CN113931670A - 一种组合式可注浆预应力大变形锚杆及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开是关于一种组合式可注浆预应力大变形锚杆及其施工方法，涉及地下工程施工支护的技术领域。组合式可注浆预应力大变形锚杆包括：光滑段，用于实现大变形，设置在中间杆段；锚定段，用于实现定点锚固，设置在中间杆段；增强光滑段，用于实现预应力加载、防止端头断裂及实现大变形，设置在靠近洞壁端杆段；增强锚定段，用于强化定点锚固效果、防止拉脱失效，设置在远离洞壁端杆段；连接套筒，用于连接所述光滑段、锚定段、增强光滑段和增强锚定段。本发明采用组合式结构，可因地制宜地对杆段长度、材料、组合形式、光滑段和锚定段型式等进行动态化修正以适应现场施工的具体要求，实现锚杆结构形式的现场优化。

Description

一种组合式可注浆预应力大变形锚杆及其施工方法

技术领域

本发明公开涉及地下工程施工支护的技术领域，尤其涉及一种组合式可注浆预应力大变形锚杆及其施工方法。

背景技术

伴随隧道与地下工程的大量建设，在极大推动我国地下工程施工支护技术快速发展的同时也带来了新的技术挑战，“深”、“长”、“险”、“大”已成为当前工程的主要特点，高地应力、高烈度、大埋深等复杂环境带来的硬岩岩爆、软岩大变形等工程问题极为突出，在建如川藏铁路、木寨岭公路隧道及滇中引水隧洞等，均已频繁出现了上述问题，给现有的支护理论与技术带来了全新挑战。

锚固支护技术作为隧道与地下工程中唯一的“深层支护”技术，能从围岩内部对其进行支护，具有特有的“支护”与“加固”双重功能，尤适用于地下工程的支护与灾害防治。故从诞生之初，锚固技术就一直被用作为隧道与地下工程支护体系的核心之一，且当工程地质环境愈复杂时，其核心地位越凸显，如家竹箐隧道、木寨岭铁路隧道和瑞士圣歌达铁路隧道等均是在强化锚固技术的基础上方才取得成功建设的。

但是，随着地下工程中的软岩大变形与硬岩岩爆灾害愈发强烈，已有应用最广的全长粘结型锚固技术因不具备协同围岩大变形能力，以及无主动支护功能已然不具备适用性。为此，从增强锚杆变形能力、协同围岩变形出发，涌现了一批大变形锚杆，亦称让压锚杆、恒阻锚杆或吸能锚杆等。遗憾的是，已研制的大变形锚杆仍存在着诸多缺陷，具体而言主要有三方面：其一，大变形锚杆多为定制产品，结构较复杂，难在现场快速调整参数，无法适应复杂多变的特殊工程环境；其二，大变形锚杆难协调及时主动支护与全长注浆的矛盾，主动支护即加载预应力，需要有无粘结段的存在，与目前全长注浆型锚杆相背离，故目前大变形锚杆的处理一般为先加载预应力，后进行全长注浆，如此导致了施工工艺复杂化，于大规模施工不利；其三，大变形锚杆多为“一点”式让压，即让压仅发生在让压装置处，而当岩层内部出现突发位移或离层时，极有可能导致杆体断裂，进而引发锚固系统失效。此外，现有锚杆普遍容易出现洞壁段杆体断裂导致的锚固系统整体失效。

综上所述，现有大变形锚杆均存在一定的缺陷，已越来越难以适用愈发复杂多变的隧道工程环境，亟待对其结构体系进行优化，提出一种组合式可注浆预应力大变形锚杆。

解决上述技术问题的意义在于：该种组合式可注浆预应力大变形锚杆具有可按现场施工情况对锚杆结构进行动态化修正、结构简单高效便于施工、可在实现及早全长注浆的同时保证良好的预应力扩散效果、采用多段变形和多点锚定的结构形式，以充分利用杆体的变形能力实现足量变形并防止杆体局部拉断、锚杆端头段进行强化以防止端头段破坏并致使锚杆过早失效的特点，具有良好的工程应用价值。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种组合式可注浆预应力大变形锚杆，以改良现有预应力大变形锚杆存在的缺陷，例如无法适应动态化施工、无法在及早全长注浆的同时保证预应力的扩散效果、对杆体材料本身变形能力利用不充分、锚杆端头段易破坏失效、结构复杂不便于施工等。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：该组合式可注浆预应力大变形锚杆包括：

光滑段，用于实现大变形，设置在中间杆段；

锚定段，用于实现定点锚固，设置在中间杆段；

增强光滑段，实现预应力加载、防止端头断裂及实现大变形，设置在靠近洞壁端杆段；

增强锚定段，用于强化定点锚固效果、防止拉脱失效，设置在远离洞壁端杆段；

连接套筒，用于连接所述光滑段、锚定段、增强光滑段和增强锚定段。

在一个实施例中，采用组合式设计，按照现场施工的具体要求，对杆段长度、材料、组合形式、锚定段型式进行动态修正，以实现对锚杆结构形式的现场优化。

在一个实施例中，所述光滑段表面光圆，受拉伸时会产生径向微缩，能够充分利用杆体材料高延伸性能实现大变形功能。

在一个实施例中，围岩挤压变形严重时，光滑段杆体设置沿杆身的纵向切槽，避免因孔壁围岩对杆体过渡挤压导致光滑段变形能力降低。

在一个实施例中，锚定段采用螺纹钢，能与注浆体牢固粘结实现定点锚固效果。

在一个实施例中，锚定段采用异型杆体，如桨形锚体或波形锚体，增强锚定效果。

在一个实施例中，锚杆近洞壁端杆段设置增强光滑段，强度高于光滑段；

在一个实施例中，所述锚杆远离洞壁端杆段设置增强锚定段，其螺纹深度大于锚定段，螺纹间距小于锚定段。

在一个实施例中，连接套筒两端设有内螺纹，光滑段、锚定段、增强光滑段、增强锚定段两端均有外螺纹，将杆段旋进连接套筒可实现套筒内螺纹与杆段外螺纹的嵌合，即完成杆段的连接安装。

在一个实施例中，光滑段、锚定段、增强光滑段、增强锚定段和连接套筒均为中空结构，形成内部注浆通道，实现中空全长注浆，注浆填充饱满后通过孔口返浆。

在一个实施例中，在增强光滑段上依次安装锚垫板、球垫和螺母。

本发明的另一目的在于提供一种实所述组合式可注浆预应力大变形锚杆的施工方法，该组合式可注浆预应力大变形锚杆的施工方法包括以下步骤：

步骤一、确定目标岩体，并在目标岩体上开设锚孔；

步骤二、按现场施工的需求，选择一个增强光滑段、一个增强锚定段、若干光滑段、若干锚定段，并用连接套管将杆段组合成锚杆杆体，其中外端(远离洞壁端杆段)设置为增强锚定段，内端(靠近洞壁端杆段)设置为增强光滑段；

步骤三、将锚杆杆体插入锚孔；

步骤四、导入浆液至锚杆杆体内中空注浆通道，随后浆液充填至锚杆杆体与钻孔内壁间的空隙中，直至填充饱满后孔口返浆；

步骤五、在增强光滑段上依次安装锚垫板、球垫和螺母；

步骤六、采用预应力加载设备对锚杆施加预应力。

在一个实施例中，在采用自进式通过在锚杆接设钻头实现的方法包括：

步骤一、按现场施工的需求，选择一个增强光滑段、一个增强锚定段、若干光滑段、若干锚定段，并用连接套管将杆段组合成锚杆杆体，其中外端(远离洞壁端杆段)设置为增强锚定段，内端(靠近洞壁端杆段)设置为增强光滑段；

步骤二、在锚杆杆体前端接设钻头；

步骤三、确定目标岩体，并在目标岩体上通过锚杆前端钻头实现自进式钻孔，锚杆杆体即留置在锚孔中；

步骤四、导入浆液至锚杆杆体内中空注浆通道，随后浆液充填至锚杆杆体与钻孔内壁间的空隙中，直至填充饱满后孔口返浆；

步骤五、在增强光滑段上依次安装锚垫板、球垫和螺母；

步骤六、采用预应力加载设备对锚杆施加预应力。本发明公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

1、本发明采用组合式结构，可因地制宜地对杆段长度、材料、组合形式、光滑段和锚定段型式等进行动态化修正以适应现场施工的具体要求，实现锚杆结构形式的现场优化；在及早全长注浆的同时保证预应力的扩散效果，可在实现主动支护与让压支护的同时确保锚固结构耐久性和可靠性；

2、本发明采用多段单向拉伸和多点锚定的结构形式以充分利用杆体的变形能力实现足量变形并防止杆体局部拉断；结构简单高效便于施工；锚杆端头螺纹段进行强化以防止螺纹段破坏并致使锚杆过早失效；复杂围岩条件下，杆体前端可接设钻头实现自进式锚杆钻进，施工高效便捷，集钻进、注浆、锚固于一体。

当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为组合式可注浆预应力大变形锚杆(非自进式)的结构示意图。

图2为组合式可注浆预应力大变形锚杆增强光滑段的结构示意图。

图3为组合式可注浆预应力大变形锚杆光滑段的结构示意图；

其中，a、光滑结构示意图；b、带凹槽光滑结构示意图。

图4为组合式可注浆预应力大变形锚杆连接套筒的结构示意图。

图5为组合式可注浆预应力大变形锚杆锚定段的结构示意图；

其中，a、锚定段结构示意图；b、桨形锚体结构示意图；c、波形锚体结构示意图。

图6为组合式可注浆预应力大变形锚杆增强锚定段的结构示意图，

图7为组合式可注浆预应力大变形锚杆(自进式)的结构示意图。

图中：1、螺母；2、球垫；3、锚垫板；4、增强光滑段；5、光滑段；5-1带凹槽光滑段；6、连接套筒；7、锚定段；7-1、桨形锚体；7-2、波形锚体；8、增强锚定段；9、注浆体；10、中空注浆通道；11、锚孔孔口；12、锚孔；13、锚杆组合杆体；14、钻头。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中、元件。本发明所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一种组合式可注浆预应力大变形锚杆，包括用于实现大变形能力的光滑段5，用于实现定点锚固的锚定段7，用于实现预应力加载、防止端头断裂及实现大变形能力于一体的增强光滑段4，用于强化定点锚固效果、防止拉脱失效的增强锚定段8，以及用于连接所述光滑段5、锚定段7、增强光滑段4、增强锚定段8的连接套筒6。所述连接套筒6两端设有内螺纹，光滑段5、锚定段7、增强光滑段4、增强锚定段8的两端有外螺纹，将杆段旋进连接套筒可实现套筒内螺纹与杆段外螺纹的嵌合，即完成杆段的连接安装。光滑段5、锚定段7、增强光滑段4、增强锚定段8、连接套筒6的中空通道相连形成内部中空注浆通道10。靠近洞壁端杆段采用增强光滑段4，离洞壁最远端杆段采用增强锚定段8；增强光滑段4上安装垫板3、球垫2和螺母1；待注浆体9基本凝结后，采用预应力加载设备对锚杆杆体13施加预应力。

其中，光滑段5表面光圆(必要时可在杆体表面涂抹油膜)，且在受拉伸时会产生径向微缩，致使作用在杆体外表面上的轴向剪应力较小而近乎处于理想的单向拉伸状态(均匀受力、均匀伸长)，进而充分利用杆体材料本身的变形能力以适应过大的围岩变形；而当围岩挤压变形严重时，可设置带凹槽光滑段5-1，避免因孔壁围岩对杆体过渡挤压导致光滑段变形能力降低；锚定段7采用螺纹钢，能够实现定点锚固的效果，在成孔效果较好时亦可采用异型杆体，如桨形锚体7-1或波形锚体7-2，以进一步增强锚定效果。

所述光滑段5、锚定段7、增强光滑段4、增强锚定段8、连接套筒6均为中空结构，形成杆体内部注浆通道，实现中空全长注浆，注浆填充饱满后通过孔口11返浆。

采用组合式设计，可按照现场施工的具体要求因地制宜地对杆段长度、材料、组合形式、光滑段及锚定段型式进行动态修正，以实现对锚杆结构形式的现场优化。

将锚杆组合杆体13插入锚孔12，然后通过杆体内部中空注浆通道10进行全长注浆，浆液在将锚孔12填充饱满密实后会通过孔口11进行反浆。

复杂围岩条件下，可在所述杆体的前端(离洞壁最远端)处接设钻头14(钻头与增强锚定段通过螺纹连接)，实现自进式钻进。

预应力在注浆体基本凝结后施加。

本发明的工作原理为：

确定目标岩体，并在目标岩体上开设锚孔12；按现场施工的需求，选择一个增强光滑段4、一个增强锚定段8、若干光滑段5(必要时可在光滑段表面涂抹油膜)、若干锚定段7，并用连接套管6将杆段组合成锚杆杆体13；将锚杆杆体13插入锚孔12；导入浆液至锚杆杆体13内中空注浆通道10，浆液在将锚孔12填充饱满密实后会通过孔口11进行反浆；在强型光滑段4上依次安设垫板3、球垫2和螺母1；待注浆体9基本凝结后，采用预应力设备对锚杆杆体13施加预应力。

一种适用于复杂围岩条件的组合式可注浆预应力大变形锚杆，包括：

S1、确定目标岩体，并在目标岩体上开设锚孔12；

S2、按现场施工的需求，选择一个增强光滑段4、一个增强锚定段8、若干光滑段5(必要时可在光滑段表面涂抹油膜)、若干锚定段7，并用连接套管6将杆段组合成锚杆杆体13；

S3、将锚杆杆体13插入锚孔12；

S4、导入浆液至锚杆杆体13内中空注浆通道10，浆液在将锚孔12填充饱满密实后会通过孔口11进行反浆。

S5、在强型光滑段4上依次安设垫板3、球垫2和螺母1；

S6、采用预应力加载设备对锚杆杆体13施加预应力；

若采用自进式(通过在锚杆接设钻头实现)，则按如下流程进行：

S1、按现场施工的需求，选择一个增强光滑段4、一个增强锚定段8、若干光滑段5(必要时可在光滑段表面涂抹油膜)、若干锚定段7，并用连接套管6将杆段组合成锚杆杆体13；

S2、在锚杆杆体前端接设钻头14；

S3、确定目标岩体，并在目标岩体上通过锚杆前端钻头实现自进式钻孔，锚杆杆体13即留置在锚孔12中；

S4、导入浆液至锚杆杆体13内中空注浆通道10，浆液在将锚孔12填充饱满密实后会通过孔口11进行反浆。

S5、在强型光滑段4上依次安设垫板3、球垫2和螺母1；；

S6、采用预应力加载设备对锚杆杆体13施加预应力；

该种组合式可注浆预应力大变形锚杆具有可按现场施工情况对锚杆结构进行动态化修正、结构简单高效便于施工、可在实现及早全长注浆的同时保证良好的预应力扩散效果、采用多段变形+多点锚定的结构形式以充分利用杆体的变形能力实现足量变形并防止杆体局部拉断、锚杆近围岩面段进行强化以防止断裂引起的锚固系统整体失效的特点，具有良好的工程应用价值。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种组合式可注浆预应力大变形锚杆，其特征在于，该组合式可注浆预应力大变形锚杆包括：

光滑段，用于实现大变形，设置在中间杆段；

锚定段，用于实现定点锚固，设置在中间杆段；

增强光滑段，实现预应力加载、防止端头断裂及实现大变形，设置在靠近洞壁端杆段；

增强锚定段，用于强化定点锚固效果、防止拉脱失效，设置在远离洞壁端杆段；

连接套筒，用于连接所述光滑段、锚定段、增强光滑段和增强锚定段。

2.根据权利要求1所述的组合式可注浆预应力大变形锚杆，其特征在于，所述增强光滑段上依次安装锚垫板、球垫和螺母；预应力施加在注浆锚固完成后进行；

采用光滑段与锚定段相互组合的设计方式，对杆段长度、材料、组合形式、光滑段和锚定段型式进行动态修正，快速实现对锚杆结构形式优化。

3.根据权利要求1所述的组合式可注浆预应力大变形锚杆，其特征在于，所述光滑段表面光圆，受拉伸时产生径向微缩，利用杆体材料高延伸性能实现大变形功能；当围岩挤压变形严重时，设置带凹槽光滑段，避免因孔壁围岩对杆体过渡挤压导致光滑段变形能力降低。

4.根据权利要求1所述的组合式可注浆预应力大变形锚杆，其特征在于：所述锚定段采用螺纹钢，与注浆体牢固粘结实现定点锚固效果。

5.根据权利要求1所述的组合式可注浆预应力大变形锚杆，其特征在于：所述锚杆近洞壁端杆段设置增强光滑段，强度高于余下杆段；所述锚杆远离洞壁端杆段设置增强锚定段，其螺纹深度大于锚定段，螺纹间距小于锚定段，以增强锚定效果。

6.根据权利要求1所述的组合式可注浆预应力大变形锚杆，其特征在于：所述连接套筒两端设有内螺纹，光滑段、锚定段、增强光滑段、增强锚定段两端均有外螺纹，将杆段旋进连接套筒可实现套筒内螺纹与杆段外螺纹的嵌合，即完成杆段的连接安装。

7.根据权利要求1所述的组合式可注浆预应力大变形锚杆，其特征在于：所述滑段、锚定段、增强光滑段、增强锚定段和连接套筒均为中空结构，形成内部注浆通道，实现中空全长注浆，注浆填充饱满后通过孔口返浆。

8.根据权利要求1所述的组合式可注浆预应力大变形锚杆，其特征在于，所述增强光滑段上安装有锚垫板、球垫和螺母。

9.一种实现如权利要求1-8任意一项所述组合式可注浆预应力大变形锚杆的施工方法，其特征在于，该组合式可注浆预应力大变形锚杆的施工方法包括以下步骤：

步骤一、确定目标岩体，并在目标岩体上开设锚孔；

步骤二、按现场施工的需求，选择一个增强光滑段、一个增强锚定段、若干光滑段、若干锚定段，并用连接套管将杆段组合成锚杆杆体，其中远离洞壁端杆段的外端设置为增强锚定段，靠近洞壁端杆段的内端设置为增强光滑段；

步骤三、将锚杆杆体插入锚孔；

步骤四、导入浆液至锚杆杆体内中空注浆通道，随后浆液充填至锚杆杆体与钻孔内壁间的空隙中，直至填充饱满后孔口返浆；

步骤五、在增强光滑段上依次安装锚垫板、球垫和螺母；

步骤六、采用预应力加载设备对锚杆施加预应力。

10.根据权利要求9所述的组合式可注浆预应力大变形锚杆的施工方法其特征在于，在采用自进式通过在锚杆接设钻头实现的方法包括：

步骤一、按现场施工的需求，选择一个增强光滑段、一个增强锚定段、若干光滑段、若干锚定段，并用连接套管将杆段组合成锚杆杆体，其中远离洞壁端杆段的外端设置为增强锚定段，靠近洞壁端杆段的内端设置为增强光滑段；

步骤二、在锚杆杆体前端接设钻头；

步骤三、确定目标岩体，并在目标岩体上通过锚杆前端钻头实现自进式钻孔，锚杆杆体即留置在锚孔中；

步骤四、导入浆液至锚杆杆体内中空注浆通道，随后浆液充填至锚杆杆体与钻孔内壁间的空隙中，直至填充饱满后孔口返浆；

步骤五、在增强光滑段上依次安装锚垫板、球垫和螺母；

步骤六、采用预应力加载设备对锚杆施加预应力。

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