CN115163151A - 一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法及锚管结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法及锚管结构，步骤是：1、预先制作带自生倒刺锚头的锁脚锚管；2、软岩隧洞施工过程中、岩土体开挖之初，将预制完成的锚管嵌入围岩体中；3、锚管非嵌岩端头与钢架牢固连接；4、锚管端头在注浆膨胀力和拉拔力下形成自生倒刺锚头。还涉及结构，锚管管体与倒刺锚头相连，锚管管体上的止浆段不钻孔段与注浆钻孔段相连，在锚管管体的止浆段不钻孔段末端装有非嵌岩端头，倒刺锚头上的端尖头段与叠管整环段相连，叠管整环段与叠管隔分段相连。方法易行，操作简便，解决了现有技术存在的问题，安全高效地起到辅助施工效果，减少锚管数量、缩短锚管长度，切实提高隧洞结构安全性和洞室稳定性。

Description

一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法及锚管 结构

技术领域

本发明属于岩土及地下工程技术领域，更具体涉及一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法，同时还涉及一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锚管结构。

背景技术

随着经济社会的发展，地下工程隧洞建设越来越多，如交通隧洞、引水隧洞、市政设施等。隧洞建设越来越多地涉及到地质条件愈加复杂、困难的地段，这些隧洞的初期支护成为困扰工程师和设计人员的处治难题和设计挑战。近年来，基于新奥法理念的深入认识和工程实践经验的不断积累，隧洞支护结构已由单一的被动承载支护结构发展为围岩和支护结构共同承载的支护体系。锚杆、钢拱架、钢筋网和喷射混凝土复合式衬砌是目前常采用的支护结构体系，能够在隧洞周围形成加固圈，抑制围岩变形和坍塌，并在围岩变形坍塌前与隧洞初期支护共同形成承载体。围岩接近达到自承载为最佳效果，也是业界的追求目标。

锁脚锚管(或锚杆)支护是近些年复合式衬砌支护体系中新兴发展的一项新技术，一般在软弱地层隧洞修建中钢拱架架立后于钢架拱脚处布设锁脚锚管，起到增强钢架承受能力的作用。锁脚锚管将钢架脚部牢固锁定到围岩上，通过作用于围岩中的切向和轴向锚固力将支护结构和围岩地层加固成一体，减少基底弱化引起的上一台阶初期支护下沉和下一台阶开挖初期支护悬空引起的下沉。锁脚锚管的设置是控制支护结构沉降的有效措施，尤其在地层软弱、地层含水量大、或者拱脚积水的条件下，锁脚锚管的增设对控制拱顶和地面下沉效果非常显著。由于锁脚锚管施工易行、造价经济、效果明显，大大地提高了施工效率和施工安全，省去了其他辅助施工措施，节约了人力、物力，在国内外的隧洞施工中得到了广泛的运用。

但是锁脚锚管使用中同样体现出了诸多不足，如：

(1)一般认为长度越长越好，但长到一定值时，既不方便施工，也会耽误锁脚的最佳时机；

(2)一般认为杆体越粗越好，但增大管径(杆径)，需采用专用钻机钻孔，同样既不方便施工，也会耽误锁脚的最佳时机。

(3)当锚管管体与围岩体间有相对滑移时，锁脚效果将大大减弱甚至等同于无效。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法及锚管结构。方法易行，操作简便，该方法及自生倒刺锚头锁脚锚管有效地解决了现有技术存在的问题，既可安全高效地起到辅助施工效果，又可减少锚管数量、缩短锚管长度，节约建设成本。

本发明另一个目的是在于提供了一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锚管结构，结构简单，使用方便，在自生倒刺锚头作用下钢架为骨架作用的初期支护能与围岩形成一个紧固整体，切实提高隧洞结构安全性和洞室稳定性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法，步骤如下：

(1)、预先制作带自生倒刺锚头的锁脚锚管，锚管包括锚管管体、倒刺锚头，锚管管体包括止浆段不钻孔段和注浆钻孔段，自生倒刺锚头包括端尖头段、叠管整环段、叠管隔分段、助分钢筋环A、助分钢筋环B；

(2)、软岩隧洞施工过程中、岩土体开挖之初，在刚架立各台阶或各分部钢拱架时，将预制完成的锚管嵌入围岩体中，注浆钻孔段全部嵌入围岩；

(3)、锚管非嵌岩端头与钢架牢固连接；

(4)、锚管端头在注浆膨胀力和拉拔力综合作用下，形成自生倒刺锚头。通过锚管注浆使浆液向管体周围围岩中和管头扩散，在加固围岩的同时，锚头的自生倒刺扩散开，尖头端部呈锥形、尾部倒刺紧扣围岩体中并与注浆加固后的围岩形成一整体锚头；初期支护钢架在受围岩压力时内收(或有内收的趋势)，钢架位移及围岩变形形成的直接力作用拉于锚管上，锚头作为承力端点直接受力并使倒刺进一步扩散形成更紧扣锚头结构。

按自生倒刺锚头锁脚锚固方法、在自生倒刺锚头锁脚锚管作用下，隧洞初期支护钢架牢固架立。

以上步骤中，最关键的是步骤4，自生倒刺锚头形成后，锁脚锚管锚头端锚固于围岩体中，另一端紧扣于钢拱架上，类同于纽带或连系桥梁，将(以钢拱架为主体的)隧洞初期支护结构和初支背后的围岩体形成一整体承载结构。步骤4(自生倒刺锚头形成)，有效地解决了隧洞工程施工过程中的常见实际问题——由于围岩软弱，施工过程中需要加大初期支护、特别是钢拱架的使用规模，部分隧洞工点用到了双层钢拱架，但仍然控制不了初支变形，同时该变形由于结构背后围岩压力引起，且变形一旦发生，将会产生迅速恶化、难以控制、甚至垮塌的后果和风险；本发明的自生倒刺锚头能于初支结构变形前，将初支(特别是骨架钢拱架)与围岩形成一有效的承载整体结构，结构稳定，预期效果明显，通过多次的实验至少节约了建设成本25％以上。

一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锚管结构，锚管包括锚管管体、倒刺锚头，锚管管体包括止浆段不钻孔段和注浆钻孔段，自生倒刺锚头包括端尖头段、叠管整环段、叠管隔分段、助分钢筋环A、助分钢筋环B，其特征在于：锚管管体与倒刺锚头相连，锚管管体上的止浆段不钻孔段与注浆钻孔段相连，在锚管管体的止浆段不钻孔段末端装有非嵌岩端头，倒刺锚头上的端尖头段与叠管整环段相连，叠管整环段与叠管隔分段相连，在锚管管体的注浆钻孔段上分别装有助分钢筋环A、助分钢筋环B，倒刺管片前段焊接于锚管管体端尖头段尾部形成叠管整环段，倒刺管片后段焊接于助分钢筋环A和助分钢筋环B上形成叠管隔分段，通过调整助分钢筋环A和助分钢筋环B的直径和位置可实现倒刺与管体的张开夹角的调整。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

该方法的核心为自生倒刺锚头的锁脚锚管，该锚管及锚头的制作可就地取材：可根据工地既有备料采用普通热轧无缝钢管；尖头端叠管也可采用普通(型号大于管体段)的钢管；助分钢筋环采用普通钢筋；钢管、钢筋间通过焊接连接；锚管注浆可优先采用水泥浆液，注浆压力作用下，注入管体、扩散至围岩和管头。

本发明提出的自生倒刺锚头锁脚锚固方法方便实施，且施工后能将隧洞初期支护钢架和围岩体有效连接形成一个承载拱整体，支护结构承担的荷载有效降低，隧洞施工期及运营期结构安全明显提高。

本发明方案与常规锁脚锚管方案相比：在实现结构同样安全度的前提下，以锁脚锚管单项工程论，可节约工程投资约30％；在采用常规锁脚方案，未能实现结构安全而导致隧洞支护失效、进而导致隧洞病害发生，需增加相应工程投资约20％，且还会延长隧洞施工工期。

本发明适用于隧洞软弱围岩工况，并可为进一步将使用范围扩大至浅埋、断层破碎带等不良地质段，具有很强的实用性和推广意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法倒刺锚头锁脚锚管结构示意图；

图2为一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法锁脚锚管前端倒刺锚头结构纵剖面图；

图3为一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法锁脚锚管倒刺锚头叠管整环段结构横断面图；

图4为一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法锁脚锚管倒刺锚头叠管隔分段结构横断面图。

其中：1－锚管管体、2－倒刺锚头、3－止浆段不钻孔段、4－注浆钻孔段、5－注浆孔、6－端尖头段、7－叠管整环段、8－叠管隔分段、9－助分钢筋环A、10－助分钢筋环B、11－非嵌岩端头、12－倒刺管片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用产品未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

实施例1：

如图1-4所示，一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法，包括如下步骤：

1、预先制作带自生倒刺锚头的锁脚锚管，长度为3.5m，锚管包括锚管管体1、倒刺锚头2；锚管管体1采用外径38mm壁厚3.5mm的普通热轧无缝钢管制作形成，包括长1.0m的止浆段不钻孔段3和长2.5m的注浆钻孔段4，注浆钻孔段4设有注浆孔5，注浆孔数量为46个左右；自生倒刺锚头2通过外径51mm壁厚3.5mm普通热轧无缝钢管被切割生成的6片管片和助分钢筋环焊接在管体前端形成，包括长0.15m的端尖头段6、长0.15m的叠管整环段7、长0.35m的叠管隔分段8、直径8mm的助分钢筋环A9、直径16mm的助分钢筋环B10；将锚管于隧洞施工前预先制作，可提高施工效率，不影响隧洞开挖施工组织，且可按精细化制作，保证锚管的制作质量。

2、软岩隧洞施工过程中、岩土体开挖之初，在刚架立各台阶或各分部钢拱架时，将预制完成的锚管嵌入围岩体中，注浆钻孔段4全部嵌入围岩，起到定位钢架且加固围岩的作用。

3、锚管非嵌岩端头11与钢架牢固连接，这是将锚管与围岩体形成一个整体的基本保证，锚管两端(嵌入围岩体一端、连接钢架一端)是通过锚管将钢架和围岩体连接的至关重要的两个节点。

4、锚管端头在注浆膨胀力和拉拔力综合作用下，形成自生倒刺锚头2。通过锚管注浆孔5注浆使浆液向管体周围围岩中和管头扩散，在加固围岩的同时，锚头的自生倒刺12扩散开，倒刺与管体夹角为3°，尖头端部呈锥形、尾部倒刺紧扣围岩体中并与注浆加固后的围岩形成一整体锚头；初期支护钢架在受围岩压力时内收(或有内收的趋势)，钢架位移及围岩变形形成的直接力作用拉于锚管上，锚头作为承力端点直接受力并使倒刺进一步扩散形成更紧扣锚头结构，倒刺与管体夹角大于3°。

所述的步骤4中的锁脚锚管注浆重点注至嵌岩端尖头，形成倒刺刚性锚头。

按自生倒刺锚头锁脚锚固方法、在自生倒刺锚头锁脚锚管作用下，隧洞初期支护钢架牢固架立。

实施例2：

一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锚管结构，它由锚管管体1、倒刺锚头2、止浆段不钻孔段3、注浆钻孔段4、注浆孔5、端尖头段6、叠管整环段7、叠管隔分段8、助分钢筋环A9、助分钢筋环B10、非嵌岩端头11、倒刺管片12组成，其特征在于：锚管管体1与倒刺锚头2相连，锚管管体1上的止浆段不钻孔段3与注浆钻孔段4相连，在注浆钻孔段4上设有注浆孔5，注浆孔5数量为46个或60个以内或更多，在锚管管体1的止浆段不钻孔段3末端装有非嵌岩端头11，倒刺锚头2上的端尖头段6与叠管整环段7相连，叠管整环段7与叠管隔分段8相连，在锚管管体1的注浆钻孔段4上分别装有助分钢筋环A9、助分钢筋环B10，倒刺管片12前段焊接于锚管管体端尖头段6尾部形成叠管整环段7，倒刺管片12后段焊接于助分钢筋环A9和助分钢筋环B10上形成叠管隔分段8，将直径8mm的助分钢筋环A9焊接于距叠管整环段尾部0.13m处、直径16mm的助分钢筋环B10焊接于距叠管整环段尾部0.25m处可实现倒刺与管体张开3°夹角。

本发明提出的自生倒刺锚头锁脚锚固方法的核心为自生倒刺锚头的锁脚锚管，该锚管及锚头的制作可就地取材，采用普通热轧无缝钢管和普通钢筋焊接而成，建设经济成本非常低、制作工序非常简单。

自生倒刺锚头形成后，锁脚锚管锚头端锚固于围岩体中，另一端紧扣于钢拱架上，类同于纽带或连系桥梁，将(以钢拱架为主体的)隧洞初期支护结构和初支背后的围岩体形成一整体承载结构，初支结构承担的荷载有效降低，隧洞施工期及运营期结构安全明显的提高。

自生倒刺锚头形成，有效地解决了隧洞工程施工过程中的常见实际问题——由于围岩软弱，施工过程中需要加大初期支护、特别是钢拱架的使用规模，部分隧洞工点用到了双层钢拱架，但仍然控制不了初支变形，同时该变形由于结构背后围岩压力引起，且变形一旦发生，将会产生迅速恶化、难以控制、甚至垮塌的后果和风险；本发明的自生倒刺锚头能于初支结构变形前，将初支(特别是骨架钢拱架)与围岩形成一有效的承载整体结构，至少能节约建设成本25％以上。

本发明方案与常规锁脚锚管方案相比：在实现结构同样安全度的前提下，以锁脚锚管单项工程论，可节约工程投资约30％；在采用常规锁脚方案，未能实现结构安全而导致隧洞支护失效、进而导致隧洞病害发生，需增加相应工程投资约20％，且还会延长隧洞施工工期。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法，其特征在于，其步骤是：

(1)、预先制作带自生倒刺锚头的锁脚锚管，锚管包括锚管管体、倒刺锚头，锚管管体包括止浆段不钻孔段和注浆钻孔段，自生倒刺锚头包括端尖头段、叠管整环段、叠管隔分段、助分钢筋环A、助分钢筋环B；

(2)、软岩隧洞施工过程中、岩土体开挖之初，在刚架立各台阶或各分部钢拱架时，将预制完成的锚管嵌入围岩体中，注浆钻孔段全部嵌入围岩；

(3)、锚管非嵌岩端头与钢架牢固连接；

(4)、锚管端头在注浆膨胀力和拉拔力综合作用下，形成自生倒刺锚头，通过锚管注浆使浆液向管体周围围岩中和管头扩散，在加固围岩的同时，锚头的自生倒刺扩散开，尖头端部呈锥形、尾部倒刺紧扣围岩体中并与注浆加固后的围岩形成一整体锚头；初期支护钢架在受围岩压力时内收，钢架位移及围岩变形形成的直接力作用拉于锚管上，锚头作为承力端点直接受力并使倒刺进一步扩散形成更紧扣锚头结构。

2.根据权利要求1所述的一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锁脚锚固方法，其特征在于：所述的步骤(4)中的锁脚锚管注浆重点注至嵌岩端尖头，形成倒刺刚性锚头。

3.权利要求1所述的一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锚管结构，它包括锚管管体(1)、倒刺锚头(2)，其特征在于：锚管管体(1)与倒刺锚头(2)相连，锚管管体(1)上的止浆段不钻孔段(3)与注浆钻孔段(4)相连，在锚管管体(1)的止浆段不钻孔段(3)末端装有非嵌岩端头(11)，倒刺锚头(2)上的端尖头段(6)与叠管整环段(7)相连，叠管整环段(7)与叠管隔分段(8)相连，在锚管管体(1)的注浆钻孔段(4)上分别装有助分钢筋环A(9)、助分钢筋环B(10)，倒刺管片(12)前段焊接于锚管管体端尖头段(6)尾部形成叠管整环段(7)，倒刺管片(12)后段焊接于助分钢筋环A(9)和助分钢筋环B(10)上形成叠管隔分段(8)。

4.根据权利要求3所述的一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锚管结构，其特征在于：所述的注浆钻孔段(4)上设有注浆孔(5)。

5.根据权利要求3所述的一种适用于软岩隧洞的自生倒刺锚头锚管结构，其特征在于：所述的助分钢筋环A(9)和助分钢筋环B(10)的直径和位置调整实现倒刺与管体的张开夹角的调整。

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