CN115045698A - 一种套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆。它包括锚固剂，内杆体、中套筒、水力膨胀壳体、托盘和可拆卸推进杆；水力膨胀壳体为一根钢管径向弯曲而成；内杆体一端设置锚固剂、另一端位于中套筒内；内杆体端部设置锥形结构；内杆体和可拆卸推进杆上设置注浆孔；可拆卸推进杆一端设置在中套筒内、且与锥形结构对接；水力膨胀壳体的两端均焊接在中套筒上；注水孔布置在中套筒上；锚固剂、内杆体和水力膨胀壳体均位于钻孔内；中套筒一端位于钻孔内、另一端通过螺母和托盘固定在岩体上。本发明具有结构简单，使用方便，具备同时施加杆体轴向和径向预应力、大变形和注浆等功能，应用范围广泛的优点。

Description

一种套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆

技术领域

本发明涉及岩土体锚固技术领域，具体是指一种套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，特别是指可同时施加杆体轴向和径向预应力的大变形锚杆，并对围岩进行注浆加固，针对围岩发生板裂化、片帮或岩爆时，造成托盘与围岩表面脱空，锚杆仍然具有一定的支护作用。

背景技术

预应力锚杆作为一种主动支护方式，与普通粘结式锚杆相比，具有快速提供支护力的突出特点。通过施加主动预应力，有利于改善岩体应力状态，缓解围岩应力集中程度，并促使围岩内裂纹闭合、及时抑制裂隙扩展与贯通；预应力锚杆依靠垫板给围岩施加一个表面的支护力，给围岩提供了一定的支护围压，进而能够有效抑制围岩的破坏，预应力锚杆作为一种经济有效的支护手段，可显著改善巷道/隧道围岩变形情况，但是部分巷道由于板裂化、片帮和岩爆，导致托盘与围岩表面脱空，使得锚杆的预应力丧失，造成锚杆失效，无法满足岩体工程开挖的支护要求。

因此，开发一种托盘与围岩表面脱空时、依然具有支护力的锚杆很有必要。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，结构简单，使用方便，具备同时施加杆体轴向和径向预应力和大变形等功能，应用范围广泛；在托盘与围岩脱空后，由于水力膨胀外壳膨胀后与孔壁紧贴在一起，具有一定的摩擦力，使得杆体轴向仍然具有预紧力。实现给围岩提供持续的支护力；克服现有锚杆无法施加同时施加杆体轴向和径向预应力及大变形和注浆的缺点，同时解决托盘与围岩表面脱空后锚固力失效的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，其特征在于：包括锚固剂，内杆体、中套筒、水力膨胀壳体、托盘和可拆卸推进杆；

锚固剂、内杆体和水力膨胀壳体均位于钻孔内；

水力膨胀壳体为一根钢管径向弯曲而成；水力膨胀壳体套在中套筒外周、且两端均焊接在中套筒上；注水孔布置在中套筒上、且与水力膨胀壳体连通；

内杆体一端通过锚固剂固定在钻孔内、另一端位于中套筒内；

可拆卸推进杆一端设置在中套筒内、且与锥形结构对接，另一端伸出中套筒；

中套筒一端位于钻孔内，另一端伸出钻孔、通过螺母和托盘固定在岩体上；

内杆体和可拆卸推进杆上均设置注浆孔；

锥形结构位于杆体端部；

中套筒内设置通孔结构，通孔结构包括第一通孔结构、第二通孔结构和第三通孔结构；第一通孔结构、第二通孔结构和第三通孔结构依次连通；第一通孔结构的内径小于第三通孔结构的内径；第二通孔结构为扩径结构；第二通孔结构一端的内径等于第一通孔结构的内径、另一端的内径等于第三通孔结构的内径；

内杆体的端部设置锥形结构；内杆体位于第一通孔结构内；锥形结构位于第二通孔结构和第三通孔结构内；

第一通孔结构的内径大于或等于内杆体的外径、小于锥形结构的外径；锥形结构的外径小于或等于第三通孔结构的内径。

在上述技术方案中，对接槽设置在锥形结构上；

可拆卸推进杆一端位于对接槽内、与内杆体对接，另一端伸出中套筒。

在上述技术方案中，水力膨胀壳体压缩后安装在钻孔内。

在上述技术方案中，水力膨胀壳体压缩呈花朵形或波浪形后安装在钻孔内、且套在中套筒外周。

在上述技术方案中，阻尼垫片设置在托盘与岩体之间、且覆盖在钻孔上；

阻尼垫片的外径大于钻孔的外径。

在上述技术方案中，注浆孔设置在内杆体和可拆卸推进杆的内部。

在上述技术方案中，注浆孔包括注浆主孔和注浆支孔；

注浆主孔为通孔结构；

注浆支孔一端与注浆主孔连通、另一端设置在内杆体外壁上。

在上述技术方案中，注浆主孔贯穿内杆体；注浆主孔的长度大于内杆体的长度；

注浆支孔有多个，多个注浆支孔呈交错布置。

本发明具有如下优点：

本发明以锚固剂提供锚固力(即通过锚固剂将内杆体一端锚固在钻孔内)，通过阻尼垫片、托盘和螺母提供杆体轴向预紧力，通过注水膨胀后的水力膨胀壳体提供杆体径向预紧力，实现杆体轴向和径向同时施加预紧力，通过内杆体在中套筒的相对滑动并通过锥头胀开中套筒提供摩擦力，实现锚杆结构大变形的功能；在托盘与围岩脱空后，由于水力膨胀外壳膨胀后与孔壁紧贴在一起，具有一定的摩擦力，使得套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆杆体轴向仍然具有预紧力，实现给围岩提供持续的支护力；克服了现有锚杆无法同时施加杆体轴向和径向预应力及大变形的缺点，同时解决托盘与围岩表面脱空后锚固力失效的问题。

围岩变形后，本发明中的锚杆结构被拉长，伸长过程中，通过内杆体在中套筒中的相对滑动并通过锥形结构胀开中套筒提供摩擦力，锚杆整体仍具有预应力，实现给围岩提供持续的支护力，同时实现了大变形。

围岩大变形过程中会产生大量裂隙，通过注浆孔进行注浆加固围岩，提高围岩整体性及围岩承载能力。

附图说明

图1为本发明套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆轴向结构示意图。

图2为本发明套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆径向结构示意图。

图3为本发明的套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆相对错动位置放大示意图。

图4为本发明套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆注水膨胀前、后示意图。

图5为本发明注水膨胀后的轴向结构示意图。

图6为本发明注水膨胀后的径向结构示意图。

图7为本发明大变形后的工作结构示意图。

图8为本发明托盘与围岩表面连接处脱空时的工作结构示意图。

图9为围岩存在裂隙、且本发明托盘与围岩表面连接处脱空时的工作结构示意图。

在图4中，C表示压缩后、变形前的水力膨胀壳体；D表示膨胀变形后的水力膨胀壳体。

在图8中，B表示位于托盘与围岩表面连接处的脱空部分。

在图9中，A表示裂隙；B表示位于托盘与围岩表面连接处的脱空部分。

图中1-锚固剂，2-内杆体，2.1-锥形结构，2.2-对接槽，3-钻孔，4-中套筒，4.1-第一通孔结构，4.2-第二通孔结构，4.3-第三通孔结构，5-水力膨胀壳体，6-岩体，7-阻尼垫片，8-螺母，9-注水孔，10-托盘，11-可拆卸推进杆，12-水，13-注浆孔，13.1-注浆主孔，13.2-注浆支孔。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

现有公开号为CN113123817，一种大变形预应力水力膨胀锚杆为本申请的申请人于2021年04月29日申请的专利申请，申请人在后续的研究中发现，公开号为CN113123817的专利申请在工作过程中通过螺母将锚杆整体固定在钻孔内，作为轴向固定力，防止锚杆脱出钻孔；通过内推头与水力膨胀内壳的摩擦、以及水力膨胀内壳体的变形，二者同时提供轴向固定力；注水后、水力膨胀外壳膨胀、水力膨胀内壳体的变形、注入的水体压力，三者同时施加在钻孔内壁上、提供径向固定力；但水力膨胀内、外壳端部均未与钻孔孔底粘结，当出现托盘与围岩表面脱空时，在托盘及螺母脱落的情况下，托盘与围岩表面脱空后锚杆和螺母没有着力点、锚固力失效。本发明正是为了解决公开号为CN113123817的专利申请存在的托盘与围岩表面脱空后锚固力失效的问题。本发明通过螺母将锚杆整体固定在钻孔内，同时将内杆通过粘结剂粘接在孔底，作为轴向固定力，防止锚杆脱出钻孔；注水后，在水的作用下，中套筒4紧贴内杆体2，提供轴向固定力；注水后、水力膨胀壳体5变形胀开，施加在钻孔内壁上、提供径向固定力。本发明在托盘与围岩表面脱空时，在锚固剂和水体的作用下，内杆体2、中套筒4、水力膨胀壳体5与钻孔形成一个整体，即使螺母8松动，作为整体的内杆体2、中套筒4、水力膨胀壳体5不会松动，仍然对钻孔具有轴向、径向力。同时可对围岩大变形过程中会产生的裂隙进行注浆加固，提高围岩整体性及围岩承载能力。

本发明通过水力膨胀壳体5的径向膨胀，对钻孔提供了杆体径向预应力的施加，通过阻尼垫片7、托盘10和螺母8完成杆体轴向预应力的施加，同时实现了锚杆杆体轴向和径向的预应力施加。

参阅附图可知：一种套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，包括锚固剂1，内杆体2、中套筒4、水力膨胀壳体5、托盘10和可拆卸推进杆11；

锚固剂1、内杆体2和水力膨胀壳体5均位于钻孔3内；

水力膨胀壳体5为一根钢管径向弯曲而成，目的是减小水力膨胀壳体5的直径；水力膨胀壳体5套在中套筒4外周、且两端均焊接在中套筒4上；钢管的两端与中套筒4焊接在一起，保证气密性；

注水孔9布置在中套筒4上、且与水力膨胀壳体5连通；中套筒4内部布置注水孔9，外部来水通过注水孔9进入水力膨胀壳体5内；

通过注水孔9向水力膨胀壳体5的空腔内注水使水力膨胀壳体5发生膨胀，在水力膨胀壳体5的空腔内水的压力下，水力膨胀壳体5的外壳紧贴钻孔3孔壁、内壳紧贴内杆体2，从而将内杆体2的一端固定在钻孔3孔口端，同时在围岩发生破坏前后以及部分巷道由于板裂化、片帮和岩爆导致托盘与围岩表面脱空时，持续提供径向的锚固力；

内杆体2一端通过锚固剂1固定在钻孔3内、另一端位于中套筒4内；通过锚固剂1将内杆体2的另一端固定在钻孔3孔底端，在围岩发生破坏前后以及部分巷道由于板裂化、片帮和岩爆导致托盘与围岩表面脱空时，持续提供轴向的锚固力；

可拆卸推进杆11一端设置在中套筒4内、且与锥形结构2.1对接，另一端伸出中套筒4；

中套筒4一端位于钻孔3内，另一端伸出钻孔3、通过螺母8和托盘10固定在岩体6上；

内杆体2和可拆卸推进杆11上设置注浆孔13；

锥形结构2.1位于杆体2.1端部；

中套筒4内设置通孔结构，通孔结构包括第一通孔结构4.1、第二通孔结构4.2和第三通孔结构4.3；第一通孔结构4.1、第二通孔结构4.2和第三通孔结构4.3依次连通；第一通孔结构4.1的内径小于第三通孔结构4.3的内径；第二通孔结构4.2为扩径结构；第二通孔结构4.2一端的内径等于第一通孔结构4.1的内径、另一端的内径等于第三通孔结构4.3的内径；

内杆体2的端部设置锥形结构2.1；内杆体2位于第一通孔结构4.1内；锥形结构2.1位于第二通孔结构4.2和第三通孔结构4.3内；

第一通孔结构4.1的内径大于或等于内杆体2的外径、小于锥形结构2.1的外径；锥形结构2.1的外径小于或等于第三通孔结构4.3的内径。在围岩发生变形时，

进一步地，对接槽2.2设置在锥形结构2.1上；

可拆卸推进杆11一端位于对接槽2.2内、与内杆体2对接，另一端伸出中套筒4，通过可拆卸推进杆11和锚固剂1将内杆体2固定在钻孔3孔底。

进一步地，水力膨胀壳体5压缩后安装在钻孔3内。通过注水口9进行注水12，使水力膨胀壳体5膨胀大变形，在托盘与围岩表面脱空前后持续施加径向锚固力。

进一步地，水力膨胀壳体5压缩呈异形(如花朵形或波浪形等)后安装在钻孔3内、且套在中套筒4外周，水力膨胀壳体5并具有结构大变形的功能，由于水力膨胀外壳膨胀变形、与孔壁紧密接触并有杆体径向锚固力的存在，当托盘与围岩表面脱空时，锚杆对围岩仍然具有一定的支护作用。本发明中的水力膨胀壳体5在膨胀前是一根圆钢管，压成尺寸异形(如，花朵形、波浪形等，目的是为了减小水力膨胀壳体尺寸，从而减小水力膨胀壳体5、中套筒4和内杆体2形成的整体的外径尺寸)，压缩后的水力膨胀壳体尺寸减小，方便放入钻孔中。

进一步地，内杆体2呈圆柱体；锥形结构2.1呈锥台型结构；

中套筒4一端呈圆柱体、另一端呈锥台型结构。

进一步地，阻尼垫片7设置在托盘10与岩体6之间、且覆盖在钻孔3上；

阻尼垫片7的外径大于钻孔3的外径。

进一步地，注浆孔13设置在内杆体2和可拆卸推进杆11内部，在需要时，对围岩进行注浆加固，通过注浆孔的注浆对围岩板裂化、片帮和岩爆具有抑制作用。

进一步地，注浆孔13包括注浆主孔13.1和注浆支孔13.2；

注浆主孔13.1为通孔结构；注浆主孔13.1两端分别与杆体3两端齐平；

注浆支孔13.2一端与注浆主孔13.1连通、另一端设置在杆体3外壁上，注浆浆液依次通过注浆主孔13.1、注浆支孔13.2流入钻孔2，对围岩进行加固，抑制围岩板裂化、片帮和岩爆。

进一步地，注浆主孔13.1贯穿内杆体2；注浆主孔13.1的长度大于内杆体2的长度；

注浆支孔13.2有多个，多个注浆支孔13.2呈交错布置，在注浆主孔13.1上设置多个注浆支孔13.2，提高注浆效率，且覆盖整个钻孔长度，提高注浆效果。注浆液依次通过注浆主孔13.1、注浆支孔13.2流入杆体3与钻孔之间的空隙和围岩裂隙，粘结杆体3与钻孔。

本发明中的锚固剂选用环氧树脂胶，用于将杆体和位移粘结成一体。

本发明所述的套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆的使用方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：安装套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆；

通过锚固剂1将内杆体2锚固在岩体6中，通过阻尼垫片7、托盘10和螺母8将中套筒4固定在岩体6上，实现套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆杆体轴向锚固力施加；

通过注水孔9进行注水，使水力膨胀壳体5膨胀变形、内径变大，紧贴钻孔3的孔壁(注水孔设置中套筒4的孔壁上，通过高压注水泵向注水孔中注水，水进入水力膨胀壳体5中，实现水力膨胀壳体5的膨胀)，实现套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆杆体径向锚固力的施加，至此，完成套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆的安装；

步骤二：锚杆支护；

当围岩发生变形时，通过内杆体2在中套筒4中的相对滑动并通过锥形结构2.1胀开中套筒4提供摩擦力，实现套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆结构大变形的功能(如图4所示)，实现对围岩的支护，提高围岩承载能力；

当托盘与围岩表面脱空时，通过锚固剂1将内杆体2固定在钻孔中，提供轴向锚固力，通过内杆体2与中套筒4发生相对运动且变形产生的摩擦力提供轴向锚固力；通过水力膨胀外壳5的膨胀变形、水力膨胀外壳5与钻孔3孔壁紧密接触提供径向锚固力；此时，套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆整体仍具有预应力，实现给围岩提供持续的支护力，通过套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆继续支护围岩。

在图4是本发明水力膨胀壳体5胀开前的状态，水力膨胀壳体5胀开后，套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆整体伸长过程中中套筒4被胀开，胀开后套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆的直径变大。

当无法阻止围岩发生板裂化、片帮或岩爆时，造成托盘与围岩表面脱空，本发明由于水力膨胀壳体5与孔壁紧密接触并有杆体径向锚固力的存在，以及轴向的锚固力的存在(通过锚固剂1将内杆体2一端固定在钻孔3孔底端，在围岩发生破坏前后以及部分巷道由于板裂化、片帮和岩爆导致托盘与围岩表面脱空时，持续提供轴向的锚固力)，锚杆仍然具有一定的支护作用。本发明套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆的结构大变形的目的是适应围岩变形，同时持续提供锚固力；克服了现有技术锚杆不能适应围岩变形，在围岩变形过程中锚杆会被拉断，无法起到支护作用的缺陷。

进一步地，在步骤二中，根据需要进行注浆加固围岩，注浆液依次通过注浆主孔13.1、注浆支孔13.2流入内杆体2与钻孔3之间的空隙，粘结内杆体2与钻孔3，同时封堵在围岩大变形过程中会产生的裂隙，加固围岩，提高围岩整体性及围岩承载能力。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，相对于现有技术，本发明所述的套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆通过水力膨胀外壳与钻孔壁的摩擦提供预紧力，围岩与托盘脱空后仍能对围岩提供三向应力，同时可进行注浆加固围岩，适用性强，不仅适用于一般岩体围岩支护，在围岩与托盘脱空时仍能提供支护作用。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (8)

1.一种套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，其特征在于：包括锚固剂(1)，内杆体(2)、中套筒(4)、水力膨胀壳体(5)、托盘(10)和可拆卸推进杆(11)；

锚固剂(1)、内杆体(2)和水力膨胀壳体(5)均位于钻孔(3)内；

水力膨胀壳体(5)为一根钢管径向弯曲而成；水力膨胀壳体(5)套在中套筒(4)外周、且两端均焊接在中套筒(4)上；注水孔(9)布置在中套筒(4)上、且与水力膨胀壳体(5)连通；

内杆体(2)一端通过锚固剂(1)固定在钻孔(3)内、另一端位于中套筒(4)内；

可拆卸推进杆(11)一端设置在中套筒(4)内、且与锥形结构(2.1)对接，另一端伸出中套筒(4)；

中套筒(4)一端位于钻孔(3)内，另一端伸出钻孔(3)、通过螺母(8)和托盘(10)固定在岩体(6)上；

内杆体(2)和可拆卸推进杆(11)上均设置注浆孔(13)；

锥形结构(2.1)位于杆体(2.1)端部；

中套筒(4)内设置通孔结构，通孔结构包括第一通孔结构(4.1)、第二通孔结构(4.2)和第三通孔结构(4.3)；第一通孔结构(4.1)、第二通孔结构(4.2)和第三通孔结构(4.3)依次连通；第一通孔结构(4.1)的内径小于第三通孔结构(4.3)的内径；第二通孔结构(4.2)为扩径结构；第二通孔结构(4.2)一端的内径等于第一通孔结构(4.1)的内径、另一端的内径等于第三通孔结构(4.3)的内径；

内杆体(2)的端部设置锥形结构(2.1)；内杆体(2)位于第一通孔结构(4.1)内；锥形结构(2.1)位于第二通孔结构(4.2)和第三通孔结构(4.3)内；

第一通孔结构(4.1)的内径大于或等于内杆体(2)的外径、小于锥形结构(2.1)的外径；锥形结构(2.1)的外径小于或等于第三通孔结构(4.3)的内径。

2.根据权利要求1所述的套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，其特征在于：对接槽(2.2)设置在锥形结构(2.1)上；

可拆卸推进杆(11)一端位于对接槽(2.2)内、与内杆体(2)对接，另一端伸出中套筒(4)。

3.根据权利要求2所述的套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，其特征在于：水力膨胀壳体(5)压缩后安装在钻孔(3)内。

4.根据权利要求3所述的套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，其特征在于：水力膨胀壳体(5)压缩呈花朵形或波纹形后安装在钻孔(3)内、且套在中套筒(4)外周。

5.根据权利要求4所述的套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，其特征在于：阻尼垫片(7)设置在托盘(10)与岩体(6)之间、且覆盖在钻孔(3)上；

阻尼垫片(7)的外径大于钻孔(3)的外径。

6.根据权利要求5所述的套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，其特征在于：注浆孔(13)设置在内杆体(2)和可拆卸推进杆(11)的内部。

7.根据权利要求6所述的套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，其特征在于：注浆孔(13)包括注浆主孔(13.1)和注浆支孔(13.2)；

注浆主孔(13.1)为通孔结构；

注浆支孔(13.2)一端与注浆主孔(13.1)连通、另一端设置在内杆体(2)外壁上。

8.根据权利要求7所述的套筒膨胀式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆，其特征在于：注浆主孔(13.1)贯穿内杆体(2)；注浆主孔(13.1)的长度大于内杆体(2)的长度；

注浆支孔(13.2)有多个，多个注浆支孔(13.2)呈交错布置。

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