CN116906098A - 一种管索复合支护装置及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管索复合支护装置及其施工方法，该支护装置包括由锚管、垫板、胀壳组件和预应力螺栓构成的浅部预应力锚管支护结构，以及由锚索、承压板和锚头构成的深部预应力锚索支护结构。本发明的有益效果在于：通过对锚管和锚索分别进行预应力施加，形成由浅部预应力锚管支护体系和深部预应力锚索支护体系构成的复合支护体系，进而可对围岩提供更为有力且稳定的主动支护作用，有效控制围岩变形。

Description

一种管索复合支护装置及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧道围岩支护技术领域，具体涉及一种管索复合支护装置及其施工方法。

背景技术

在山岭隧道施工技术领域中，软弱围岩大变形问题一直都是隧道工程建设中的主要重难点之一，在现有的山岭隧道施工工法中，初期支护中基本都采用锚喷和型钢拱架支护相结合的支护方法，但现有的支护中锚杆多采用低预应力砂浆锚杆或中空注浆锚管，在软弱围岩中，尤其是高地应力软岩地层中，低预应力砂浆锚杆或中空注浆锚管支护并不能有效的控制开挖后围岩的变形。软弱围岩的大变形会使得初支承受很大的形变甚至松动压力，导致初支发生较大的变形侵限，甚至使得初支的型钢拱架和喷射混凝土直接发生破坏，导致频繁返工。并且在有些时变效应明显的围岩中，开挖后初期围岩变形速率较小，但围岩扰动后再次稳定较慢，变形持续时间很长，变形量很大，导致后期初支和二衬都发生破坏。在边坡支护、深大洞室群支护、结构抗浮和重力坝抗倾等工程中，高预应力锚索支护有大量成功应用的案例，并且对于岩土体的位移控制效果良好，可在山岭隧道领域，预应力锚索技术却应用较少。随着现在隧道工程埋深越来越大，所遇到的地质情况越来越复杂，高地应力软岩大变形问题成为隧道工程中一大无法忽视的问题，传统的低预应力锚杆和中空注浆锚管所提供的主动支护力已无法有效控制围岩的变形，因此亟需一种能提供更大主动支护力的支护方法来控制围岩变形。

公开号为CN202673309U的专利公开了一种组合式高强度注浆锚索，其由注浆连接管、螺母、托盘、套管、注浆孔、胀壳齿、锥形倒楔、塑料搅拌头、楔卡、索体、束线环、丝套组成，具有抗拉强度高、承载能力强及锚固深度可控等优点，可适用于矿山及岩土工程围岩支护，但是其套管和锚索都基本没有施加相应的预应力，仍是传统的被动支护体系，无法及时有效的为围岩提供较大主动支护力，对于控制软弱岩体的变形来说是极为不利的，再者其胀壳需要通过套管和锚索的相互作用才能张开发挥作用，结构较为复杂，工程上使用较为繁琐。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种管索复合支护装置及其施工方法，通过对锚管和锚索分别进行预应力施加，形成由浅部预应力锚管支护体系和深部预应力锚索支护体系构成的复合支护体系，进而可对围岩提供更为有力且稳定的主动支护作用，有效控制围岩变形。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种管索复合支护装置，包括锚索和锚管，锚索穿设于锚管内，锚管的外端端部套设有与围岩锚固的垫板，锚管的内端端部可拆卸设有用于对锚管进行机械锚固的胀壳组件，垫板外侧的锚管端部上套接有与垫板抵接的预应力螺栓，垫板内侧的锚管端部上套设有密封囊袋，垫板上穿设有注浆主管和排气管，注浆主管和排气管穿均穿过密封囊袋，密封囊袋内的注浆管上设有注浆支管，锚索的外端穿过锚管和预应力螺栓并套接有与预应力螺栓抵接的锚头，锚索的内端穿过锚管并套接有承压板。

进一步地，锚索为多股高强度钢绞线绞合而成的单束结构。

进一步地，胀壳组件包括锚管扩大头和胀壳式锚头，锚管扩大头和胀壳式锚头均套接于锚管的内端端部，胀壳式锚头近垫板一侧的侧壁上设有呈外八字状张开的弹簧撑腿，弹簧撑腿用于与锚孔孔壁抵接，弹簧撑腿上与锚孔孔壁的抵接处设有锯齿，锚管扩大头设于胀壳式锚头背离弹簧撑腿的一侧。

进一步地，锚管为左旋高强螺纹钢管，锚管扩大头和胀壳式锚头均与锚管螺纹套接。

进一步地，预应力螺栓与锚管的外端端部之间设有止浆垫片，止浆垫片套设在锚索上。

进一步地，密封注浆囊袋内设有速凝剂。

进一步地，注浆主管穿过密封囊袋并接有单向爆破阀，注浆支管上设有与单向爆破阀配合的单向溢流阀。

基于上述管索复合支护装置的结构，本发明还提供了一种管索复合支护装置的施工方法，包括以下步骤：

S1、在围岩上钻出锚孔并对锚孔进行清理；

S2、对锚索、锚管、垫板、胀壳组件、排气管、注浆囊袋、注浆主管、注浆支管和承压板进行组装；

S3、将锚索和锚管依次装入锚孔，使胀壳组件与锚孔孔壁抵接，然后将垫板与锚孔孔口处的围岩锚固；

S4、通过注浆主管向密封囊袋和锚孔内进行注浆，使密封囊袋对锚孔孔口进行密封，直至浆液充满锚孔并从排气管溢流出时停止注浆；

S5、停止注浆并待浆液达到指定强度后安装预应力螺栓，利用气动扳手对锚管施加设计扭矩，然后拧紧预应力螺栓使预应力螺栓与垫板抵接；

S6、安装锚头，利用液压张拉机对锚索施加设计预应力后拧紧锚头，使锚头与预应力螺栓抵接。

进一步地，步骤S3中，在安装锚索时，先利用导杆向锚孔孔底塞入树脂锚固剂，然后将锚索装入锚孔，利用气动扳手转动锚索使锚索内端旋转压入锚孔孔底，继续转动锚索使锚索对树脂锚固剂进行充分搅拌，直至树脂锚固剂充满锚孔并凝结硬化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过锚管、垫板、胀壳组件和预应力螺栓构成了浅部预应力锚管支护结构，结合注浆和预应力施加形成了对围岩的浅部预应力锚管支护体系；通过锚索、承压板和锚头构成了深部预应力锚索支护结构，结合注浆和预应力施加形成了对围岩的深部预应力锚索支护体系；最终形成了由浅部预应力锚管支护体系和深部预应力锚索支护体系构成的复合支护体系，进而通过复合支护体系为围岩提供强大的主动支护力，提升围岩的抗剪性能。

2、本发明将深部预应力锚索支护结构和浅部预应力锚管支护结构装入锚孔后，通过树脂锚固剂对锚索进行化学锚固，通过胀壳组件对锚管进行机械锚固，然后再依次对锚索和锚管施加预应力，进而在使浅部围岩形成压缩性岩石承载拱后再对深部围岩进行沟通，最终在深部预应力锚索支护体系和浅部预应力锚管支护体系对围岩的主动支护作用下，充分利用深、浅部围岩本身的承载能力，降低初期支护设计参数，有效控制围岩的变形。

附图说明

图1 为本发明的整体结构示意图；

图2 为图1中的A处结构放大图；

图3 为图1中的B处结构放大图；

图4 为本发明中注浆主管与密封囊袋的装配示意图。

图中：1、锚索；2、锚管；3、垫板；4、预应力螺栓；5、密封囊袋；6、注浆主管；7、排气管；8、注浆支管；9、锚头；10、承压板；11、锚管扩大头；12、胀壳式锚头；13、弹簧撑腿；14、止浆垫片；15、单向爆破阀；16、单向溢流阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例一

如图1-4所示，一种管索复合支护装置，包括锚索1和锚管2，锚索1穿设于锚管2内，锚管2的外端端部套设有垫板3，锚管2的内端端部可拆卸设有胀壳组件，垫板3外侧的锚管2端部上套接有与垫板3抵接的预应力螺栓4，垫板3内侧的锚管2端部上套设有密封囊袋5，垫板3上穿设有注浆主管6和排气管7，注浆主管6和排气管7穿均穿过密封囊袋5，密封囊袋5内的注浆管上设有注浆支管8，锚索1的外端穿过锚管2和预应力螺栓4并套接有与预应力螺栓4抵接的锚头9，锚索1的内端穿过锚管2并套接有承压板10。

如图1、2所示，在围岩处钻好锚孔后，可将锚索1内端和锚孔内端穿入锚孔内，使垫板3与锚孔孔口处的围岩抵接，然后将垫板3锚固在围岩上，密封囊袋5则位于垫板3内侧的锚孔孔口处，胀壳组件用于在锚孔内对锚管2进行机械锚固，承压板10用于在锚孔内对锚索1进行支撑。通过注浆主管6和注浆支管8向锚孔内密封囊袋5内注浆后，密封囊袋5随着注浆胀大进而对锚孔进行密封，待浆液注满锚孔并凝固后则可在锚孔内对锚管2和锚索1进行注浆锚固，注浆的过程中锚孔内的气体则随着注浆经排气管排出，当排气管有浆液溢流时则说明锚孔内已注满浆液。

在本实施例中，锚索1优选为多股高强度钢绞线绞合而成的单束结构；锚管2优选为左旋高强螺纹钢管，锚头9和预应力螺栓4则分别和锚索1和锚管2螺纹套接；承压板10优选设置多个，多个承压板10按照1～2m的间隔等间距安装在锚索1上。另外，在预应力螺栓4与锚管2的外端端部之间设有止浆垫片14，止浆垫片14套设在锚索1上，以防止浆液溢流。

基于上述结构，锚管2、垫板3、胀壳组件和预应力螺栓4可构成浅部预应力锚管支护结构，通过拧紧预应力螺栓4对锚管2施加预应力，进而结合注浆可对浅部的围岩进行支护，以形成对围岩的浅部预应力锚管支护体系；通过锚索1、承压板10和锚头9构成了深部预应力锚索支护结构，通过拧紧锚头9对锚索1进行预应力施加，进而结合注浆可对深部的围岩进行支护，以形成对围岩的深部预应力锚索支护体系。

如图3所示，胀壳组件包括锚管扩大头11和胀壳式锚头12，锚管扩大头11和胀壳式锚头12均螺纹套接于锚管2的内端端部，胀壳式锚头12近垫板3一侧的侧壁上固定有呈外八字状张开的弹簧撑腿13，锚管扩大头11则设于胀壳式锚头12背离弹簧撑腿13的一侧，以对胀壳式锚头12进行限位。在将锚管2装入锚孔时，弹簧撑腿13在锚孔孔壁的挤压下向锚管2收缩，进而便于将锚管2穿入锚孔，当锚管2穿入到位时，弹簧撑腿13在外张的弹力作用下与锚孔孔壁抵接，这样向锚孔外拉动锚管2时，由于弹簧撑腿13呈外八字状，弹簧撑腿13将卡紧在锚孔内，进而不能拉动锚管2，以此实现对锚管2的机械锚固。优选的，在弹簧撑腿13上与锚孔孔壁的抵接处设有锯齿，使得弹簧撑腿13对锚孔孔壁形成咬合力，进而提升对锚管2的机械锚固效果。

如图4所示，注浆主管6穿过密封囊袋5并安装有单向爆破阀15，注浆支管8上安装有与单向爆破阀15配合的单向溢流阀16。注浆时，浆液先从注浆主管6流向注浆支管8，然后通过单向溢流阀16流入密封囊袋5，注浆囊袋随着浆液注入逐渐胀大并充满锚孔进而对锚孔孔口进行密封，当达到一定压力后单向爆破阀15打开，单向溢流阀16随即关闭，浆液便将通过单向爆破阀15开始向锚孔内注浆，通过密封胶囊可广泛适用于各种钻孔孔径，适应性较强，并且密封性能较止浆塞和止浆垫片14效果更好。优选的，在密封注浆囊袋内预置有速凝剂，单向溢流阀16关闭时密封注浆囊袋内的浆液会在保持一定压力的状态下迅速凝固硬化，进而较快、较好地堵塞锚孔。

在使用上述管索复合支护装置对围岩进行支护时，其施工过程包括以下步骤：

S1、在围岩上钻出锚孔并对锚孔进行清理；

S2、对锚索1、锚管2、垫板3、胀壳组件、排气管7、注浆囊袋、注浆主管6、注浆支管8和承压板10进行组装；

S3、将锚索1和锚管2依次装入锚孔，使胀壳组件与锚孔孔壁抵接，然后将垫板3与锚孔孔口处的围岩锚固；

S4、通过注浆主管6向密封囊袋5和锚孔内进行注浆，使密封囊袋5对锚孔孔口进行密封，直至浆液充满锚孔并从排气管7溢流出时停止注浆；

S5、停止注浆并待浆液达到指定强度后安装预应力螺栓4，利用气动扳手对锚管2施加设计扭矩，然后拧紧预应力螺栓4使预应力螺栓4与垫板3抵接；

S6、安装锚头9，利用液压张拉机对锚索1施加设计预应力后拧紧锚头9，使锚头9与预应力螺栓4抵接。

在安装完成后可切除多余的锚索1，并对切口进行防腐处理。在步骤S2中，可在锚管2内部的锚索1上套设PE管，并对PE管的管口进行密封处理，这样在向锚孔内注浆时，可避免浆液自锚管2的内端端部流入锚管2内部使PE管包覆的锚索与浆液粘结，即PE管可隔绝锚索与浆液，使PE管包覆的该段锚索形成自由段，进而可有效解决锚索全长锚固时锚索的锚固端部受力集中的问题，有效改善锚索1受力以及充分利用锚固体强度。

实施例二

本实施例在实施例一中的步骤S3中，在安装锚索1时除了对锚索1进行注浆锚固外还增加了对锚索1的化学锚固，以进一步提升对锚索1的锚固效果。具体的，先利用导杆向锚孔孔底塞入树脂锚固剂，然后将锚索1装入锚孔，利用气动扳手转动锚索1使锚索1内端旋转压入锚孔孔底，继续转动锚索1使锚索1对树脂锚固剂进行充分搅拌，直至树脂锚固剂充满锚孔并凝结硬化，这样锚固剂将锚索1连同承压板10固定在锚孔内以实现对锚索1的化学锚固。

本发明通过上述管索复合支护装置的安装，将深部预应力锚索支护结构和浅部预应力锚管支护结构装入锚孔后，可通过树脂锚固剂对锚索1进行化学锚固，通过胀壳组件对锚管2进行机械锚固，然后再依次对锚管2和锚索1施加预应力，进而在使浅部围岩形成压缩性岩石承载拱后再对深部围岩进行沟通，最终通过浅部预应力锚管支护结构形成对围岩的浅部预应力锚管支护体系，通过深部预应力锚索支护结构形成对围岩的深部预应力锚索支护体系，在两个体系形成的复合支护体系下对围岩提供有力的主动支护力，充分利用深、浅部围岩本身的承载能力，降低初期支护设计参数，有效控制围岩的变形。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种管索复合支护装置，包括锚索（1）和锚管（2），锚索（1）穿设于锚管（2）内，其特征在于：锚管（2）的外端端部套设有与围岩锚固的垫板（3），锚管（2）的内端端部可拆卸设有用于对锚管进行机械锚固的胀壳组件，垫板（3）外侧的锚管（2）端部上套接有与垫板（3）抵接的预应力螺栓（4），垫板（3）内侧的锚管（2）端部上套设有密封囊袋（5），垫板（3）上穿设有注浆主管（6）和排气管（7），注浆主管（6）和排气管（7）穿均穿过密封囊袋（5），密封囊袋（5）内的注浆管上设有注浆支管（8），锚索（1）的外端穿过锚管（2）和预应力螺栓（4）并套接有与预应力螺栓（4）抵接的锚头（9），锚索（1）的内端穿过锚管（2）并套接有承压板（10）。

2.根据权利要求1所述的管索复合支护装置，其特征在于：锚索（1）为多股高强度钢绞线绞合而成的单束结构。

3.根据权利要求1所述的管索复合支护装置，其特征在于：胀壳组件包括锚管扩大头（11）和胀壳式锚头（12），锚管扩大头（11）和胀壳式锚头（12）均套接于锚管（2）的内端端部，胀壳式锚头（12）近垫板（3）一侧的侧壁上设有呈外八字状张开的弹簧撑腿（13），弹簧撑腿（13）用于与锚孔孔壁抵接，弹簧撑腿（13）上与锚孔孔壁的抵接处设有锯齿，锚管扩大头（11）设于胀壳式锚头（12）背离弹簧撑腿（13）的一侧。

4.根据权利要求3所述的管索复合支护装置，其特征在于：锚管（2）为左旋高强螺纹钢管，锚管扩大头（11）和胀壳式锚头（12）均与锚管（2）螺纹套接。

5.根据权利要求1所述的管索复合支护装置，其特征在于：预应力螺栓（4）与锚管（2）的外端端部之间设有止浆垫片（14），止浆垫片（14）套设在锚索（1）上。

6.根据权利要求1所述的管索复合支护装置，其特征在于：密封注浆囊袋内设有速凝剂。

7.根据权利要求1所述的管索复合支护装置，其特征在于：注浆主管（6）穿过密封囊袋（5）并接有单向爆破阀（15），注浆支管（8）上设有与单向爆破阀（15）配合的单向溢流阀（16）。

8.一种如权利要求1所述的管索复合支护装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在围岩上钻出锚孔并对锚孔进行清理；

S2、对锚索（1）、锚管（2）、垫板（3）、胀壳组件、排气管（7）、注浆囊袋、注浆主管（6）、注浆支管（8）和承压板（10）进行组装；

S3、将锚索（1）和锚管（2）依次装入锚孔，使胀壳组件与锚孔孔壁抵接，然后将垫板（3）与锚孔孔口处的围岩锚固；

S4、通过注浆主管（6）向密封囊袋（5）和锚孔内进行注浆，使密封囊袋（5）对锚孔孔口进行密封，直至浆液充满锚孔并从排气管（7）溢流出时停止注浆；

S5、停止注浆并待浆液达到指定强度后安装预应力螺栓（4），利用气动扳手对锚管（2）施加设计扭矩，然后拧紧预应力螺栓（4）使预应力螺栓（4）与垫板（3）抵接；

S6、安装锚头（9），利用液压张拉机对锚索（1）施加设计预应力后拧紧锚头（9），使锚头（9）与预应力螺栓（4）抵接。

9.如权利要求8所述的管索复合支护装置的施工方法，其特征在于：步骤S3中，在安装锚索（1）时，先利用导杆向锚孔孔底塞入树脂锚固剂，然后将锚索（1）装入锚孔，利用气动扳手转动锚索（1）使锚索（1）内端旋转压入锚孔孔底，继续转动锚索（1）使锚索（1）对树脂锚固剂进行充分搅拌，直至树脂锚固剂充满锚孔并凝结硬化。