CN109798142B - 一种具有让压功能的可接式长锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有让压功能的可接式长锚杆，包括头部杆体、端部杆体和至少一节中间杆体，所述头部杆体与相邻的中间杆体，端部杆体与相邻的中间杆体以及相邻的两个中间杆体之间均通过中间让压机构连接，所述头部杆体远离中间让压机构的一端设有锚头，所述锚头包括螺母、托盘以及设置在螺母和托盘之间的螺母垫板和头部让压机构。该发明通过调节中间杆体的杆件数量，实现锚杆的多次接长，使杆体总长度不受隧道尺寸限制，同时设置头部让压机构和中间让压机构两级让压系统，实现锚杆系统的分级让压模式，使其能够与高地应力软岩隧道的围岩变形量大、变形具有持续性等特征相适应，从而可有效控制围岩的塑性区范围。

Description

一种具有让压功能的可接式长锚杆

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种具有让压功能的可接式长锚杆，适用于高地应力软岩大变形隧道变形控制。

背景技术

随着我国公路建设及铁路建设的飞速发展，越来越多的隧道将穿越地应力高、岩体软弱的地层。这类隧道在建设过程中经常面临围岩塑性区范围较大、支护难度大和施工难度大等问题。在高地应力条件下，大量监测数据及数值分析结果表明仅仅增大支护强度对塑性区范围改变较小，因此普通锚杆或锚索支护不再适用于高地应力软岩大变形隧道。

由于普通锚杆或锚索支护已经不再适用于高地应力软岩大变形隧道，目前应用于高地应力软岩大变形隧道的锚杆主要分为三类：常规让压锚杆、可接长锚杆、分段式大变形让压锚杆。现有的这三类锚杆分别存在如下技术缺陷：

常规让压锚杆虽然具备让压功能，与隧道围岩的大变形相适应，但常规让压锚杆为单截杆体，杆体长度受隧道的尺寸限制，对于高地应力软岩大变形隧道，锚杆的端部有可能仍处于围岩松动圈，达不到隧道支护的设计要求。

可接长锚杆通过螺纹将多段杆体连接在一起，由于该类锚杆无让压功能，隧道围岩的大变形可能导致长锚杆被拉断，而且，杆体的螺栓连接处属于长锚杆的薄弱部分，容易加剧长锚杆的拉断失效。

已有的分段式大变形让压锚杆主要是通过套筒将多段杆体连接在一起，并在套筒内部设置弹簧实现让压功能，但是多段杆体之间都不是刚性连接的，这类锚杆不能承受压力，在将锚杆送入钻孔的施工过程中，多段杆体将无法保持在同一直线上，安装困难。

发明内容

本发明针对现有三类锚杆存在的上述缺陷，提供了一种具有让压功能的可接式长锚杆，综合了常规让压锚杆的让压功能及可接长锚杆的锚杆长度不受隧道尺寸限制的优点，并克服了已有的分段式大变形让压锚杆的施工困难问题。

本发明的技术方案是提供了一种具有让压功能的可接式长锚杆，包括头部杆体、端部杆体和至少一节中间杆体，所述头部杆体与相邻的中间杆体，端部杆体与相邻的中间杆体以及相邻两节中间杆体之间均通过中间让压机构连接，所述头部杆体远离中间让压机构的一端设有锚头，所述锚头包括螺母、托盘以及设置在螺母和托盘之间的螺母垫板和头部让压机构。

进一步的，所述头部让压机构包括支撑弹簧、外撑结构件和复合材料结构件，所述头部让压机构位于螺母垫板和托盘之间，所述外撑结构件套接在所述头部杆体上，所述支撑弹簧沿头部杆体的轴线方向设置在所述外撑结构件内部，所述复合材料结构件套接在所述外撑结构件的外侧，且复合材料结构件沿头部杆体的轴线方向上的厚度由中间向两端逐渐递减。

进一步的，所述外撑结构件为弹性材料制成的圆筒形结构，该圆筒内径与所述头部杆体的外径相同，所述支撑弹簧设置在该圆筒壁内部。

进一步的，所述复合材料结构件由不同层数的树脂材料组成，所述树脂材料外包裹一层纤维布层，所述树脂材料的层数由复合材料结构件的中间向两端逐渐减少。

进一步的，所述中间让压机构包括软钢内外螺纹套筒和刚性金属套筒，所述头部杆体与其相邻的中间杆体，端部杆体与其相邻的中间杆体以及相邻的两节中间杆体之间均通过软钢内外螺纹套筒连接，相邻两节杆体连接处外侧套接刚性金属套筒，且软钢内外螺纹套筒设置在刚性金属套筒内部，所述头部杆体、中间杆体和端部杆体的端部均沿径向外延设有用于与所述刚性金属套筒卡合的挡块。

进一步的，所述端部杆体的端部和中间杆体的一端均具有插接凹槽，所述中间杆体的另一端和头部杆体的端部均具有与插接凹槽相连接的插接段，且相邻的插接段的外侧壁和插接凹槽的内侧壁之间通过软钢内外螺纹套筒连接，所述刚性金属套筒套设在插接段和插接凹槽连接处的外侧，且刚性金属套筒的两端分别固定在相邻两个杆体上。

进一步的，所述软钢内外螺纹套筒由软钢材料制成，所述软钢内外螺纹套筒的内外侧上设有使其在拉伸时发生塑性流动且不发生螺纹剪切破坏的内螺纹和外螺纹。

进一步的，所述刚性金属套筒由两块中空半圆柱形的钢构件焊接而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种具有让压功能的可接式长锚杆通过调节中间杆体的数量，实现锚杆的多次接长，使得锚杆杆体总长度不受隧道尺寸限制，同时通过对锚杆设置头部让压机构和中间让压机构两级让压系统，实现锚杆系统的分级让压模式，使其能够与高地应力软岩隧道的围岩变形量大、变形具有持续性等特征相适应，从而可有效控制围岩的塑性区范围。

(2)本发明提供的这种具有让压功能的可接式长锚杆通过将头部让压机构的复合材料结构件轴向厚度根据实际动态施工情况进行现场变化设计，并现场加工制作，使得该长锚杆可适应不同地应力情况，适用性较强。

(3)本发明提供的这种具有让压功能的可接式长锚杆通过软钢内外螺纹套筒将相邻杆体连接在一起，在安装施工过程中可承受一定的压力，解决了已有的分段式大变形让压锚杆不能承受压力导致的施工困难的问题。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明具有让压功能的可接式长锚杆的结构示意图；

图2是本发明的头部让压机构的结构示意图；

图3是本发明的中间让压机构的结构示意图；

图4是本发明的中间让压机构中软钢内外螺纹套筒连接处的剖面图。

附图标记说明：1、头部杆体；2、螺母；3、螺母垫板；4、托盘；5、头部让压机构；6、中间杆体；7、端部杆体；8、中间让压机构；9、支撑弹簧；10、外撑结构件；11、复合材料结构件；12、挡块；13、刚性金属套筒；14、软钢内外螺纹套筒；15、插接段；16、插接凹槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本实施例提供了一种具有让压功能的可接式长锚杆，包括头部杆体1、端部杆体7和至少一节中间杆体6，中间杆体6的数量根据隧道锚杆的设计长度进行调整，保证了锚杆杆体总长度不受隧道尺寸限制；所述头部杆体1与其相邻的中间杆体6，端部杆体7与其相邻的中间杆体6以及相邻的两节中间杆体6之间均通过中间让压机构8连接，所述头部杆体1远离中间让压机构8的一端设有锚头，所述锚头包括螺母2、托盘4、螺母垫板3和头部让压机构5，头部杆体1靠近隧道洞壁，托盘4安装在头部杆体1上并与隧道围岩接触，螺母2安装在头部杆体1上，为锚杆提供预紧力，螺母垫板3和头部让压机构5设置在螺母2和托盘4之间。在高地应力的作用下，锚杆被拉伸，将头部让压机构5和中间让压机构8设计为具有不同的让压荷载，即在相对较低的临界让压荷载下，头部让压机构5优先开启让压模式，而随着荷载的持续增大，中间让压机构8继而开启让压模式，实现锚杆系统的分级让压，从而达到持续稳定围岩的目的。

细化的实施方式，如图2所示，所述头部让压机构5包括支撑弹簧9、外撑结构件10和复合材料结构件11，所述头部让压机构5位于螺母垫板3和托盘4之间，所述外撑结构件10套接在所述头部杆体1上，所述支撑弹簧9沿头部杆体1的轴线方向设置在所述外撑结构件10内部，所述复合材料结构件11套接在所述外撑结构件10的外侧，且复合材料结构件11沿头部杆体1的轴线方向上的厚度由中间向两端逐渐递减。在高地应力的作用下，锚杆被拉伸，锚杆通过螺母垫板3向头部让压机构5施加压力，而头部让压机构5的让压功能通过外撑结构件10将压力传递为复合材料结构件11，支撑弹簧9作为辅助结构起到缓冲、支撑作用，此时复合材料结构件11承载较大的环向拉伸荷载，由于复合材料结构件11在轴向（即杆体轴线方向）厚度不同，复合材料结构件11将会发生从两端向中间依次分层破坏，从而实现头部让压机构5的持续让压。具体的，所述外撑结构件10为弹性材料制成的圆筒形结构，该圆筒内径与所述头部杆体1的外径相同，所述支撑弹簧9设置在该圆筒壁内部；所述复合材料结构件11由不同层数的树脂材料组成，所述树脂材料外包裹一层纤维布层，纤维布包括但不限于玻璃纤维布、碳纤维布和天然纤维布，所述树脂材料的层数由复合材料结构件11的中间向两端逐渐减少，其层数数量可根据让压荷载的大小而确定。该头部让压机构5结构简单，其具体铺设方案可根据实际动态施工情况进行现场设计，使得本锚杆可适应不同地应力情况，适用性较强。

如图3和图4所示，所述中间让压机构8包括软钢内外螺纹套筒14和刚性金属套筒13，所述头部杆体1与其相邻的中间杆体6，端部杆体7与其相邻的中间杆体6以及相邻的两节中间杆体6之间均通过软钢内外螺纹套筒14连接，软钢内外螺纹套筒14由软钢材料制成，软钢材料选用屈服强度较低、延伸性较好的低碳钢；同时相邻两节杆体连接处外侧套接刚性金属套筒13，且软钢内外螺纹套筒14设置在刚性金属套筒13内部，所述头部杆体1、中间杆体6和端部杆体7的端部均沿径向外延设有用于与所述刚性金属套筒13卡合的挡块12，刚性金属套筒13由两块中空半圆柱形的钢构件焊接而成，将软钢内外螺纹套筒14和与其相连的两节杆体及挡块12限制在内部。头部让压机构5开启后，随着荷载的持续增大，中间让压机构8中软钢内外螺纹套筒14继而达到对应的临界让压荷载，在与其相连的两段杆体剪切拉伸作用下发生塑性流动，开启中间让压机构8的让压功能，但软钢内外螺纹套筒14不会无限制的变形，当达到设计让压距离时杆体中的挡块12将与刚性金属套筒13接触，该中间让压机构8将由让压系统转变为刚性系统而结束让压过程。本实施例的锚杆通过软钢内外螺纹套筒14将相邻杆体连接在一起，在安装施工过程中可承受一定的压力，解决了已有的分段式大变形让压锚杆不能承受压力导致的施工困难的问题。

具体的一种实施方式，所述端部杆体7的端部和中间杆体6的一端均具有插接凹槽16，插接凹槽16内壁设有内螺纹，所述中间杆体6的另一端和头部杆体1的端部均具有与插接凹槽16相连接的插接段15，插接段15设有外螺纹，而软钢内外螺纹套筒14同时设置内螺纹和外螺纹，其螺纹设计应保证软钢内外螺纹套筒14在拉伸过程中发生塑性流动，但不发生螺纹剪切破坏，而且软钢内外螺纹套筒14的外径与插接凹槽16的内螺纹直径相同，软钢内外螺纹套筒14的内径与插接段15的外螺纹直径相同，这样，通过软钢内外螺纹套筒14的内螺纹和外螺纹将相邻杆体的插接段15的外侧壁和插接凹槽16的内侧壁连接在一起，保证软钢内外螺纹套筒14在与其相连的两段杆体剪切拉伸作用下发生塑性流动。所述刚性金属套筒套13设在插接段15和插接凹槽16连接处的外侧，且刚性金属套筒13的两端分别固定在相邻两个杆体上。

本实施例提供的这种具有让压功能的可接式长锚杆的具体施工方法如下：

(1)根据地应力及围岩特性计算围岩的松动圈范围，从而确定锚杆的中间杆体的数量，实现锚杆的多次接长，以保证锚杆的端部杆体处于围岩的弹性区范围内。

(2)对围岩深孔进行钻孔，钻孔完成后安装端部杆体7，通过软钢内外螺纹套筒14将端部杆体7和一节中间杆体6连接在一起，再焊接由两块中空半圆柱形组成的刚性金属套筒13，并将其焊接在端部杆体7和中间杆体6上，从而组成密封的中间让压机构8。

(3)按步骤(2)中中间让压机构8的连接方式依次连接各节中间杆体6以及头部杆体1，然后在头部杆体1上依次安装锚头的托盘4、头部让压机构5、螺母垫板3和螺母2，固定螺母2，保证头部让压机构5的稳定性，同时为锚杆提供预紧力。

(4)随着隧道掌子面的推进，作用在锚杆上的荷载逐渐增大，导致锚杆轴力的逐渐增大，当锚杆轴力增大到临界值时，锚头中的头部让压机构5中的复合材料结构件11将会发生从两端向中间的依次分层破坏，导致外撑结构件10被压缩，引起头部让压机构5持续压缩，从而实现头部让压机构5的让压功能；当锚杆轴力继续增大时，软钢内外螺纹套筒14将在与其相连的两段杆体剪切拉伸作用下，发生塑性流动，实现中间让压机构的让压功能；当中间让压机构8中软钢内外螺纹套筒14的让压变形量增大到设计值时，杆体中的挡块12将与刚性金属套筒13接触，该中间让压机构8将由让压系统转变为刚性系统而结束让压过程。而头部让压机构5和中间让压机构8在让压过程中使地应力得以转化为围岩的变形能，但是锚杆仍能保持一定的承载能力，起到支护围岩的作用。

综上所述，本发明提供的这种具有让压功能的可接式长锚杆综合了常规让压锚杆的让压功能及可接长锚杆的锚杆长度不受隧道尺寸限制的优点，并克服了已有的分段式大变形让压锚杆的施工困难问题，结构形式简明，加工成本低，能够有效控制围岩的塑性区范围。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有让压功能的可接式长锚杆，其特征在于：包括头部杆体、端部杆体和至少一节中间杆体，所述头部杆体与相邻的中间杆体，端部杆体与相邻的中间杆体以及相邻的两个中间杆体之间均通过中间让压机构连接，所述头部杆体远离中间让压机构的一端设有锚头，所述锚头包括螺母、托盘以及设置在螺母和托盘之间的螺母垫板和头部让压机构；

所述中间让压机构包括软钢内外螺纹套筒和刚性金属套筒，所述头部杆体与其相邻的中间杆体，端部杆体与其相邻的中间杆体以及相邻的两节中间杆体之间均通过软钢内外螺纹套筒连接，相邻两节杆体连接处外侧套接刚性金属套筒，且软钢内外螺纹套筒设置在刚性金属套筒内部，所述头部杆体、中间杆体和端部杆体的端部均沿径向外延设有用于与所述刚性金属套筒卡合的挡块；所述端部杆体的端部和中间杆体的一端均具有插接凹槽，所述中间杆体的另一端和头部杆体的端部均具有与插接凹槽相连接的插接段，且相邻的插接段的外侧壁和插接凹槽的内侧壁之间通过软钢内外螺纹套筒连接，所述刚性金属套筒套设在插接段和插接凹槽连接处的外侧，且刚性金属套筒的两端分别固定在相邻两个杆体上；所述软钢内外螺纹套筒由软钢材料制成，所述软钢内外螺纹套筒的内外侧上设有使其在拉伸时发生塑性流动且不发生螺纹剪切破坏的内螺纹和外螺纹。

2.如权利要求1所述的具有让压功能的可接式长锚杆，其特征在于：所述头部让压机构包括支撑弹簧、外撑结构件和复合材料结构件，所述头部让压机构位于螺母垫板和托盘之间，所述外撑结构件套接在所述头部杆体上，所述支撑弹簧沿头部杆体的轴线方向设置在所述外撑结构件内部，所述复合材料结构件套接在所述外撑结构件的外侧，且复合材料结构件沿头部杆体的轴线方向上的厚度由中间向两端逐渐递减。

3.如权利要求2所述的具有让压功能的可接式长锚杆，其特征在于：所述外撑结构件为弹性材料制成的圆筒形结构，该圆筒内径与所述头部杆体的外径相同，所述支撑弹簧设置在该圆筒壁内部。

4.如权利要求2所述的具有让压功能的可接式长锚杆，其特征在于：所述复合材料结构件由不同层数的树脂材料组成，所述树脂材料外包裹一层纤维布层，所述树脂材料的层数由复合材料结构件的中间向两端逐渐减少。

5.如权利要求1所述的具有让压功能的可接式长锚杆，其特征在于：所述刚性金属套筒由两块中空半圆柱形的钢构件焊接而成。