一种防岩爆多段锚固耗能支护装置及支护方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种防岩爆多段锚固耗能支护装置及支护方法。

背景技术

近年来，随着我国交通基础设施建设的迅猛发展，地下工程“长、大、深、群”的特点日益凸显，穿越高地应力条件下的长大铁路、公路隧道及水工隧洞大量出现，由此带来了许多深部岩石力学问题，其中尤以岩爆最为突出。岩爆一般认为是高地应力条件下地下工程开挖过程中，硬脆性围岩因开挖卸载导致洞壁应力分异，储存于岩体中的弹性应变能突然释放而产生爆破松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力破坏地质灾害。自英国锡矿岩爆现象首次报道以来，全世界范围内许多国家均记录有岩爆现象发生，其范围涉及交通、水工及采矿等工程领域。岩爆灾害不仅严重威胁施工安全、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，已经成为深埋硬岩隧道设计施工中必须考虑的重要问题之一。

在复杂的高地应力岩爆地段环境中进行隧道开挖，强烈的开采扰动，会导致围岩变形强烈，二次应力高度集中，现阶段对于岩爆的治理多是固定的岩爆类型的支护结构，采取的防治措施多是较为常规的，各种治理措施的参数选取也具有很大的不同，并且岩爆的防治多是凭借施工经验，整个过程中带有很大的主观性和随机性，对于系统性的防岩爆支护结构体系研究较少，所以如何设计出有效的特长铁路隧道防岩爆支护结构是目前亟待解决的问题。

在高地应力环境下，锚杆是最有效的加固方法，而目前用来进行围岩加固的普通锚杆因变形能力有限，能耗较低，在高地应力的环境中进行围岩锚固时，极易发生锚杆应变应力超限，出现脱锚和锚杆被拔出、拉断等问题。在岩爆区域由于无法释放围岩内储存的能量，有效抑制岩爆的发生，因此常规锚固锚杆无法适应深部复杂的隧道开挖的支护。

发明内容

本发明旨在提供一种防岩爆多段锚固耗能支护装置及支护方法，能释放围岩的弹性能，避免岩爆等灾害的发生，可有效避免锚杆无法适应围岩变形而脱锚和锚杆被拔出、拉断等问题的发生，提高隧道围岩的稳定性，保证施工的安全。

为达到上述目的，本发明提供的上述一种防岩爆多段锚固耗能支护装置，包括杆体、预紧装置、让压套筒、耗能锚固组件、紧固组件，所述杆体贯穿让压套筒的前、后端，预紧装置设置在让压套筒的后端，锚固组件设置在让压套筒的内部与杆体和让压套筒的内壁连接，紧固组件设置在杆体与让压套筒两头的连接处，所述让压套筒的外壁上设置有环形齿刀，环形齿刀与让压套筒连接为一体。

优选的，预紧装置包括托盘、锁紧螺母，所述托盘套设在让压套筒的后端，所述杆体表面设置有螺纹，所述锁紧螺母设置在托盘的后端与杆体螺纹连接。

优选的，耗能锚固组件包括第一锚固块、第二锚固块、第三锚固块、弹性组件，括第一锚固块、第二锚固块、第三锚固块均位于让压套筒的内部并套设在杆体上与杆体和让压套筒的内壁连接，第一锚固块与第二锚固块之间通过弹性组件连接，第二锚固块与第三锚固块之间通过弹性组件连接。

进一步地，第一锚固块、第二锚固块、第三锚固块呈截面为三角形的环状块。

进一步地，弹性组件为高强弹簧。

优选的，耗能锚固组件至少有一个。

优选的，紧固组件为橡胶圈。

优选的，环形齿刀有若干个，若干个环形齿刀在让压套筒上间隔分布。

优选的，让压套筒至少有一个。

优选的，支护方法为：

S1、加深炮孔，每循环步增设炮孔不低于15孔，隧道开挖爆破、排险和出渣后，掌子面和洞壁喷洒高压水；

S2、开挖面挂设钢筋网并初喷混凝土形成初喷混凝土层(11)进行及时支护；

S3、多段锚固耗能锚杆的制备，将环状齿刀焊接在让压套筒上，将锚固组件与杆体和让压套筒焊接连接，锚固组件的第一锚固块与第二锚固块之间通过弹性组件连接，第二锚固块与第三锚固块之间通过弹性组件连接，通过紧固组件将让压套筒的两头与杆体紧固连接；

S4、钻设应力释放孔，在围岩上开设应力释放孔，应力释放孔的直径略大于带有环状齿刀的让压套筒的直径，应力释放孔的深度大于杆体的长度，开设应力释放孔的同时注水软化围岩，释放围岩深部的应变能；

S5、支护安装，将杆体送至步骤4中已钻好的应力释放孔，然后注入水泥浆并均匀搅拌，充满应力释放孔，待水泥浆凝固后，安装预紧组件，施加预紧力；

S6、架立型钢钢架并复喷混凝土封闭开挖面，在复喷混凝土层与二次衬砌之间设置预留变形量；

相比现有的技术，本发明具有以下技术效果：

1、本发明能释放围岩的弹性能，避免岩爆等灾害的发生；

2、本发明锚杆上的多段锚固设置可有效避免锚杆无法适应围岩变形而脱锚和锚杆被拔出、拉断等问题的发生；

3、本发明可提高隧道围岩的稳定性，保证施工的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例的多段锚固耗能支护装置的单段结构示意图；

图2为实施例的多段锚固耗能支护装置内锚固组件的结构示意图；

图3为局部施工剖面结构示意图；

图标：1—杆体、2—托盘、3—锁紧螺母、4—让压套筒、5-齿刀、6-弹性组件、7-第一锚固块、8-第二锚固块、9-第三锚固块、10-紧固组件、11-初喷混凝土层、12-型钢钢架、13-复喷混凝土层、14-预留变形量、15-二次衬砌。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例

一种防岩爆多段锚固耗能支护装置，包括杆体1、预紧装置、让压套筒4、耗能锚固组件、紧固组件10，所述杆体1贯穿让压套筒4的前、后端，预紧装置设置在让压套筒4的后端，锚固组件设置在让压套筒4的内部与杆体1和让压套筒4的内壁连接，紧固组件10设置在杆体1与让压套筒4两头的连接处，所述让压套筒4的外壁上设置有环形齿刀5，环形齿刀5与让压套筒4连接为一体，环状齿刀5可以减少隧道围岩的变形破坏，抑制岩体的破裂，有效地提高隧道岩体的稳定性。

预紧装置包括托盘2、锁紧螺母3，所述托盘2套设在让压套筒4的后端，所述杆体1表面设置有螺纹，所述锁紧螺母3设置在托盘2的后端与杆体1螺纹连接。

耗能锚固组件包括第一锚固块7、第二锚固块8、第三锚固块9、弹性组件6，括第一锚固块7、第二锚固块8、第三锚固块9均位于让压套筒4的内部并套设在杆体1上与杆体1和让压套筒4的内壁连接，第一锚固块7与第二锚固块8之间通过弹性组件6连接，第二锚固块8与第三锚固块9之间通过弹性组件6连接。

第一锚固块7、第二锚固块8、第三锚固块9呈截面为三角形的环状块。

弹性组件6为高强弹簧。

耗能锚固组件至少有一个。

紧固组件10为橡胶圈。

环形齿刀5有若干个，若干个环形齿刀5在让压套筒4上间隔分布。

让压套筒4至少有一个。

支护方法为：

S1、加深炮孔，每循环步增设炮孔不低于15孔，隧道开挖爆破、排险和出渣后，掌子面和洞壁喷洒高压水，软化表层以起到部分释放围岩应变能的作用；

S2、开挖面挂设钢筋网并初喷混凝土形成初喷混凝土层11进行及时支护，初喷混凝土应采用8cm厚C30早高强喷砼；

S3、多段锚固耗能锚杆的制备，将环状齿刀5焊接在让压套筒4上，将锚固组件与杆体1和让压套筒4焊接连接，锚固组件的第一锚固块7与第二锚固块8之间通过弹性组件6连接，第二锚固块8与第三锚固块9之间通过弹性组件6连接，通过紧固组件10将让压套筒4的两头与杆体1紧固连接；

S4、钻设应力释放孔，在围岩上开设应力释放孔，应力释放孔的直径略大于带有环状齿刀5的让压套筒4的直径，应力释放孔的深度大于杆体1的长度，开设应力释放孔的同时注水软化围岩，释放围岩深部的应变能，应力释放孔可主动地引导高地应力环境下具有岩爆倾向性围岩的部分能量的释放，能够减小开挖后支护结构的应力集中；

S5、支护安装，将杆体1送至步骤4中已钻好的应力释放孔，然后注入水泥浆并均匀搅拌，充满应力释放孔，待水泥浆凝固后，安装预紧组件，施加预紧力；

S6、架立型钢钢架12并复喷混凝土封闭开挖面，在复喷混凝土层13与二次衬砌15之间设置预留变形量14，采用全环I18型钢钢架加强支护，钢架间距1.2m/榀，复喷射砼厚25cm。

本申请与普通锚杆相比具有吸能让压变形的能力，当在极高应力的情况下，围岩出现裂化时，让压套筒4因受张拉应力和剪切应力出现移动，锚固组件的第一锚固块7与第二锚固块8之间通过弹性组件6连接，第二锚固块8与第三锚固块9之间通过弹性组件6连接，通过紧固组件10将让压套筒4的两头与杆体1紧固连接并与让压套筒4和杆体1连接，锚固组件可以用于消耗围岩变形产生的弹性应变能，通过吸收弹性应变能抑制继续裂化的趋势，在岩爆孕育阶段抑制拉剪等破坏，抑制岩体裂化发展，预防岩爆的发生。整个支护过程层次分明且实际操作性强，能够有效的提高高地应力环境中隧道围岩的稳定性，保证施工的安全。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。