CN112211656B - 一种预应力恒阻注浆锚杆装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种一种预应力恒阻注浆锚杆装置及工作方法，涉及锚杆支护领域，包括锚杆和套设在锚杆外部的套筒，套筒与锚杆之间设有锁具，锁具外圆周面与套筒内圆周壁通过螺纹配合，锁具内圆周面与锚杆转动配合，锚杆上通过螺纹配合有螺母，螺母通过轴承抵接在锁具一端面，锁具相对于套筒沿轴向移动以适应套筒与锚杆的相对位置变化，在支护初期利用锚杆注浆大幅改善岩土体的稳定性，且预应力的施加会压紧可能产生滑动的岩土体，以增大滑动面的抗剪强度，锁具配合套筒形成的恒阻结构可以在预应力被完全释放之后发挥作用，因此能较好的适应于围岩的大变形，并且能延长恒阻锚杆的使用寿命。

Description

一种预应力恒阻注浆锚杆装置及工作方法

技术领域

本公开涉及锚杆支护领域，特别涉及一种预应力恒阻注浆锚杆装置及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

随着岩土工程锚固支护技术的不断发展，锚杆凭借着能提高围岩稳定性、改善工作环境以及支护成本低、施工操作简便等优点，被广泛应用到隧道、边坡以及煤矿巷道等工程领域。由于目前城市地铁、市政管线以及地下商场的施工建设，使得浅层地下可利用的空间越来越有限，因此隧道工程、巷道工程正朝着高埋深的方向发展。埋深的增大常伴随有高地应力、岩爆以及围岩变形过大等施工风险，会使施工人员的安全受到严重威胁。在隧道施工初期支护时，常会利用锚杆进行支护。而普通的预应力锚杆或注浆锚杆，由于材料变形能力的限制，当围岩产生过大变形时即会出现锚杆拉断、锚头损坏等问题。

发明人发现，目前针对围岩的大变形问题，采用挤压化学材料方式的恒阻力注浆锚杆，会在螺母和化学材料层表面形成恒定的摩擦阻力，以此来达到恒阻让压的目的，且该恒阻锚杆为中空结构，可以通过注浆来提高围岩的稳定性。该装置存在的问题是：当软弱或破碎的地层初期发生大变形时，由于锚杆没有施加预应力，因此恒阻力在变形初期会直接发挥作用，降低了锚杆的使用寿命。由于化学材料层介于套筒和中空锚杆之间，因此在尺寸要求上较为严格，且化学材料层的制作和养护会增加施工难度；另一种丝杠结构的锚杆，为了解决抗冲击锚杆、普通恒阻锚杆、柔性锚杆在大变形过程中支护阻力不易控制、变化幅度大等问题，该恒阻锚杆采用了丝杠结构原理，利用内旋式锁具的回转退缩实现变形过程中的阻力恒定，具有支护力恒定、工作状态稳定的特点。该装置存在的问题是：当围岩情况整体性和稳定性较差时，由于锚杆不能注浆，因此仅利用锚固剂提供初锚力可能不够。且当岩土体较破碎时，由于没有施加预应力，因此围岩的变形能量不能被吸收，而是直接利用恒阻装置进行释放，缩短了恒阻锚杆的使用寿命。由于在让压过程中会对筒式托盘和内螺旋式锁具之间滚珠轴承造成较大的挤压力，因此轴承的下表面与内螺旋式锁具的上表面之间会产生较大的摩擦阻力而限制内螺旋式锁具的转动，因此内旋式锁具容易被压坏而失效；现有技术中的恒阻锚杆均不能有效满足大变形围岩的稳定性需求。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种预应力恒阻注浆锚杆装置及工作方法，在支护初期利用锚杆注浆大幅改善岩土体的稳定性，且预应力的施加会压紧可能产生滑动的岩土体，以增大滑动面的抗剪强度，锁具配合套筒形成的恒阻结构可以在预应力被完全释放之后发挥作用，因此能较好的适应于围岩的大变形，并且能延长恒阻锚杆的使用寿命。

本公开的第一目的是提供一种预应力恒阻注浆锚杆装置，采用以下技术方案：

包括锚杆和套设在锚杆外部的套筒，套筒与锚杆之间设有锁具，锁具外圆周面与套筒内圆周壁通过螺纹配合，锁具内圆周面与锚杆转动配合，锚杆上通过螺纹配合有螺母，螺母通过轴承抵接在锁具的一个端面，锁具相对于套筒沿轴向移动以适应套筒与锚杆的相对位置变化；

当发生恒阻变形时，套筒与托盘会整体产生向隧道开挖方向的移动，而锁具、滚珠垫块、螺母的相对位置并未发生变化。

进一步地，所述套筒一端连接有托盘，托盘上设有通孔，套筒一端与托盘通孔同轴对接连通，托盘用于固定在岩体表面。

进一步地，所述套筒为一端开口、另一端封堵的筒状结构，锚杆与套筒同轴布置且穿过套筒封堵端。套筒整体固定在围岩预设的钻孔内，与围岩固定。

进一步地，所述锁具为空心圆柱结构，外圆周面通过螺纹配合套筒，用于通过转动改变与套筒的相对位置。

进一步地，所述锁具端面设有环形滚珠槽，螺母与锁具之间布置有垫块，垫块与环形滚珠槽之间填充有滚珠，垫块、滚珠和环形滚珠槽配合形成轴承。也可以采用现有的平面推力球轴承代替。

进一步地，所述螺母配合锚杆将垫块抵压在滚珠上，使锚杆与锁具形成转动连接。

进一步地，所述锚杆为空心杆件，一端封堵且形成锥形尖端，另一端穿过锁具形成连通锚杆内部的开口，锚杆侧壁上设有连通锚杆内部的注浆孔。

进一步地，所述注浆孔有多个，沿锚杆轴向间隔布置。

本公开的第二目的是提供一种如上所述的预应力恒阻注浆锚杆装置的工作方法，包括以下步骤：

在岩面钻孔并对布置套筒的位置进行扩孔，将锚杆置入钻孔内，尾端位于钻孔外；

向钻孔内注浆固定锚杆，并在扩孔位置安装套筒，使锚杆与套筒同轴布置；安装锁具，使锁具外圆周面通过螺纹配合套筒内圆周面，锁具内圆周面与锚杆外圈转动连接；

依次安装轴承和螺母，螺母配合锚杆将轴承抵压在锁具端面上，施加预应力张拉锚杆，并拧紧螺母。

进一步地，在围岩发生变形克服锁具与套筒之间螺纹配合的静摩擦力时，锁具相对于套筒转动改变锁具与套筒的相对位置，以吸收变形量。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)在支护初期利用锚杆注浆大幅改善岩土体的稳定性，且预应力的施加会压紧可能产生滑动的岩土体，以增大滑动面的抗剪强度，锁具配合套筒形成的恒阻结构可以在预应力被完全释放之后发挥作用，因此能较好的适应于围岩的大变形，并且能延长恒阻锚杆的使用寿命；

(2)利用锁具配合套筒形成恒阻结构，在围岩发生大变形时，锁具能够相对与围岩发生移动，从而使得围岩形变减少对锚杆固定强度的影响，保证了锚杆对地层地质条件的有利改善，且避免围岩变形时损坏锚杆的问题；

(3)施加预应力，对围岩可能发生的形变进行预先抵消，结合可旋转的锁具提供的支护阻力，对围岩进行稳定支撑，工作状态可靠；

(4)在可旋转式锁具与滚珠垫块之间设置有滚珠及转动轨道，因此能实现转动时阻力较小且能防止滚珠应力集中。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2中锚杆装置的整体结构示意图；

图2为本公开实施例1、2中锁具与套筒的配合示意图；

图3为本公开实施例1、2中垫块与滚珠、螺母的配合示意图；

图4是本公开实施例1、2中锁具与滚珠的相对位置示意图。

图中，1-杆体；2-锁具；3-垫块；4-螺母；5-托盘；6-套筒；7-注浆孔；8-套筒内螺纹；9-滚珠。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅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设备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公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中恒阻锚杆并不能有效满足大变形围岩的稳定性需求；针对上述问题，本公开提出了一种预应力恒阻注浆锚杆装置及工作方法。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图4所示，提出了一种预应力恒阻注浆锚杆装置。

主要包括锚杆、套筒6、锁具2和锁紧螺母4，锚杆布置在围岩钻孔内，在钻孔内注浆后对围岩进行稳定，套筒套设在锚杆外部，固定在围岩钻孔端部，筒与锚杆之间设有锁具，锁具外圆周面与套筒内圆周壁通过螺纹配合，锁具内圆周面与锚杆转动配合；

对于锁具的固定，锚杆上通过螺纹配合有螺母，螺母通过轴承抵接在锁具一端面，螺母的锁紧力与螺母抵压力共同将锁具相对于锚杆的位置固定；

锁具相对于套筒沿轴向移动以适应套筒与锚杆的相对位置变化，在本实施例中，当围岩发生松动时，套筒与托盘相对于锁具和锚杆沿隧道开挖方向移动。

具体的，套筒连接固定在围岩岩体的钻孔内，且位于钻孔的开口端，为了提高套筒与围岩岩体的连接强度，在围岩表面还设有托盘5，托盘上布置有通孔，套筒一端与托盘通孔同轴对接连通；

使得套筒与托盘连接，从套筒径向和轴向上均实现与岩体的稳定连接。

对于套筒的结构，其主体为两端开口的筒状结构，一端开口朝向钻孔外部，另一端封堵，并使得锚杆穿过该封堵部分进入钻孔内部；

锚杆与套筒同轴布置且穿过套筒封堵端。套筒整体固定在围岩预设的钻孔内，与围岩固定。

可以理解的是，对于套筒的封堵一端，其可以预设配合锚杆的通孔，通孔直径与锚杆直径相同，使其形成滑动连接；

套筒具有一定的厚度，满足牵拉时的支撑强度需求，在套筒的内壁上设置有内螺纹，与锁具外圆周面上的外螺纹配合。

对于锁具，其整体为轴线位置带有轴向通孔的空心圆柱结构，中心圆孔供锚杆穿过，并与锚杆形成转动连接，锁具能够绕锚杆轴线相对于锚杆转动，作为可旋转式锁具；

其外圆周面上设有与套筒内螺纹8相匹配的外螺纹，螺纹的角度和间距根据具体工程确定，选择合适的螺纹角度及间距即可。

进一步地，为了使得锁具能够更好的出力，并使得锁具与锚杆独立转动，锁具端面设有环形滚珠槽，螺母与锁具之间布置有垫块3，垫块与环形滚珠槽之间填充有滚珠9，垫块、滚珠和环形滚珠槽配合形成轴承。

当然，可以理解的是，也可以采用现有的平面推力球轴承代替，能够满足锁具对抵接压力的需求即可。

在可旋转式锁具与滚珠垫块之间设置有滚珠及转动轨道，因此能实现转动时阻力较小且能防止滚珠应力集中。

所述螺母配合锚杆将垫块抵压在滚珠上，使锚杆与锁具形成转动连接，滚珠设置在可旋转式锁具与滚珠垫块接触面之间，并且可以在两者接触面的预留轨道上进行转动；

当预应力施加完成后，通过拧紧螺母来提供预紧力。

利用锁具配合套筒形成恒阻结构，在围岩发生大变形时，锁具能够相对与围岩发生移动，从而使得围岩形变减少对锚杆固定强度的影响，保证了锚杆对地层地质条件的有利改善，且避免围岩变形时损坏锚杆的问题。

对于锚杆结构，锚杆为中空杆体1，一端封堵且形成锥形尖端，另一端穿过锁具形成连通锚杆内部的开口，锚杆侧壁上设有连通锚杆内部的注浆孔7；

所述注浆孔有多个，沿锚杆轴向间隔布置。

利用锚杆作为注浆管道，节省了将注浆管置入钻孔内的步骤，锚杆上注浆孔在注浆完毕后，能够配合锚杆内和锚杆外形成销结构，提高锚杆与钻孔的连接强度，从而提高对围岩的稳性能力。

实施例2

本公开的另一典型实施方式中，如图1-图4所示，提出了一种如实施例1中所述的预应力恒阻注浆锚杆装置的工作方法。

包括以下步骤：

在岩面钻孔并对布置套筒的位置进行扩孔，将锚杆置入钻孔内尾端位于钻孔外；

向钻孔内注浆固定锚杆，并在扩孔位置安装套筒，使锚杆与套筒同轴布置；安装锁具，使锁具外圆周面通过螺纹配合套筒内圆周面，锁具内圆周面与锚杆外圈转动连接；

依次安装轴承和螺母，螺母配合锚杆将轴承抵压在锁具端面上，施加预应力张拉锚杆，并拧紧螺母；

在围岩发生变形克服锁具与套筒之间螺纹配合的静摩擦力时，锁具相对于套筒转动改变锁具与套筒的相对位置，以吸收变形量。

当发生恒阻变形时，套筒与托盘会整体产生向隧道开挖方向的移动，而锁具、滚珠垫块、螺母的位置并未发生变化。

具体的，结合附图，对其安装过程及工作方法进行详细描述：

第一步，在岩面钻孔并在套筒设计位置扩孔；

第二步，放置锚杆，将锚杆插入到设计深度；

第三步，锚杆注浆，将制备好的浆液利用中空杆体上的注浆孔泵送到岩体中；

第四步，安装套筒，将套筒放置在预留位置；

第五步，安装托盘，托盘与套筒采用固定连接；

第六步，安装可旋转式锁具，将锁具穿过锚杆并与套筒的螺纹啮合；

第七步，安装滚珠及滚珠垫块，将滚珠置于预留轨道中并及时采用滚珠垫块压紧；

第八步，安装螺母并施加预应力，预应力施加前将螺母套设在锚杆上但不进行旋拧，待预应力张拉完毕后，通过拧紧螺母来实现预紧。

具体施工时，可在岩面钻孔并将空心杆体1插入地层后，利用注浆泵把制备好的浆液通过中空杆体1和注浆孔7注入到地层中，以此来改善围岩的稳定性。

当浆液凝结硬化并满足施工条件后，依次安装套筒6、托盘5、可旋转式锁具2、滚珠9和滚珠垫块3。

在预应力施加前，螺母4套设在中空杆体1上但不进行旋拧。当预应力施加完成后，可利用锚杆张拉机具对杆体1进行张拉，张拉长度根据具体工程而定，最后进行螺母4的拧紧工作。

围岩前期的变形主要是通过预应力来提供支护，当发生大变形时，预应力得到完全释放，在预应力完全释放后，可旋转式锁具2的自锁特性会提供阻力，该阻力主要来源于可旋转式锁具2与套筒6螺纹间的静摩阻力。

当围岩压力小于可旋转式锁具2的自锁力时，整个装置处于静止状态。而当围岩压力大于可旋转式锁具2的自锁力时，套筒6与托盘5会整体产生向隧道开挖方向的移动，而可旋转式锁具2、滚珠垫块3、螺母4并未移动。

当围岩压力由于释放变小并小于可旋转式锁具2提供的自锁力时，整个装置又重新回到静止状态。此预应力恒阻注浆锚杆在可旋转式锁具2即将到达套筒6一端较小的开口时，即达到最变形量。

施加预应力，对围岩可能发生的形变进行预先抵消，结合可旋转的锁具提供的支护阻力，对围岩进行稳定支撑，工作状态可靠。

.在支护初期利用锚杆注浆大幅改善岩土体的稳定性，且预应力的施加会压紧可能产生滑动的岩土体，以增大滑动面的抗剪强度，锁具配合套筒形成的恒阻结构可以在预应力被完全释放之后发挥作用，因此能较好的适应于围岩的大变形，并且能延长恒阻锚杆的使用寿命。

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

Claims (9)

1.一种预应力恒阻注浆锚杆装置，其特征在于，包括锚杆和套设在锚杆外部的套筒，套筒与锚杆之间设有锁具，锁具外圆周面与套筒内圆周壁通过螺纹配合，锁具内圆周面与锚杆转动配合，锚杆上通过螺纹配合有螺母，螺母通过轴承抵接在锁具一端面，锁具相对于套筒沿轴向移动以适应套筒与锚杆的相对位置变化，所述锁具端面设有环形滚珠槽，螺母与锁具之间布置有垫块，垫块与环形滚珠槽之间填充有滚珠，垫块、滚珠和环形滚珠槽配合形成轴承，在可旋转式锁具与滚珠垫块之间设置有滚珠及转动轨道，因此能实现转动时阻力较小且能防止滚珠应力集中。

2.如权利要求1所述的预应力恒阻注浆锚杆装置，其特征在于，所述套筒一端连接有托盘，托盘上设有通孔，套筒一端与托盘通孔同轴对接连通，托盘用于固定在岩体表面。

3.如权利要求1所述的预应力恒阻注浆锚杆装置，其特征在于，所述套筒为一端开口、另一端封堵的筒状结构，锚杆与套筒同轴布置且穿过套筒封堵端。

4.如权利要求1所述的预应力恒阻注浆锚杆装置，其特征在于，所述锁具为空心圆柱结构，外圆周面通过螺纹配合套筒，用于通过转动改变与套筒的相对位置。

5.如权利要求1所述的预应力恒阻注浆锚杆装置，其特征在于，所述螺母配合锚杆将垫块抵压在滚珠上，使锚杆与锁具形成转动连接。

6.如权利要求1所述的预应力恒阻注浆锚杆装置，其特征在于，所述锚杆为空心杆件，一端封堵且形成锥形尖端，另一端穿过锁具形成连通锚杆内部的开口，锚杆侧壁上设有连通锚杆内部的注浆孔。

7.如权利要求6所述的预应力恒阻注浆锚杆装置，其特征在于，所述注浆孔有多个，沿锚杆轴向间隔布置。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的预应力恒阻注浆锚杆装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

在岩面钻孔并对布置套筒的位置进行扩孔，将锚杆置入钻孔内尾端位于钻孔外；

向钻孔内注浆固定锚杆，并在扩孔位置安装套筒，使锚杆与套筒同轴布置；

安装锁具，使锁具外圆周面通过螺纹配合套筒内圆周面，锁具内圆周面与锚杆外圈转动连接；

依次安装轴承和螺母，螺母配合锚杆将轴承抵压在锁具端面上，施加预应力张拉锚杆，并拧紧螺母。

9.如权利要求8所述的工作方法，其特征在于，套筒与岩体固定，在围岩发生变形克服锁具与套筒之间螺纹配合的静摩擦力时，锁具相对于套筒转动改变锁具与套筒的相对位置，以吸收变形量。

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