流在里端锚根孔段长度范围内切割锚孔侧壁，形成符合设计要求的该锚根孔段，若需要，再移动钻头至另一个锚根孔段的设计位置，继续向钻头输送清水或浆液，并保持输向钻头的清水或浆液的压力在20-60MPa范围内，在该压力值范围内，钻头的辅助注浆孔处于关闭状态，清水或浆液通过转动的钻头的径向高压喷嘴产生的高速喷射流在该锚根孔段长度范围内切割锚孔侧壁，形成符合设计要求的该锚根孔段，如此循环往复，直至形成符合设计要求的整个锚根孔；锚根孔的长度为0.5-8m，锚根孔的长度优选1-6m，锚根孔直径优选0.5-1.5m；

为了增大高速喷射流切削直径和节约材料成本，上述产生高速喷射流的液体推荐优选清水作为喷射介质；

3)按设计要求尺寸完成锚根孔的扩孔作业后，停止向钻头输送清水，将钻头下放至锚根孔的底部，同时向钻头输送浆液，并将向钻头输送的浆液压力逐步降低至1-10MPa，在该压力值范围内，钻头的辅助注浆孔处于开启状态，输送向钻头的浆液经由辅助注浆孔注入锚根孔中，在确保辅助注浆孔6的孔口埋置于注浆体中安全深度的情况下，缓慢退钻并连续注浆直至完成锚孔注浆或锚孔置换注浆；

4)在锚孔注浆完成后，按照设计位置将锚束体下放到注满浆液的锚孔中，形成扩体锚杆。

5)根据现有技术的施工方法，在锚孔注浆后的7-28天内，进行外锚头、夹具、测力传感器、张拉千斤顶安装，并对锚杆进行分级张拉，根据设计要求锁定锚杆预应力。

上述步骤2)中，如果锚孔所在地层较为坚硬，可使高速喷射流在每个锚根孔段长度范围内进行多次切割锚孔侧壁；上述步骤3)中注浆浆液采用以水泥基为主的浓浆液或水泥砂浆或加固浆液，注浆浆液的水灰比为0.32或0.35或0.38或0.40或0.42或0.45；

对于软弱复杂地层或特殊地层，可以让锚束体带有二次注浆管，在完成压力注浆10-40小时内，通过预留的二次注浆管进行二次水泥浆压力灌注，有利于锚固体及其周围土体的力学强度提高，二次水泥浆压力灌注的压力宜为0.2-4MPa。

上述步骤2)中的锚根孔可以是如图5a所示，具有1个锚根孔段，该锚根孔段的横截面为圆形，该锚根孔为圆柱形孔。

上述步骤2)中的锚根孔也可以是如图5b所示，具有1个锚根孔段，该锚根孔段的横截面为圆形，该锚根孔为圆锥台形孔。

上述步骤2)中的锚根孔还可以是如图5c所示，具有2个锚根孔段，各锚根孔段的横截面为圆形，该锚根孔由不同直径的圆柱孔串联组合而成。

上述步骤2)中的锚根孔也可以是如图5d所示，具有5个锚根孔段，各锚根孔段的横截面为圆形，每个锚根孔段为圆柱形，该锚根孔由不同直径的大小圆柱孔相间串联组合而成。

上述步骤2)中的锚根孔也可以是如图5e所示，具有2个锚根孔段，各锚根孔段的横截面为圆形，该锚根孔由圆柱孔与圆锥台孔串联组合而成。

上述步骤2)中的锚根孔也可以具有1-6个锚根孔段，每个锚根孔段的横截面为圆形，每个锚根孔可以采用由圆柱形孔或圆锥台形孔或不同直径的圆柱孔的串联组合或圆柱孔与圆锥台孔的串联组合等多种型式。

对于上述各种锚根孔段的直径大小的变化，可以根据现有施工经验和地层条件，采用调整高压旋喷压力、旋喷钻头转速和钻头移动速度来实现。

上面所述的实施例仅仅是对本发明优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用配备可液控启闭辅助注浆孔的单管钻进喷射注浆钻头和能够实施单管高速喷射流切削工艺的锚杆钻机进行钻进成孔作业，在钻进成孔作业过程中，以1-10MPa压力向钻头提供清水或浆液，清水或浆液由钻头的辅助注浆孔射出，直至钻进深度达到锚孔的设计要求；

2)当钻头钻进的锚孔达到设计深度后，让钻头位于锚根孔的最里端位置处转动并沿锚根孔轴线方向退钻，同时向钻头输送清水或浆液，并逐步调升输向钻头的清水或浆液的压力至20-60MPa，在该压力值范围内，钻头的辅助注浆孔处于关闭状态，清水或浆液通过转动的钻头的高压喷嘴产生的高速喷射流在里端锚根孔段长度范围内切割锚孔侧壁，形成符合设计要求的该锚根孔段，再移动钻头至另一个锚根孔段的设计位置，继续向钻头输送清水或浆液，并保持输向钻头的清水或浆液的压力在20-60MPa范围内，在该压力值范围内，钻头的辅助注浆孔处于关闭状态，清水或浆液通过转动的钻头的高压喷嘴产生的高速喷射流在该锚根孔段长度范围内切割锚孔侧壁，形成符合设计要求的该锚根孔段，如此循环往复，直至形成符合设计要求的整个锚根孔；

3)按设计要求尺寸完成锚根孔的扩孔作业后，停止向钻头输送清水，将钻头下放至锚根孔的底部，同时向钻头输送浆液，并将向钻头输送的浆液压力逐步降低至1-10MPa，在该压力值范围内，钻头的辅助注浆孔处于开启状态，输送向钻头的浆液经由辅助注浆孔注入锚根孔中，在确保辅助注浆孔的孔口埋置于注浆体中安全深度的情况下，缓慢退钻并连续注浆直至完成锚孔注浆或锚孔置换注浆；

4)在锚孔注浆完成后，按照设计位置将锚束体下放到注满浆液的锚孔中，形成扩体锚杆。

2.如权利要求1所述的钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，其特征是：在锚孔注浆后的7-28天内，进行外锚头、夹具、测力传感器、张拉千斤顶安装，并对锚杆进行分级张拉，根据设计要求锁定锚杆预应力。

3.如权利要求1或2所述的钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，其特征是：所述步骤2)中锚根孔的长度为0.5-8m，锚根孔直径为0.5-1.5m，高速喷射流在每个锚根孔段长度范围内进行一次或多次切割锚孔侧壁；所述步骤3)中注浆浆液可采用以水泥基为主的浓浆液或水泥砂浆或加固浆液；所述步骤4)中的锚束体带有二次注浆管，并在完成压力注浆10-40小时内，通过二次注浆管进行二次水泥浆压力灌注，注浆压力为0.2-4MPa。

4.如权利要求3所述的钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，其特征是：所述步骤2)中锚根孔的长度为1-6m，锚根孔具有1-6个锚根孔段，所述每个锚根孔段的横截面为圆形；所述步骤3)中的注浆浆液的水灰比为0.32-0.45。

5.如权利要求4所述的钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，其特征是：所述步骤2)中的每个锚根孔采用由圆柱形孔或圆锥台形孔或不同直径的圆柱孔的串联组合或圆柱孔与圆锥台孔的串联组合型式；所述步骤3)中的注浆浆液的水灰比为0.38。

6.如权利要求5所述的钻喷注一体化扩体锚杆施工方法，其特征是：所述步骤1)中的锚杆钻机为长钻架锚杆钻机。

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