CN212318049U - 软岩用涨壳锚杆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种软岩用涨壳锚杆，包括涨壳、锚杆，所述涨壳两端分别设置有涨壳内楔、锥形顶块，涨壳内楔与涨壳顶部、锥形顶块与涨壳底部均构成滑动式接触；所述锚杆包括锚杆体，锚杆体一端通过连接套固定安装有螺杆，螺杆与涨壳内楔通过螺纹传动连接，连接套顶部嵌入锥形顶块内并紧压锥形顶块的支撑凸缘；转动锚杆驱动涨壳内楔和锥形顶块向涨壳内运动直至锥形顶块的支撑凸缘断裂，使得涨壳片向外变形扩胀至围岩孔壁对岩体施加预应力；同时还提供了该软岩用涨壳锚杆的施工方法。本实用新型成本低，锚固效果好，施工效率高，能很好地应用于软质岩层。

Description

软岩用涨壳锚杆

技术领域

本实用新型涉及岩土工程锚固支护技术领域，尤其涉及一种适用于软质岩层的涨壳锚杆。

背景技术

在地下工程、矿上巷道、铁路隧道、边坡防护和军工工程的施工过程中，为了防止地层变形、坍塌、失稳，需要对地层进行加固，所采用的主要措施是在地层中埋设砂浆锚杆或含涨壳头的锚杆，利用锚杆的拉力以及与锚杆一体化的混泥土注浆体而使地层形成整体性加固结构，达到控制变形的目的。

与普通砂浆锚杆相比，预应力锚杆体现出了如下优势：1、通过对在内外锚头之间的岩体施加预应力，将形成岩石压缩区；2)在岩体中连续安装预应力锚杆，相互重叠交叉的压缩区，将形成具有一定厚度的压缩承载层；3)特别在隧道工程中，预应力锚杆形成的压缩区能形成岩体的承载拱，在拱效应作用下，不但充分调动围岩的自承能力，且对拱外侧围岩的抗力得到极大提升。预应力锚杆包括快速药卷、涨壳锚杆等种类。其中，涨壳锚杆通常由涨壳、杆体、垫板、螺母等基本构件组成，必要时增加球垫、注浆管、排气管、止浆塞、居中装置等其它部件，属于一种可预应力的机械式锚固锚杆。

与快速药卷等锚杆相比，在钻孔深度、杆体长度相当的情况下，涨壳锚杆形成的岩石压缩区范围更大，能提供更好的锚固效果。同时，因为无需等待锚固体固结，涨壳锚杆提供预应力的即时性也更具优势，且通过采用注浆锚杆，能较好地应用于软质岩层环境。如申请号CN201910265475.6的实用新型专利公开了一种极软岩锚杆结构，包括中空锚杆体、连接套管、涨壳锚头、止浆塞、垫板和固定螺母，所述中空锚杆体靠近连接套管的一侧螺纹套装有限位螺母，所述中空锚杆体的正表面、后表面、上表面和下表面均开设有位于限位螺母和连接套管之间的通槽，所述中空锚杆体的内部设有位于通槽处的移动块，且移动块在限位螺母内可进行移动，所述移动块的正表面、后表面、上表面和下表面分别固定连接有连动块；该实用新型具有锚杆支护效果好、锚固剂注入效率提高的优点，但仍存在的问题有：其在软岩上的支护效果提高，依赖于设置于中空杆体上的支护筋条、膨胀钢等构件的设计，结构较复杂，生产成本高，且作业完成后中空锚杆体外端向锚孔外侧伸出，因工艺要求、安全性等因素需进行切割，增加施工步骤，降低作业效率，以及难以实现连续、机械化的作业。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种成本低、锚固效果好和施工效率高的的涨壳锚杆，且能在软质岩层乃至不同工况得到良好应用。

本实用新型的目的采用如下技术方案实现：

一种软岩用涨壳锚杆，包括涨壳、锚杆，所述涨壳两端分别设置有涨壳内楔、锥形顶块，涨壳内楔与涨壳顶部、锥形顶块与涨壳底部均构成滑动式接触；所述锚杆包括锚杆体，锚杆体一端通过连接套固定安装有螺杆，螺杆与涨壳内楔通过螺纹传动连接，连接套顶部嵌入锥形顶块内并紧压锥形顶块的支撑凸缘；转动锚杆驱动涨壳内楔和锥形顶块向涨壳内运动直至锥形顶块的支撑凸缘断裂，使得涨壳片向外变形扩胀至围岩孔壁对岩体施加预应力。

进一步地，所述涨壳包括一体成型的涨壳连接部和分别设置在涨壳连接部两侧的两组涨壳片，每组涨壳片周向设置在涨壳连接部上，涨壳内侧上下形成有第一内锥面、内环面和第二内锥面，其中第一内锥面、第二内锥面分别与涨壳内楔、锥形顶块的形状相适配。

进一步地，所述涨壳内楔为锥形螺母结构，包括锥体，锥体内设置有带内螺纹的通孔，锥体的外锥面与涨壳的第一内锥面为滑动式接触。

进一步地，所述锥形顶块内具有通孔并在通孔上方设置有环状、与连接套顶部适配的支撑凸缘，锥形顶块的外锥面与涨壳的第二内锥面为滑动式接触。

进一步地，所述涨壳采用分体式结构，两组涨壳片嵌套在同一涨壳连接部内，或者同一涨壳连接部与两组涨壳片中的一组一体成型，或者一组涨壳片与一涨壳连接部一体成型后嵌套设置。

进一步地，所述涨壳片外侧具有连续设置的锯齿。

进一步地，所述锚杆体端部配置垫板和驱动螺母，所述锚杆体两端分别与驱动螺母和连接套固定安装，旋转驱动螺母使得锚杆体转动并通过连接套挤压锥形顶块；优选的，所述驱动螺母设置为盲头螺母。

进一步地，所述连接套顶部设置有独立的挤压头。

进一步地，所述锚杆体设置为中空锚杆，并在连接套上设置出浆孔。

本实用新型还提供了基于该软岩涨壳锚杆的施工方法，包括如下步骤：

S1钻孔：通过钻头在岩体上打出锚孔；

S2组件安装：向锚孔内插入预先组装好的涨壳锚杆组件，使垫板紧贴锚孔口岩壁；

S3锚固：旋转驱动螺母，锚杆体转动带动连接套及螺杆转动，使得锥形顶块向锚孔内运动施加预紧力、涨壳内楔向锚孔外侧运动，从而实现涨壳在锚孔上的紧贴固定及施加预应力到岩层。

所述步骤S3，包括如下子步骤：

S31初始阶段：转动锚杆，带动连接套向内挤压锥形顶块，使得锥形顶块向涨壳内施加预紧力，螺杆转动则使得涨壳内楔向涨壳内滑动，将推动涨壳片向外变形贴紧围岩孔壁，乃至外侧一组涨壳片端部呈倒钩式的插入围岩孔壁中，完成涨壳固定；

S32中间阶段：继续转动锚杆，当扭矩超过一定值时，连接套的作用力超出锥形顶块的支撑凸缘强度极限时，支撑凸缘断裂，让出内部空间；

S33结束阶段：继续转动锚杆，螺杆将通过连接套带动锚杆体上端向上移动，使锚杆弹性伸长，对涨壳内楔、锥形顶块和涨壳施加轴向预紧力，此时，轴向预紧力通过锚杆体、驱动螺母和垫板传递给锚孔口岩壁，从而对围岩进行有效的预应力施加动作。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型采用独特的设置涨壳连接部的涨壳结构，与普通涨壳相比，涨壳结构部件少，设计更简单，易于实现标准化生产，成本低，且组装方便。

2、本实用新型涨壳外部的锯齿结构与围岩孔壁具有良好的附着力，特别是涨壳内楔、锥形顶块和位于涨壳连接部上下的两组涨壳片构成贴紧围岩孔壁的扩胀结构，加上位于下方的这组涨壳片具有嵌入软质岩层的倒刺效果，因而在涨壳连接部断裂后也能保持结构的稳定性，从而能够在软质岩层上取得良好的锚固效果。

3、本实用新型的涨壳连接部也可以在外力超出其强度极限下自条形开槽处断裂，则使得涨壳片更充分地向外扩张，从而更好地适应软质岩层乃至不同工况，拓展应用范围。

4、本实用新型无需对锚杆体外露部分进行切割，因而施工步骤更简单，同时通过驱动螺母采用盲孔螺母结构，易于实现连续、机械化自动作业，能显著提升工作效率。

附图说明

图1为本实用新型软岩用力涨壳锚杆的锚固部分立体图；

图2为本实用新型软岩用涨壳锚杆的锚固剖视图；

图3为本实用新型软岩用涨壳锚杆设置挤压头时的锚固部分剖视图；

图4为本实用新型软岩用涨壳锚杆的整体结构图；

图5为本实用新型软岩用涨壳锚杆设置为中空锚杆体的结构图；

图6为本实用新型软岩用涨壳锚杆的施工状态图；

图7为本实用新型软岩用涨壳锚杆的施作流程图；

图中标记及对应件为：1-涨壳片，11-涨壳连接部，12-锯齿，13-第二内锥面，14-内环面，15-第一内锥面，2-锥形顶块，21-支撑凸缘，3-涨壳内楔，30-锥体，31-外锥面，4-锚杆，40-出浆孔，41-连接套，42-螺杆，5-挤压头，6-锚杆体，7-垫板，8-驱动螺母，9-锚孔。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型进行更为详细的描述，需要说明的是，下参照附图对本实用新型进行的描述仅是示意性的，而非限制性的。各个不同实施例之间可以进行相互组合，以构成未在以下描述中示出的其他实施例。

本实用新型提供的软岩用涨壳锚杆，不但结构简单、生产成本低，而且锚固性能好，适用于机械自动化作业，从而显著提升施工效率。

该软岩用涨壳锚杆的锚固头结构如图1和图2所示，包括涨壳和设置在涨壳两端的涨壳内楔3、锥形顶块2，各部件的材质采用合金钢、铸铁等具有一定强度的材料，涨壳内楔3活动嵌入至涨壳顶部，锥形顶块2活动嵌入至涨壳底部，锚杆4包括锚杆体6，锚杆体6一端通过连接套41紧固安装有螺杆42，螺杆42与涨壳内楔3通过螺纹传动连接，连接套41顶部嵌入锥形顶块2并压紧锥形顶块2的支撑凸缘21；

该软岩用涨壳锚杆的涨壳包括一体成型的涨壳连接部11和涨壳片1，涨壳片1有两组且分别设置在涨壳两侧，同一组的涨壳片1在涨壳连接部11上呈环形、均匀设置，每一组涨壳片1数量为两个以上，同一组的各个涨壳片1形状相同，相邻涨壳片1之间形成有条形开槽，使得涨壳片1能逐步向外扩张，涨壳内侧上下形成有第一内锥面15、内环面14和第二内锥面13，其中第一内锥面15、第二内锥面13分别与涨壳内楔3、锥形顶块2的形状相适配；在本实施例中，涨壳片1数量为四片，有效提高与围岩孔壁的接触面积，涨壳片1外侧具有连续设置的锯齿12，有效增加与围岩孔壁的摩擦力，因而提高了涨壳的锚固性能；

该软岩用涨壳锚杆的涨壳内楔3为锥形螺母结构，其包括锥体30，锥体30内设置有带内螺纹的通孔，锥体30的外锥面31与涨壳的第一内锥面15为滑动式接触，锥形顶块2内具有通孔并在通孔上方设置有环状、与连接套41顶部适配的支撑凸缘21，该支撑凸缘21在断裂前具有对连接套41进行限位的作用，在断裂后则主要起到在内部支撑卡紧涨壳的定位作用，锥形顶块2的外锥面31与涨壳的第二内锥面13为滑动式接触；

进一步地，涨壳连接部11也可以在外力超出其强度极限下自条形开槽处断裂，则使得涨壳片1更充分地向外扩张，从而更好地适应软质岩层乃至不同工况，拓展应用范围，可以理解的是：根据应用场景及加工制作需求，该涨壳也可以设计为多种类型的分体式结构，如：1)两组涨壳片1均嵌套在同一涨壳连接部11内；2)同一涨壳连接部11与两组涨壳片1中的一组一体成型；3)一组涨壳片1与一涨壳连接部11一体成型后嵌套设置。

如图3和图4所示，连接套41顶部可设置为独立的挤压头5，该挤压头5顶部与锥形顶块2通孔上方的支撑凸缘21实现活动接触且具有易于标准化制作、成本低的优点，锚杆体6另一端配置垫板7和驱动螺母8构成一套固定在锚孔9中的软岩用涨壳锚杆；

通过旋转驱动螺母8，锚杆体6转动带动连接套41及螺杆42转动，连接套41顶部或挤压头5通过压紧锥形顶块2的支撑凸缘21来向内施加压紧力给涨壳，螺杆42则带动涨壳内楔3向涨壳片1内侧运动及向外施加压紧力给涨壳，涨壳在上下两端的力作用下发生形变，上下两组涨壳片1的锯齿12向外贴紧围岩孔壁，继续旋转将使得锥形顶块2的支撑凸缘21因超过强度极限而断裂而将锥形顶块2卡紧在下面一组的涨壳片1内，从而在涨壳紧密贴紧围岩孔壁后保持结构的稳定性，因而能很好地实现对锚孔9的预应力施加动作及岩层压缩效果；

在本实施例中，将驱动螺母8设置为盲头螺母，在锚杆体6上设置外螺纹，在连接套41上设置内螺纹，锚杆体6与驱动螺母8和连接套41均为紧固安装而构成一体结构，在盲头螺母驱动下，涨壳内楔3与锥形顶块2、锚杆体6为相向运动，即：旋转驱动螺母8，涨壳内楔3沿螺杆42向涨壳内(锚孔9外)运动，锥形顶块2、锚杆体6向锚孔9内运动，确保锚杆体6不外露；

进一步地，如图5所示，锚杆体6可设置为中空锚杆4，并在连接套41上设置出浆孔40，方便锚杆4注浆，从而增强锚固性能。

相对于现有涨壳锚杆，本实用新型所提供的极软岩涨壳锚杆，其涨壳结构部件少，设计更简单，易于实现标准化生产，成本低，组装方便，涨壳外部的锯齿12结构与围岩孔壁具有良好的附着力，特别是涨壳内楔3、锥形顶块2和位于涨壳连接部11上下的两组涨壳片1构成贴紧围岩孔壁的扩胀结构，加上位于下方的这组涨壳片1具有嵌入软质岩层的倒刺效果，因而在涨壳连接部11断裂后也能保持结构的稳定性，因而在软质岩层上也取得了极好的锚固效果。

如图6和图7所示，本实用新型的施工过程分为如下步骤：1)钻孔：通过钻头在岩体上打出锚孔9；2)组件安装：向锚孔9内预先组装好的涨壳锚杆组件，使垫板7紧贴锚孔9口岩壁；3)锚固：旋转驱动螺母8，锚杆体6转动带动连接套41及螺杆42转动，使得锥形顶块2向锚孔9内运动施加预紧力、涨壳内楔3向锚孔9外侧运动，从而实现涨壳在锚孔9上的紧贴固定及施加预应力到岩层；其中的锚固步骤，可具体分为如下子步骤：

a)初始阶段：转动锚杆4，带动连接套41或挤压头5向内挤压锥形顶块2，使得锥形顶块2向涨壳内施加预紧力，螺杆42转动则使得涨壳内楔3向涨壳内滑动，将推动涨壳片1向外变形贴紧围岩孔壁，乃至外侧一组涨壳片1端部呈倒钩式的插入围岩孔壁中，完成涨壳固定；

b)中间阶段：继续转动锚杆4，当扭矩超过一定值时，连接套41或挤压头5的作用力超出锥形顶块2的支撑凸缘21强度极限时，支撑凸缘21断裂，让出内部空间；

c)结束阶段：继续转动锚杆4，螺杆42将通过连接套41带动锚杆体6上端向上移动，使锚杆4弹性伸长，对涨壳内楔3、锥形顶块2和涨壳施加轴向预紧力，此时，轴向预紧力通过锚杆体6、驱动螺母8和垫板7传递给锚孔9口岩壁，涨壳内部由涨壳内楔3、锥形顶块2、螺杆42实现支撑，涨壳外部则通过锯齿12结构卡紧在围岩孔壁上，从而使涨壳锚杆对围岩进行有效的预应力施加而形成软岩压缩区。

现有涨壳锚杆的施工方法，如申请号CN201910265475.6以及申请号CN201510711711.4的专利，其施作过程中锚杆体需向锚孔外运动，导致作业完成后锚杆体外端向锚孔外侧的岩体上伸出。基于安全性及工艺要求等因素，需要将外露端的多余锚杆体切割掉，目前这一切割步骤依赖于人工操作，不但增加作业步骤，降低施工效率，而且造成工程成本增加、材质浪费等问题。

以本实用新型所提供的软岩用涨壳锚杆的施工方法，通过驱动涨壳内楔3和锥形顶块2沿锚杆体6的螺杆相向移动使得涨壳扩胀至岩壁，其施作流程中锚杆体6始终停留在锚孔9内，因此其施工方法无需切割步骤，施工步骤简单，便于实现机械自动化作业，大幅提高工作效率。

上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种软岩用涨壳锚杆，包括涨壳、锚杆，其特征在于：所述涨壳两端分别设置有涨壳内楔、锥形顶块，涨壳内楔与涨壳顶部、锥形顶块与涨壳底部均构成滑动式接触；所述锚杆包括锚杆体，锚杆体一端通过连接套固定安装有螺杆，螺杆与涨壳内楔通过螺纹传动连接，连接套顶部嵌入锥形顶块内并紧压锥形顶块的支撑凸缘；转动锚杆驱动涨壳内楔和锥形顶块向涨壳内运动直至锥形顶块的支撑凸缘断裂，使得涨壳片向外变形扩胀至围岩孔壁对岩体施加预应力。

2.如权利要求1所述的软岩用涨壳锚杆，其特征在于：所述涨壳包括一体成型的涨壳连接部和分别设置在涨壳连接部两侧的两组涨壳片，每组涨壳片周向设置在涨壳连接部上，涨壳内侧上下形成有第一内锥面、内环面和第二内锥面，其中第一内锥面、第二内锥面分别与涨壳内楔、锥形顶块的形状相适配。

3.如权利要求2所述的软岩用涨壳锚杆，其特征在于：所述锥形顶块内具有通孔并在通孔上方设置有环状、与连接套顶部适配的支撑凸缘，锥形顶块的外锥面与涨壳的第二内锥面为滑动式接触。

4.如权利要求2或3所述的软岩用涨壳锚杆，其特征在于：所述涨壳内楔为锥形螺母结构，包括锥体，锥体内设置有带内螺纹的通孔，锥体的外锥面与涨壳的第一内锥面为滑动式接触。

5.如权利要求1所述的软岩用涨壳锚杆，其特征在于：所述涨壳采用分体式结构，两组涨壳片嵌套在同一涨壳连接部内，或者同一涨壳连接部与两组涨壳片中的一组一体成型，或者一组涨壳片与一涨壳连接部一体成型后嵌套设置。

6.如权利要求1或2或5所述的软岩用涨壳锚杆，其特征在于：所述涨壳片外侧具有连续设置的锯齿。

7.如权利要求6所述的软岩用涨壳锚杆，其特征在于：所述锚杆体端部配置垫板和驱动螺母，所述锚杆体两端分别与驱动螺母和连接套固定安装，旋转驱动螺母使得锚杆体转动并通过连接套挤压锥形顶块。

8.如权利要求7所述的软岩用涨壳锚杆，其特征在于：所述连接套顶部设置有独立的挤压头。

9.如权利要求8所述的软岩用涨壳锚杆，其特征在于：所述锚杆体设置为中空锚杆，并在连接套上设置出浆孔。

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