CN1712670A - 一种带防腐套管的注浆锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带防腐套管的注浆锚杆，由锚杆体、孔口连接段、套管、锚固头、支承垫板、紧固螺母、垫圈组成，锚杆体带有套管，一端与孔口连接段螺纹配合，另一端与锚固头连接；套管沿锚杆体纵轴方向布置，一端连接在孔口连接段与锚杆体相连接的同一个端面上；另一端延伸到锚固头附近；孔口连接段是一段局部带有螺纹内表面的和纵向连通孔的短直管，一端与锚杆体配合，另一端从其端面向内依次配有螺母、垫圈、支承垫板；孔口连接段的空腔和连通孔与套管的空腔连通，形成注浆通道。本装置能迅速形成支护锚固力、控制岩体变形，还能在注浆固结后成为双层注浆粘结包裹的、带套管的多重防腐屏障的支护系统，施工简单、耐久性强，为永久支护提供新的途径。

Description

一种带防腐套管的注浆锚杆

技术领域

本发明属于岩土工程锚固支护技术领域，本发明涉及一种带防腐套管的注浆锚杆，适用于地下工程、采矿工程、基坑及边坡工程等方面的地层结构支护。

背景技术

在岩土工程涉及的地下工程、采矿工程、基坑与边坡工程过程中，为防止地层变形坍塌或失稳而危及安全，对地层进行加固的一种主要的支护技术是采用锚杆。通过设置在地层中的锚杆所具有的高强度抗拉能力及通过锚杆与锚杆周围的注浆体与地层之间密实结合等方式将地层加固起来，以提高地层的整体性，起着抗剪、抗拉、抗压等多种力学作用，以控制地层变形，使之达到稳定安全状态。这种技术的应用与发展已有上百年的历史，并提出多种锚杆支护类型及工艺以适应不同的地层与不同条件的需要。

就锚杆类型而言，按锚杆体的刚度可分为：以钢筋或钢管作杆体的粗钢筋锚杆和以柔性高强钢绞丝作杆体的锚索锚杆两大类。锚索锚杆一般以多根钢绞丝组成的多束型锚杆，以预应力为主，由于施工复杂，对机械设备要求高。一般适用于锚固力有大于500KN，长度10m以上的地层。而粗钢筋锚杆的锚固力一般使用小于500KN，所采用的机械简单，施工方便，为目前使用最多的锚杆，广泛使用于中小型锚固需要的地层支护中。如交通隧道、水利水电隧洞，采矿巷道、一般基坑和边坡支护。

根据地层环境和对锚杆的耐久性要求方面要求分为临时支护和永久支护。临时支护使用寿命要求保证施工期的支护安全，一般在24个月内；永久支护的锚杆使用寿命要求保证工程项目投产后营运期的安全；一般要求在几十年。一些国家要求在100～120年的寿命。因此锚杆在地层中的防腐问题是很重要的。根据目前技术研究成果，钢锚杆在地层中的腐蚀有化学腐蚀、电化腐蚀、高应力腐蚀和散乱电流腐蚀4种，以电化腐蚀和散乱电流腐蚀为主。这主要由地层中土的酸碱度和导电性等腐蚀介质通过地下水和空气与锚杆的接触引起。在土层中有土壤中地下水，在岩石地层中有岩石裂隙中地下水存在。锚杆防腐技术措施主要有隔离和绝缘。其方法有注浆固结保护、锚杆镀锌层、锚杆环氧树脂涂层、套管包裹等。采用上述一种方法时为单重防腐(Single Corrosion Protection，SCP)，采用两种为双重防腐(Double CorrosionProtection，DCP)，三种及以上为多重防腐(Multiple Corrosion Protection，MCP)。“注浆固结”为最主要的单重防腐方式；“注浆固结+镀锌层”、“注浆固结+环氧树脂涂层”“注浆固结+套管”为双重防腐；“注浆固结+镀锌层+套管”、“注浆固结+环氧树脂涂层+套管”为多重防腐。选择防腐级别时与地层的腐蚀性和锚杆的重要性有关。锚杆越重要，防腐要求越高，费用越高。对于永久支护锚杆，我国《公路隧道设计规范》(TJJ026)，隧道地下洞室系统锚杆应采用全粘结性锚杆，属单重防腐或双重防腐锚杆；公路、铁路的路堑边坡稳定永久支护要采用双重防腐锚杆或多重防腐锚杆。

现有技术中涉及的大部分粗钢筋锚杆，仅适合于临时支护或单重防腐锚杆，如：

1.粗钢筋砂浆锚杆：采用螺纹钢筋作杆体，其施工工艺是在地层中钻孔后注入水泥砂浆，再在带浆体孔道中插入钢筋，使钢筋、砂浆与地层的结合。属先注浆后锚固型锚杆，其力学原理是砂浆凝固后，杆体随地层变形而承受拉力限制地层变形。这种锚杆施工简便。其缺点是：1)浆体饱满度难以保证，且因插入钢筋时存在偏离现象，钢筋保护层厚度不易均匀，锚固力不大。故使钢筋锈蚀而破坏。2)同时因不能实施预应力，注浆体随钢筋变形而开裂，使水气直接侵入钢筋，影响使用寿命。3)不适用于破碎地层。4)因锚杆支护力是在砂浆缓慢结硬后形成的，故不适用需迅速形成支护力的场合。属非防腐或单重防腐锚杆(如锚杆体镀锌或环氧树脂涂层)。

2.早强水泥药卷锚杆和树脂药卷锚固全粘结实心锚杆：虽是对普通砂浆实心锚杆进行了改进，可适用地层范围扩大，并能迅速形成支护力，但锚固浆体饱满度及钢筋保护层厚度因构造方面问题依然难以保证，影响锚杆体的可靠性。属非防腐或单重防腐锚杆(如锚杆体镀锌或环氧树脂涂层)。

3.水胀式锚杆和管缝式锚杆：利用杆体与孔壁面磨擦形成支护力。属于非注浆锚杆，一般仅适用于临时支护和良好岩层中。属非防腐或单重防腐锚杆(如锚杆体镀锌或环氧树脂涂层)。

4.胀壳式锚杆：利用锚固头的胀壳力形成点锚力，为非粘结型锚固产生的锚力。由于胀壳力通过胀壳与孔壁磨擦形成，故仅适用于较好的岩层中；且现有技术中，胀壳式锚杆为实心锚杆，在胀壳端头锚固后，全锚杆段不能进行后注浆，故多用在临时支护中。属非防腐或单重防腐锚杆(如锚杆体镀锌或环氧树脂涂层)。

5.中空自钻式锚杆：如中国专利ZL95202848.4公告文件所示的技术方案，通过中空杆体做钻杆加钻头实现钻杆和锚杆合一，钻进后再注浆。该技术方案侧重于极软弱与破碎岩层的注浆支护，但其缺点是注浆体锚固时间过长，因工艺原因不能迅速形成锚固力，故不适用需快速支护的地层。属非防腐或单重防腐锚杆(如锚杆体镀锌或环氧树脂涂层)。

6.中国专利(专利号02112233.4)“一种锚杆支护方法及其分段式中空注浆锚杆”，提出的一种技术方案是一种早强锚固的、可预应力的分段式中空注浆锚杆。该技术方案作为预应力锚杆时，中空杆体为自由段，实心杆体为锚固段，是药卷或树脂早强锚固剂进行锚固段的快速锚固与中空杆体后注浆相结合的粘结型预应力锚杆，可适用与各种岩层中。为先早强锚固后注浆粘结锚杆，属单重防腐锚杆或双重防腐(如锚杆体镀锌或环氧树脂涂层)。

在如何解决上述胀壳式锚杆的现有技术中不能注浆的缺点方面，中国专利(ZL200320107953.5，申请专利号200310108547.5)，提出了一种改进技术方案。该锚杆由胀(涨)壳锚固头、锚杆体、垫板、螺母，排气或进浆管道等组成。该技术方案采用中空管体作锚杆体或用实心钢筋绑一根管道代替中空管体作锚杆体，垫板带孔可插连通管道，胀壳锚固头作锚杆端头锚固，在安装胀壳锚固头后，再进行注浆。该技术在支护的可靠性、经济性等方面改进外，在防腐技术方面获得改进。为典型的先锚固后注浆型锚杆，属单重防腐锚杆或双重防腐(如锚杆体镀锌或环氧树脂涂层)。

发明内容

本发明提供了一种带防腐套管的注浆锚杆，该锚杆在安装完成后能迅速形成支护锚固力、控制岩体变形，并在注浆固结后成为双层注浆粘结包裹的、带防腐套管的多重防腐屏障的支护系统，施工简单、耐久性强，为永久支护提供新的途经。

一种带防腐套管的注浆锚杆，由锚杆体、孔口连接段、套管、锚固头、支承垫板、紧固螺母、垫圈组成，所述的锚杆体带有套管，其一端插在孔口连接段的一个端面的空腔内并螺纹配合，其另一端与锚固头连接；所述的套管沿锚杆体纵轴方向布置，其一端连接在孔口连接段与锚杆体相连接的同一个端面上；而套管的另一个端面延伸到锚固头附近；所述的孔口连接段是一段局部带有螺纹内表面的和纵向连通孔的短直管，其一端的空腔与锚杆体配合，而另一个端从其端面向内依次配有紧固螺母、垫圈、支承垫板；所述的孔口连接段的空腔和连通孔与套管的空腔连通，形成注浆通道。

所述的套管为直的圆管，由具有防腐性能的材料(如塑料管)制成的，其内外表面不仅包含全部和局部的光面构造或糙面构造，而且包含全部和局部的波纹、螺纹和颗粒状表面构造。

所述的套管与锚杆体之间设若干隔离支撑架，隔离支撑架可为多个分列布置，也可以在锚杆体上套设一弹簧作为隔离支撑架。

所述的孔口连接段可以是两段管径不同的管体组成，前端的管体外径小、后端的管体外径大；也可以是前端与后端的管径相同的管体。所述的前端管体外表面带螺纹，与紧固螺母螺纹配合，其一端与后端管体的一个端连接；所述的后端管体，一端的内腔为中心通道，另一端有与锚杆体连接的内螺纹空腔和侧向通道，中心通道与侧向通道连通。所述前端与后端的管径相同的管体，其一端的外表面带螺纹与紧固螺母配合、内腔有中心通道，另一端有与锚杆体连接的内螺纹空腔和侧向通道，中心通道与侧向通道连通。

所述的前端管体与后端的管体的连接方式可以是通过整体连接成为一个零件，也可以是两个独立的零件进行螺纹连接，其内腔相连通。

所述的孔口连接段内的侧向通道不仅孔的数量包含为一个或多个，而且其位置可以是靠近锚杆体一侧，也可以是靠近套管一侧。

当所述的套管的一个端插在孔口连接段一端的侧向通道内时，所述的孔口连接段上的侧向通道仅为一个。

所述的孔口连接段采用防腐性能材料(如不锈钢等)或表面经镀锌、环氧树脂涂层等防腐处理的钢材制成。

所述的锚杆体不仅可包含任一点进行螺纹连接的全长螺纹实心杆体，而且包含仅在锚杆体两端长度内的局部螺纹表面而其余部分为非螺纹表面的实心杆体。

锚杆安装完成，在所有空腔或通道和锚杆孔充满注浆体并固结后，能使本发明装置成为双层注浆粘结包裹的、带套管的多重防腐屏障的支护系统。

本发明提出的锚杆装置具有以下功能和效果：

(1)能通过锚固头与岩壁形成锚固力，安装锚杆后能迅速形成支护锚固力，控制岩体变形；

(2)为工程永久支护提供新的途经：能通过预应力使锚杆注浆固结体处于零应力或不出现拉应力，从而使固结体不出现开裂。

(3)套管、注浆固结体为锚杆提供了两重及多重防腐(如锚杆体镀锌或环氧树脂涂层)，保护锚杆体在长期的工作下不受地层介质的侵蚀，使锚杆的耐久性和使用寿命与现有技术相比大大延长。因此为支护性能要求高或腐蚀环境严重的地层支护提供了可靠的方法，如海底隧道支护、高腐蚀矿区支护、山体边坡永久支护等；

(3)锚杆能360°任意方向安装及注浆，且注浆与防腐处理一次完成，施工工艺简单、注浆可靠；

(4)本发明可适用于多数石质围岩条件支护和性价比优越的特点。

附图说明

图1为本发明的第一种实施方式结构示意图；

图1-a为图1中A-A处横剖面图；

图1-b为图1中B-B处横剖面图；

图1-c为图1中C-C处横剖面图；

图1-d为图1中D-D处横剖面图；

图2为图1的发明装置安装在地层中的纵剖面图；

图3本发明的第二种实施方式的锚杆结构示意图。

上述附图中附图标记为：

1-锚杆体；101-锚杆体1与后端管体30相连接的一个端面；

102-锚杆体1与锚固头5相连接的一个端面；

2-孔口连接段；20-前端管体；201-前端管体20与后端管体30相连接的一个端面；202-前端管体20与螺母6相连接的一个端面；203-前端管体20的空腔；

30-后端管体；30a-管体；301-后端管体30与锚杆体1相连接的一个端面；

302-后端管体30与前端管体20相连接的一个端面；

4-套管；41-套管4贴近锚固头5的一个端面；

42-套管4靠近后端管体30的一个端面；43-隔离支撑架

401-套管4与锚杆体1形成的空腔；

5-锚固头；501-锚固头5的内楔；502-锚固头5的外楔；

6-垫板；60-垫板6上的一个孔(排气用)；

7-紧固螺母；70-球形面垫圈；

8-后端管体30的中心通道；9-后端管体30的侧向通道；10-地层(岩层)；

11-地层10的锚杆支承面；80-地层10的锚杆孔孔壁；

81-地层10的锚杆孔；82-锚杆孔底部。

具体实施方式

如图1～3所示，一种带防腐套管的锚杆，由锚杆体1、孔口连接段2、套管4、锚固头5、支承垫板6、紧固螺母7、垫圈70组成。锚杆体1带有套管4，其一端插在孔口连接段的一个端面301的空腔内并螺纹配合，其另一端102与锚固头5连接。套管4沿锚杆体1纵轴方向布置，其一端42连接在孔口连接段与锚杆体相连接的同一个端面上；而套管的另一个端面41延伸到锚固头5附近。孔口连接段2是一段局部带有螺纹内表面的和纵向连通孔的短直管，其一端的空腔与锚杆体配合，而另一个端从其端面向内依次配有紧固螺母7、垫圈70、和带孔的支承垫板6。孔口连接段2的空腔和连通孔(203，8，9)与套管的空腔401连通，并与锚杆孔81和垫板上的孔60连通，形成注浆和排气通道。

如图1为本发明的第一种实施方式结构示意图。锚杆体1的一个端101插在孔口连接段2的一端301的内腔中，并与其螺纹连接；另一个端102套有锚固头5，并与其内楔501螺纹连接。套管4的一个端42固定在孔口连接段2一端301的外表面上，孔口连接段2上的这个端与连接锚杆体1的一个端相同；套管4沿锚杆体1的纵轴线穿套，而与其不接触，并与其形成空腔401。套管4的另一个端41延伸到锚固头5附近，以不影响注浆排气和锚固为宜。

孔口连接段2有实施方式有两种：第一种是由两段管径不同的管体(20，30)组成，前端的管体20外径小、后端的管体30外径大(见图1)。另一种是为前端与后端的管径相同的管体30a(见图2)。

孔口连接段2采用第一种实施方式时，见图1所示，前端管体20外表面带螺纹，与螺母7螺纹配合，其一端201与后端管体30的一个端302连接，其另一个端202上套有垫板6、紧固螺母7与垫圈70，并与紧固螺母7螺纹连接；后端管体30，一端的内腔为中心通道8，另一端有与锚杆体1连接的内螺纹空腔和侧向通道9，中心通道8与侧向通道9连通。

前端管体20与后端的管体30的连接方式不仅可以是通过整体连接成为一个零件，而且可以是两个独立的零件进行螺纹连接，其内腔(203、8)相连通。

孔口连接段2采用第二种实施方式时，见图3所示，管体30a，其一端302的外表面带螺纹与紧固螺母7配合、内腔有中心通道8，另一端301有与锚杆体1连接的内螺纹空腔和侧向通道9，中心通道8与侧向通道9连通。

孔口连接段2采用防腐性能材料(如不锈钢等)或表面经镀锌、环氧树脂涂层等防腐处理的钢材制成。

本发明装置套管4穿套在锚杆体1上，其一端42固定在孔口连接段2一端301的外表面上，套管4的内表面与孔口连接段2的外表面配合；并在套管与锚杆体之间设若干隔离支撑架43，隔离支撑架43可为多个分列布置在套管与锚杆体之间，也可以锚杆体1上套设一弹簧作为隔离支撑架，使套管与锚杆体不接触而与其形成空腔401。此时套管4对锚杆具有注浆和防腐双重功能，见图1、图3所示。

套管4为直的圆管，由具有防腐性能的材料(如塑料管)制成的，其内外表面不仅包含全部和局部的光面构造或糙面构造，而且包含全部和局部的波纹、螺纹和颗粒状表面构造。

孔口连接段2的侧向通道9不仅孔的数量包含为一个或多个，而且其位置可以是在靠近锚杆体1一侧的也可以是靠近套管4一侧的。

锚杆体1不仅可包含任一点进行螺纹连接的全长螺纹实心杆体，而且包含仅在锚杆体两端长度内的局部螺纹表面而其余部分为非螺纹表面的实心杆体。

本装置所示的锚固头5，锚固头5可以是现有技术中任一种构造，既可以是机械端头锚固型也可以是粘结端头锚固型的装置，即能在安装后在锚杆端头形成锚固力的所有装置。机械端头锚固型锚固头是通过锚固头的机械零件与锚杆孔孔壁之间的摩擦形成锚固力；而粘结端头锚固型锚固头是通过锚固剂将锚杆体与锚杆孔孔壁之间的粘结而形成锚固力。

图1～3所示的锚固头5为胀壳型锚固头，是机械端头锚固型锚固头的一种，由内楔501和外楔502组成。其工作原理是通过锚杆体1带动内楔501的运动，使外楔502相对运动，并向外膨胀，从而与地层10的锚杆孔壁80紧密接触形成锚固力。

本装置所示的垫板6可为平板形或圆蝶形，垫板6上有一个在注浆时用作排气的孔60；半球形垫圈7与垫板6之间的接触面为球面接触，可适应锚杆轴线与支承面11之间非垂直安装情况下的锚杆荷载能有效传递到支承面11上。螺母7亦可与垫圈70制成一个整体构件与前端管体2之间配合。

发明装置具体实施时，孔口连接段2长度较短(一般0.15～0.5米)、锚杆体1和套管4长度一般1.5～8米。

本装置所示的锚杆安装工艺方法是这样实现的：

步骤1：用钻孔机在地层(岩层)10中钻孔81并清扫钻孔。在现场，将锚杆体1与孔口连接段2、套管4、锚固头5装配就位。

步骤2：将装配就位的锚杆体1与孔口连接段2、套管4、锚固头5插入在钻孔洞81。在孔口连接段2的尾端用钻机(或冲钻工具)以转动冲击等手段使锚固头5连同锚杆体1及套管4插入到钻孔底部82，并使锚固头5顶紧后胀开。

步骤3：在孔口连接段2和岩层支承面11上安装支承垫板6、垫圈70和紧固螺母7。可用扭力扳手拧紧螺母7即可进行注浆。如需对锚杆进行预应力时，可用挤压空气柱塞千斤顶对孔口连接段2和锚杆体1张拉预应力，并用螺母7锁定预应力荷载。或者直接用扭力扳手拧紧螺母7对对孔口连接段2和锚杆体1进行预应力。

步骤4：完成上述步骤后，可对锚杆进行注浆。对第一种实施方式时，注浆体从202端面进入空腔203，通过注中心通道8、侧向通道9、空腔401并按图2所示的箭头方向流动，在套管4的端面41流向锚杆孔81，空气从孔60排出，浆体逐渐充盈整个锚杆孔81的空腔。当浆液从孔60流出后，停止注浆，完成锚杆安装。

第二种实施方式时，注浆体从302端面进入中心通道8、侧向通道9、空腔401后与第一种实施方式相同，按图2所示的箭头方向流动，在套管4的端面41流向锚杆孔81，空气从孔60排出，浆体逐渐充盈整个锚杆孔的空腔。当浆液从孔60流出时，停止注浆，完成锚杆安装。

因此锚杆安装完成，在所有空腔或通道(203，8，9、401)和锚杆孔81充满注浆体并固结后，使本发明装置成为双层注浆粘结包裹的、带套管4的多重防腐屏障的支护系统。

Claims (10)

1.一种带防腐套管的注浆锚杆，由锚杆体(1)、孔口连接段(2)、套管(4)、锚固头(5)、支承垫板(6)、紧固螺母(7)、垫圈(70)组成，其特征是：所述的锚杆体(1)带有套管(4)，其一端插在孔口连接段的一个端面(301)的空腔内并螺纹配合，另一端与锚固头(5)连接；所述的套管(4)沿锚杆体(1)纵轴方向布置，其一端(42)连接在孔口连接段与锚杆体相连接的同一个端面上；套管的另一个端面(41)延伸到锚固头(5)附近；所述的孔口连接段(2)是一段局部带有螺纹内表面的和纵向连通孔的短直管，其一端的空腔与锚杆体(1)配合，而另一个端从其端面向内依次配有紧固螺母(7)、垫圈(70)和支承垫板(6)；所述的孔口连接段(2)的空腔和连通孔(203，8，9)与套管的空腔(401)连通，形成注浆通道。

2.根据权利要求1所述的带防腐套管的注浆锚杆，其特征是：所述的套管(4)为直的圆管，由具有防腐性能的材料制成的，其内外表面不仅包含全部和局部的光面构造或糙面构造，而且包含全部和局部的波纹、螺纹和颗粒状表面构造。

3.根据权利要求1或2所述的带防腐套管的注浆锚杆，其特征是：套管(4)与锚杆体(1)之间设若干隔离支撑架(43)，隔离支撑架(43)可为多个分列布置，也可以在锚杆体(1)上套设一弹簧作为隔离支撑架。

4.根据权利要求1所述的带防腐套管的注浆锚杆，其特征是：所述的孔口连接段(2)不仅可以是两段管径不同的管体(20，30)组成，前端的管体(20)外径小、后端的管体(30)外径大；也可以是前端与后端的管径相同的管体(30a)。

5.根据权利要求4所述的带防腐套管的注浆锚杆，其特征是：所述的前端管体(20)外表面带螺纹，与紧固螺母(7)螺纹配合，其一端(201)与后端管体(30)的一个端(302)连接；所述的后端管体(30)，一端的内腔为中心通道(8)，另一端有与锚杆体(1)连接的内螺纹空腔和侧向通道(9)，中心通道(8)与侧向通道(9)连通。

6.根据权利要求4所述的带防腐套管的注浆锚杆，其特征是：所述的管体(30a)，其一端的外表面带螺纹与紧固螺母(7)配合、内腔有中心通道(8)，另一端有与锚杆体(1)连接的内螺纹空腔和侧向通道(9)，中心通道(8)与侧向通道(9)连通。

7.根据权利要求1、5所述的带防腐套管的注浆锚杆，其特征是：孔口连接段(2)的前端管体(20)与后端的管体(30)的连接方式可以是通过整体连接成为一个零件，也可以是两个独立的零件进行螺纹连接，其内腔(203、8)相连通。

8.根据权利要求5或6所述的带防腐套管的注浆锚杆，其特征是：所述的孔口连接段(2)内的侧向通道(9)不仅孔的数量包含为一个或多个，而且其位置可以是在靠近锚杆体(1)一侧的也可以是靠近套管(4)一侧的。

9.根据权利要求1所述的带防腐套管的注浆锚杆，其特征是：所述的孔口连接段(2)采用防腐性能材料或表面经镀锌、环氧树脂涂层等防腐处理的钢材制成。

10.根据权利要求1所述的带防腐套管的注浆锚杆，其特征是：所述的锚杆体(1)不仅可包含任一点进行螺纹连接的全长螺纹实心杆体，而且包含仅在锚杆体两端长度内的局部螺纹表面而其余部分为非螺纹表面的实心杆体。

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