CN114150664B - 一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，包括钻孔穿筋注浆组件，钻孔穿筋注浆组件包括套筒钻杆和钻头；套筒钻杆包括钻杆内筒和钻杆外筒；钻头中部连接钻杆内筒下端、边缘连接钻杆外筒下端，钻头中部设有约束孔以使由钻杆内筒穿入的玄武岩纤维筋穿过，且约束孔的下端设有磁性挡板以遮挡约束孔，钻头上位于钻杆内筒和钻杆外筒之间设有多个穿孔；钻进至设定深度时通过推动玄武岩纤维筋推掉磁性挡板使玄武岩纤维筋下放至设定位置、提升时通过向钻杆外筒和钻杆内筒之间注浆并使浆液由各穿孔落入钻头下方。本发明的有益效果：同时完成锚固段钻孔穿筋注浆，可快速、高效的完成施工，能大幅提高玄武岩纤维锚杆的施工效率。

Description

一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程锚固技术领域，尤其涉及一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置及方法。

背景技术

锚杆作为边坡工程的主要支护形式之一，能够有效的防止结构变形，维护结构的稳定。普通钢锚杆的岩土锚固结构多存在因钢筋腐蚀引起的耐久性问题，给支护结构带来安全隐患。玄武岩纤维筋具有抗拉强度高、耐腐蚀性好、稳定性好、取材方便等优点，是锚固技术中钢筋的良好替代品。由于玄武岩纤维筋在力学性质方面，具有抗剪强度弱、抗拉强度高的特点，难以直接对其进行锚固张拉，现阶段，通常将玄武岩纤维筋端部通过钢套管连接器将玄武岩纤维筋与钢绞线等金属筋材相连接，并在连接器套管内灌注环氧树脂制备成复合筋材。上述玄武岩纤维锚杆制作与施工流程复杂，且所需要达到的工艺要求较高，难以满足快速施工需求。

发明内容

有鉴于此，为了解决玄武岩纤维锚杆制作与施工流程复杂、工艺要求较高，难以满足快速施工需求的问题，本发明的实施例提供了一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置及方法。

本发明的实施例提供一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，包括钻孔穿筋注浆组件，所述钻孔穿筋注浆组件包括套筒钻杆和钻头；

所述套筒钻杆包括钻杆内筒及环绕所述钻杆内筒设置的钻杆外筒；

所述钻头中部连接所述钻杆内筒下端、边缘连接所述钻杆外筒下端，所述钻头中部设有约束孔以使由所述钻杆内筒穿入的玄武岩纤维筋穿过，且所述约束孔的下端设有磁性挡板以遮挡约束孔，所述钻头上位于所述钻杆内筒和所述钻杆外筒之间设有多个穿孔；

其中所述套筒钻杆用以与钻机连接、受所述钻机驱动而钻进和提升，且在钻进至设定深度时通过推动玄武岩纤维筋推掉所述磁性挡板使所述玄武岩纤维筋下放至设定位置、以及在提升时通过向所述钻杆外筒和所述钻杆内筒之间注浆并使浆液由各所述穿孔落入所述钻头下方。

进一步地，所述钻头中部设有向上延伸的凸台，所述约束孔为设置于所述凸台上的竖向通孔。

进一步地，所述凸台下部位于所述约束孔下端设有凹槽，以使所述磁性挡板嵌入。

进一步地，还包括空气吹泵和压力泵，其中所述空气吹泵用于在所述套筒钻杆钻进时对所述钻杆外筒和钻杆内筒之间吹气，所述压力泵用于在所述套筒钻杆提升时对所述钻杆外筒和钻杆内筒之间注浆。

进一步地，还包括预应力施加组件，其包括支撑于锚孔孔口的调平垫板、设置于所述调平垫板上的穿心千斤顶、以及设置于所述穿心千斤顶上的液压伸缩钳，下端被锚固的玄武岩纤维筋上端依次穿过所述穿心千斤顶和所述液压伸缩钳，所述液压伸缩钳用以夹紧所述玄武岩纤维筋，所述穿心千斤顶用以对所述玄武岩纤维筋施加预应力。

进一步地，所述液压伸缩钳包括上下相对设置的两钢圈梁及安装于两所述钢圈梁之间的外裹层，所述外裹层包括由外至内依次设置的钢层、玄武岩纤维层和尼龙纤维层，其中所述钢层内部设有注油腔，所述钢层的外壁设有进油口，所述尼龙纤维层的表面粗糙处理。

进一步地，所述调平垫板包括顶板及与所述顶板底部连接的多个支腿，每一所述支腿包括上部支腿和下部支腿，其中所述下部支腿固定于锚孔孔口，所述上部支腿的下端设有调节孔，所述下部支腿上端与所述调节孔通过紧固件紧固连接。

进一步地，还包括孔塞封锚组件，其包括设置于锚孔孔口处的注浆挡板和设置于所述锚孔内、靠近所述锚孔孔口设定距离的隔浆挡板，所述玄武岩纤维筋由下至上依次穿过所述隔浆挡板和注浆挡板，所述隔浆挡板边缘与所述锚孔孔壁密封接触，所述注浆挡板上设有贯穿设置的注浆管，通过所述注浆管对所述注浆挡板和所述隔浆挡板之间注浆形成锁固所述玄武岩纤维筋上端的混凝土孔塞。

进一步地，所述隔浆挡板边缘套设有外密封圈，以与锚孔孔壁挤压密封；所述隔浆挡板中部设有筋束孔，所述筋束孔内嵌设有内密封圈，以供所述玄武岩纤维筋穿过且与所述玄武岩纤维筋挤压密封。

另外，基于上述预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，本发明的实施例还提出了一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工方法，包括以下步骤：

S1.将所述套筒钻杆与钻机连接，通过所述钻机驱动所述套筒钻杆钻进设定深度形成锚孔；

S2.向下推动玄武岩纤维筋使所述磁性挡板脱落，进而所述玄武岩纤维筋下放至设定位置；

S3通过所述钻机旋转提升所述套筒钻杆，且通过向所述钻杆外筒和所述钻杆内筒之间注浆并使浆液由各所述穿孔落入所述钻头下方，浆液凝固从而将所述玄武岩纤维筋下端锚固。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置及方法，在锚孔钻进过程中下放玄武岩纤维筋，使玄武岩纤维筋下放至预定锚固位置，同时在套筒钻杆回退提升过程中完成注浆，且在注浆过程中通过约束孔约束玄武岩纤维筋使其保持在预定位置，同时完成锚固段钻孔、穿筋、注浆，能够克服传统玄武岩纤维锚杆施工工艺复杂繁琐等缺点，可快速、高效的完成施工，为支护结构的安全提供保障，能大幅提高玄武岩纤维锚杆的施工效率。

附图说明

图1是本发明一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置的示意图；

图2是钻孔穿筋注浆组件的结构示意图；

图3是图2中钻头2的结构示意图；

图4是图2中钻头2的仰视图；

图5是图2中套筒钻杆1的截面图；

图6是图1中调平垫板5的结构示意图；

图7是图6中支腿502的结构示意图；

图8是图1中液压伸缩钳7的结构示意图；

图9是孔塞封锚组件的结构示意图；

图10是图1中隔浆挡板8的结构示意图。

图中：1-套筒钻杆、101-钻杆外筒、102-钻杆内筒、2-钻头、201-PDC钻头壁、201a-穿孔、202-通孔壁、202a-凸台、202b-磁性挡板、203-金属切削刃、3-锚孔、4-玄武岩纤维筋、5-调平垫板、501-顶板、502-支腿、502a-上部支腿、502b-下部支腿、502c-调节螺栓、503-角度测量仪、504-膨胀螺栓、6-穿心千斤顶、7-液压伸缩钳、701-钢圈梁、701a-固定螺杆、702-钢层、702-a进油口、703-玄武岩纤维层、704-尼龙纤维层、8-隔浆挡板、801-外密封圈、802-筋束孔、803-内密封圈、9-注浆挡板、901-注浆管、902-排气口、10-锚固段、11-混凝土孔塞。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1和2，本发明的实施例提供了一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，包括钻孔穿筋注浆组件、预应力施加组件和孔塞封锚组件。

如图2和5所示，所述钻孔穿筋注浆组件包括套筒钻杆1和钻头2。具体的所述套筒钻杆1包括钻杆内筒102及环绕所述钻杆内筒102设置的钻杆外筒101。所述钻杆外筒101与所述钻杆内筒102均为圆筒形且二者轴线重合，所述钻杆外筒101与所述钻杆内筒102的下端均设有螺纹接头。

如图2和3所示，所述钻头2中部连接所述钻杆内筒102下端、边缘连接所述钻杆外筒101下端。具体的，所述钻头2为PDC钻头，其包括PDC钻头壁201、设置于所述PDC钻头壁201中部的通孔壁202、以及设置于所述PDC钻头壁201底部的多个外凸的金属切削刃203。所述PDC钻头壁201边缘设有螺纹接头，且通过该螺纹接头连接所述钻杆外筒101下端的螺纹接头。所述通孔壁202的上端设有螺纹接头，且通过该螺纹接头连接所述钻杆内筒102下端的螺纹接头。这样实现所述套筒钻杆1与所述钻头2的连接。

如图2和3所示，所述钻头2中部设有约束孔以使由所述钻杆内筒102穿入的玄武岩纤维筋4穿过。所述约束孔设置于所述通孔壁202的轴线处，贯穿所述通孔壁202。穿入所述约束孔的玄武岩纤维筋4受所述约束孔的约束而保持于所述钻杆内筒102的轴线上。

另外，所述约束孔的下端设有磁性挡板202b以遮挡约束孔，所述磁性挡板202b的作用是挡住所述约束孔下端，防止玄武岩纤维筋4钻进过程中落入孔底，同时防止钻屑进入钻杆内筒102内。本实施例中所述钻头2中部设有向上延伸的凸台202a，所述凸台202a位于所述通孔壁202的下端，所述约束孔为设置于所述凸台202a上的竖向通孔。所述凸台202a下部位于所述约束孔下端设有凹槽，以使所述磁性挡板202b嵌入安装，且所述磁性挡板202b抵住穿过所述约束孔的玄武岩纤维筋4下端。

如图4所示，所述钻头2上位于所述钻杆内筒102和所述钻杆外筒101之间还设有多个穿孔201a。各所述穿孔201a设置于所述PDC钻头壁201底部，具体均匀分布于各所述金属切削刃203之间。各所述穿孔201a连通所述钻头2上下方空间，使气流或浆液可由所述钻头上方流入下方。

所述钻孔穿筋注浆组件还包括空气吹泵和压力泵。所述钻孔穿筋注浆组件的作用是钻孔、穿筋及注浆。具体而言，所述套筒钻杆1与钻机连接，以及受所述钻机驱动而钻进和提升。钻孔时所述套筒钻杆1钻进设定深度形成锚孔，在钻进过程中通过所述空气吹泵对所述钻杆外筒101和钻杆内筒102之间吹气，气流从各所述穿孔吹出，将钻屑吹出。穿筋时通过推动玄武岩纤维筋4推掉所述磁性挡板202b使所述玄武岩纤维筋4下放至设定位置。注浆时通过所述钻机旋转提升所述套筒钻杆1，且使用所述压力泵向所述钻杆外筒101a和所述钻杆内筒101b之间注浆并使浆液由各所述穿孔201a落入所述钻头2下方，浆液凝固从而将所述玄武岩纤维筋4下端锚固。

如图1和6所示，所述预应力施加组件包括支撑于锚孔孔口的调平垫板5、设置于所述调平垫板5上的穿心千斤顶6、以及设置于所述穿心千斤顶6上的液压伸缩钳7。下端被锚固的玄武岩纤维筋4上端依次穿过所述穿心千斤顶6和所述液压伸缩钳7，所述液压伸缩钳7用以夹紧所述玄武岩纤维筋4，所述穿心千斤顶6用以对所述玄武岩纤维筋4施加预应力。

如图6所示，所述调平垫板5包括顶板501及与所述顶板501底部连接的多个支腿502，每一所述支腿502包括上部支腿502a和下部支腿502b，其中所述下部支腿502b固定于锚孔3孔口，所述上部支腿502a的下端设有调节孔，所述下部支腿502b上端与所述调节孔通过紧固件紧固连接。

具体的，所述下部支腿502b通过膨胀螺栓504固定于锚孔3孔口，所述膨胀螺栓504安装于所述锚孔3孔口的地表。所述下部支腿502b为L形，与所述膨胀螺栓504紧固连接。

如图7所示，所述紧固件为调节螺栓502c，可以设置为多个，多个所述调节螺栓502c贯穿所述下部支腿502b上端、以及所述调节孔，从而将所述上部支腿502a与所述下部支腿502b紧固连接。所述调节孔在与各所述调节螺栓502c紧固过程中可先上下滑动至适当安装位置后再进行紧固，以调节每一所述支腿502的高度，使所述顶板501与玄武岩纤维筋4轴线方向垂直。另外还可以在所述顶板501上设置角度测试仪503，配合所述支腿502进行调平，可保证在锚孔3孔口不平整时，调平所述顶板501能与玄武岩纤维筋4轴线方向垂直。

如图1和8所示，所述液压伸缩钳7固定于所述穿心千斤顶6上，其包括包括上下相对设置的两钢圈梁701及安装于两所述钢圈梁701之间的外裹层，所述外裹层包括由外至内依次设置的钢层702、玄武岩纤维层703和尼龙纤维层704，其中所述钢层702内部设有注油腔，所述钢层702的外壁设有进油口702a。

所述钢层702上顶面和下顶面设置有多组内凹的螺纹凹孔，所述钢圈梁701上设置有多个通孔，各所述通孔与各所述螺纹凹孔一一对应，通过固定螺杆701a分别穿过所述通孔与其对应所述螺纹凹孔连接，这样将所述钢层702的上下端分别与两所述钢圈梁701固定连接。所述钢层702受油压作用只能向内挤压所述玄武岩纤维筋4，还需要对尼龙纤维层704内表面作粗糙处理，以增大与玄武岩纤维筋4之间的静摩阻力。

如图1和9所示，所述孔塞封锚组件包括设置于锚孔3孔口处的注浆挡板9和设置于所述锚孔3内、靠近所述锚孔3孔口设定距离的隔浆挡板8，所述玄武岩纤维筋4由下至上依次穿过所述隔浆挡板8和所述注浆挡板9，所述隔浆挡板8边缘与所述锚孔3孔壁密封接触，所述注浆挡板9上设有贯穿设置的注浆管901和排气口902。

如图10所示，所述隔浆挡板8边缘套设有外密封圈801，用以与锚孔3孔壁挤压密封；所述隔浆挡板8中部设有筋束孔802，所述筋束孔802内嵌设有内密封圈803，以供所述玄武岩纤维筋4穿过且与所述玄武岩纤维筋4挤压密封。

通过所述穿心千斤顶6对所述玄武岩纤维筋4施加预应力后，通过所述注浆管901对所述注浆挡板9和所述隔浆挡板8之间注浆形成锁固所述玄武岩纤维筋4上端的混凝土孔塞11。

另外，如图1～10所示，基于上述预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，本发明的实施例还提出了一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工方法，包括以下步骤：

S1.将所述套筒钻杆1与钻机2连接，通过所述钻机驱动所述套筒钻杆1钻进设定深度形成锚孔3，在钻进过程中通过空气吹泵对所述钻杆外筒101和所述钻杆内筒102之间吹气，使钻屑由各钻杆外筒101与锚孔3的间隙吹出；

S2.向下推动玄武岩纤维筋4使所述磁性挡板202b脱落，进而使所述玄武岩纤维筋4下放至设定位置；

S3通过所述钻机旋转提升所述套筒钻杆1，且通过所述压力泵向所述钻杆外筒101和所述钻杆内筒102之间注浆并使浆液由各所述穿孔201a落入所述钻头2下方，浆液凝固从而将所述玄武岩纤维筋4下端锚固形成锚固段10。在所述套筒钻杆1提升过程中所述约束孔约束所述玄武岩纤维筋4保持在设定位置，这样完成所述玄武岩纤维筋4在预定位置的锚固。

接着对锚固段10的浆液进行养护，待浆液凝固达到设计强度后，使玄武岩纤维筋4由下至上依次穿过所述隔浆挡板8和所述注浆挡板9，并将所述隔浆挡板8和所述注浆挡板9分别安装至设计位置。之后在锚孔3孔口安装调平垫板5，在所述调平垫板5上部依次安装穿心千斤顶6和液压伸缩钳7，并使玄武岩纤维筋4依次穿过所述穿心千斤顶6和所述液压伸缩钳7。

然后对所述玄武岩纤维筋4施加预应力：根据玄武岩纤维锚杆抗拉强度的设计值和所述玄武岩纤维筋4的周面积设置液压伸缩钳7的围压值，调节进油口的进油量使液压伸缩钳7抱紧所握裹的玄武岩纤维筋。开启所述穿心千斤顶6，对玄武岩纤维筋4进行整体张拉。张拉至设计预应力值时，锁定所述穿心千斤顶6。

最后对所述玄武岩纤维筋4封锚处理：通过所述注浆管901向所述隔浆挡板8与所述注浆挡板9之间的空间注入早强微膨胀混凝土浆，直至注入的早强微膨胀混凝土浆将由所述排气口902溢出时，停止注浆。待早强微膨胀混凝土强度达到可锁定强度后，关闭所述穿心千斤顶6和所述液压伸缩钳7，依次取下所述液压伸缩钳7、所述穿心千斤顶6、调平垫板5和注浆挡板9。沿着混凝土孔塞11上表面切割玄武岩纤维筋，实现简单快速封锚处理。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，其特征在于：包括钻孔穿筋注浆组件，所述钻孔穿筋注浆组件包括套筒钻杆和钻头；

所述套筒钻杆包括钻杆内筒及环绕所述钻杆内筒设置的钻杆外筒；

所述钻头中部连接所述钻杆内筒下端、边缘连接所述钻杆外筒下端，所述钻头中部设有约束孔以使由所述钻杆内筒穿入的玄武岩纤维筋穿过，且所述约束孔的下端设有磁性挡板以遮挡约束孔，所述钻头上位于所述钻杆内筒和所述钻杆外筒之间设有多个穿孔；

其中所述套筒钻杆用以与钻机连接、受所述钻机驱动而钻进和提升，且在钻进至设定深度时通过推动玄武岩纤维筋推掉所述磁性挡板使所述玄武岩纤维筋下放至设定位置、以及在提升时通过向所述钻杆外筒和所述钻杆内筒之间注浆并使浆液由各所述穿孔落入所述钻头下方。

2.如权利要求1所述的一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，其特征在于：所述钻头中部设有向上延伸的凸台，所述约束孔为设置于所述凸台上的竖向通孔。

3.如权利要求2所述的一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，其特征在于：所述凸台下部位于所述约束孔下端设有凹槽，以使所述磁性挡板嵌入。

4.如权利要求1所述的一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，其特征在于：还包括空气吹泵和压力泵，其中所述空气吹泵用于在所述套筒钻杆钻进时对所述钻杆外筒和钻杆内筒之间吹气，所述压力泵用于在所述套筒钻杆提升时对所述钻杆外筒和钻杆内筒之间注浆。

5.如权利要求1所述的一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，其特征在于：还包括预应力施加组件，其包括支撑于锚孔孔口的调平垫板、设置于所述调平垫板上的穿心千斤顶、以及设置于所述穿心千斤顶上的液压伸缩钳，下端被锚固的玄武岩纤维筋上端依次穿过所述穿心千斤顶和所述液压伸缩钳，所述液压伸缩钳用以夹紧所述玄武岩纤维筋，所述穿心千斤顶用以对所述玄武岩纤维筋施加预应力。

6.如权利要求5所述的一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，其特征在于：所述液压伸缩钳包括上下相对设置的两钢圈梁及安装于两所述钢圈梁之间的外裹层，所述外裹层包括由外至内依次设置的钢层、玄武岩纤维层和尼龙纤维层，其中所述钢层内部设有注油腔，所述钢层的外壁设有进油口，所述尼龙纤维层的表面粗糙处理。

7.如权利要求5所述的一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，其特征在于：所述调平垫板包括顶板及与所述顶板底部连接的多个支腿，每一所述支腿包括上部支腿和下部支腿，其中所述下部支腿固定于锚孔孔口，所述上部支腿的下端设有调节孔，所述下部支腿上端与所述调节孔通过紧固件紧固连接。

8.如权利要求1所述的一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，其特征在于：还包括孔塞封锚组件，其包括设置于锚孔孔口处的注浆挡板和设置于所述锚孔内、靠近所述锚孔孔口设定距离的隔浆挡板，所述玄武岩纤维筋由下至上依次穿过所述隔浆挡板和注浆挡板，所述隔浆挡板边缘与所述锚孔孔壁密封接触，所述注浆挡板上设有贯穿设置的注浆管，通过所述注浆管对所述注浆挡板和所述隔浆挡板之间注浆形成锁固所述玄武岩纤维筋上端的混凝土孔塞。

9.如权利要求8所述的一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，其特征在于：所述隔浆挡板边缘套设有外密封圈，以与锚孔孔壁挤压密封；所述隔浆挡板中部设有筋束孔，所述筋束孔内嵌设有内密封圈，以供所述玄武岩纤维筋穿过且与所述玄武岩纤维筋挤压密封。

10.一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工方法，其特征在于：使用如权利要求1～9任意一下项所述的一种预应力玄武岩纤维锚杆快速施工装置，且包括以下步骤：

S1.将所述套筒钻杆与钻机连接，通过所述钻机驱动所述套筒钻杆钻进设定深度形成锚孔；

S2.向下推动玄武岩纤维筋使所述磁性挡板脱落，进而所述玄武岩纤维筋下放至设定位置；

S3通过所述钻机旋转提升所述套筒钻杆，且通过向所述钻杆外筒和所述钻杆内筒之间注浆并使浆液由各所述穿孔落入所述钻头下方，浆液凝固从而将所述玄武岩纤维筋下端锚固。

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