CN201857612U - 一种延-弹性抗岩爆锚杆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种延-弹性抗岩爆锚杆装置，它包括锚杆杆体、对中器、锁紧螺母、应力扩散托盘、刚性弹簧、垫圈，自由段分别与锚固段、外锚段相连，形成锚杆杆体，在锚杆杆体一端的外锚段上装有刚性弹簧，在刚性弹簧的两端各装有一个垫圈，其中一个与锁紧螺母相连，另一个与应力扩散托盘相连，对中器分别与锚固段、锚杆杆体相连。自由段上设有波形段，锚固段锚杆杆体设有齿形凸起。其结构简单，安装方便，可操作性强。刚性弹簧还可适应岩爆引起的后续岩体震动，为岩体提供一个持续和变化的支护抗力，防止围岩崩落伤人和设备，使岩爆产生的岩体动能在岩体裂隙面的摩擦过程中迅速消耗，使岩爆引起的震动过程尽快结束。

Description

一种延-弹性抗岩爆锚杆

技术领域

本实用新型涉及岩土工程锚固支护领域，特别是涉及岩爆防治领域。更具体涉及一种延-弹性抗岩爆锚杆，可适用于有岩爆威胁的围岩支护中，对有效防治岩爆造成的损害具有现实意义。

背景技术

锚杆支护是在边坡、岩土深基坑等地面工程及隧道、采场等地下洞室施工中采用的一种围岩加固支护方式。随着各种新型材料的出现，锚杆的性能也越来越完善，这就为改进锚杆，增加新的功能提供了基础。

岩爆是在高地应力区地下洞室开挖过程中，由于岩体应力释放导致洞壁岩体骤然崩落并弹射的现象。岩爆发生时，会产生岩块的弹射、抛掷、震动，易造成人员伤亡和机械损坏的严重事故。岩爆是深埋长大隧道施工中发生频率较高的突发性工程灾害，不仅严重威胁施工人员及设备的安全，影响施工进度，而且还会造成超挖、初期支护失效，严重时还会诱发地震，已经成为硬岩隧道勘察设计及施工组织中必须考虑的重要问题之一。

及时支护是防治岩爆灾害的重要措施之一。大量的工程实践已经表明，在隧洞（隧道、巷道）工程开挖过程中，岩爆的发生具有明显的“时滞性”特征。如我国天生桥、太平驿、二滩等大型水电站引水隧洞的岩爆一般在爆破开挖后的一定时间段内发生，岩爆高发区一般距离掌子面2～50m。对锦屏二级水电站A和B辅助洞岩爆的统计分析显示，岩爆多发生在距掌子面6～20m的范围内，掌子面开挖后的5～45小时是岩爆发生的高峰期。因此，可采用及时支护的方法减小发生岩爆造成的危害，而由于锚杆支护具有施工简便、支护快速、可以提供一定的预应力等优点而被大量采用。

岩爆发生过程的基本特点为：突发的动力效应与阶段性。岩爆在突然爆发时，会产生强烈的冲击和震动；且虽然岩爆过程看上去是在瞬间完成的，但其也有一个阶段性，即岩块脱离围岩并飞出是依次发生的。岩爆过程的这些特点对锚杆支护的要求是：1）可以提供一定的初锚力（预应力）；2）锚杆具有一定的可伸缩量，可以抵抗岩爆的冲击；3）在岩爆过程中，能够持续保持一定的锚固力，限制岩块飞出伤人和设备，并尽快使岩爆诱发的震动过程停止。而传统的锚杆类型均难满足上述的要求2）和3）。为此，改进了传统的锚杆形式和结构，把杆体自由段的一部分设计为波形，使杆体受拉后有较大的伸长量，并增加了一个消耗岩爆动能并提供锚固力的刚性弹簧。

发明内容

本实用新型的目的是提供了一种延-弹性抗岩爆锚杆，其结构简单，安装方便，可操作性强。其波形段在冲击力作用下被拉直后可抵抗岩爆发生时的第一波瞬间冲击大变形，提供变形补偿；刚性弹簧可继续提供锚固力，还可适应岩爆引起的后续岩体震动，为岩体提供一个持续和变化的支护抗力，防止围岩崩落伤人和设备，使岩爆产生的岩体动能在岩体裂隙面的摩擦过程中迅速消耗，使岩爆引起的震动过程尽快结束。

一种延-弹性抗岩爆锚杆，包括锚杆杆体、对中器、应力扩散托盘、垫圈、刚性弹簧、锁紧螺母，锚杆杆体分为外锚段、自由段和锚固段，其连接关系是：自由段分别与锚固段、外锚段相连，形成锚杆杆体；在锚杆杆体一端的外锚段上装有刚性弹簧，提供持续的锚固力；在刚性弹簧的两端各装有一个垫圈，其中一个与锁紧螺母相连，另一个与应力扩散托盘相连，起到降低磨损、分散和传递压力作用；对中器分别与锚固段、锚杆杆体相连，起到锚杆安设的对中作用，还可防止锚固剂外流，起到封堵作用。外锚段上安有刚性弹簧，锚固段锚杆杆体设有齿形凸起，自由段设计有波形段。所述的刚性弹簧要求有比较大的刚度系数，初始安装后处于压缩状态。所述的锚杆杆体需采用延性和强度较好的钢筋，波形段的设计要满足《水工混凝土钢筋施工规范》5.3.3条弯起钢筋处的圆弧内半径宜大于12.5d的规定。所述的刚性弹簧的压缩程度与所述的波形段的极限伸长度有关。

所述的波形段位于锚杆杆体靠近孔口的位置，根据锚杆杆体所使用的钢筋型号，对设计位置进行人工或机械弯折。波形段长度与岩爆发生的强度有关。根据对岩爆强度的统计和特定的地质条件或现场观测，预估岩爆发生时沿垂直于围岩壁面发生的最大位移量，记为                                                

，所述的波形段的极限伸长量应不小于。根据波形段的极限伸长量、波形段的弯曲程度和钻孔直径，可计算出波形段的设计长度。此波形段在冲击力作用下被拉直后可抵抗岩爆发生时的第一波瞬间冲击大变形，提供变形补偿。

所述的锚杆外锚段依次连接有应力扩散托盘、垫圈、刚性弹簧、垫圈、锁紧螺母，整体对锚杆系统施加锚固力，固定整个系统。应力扩散托盘靠垫圈传过来的压力紧贴在围岩壁上；垫圈和刚性弹簧套在锚杆杆体上，可自由滑动；锁紧螺母通过螺纹旋紧在锚杆杆体上，提供给垫圈、刚性弹簧、应力扩散托盘一个压力。

所述的刚性弹簧位于外锚段两垫圈之间，其制作依据GB/T23934-2009《热卷圆柱螺旋压缩弹簧 技术条件》规范规定，结构型式采用RYⅠ型两端圈并紧磨平。刚性弹簧的初始压缩量应大于波形段的极限伸长量，这是为了要保证在第一波岩爆冲击发生后，刚性弹簧对应力扩散托盘仍具有一定的压力，锚杆仍能起锚固作用。记波形段的极限伸长量为

，刚性弹簧的压缩量为

，则三者之间的关系为。

所述的垫圈，位于应力扩散托盘、刚性弹簧和锁紧螺母之间，采用刚度较大的金属垫圈，其作用是降低磨损、分散和传递压力。

所述的应力扩散托盘位于钻孔孔口紧贴围岩，其型式采用矿用锚杆托盘，其大小应根据岩爆发生的范围大小和锚杆间距来设计，比传统的锚杆托盘要大些，除了起到应力扩散的作用外，还能防止岩体崩落下来伤人和设备。托盘中心的孔洞要比锚杆直径大一些，在岩爆结束后，可作为灌浆的通道。

所述的锁紧螺母位于外锚段最外端，其型号采用防松六角螺母。其螺丝可采用耐螺扣螺丝，可防止振动、冲击引起的松动。锚杆外锚段端部的螺纹段要适当长一些，需保证岩爆发生后，锁紧螺母仍具有一定的旋进空间，提供二次预紧所需的锚固力。

所述的对中器与锚杆杆体连接，安置在锚固段，其型式可采用中国专利“一种预应力锚杆装置”（专利号200620104356.0）中所述的车轮形状的隔离体。起到锚杆安设的对中作用，还可防止锚固剂外流，起到封堵作用。

所述的锚杆锚固段，设有齿形凸起，可加大锚固强度。锚杆锚固段的锚固方式可先用树脂锚固剂锚固，承受岩爆引起的冲击力。岩爆结束后，可进行二次注浆锚固，提高锚杆的锚固效果，形成围岩的系统永久支护。

本实用新型提出的一种延-弹性抗岩爆锚杆有以下功能和效果：锚杆的波形段和刚性弹簧组合，可显著提高抵抗岩爆冲击的能力，达到防治岩爆损害的目的。其波形段在冲击力作用下被拉直后可抵抗岩爆发生时的第一波瞬间冲击大变形，提供变形补偿；刚性弹簧可继续提供锚固力。此外，刚性弹簧还可适应岩爆引起的后续岩体震动，为岩体提供一个持续和变化的支护抗力，防止围岩崩落伤人和设备；并且，刚性弹簧提供的持续支护抗力使岩体裂隙面保持更大的法向压应力，从而使岩爆产生的岩体动能在岩体裂隙面的摩擦过程中迅速消耗，使岩爆引起的震动过程尽快结束。

本实用新型适用于有岩爆发生的围岩支护中，其结构简单，安装方便，可操作性强。其波形段在冲击力作用下被拉直后可抵抗岩爆发生时的第一波瞬间冲击大变形，提供变形补偿；刚性弹簧可继续提供锚固力（相当于围压）。此外，刚性弹簧还可适应岩爆引起的后续岩体震动，为岩体提供一个持续和变化的支护抗力，防止围岩崩落伤人和设备；并且，刚性弹簧提供的持续支护抗力使岩体裂隙面保持更大的法向压应力，从而使岩爆产生的岩体动能在岩体裂隙面的摩擦过程中迅速消耗，使岩爆引起的震动过程尽快结束。

附图说明

附图1为一种延-弹性抗岩爆锚杆装置示意图

附图2为一种波形段示意图

附图3为一种外锚段及其与其它部分的连接示意图

附图4为一种刚性弹簧压缩示意图

附图5为一种锚固段示意图

其中：1—锚固段；2—自由段；3—外锚段；4—波形段；5—刚性弹簧；6—垫圈；7—应力扩散托盘；8—锁紧螺母；9—对中器；10—锚杆杆体。

      

—波形段弯起圆弧角度；

-—波形段弯起圆弧内半径；b—波形段弯起圆弧弦长；c—波形段弯起圆弧高度。

      

—刚性弹簧自由长度；

—初始受荷长度；

—初始压缩长度。

      

—锚杆螺纹预留长度。

      A-A—锚固段横断面图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：

根据图1、图3可知，一种延-弹性抗岩爆锚杆装置，由锚杆杆体10、对中器9、锁紧螺母8、应力扩散托盘7、刚性弹簧5、垫圈6等组成，锚杆杆体10分为锚固段1、自由段2、外锚段3，在自由段2设有波形段4。其连接关系是：自由段2分别与锚固段1、外锚段3相连，形成锚杆杆体10；在锚杆杆体10一端的外锚段3上装有刚性弹簧5，提供持续的锚固力；在刚性弹簧5的两端各装有一个垫圈6，其中一个与锁紧螺母8相连，另一个与应力扩散托盘7相连，起到降低磨损、分散和传递压力作用；对中器9分别与锚固段1、锚杆杆体10相连，起到锚杆安设的对中作用，还可防止锚固剂外流，起到封堵作用。

所述的对中器9，其型式可采用中国专利“一种预应力锚杆装置”（专利号200620104356.0）中所述的车轮形状的隔离体。起到锚杆安设的对中作用，还可防止锚固剂外流，起到封堵作用。

所述的自由段2上设有波形段4，外锚段3上安有刚性弹簧5，在锚杆杆体10的锚固段1上设有齿形凸起。

所述的波形段4位于自由段2靠近孔口的位置，拉直后可适应一定的围岩变形，根据围岩变形量的需要可设置多个波形段。

所述的刚性弹簧5有较大的刚度系数，初始安装有一定的压缩量，提供满足要求的初始锚固力。

所述的锚固段1设有齿形凸起，加大端部锚固强度。

所述的外锚段3上有相对较长的螺纹，为锁紧螺母8提供一定的伸缩空间。

如图1所示，波形段4位于锚杆杆体10靠近孔口的位置，根据锚杆杆体所使用的钢筋型号，对设计位置进行人工或机械弯折。波形段4在冲击力作用下被拉直后可抵抗岩爆发生时的第一波瞬间冲击大变形，提供变形补偿。如图2所示，波形段的设计方法如下所述。根据《水工混凝土钢筋施工规范》5.3.3条规定，弯起钢筋处的圆弧内半径宜大于12.5d（d为钢筋直径），在此计算中设弯起钢筋处的圆弧内半径为13d，记为R=13d,由几何关系得以下数据：

       弧长     

       弦长     

       弯起高度 

       伸长倍数 

计算中根据钻孔孔径得c的范围，进而可求得其他量值。

以锚杆直径

，钻孔直径为

为例。则有，凸起高度c的范围为

,由此得，的范围为

，取

，

,

;取取，则

,

。

如图3所示，锚杆外锚段3依次连接有应力扩散托盘7、垫圈6、刚性弹簧5、垫圈6、锁紧螺母8，整体对锚杆系统施加锚固力，固定整个装置。应力扩散托盘7靠垫圈6传过来的压力紧贴在围岩壁上；垫圈6和刚性弹簧5套在锚杆杆体10上，可自由滑动；锁紧螺母8通过螺纹旋紧在锚杆杆体10上，提供给垫圈6、刚性弹簧5和应力扩散托盘7一个压力。

如图3所示，刚性弹簧5位于外锚段两垫圈6之间，其制作依据现行规范GB/T23934-2009《热卷圆柱螺旋压缩弹簧 技术条件》规定，结构型式采用RYⅠ型两端圈并紧磨平。刚性弹簧的初始压缩量应大于波形段的极限伸长量，这是为了要保证在第一波岩爆冲击发生后，刚性弹簧对应力扩散托盘仍具有一定的压力，锚杆仍能起锚固作用。如图4所示，刚性弹簧的初始压缩量计算如下。设波形段的极限伸长量为，岩爆结束后仍需的锚固力为，刚性弹簧的刚度系数为

，则弹簧压缩量为：，可得刚性弹簧安装初始长度为：

。

如图3所示，位于应力扩散托盘7、刚性弹簧5和锁紧螺母8之间的垫圈6采用刚度较大的金属垫圈，其作用是降低磨损、分散压力。

如图3所示，应力扩散托盘7位于钻孔孔口紧贴围岩，其型式采用矿用锚杆托盘，其大小应根据岩爆发生的范围大小和锚杆间距来设计，比传统的锚杆托盘要大些，除了起到应力扩散的作用外，还能防止岩体崩落下来。托盘中心的孔洞要比锚杆直径大一些，在岩爆结束后，可作为灌浆的通道。

如图3所示，锁紧螺母8位于外锚段3最外端，其型号采用防松六角螺母。其螺丝可采用耐螺扣螺丝，可防止振动、冲击引起的松动。锚杆螺纹要比锁紧螺母初始安装位置长一些。岩爆发生后，锚杆伸长，此时可第二次旋紧锁紧螺母，增大锚固力，然后再做后期支护工作。锚杆螺纹预留长度

与后期支护所需的锚固力有关。

如图5所示，对中器9与锚杆杆体10连接，对中器9固定在锚固段1上。

如图5所示，在锚杆杆体10的锚固段上1设有齿形凸起，可加大锚固强度。锚杆的锚固段1的锚固方式可先用树脂锚固剂（其参数为：抗压强度：全锚≥40MPa、端锚≥60MPa；剪切强度:≥35MPa；容重：1.9—2.2g/㎝3；弹模：≥1.6×104 MPa；粘接强度：对混凝土＞7 MPa；对罗纹钢＞16 MPa；泊桑比：≥0.3；凝胶时间（s）：超快20—60;快速61—120;中速121—240；等待时间(min)：超快0.5—1.5；快速1.5—3.0；中速8。）锚固，承受岩爆引起的冲击力。岩爆结束后，可进行二次注浆锚固，提高锚杆的锚固效果，形成围岩的系统永久支护。

一种延-弹性抗岩爆锚杆，其安装工艺流程如下：

1、在设计支护的岩壁钻孔，孔径大小根据锚杆波形段的高度确定；

2、将树脂锚固剂药卷送入钻孔底部；

3、将锚杆杆体插进钻孔至孔底，并将树脂锚固剂药卷顶破；

4、待树脂锚固剂凝固后，依次安装应力扩散托盘、垫圈、刚性弹簧、垫圈、锁紧螺母，旋紧锁紧螺母，使刚性弹簧压缩到设计长度；

5、岩爆发生后，测量刚性弹簧的长度，若刚性弹簧伸长，则再次旋紧锁紧螺母，使锚杆的锚固力达到设计要求。

Claims (5)

1.一种延-弹性抗岩爆锚杆装置，它包括锚杆杆体（10）、对中器（9）、锁紧螺母（8）、应力扩散托盘（7）、刚性弹簧（5）、垫圈（6），锚杆杆体分为锚固段（1）、自由段（2）、外锚段(3)，其特征在于：自由段（2）分别与锚固段（1）、外锚段（3）相连，形成锚杆杆体（10），在锚杆杆体（10）一端的外锚段（3）上装有刚性弹簧（5），在刚性弹簧（5）的两端各装有一个垫圈（6），其中一个与锁紧螺母（8）相连，另一个与应力扩散托盘（7）相连，对中器（9）分别与锚固段（1）、锚杆杆体（10）相连。

2.根据权利要求1所述的一种延-弹性抗岩爆锚杆装置，其特征在于：所述的自由段（2）上设有波形段（4），在锚杆杆体（10）的锚固段(1)上设有齿形凸起。

3.根据权利要求1所述的一种延-弹性抗岩爆锚杆装置，其特征在于：所述的波形段（4）位于自由段（2）靠近孔口的位置。

4.根据权利要求1所述的一种延-弹性抗岩爆锚杆装置，其特征在于：所述的对中器（9）固定在锚固段（1）上。

5.根据权利要求1所述的一种延-弹性抗岩爆锚杆装置，其特征在于：所述的垫圈（6）和刚性弹簧（5）套在锚杆杆体（10）上，锁紧螺母（8）通过螺纹旋在锚杆杆体（10）上。

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