CN107677167A - 可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置及工艺，包括锚杆杆体，锚杆杆体尾端安装有引爆装置，锚杆杆体外端外圈部位安装有托盘及螺母；所述的该种锚杆采用组合式锚固药卷进行锚固安装，组合式锚固药卷包括炸药药卷Ⅲ、锚固药卷Ⅱ、锚固药卷Ⅰ，在现场锚杆安装完毕未爆破之前可在钻孔底部依次向外形成相应三个充填段。所述的引爆装置为圆筒状，内圈部位安装有起爆材料，外表面设置倒刺状结构。引爆装置可引爆炸药药卷Ⅲ充填段炸药，并在钻孔孔壁周围形成局部爆破孔腔；同时，引爆装置可自动张开，使倒刺状结构与周围岩土体产生咬合力；在炸药爆炸高温能量作用下，锚固药卷Ⅱ充填段可膨胀充填爆破孔腔，实现内部锚固结构自动扩大。

Description

可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置及工艺

技术领域

本发明涉及岩土体锚固技术领域，尤其涉及一种可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置及工艺。

背景技术

我国锚杆支护技术应用始于一九五五年左右，经过多年的推广与发展，已是近代岩土工程领域一个十分重要组成部分。岩土锚固技术可控制岩土体变形，提高岩土体的自身强度和自稳能力，具有施工成本低、支护效果好、劳动强度相对低的优点，广泛应用于边坡防护、基坑、隧道、坝体、码头、地铁、地下空间工程及拉力型基础等工程领域。

然而，在软弱地层中传统锚杆支护技术还存在许多问题亟待解决。比如，由于软弱地层岩土体自身强度低，难以找到稳定的锚固岩层，造成锚杆可锚性差，锚固力较低，锚杆受力普遍较小，甚至出现锚杆从钻孔中滑脱失效的现象，难以对软弱地层围岩进行有效控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在软弱地层中传统锚杆支护可锚性差，锚固力低，易产生滑脱失效现象，难以对软弱地层进行有效控制，并造成锚杆杆体支护潜力无法充分发挥。为解决上述问题，本发明提出一种可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置及工艺。

本发明采用的技术方案如下：

可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，包括锚杆杆体以及填充在软弱地层钻孔内的组合式锚固药卷；所述的锚杆杆体内端安装有引爆装置，锚杆杆体的外端外圈部位安装有托盘及螺母；所述的组合式锚固药卷沿锚杆杆体伸入钻孔的方向依次包括锚固药卷Ⅰ、锚固药卷Ⅱ与炸药药卷Ⅲ；所述的锚固药卷Ⅱ内部含有可膨胀化学成分材料，所述的引爆装置可引爆炸药药卷Ⅲ内部炸药，并在引爆装置周围钻孔孔壁地层附近形成局部爆炸孔腔；同时，在炸药爆炸时引爆装置可自动张开；并且，炸药药卷Ⅲ内部炸药爆炸时释放的高温能量可激发锚固药卷Ⅱ内部可膨胀化学成分发挥作用，使锚固药卷Ⅱ产生体积膨胀，并可自动充填局部爆炸孔腔，实现内部锚固结构体的自动扩大。

进一步的，所有的引爆装置包括一个圆筒状结构，沿环向均匀设置多个切缝结构，切缝结构的切缝方向与引爆装置轴向方向平行；所述圆筒状结构的内圈部位安装有起爆材料，外表面设置倒刺状结构，在炸药爆炸能量冲击下，引爆装置可自动张开，并使倒刺状结构与地层岩土体之间产生咬合力。

进一步的，所述的起爆材料可为雷管、导爆索或其他类型起爆炸药等，连接引爆装置内部起爆材料的引线可沿锚杆表面或内部引到锚杆杆体的外部。

进一步的，所述的锚固药卷Ⅰ、锚固药卷Ⅱ与炸药药卷Ⅲ可为圆柱形，锚固药卷Ⅰ、锚固药卷Ⅱ与炸药药卷Ⅲ的外径保持一致，各药卷的外表面包裹塑料薄膜及药卷各部分之间设置塑料隔膜；在现场锚杆安装后，所述的引爆装置在钻孔底部被炸药药卷Ⅲ充填段充填包围。

进一步的，所述的锚固药卷Ⅰ凝固时间快于锚固药卷Ⅱ，待锚固药卷Ⅰ充填段凝固、锚固药卷Ⅱ充填段未凝固时，可借助引爆装置引爆炸药药卷Ⅲ充填段内部炸药。

进一步的，所述的炸药药卷Ⅲ内部炸药感度较低(此处“感度较低”指炸药发生爆炸的敏感程度较低，不容易被引爆，以防止锚杆在旋紧安装过程中受到杆体旋转摩擦作用而产生爆炸)，其质量由所需局部爆炸孔腔大小及地层岩土体力学参数确定。

进一步的，所述的锚固药卷Ⅱ受炸药爆炸高温作用可产生体积膨胀并充满局部爆炸孔腔，其长度及所含可膨胀化学成分质量由所需爆炸孔腔体积大小确定。

进一步的，所述的锚固药卷Ⅰ、Ⅱ包括但不限于树脂药卷，水泥砂浆药卷或其他类型锚固剂药卷。

进一步的，所述的锚杆杆体包括但不限于常规螺纹钢锚杆杆体、全螺纹锚杆杆体、钢绞线杆体或玻璃纤维增强塑料(GFRP)等新型材质锚杆杆体。

本发明还提供了利用上述所述的可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置进行施工的工艺方法，包括以下步骤:

步骤一：在软弱地层中，利用钻机在拟安装锚杆位置进行钻孔，成孔后进行清孔；

步骤二：将组合式锚固药卷置入钻孔底部，沿钻孔由内而外方向依次为炸药药卷Ⅲ、锚固药卷Ⅱ、锚固药卷Ⅰ；

步骤三：将安装有引爆装置及锚杆托盘、螺母的锚杆置入钻孔内，并利用锚杆钻机进行旋进安装；在安装过程中，锚杆杆体可搅碎组合式锚固药卷，并在钻孔孔底向外依次形成炸药药卷Ⅲ充填段、锚固药卷Ⅱ充填段、锚固药卷Ⅰ充填段；

步骤四：待锚固药卷Ⅰ充填段凝固后，利用引爆装置引爆炸药药卷Ⅲ充填段炸药，形成内部局部爆炸孔腔，引爆装置自动张开，并激发锚固药卷Ⅱ产生体积膨胀，实现内部孔腔自动充填。

步骤五：待内部锚固药卷Ⅱ充填区域凝固后，通过旋紧螺母或张拉杆体的方式施加预应力，完成锚杆安装。

本发明的有益效果为：

1)本发明利用组合式锚固药卷和内部引爆装置，在内部炸药爆炸后，不仅可以起到扩孔的作用，而且可以激发锚固药卷Ⅱ发生膨胀进行自动填充，同时，引爆装置可自动张开，并在外表面设置倒刺状结构，可进一步增强锚杆锚固力。

2)本发明该种可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置及工艺，与常规的爆破式锚杆相比，在爆破空腔形成后可自动充填，无需后注浆工艺，施工简单方便，并能实现较优的锚固效果。

3)本发明利用组合式锚固药卷，在锚固药卷Ⅰ充填段凝固后，进行内部炸药充填段的爆炸，可有效封闭内部炸药，避免炸药爆炸时产生的能量沿钻孔产生外溢释放。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例锚杆安装过程阶段Ⅰ(旋紧安装前)、阶段Ⅱ(安装后未爆破)、阶段Ⅲ(爆破自动充填后)的结构示意图；

图2为引爆装置结构示意图；

图3为图2引爆装置1-1断面示意图；

其中：1-炸药药卷Ⅲ；2-锚固药卷Ⅱ；3-锚固药卷Ⅰ；4-引爆装置；5-连接端头；6-锚杆杆体；7-锚杆托盘；8-螺母；9-起爆材料。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，在软弱地层中传统锚杆支护可锚性差，锚固力低，易产生滑脱失效现象，难以对软弱地层进行有效控制，并造成锚杆杆体支护潜力无法充分发挥，本发明提出一种可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置及工艺，可实现内部钻孔扩大及自动充填爆破孔腔功能，施工工艺简单，并可有效提高锚杆极限锚固力，以达到软弱地层的锚固支护需求。以一种可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置及工艺为例，下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，所述的一种可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，其特征在于：包括锚杆杆体6，锚杆杆体6尾端安装有引爆装置4，杆体外端外圈部位安装有锚杆托盘7及螺母8。所述的可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置在软弱地层钻孔底部利用组合式锚固药卷进行锚固安装。所述的组合式锚固药卷沿长度方向依次包括锚固药卷Ⅰ3、锚固药卷Ⅱ2与炸药药卷Ⅲ1。所述的锚固药卷Ⅱ2内部含有可膨胀化学成分材料，所述的引爆装置4可引爆炸药药卷Ⅲ1内部炸药，并在引爆装置4周围钻孔孔壁地层附近形成局部爆炸孔腔；同时，在炸药爆炸时引爆装置4可自动张开；并且，炸药药卷Ⅲ1内部炸药爆炸时释放的高温能量可激发锚固药卷Ⅱ2内部可膨胀化学成分发挥作用，使锚固药卷Ⅱ2产生体积膨胀，并可自动充填局部爆炸孔腔，实现内部锚固结构体的自动扩大。

所述的一种可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，具体施工工艺方法包括以下步骤:

步骤一：在软弱地层中，利用钻机在拟安装锚杆位置进行钻孔，成孔后进行清孔。

步骤二：将组合式锚固药卷置入钻孔内部，沿钻孔由内而外方向依次为炸药药卷Ⅲ1、锚固药卷Ⅱ2、锚固药卷Ⅰ3。

步骤三：将安装有引爆装置4及锚杆托盘7、螺母8的锚杆置入钻孔内，并利用锚杆钻机进行旋进安装。在安装过程中，锚杆杆体6可搅碎组合式锚固药卷，并在钻孔孔底向外依次形成炸药药卷Ⅲ1充填段、锚固药卷Ⅱ2充填段、锚固药卷Ⅰ3充填段。

步骤四：待锚固药卷Ⅰ3充填段凝固后，利用引爆装置4引爆炸药药卷Ⅲ1充填段炸药，形成内部局部爆炸孔腔，引爆装置4自动张开，并激发锚固药卷Ⅱ2产生体积膨胀，实现内部孔腔自动充填。

步骤五：待内部锚固药卷Ⅱ2充填区域凝固后，通过旋紧螺母8或张拉锚杆杆体6的方式施加预应力，完成锚杆安装。

如图2-3所示，所述的引爆装置4，为圆筒状，沿环向均匀设置切缝结构，切缝方向与引爆装置4轴向方向平行。所述的引爆装置4内圈部位安装有起爆材料9，外表面设置倒刺状结构，在炸药爆炸能量冲击下，引爆装置4可自动张开，并使倒刺状结构与地层岩土体之间产生咬合力。所述的起爆材料9可为雷管、导爆索或其他类型起爆炸药等，连接引爆装置4内部起爆材料9的引线可沿锚杆表面或内部引到锚杆外部。所述的引爆装置4与锚杆杆体6通过连接端头5连接，连接端头5由锚杆杆体6的外螺纹和引爆装置4的内螺纹组成。

组合式锚固药卷，可为圆柱形，三部分药卷直径保持一致，各药卷表面及药卷各部分之间设置塑料隔膜。在现场锚杆安装后，所述的引爆装置4在钻孔底部被炸药药卷Ⅲ1充填段充填包围。

锚固药卷Ⅰ3凝固时间快于锚固药卷Ⅱ2，待锚固药卷Ⅰ3充填段凝固、锚固药卷Ⅱ2充填段未凝固时，可借助引爆装置4引爆炸药药卷Ⅲ1充填段内部炸药。所述的炸药药卷Ⅲ1内部炸药感度较低(此处“感度较低”指炸药发生爆炸的敏感程度较低，不容易被引爆，以防止锚杆在旋紧安装过程中受到杆体旋转摩擦作用而产生爆炸)，其质量由所需局部爆炸孔腔大小及地层岩土体力学参数确定。所述的锚固药卷Ⅱ2受炸药爆炸高温作用可产生体积膨胀并充满局部爆炸孔腔，其长度及所含可膨胀化学成分质量由所需爆炸孔腔体积大小确定。

锚固药卷Ⅰ3、锚固药卷Ⅱ2可为树脂药卷，水泥砂浆药卷或其他类型锚固剂药卷。

本发明该种可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置及工艺，锚杆杆体可为常规螺纹钢锚杆杆体、全螺纹锚杆杆体或钢绞线，也可为玻璃纤维增强塑料(GFRP)等新型材质锚杆杆体，所配套使用的炸药、可膨胀化学材料及具体施工方法流程，可根据具体工程实际进行相应调整。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，其特征在于，包括锚杆杆体以及填充在软弱地层钻孔内的组合式锚固药卷；所述的锚杆杆体尾端安装有引爆装置，锚杆杆体外端外圈部位安装有托盘及螺母；所述的组合式锚固药卷沿锚杆杆体伸入钻孔的方向依次包括锚固药卷Ⅰ、锚固药卷Ⅱ与炸药药卷Ⅲ；所述的锚固药卷Ⅱ内部含有可膨胀化学成分材料，所述的引爆装置可引爆炸药药卷Ⅲ内部炸药，并在引爆装置周围钻孔孔壁地层附近形成局部爆炸孔腔；同时，在炸药爆炸时引爆装置可自动张开；并且，炸药药卷Ⅲ内部炸药爆炸时释放的高温能量可激发锚固药卷Ⅱ内部可膨胀化学成分发挥作用，使锚固药卷Ⅱ产生体积膨胀，并可自动充填局部爆炸孔腔，实现内部锚固结构体的自动扩大。

2.如权利要求1所述的可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，其特征在于，所有的引爆装置为一个圆筒状结构，沿圆筒状结构的管壁环向均匀设置多个切缝结构，切缝结构的切缝方向与引爆装置轴向方向平行；所述圆筒状结构的内圈部位安装有起爆材料，外表面设置倒刺状结构，在炸药爆炸能量冲击下，引爆装置可自动张开，并使倒刺状结构与地层岩土体之间产生咬合力。

3.如权利要求2所述的可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，其特征在于，所述连接引爆装置内部起爆材料的引线可沿锚杆表面或内部引到锚杆杆体的外部。

4.如权利要求1所述的可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，其特征在于，所述的锚固药卷Ⅰ、锚固药卷Ⅱ与炸药药卷Ⅲ可为圆柱形，锚固药卷Ⅰ、锚固药卷Ⅱ与炸药药卷Ⅲ的外径保持一致，各药卷的外表面包裹塑料薄膜及药卷各部分之间设置塑料隔膜；在现场锚杆安装后，所述的引爆装置在钻孔底部被炸药药卷Ⅲ充填段充填包围。

5.如权利要求4所述的可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，其特征在于，所述的锚固药卷Ⅰ凝固时间快于锚固药卷Ⅱ，待锚固药卷Ⅰ充填段凝固、锚固药卷Ⅱ充填段未凝固时，可借助引爆装置引爆炸药药卷Ⅲ充填段内部炸药。

6.如权利要求4所述的可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，其特征在于，所述的炸药药卷Ⅲ内部炸药感度较低，炸药的质量由所需局部爆炸孔腔大小及地层岩土体力学参数确定。

7.如权利要求4所述的可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，其特征在于，所述的锚固药卷Ⅱ受炸药爆炸高温作用可产生体积膨胀并充满局部爆炸孔腔，其长度及所含可膨胀化学成分质量由所需爆炸孔腔体积大小确定。

8.如权利要求4所述的可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，其特征在于，所述的锚固药卷Ⅰ、Ⅱ包括但不限于树脂药卷，水泥砂浆药卷。

9.如权利要求1所述的可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置，其特征在于，所述的锚杆杆体包括但不限于螺纹钢锚杆杆体、全螺纹锚杆杆体、钢绞线杆体或其他新型材质杆体。

10.利用权利要求1-9任一所述的可爆破扩孔及自动填充的软弱地层预应力锚固装置进行施工的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤一：在软弱地层中，利用钻机在拟安装锚杆位置进行钻孔，成孔后进行清孔；

步骤二：将组合式锚固药卷置入钻孔底部，沿钻孔由内而外方向依次为炸药药卷Ⅲ、锚固药卷Ⅱ、锚固药卷Ⅰ；

步骤三：将安装有引爆装置及锚杆托盘、螺母的锚杆置入钻孔内，并利用锚杆钻机进行旋进安装；在安装过程中，锚杆杆体可搅碎组合式锚固药卷，并在钻孔孔底向外依次形成炸药药卷Ⅲ充填段、锚固药卷Ⅱ充填段、锚固药卷Ⅰ充填段；

步骤四：待锚固药卷Ⅰ充填段凝固后，利用引爆装置引爆炸药药卷Ⅲ充填段炸药，形成内部局部爆炸孔腔，引爆装置自动张开，并激发锚固药卷Ⅱ产生体积膨胀，实现内部孔腔自动充填；

步骤五：待内部锚固药卷Ⅱ充填区域凝固后，通过旋紧螺母或张拉杆体的方式施加预应力，完成锚杆安装。