CZ2009885A3 - Horninová expanzní kotva - Google Patents

Abstract

Horninová expanzní kotva pro zajištování a zpevnování soudržnosti horninového masivu pri budování podzemních del, tunelu, kolektoru apod. sestává z expanzivního telesa (1), tvoreného trubkou, u které je kruhový prurez v celé délce centricky ztvárnen alespon dvema prolisy (17) ve tvaru hlubokého žlábku. Expanzivní teleso (1) je uzavreno na jednom konci plnicí koncovkou (7) s otvorem (12) plnení, který vede do vnitrního prostoru expanzivního telesa (1), a na druhém konci je uzavreno závernou koncovkou (8). V tomto provedení je expanzivní trubka zasunuta do trecího pouzdra (2), které je tvoreno nejméne dvema do sebe zasunutými trubkovými plášti (3, 4) s rozevíratelnou podélnou spárou (5) nebo s protržitelným podélným švem (6). Trecí pouzdro je pevne pripojeno k plnicí koncovce (7) expanzivního telesa (1) a záverné koncovce (8) expanzivního telesa (1) tak, že polohy spár (5) nebo švu (6) jsou rozloženy podél obvodu expanzivního telesa (1). Pro pripojení horninové podložky, tlakovacího zarízení a potrebných dalších zarízení je plnicí koncovka (7) opatrena na svém vnejším konci závitovým nátrubkem (10). Shodne je závitovým nátrubkem (10) opatrena záverná koncovka (8). Nátrubky (10) slouží ke spojení více horninových expanzních kotev do kolony. Plnicí koncovka (7) má prívodní axiální kanálek (12) a záverná koncovka (8) má prutocný otvor (11), který je zaslepen zátkou (13) pri využití expanzní kotvy jako zpevnovacího svorníku horniny nebo je opatren destrukcní membránou (14) pro využití k injektáži horniny. Plnicí koncovka (7) je opatrena zpetným ventilem (9), sloužícím k uzamcení tlakového média v expanzivním telese (1) a tím k udržení predpe

Description

Horninová expanzní kotva

Oblast techniky

Vynález se týká horninové expanzní kotvy, která se používá jak pro samotné zajišťování a zpevňování soudržnosti horninového masivu, tak pro jejich zpevňování injektováním při budování podzemních děl, zejména při ražení tunelů, důlních chodeb a komor, při provádění stabilizace skalních stěn, svahů a zpevňování hrází a při různých dalších technologických aplikacích v uhelném a rudném hornictví a ve stavebnictví.

Dosavadní stav techniky

V současné době se pro zajišťování a zpevňování soudržnosti horninového masivu při ražení důlních chodeb, tunelů a komor, při provádění stabilizace skalních stěn, svahů, zpevňování hrází a pod. používají různé typy kotev. Jednu konkrétní skupinu horninových kotev tvoří hydraulicky rozpínatelné kotvy, tzv expanzní kotvy, které se zapravují do vrtů v horninovém masivu a jimiž je soudržnost horniny zajišťována vyvozením třecí síly expanzivního tělesa kotvy o stěnu vrtu. Nejznámější v této skupině kotev je expanzní kotva typu Swellex a Boltex. Obě tyto známé horninové kotvy mají jeden hlavní společný znak, který spočívá v technickém řešení jejich expanzivního tělesa. Toto těleso je tvořeno tenkostěnnou trubkou kruhového průřezu, která je vyrobena z ocele o vysoké tažnosti a jejíž kruhový průřez je podélně v jedné nebo několika liniích zborcen, zpravidla ve tvaru hlubokého žlábku. Expanzivní těleso je na koncích uzavřeno koncovkami válcového tvaru a to plnící koncovkou pro přívod tlakového média do expanzivního tělesa kotvy a závěrnou koncovkou, která je často upravena rovněž jako průtočná spojka pro spojení více kotev do kolony anebo je opatřena otvorem uzavřeným destrukčním, popř. přepouštěcím elementem pro injektáž zajišťovaného horninového masivu. Obě koncovky jsou navlečeny na lisováním zredukovaný průměr expanzivního tělesa a ve vnitřním válcovém prostoru koncovky přivařeny k expanzivnímu tělesu, čímž z něj vznikne tlaková nádoba. Kotvícího účinku je u těchto kotev dosaženo třecí silou působící na obvodové ploše expanzivního tělesa, resp. na nezborcené ploše jeho tenkostěnné trubky. Třecí síla je vyvozena zbytkovým předpětím expanzivního tělesa po Částečném zpětném hydraulickém narovnání zborceného, původně kruhového průřezu. Tímto zpětným narovnáním zborceného kruhového průřezu ve vrtu v hornině, dojde k ukotvení třecí kotvy po celé její délce. Spolehlivost a trvalost ukotvení těchto známých třecích kotev je závislá rovněž na tvrdosti zpevňované nebo zajišťované horniny kotvením. V tvrdých horninách, kde lze dosáhnout prostřednictvím expanzivního tělesa potřebné třecí síly je tento typ kotev schopen maximálního přenosu tažné síly a tím i plného využití jejích jmenovité nosností. Potřebné třecí síly pro náležité a stabilní ukotvení třecích kotev nelze však dosáhnout v měkkých horninách a to v důsledku nepevného a poddajného kontaktu třecí plochy expanzivního tělesa kotvy s plochou stěny vrtu. Kromě toho nelze těmito kotvami uspokojivě obsáhnout rozsah tolerance průměru vývrtů v hornině, která se vyskytuje v praxi. Tím se značně sníží využití jmenovité nosností kotev a pevnosti ve střihu, potřebné pro případ možného posuvu laminámích vrstev horniny. Tento problém je poměrně uspokojivě vyřešen horninovou expanzní kotvou, jejíž expanzivní těleso je opláštěno třecím pouzdrem s roztažitelnou jednou nebo dvěma podélnými spárami. Třecí pouzdro je buď přivařeno k plnící koncovce, jak je patrné např. ze spisu užitného vzoru CZ 8988 nebo je používáno jako přídavný element ke kotvě, ve kterém je zasunuto její expanzivní těleso, jak např. vyplývá z obsahu spisu evropského patentu EP 0540601.

• · ·

♦ · ♦ • · * ·

Nevýhodou všech dosud známých expanzních kotev je, že splnění požadavku na jejich maximální pevnost v tahu a pevnost ve střihu je závislé jednak na pevnosti ocele expanzivního tělesa kotvy a pevnosti ocele jeho třecího pouzdra a jednak na velikosti jejich průřezové plochy. Využití maximálních hodnot těchto dvou veličin je však limitováno především těmito nároky. Dostupností náročné technologie výroby expanzivního tělesa kotvy, tzn. schopností vyrobení průřezově zborcené trubky z ocele o vysoké pevnosti a tvárnosti a dále potřebou hydraulického média o vysokém tlaku nutného k dosažení maximální expanze kotvy a jejího předpětí ve vrtu. Výše zmíněné horninové expanzní kotvy se hydraulicky upínají ve vrtu tlakovým médiem, zpravidla vodou o tlaku cca 30 MPa, což vyžaduje absolutní těsnost proti úniku tlakového média při instalací kotvy v hornině. Za těchto podmínek je potřebná manipulace, zejména upínání expanzních kotev ve vrtu horniny a kontrola kvality jejich ukotvení prováděna se značným rizikem ohrožení obsluhy. Toto riziko vyplývá z dosavadního provedení a upevnění plnící koncovky. Tato je válcového tvaru a je přivařena k zdeformovanému konci expanzivního tělesa žlábkovými prolisy a zredukovaného na menší průměr. Z tohoto důvodu je svar v této zóně lisováním narušené struktury materiálu nekontrolovatelný a z hlediska podmínek pro tlakové nádoby nevyhovující. Vstup tlakového média do expanzivního tělesa je proveden za místem svaru radiálně vrtaným kanálkem v plnící koncovce. Toto řešení má za následek, že plnící hlava, tlakovacího zařízení má tvar válcové objímky, která v závislosti na provedení plnící koncovky a tlaku hydraulického média je nevýhodného robustního tvaru o velké hmotnosti. Nevýhodným je rovněž způsob plnění expanzivního tělesa kotvy radiální kanálkem. Toto provedení si vyžaduje utěsnění plnící hlavy dvojicí těsnících manžet, u nichž není možné vyloučit jejich nerovnovážné hydrostatické zatížení. To může způsobit, při netěsnosti manžety za radiálním kanálkem a přetížení manžety před radiálním kanálkem, vymrštění plnící hlavy z plnící koncovky směrem k obsluze, což představuje vážné bezpečnostní riziko pro obsluhu. Dosavadní řešení plnící hlavy válcového tvaru s radiálním kanálkem plnění způsobuje rovněž značné problémy při kontrole pevnosti a kvality ukotvení expanzní kotvy v hornině. Ktomu se používá kleštiny, která se uchycuje na válcový povrch plnící koncovky, se kterou se vzájemně sevře svěracím pouzdrem kleštiny o velké kuželovitosti, způsobující samosvomost sevření. Uvolnění kleštiny je pak nutno provádět pomocí úderů na kleštinu, čímž dochází k jejímu poškozování. Problematickým je rovněž udržení vysoké čistoty kuželových ploch svěracího pouzdra v prostředí ražených podzemních děl, na němž je závislá spolehlivá kontrola pevnosti a kvalita ukotvení expanzních kotev v hornině. Nepřehlédnutelným nedostatkem dosavadních expanzních kotev je, že jsou v zabudovaném stavu zatíženy kombinovaným namáháním. Toto nepříznivé namáhání osovou silou a ohybovým momentem je dáno asymetrií průřezu jejich expanzivního tělesa, příp. včetně jeho třecího pouzdra. V důsledku tohoto namáhání dochází k nerovnoměrnému rozložení napětí po jejich obvodě a tím ke snížení únosností expanzní kotvy. Cílem tohoto vynálezu je proto vytvořit horninovou expanzní kotvu s tenkostěnným expanzivním tělesem a tenkostěnným opláštěním třecího pouzdra, které umožní potřebnou expanzi kotvy s maximální její centricitou a podstatně nižším tlakem hydraulického média než dosud. Návazně je rovněž cílem umožnění výroby této kotvy o různé jmenovité nosnosti a střihové pevnosti, dle charakteru horninového masivu, pro který je kotva určena.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody jsou odstraněny horninovou expanzní kotvou podle tohoto vynálezu. Její konstrukce obsahuje již známé expanzivní těleso o kruhovém průřezu. Tento průřez je v celé délce expanzivního tělesa centricky ztvárněn alespoň dvěma prolisy ve tvaru hlubokého žlábku. Expanzivní těleso je uzavřeno na jednom konci plnící koncovkou s otvorem plnění, který vede do jeho vnitřního prostoru a na druhém konci je uzavřeno závěrnou koncovkou. V tomto provedení je expanzivní těleso zasunuto do třecího pouzdra s roztažitelnou podélnou spárou, přičemž třecí pouzdro je při vařeno k plnící koncovce expanzivního tělesa. Podstata nového řešení podle vynálezu spočívá v tom, že třecí pouzdro je tvořeno nejméně dvěma do sebe zasunutými trubkovými plášti s roztažitelnou podélnou spárou nebo s protržitelným podélným švem. Trubkové pláště jsou pevně připojeny spolu k plnící koncovce a závěrné koncovce povrchovým spojem tak, že poloha spár nebo švů je rozložena v okruhu kolem obvodu expanzivního tělesa. Podstata řešení horninové expanzní kotvy podle vynálezu spočívá rovněž v těchto možných jejích variantních provedeních: Plnící koncovka a závěrná koncovka jsou opatřeny na svém vnějším konci závitovým nátrubkem, sloužícím na plnící koncovce k připojení potřebných montážních, měřících a technologických zařízení a na závěrné koncovce ke spojem více horninových expanzních kotev do kolony. Plnící koncovka má přívodní axiální kanálek a závěrná koncovka má průtočný otvor, který je zaslepen zátkou nebo destrukční membránou. Plnící koncovka je opatřena zpětným ventilem. Povrch trubkových plášťů třecího pouzdra je zdrsněn nebo pozinkován. Prolisy expanzivního tělesa jsou provedeny ve šroubovici.

Výhodou horninové expanzní kotvy podle vynálezu je zejména to, že její využití je univerzální, tzn., že může plnit funkci pouhé přímé stabilizace horninového masivu bez injektáže a rovněž může být současně s touto funkcí využitá pro injektážní potřeby nebo pro samotnou injektáž. Značnou výhodou je dále možnost jejího provedení s tenkostěnným expanzivním tělesem a jeho tenkostěnným opláštěním, které umožňuje potřebnou centrickou expanzí kotvy při podstatně sníženém plnícím tlaku než dosud a to tlaku sníženém až na 10 MPa. Řešení horninové expanzní kotvy podle vynálezu umožňuje její výrobu o potřebné různé jmenovité nosnosti a střihové pevnosti v závislosti na charakteru horninového masivu, pro který je kotva určena. Tyto přednosti významně ovlivní efektivnost zajišťování a zpevňování soudržnosti horninového masivu a bezpečnost při této práci.

Přehled obrázků na výkrese

Na připojeném výkrese je schématicky znázorněno příkladné provedení horninové expanzní kotvy podle vynálezu se šesti prolisy centricky ztvárněného kruhového průřezu jejího expanzivního tělesa, které je opláštěno třecím pouzdrem ze dvou trubkových plášťů. Obr. 1 představuje tuto kotvu v náryse apodélném řezu anaobr.2 je znázorněn její průřez.

Příklady provedení vynálezu

Horninová expanzní kotva, je tvořena expanzivním tělesem 1, vyrobeném z tenkostěnné trubky kruhového průřezu, který je centricky ztvárněn v celé délce expanzivního tělesa 1 válcováním šesti prolisy 17 ve tvaru hlubokého žlábku, jak je patrné z obr. 2. Na svém jednom - předním konci je expanzivní těleso 1 uzavřeno plnící koncovkou 7. Tato je nasazena na průchozí hrdlo 16 expanzivního tělesa 1, které je na něm vytvořeno zkováním konce do menšího průměru a k tomuto hrdlu 16 je plnící koncovka 7 pevně připojena pájením. V plnící koncovce 7 je proveden jejím axiálním provrtáním přívodní kanálek 12 tlakového hydraulického média, v tomto případě tlakové vody. Přívodní axiální kanálek 12 je napojen na vnitřní prostor expanzivního tělesa 1, které je na svém druhém - zadním konci, upraveném shodně jako přední konec, uzavřeno závěrnou koncovkou 8 s průtočným «

otvorem 11, který je zaslepen zátkou 13. Expanzivní těleso 1 je umístěno v třecím pouzdru 2, které tvoří dvě v sobě zasunuté trubkové pláště 3 a 4. Tyto jsou roztažitelné do většího průměru vlivem podélného řezu a tím vzniklé rozevíratelné spáry 5. Třecí pouzdro 2, resp. jeho trubkové pláště 3 a 4 jsou při vařeny k plnící koncovce 7 a k závěrné koncovce 8 povrchovým spojem 15, v tomto případě svarem a to tak, že jejich rozevíratelné spáry 5 zaujímají na expanzivním tělese 1 protilehlou polohu. Na místo rozevíratelné spáry 5 mohou být na trubkových pláštích 3 a 4 provedeny prolisováním podélné destrukční švy 6, kterými se v jejich stopě ztenčí na maximum tloušťka stěny trubkových plášťů 3 a 4. Plnící koncovka 7 a závěrná koncovka 8 je opatřena na svém vnějším konci připojovacím závitovým nátrubkem 10, který v případě plnící koncovky 7 slouží hlavně k připojení kotevní podložky (není znázorněno) a tlakovacího zařízení expanzivního tělesa 1 tlakovou vodou. Dále slouží nátrubek 10 pro připojení kontrolního zařízení kvality upnutí kotvy ve vývrtu, pro upevnění některých potřebných technologických zařízení, pro uchycení závěsů apod. V případě závěrné koncovky 8 slouží závitový nátrubek 10 k připojení další horninové expanzní kotvy při jejich sestavení do kolony. V tomto případě bude z průtočného otvoru 11 závěrné koncovky 8 odstraněna zátka 13. V popsaném provedení slouží horninová expanzní kotva jako třecí zpcvňovací svorník horninového masivu. V kombinací s touto funkcí může být používána současně nebo samostatně k injektáží okolí horninového vrtu. Pro tuto funkci bude průtočný otvor 11 závěrné koncovky 8 uzavřen destrukční membránou 14, přičemž se tlakem injektážní hmoty dosáhne rovněž rozepnutí expanzivního tělesa 1. V přívodním kanálku 12 plnící koncovky 7 může být umístěn zpětný ventil 9. Ten slouží k uzamčení tlakového media v expanzivním tělese 1 a tím k udržení předpětí upnuté expanzní kotvy ve vývrtu a zvýšení odporu proti jejímu posuvu při zátěži. Za tímto účelem může být povrch trubkových plášťů 3, 4 třecího pouzdra 2 zdrsněn a z důvodu protikorozní ochrany také pozinkován. Prolisy 17 expanzivního tělesa 1 mohou být za účelem zvýšení třecího účinku ve styku s třecím pouzdrem 2 provedeny ve tvaru šroubovice.

Průmyslová využitelnost

Horninová expanzní kotva podle tohoto vynálezu je využitelná pro zpevňování soudržnosti horninového masivu a pro jeho injektáž zpevftovací hmotou a to v hornictví, při výstavbě tunelů a kolektorů, případně ve stavebnictví.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Horninová expanzní kotva, sestávající z expanzivního tělesa kruhového průřezu, centricky ztvárněného v celé délce expanzivního tělesa alespoň dvěma prolisy ve tvaru hlubokého žlábku a které je na jednom konci uzavřeno plnící koncovkou s přívodním kanálkem hydraulického media, napojeným na vnitřní prostor expanzivního tělesa a na druhém konci uzavřeno závěrnou koncovkou, přičemž expanzivní těleso je umístěno v třecím pouzdru s rozevíratelnou podélnou spárou, které je přivařeno k plnící koncovce, vyznačující se tím, že třecí pouzdro (2) expanzivního tělesa (1) je tvořeno nejméně dvěma v sobě zasunutými trubkovými plášti (3, 4) s podélnou rozevíratelnou spárou (5) nebo s podélným protržitelným švem (6), jejichž pozice je rozložena v okruhu kolem obvodu expanzivního tělesa (1), přičemž trubkové pláště (3, 4) se spárami (5) nebo švy (6) v těchto pozicích jsou pevně připojeny k plnící koncovce (7) a závěrné koncovce (8) povrchovým spojem (15).
2. 2. Horninová expanzní kotva podle nároku 1,vyznačující se tím, že plnící koncovka (7) a závěrná koncovka (8) je opatřena na své vnější straně připojovacím závitovým nátrubkem (10), přičemž plnící koncovka (7) je opatřena axiálním přívodním kanálkem (12) a závěrná koncovka (8) průtočným otvorem (11), který je zaslepen zátkou (13) nebo destrukční membránou (14).
3. 3. Horninová expanzní kotva podle nároku 1 nebo la 2, vyznačující se tím, že plnící koncovka (7) je opatřena zpětným ventilem (9).
4. 4. Horninová expanzní kotva podle nároku 1 nebo laž 3, vyznačující se tím, že povrch trubkových plášťů (3, 4) třecího pouzdra (2) je zdrsněn nebo pozinkován.
5. 5. Horninová expanzní kotva podle nároku 1 nebo laž 4, vyznačující se tím, že prolisy (17) expanzivního tělesa (1) jsou provedeny ve šroubovici.