CN105672313B - 一种加速对流通风冷却锚管及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种加速对流通风冷却锚管及施工方法，适用于多年冻土边坡，属寒区边坡支护领域。通风冷却锚管包括锚管、对流管、纤维袋、接头、抽风管和冻结系统；冻结系统由水泵、水箱、导管和盐水构成；锚管穿过定位架嵌套于对流管内，锚管后端与接头连接，卡子将纤维袋从外侧固定于接头的两个挡环之间；浆体冻结膨胀锚固于稳定地层；锚具将锚管锚固于垫片上，对流开关穿过锚管安装于对流管端部，抽风管一端安装抽风开关、另一端通过卡子与锚管连接，抽风开关和对流开关分别控制抽风管和对流管的管口封闭与张开。

Description

一种加速对流通风冷却锚管及施工方法

技术领域

本发明涉及一种加速对流通风冷却锚管及施工方法，属寒区边坡支护领域，适用于多年冻土边坡。

背景技术

我国冻土大多分布在东北高纬度和西部高海拔地区，尤其是青藏铁路沿线的多年冻土地区，其冻土类型最为多变，受外界条件影响极其敏感。随着西部大开发战略的不断推进，西部地区经济建设力度加大，基础设施建设也不断完善，越来越多的公路、铁路、输油输气管线以及光缆等工程在多年冻土地区开工建设，因此涌现出大量的多年冻土边坡，如果不对这些冻土边坡进行工程治理，有可能给工程设施的安全运营带来巨大的隐患。

随着近年来全球气候的持续变暖，越来越多的多年冻土边坡开始变得不稳定，换填冻融土层的处理方法因工程量大、造价高、对环境的影响较大等缺点，现已很少使用；隔热保温稳固措施不够可靠，对地表植被影响较大；普通喷锚支护通常采用水泥浆作为锚固剂，锚固剂凝固时产生水化热而影响冻土稳定性；而抗滑桩、重力式挡墙等支护结构体积巨大，抗冻胀能力弱，治理效果不理想。因此，在治理冻土边坡时，通常不作为优选方案。申请号：201310484345.4的专利提出了一种保持冻土边坡稳定的框架通风冷却锚管结构。该结构一方面能够通过通风冷却锚管进行对流换热来主动降低周围土体的温度，使其维持冻结状态；另一方面，集合通风管与锚固技术于一体的通风冷却锚管和框架一起构成空间结构，两者协同工作，提高了支护边坡的整体稳定性。然而，该发明仍然存在不足，如通风管仅依靠冷空气在自重作用下流入坡体内进行对流换热，换热能力差，降温效果不理想；结构无法阻挡外界暖空气进入坡体，在夏季时，暖空气很容易流经通风冷却锚管加速坡体融化；所注锚固剂为水泥浆，水泥硬化时会释放水化热，该热量会引起冻土融化，回冻时间较长，对冻土坡体的稳定性影响较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种加速对流通风冷却锚管及施工方法解决目前冻土边坡支护结构对流换热能力差，冷却效果不良，受外界温度条件影响较大，普通锚固剂放出的水化热导致冻土融化的问题，从而提高冻土边坡的稳定性。

本发明是一种加速对流通风冷却锚管及施工方法，通风冷却锚管包括锚管、对流管、纤维袋、接头、抽风管和冻结系统；锚管为两端带有外螺纹，后半段钻有通风孔的钢管；对流管为带有通风孔的中空管，且两端均设有定位架；接头为圆筒前端内设螺纹，中部和后端均设挡环，注浆管和U型管穿过圆筒，且密封固定于圆筒中部，注浆管的前端套袖阀；冻结系统由水泵、水箱、导管和盐水构成；锚管穿过定位架嵌套于对流管内，锚管后端与接头连接，卡子将纤维袋从外侧固定于接头的两个挡环之间；导管穿过锚管与注浆管连接，通过导管向纤维袋内压力注浆；导管依次将U型管、水泵和水箱连接形成回路，通过水泵输送冷盐水，盐水流经U型管将纤维袋内的浆体冻结；浆体冻结膨胀锚固于稳定地层；锚具将锚管锚固于垫片上，对流开关穿过锚管安装于对流管端部，抽风管一端安装抽风开关、另一端通过卡子与锚管连接；抽风开关和对流开关分别控制抽风管和对流管的管口封闭与张开。

加速对流通风冷却锚管的施工方法，其步骤为：

（1）制作锚管、对流管和抽风管：根据工程中多年冻土冻融活动层的最大厚度确定锚管和对流管的长度，且锚管比对流管长30~40cm；锚管是直径为50~60mm钢管，两端车削外螺纹，后半段管壁上开设通风孔；对流管是直径为100~120mm的中空管，管壁上均匀开设通风孔，外围包裹目数为90~160的密目纱布，两端分别设置定位架，定位架内环直径略大于锚管，通风孔直径为10~30mm，纵横间距为80~100mm；根据通风需求确定抽风管的长度，抽风管加工为z型弯管，直径与锚管相同；

（2）制作接头和纤维袋：根据工程所需锚固段的长度确定U型管和纤维袋的长度；金属圆筒前端车削内螺纹，中部和后端从外侧焊接挡环，圆筒的直径与锚管相同，长度为15cm~20cm，采用直径为8~12mm的塑料管加工注浆管和U型管，注浆管和U型管穿过圆筒，前端露出圆筒10~15cm，橡胶密封固定于圆筒中部，注浆管的前端套有袖阀组成接头；采用纤维材料加工细长纤维袋；

（3）制作垫片：用金属材料制作内垫环和外垫环，内垫环的直径为60~65mm，外垫环的直径为130~150mm，连接筋将内垫环和外垫环焊接组成垫片；

（4）制作抽风开关和对流开关：将相变温度为-2~0℃的形状记忆聚合物加工成片状，抽风开关的聚合物片形状为扇形，对流开关的聚合物片形状为扇环；用金属材料制作卡环，将形状记忆聚合物片黏结于卡环上，数量为4~6片；加工训练形状记忆聚合物片，使其温度低于相变温度时，形状记忆聚合物片处于紧贴卡环壁状态，温度高于相变温度时，则从紧贴管壁的状态恢复到垂直于卡环壁状态；

（5）放线和定位：边坡开挖后，根据工程设计用测量仪器确定通风冷却锚管的施设位置；

（6）施工通风冷却锚管：钻孔：在施设位置从坡面向坡内进行钻孔；组装和安放：将锚管穿过定位架嵌套于对流管内，锚管后端与接头通过螺纹连接，且定位架紧靠中部的挡环，采用卡子将纤维袋从外侧固定于接头的两个挡环之间形成一体，然后放入坡体的钻孔内；注浆: 导管穿过锚管，并与注浆管连接，通过导管向纤维袋内压力注浆，注浆完成后卸下导管；冻结：采用导管依次将U型管、水泵和水箱连接形成回路，通过水泵输送冷盐水、盐水流经U型管将纤维袋内的浆体冷却，经热交换的高温盐水送回水箱再进行冷却降温，循环往复，直至浆体冻结完成，卸下冷却系统；锚固：在锚管上依次套垫片和锚具，并进行张拉，锚具和垫片将锚管固定于坡面上；安放抽风开关、对流开关和抽风管：在锚管上套对流开关，将对流开关安装于对流管上，在抽风管的一端安装抽风开关，另一端通过卡子与锚管连接；

（7）按照第（5）、（6）步的步骤施工下一根通风冷却锚管。

本发明的有益效果是：本发明综合利用烟囱效应原理、冻结技术、形状记忆聚合物和锚固技术于一体，构造出加速对流通风冷却锚管。该发明适用于多年冻土边坡工程灾害治理，主要优点有：（1）基于烟囱效应设置抽风管，加快坡体内的高温气体沿抽风管向坡外排出的速度；同时促使外界冷空气快速进入对流管内，增强了外界冷空气与坡体对流换热速率，显著降低坡体温度。（2）当外界温度高于坡体内部温度时，烟囱效应的逆向作用导致坡体内的气体很难沿抽风管排出坡外，并且外界热空气也会通过对流管进入坡体内。为了防止烟囱的逆向效应和热空气进入坡体，利用形状记忆聚合物设计出抽风开关和对流开关。当外界温度高于冻融临界温度（即控制开关的相变温度）-2~0℃时，形状记忆聚合物片从紧贴卡环壁状态变为垂直于卡环壁状态，切断对流换热通道，从而达到控制效果目的。（3）充分利用滑移面以下多年冻土层常年处于冻结状态的特点，采用冻结技术将纤维袋内的泥浆冻结形成锚固体，避免了普通锚固剂凝固硬化时产生水化热而影响冻土层的稳定性，而且能将冻融活动层锚固于稳定土体上。（4）通风系统、排风系统、冻结系统和注浆系统均相互分离，发挥各自作用，互不影响，协同工作实现能通风冷却与锚固功能。（5）本发明结构简单，组装程度高，施工方法简便易行。

附图说明

图1是本发明通风冷却锚管的示意图；图2是本发明锚管1的示意图；图3是本发明对流管2的示意图；图4是本发明接头6的示意图；图5是本发明抽风开关20的示意图；图6是本发明对流开关21的示意图；图7是本发明垫片18的示意图；图8是本发明浆体16冻结过程的示意图；图9是本发明在边坡支护中应用的示意图。

附图标记说明：锚管1、对流管2、通风孔3、定位架4、纤维袋5、接头6、圆筒7、挡环8、注浆管9、U型管10、袖阀11、卡子12、水泵13、水箱14、导管15、浆体16、锚具17、垫片18、抽风管19、抽风开关20、对流开关21、边坡22、滑移面23。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施实例对本发明进一步说明，所举实例只用于解释本发明并非仅限于本实例。在阅读本发明后，凡在本发明原理内所做的任何修改、等同替换和改进均应包含于本发明的保护范围以内。

本发明的工作原理是：形状记忆聚合物具有记忆功能，在相变温度时工作状态改变，当温度低于-2~0℃时，形状记忆聚合物片紧贴卡环壁，冷空气流进对流管内，穿过通风孔与周围土体对流换热，降低活动层土体温度，并流经锚管上的通风孔，在抽风管的烟囱效应作用下，加速气体流动，从抽风管口排向外界；当温度高于-2~0℃时，形状记忆聚合物片垂直卡环壁，将抽风管和对流管封堵，热空气无法进入坡体内，防止热空气融化冻土。基于深部稳定多年冻土层常年处于冻结状态且强度高的特点，以泥浆作为锚固剂，采用冻结技术冻结泥浆形成锚固体。抽风管和对流管通风冷却冻土层，增强土体强度，锚管、纤维袋及泥浆将冻融活动层锚固于稳定冻土层中。

如图1~9所示，本发明是一种加速对流通风冷却锚管及施工方法，通风冷却锚管包括锚管1、对流管2、纤维袋5、接头6、抽风管19和冻结系统；锚管1为两端带有外螺纹，后半段钻有通风孔3的钢管；对流管2为带有通风孔3的中空管，且两端均设有定位架4；接头6为圆筒7前端内设螺纹，中部和后端均设挡环8，注浆管9和U型管10穿过圆筒7，且密封固定于圆筒7中部，注浆管9的前端套袖阀11；冻结系统由水泵13、水箱14、导管15和盐水构成；锚管1穿过定位架4嵌套于对流管2内，锚管1后端与接头6连接，卡子12将纤维袋5从外侧固定于接头6的两个挡环8之间；导管15穿过锚管1与注浆管9连接，通过导管15向纤维袋5内压力注浆；导管15依次将U型管10、水泵13和水箱14连接形成回路，通过水泵13输送冷盐水，盐水流经U型管10将纤维袋5内的浆体16冻结；浆体16冻结膨胀锚固于稳定地层；锚具17将锚管1锚固于垫片18上，对流开关21穿过锚管1安装于对流管2端部，抽风管19一端安装抽风开关20、另一端通过卡子12与锚管1连接；抽风开关20和对流开关21分别控制抽风管19和对流管2的管口封闭与张开。

如图1、2所示，锚管1的直径为50~60mm，通风孔3直径为10~30mm，纵横间距为80~100mm；锚管1仅后半段开设通风孔3，能使空气进入坡体内部，防止从坡面附近流出，高效利用冷空气进行冷却。

如图1、3、8、9所示，对流管2直径为100~120mm，定位架4内环直径略大于锚管1，对流管2外围包裹密目纱布，其目数为90~160，防止周围土体堵塞通风孔3。

如图1、4、8、9所示，接头6是在金属圆筒7前端车削内螺纹，中部和后端外侧均焊接挡环8，注浆管9和U型管10穿过圆筒7，露出圆筒7的长度为10~15cm，橡胶密封固定于圆筒7中部，注浆管9的前端套有袖阀11构成，圆筒7的直径与锚管1相同，注浆管9和U型管10的直径为8~12mm，材质为塑料。

如图1、9所示，抽风管19为z型弯管，材质为PE管或PVC管；抽风管19的直径与锚管1相同，z型弯管形成烟囱，加速对流。

如图7、9所示，垫片18由连接筋连接内垫环和外垫环构成，内垫环直径为60~65mm，外垫环直径为130~150mm。

如图1、5、6所示，抽风开关20是由卡环上粘贴扇形状的形状记忆聚合物片构成，抽风开关20的卡环直径与抽风管19相同；对流开关21是由卡环上粘贴扇环状的形状记忆聚合物片构成，对流开关21的卡环直径与对流管2相同，形状记忆聚合物片的相变温度为-2~0℃。

如图8、9所示，浆体16为冻土融化并加水稀释而成的泥浆，泥浆与冻土层性质相同，无污染。

如图1、8、9所示，纤维袋5的材质为玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。

如图1~9所示，加速对流通风冷却锚管的施工方法，其步骤为：

（1）制作锚管1、对流管2和抽风管19：根据工程中多年冻土冻融活动层的最大厚度确定锚管1和对流管2的长度，且锚管1比对流管2长30~40cm；锚管1是直径为50~60mm钢管，两端车削外螺纹，后半段管壁上开设通风孔3；对流管2是直径为100~120mm的中空管，管壁上均匀开设通风孔3，外围包裹目数为90~160的密目纱布，两端分别设置定位架4，定位架4内环直径略大于锚管1，通风孔3直径为10~30mm，纵横间距为80~100mm；根据通风需求确定抽风管19的长度，抽风管19加工为z型弯管，直径与锚管1相同；

（2）制作接头6和纤维袋5：根据工程所需锚固段的长度确定U型管10和纤维袋5的长度；金属圆筒7前端车削内螺纹，中部和后端从外侧焊接挡环8，圆筒7的直径与锚管1相同，长度为15cm~20cm，采用直径为8~12mm的塑料管加工注浆管9和U型管10，注浆管9和U型管10穿过圆筒7，前端露出圆筒7的长度为10~15cm，橡胶密封固定于圆筒7中部，注浆管9的前端套有袖阀11组成接头6；采用纤维材料加工细长纤维袋5；

（3）制作垫片18：用金属材料制作内垫环和外垫环，内垫环的直径为60~65mm，外垫环的直径为130~150mm，连接筋将内垫环和外垫环焊接组成垫片18；

（4）制作抽风开关20和对流开关21：将相变温度为-2~0℃的形状记忆聚合物加工成片状，抽风开关20的聚合物片形状为扇形，对流开关21的聚合物片形状为扇环；用金属材料制作卡环，将形状记忆聚合物片黏结于卡环上，数量为4~6片；加工训练形状记忆聚合物片，使其温度低于相变温度时，形状记忆聚合物片处于紧贴卡环壁状态，温度高于相变温度时，则从紧贴管壁的状态恢复到垂直于卡环壁状态；

（5）放线和定位：边坡开挖后，根据工程设计用测量仪器确定通风冷却锚管的施设位置；

（6）施工通风冷却锚管： 钻孔：在施设位置从坡面向坡内进行钻孔；组装和安放：将锚管1穿过定位架4嵌套于对流管2内，锚管1后端与接头6通过螺纹连接，且定位架4紧靠中部的挡环8，采用卡子12将纤维袋5从外侧固定于接头6的两个挡环8之间形成一体，然后放入坡体的钻孔内；注浆: 导管15穿过锚管1，并与注浆管9连接，通过导管15向纤维袋5内压力注浆，注浆完成后卸下导管15；冻结：采用导管15依次将U型管10、水泵13和水箱14连接形成回路，通过水泵13输送冷盐水、盐水流经U型管10将纤维袋5内的浆体16冷却，经热交换的高温盐水送回水箱14再进行冷却降温，循环往复，直至浆体16冻结完成，卸下冷却系统；锚固：在锚管1上依次套垫片18和锚具17，并进行张拉，锚具17和垫片18将锚管1固定于坡面上；安放抽风开关20、对流开关21和抽风管19：在锚管1上套对流开关21，将对流开关21安装于对流管2上，在抽风管19的一端安装抽风开关20，另一端通过卡子12与锚管1连接；

（7）按照第（5）、（6）步的步骤施工下一根通风冷却锚管。

Claims (9)

1.一种加速对流通风冷却锚管，通风冷却锚管包括锚管（1）、对流管（2）、纤维袋（5）、接头（6）、抽风管（19）和冻结系统；锚管（1）为两端带有外螺纹，后半段钻有通风孔（3）的钢管；对流管（2）为带有通风孔（3）的中空管，且两端均设有定位架（4）；接头（6）为圆筒（7）前端内设螺纹，中部和后端均设挡环（8），注浆管（9）和U型管（10）穿过圆筒（7），且密封固定于圆筒（7）中部，注浆管（9）的前端套袖阀（11）；冻结系统由水泵（13）、水箱（14）、导管（15）和盐水构成；锚管（1）穿过定位架（4）嵌套于对流管（2）内，锚管（1）后端与接头（6）连接，卡子（12）将纤维袋（5）从外侧固定于接头（6）的两个挡环（8）之间；导管（15）穿过锚管（1）与注浆管（9）连接，通过导管（15）向纤维袋（5）内压力注浆；导管（15）依次将U型管（10）、水泵（13）和水箱（14）连接形成回路，通过水泵（13）输送冷盐水，盐水流经U型管（10）将纤维袋（5）内的浆体（16）冻结；浆体（16）冻结膨胀锚固于稳定地层；抽风开关（20）是由卡环上粘贴扇形状的形状记忆聚合物片构成，抽风开关（20）的卡环直径与抽风管（19）相同；对流开关（21）是由卡环上粘贴扇环状的形状记忆聚合物片构成，对流开关（21）的卡环直径与对流管（2）相同，形状记忆聚合物片的相变温度为-2~0℃；锚具（17）将锚管（1）锚固于垫片（18）上，对流开关（21）穿过锚管（1）安装于对流管（2）端部，抽风管（19）一端安装抽风开关（20）、另一端通过卡子（12）与锚管（1）连接；抽风开关（20）和对流开关（21）分别控制抽风管（19）和对流管（2）的管口封闭与张开。

2.根据权利要求1所述的加速对流通风冷却锚管，其特征在于：所述的锚管（1）的直径为50~60mm，通风孔（3）直径为10~30mm，纵横间距为80~100mm。

3.根据权利要求1所述的加速对流通风冷却锚管，其特征在于：所述的对流管（2）直径为100~120mm，定位架（4）内环直径略大于锚管（1），对流管（2）外围包裹密目纱布，其目数为90~160。

4.根据权利要求1所述的加速对流通风冷却锚管，其特征在于：所述的纤维袋（5）的材质为玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。

5.根据权利要求1所述的加速对流通风冷却锚管，其特征在于：所述的抽风管（19）为z型弯管，材质为PE管或PVC管；抽风管（19）的直径与锚管（1）相同。

6.根据权利要求1所述的加速对流通风冷却锚管，其特征在于：所述的垫片（18）由连接筋连接内垫环和外垫环构成，内垫环直径为60~65mm，外垫环直径为130~150mm。

7.根据权利要求1所述的一种加速对流通风冷却锚管，其特征在于：所述的浆体（16）为冻土融化并加水稀释而成的泥浆。

8.根据权利要求1所述的加速对流通风冷却锚管，其特征在于：所述的接头（6）是在金属圆筒（7）前端车削内螺纹，中部和后端外侧均焊接挡环（8），注浆管（9）和U型管（10）穿过圆筒（7），露出圆筒（7）10~15cm，橡胶密封固定于圆筒（7）中部，注浆管（9）的前端套有袖阀（11）构成，圆筒（7）的直径与锚管（1）相同，注浆管（9）和U型管（10）的直径为8~12mm，材质为塑料。

9.加速对流通风冷却锚管的施工方法，其特征在于，其步骤为：

（1）制作锚管（1）、对流管（2）和抽风管（19）：根据工程中多年冻土冻融活动层的最大厚度确定锚管（1）和对流管（2）的长度，且锚管（1）比对流管（2）长30~40cm；锚管（1）是直径为50~60mm钢管，两端车削外螺纹，后半段管壁上开设通风孔（3）；对流管（2）是直径为100~120mm的中空管，管壁上均匀开设通风孔（3），外围包裹目数为90~160的密目纱布，两端分别设置定位架（4），定位架（4）内环直径略大于锚管（1），通风孔3直径为10~30mm，纵横间距为80~100mm；根据通风需求确定抽风管（19）的长度，抽风管（19）加工为z型弯管，直径与锚管（1）相同；

（2）制作接头（6）和纤维袋（5）：根据工程所需锚固段的长度确定U型管（10）和纤维袋（5）的长度；金属圆筒（7）前端车削内螺纹，中部和后端从外侧焊接挡环（8），圆筒（7）的直径与锚管（1）相同，长度为15cm~20cm，采用直径为8~12mm的塑料管加工注浆管（9）和U型管（10），注浆管（9）和U型管（10）穿过圆筒（7），前端露出圆筒（7）10~15cm，橡胶密封固定于圆筒（7）中部，注浆管（9）的前端套有袖阀（11）组成接头（6）；采用纤维材料加工细长纤维袋（5）；

（3）制作垫片（18）：用金属材料制作内垫环和外垫环，内垫环的直径为60~65mm，外垫环的直径为130~150mm，连接筋将内垫环和外垫环焊接组成垫片（18）；

（4）制作抽风开关（20）和对流开关（21）：将相变温度为 -2~0℃的形状记忆聚合物加工成片状，抽风开关（20）的聚合物片形状为扇形，对流开关（21）的聚合物片形状为扇环；用金属材料制作卡环，将形状记忆聚合物片黏结于卡环上，数量为4~6片；加工训练形状记忆聚合物片，使其温度低于相变温度时，形状记忆聚合物片处于紧贴卡环壁状态，温度高于相变温度时，则从紧贴管壁的状态恢复到垂直于卡环壁状态；

（5）放线和定位：边坡开挖后，根据工程设计用测量仪器确定通风冷却锚管的施设位置；

（6）施工通风冷却锚管：钻孔：在施设位置从坡面向坡内进行钻孔；组装和安放：将锚管（1）穿过定位架（4）嵌套于对流管（2）内，锚管（1）后端与接头（6）通过螺纹连接，且定位架（4）紧靠中部的挡环（8），采用卡子（12）将纤维袋（5）从外侧固定于接头（6）的两个挡环（8）之间形成一体，然后放入坡体的钻孔内；注浆: 导管（15）穿过锚管（1），并与注浆管（9）连接，通过导管（15）向纤维袋（5）内压力注浆，注浆完成后卸下导管（15）；冻结：采用导管（15）依次将U型管（10）、水泵（13）和水箱（14）连接形成回路，通过水泵（13）输送冷盐水、盐水流经U型管（10）将纤维袋（5）内的浆体（16）冷却，经热交换的高温盐水送回水箱（14）再进行冷却降温，循环往复，直至浆体（16）冻结完成，卸下冷却系统；锚固：在锚管（1）上依次套垫片（18）和锚具（17），并进行张拉，锚具（17）和垫片（18）将锚管（1）固定于坡面上；安放抽风开关（20）、对流开关（21）和抽风管（19）：在锚管（1）上套对流开关（21），将对流开关（21）安装于对流管（2）上，在抽风管（19）的一端安装抽风开关（20），另一端通过卡子（12）与锚管（1）连接；

（7）按照第（5）、（6）步的步骤施工下一根通风冷却锚管。