一种拉剪耦合补偿防渗漏型预应力锚杆及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道、边坡或基坑支护技术领域，尤其是涉及一种拉剪耦合补偿防渗漏型预应力锚杆及施工方法。

背景技术

目前，城市轨道交通隧道、边坡或基坑领域所用传统锚杆并不施加预应力，无法在凌空面施加最小主应力，不能形成预应力拱以增强围岩稳定能力；传统锚索抗剪性能是由锚索轴向拉应力进行补偿，在抵抗剪切变形过程中易造成拉应力分散，甚至造成损失。

不仅如此，在富水地层，传统锚杆引流弊端始终没能得到重视，影响文明施工在其次，主要影响钻孔打设后在浅部围岩形成了渗流通道，降低了围岩弱结构面和剪应力集中处的内聚力和摩擦角，降低了围岩的稳定性，影响了生产安全。同时，如围岩存在伊利蒙脱成分，易造成浅部围岩向凌空面方向膨胀，更影响生产安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拉剪耦合补偿防渗漏型预应力锚杆及施工方法，该拉剪耦合补偿防渗漏型预应力锚杆及施工方法能够在前部围岩形成渗流封堵结构，使得水压、渗流得到疏解和封堵，增强了围岩的稳定性；

本发明提供一种拉剪耦合补偿防渗漏型预应力锚杆，包括杆体，所述杆体包括锚固部和防渗部，所述锚固部用于固定锚固剂，所述防渗部上连接有防渗流层，所述防渗流层位于锚孔的孔口位置。

进一步地，所述防渗流层包括防水封堵层，所述防水封堵层用于封堵多余孔道。

进一步地，所述防渗流层还包括防水垫层，所述防水垫层位于所述防水封堵层外侧，所述防水垫层用于阻隔渗漏水。

进一步地，所述防渗流层还包括围岩耦合层，所述围岩耦合层位于所述防水垫层外侧并与围岩凌空面平齐。

进一步地，所述锚孔包括扩孔段，所述扩孔段位于所述锚孔的孔口处，所述防渗流层紧密嵌合在所述扩孔段内部。

进一步地，所述杆体还包括补偿部，所述补偿部位于所述锚固部与所述防渗部之间，所述补偿部的外侧套设有钻进钢套管。

进一步地，所述补偿部的两端分别套设有拉剪耦合补偿体，所述拉剪耦合补偿体为空心圆台形，两个所述拉剪耦合补偿体的小端面相向设置，所述钻进钢套管的两端分别与两个所述拉剪耦合补偿体连接。

进一步地，所述钻进钢套管包括依次连接的钻进段、套管段和连接段，所述钻进段包括外扩式钻头，所述套管段的管壁上开设有平行或螺旋环绕的切缝，所述连接段上设有连接机构，所述连接机构用于与钻机连接。

进一步地，所述围岩耦合层的外侧设有托盘，所述托盘上开设有注浆孔。

本发明还提供一种采用拉剪耦合补偿防渗漏型预应力锚杆的施工方法，包括以下步骤：

S1：确定锚固位置，在锚固位置处钻所述锚孔；

S2：所述补偿部靠近所述锚固部的一端设置所述拉剪耦合补偿体；

S3：所述锚孔中放入所述锚固剂，所述杆体将所述锚固剂送到所述锚孔的孔底；

S4：所述杆体位于钻孔外的一端连接锚杆钻机，启动所述锚杆钻机，将所述锚固剂包封破坏并旋转至固结，然后解除所述杆体与所述锚杆钻机的连接；

S5：所述钻进钢套管与所述锚杆钻机连接，启动所述锚杆钻机将所述钻进钢套管套在所述杆体上并旋转送入所述锚孔中，然后解除所述钻进钢套管与所述锚杆钻机的连接；

S6：扩大空心钻头安装至所述锚杆钻机，以所述杆体的形心为圆心对围岩进行钻孔，形成所述扩孔段；

S7：所述补偿部靠近所述防渗部的一端设置所述拉剪耦合补偿体；

S8：所述扩孔段内设置所述防渗流层；

S9：所述杆体露出所述锚孔的部分安装托盘和锚具；

S10：对所述杆体进行张拉至计预应力值。

本发明的技术方案通过在锚孔的孔口位置设置防渗流层，能够对前部围岩形成渗流封堵结构，使得水压、渗流得到疏解和封堵，能够有效增强围岩弱结构面和剪应力集中处的内聚力和摩擦角，提高了围岩的稳定性，保证了生产安全，提高成产效能，优化施工环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的图1另一视角示意图；

图3为本发明的防渗流层示意图；

图4为本发明的主体结构爆炸图；

图5为本发明的钻进钢套平行切缝管示意图；

图6为本发明的钻进钢套环绕切缝管示意图；

附图标记说明：

1-杆体、101-锚固部、102-补偿部、103-防渗部、2-锚固剂、3-防渗流层、301-防水封堵层、302-防水垫层、303-围岩耦合层、4-锚孔、5-扩孔段、6-钻进钢套管、7-钻进段、8-套管段、9-连接段、10-拉剪耦合补偿体。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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发明中的具体含义。

实施例1

如图1和图2所示，本发明提供一种拉剪耦合补偿防渗漏型预应力锚杆，包括杆体1，杆体1包括锚固部101和防渗部103，锚固部101用于连接锚固剂2，防渗部103上连接有防渗流层3，防渗流层3位于锚孔4的孔口位置。

具体的，杆体1可以是钢筋锚杆、玻璃钢锚杆或锚索钢绞线等等，当杆体1为钢筋锚杆或玻璃钢锚杆时，杆体1可采用接杆螺丝进行续长；锚固部101和防渗部103分别为杆体1的两端部，锚固部101要固定锚固剂2所以具有一定长度，防渗部103用于固定防渗流层3所以长度较短；围岩上使用锚杆钻机钻出有锚孔4，锚固剂2穿插在锚固部101上被杆体1送到锚孔4中，锚固剂2使用材料为树脂锚固剂2、不饱和聚酯树脂锚固剂2或聚氨酯类锚固剂2，这类锚固剂2在线上或线下市场上均能购买到，根据锚孔4的孔径和深度自由设计需要锚固剂2的数量；防渗流层3的作用是对渗流通道的流水、渗水等进行阻挡隔离，防止钻孔打设后在浅部围岩形成的渗流通道降低围岩弱结构面和剪应力集中处的内聚力和摩擦角，降低围岩的稳定性，防渗流层3可以是组合层或特殊材料层，只要能够有效阻隔渗流即可，另外，杆体1露出锚孔4的端部位置上还连接有定位器、锚具和锁具。

如图3所示，防渗流层3包括防水封堵层301，防水封堵层301用于封堵多余孔道。

具体的，防水封堵层301所用材料为可塑性防水胶、涂料防水层等，位于最靠近围岩侧(或与围岩紧密贴合)，在杆体1与锚孔4之间的具有间隙，或锚孔4预留的注浆孔等，均可能导致渗流，防水封堵层301为环形，内环和外环分别紧密与杆体1和围岩面贴合以封堵渗流。

如图3所示，防渗流层3还包括防水垫层302，防水垫层302位于防水封堵层301外侧，防水垫层302用于阻隔渗漏水。

具体的，防水垫层302所用材料为防水水泥砂浆、卷材、涂料等防水材料，位于防水封堵层301外侧，防水垫层302并的厚度略小于防水封堵层301，由于不直接与围岩接触，防水性能更好寿命更长，能够为防渗流层3提供额外防水性能。

如图3所示，防渗流层3还包括围岩耦合层303，围岩耦合层303位于防水垫层302外侧并与围岩凌空面平齐，围岩耦合层303用于为防水封堵层301、防水垫层302提供应力传输介质和压力。

具体的，围岩耦合层303所用材料为防水水泥砂浆，位于防水垫层302外侧，并与围岩凌空面平齐，围岩耦合层303是最外层的防水结构，不仅成型后牢固稳定，而且耐腐蚀等恶劣情况，一方面能够为防水封堵层301和防水垫层302提供应力传输介质，提高防水封堵层301和防水垫层302的力学性能和使用寿命，另一方面能够提供一定压力使整个防渗流层3贴合紧密，提高防水性能。

如图1和图2所示，锚孔4包括扩孔段5，扩孔段5位于锚孔4的孔口处，防渗流层3紧密嵌合在扩孔段5内部。

具体的，扩孔段5位于围岩的接近临空面处，扩孔段5为以锚杆形心点为圆心，与锚孔4形成的同心圆，扩孔段5孔径大于2倍的锚孔4孔径，扩孔段5深度可参考锚杆长度的10％，具体视渗透水压力而定，扩孔段5主要用于安装防渗流层3，即由于扩孔段5与锚孔4之间有一个截面减小的台阶面，所以当防渗流层3紧密嵌合于扩孔段5内时，阻流防渗效果更好。

如图4所示，杆体1还包括补偿部102，补偿部102位于锚固部101与防渗部103之间，补偿部102的外侧套设有钻进钢套管6。

具体的，补偿部102是位于锚固部101与防渗部103之间的一段杆体1，主要用于套设钻进钢套管6和固定拉剪耦合补偿体10，以对锚杆进行拉应力和剪切应力的补偿转化，提高锚杆的力学性能，如杆体1不足钻孔长度，可接钻进钢套管6。

如图4所示，补偿部102的两端分别套设有拉剪耦合补偿体10，拉剪耦合补偿体10为空心圆台形，两个拉剪耦合补偿体10的小端相向设置，钻进钢套管6的两端分别与两个拉剪耦合补偿体10的小端连接。

具体的，拉剪耦合补偿体10类似空心圆台，其最大直径小于钻孔直径，两个拉剪耦合补偿体10分别焊接在补偿部102的两端(或补偿部102与锚固部101、防渗部103的连接处)，且两个拉剪耦合补偿体10的小端面均朝向补偿部102的中心位置；应当容易理解的，当杆体1受到拉应力时，由于圆台形的拉剪耦合补偿体10，能够提高杆体1的抗剪性能，当杆体1受到剪切应力时，由于圆台形的拉剪耦合补偿体10，能够提高杆体1的抗拉性能，即两个拉剪耦合补偿体10可有效将锚杆所受拉应力、剪切应力进行优化分配；钻进钢套管6一方面可以向外对锚孔4内壁起到支撑保护作用，另一方面可以向内保护杆体1。

如图5和图6所示，钻进钢套管6包括依次连接的钻进段7、套管段8和连接段9，钻进段7包括外扩式钻头，套管段8的管壁上开设有平行或螺旋环绕的切缝，连接段9上设有连接机构，连接机构用于与钻机连接。

具体的，钻进钢套管6是一根管型材料，钻进段7为施工前将钢管原材一端位置加工成外扩式空心钻头结构，其外扩式空心钻头的直径略小于钻机的钻头直径，即钻进钢套管6能够通过钻进段7向锚孔4中旋转钻入，钻进段7的直径大于拉剪耦合补偿体10最小直径，小于拉剪耦合补偿体10最大直径；套管段8的管壁外侧开设出若干切缝，切缝具体可加工为与钢套管杆体1轴向方向平行的切缝，或与沿钢套管杆体1轴向的反向钻进螺旋形切缝，这些切缝一方面可以帮助整个钻进钢套管6在钻入过程中对锚孔4孔壁进行刮削，另一方面，在必要时可以用于向锚孔4中注浆；连接段9即整个钻进钢套管6的尾端，连接机构可以是加工成与锚杆钻机匹配的卡销或丝扣，可与锚杆钻机进行连接。

围岩耦合层303的外侧设有托盘，托盘上开设有注浆孔。

具体的，注浆孔的目的在于必要时可进行二次注浆封堵渗漏水。

本发明还提供一种采用拉剪耦合补偿防渗漏型预应力锚杆的施工方法，包括以下步骤：

S1：确定锚固位置，在确定的锚固位置处钻锚孔4；

S2：补偿部102靠近锚固部101的一端设置拉剪耦合补偿体10；

S3：锚孔4中放入锚固剂2，杆体1将锚固剂2送到锚孔4的孔底；

S4：杆体1位于钻孔外的一端连接锚杆钻机，启动锚杆钻机，将锚固剂2包封破坏并旋转至固结，然后解除杆体1与锚杆钻机的连接；

S5：钻进钢套管6与锚杆钻机连接，启动锚杆钻机将钻进钢套管6套在杆体1上并旋转送入锚孔4中，然后解除钻进钢套管6与锚杆钻机的连接；

S6：扩大空心钻头安装至锚杆钻机，以杆体1的形心为圆心对围岩进行钻孔，形成扩孔段5；

S7：补偿部102靠近防渗部103的一端设置拉剪耦合补偿体10；

S8：扩孔段5内设置防渗流层3；

S9：杆体1露出锚孔4的部分安装托盘和锚具；

S10：对杆体1进行张拉至预应力值。

具体的：

在S1中，钻锚孔4后如果孔内残留有杂物，可以对锚孔4内进行清孔，例如高压气冲或水冲；

在S2中，该拉剪耦合补偿体10的小端朝向防渗部103；

在S3中，如果杆体1不足锚孔4深度，可将多根杆体1进行连接满足要求；

在S4中，锚杆钻机旋转5～10s或锚杆钻机无法旋转为止；

在S5中，如钻进钢套管6不足锚孔4深度，可将多根钻进钢套管6进行连接满足要求；

在S7中，该拉剪耦合补偿体10的小端朝向锚固部101，且该拉剪耦合体最大直径断面要深于扩大段位置；

在S8中，包括S8.1：将防水封堵层301材料进行涂抹，封堵住扩大段最深处断面；S8.2：将防水垫层302安装至防水封堵层301外侧；S8.3：将围岩耦合层303设置在防水垫层302外侧，并与围岩平齐。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。