CN113090311B - 基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆，包括锚杆，锚杆一端外表面套设有止浆塞和垫板，锚杆另一端套设有套管，套管内设置有联结电磁体；联结电磁体通过导线与电源控制台电连接；该装置解决了现有技术在对仰孔裂缝进行锚固支护施工时，由于收到反向重力影响，注浆难以有效在裂隙内形成锚固体，从而影响锚杆底部与边壁粘连度，使锚固效果不佳的问题，具有可通过电磁体与注浆料进行磁力吸附，从而增加注浆孔洞底部的密实度和引孔边壁粘连度，提高锚固强度，且可以通过回收电磁体，从而实现循环利用，节约锚杆支护中的成本，使反重力注浆的成本、效率和效果均大幅提升的特点。
Description
技术领域
本发明属于锚杆支护技术领域，特别涉及一种基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆及施工方法。
背景技术
在隧道、水电站的泄洪洞等地下施工中存在大量仰孔裂缝，在实际工程中注浆常常不能够避免空隙的产生，需要通过锚杆技术对这类裂缝进行加固支护；现有的锚杆支护技术应用于仰孔施工时，往往收到反重力影响，使注浆容易流出，且容易使锚杆底部(锚头)与边壁粘连度的稳定性大幅降低；为了增强锚头的稳定性，本发明设计出一种通过增大锚头砂浆密实度与边壁粘连度从而增大锚头稳定性的一种电磁锚杆；实际工程中电磁体成本较高，故从锚杆本身的组成、以及电磁线组的联结方式进行了设计，设计出一种基于电磁吸力的可回收电磁体的注浆锚杆；从而实现一种通过电磁体吸附磁性砂浆增大锚孔底部砂浆密实度，引孔边壁磁吸引层吸附磁性砂浆增加引孔边壁粘连度，又方便回收电磁体的仰孔式注浆锚杆及施工方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆及施工方法，该装置解决了现有技术在对仰孔裂缝进行锚固支护施工时，由于收到反向重力影响，注浆难以有效在裂隙内形成锚固体，从而影响锚杆底部与边壁粘连度，使锚固效果不佳的问题，具有可通过电磁体与注浆料进行磁力吸附，从而增加注浆孔洞底部的密实度和引孔边壁粘连度，提高锚固强度，且可以通过回收电磁体，从而实现循环利用，节约锚杆支护中的成本，使反重力注浆的成本、效率和效果均大幅提升的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆，包括锚杆，锚杆一端外表面套设有止浆塞和垫板，锚杆另一端套设有套管，套管内设置有联结电磁体；联结电磁体通过导线与电源控制台电连接。
优选地，锚杆为两端开口的中空玻璃纤维锚杆；锚杆设置止浆塞的一端开设有外螺纹与紧固螺母配合，垫板设置在紧固螺母和止浆塞之间；锚杆直径根据裂隙大小进行相应的选择；垫板表面开设有注浆孔和引线孔。
优选地，套管包括套接端和多个锚固端，套接端一端开口与锚杆端部套接，多个锚固端为呈一定夹角的分叉结构。
进一步地，套管选用硅胶浇模制成的硅胶套管；锚固端优选为三个分叉的三叉结构。
优选地，联结电磁体包括多个通过联结线串接的铁芯，铁芯外表面套设有线圈，线圈通过导线与电源控制台电连接；线圈和导线均采用绝缘聚酯漆包铜丝线，联结线采用软钢丝线。
优选地，套管内壁开设有多条线槽，导线和联结线独立设置在不同线槽内；套管内壁涂覆有润滑剂；润滑剂优选凡士林，以减小联结电磁体与硅胶套管内壁的摩擦力，便于联结电磁体的回收；线槽可避免回收时联结线与导向纠缠导致无法依次拉出多个串接的铁芯的问题。
优选地，电源控制台包括并联设置的直流电源和交流电源组成的控制电路，控制电路内串联有总开关、滑动变阻器和电流表。
所述电源控制台包括控制电路中串联的磁力显示表；电源控制台还包括磁场变化显示器，磁场变化显示器内置的磁力传感器连接在联结电磁体表面；磁场变化显示器优选型号为MG-BTA的磁场传感器。
优选地，上述基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆的施工方法包括以下步骤：
S1，在仰孔式裂缝处采用螺旋转进方法钻出锯齿状引孔，在引孔内壁涂刷引孔边壁磁吸引层；然后将锚杆设置在所述引孔内，使套管的锚固端一端设置在引孔的底部；将锚杆另一端的止浆塞和垫板套接固定；
S2，打开总开关，打开直流电源，关闭交流电源，使联结电磁体通磁；用高压喷射注浆机向引孔与锚杆之间的间隙内注入磁性砂浆，由于磁性砂浆与联结电磁体以及引孔边壁磁吸引层发生磁力作用，从而使磁性砂浆不会因重力而流出，可以形成锚固体；在浇筑完磁性砂浆后，联结电磁体吸附磁性砂浆，此时联结电磁体产生大小为B的合磁场，使垫板在锚杆的外部施加大小为N的预应力，通过垫板施加的预应力对锚杆进行自固定，避免锚杆和砂浆在磁性砂浆凝结前滑脱；
S3，在注浆过程中联结电磁体吸附磁性砂浆，通过滑动变阻器实时调整联结电磁体的磁力大小，用以改变锚杆的受力大小；且同时打开磁力显示表和磁场变化显示器的开关，观察联结电磁体产生的磁力大小以及磁场变化；
S4，注浆完成后，关闭直流电源，打开交流电源，通过交流电源改变电路中电流的大小和方向，实现电磁振荡，从而减小磁性砂浆的孔隙率，提高砂浆密度以提高锚固体成型后的强度；
S5，待锚固体凝结后，回收联结电磁体：断开电路总开关，使联结电磁体消除磁性，拉出联结线，使联结电磁体依次从中空锚杆内拉出，完成联结电磁体的回收，套管不回收；
S6，将联结电磁体拉出回收后，再用高压喷射注浆机向中空锚杆和套管中注入磁性砂浆，最后将锚杆端部以及垫板表面的注浆孔和引线孔封堵，注浆完成。
优选地，磁性砂浆由水泥、水、磁性粉料和胶凝剂按比例配制而成，磁性砂浆可以被联结电磁体吸附降低流动性。
优选地，引孔边壁磁吸引层由油性环氧树脂和磁粉按比例混合而成，混合料镀刷在引孔边壁形成引孔边壁磁吸引层；磁粉选用四氧化三铁粉末。
本发明的有益效果为：
1、通过联结电磁体和引孔边壁磁吸引层吸附磁性砂浆的作用，增大锚头密实度和引孔边壁粘连度，提高锚固强度；
2、本发明是电磁感应作用的电磁体，可通过总开关的开闭对电磁体的磁场有无进行控制，实现了回收电磁体的可行性；
3、引孔边壁磁吸引层由油性环氧树脂和磁粉(四氧化三铁粉)按照一定的比例配制而成，并镀刷在引孔边壁上，其形状可自行适应引孔边壁形状，且可操作性高，成本比较低；
4、采用螺旋转进方法钻出锯齿状引孔，增加了引孔边壁磁吸引层的布置面积，从而增加了引孔边壁磁吸引层磁场影响范围，增加了磁性砂浆的可吸附量；
5、采用磁性砂浆与电磁体和引孔边壁磁吸引层的吸附实现了仰孔式裂缝注浆的可行性，实现了反重力式注浆，克服了一般仰孔所注普通浆液因重力而流出的难题；
6、通过联结电磁线圈组的联结方式和硅胶套管的设计，可通过拉联结线将联结电磁体拉出进行回收，从而实现循环利用，节约锚杆支护中的成本；
7、本发明是电磁感应作用的电磁体，可通过交流电源控制电路中电流的大小和方向实现电磁振荡，将仰孔式裂缝中的气体排出减小磁性砂浆的孔隙率，若裂缝中有水还可将其中的水排出，提高砂浆强度；
8、设计的硅胶套管可避免联结电磁体与磁性砂浆直接接触，导致磁性砂浆与联结电磁体连连阻碍其回收；
9、通过在硅胶套管内壁涂凡士林进行润滑，以减小联结电磁体与硅胶套管内壁的摩擦力，便于联结电磁体的回收；
10、通过在硅胶套管中刻有线槽，联结线与导线依次位于所设线槽中，避免在回收联结电磁体时因联结线与导线打结卡住而无法回收；
11、通过调节可变电阻来改变电路的电流大小，从而控制联结电磁体磁力大小及磁场变化。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明仰孔式裂缝修复前示意图。
图3为本发明引孔示意图。
图4为本发明联结电磁体回收后及修复后示意图。
图5为本发明仰孔式注浆锚杆所附组件结构示意图。
图6为本发明可回收电磁体所附组件结构示意图。
图7为本发明联结电磁体结构示意图。
图8为本发明套管结构示意图。
图9为本发明磁场及受力原理示意图。
图中：锚杆1，止浆塞2，垫板3，螺母4，套管5，线槽6，联结电磁体8，铁芯81，线圈82，联结线83，导线84，直流电源9，交流电源10，总开关11，滑动变阻器12，电流表13，磁力显示表14，磁场变化显示器15，磁性砂浆16，岩土体17，仰孔式裂缝18，引孔19，引孔边壁磁吸引层20。
具体实施方式
实施例1：
如图1～图9中，一种基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆，包括锚杆1，锚杆1一端外表面套设有止浆塞2和垫板3，锚杆1另一端套设有套管5，套管5内设置有联结电磁体8；联结电磁体8通过导线84与电源控制台电连接。
优选地，锚杆1为两端开口的中空玻璃纤维锚杆1；锚杆1设置止浆塞2的一端开设有外螺纹与紧固螺母4配合，垫板3设置在紧固螺母4和止浆塞2之间；锚杆1直径根据裂隙大小进行相应的选择；垫板3表面开设有注浆孔和引线孔，引线孔用于穿过传感器的线缆。
优选地，套管5包括套接端和多个锚固端，套接端一端开口与锚杆1端部套接，多个锚固端为呈一定夹角的分叉结构。
进一步地，套管5选用硅胶浇模制成的硅胶套管5；锚固端优选为三个分叉的三叉结构；各个锚固端与水平方向的夹角α满足45°＜α＜60°，既兼顾了一定张开角度，使锚固更加紧密，又确保了铁芯81不会由于张开角度过大导致难以拉出。
优选地，联结电磁体8包括多个通过联结线83串接的铁芯81，铁芯81外表面套设有线圈82，线圈82通过导线84与电源控制台电连接；线圈82和导线84均采用绝缘聚酯漆包铜丝线，联结线83采用软钢丝线；安装时，分叉结构的每个锚固端内设置一个铁芯81；回收时，拉动联结线83，最上方的铁芯81先拉出，后续铁芯81依次拉出，可避免多个铁芯81在锚杆1内堵塞。
优选地，套管5内壁开设有多条线槽6，导线84和联结线83独立设置在不同线槽6内；套管5内壁涂覆有润滑剂；润滑剂优选凡士林，以减小联结电磁体8与硅胶套管5内壁的摩擦力，便于联结电磁体8的回收；线槽6可避免回收时联结线83与导向纠缠导致无法依次拉出多个串接的铁芯81的问题。
优选地，电源控制台包括并联设置的直流电源9和交流电源10组成的控制电路，控制电路内串联有总开关11、滑动变阻器12和电流表13。
所述电源控制台包括控制电路中串联的磁力显示表14；电源控制台还包括磁场变化显示器15，磁场变化显示器15内置的磁力传感器连接在联结电磁体8表面；磁场变化显示器15优选型号为MG-BTA的磁场传感器。
实施例2：
上述可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆的磁场磁力原理包括以下内容：
如图9，可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆1锚头的合磁场分布，三节电磁体分别产生沿着“各叉”方向的磁场分布，三个分磁场的合磁场沿着注浆锚杆1方向。根据电磁感应原理，直流电产生的磁感应强度B的计算公式为：
式中：B为磁感应强度，单位为Wb/m2；
Φ为感应磁通，单位为Wb；
N为励磁线圈82的匝数；
Ae为电磁体的有效截面积，单位为m2。
根据电磁感应原理，电磁体吸力F的计算公式为：
式中：F为电磁体吸力，单位为N；
B为磁感应强度，单位为Wb/m2；
μ0为真空导磁率，其值为4π*10-7Wb/A·m；
S为电磁体截面积，单位为m2。
进一步的，由于联结电磁体8产生的电磁场而产生的电磁体吸力作用，可以将高压喷射注浆机注射的磁性砂浆16进行吸附，实现了反重力式注浆。可根据引孔19的大小接入不同大小的直流电压，从而获得不同大小的电磁场，进而获得不同大小的电磁体吸力。
进一步的，在进行试验的时候，通过接入不同大小的直流电压，联结电磁体8的磁力大小及磁场影响范围具有比较显著的区别；例如，接入50V的直流电压，单根联结电磁体8(直径为3cm)吸附的磁性浆液直径大概为8cm，接入100V的直流电压，单根联结电磁体8(直径为3cm)吸附的磁性浆液直径大概为12cm。
实施例3：
优选地，上述基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆的施工方法包括以下步骤：
S1，在仰孔式裂缝18处采用螺旋转进方法钻出锯齿状引孔19，在引孔19内壁涂刷引孔边壁磁吸引层20；然后将锚杆1设置在所述引孔19内，使套管5的锚固端一端设置在引孔19的底部；将锚杆另一端的止浆塞和垫板套接固定；
S2，打开总开关11，打开直流电源9，关闭交流电源10，使联结电磁体8通磁；用高压喷射注浆机向引孔19与锚杆1之间的间隙内注入磁性砂浆16，由于磁性砂浆16与联结电磁体8以及引孔边壁磁吸引层20发生磁力作用，从而使磁性砂浆16不会因重力而流出，可以形成锚固体；在浇筑完磁性砂浆16后，联结电磁体8吸附磁性砂浆16，此时联结电磁体8产生大小为B的合磁场，使垫板3在锚杆1的外部施加大小为N的预应力，通过垫板3施加的预应力对锚杆1进行自固定，避免锚杆1在磁性砂浆16凝结前滑脱；
S3，在注浆过程中联结电磁体8吸附磁性砂浆16，通过滑动变阻器12实时调整联结电磁体8的磁力大小，用以改变锚杆1的受力大小；且同时打开磁力显示表14和磁场变化显示器15的开关，观察联结电磁体8产生的磁力大小以及磁场变化；
S4，注浆完成后，关闭直流电源9，打开交流电源10，通过交流电源10改变电路中电流的大小和方向，实现电磁振荡，从而减小磁性砂浆16的孔隙率，提高砂浆密度以提高锚固体成型后的强度；
S5，待锚固体凝结后，回收联结电磁体8：断开电路总开关11，使联结电磁体8消除磁性，拉出联结线83，使联结电磁体8依次从中空锚杆1内拉出，完成联结电磁体8的回收，套管5不回收；
S6，将联结电磁体8拉出回收后，再用高压喷射注浆机向中空锚杆1和套管5中注入磁性砂浆16，最后将锚杆1端部以及垫板3表面的注浆孔和引线孔封堵，注浆完成。
优选地，磁性砂浆16由水泥、水、磁性粉料和胶凝剂按比例配制而成，磁性砂浆16可以被联结电磁体8吸附降低流动性。
优选地，引孔边壁磁吸引层20由油性环氧树脂和磁粉按比例混合而成，混合料镀刷在引孔19边壁形成引孔边壁磁吸引层20；磁粉选用四氧化三铁粉末。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆，其特征在于：包括锚杆（1），锚杆（1）一端外表面套设有止浆塞（2）和垫板（3），锚杆（1）另一端套设有套管（5），套管（5）内设置有联结电磁体（8）；联结电磁体（8）通过导线（84）与电源控制台电连接；电源控制台包括并联设置的直流电源（9）和交流电源（10）组成的控制电路，控制电路内串联有总开关（11）、滑动变阻器（12）和电流表（13）；电源控制台包括控制电路中串联的磁力显示表（14）；电源控制台还包括磁场变化显示器（15），磁场变化显示器（15）内置的磁力传感器连接在联结电磁体（8）表面；所述联结电磁体（8）包括多个通过联结线（83）串接的铁芯（81），铁芯（81）外表面套设有线圈（82），线圈（82）通过导线（84）与电源控制台电连接；
上述基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆的施工方法，包括以下步骤：
S1，在仰孔式裂缝（18）处采用螺旋钻进方法钻出锯齿状引孔（19），在引孔（19）内壁涂刷引孔边壁磁吸引层（20）；然后将锚杆（1）设置在所述引孔内，使套管（5）的锚固端（52）一端设置在引孔（19）的底部；将锚杆（1）另一端的止浆塞（2）和垫板（3）套接固定；
S2，打开总开关（11），打开直流电源（9），关闭交流电源（10），使联结电磁体（8）通磁；用高压喷射注浆机向引孔（19）与锚杆（1）之间的间隙内注入磁性砂浆（16），由于磁性砂浆（16）与联结电磁体（8）以及引孔边壁磁吸引层（20）发生磁力作用，从而使磁性砂浆（16）不会因重力而流出，可以形成锚固体；在浇筑完磁性砂浆（16）后，联结电磁体（8）吸附磁性砂浆（16），此时联结电磁体（8）产生大小为B的合磁场，使垫板（3）在锚杆（1）的外部施加大小为N的预应力，通过垫板（3）施加的预应力对锚杆（1）进行自固定，避免锚杆（1）及磁性砂浆在磁性砂浆（16）凝结前滑脱；
S3，在注浆过程中联结电磁体（8）吸附磁性砂浆（16），通过滑动变阻器（12）实时调整联结电磁体（8）的磁力大小，用以改变锚杆（1）的受力大小；且同时打开磁力显示表（14）和磁场变化显示器（15）的开关，观察联结电磁体（8）产生的磁力大小以及磁场变化；
S4，注浆完成后，关闭直流电源（9），打开交流电源（10），通过交流电源（10）改变电路中电流的大小和方向，实现电磁振荡，从而减小磁性砂浆（16）的孔隙率，提高磁性砂浆密度以提高锚固体成型后的强度；
S5，待锚固体凝结后，回收联结电磁体（8）：断开电路总开关（11），使联结电磁体（8）消除磁性，拉出联结线（83），使联结电磁体（8）依次从中空锚杆（1）内拉出，完成联结电磁体（8）的回收，套管（5）不回收；
S6，将联结电磁体（8）拉出回收后，再用高压喷射注浆机向中空锚杆（1）和套管（5）中注入磁性砂浆（16），最后将锚杆（1）端部以及垫板（3）表面的注浆孔和引线孔封堵，注浆完成。
2.根据权利要求1所述的基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆，其特征在于：所述锚杆（1）为两端开口的中空锚杆；锚杆（1）设置止浆塞（2）的一端开设有外螺纹与紧固螺母（4）配合，垫板（3）设置在紧固螺母（4）和止浆塞（2）之间；垫板（3）表面开设有注浆孔和引线孔。
3.根据权利要求1所述的基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆，其特征在于：所述套管（5）包括套接端和多个锚固端，套接端一端开口与锚杆（1）端部套接，多个锚固端为呈一定夹角的分叉结构。
4.根据权利要求1所述的基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆，其特征在于：所述套管（5）内壁开设有多条线槽（6），导线（84）和联结线（83）独立设置在不同线槽（6）内；套管（5）内壁涂覆有润滑剂。
5.根据权利要求1所述的基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆，其特征在于：所述磁性砂浆（16）由水泥、水、磁性粉料和胶凝剂按比例配制而成，磁性砂浆（16）可以被联结电磁体（8）吸附降低流动性。
6.根据权利要求1所述的基于电磁吸力的可回收电磁体的仰孔式注浆锚杆，其特征在于：所述引孔边壁磁吸引层（20）由油性环氧树脂和磁粉按比例混合而成，混合料镀刷在引孔（19）边壁形成引孔边壁磁吸引层（20）。
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