一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆及锚固方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程大变形围岩段围岩支护技术领域，特别是一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆及锚固方法。

背景技术

先锚式中空锚杆，分先、后两次工序完成全长粘结锚固的中空锚杆结构形式，其工序为先对中空锚杆前端进行部分锚固，然后完成垫板、螺母等附件安装，最后对未锚固部分锚孔进行充填注浆。粘结锚固型先锚式中空锚杆一般采用速凝型卷式锚固剂快速地锚固锚杆与锚孔壁，故此类中空锚杆支护适用范围非常广泛，包括各种硬质岩和软质岩。

由于使用树脂锚固剂的费用远比水泥基注浆材料贵，经过大量的工程实践，煤巷树脂锚杆支护总结出锚杆杆体、锚孔和树脂卷三者直径的匹配关系，以满足树脂锚杆支护技术先进、快速、简单且经济。煤巷树脂锚杆支护一般在60秒内完成垫板和螺母的安装，并且可以施加一定的预紧力。但是隧道锚杆支护，要求锚杆周围粘结锚固材料的厚度至少10mm，于是其锚孔直径一般比煤巷大；隧道锚杆支护出于成本考虑，中空锚杆不可能全长使用树脂卷锚固，故粘结锚固型先锚式中空锚杆需要对先锚段树脂锚固方案进行设计。

粘结锚固型先锚式中空锚杆支护施工关键工序之一是如何将卷式锚固剂送入锚孔底部。目前，有三种方案，其一是将卷式锚固剂放入中空锚杆前端的专设机构内，由中空锚杆将卷式锚固剂送入锚孔底部；其二是人工将卷式锚固剂放入锚孔内，由中空锚杆将锚固剂顶推到锚孔底；其三是采用专用设备高压风将卷式锚固剂送入锚孔底。任何方案将树脂卷锚固剂送入锚孔底部的过程中，都不能破坏锚固剂外包装。一旦卷式锚固剂送到锚孔底部，通过推压旋转中空锚杆外露端，锚杆前端机构可搅碎卷式锚固剂，从而达到快速锚固的目的。上述第一种卷式锚固剂送入搅碎锚固方案已有具体解决方案，但是第二和三种卷式锚固剂送入搅碎锚固方案仍有待解决。

川藏铁路、成兰铁路等西部山区铁路修建遇见了大量的高地应力隧道，围岩常常表现出大变形的特点，具体表现为软岩大变形、岩爆大变形、冲击大变形。但是现有的锚杆延伸率低，不能适应隧道围岩大变形的特点。当围岩出现较大变形时，由于变形初期能量较大，隧道围岩的变形能超出锚杆所能承受的范围，将导致锚杆等支护设备失效，进而造成隧道塌方等事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆，在围岩大变形条件下仍然具有很好的支护作用以保证隧道的稳定，满足隧道围岩大变形需要的问题，且实现锚杆快速安装，解决粘结锚固型先锚式中空锚杆搅拌锚固的技术难题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆，包括中空锚杆杆体和设置在其后端的垫板、螺母，其特征是：所述中空锚杆杆体的后部设置恒阻让压机构，该恒阻让压机构包括外套筒、让压筒和让压螺母；所述让压筒套装在外套筒内，其远端和近端具有与外套筒环形内壁滑动配合的导向段，远端和近端导向段之间为径向内缩形成的变形段；所述外套筒的远端为径向内缩形成的限位环，中空锚杆杆体的后部穿过限位环和让压筒内腔，让压螺母与中空锚杆杆体螺纹连接且作用于近端导向段与变形段过渡段的内壁上，远端导向段的端面作用在限位环上；所述垫板套装在外套筒上，螺母与外套筒后部的外螺纹段螺纹连接，螺母前端面作用在垫板板面上；所述中空锚杆杆体上固定设置具有承压板和出浆孔结构的连接器，承压板的直径与锚孔孔径相适配，将中空锚杆杆体划分成由承压板至远端的前锚固段、由承压板至外套筒前远端的后锚固段，中空锚杆杆体的前端固定设置搅拌钻头。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆的锚固方法，该方法包括如下步骤：

S01、在隧道壁上确定系统锚杆点位；

S02、采用台车或钻机钻孔和清孔形成锚孔；

S03、将卷式锚固剂由人工送入锚孔内，或者用高压风送入锚孔；

S04、将中空锚杆杆体搅拌钻头端插入锚孔，顶推卷式锚固剂至锚孔远端，挤压旋转中空锚杆杆体近端，使搅拌钻头搅碎卷式锚固剂，在2～3分钟内形成卷式锚固剂锚固段；

S05、在中空锚杆杆体后部套入恒阻让压机构，将其外套筒的远端推送入锚孔内，旋拧让压螺母使其前部与让压筒近端导向段、变形段过渡段内壁接触，在外套筒的外端部安装垫板和螺母；

S06、将注浆管连接后锚固段近端注浆，浆液从连接器的出浆孔进入后锚固段，形成水泥基注浆材料锚固段；

S07、在外套筒的近端安装垫板和螺母，并安装保护筒。

本发明的有益效果是，实现了锚杆快速安装，锚杆插入、搅拌、施加预应力等工序在3～4分钟内完成，实现了锚杆快速锚固安装且施加一定的预应力；连接器筒壁上的出浆孔为后锚固段锚孔灌注水泥基注浆材料提供了通道，承压板既可防止卷式锚固剂流入后锚固段，又可使后锚固段水泥基注浆材料承受压力，提高锚杆承载力；在中空锚杆杆体的后部设置恒阻让压机构，中空杆体与恒阻让压机构紧密配合，当中空锚杆杆体轴向拉力达到设定值时，让压螺母挤压让压筒的变形段扩大筒内径，从而使得中空杆体与恒阻让压机构可相对滑动设定的位移，即在隧道围岩发生大变形时自动延伸，并保持恒定的工作阻力，吸收围岩能量；通过预测隧道围岩大变形量，设定恒阻让压机构的长度，可确保在围岩大变形条件下仍然具有很好的支护作用以保证隧道的稳定；锚固施工方法简便，单根锚杆施作效率高，施工质量有保证，从而提升了隧道系统锚杆的施作效率和施工质量。

附图说明

本说明书包括如下十八幅附图：

图1是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆的结构示意图；

图2是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中前锚固段、后锚固段的连接方式示意图；

图3是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中搅拌钻头实施例1的主视图；

图4是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中搅拌钻头实施例1的侧视图；

图5是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中搅拌钻头实施例2的立体局部剖视图；

图6是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中恒阻让压机构的结构示意图；

图7是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中恒阻让压机构外套筒的纵剖面图；

图8是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中恒阻让压机构外套筒的侧视图；

图9是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中恒阻让压机构让压筒的纵剖面图；

图10是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中恒阻让压机构让压螺母的主视图；

图11是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中恒阻让压机构让压螺母的侧视图；

图12是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中垫板的主视图；

图13是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中螺母的主视图；

图14是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中螺母的侧视图；

图15是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中保护筒的主视图；

图16是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆中保护筒的侧视图；

图17是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆的锚固工作状态示意图；

图18是本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆的让压工作状态示意图。

图中示出主要构件名称及对应的标记：前锚固段11，后锚固段12，连接器20，出浆孔21，承压板22，中间套筒23、点焊30，搅拌钻头40，十字形钻头41，前套筒42，螺旋形钻头43，外套筒50，限位环51，外螺纹段52、让压筒60，导向段61，变形段62，让压螺母70，垫板80，螺母90，保护筒100，锚孔110，隧道壁120，卷式锚固剂锚固段L1，水泥基注浆材料锚固段L2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明的一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆包括中空锚杆杆体和设置在其后端的垫板80、螺母90。参照图6至图9，所述中空锚杆杆体的后部设置恒阻让压机构，该恒阻让压机构包括外套筒50、让压筒60和让压螺母70。所述让压筒60套装在外套筒50内，其远端和近端具有与外套筒50环形内壁滑动配合的导向段61，远端和近端导向段61之间为径向内缩形成的变形段62；所述外套筒50的远端为径向内缩形成的限位环51，中空锚杆杆体的后部穿过限位环51和让压筒60内腔，让压螺母70与中空锚杆杆体螺纹连接且作用于近端导向段61与变形段62过渡段的内壁上，远端导向段61的端面作用在限位环51上。所述垫板80套装在外套筒50上，螺母90与外套筒50后部的外螺纹段52螺纹连接，螺母90前端面作用在垫板80板面上。设定一个合理的让压荷载，恒阻让压机构通过合理选用让压筒60的厚度及材料延性来实现在让压荷载条件下锚杆自动延伸。当隧道围岩发生大变形时，中空锚杆杆体通过让压螺母70挤压让压筒60的变形段62扩大筒内径来获得自动延伸，并保持恒定的工作阻力，吸收围岩能量。通过预测隧道围岩大变形量，设定恒阻让压机构的长度，以确保在围岩大变形条件下仍然具有很好的支护作用以保证隧道的稳定。

参照图1，所述中空锚杆杆体上固定设置具有承压板22和出浆孔21结构的连接器20，承压板22的直径与锚孔110孔径相适配，将中空锚杆杆体划分成由承压板22至远端的前锚固段11、由承压板22至外套筒50前远端的后锚固段12，中空锚杆杆体的前端固定设置搅拌钻头40。

锚孔110成孔后将卷式锚固剂由人工送入或专用设备高压风送入锚孔110内，然后插入中空锚杆杆体将卷式锚固剂推送至锚孔110底部，再将垫板80安装就位，向内推压并旋转中空锚杆杆体，搅拌钻头40搅碎卷式锚固剂外袋，在2～3分钟内形成卷式锚固剂锚固段L1。此后，在中空锚杆杆体后部套入恒阻让压机构，将其外套筒50的远端推送入锚孔110内，旋拧让压螺母70使其前部与让压筒60近端导向段61、变形段62过渡段内壁接触，在外套筒50的外端部安装垫板80和螺母90。

参照图10和图11，所述让压螺母70的前部呈球面状。参照图17和图18，所述外套筒50后部设置与外螺纹段52螺纹连接的保护筒100，该保护筒100的前端与螺母90后端面接触，对外套筒50的出露段形成遮挡。

参照图2，所述中空锚杆杆体可以采用整体式，即中空锚杆杆体为全长螺纹管，连接器20通过螺纹连接设置在中空锚杆杆体上，并通过点焊30与中空锚杆杆体固定，出浆孔21与后锚固段12内腔相连通。或者，所述中空锚杆杆体由前锚固段11、后锚固段12对接而成，前锚固段11、后锚固段12为全长螺纹管，连接器20前端与前锚固段11后端螺纹连接，连接器20后部与后锚固段12前端螺纹连接，出浆孔21与后锚固段12内腔相连通。所述连接器20上承压板22与中间套筒23为整体结构，中间套筒23内壁具有与中空锚杆杆体外螺纹相适配的内螺纹，两个出浆孔21对称设置在中间套筒23的筒壁上。

参照图3和图4，所述搅拌钻头40上十字形钻头41和前套筒42为整体式，前套筒42通过螺纹连接固定安装在前锚固段11的前端。参照图5，或者，所述搅拌钻头40由螺旋形钻头43和前套筒42构成，螺旋形钻头43焊接固定在前套筒42的前端，前套筒42通过螺纹连接固定安装在前锚固段11的前端。

参照图17和图18，本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆的锚固方法，包括如下步骤：

S01、在隧道壁120上确定系统锚杆点位；

S02、采用台车或钻机钻孔和清孔形成锚孔110；

S03、将卷式锚固剂由人工送入锚孔110内，或者用高压风送入锚孔110；

S04、将中空锚杆杆体搅拌钻头40端插入锚孔110，顶推卷式锚固剂至锚孔110远端，挤压旋转中空锚杆杆体近端，使搅拌钻头40搅碎卷式锚固剂，在2～3分钟内形成卷式锚固剂锚固段L1；

S05、在中空锚杆杆体后部套入恒阻让压机构，将其外套筒50的远端推送入锚孔110内，旋拧让压螺母70使其前部与让压筒60近端导向段61、变形段62过渡段内壁接触，在外套筒50的外端部安装垫板80和螺母90；

S06、将注浆管连接后锚固段12近端注浆，浆液从连接器20的出浆孔21进入后锚固段L2，形成水泥基注浆材料锚固段L2；

S07、在外套筒50的近端安装垫板70和螺母80，并安装保护筒90。

本发明的锚固施工方法简便，单根锚杆施作效率高，施工质量有保证，从而提升了隧道系统锚杆的施作效率和施工质量。

以上所述只是用图解说明本发明一种粘结锚固型先锚式让压中空锚杆及锚固方法的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。