CN109356630B - 一种能够监测水压的自进式中空注浆锚杆及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够监测水压的自进式中空注浆锚杆及使用方法，包括中空式杆体，在杆体头部设有自进式钻头以及与杆体内部连通的注浆孔，在杆体尾部设有锚固部件，所述杆体内部设有水压监测元件，所述杆体内部还设有膨胀架，所述膨胀架能够从杆体内部向外扩张至超出杆体外壁。本发明通过在杆体内部设置水压监测元件，锚孔内的水通过注浆孔进入到杆体内，从而实现水压监测，避免了常规监测方法在安装过程中因水压监测元件与锚孔孔壁摩擦、碰撞导致的损坏；通过在述杆体内部还设置膨胀架，且该膨胀架能够从杆体内部向外扩张至超出杆体外壁，从而实现与锚孔壁嵌合，在支护初期为锚杆提供预紧力，进一步提高锚杆抗拉能力。

Description

一种能够监测水压的自进式中空注浆锚杆及使用方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程锚固设备技术领域，特别涉及一种能够监测水压的自进式中空注浆锚杆及使用方法。

背景技术

锚杆支护作为一种主动支护手段，因其工艺简单、施工方便、耗材少、成本低、支护效果好、环境适应性强等诸多显著优点，在隧道工程和煤矿巷道工程中得到了广泛的应用。锚杆支护原理是将锚杆一端锚固于坚固的岩层中，另一端延伸至岩体外部并施加轴向预紧力，通过设置在锚杆上的附属挡板构件等，约束围岩的变形、离层脱落及错动滑移。

在采用常规工艺进行锚杆支护施工时，要求锚固范围内围岩结构完整程度高、无裂隙及地下水。利用钻机打设锚孔并退出钻杆后，要求锚孔形状和结构完整、无塌陷，然后将锚杆安装到预定位置并注入锚固剂，待锚固剂凝固一段时间后，达到设计的锚固强度，从而实现锚固作用。这种锚固方式不仅施工工艺复杂、效率低，容易出现锚固力不足，且极大增加了施工成本。

随着隧道及地下工程的修建环境越来越复杂，如遇围岩破碎或裂隙岩层等不良地质条件，极易赋存丰富的地下水。在这种环境下进行锚杆支护施工，地下水会沿裂隙进入锚孔，对孔壁有渗透、侵蚀及剥离作用，引起锚孔坍塌破坏，锚杆与锚孔的贴合作用减弱，会严重降低锚杆的锚固效果，甚至出现锚杆失效脱落，围岩因失去控制而出现坍塌，极易发生安全事故。并且，在复杂的环境下进行锚固支护施工，需要掌握围岩中的地下水发育情况，及时调整支护参数。常规的方法是在锚杆上安装应力测量装置监测水压力，但是这种方式施工复杂、效率低，监测效果不理想，严重影响了施工质量和进度。因此，发明一种具有监测水压力功能的自进式中空注浆锚杆十分必要。

发明内容

本发明目的在于：针对在富水或含水岩层锚固施工过程中，无法监测水压力情况，难以找到最合理的锚固支护参数，进而难以保证锚固支护效果的问题，提供一种能够监测水压的自进式中空注浆锚杆，该锚杆能够监测锚固施工过程中水压力情况，为锚杆设计参数、改进施工技术及围岩破坏机理的研究提供依据和参考，保证隧道锚固施工的安全性，防止透水事故等地质灾害的发生。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种能够监测水压的自进式中空注浆锚杆，包括中空式杆体，在杆体头部设有自进式钻头以及与杆体内部连通的注浆孔，在杆体尾部设有锚固部件，所述杆体内部设有水压监测元件，所述杆体内部还设有膨胀架，所述膨胀架能够从杆体内部向外扩张至超出杆体外壁。

本发明通过设置中空式杆体，在杆体头部设有自进式钻头以及与杆体内部连通的注浆孔，在杆体尾部设有锚固部件，使得该锚杆将钻孔、锚固以及注浆功能集成于一体，无需退杆后安装锚杆，避免了钻杆退出后引起的锚孔坍塌而导致的返工现象；通过在杆体内部设置水压监测元件，锚孔内的水通过注浆孔进入到杆体内，从而实现水压监测，避免了常规监测方法在安装过程中因水压监测元件与锚孔孔壁摩擦、碰撞导致的损坏，提高了监测数据的可靠性；通过在述杆体内部还设置膨胀架，且该膨胀架能够从杆体内部向外扩张至超出杆体外壁，从而实现与锚孔壁嵌合，在支护初期为锚杆提供预紧力，进一步提高锚杆抗拉能力，注浆后浆体与膨胀架和锚孔密实贴合，大大提高了锚固力。

作为本发明的优选方案，所述膨胀架包括设于杆体内部的两个撑板和转轴，两个所述撑板呈交叉结构布置并通过转轴与杆体相连，在杆体内部还设有顶推部件，所述顶推部件用于推动两个撑板从杆体内部绕转轴向杆体外部转动。通过在杆体内部设置两个撑板和转轴，两个撑板呈交叉结构布置并通过转轴与杆体相连，当锚杆钻设到位后，通过顶推部件推动两个撑板从杆体内部绕转轴向杆体外部转动，使得撑板能够从杆体内部向外扩张，从而实现与锚孔壁嵌合，该膨胀架结构简单，易于制造及使用。

作为本发明的优选方案，所述顶推部件包括设于杆体内部的顶推螺杆和螺纹套，所述顶推螺杆沿杆体轴向布置且在靠近撑板的一端设有圆台形推头，所述推头位于两个所述撑板形成的交叉开口之间。通过在杆体内部设置顶推螺杆和螺纹套，顶推螺杆沿杆体轴向布置且在靠近撑板的一端设有圆台形推头，该推头位于两个撑板形成的交叉开口之间，当锚杆钻设到位后，通过转动顶推螺杆后，推头则会推动两个撑板向杆体外部扩张，从而实现与锚孔壁嵌合，该顶推部件结构简单，易于制造及使用。

作为本发明的优选方案，所述撑板为菱形板状结构。将撑板设计为菱形板状结构，在使用时撑板尖端更容易嵌入锚孔壁内，能够为锚杆提供更大的预紧力，有利于提高锚杆的锚固效果。

作为本发明的优选方案，所述水压监测元件为多个测力传感器，且测力传感器设置在杆体上，避免了先将水压监测元件安装在杆体外壁，再安装锚杆的复杂工艺，同时也避免了配置在杆体外壁的水压监测元件在锚杆安装过程中与锚孔壁发生摩擦而产生的损坏，减小了水压力监测的误差，提高了监测数据的可靠性。

作为本发明的优选方案，所述杆体在嵌入围岩部分段外壁设有倒钩状螺纹，当向锚孔内注入锚固材料后，该倒钩状螺纹能够很好地与锚孔结合，提升锚杆外部的摩擦阻力，进而提高锚杆的锚固力。

作为本发明的优选方案，所述自进式钻头前端为实心结构，后端为空心结构，实心结构部分为切割岩体的刃口，空心结构部分留有与杆体内部连通的注浆孔。

作为本发明的优选方案，所述锚固部件包括套设于杆体上的止浆塞、垫板和螺母，所述止浆塞在垫板和螺母的推动下，沿杆体挤入锚孔内。

作为本发明的优选方案，所述杆体内部还设有逆止阀，所述逆止阀位于杆体尾部。

本发明还提供一种能够监测水压的自进式中空注浆锚杆使用方法，包括以下步骤：

a、采用锚杆钻机将锚杆钻入到目标位置，钻进时通过水压监测元件监测围岩的水压力；

b、待锚杆钻入到设计要求深度后，将膨胀架从杆体内部向外扩张并嵌入锚孔壁，完成锚杆的预紧；

c、锚杆预紧后，利用锚杆配套的锚固部件对锚孔孔口进行封闭；

d、在锚孔完成封孔后，向锚杆内部注浆，浆液通过杆体上的注浆孔进入到锚孔及围岩内。

本方法通过在钻孔过程中能够实时监测锚孔以及围岩内水压力变化情况，避免了钻进过程中因钻入地下暗河等不良地质条件而导致透水等事故的发生；通过在锚杆钻入到设计要求深度后，将膨胀架从杆体内部向外扩张并嵌入锚孔壁，从而为锚杆提供足够的预紧力，进一步地提高锚杆的抗拉能力。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的具有监测水压力功能的中空式注浆锚杆，具有自进注浆功能，将钻孔、监测水压力、锚固以及注浆等功能集成于一体，无需退杆安装锚杆的施工工序，保证了锚孔的完整性，提高了施工质量和施工效率；

2、本发明中的水压监测元件设置在中空式的杆体内部，并与杆体为一体结构，避免了先将水压监测元件安装在杆体外壁，再安装锚杆的复杂工艺，同时也避免了配置在杆体外壁的水压监测元件在锚杆安装过程中与锚孔壁发生摩擦碰撞而产生的损坏，减小了水压力监测的误差，提高了监测数据的可靠性，在褶曲、断层等复杂的地质构造中，能够准确实时监测围岩中的水压力状况，解决了现有技术在复杂地质条件下难以布置水压力监测元件的难题；同时可无需在锚孔内布置导线，使得锚杆外壁能与锚孔更好贴合，提高锚杆预紧力；

3、本发明中通过在述杆体内部设置膨胀架，且该膨胀架能够从杆体内部向外扩张至超出杆体外壁，从而实现与锚孔壁嵌合，在支护初期为锚杆提供预紧力，进一步提高锚杆抗拉能力，注浆后浆体与膨胀架和锚孔密实贴合，大大提高了锚固力；

4、本发明中通过在杆体嵌入围岩部分段外壁设置倒钩状螺纹，当向锚孔内注入锚固材料后，该倒钩状螺纹能够很好地与锚孔结合，提升锚杆外部的摩擦阻力，进而提高锚杆的锚固力。

附图说明

图1为本发明中的能够监测水压的自进式中空注浆锚杆结构示意图。

图2为图1中的自进式钻头结构示意图。

图3为图1中的膨胀架使用状态示意图。

图中标记：1-杆体，2-自进式钻头，2a-钻头实心部分，2b-钻头空心部分，3-止浆塞，4-垫板，5-螺母，6-膨胀架，6a-推头，6b-顶推螺杆，6c-螺纹套，6d-撑板，6e-转轴，7-水压监测元件，8-倒钩状螺纹，9-注浆孔，10-逆止阀，11-导线，12-传动套杆，13-围岩。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种能够监测水压的自进式中空注浆锚杆；

如图1-图3所示，本实施例中的能够监测水压的自进式中空注浆锚杆，包括中空式杆体1，该杆体为树脂材料制成，以满足强度及性能要求，杆体内部为中空式结构，可在锚杆安装到预定位置后作为注浆通道，通过锚杆向锚孔内进行注浆；在杆体头部设有自进式钻头2以及与杆体内部连通的注浆孔9，该自进式钻头2与杆体1为同轴设置，且钻头可根据需要优选合适的材质以保证钻进功能，该注浆孔设置在位于靠近自进式钻头位置部分，在钻孔过程作为进水通道，让锚孔内的水进入杆体内为水压监测元件所监测，在注浆过程中作为注浆通道，浆液通过中空杆体从注浆孔进入到锚孔中，从而完成注浆；在杆体尾部设有锚固部件，所述杆体1内部设有水压监测元件7，所述杆体1内部还设有膨胀架6，该膨胀架设置于偏杆体尾部一侧，所述膨胀架能够从杆体内部向外扩张至超出杆体外壁。

本发明通过设置中空式杆体，在杆体头部设有自进式钻头以及与杆体内部连通的注浆孔，在杆体尾部设有锚固部件，使得该锚杆将钻孔、锚固以及注浆功能集成于一体，无需退杆后安装锚杆，避免了钻杆退出后引起的锚孔坍塌而导致的返工现象；通过在杆体内部设置水压监测元件，锚孔内的水通过注浆孔进入到杆体内，从而实现水压监测，避免了常规监测方法在安装过程中因水压监测元件与锚孔孔壁摩擦、碰撞导致的损坏，提高了监测数据的可靠性；通过在述杆体内部还设置膨胀架，且该膨胀架能够从杆体内部向外扩张至超出杆体外壁，从而实现与锚孔壁嵌合，在支护初期为锚杆提供预紧力，进一步提高锚杆抗拉能力，注浆后浆体与膨胀架和锚孔密实贴合，大大提高了锚固力。

本实施例中，所述膨胀架6包括设于杆体1内部的两个撑板6d和转轴6e，两个所述撑板6d呈剪刀叉结构布置并通过转轴6e与杆体1相连，在杆体上开设有与撑板厚薄相对应的槽口，便于在膨胀架扩张时撑板从该槽口伸出，在杆体内部还设有顶推部件，所述顶推部件用于推动两个撑板从杆体内部绕转轴向杆体外部转动。通过在杆体内部设置两个撑板和转轴，两个撑板呈剪刀叉结构布置并通过转轴与杆体相连，当锚杆钻设到位后，通过顶推部件推动两个撑板从杆体内部绕转轴向杆体外部转动，使得撑板能够从杆体内部向外扩张，从而实现与锚孔壁嵌合，该膨胀架结构简单，易于制造及使用。

本实施例中，所述顶推部件包括设于杆体内部的顶推螺杆6b和螺纹套6c，所述顶推螺杆6b沿杆体轴向布置且在靠近撑板的一端设有圆台形推头6a，所述推头位于两个所述撑板形成的剪刀式开口之间。通过在杆体内部设置顶推螺杆和螺纹套，顶推螺杆沿杆体轴向布置且在靠近撑板的一端设有圆台形推头，该推头位于两个撑板形成的剪刀式开口之间，当锚杆钻设到位后，使用传动套杆12来转动顶推螺杆6b后，推头6a则会推动两个撑板6d向杆体1外部扩张，使得膨胀架张开一定角度，从而实现与锚孔壁嵌合，该顶推部件结构简单，易于制造及使用。

本实施例中，所述撑板6d为菱形板状结构。将撑板设计为菱形板状结构，在使用时撑板尖端更容易嵌入锚孔壁围岩13内一定深度，能够为锚杆提供更大的预紧力，有利于提高锚杆的锚固效果。

本实施例中，所述水压监测元件7为多个测力传感器，且测力传感器设置在杆体上，与杆体为一体结构，即在杆体制作时即嵌入在杆体内部，避免了先将水压监测元件安装在杆体外壁，再安装锚杆的复杂工艺，同时也避免了配置在杆体外壁的水压监测元件在锚杆安装过程中与锚孔壁发生摩擦而产生的损坏，减小了水压力监测的误差，提高了监测数据的可靠性。水压监测元件可根据需要通过导线11或无线传输将数据传输至杆体外部数据接收装置，该导线11在树脂材料杆体制作过程时，封闭包装在杆体壁内。

本实施例中，所述杆体1在嵌入围岩部分段外壁设有倒钩状螺纹8，当向锚孔内注入锚固材料后，该倒钩状螺纹能够很好地与锚孔结合，提升锚杆外部的摩擦阻力，进而提高锚杆的锚固力。

本实施例中，所述自进式钻头2分为前后两部分，前部为实心部分2a，实心结构部分为切割岩体的刃口，且钻头刃口比杆体直径稍大，以满足整个杆体能顺利进入锚孔内；后部为空心部分2b，且空心结构内部与杆体内部注浆通道尺寸一致并贯通，空心结构部分留有与杆体内部连通的注浆孔。

本实施例中，所述锚固部件包括套设于杆体上的止浆塞3、垫板4和螺母5，所述止浆塞在垫板和螺母的推动下，沿杆体挤入锚孔内。所述止浆塞3，由高分子橡胶材料制成的圆台形中空式结构，小端直径比锚孔直径略小，大端直径比锚孔直径大。止浆塞与杆体外壁贴合，位于垫板沿围岩一侧，在垫板和螺母的推动下，沿杆体挤入锚孔内，止浆塞外部压紧锚孔壁，内部箍筋锚杆杆体，从而封闭锚固段的注浆空间，防止注浆时浆液沿锚孔与杆体间隙流出。所述垫板4呈圆拱形，临近围岩一端为曲面结构，通过螺母拧紧可使曲面结构与锚孔密实贴合，可进一步阻止锚固浆液的溢出，保证浆体灌满整个注浆段空间。

本实施例中，所述杆体1内部还设有逆止阀10，所述逆止阀位于杆体尾部。所述逆止阀在钻孔完成后安装在锚杆注浆口内位置，根据压力原理工作。在未注入浆液时，阀门保持打开状态，可从注浆口向杆体内部压入浆体材料，浆体只能沿注浆口进入管内注浆通道，而不能从阀门流出，从而实现浆体逆止作用。采取此结构的注浆装置，大大节约了注浆材料，同时提高了注浆效率。

实施例2

本实施例提供一种能够监测水压的自进式中空注浆锚杆使用方法；

如图1-图3所示，本实施例中的能够监测水压的自进式中空注浆锚杆使用方法，包括以下步骤：

a、钻孔：采用锚杆钻机将锚杆钻入到目标位置，钻进时，由于钻头前端开口刃直径比杆体略大，于是钻头切割岩体产生的锚孔直径比杆体外径略大，所以杆体在不发生挤压就能顺利进入锚孔内，钻进过程，水压监测元件处于工作状态，监测围岩的水压力；

b、预紧锚杆：锚杆随钻头进入到目标位置后，保持钻头位置不退出，利用传动套杆12带动顶推螺杆6b推动膨胀架6张开，使膨胀架嵌入锚孔壁，完成锚杆的预紧，从而为锚杆提供足够的预紧力；

c、封孔：锚杆预紧后，利用锚杆配套的封孔止浆塞3、圆拱形垫板4以及螺母5对锚孔孔口进行封闭；

d、注浆：在锚孔完成封孔止浆后，通过杆端的注浆口向锚杆内注浆，浆液通过杆壁上的注浆孔进入到锚孔及围岩内，注浆结束后，逆止阀10自动关闭。

本方法通过在钻孔过程中能够实时监测锚孔以及围岩内水压力变化情况，避免了钻进过程中因钻入地下暗河等不良地质条件而导致透水等事故的发生；通过在锚杆钻入到设计要求深度后，将膨胀架从杆体内部向外扩张并嵌入锚孔壁，从而为锚杆提供足够的预紧力，进一步地提高锚杆的抗拉能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种能够监测水压的自进式中空注浆锚杆，包括中空式杆体，在杆体头部设有自进式钻头以及与杆体内部连通的注浆孔，在杆体尾部设有锚固部件，其特征在于，所述杆体内部设有水压监测元件，所述注浆孔设置在位于靠近所述自进式钻头位置部分，在钻孔过程作为进水通道，让锚孔内的水进入杆体内为所述水压监测元件所监测，所述杆体内部还设有膨胀架，所述膨胀架能够从杆体内部向外扩张至超出杆体外壁；

所述膨胀架包括设于杆体内部的两个撑板和转轴，两个所述撑板呈交叉结构布置并通过转轴与杆体相连，在杆体内部还设有顶推部件，所述顶推部件用于推动两个撑板从杆体内部绕转轴向杆体外部转动；

所述顶推部件包括设于杆体内部的顶推螺杆和螺纹套，所述顶推螺杆沿杆体轴向布置且在靠近撑板的一端设有圆台形推头，所述推头位于两个所述撑板形成的交叉开口之间；

所述杆体上开设有与所述撑板薄厚相对应的槽口；

所述杆体在嵌入围岩部分段外壁设有倒钩状螺纹；

所述自进式钻头前端为实心结构，后端为空心结构，实心结构部分为切割岩体的刃口，空心结构部分留有与杆体内部连通的注浆孔；

所述锚固部件包括套设于杆体上的止浆塞、垫板和螺母，所述止浆塞在垫板和螺母的推动下，沿杆体挤入锚孔内。

2.根据权利要求1所述的能够监测水压的自进式中空注浆锚杆，其特征在于，所述撑板为菱形板状结构。

3.根据权利要求1-2之一所述的能够监测水压的自进式中空注浆锚杆，其特征在于，所述水压监测元件为多个测力传感器，且测力传感器设置在杆体上。

4.根据权利要求1所述的能够监测水压的自进式中空注浆锚杆，其特征在于，所述杆体内部还设有逆止阀，所述逆止阀位于杆体尾部。

5.一种如权利要求1-4之一所述的能够监测水压的自进式中空注浆锚杆使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、采用锚杆钻机将锚杆钻入到目标位置，钻进时通过水压监测元件监测围岩的水压力；

b、待锚杆钻入到设计要求深度后，将膨胀架从杆体内部向外扩张并嵌入锚孔壁，完成锚杆的预紧；

c、锚杆预紧后，利用锚杆配套的锚固部件对锚孔孔口进行封闭；

d、在锚孔完成封孔后，向锚杆内部注浆，浆液通过杆体上的注浆孔进入到锚孔及围岩内。