CN111608709A - 一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆及支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆及支护方法，所述让压锚杆包括锚杆体和设置在锚杆体前端的树脂锚固剂，以及在锚杆体末端依次设置的让压阻尼器、W型钢带、垫板、球形螺母、六角螺母和锚杆预紧器。与现有技术相比，本发明的积极效果是：树脂锚固剂可提供足够的锚固力，使初期支护更及时，减小了围岩大变形发生的可能；锚杆的让压结构和W型钢带配合使用，提升了锚杆对软弱围岩的支护效果，减少了围岩出现大变形的情况。

Description

一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆及支护方法

技术领域

本发明涉及一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆及支护方法。

背景技术

随着我国铁路、公路隧道工程以及地下工程的飞速发展，建设在特长山岭中的隧道也日益增多，隧道的绝对埋深也越来越大，常需穿越软弱围岩区。而软弱围岩具有的高应力、地质构造复杂、本构关系复杂、膨胀性等特点，使现有支护技术对这种软弱围岩产生的支护效果不佳。现有支护技术存在以下三个问题：

⑴由于围岩比较破碎或较软，普通的机械式锚固头无法提供足够的锚固力。

⑵在锚喷联合支护中，普通锚杆柔性不足，只能对软岩起到刚性支护，没有让压功能导致支护压力过大，锚杆被拉断破坏，失去支护作用。

⑶垫板面积小，能够支护到的围岩少，未被支护的围岩易在应力作用下发生变形、塌落，在变形过程中垫板也会被围岩“吞噬”。

⑷锚杆支护是隐性支护，由于未安装测力装置，无法监测锚杆支护过程中支护力的变化，也就无法进行分析对比数据，无法得知锚杆支护的效果好坏。

⑸钢拱架与围岩直接接触，刚性支护与变形围岩之间未留有让压空间，当围岩发生前期变形时，由于未经过变形释放围岩应力，较大的围岩应力会直接破坏钢拱架，拆拱换拱等治理所耗费用、时间大大增加，严重的还会造成设备损坏和人员伤亡。

这些问题都直接影响了隧道支护的质量，进一步影响了工程整体质量、进度和建设成本。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆及支护方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆，包括锚杆体和设置在锚杆体前端的树脂锚固剂，以及在锚杆体末端依次设置的让压阻尼器、W型钢带、垫板、球形螺母、六角螺母和锚杆预紧器。

本发明还提供了一种适用于软岩大变形地下空间的支护方法，包括如下步骤：

步骤一、对隧道的开挖面喷4～6cm厚的混凝土；

步骤二、初喷后钻锚孔，钻好后用高压风清扫眼孔浮尘和积水；

步骤三、将对中帽安在锚杆体头部、将树脂锚固剂装入锚固剂支架，再将树脂锚固剂用锚杆体往锚孔底部推进；待锚杆体没入锚孔时，用连接套连接另一根锚杆体，继续推进直至树脂锚固剂到达锚孔底部；

步骤四、用带锚杆搅拌器的钻机搅拌锚杆；

步骤五、卸下锚杆搅拌器，并及时稳定锚杆体，直至树脂锚固剂固化；

步骤六、在锚杆体周围布设钢筋网；

步骤七、依次将让压阻尼器、W型钢带、垫板、环形测力器、球形螺母、锚杆预紧器装入锚杆体；

步骤八、用钻机旋拧锚杆预紧器施加预应力；

步骤九、配置速凝砂浆并通过注浆机从中空锚杆体注浆；

步骤十、第二次喷混凝土，厚度为16～18cm；

步骤十一、安装钢拱架，与第二次喷射混凝土围岩边缘保持15～17cm的间距。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

⑴树脂锚固剂可提供足够的锚固力，使初期支护更及时，减小了围岩大变形发生的可能；

⑵锚杆的让压结构和W型钢带配合使用，提升了锚杆对软弱围岩的支护效果，减少了围岩出现大变形的情况；

⑶测力传感器的使用可有利于及时掌握锚杆支护的效果，也为未来设计支护方案积累经验和提供数据支撑；

⑷钢拱架安装位置与围岩保持一定距离，留出围岩变形空间，减少了围岩变形破坏钢拱架情况的发生，节省了拆拱换拱等治理所耗费用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为让压锚杆的支护原理图；

图2为支护特性曲线与围岩特性曲线关系图；

图3为让压锚杆的结构示意图；

图4为锚固剂支架的结构示意图，其中：(1)侧视图，(2)立体图；

图5为对中帽的结构示意图，其中：(1)俯视图，(2)主视图，(3)仰视图；

图6为锚杆体和对中帽的安装示意图；

图7为W型钢带的结构示意图，其中：(1)俯视图，(2)侧视图；

图8为隧道衬砌受力示意图；

图9为锚杆整体布置示意图；

图10为锚杆在隧道纵向上的排布示意图；

图11为环形测力器的结构示意图，其中：(1)主视图，(2)左视图，(3)右视图；

图12为环形测力器与垫板和球形螺母之间的安装示意图；

图13为对中帽、树脂锚固剂、锚固剂支架与锚杆体的安装示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术中存在的缺陷设计了一种新的支护方案：针对机械锚固力不足的问题，选用树脂锚固剂可提供所需的锚固力；针对普通锚杆柔性不足，选用具有让压功能的锚杆；针对垫板支护面积小的问题，设计了W型钢带来增大支护面积；针对无法监测锚杆支护过程中支护力变化的问题，设计了环形测力器；针对变形初期钢拱架易被被坏的问题，设计钢拱架与围岩留有适当的让压行程间隙。以下结合附图对具体方案详细说明如下：

一、支护方案设计

通过物探和钻探对隧道穿越的地区进行超前地质预报，收集地质数据，包括地质构造、水文地质调查、岩土体物理力学性质、围岩等级等数据。根据数据提出初步支护方案，并建立模型进行分析演算，根据演算结果调整初步支护方案，确定最终的支护方案。

1、锚杆类型设计

对易发生大变形的隧道段落，采用让压锚杆支护。让压锚杆可提供“弱刚-柔性-强刚”支护，如图1所示。即当围岩刚开始变形时提供弱刚性支护，如图OA段；围岩继续变形时，锚杆提供的支护力为让压恒阻力，是为柔性支护，如图AB段；当围岩变形量达到设计的让压行程时，围岩应力已得到一定释放，锚杆由于限位结构，支护力迅速增大，变为强刚性支护，不再允许围岩变形，如图BC段。此时围岩变形量刚好和拱架与锚喷支护层预留间隙相等，即锚喷支护层与钢拱架外侧接触，钢拱架开始支护围岩。

这种支护形式容许围岩变形、释放地应力，降低支护压力，同时由于让压阻尼器的限位设计，约束了围岩松弛和过分变形，达到了保持隧道稳定的目的。其让压恒阻力和让压行程计算原理如图2所示。围岩与支护结构在不同位置达到平衡时，其作用在支护结构上的载荷是完全不同的：支护结构刚度大的不合理，即u₀处，此时所需支护力太大，一般无法达到；但刚度较小或者让压行程过大也不合理，因为围岩松动、坍塌后作用在支护结构上的载荷会急剧增大，即Ⅳ支护曲线。

所以，较佳的支护点应当在D点以左，临近D点处的E点；根据经验公式先确定u_limit后，再确定u_E，u_E即为让压行程，再根据公式

计算出对应的支护力P_E。其中C、γ、

为岩层的物理参数；r₀为隧道半径；H_c为隧道埋深。

P_E减去喷射混凝土提供支护力即为锚杆所需提供的让压力，再均分给每根锚杆，即为每根锚杆的让压恒阻力。

而为了达到所需的让压恒阻力，需根据公式P＝2πfI_SI_C设计让压阻尼器结构参数。其中I_c为锥体的几何参数，I_s为套管的弹性常数。他们的计算公式如下：

其中α为锥体的半锥角；h为锥体的高度；a为锥体小端直径；b为锥体大端直径；E，μ分别为套管的弹性模量与泊松比。

让压锚杆的结构如图3所示，包括：树脂锚固剂1、锚固剂支架2、对中帽3、锚杆体4、连接套5、让压阻尼器6、W型钢带7、垫板8、环形测力器9、球形螺母10、六角螺母11、锚杆预紧器12等。

2、锚固方案设计

由于围岩比较破碎或较软，普通的机械式锚固头无法提供足够的锚固力，因此选用树脂锚固剂提供锚固力。

同时为了能方便快捷的送入树脂锚固剂，设计了锚固剂支架2，其结构如图4所示，在树脂锚固剂尾部装入锚固剂支架，树脂锚固剂首尾相接。

3、锚杆体设计

隧道开挖后扰动围岩范围较大，正常支护条件下，松动圈可达(2～10)m；为了发挥锚杆的悬吊和减拱作用，只有将锚杆最大程度深入相对稳定围岩区域，锚杆才有可能提供更大支护力。根据测量出的松动圈选择合理的锚杆体长度。锚杆体4与树脂锚固剂接触一端需开出浆孔用于注浆。

由于采用让压锚杆，有让压阻尼器6；同时需要连接杆体的连接套5，因此锚孔会比普通的树脂锚杆所钻的锚孔孔径大，而让压锚杆的锚杆体长，挠度大，锚杆体头部与锚孔壁距离就会太近或者直接接触，导致包裹锚杆体的树脂锚固剂不均匀，影响锚固效果。增加对中帽3后，由于对中帽的最大外径接近锚孔尺寸，能很好贴合锚孔，从而使锚杆体居中，保持了锚杆体与锚孔壁之间缝隙大小一致，使包裹锚杆体的树脂锚固剂更均匀，锚固效果得到保证。

对中帽3结构如图5所示：头部为实心，可封闭锚杆体头部，防止树脂锚固剂倒流进入锚杆体内孔造成浪费和降低锚固效果；尾部有波形螺纹用于安装在杆体上。锚杆体4和对中帽3的安装如图6所示。

4、承载接触面方案设计

由于让压锚杆的垫板尺寸较小，能够支护到的围岩面积小，未被支护的围岩易在变形应力作用下发生变形、塌落。现设计W型钢带7配合垫板一起使用，增大支护面积，以达到充分吸收围岩释放压力的效果。并且通过W型钢带可将分散的多根锚杆连接起来形成一个整体承载结构。W型钢带的结构如图7所示，在W型钢带的两端设置下凹部，两个下凹部之间的距离等于垫板8的长度，垫板8放置在两个下凹部之间，在增大垫板支护面积的同时保证W型钢带和垫板之间的稳固安装。

5、锚杆布置设计

在围岩应力作用下，隧道顶部衬砌向隧道内变形而形成脱离区，两侧衬砌向围岩方向变形，引起围岩对衬砌的被动弹性抗力，形成抗力区，如图8所示，其中：衬砌抗力区，如图中的ab段，为了防止衬砌因变形被破坏，锚杆所布置位置也在ab段。锚杆的布置按图9和图10所示确定每环锚杆的布置方式和数量、环与环的间距。环与环错列排布，可使锚杆支护力分布更均匀。

6、锚杆支护力监测设计

在锚杆布置段的中心区域和边缘区域，选取一些锚杆，在其垫板8与球形螺母10之间加装环形测力器9，以监测锚杆支护过程中支护力的变化情况。以便通过数据分析对比锚杆支护效果的好坏，也为未来设计支护方案积累经验和提供数据支撑。环形测力器9的结构如图11所示，其与垫板8和球形螺母10之间的安装如图12所示。

二、支护过程

⑴隧道挖开后及时对开挖面喷混凝土，厚度4～6cm。

⑵初喷后钻锚孔，钻好后用高压风清扫眼孔浮尘和积水。

⑶将对中帽3安在锚杆体4头部、树脂锚固剂1装入锚固剂支架2，再将树脂锚固剂用杆体往锚孔底部推进，如图13所示。待锚杆体没入锚孔时，用连接套5连接另一根锚杆体，继续推进直至树脂锚固剂到达锚孔底部。

⑷用带锚杆搅拌器的钻机搅拌锚杆。

⑸卸下锚杆搅拌器，及时稳定杆体，等待树脂锚固剂固化，固化期间不要使杆体移位或晃动。

⑹布设钢筋网。

⑺依次装入W型钢带、垫板、让压阻尼器、环形测力器、球形螺母、锚杆预紧器。

⑻用钻机旋拧锚杆预紧器施加预应力。

⑼按比例配置砂浆并通过注浆机从中空杆体注浆。

⑽第二次喷混凝土，厚度16～18cm。

⑾安装钢拱架，与第二次喷射混凝土围岩边缘保持15～17cm的间距。

三、具体实施案例：

1、锚杆方案设计

⑴现设计让压恒阻力65kN，让压行程150cm。

⑵松动圈测得为7.5米，故锚杆体所需为9m，用连接套将两根4.5m的锚杆体连接而成。锚杆体与树脂锚固剂接触一端距离1.8m处开出浆孔用于注浆，共设两个φ6通孔，间距20cm且互相垂直。

⑶选用的树脂锚固剂直径为φ28mm，长度为500mm；型号K，凝胶时间(41-90)s，等待安装时间(90-180)s，抗压强度≥40Mpa，每根锚杆配合4袋树脂锚固剂使用，锚固长度1.2m，抗拉拔力可达100kN。

⑷W型钢带厚度3mm，宽度320mm，开孔φ50，开孔间隔160cm。

⑸每环布置10根锚杆，单侧5根，每根的环向间距为120cm；环与环纵向间距80cm，即S1为120cm，S2为160cm。

2、支护过程

⑴隧道挖开后及时对开挖面喷C20混凝土，厚度为4～6cm。

⑵初喷后钻锚孔，锚孔直径42mm，深度8.7m，钻好后用高压风清扫眼孔浮沉和积水。

⑶将对中帽安在锚杆体头部、树脂锚固剂装入锚固剂支架后放入锚孔中，再将树脂锚固剂用杆体往锚孔底部推进，待锚杆体没入锚孔时，用连接套连接另一根锚杆体，继续推进树脂锚固剂直至到达锚孔底部。

⑷用带锚杆搅拌器的钻机搅拌锚杆，搅拌时长30～40秒。

⑸卸下锚杆搅拌器，及时稳定住杆体，等待树脂锚固剂固化，等待时间为90～180秒，期间不要使杆体移位或晃动。

⑹布设钢筋网，钢筋网规格为E8-HPB235×HPB235-4200mm×1000mm。

⑺依次装入W型钢带、垫板、让压阻尼器、环形测力器、球形螺母、锚杆预紧器。

⑻用钻机旋拧锚杆预紧器施加预应力。

⑼配置速凝砂浆，砂粒选择细砂，水泥选择硅酸盐水泥。各成分按重量份数组成为：硅酸盐水泥100～120、细砂90～100、水35～45、早强剂8～12、减水剂2～6。

⑽通过中空锚杆体进行注浆。注浆压力2～3Mpa。

⑾第二次喷射C20混凝土，厚度16～18cm。

⑿安装钢拱架，与第二次所喷射混凝土保持15～17cm的间距。

Claims (10)

1.一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆，其特征在于：包括锚杆体和设置在锚杆体前端的树脂锚固剂，以及在锚杆体末端依次设置的让压阻尼器、W型钢带、垫板、球形螺母、六角螺母和锚杆预紧器。

2.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆，其特征在于：在锚杆体的前端设置锚固剂支架，所述树脂锚固剂装入锚固剂支架中。

3.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆，其特征在于：在锚杆体与树脂锚固剂接触一端开有出浆孔。

4.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆，其特征在于：在锚杆体的头部设置对中帽。

5.根据权利要求4所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆，其特征在于：所述对中帽头部为实心，尾部有波形螺纹。

6.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆，其特征在于：在所述W型钢带的两端设置下凹部，两个下凹部之间的距离等于垫板的长度，所述垫板放置在两个下凹部之间。

7.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆，其特征在于：在所述垫板与球形螺母之间设置环形测力器。

8.一种适用于软岩大变形地下空间的支护方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、对隧道的开挖面喷4～6cm厚的混凝土；

步骤二、初喷后钻锚孔，钻好后用高压风清扫眼孔浮尘和积水；

步骤三、将对中帽安在锚杆体头部、将树脂锚固剂装入锚固剂支架，再将树脂锚固剂用锚杆体往锚孔底部推进；待锚杆体没入锚孔时，用连接套连接另一根锚杆体，继续推进直至树脂锚固剂到达锚孔底部；

步骤四、用带锚杆搅拌器的钻机搅拌锚杆；

步骤五、卸下锚杆搅拌器，并及时稳定锚杆体，直至树脂锚固剂固化；

步骤六、在锚杆体周围布设钢筋网；

步骤七、依次将让压阻尼器、W型钢带、垫板、环形测力器、球形螺母、锚杆预紧器装入锚杆体；

步骤八、用钻机旋拧锚杆预紧器施加预应力；

步骤九、配置速凝砂浆并通过注浆机从中空锚杆体注浆；

步骤十、第二次喷混凝土，厚度为16～18cm；

步骤十一、安装钢拱架，与第二次喷射混凝土围岩边缘保持15～17cm的间距。

9.根据权利要求8所述的一种适用于软岩大变形地下空间的支护方法，其特征在于：锚杆在衬砌抗力区的布置方式为：每环布置10根锚杆，单侧5根，每根的环向间距为120cm；环与环纵向间距80cm，环与环错列排布。

10.根据权利要求8所述的一种适用于软岩大变形地下空间的支护方法，其特征在于：所述速凝砂浆按重量份数组成为：硅酸盐水泥100～120、细砂90～100、水35～45、早强剂8～12、减水剂2～6。

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