一种可回收锚杆系统

分案说明

本分案申请的原始基础是申请号为202210364067.8，申请日为2022年04月07日，发明名称为“一种可回收式智能锚固装置及其回收方法”的专利申请。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种可回收锚杆系统。

背景技术

传统的锚杆作为临时性支护结构，在其功能失效后通常将与所建筑的构筑物一起埋藏于地下，而这将占用大量地下空间，形成地下垃圾，造成地下环境污染，且留下的锚杆也将成为后续工程的地下障碍物，同时因锚杆不能被有效回收而导致钢材被浪费。

为解决该问题，人们开发了可回收锚索技术，在锚索完成任务后，将锚索进行回收，不但可以避免锚索超出建筑红线的问题，还可以降低施工成本。目前，已开发了多种可回收锚索技术。可回收锚索具有安全快速、易回收的特点，被回收的钢绞线能够重复利用，弥补了早期锚索技术的不足。

热熔式回收锚索是可回收锚索技术中的一种常用锚索形式，其原理主要是通过对热熔锚通电进行拆芯，待通电达到一定时间热熔锚拆芯结束后将钢绞线拔出回收，如期刊《工程勘察》中一篇名为“新型热熔式可拆芯锚索应用与研究”的文章提供了一种热熔型锚具，该锚具中的热熔装置主要包括金属锚环和锚孔的金属夹片，其中，金属锚环外壁包裹电热环和联通的外部导线，是热熔装置的主导部位；金属夹片为圆台型，中间留有螺纹通孔，用于嵌入锚索，当锚索插入到金属夹片中，通孔内表面的螺纹与圆台型通孔过盈配合，提升极限抗拔力，稳固锚索。锚孔内壁充满热熔材料制成的衬套，并紧贴着金属夹片。当锚固工程中的锚索使用完成后，通过地面装置给导线通电，电加热环产生热量加热金属锚环使衬套熔化，从而解除锚索束束缚，使自由段的锚索束取出。

然而，此类热熔型锚具需要在通电以使热熔环达到一定温度后才能熔断锚索束，并将其回收，故其回收效率较低；其次，此类热熔型锚具的设计结构通常只考虑到对自由段锚索的回收，而在回收过程中，随着锚索束的移动，很有可能影响原有锚具的锚固力，而此类热熔型锚具则无法有效监测锚索束回收过程中锚固力的实时变化，并且也无法在锚固力减弱时通过相应手段维持或增加锚具的锚固力，故此类热熔型锚具的应用效果较差。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种可回收锚杆系统，旨在解决现有技术中存在的至少一个或多个技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种可回收锚杆系统，至少包括：

用于锚固的锚索束；

安装于锚索束的监测单元，监测单元至少包括用于监测锚索束应力变化的应变传感器，应变传感器的采样周期能够根据与锚索束的应力变化对应的预设应变幅值来设定，其中，在回收锚索束的过程中，锚索束的与时间相关的应力变化信息是以锚索束的预设应变幅值作为启动事件而经由应变传感器进行记录和传输的。

优选地，本发明所涉及的可回收锚杆系统还包括：

回收单元，其至少包括套接至锚索束的壳体，且壳体封装有热熔组分；

激发单元，其用于以电能形式激活热熔组分。

优选地，热熔组分包括激活试剂和热熔试剂，激活试剂和热熔试剂经由激发单元供能而被依次激活并产生化学反应以释放化学反应热，且在热熔试剂经由壳体排出并与锚索束接触之时，锚索束能够因化学反应热而被熔断。在本发明中，锚索束的熔断主要依靠于热熔试剂释放的高额化学反应热来完成的，相比于通过导线持续加热锚索束以将其熔断而言，热熔试剂通过氧化还原反应瞬间便能释放出大量热量，故可在极短的时间内将锚索束熔断以将其回收，而不会像现有技术在利用通电导线对锚索束持续加热时，需要耗费大量时间才能将锚索束熔断，使得锚索回收的效率极低，并且由于通电导线在深层地下空间内的运行状态也相较复杂，因此也无法有效保障通电导线能够对锚索束持续稳定的加热，而本发明中通电导线仅需提供一个初始热能足以将热熔试剂引燃即可，后续的锚索熔断借助于熔融态的热熔试剂便可，热熔试剂瞬间便能提供高额热量，因此不需要耗费通电导线过多的能量，整个熔断过程耗时极短，锚索回收的效率及稳定性被显著提高，并且热熔试剂的反应产物通常不会对锚索束及地下空间结构产生严重破坏。

优选地，激发单元至少包括彼此电性连接的控制单元和导线，其中，导线联结至热熔组分，以使导线能够在控制单元驱动下激活热熔组分而使其释放化学反应热。

优选地，激发单元的至少导线物理接触于激活试剂，激活试剂能够经导线而激活并以热传递的方式引燃热熔试剂，以使热熔试剂经由化学反应释放化学反应热。

优选地，激活试剂包括甘油瓶和高锰酸钾，以及热熔试剂包括引燃剂和铝热剂。

优选地，在激发单元提供电能至甘油瓶的情况下，甘油瓶被击穿以使其中的甘油与高锰酸钾反应并激活引燃剂，引燃剂引燃铝热剂使其经化学反应形成熔融态。本发明中，热熔组分包括激活试剂和热熔试剂两部分，其中，激活试剂可由甘油和高锰酸钾组成，激活试剂可经由通电导线提供的小额输入电流被激活燃烧，并能够通过氧化还原反应释放热量至热熔试剂，而热熔试剂可以包括引燃剂和铝热剂，其中，引燃剂用于助燃，而铝热剂则作为用于熔断锚索束的主要成分，当激活试剂释放的热量传递至引燃剂时，引燃剂燃烧产生更高的热量以将铝热剂点燃，铝热剂发生强烈的氧化还原反应并形成具备超高温的熔融态金属，借助于熔融态金属的超高热量，与其接触的锚索束将被熔断或抗拉强度巨幅下降，从而达成分离回收之目的。特别地，激活试剂一旦被点燃，便可持续燃烧释放热量以依次将引燃剂和铝热剂引燃，从而促使铝热剂发生氧化还原反应并释放大量热量以将锚索束熔断，即，激活试剂与热熔试剂的燃烧或氧化还原反应一旦开始，其自持性很高，几乎不会受到地层环境因素的干扰中断，整个反应及熔断过程中也不需要提供额外的人工辅助操作，并且整个反应过程不会发生预期外的其它化学反应，其过程可控。

优选地，壳体靠近于锚索束的一侧设置有用于封装热熔组分的密封板，在激活试剂经由激发单元激活并将热熔试剂引燃以使热熔试剂转变为熔融态之时，热熔试剂能够熔化密封板并从壳体流出以与锚索束接触熔断。本发明中，回收单元的壳体由两部分独立的环形或半圆柱形壳体对接而成，因此，相比于一体成型的壳体结构，本发明的回收单元在组合安装以及维护更换方面具有一定的成本及效率优势，并且基于本发明的壳体结构，对于调整回收单元于锚索束周向的固定位置而言是十分容易的，由此，可以根据回收需求确定回收单元的固定位置，从而获得不同长度或直径的锚索束。

优选地，壳体开设有试剂通道，热熔组分经由试剂通道被填充至壳体，并通过密封塞将试剂通道封堵，导线穿过密封塞连接至甘油瓶。

优选地，本发明所涉及的可回收锚杆系统还包括注浆单元，注浆单元包括注浆器和注浆通道，其中，注浆通道布设于锚索束内，且注浆通道连通于注浆器。

附图说明

图1是本发明提供的一种优选实施方式的可回收式智能锚固装置的结构示意图；

图2是本发明提供的一种优选实施方式的回收单元的结构示意图之一；

图3是本发明提供的一种优选实施方式的回收单元的结构示意图之二。

附图标记列表

101：锚索束；102：回收单元；103：锚固段；104：注浆通道；105：控制单元；106：注浆器；107：钻孔口；108：应变传感器；109：导线；110：通信线缆；111：加热丝；112：激发试剂；113：引燃剂；114：铝热剂；115：密封板；116：壳体；117：试剂通道；118：密封塞；119：甘油瓶；120：高锰酸钾。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

本发明提供了一种可回收式智能锚固装置，如图1所示，可以包括以下部件之一：

锚索束101，其用于加固待锚固土层；

回收单元102，其套接于锚索束101的自由段，以用于回收锚索束101；

监测单元，其至少包括安装于锚索束101自由段的应变传感器108，用于实时监测锚索束101的应力变化；

注浆单元，其至少包括安装于锚索束101内部的注浆通道104，用于对锚索束101实施二次注浆。

根据一种优选实施方式，回收单元102、监测单元以及注浆单元均各自独立地机械和/或电路连接于锚索束101，以同锚索束101配合使用。

根据一种优选实施方式，如图1所示，除用于监测锚索束101实时应力变化的应变传感器108外，监测单元还包括位于钻孔外的控制单元105。进一步地，应变传感器108和控制单元105通过通信线缆110信号连接，应变传感器108可以将其采集到的关于锚索束101应力变化的监测数据通过通信线缆110传输至控制单元105，控制单元105可以基于锚索束101的实时应力变化数据判断锚索束101的锚固力变化，以为锚固工程质量评定提供数据支持，并可根据锚索束101的实时锚固力变化采取相应的锚固措施。

优选地，应变传感器108与控制单元105间的信号传输方式不仅可以采用有线方式，也可以参照锚固场景的不同采用无线方式。例如，对于一些锚固深度较浅的地层而言，可以采用无线通讯方式，以避免冗长的线路布置，从而增加可回收锚固装置的灵活便携性，同时无线通讯的安装维护更加方便。

根据一种优选实施方式，如图1所示，除预封装于锚索束101内的注浆通道104外，注浆单元还包括设置于钻孔口107外的与注浆通道104连接的注浆器106。进一步地，在回收锚索束101的过程中，若控制单元105根据应变传感器108的应力监测数据判定锚索束101的锚固力低于设计阈值时，可以通过注浆器106和注浆通道104向锚索束101实施二次注浆，以提升锚索，尤其是锚索的锚固段103的锚固力。

根据一种优选实施方式，如图1所示，回收单元102套接于锚索束101的自由段，该回收单元102由一壳体116构成，该壳体116为整个回收结构的框架主体。具体地，如图2和图3所示，壳体116由至少两部分半圆柱形壳体组合而成，组合后的壳体116中部具有一中空通道，该中空通道是由两部分半圆柱形壳体以其部分凹陷的方式组合而成的，锚索束101可经由该中空通道穿出。进一步地，组成壳体116的半圆柱形壳体为中空壳体，其内部的空腔填充有用于熔断锚索束101的热熔试剂。特别地，壳体116可以是陶瓷外壳，其具有良好的耐高温性能，并且陶瓷壳体的材料价格低廉，制造加工过程也十分简单。

根据一种优选实施方式，本发明中，在利用回收单元102对锚索束101进行回收时，是利用控制单元105向导线109通入电流以激活壳体116内封装的热熔试剂，并通过热熔试剂释放的大量化学反应热来熔断锚索束101从而实现回收的。特别地，在本发明中，热熔试剂释放的化学反应热主要是通过铝热反应产出的，且通过铝热反应释放的热量可使环境温度上升至2000℃～3000℃。

根据一种优选实施方式，本发明中，借助于热熔试剂的铝热反应所产生的大量热量能够将壳体116的用于封堵的密封材料融化，以使封存于壳体116内的带有超高温的热熔试剂流出，处于熔融态的热熔试剂与锚索束101接触后能够将锚索束101熔断，或是能够极大程度降低锚索束101的屈服强度从而便于将锚索束101拉拔回收。

根据一种优选实施方式，如图2所示，壳体116连接有加热丝111，该加热丝111信号连接于导线109，导线109电路连接于钻孔口107外的控制单元105，通过控制单元105可以控制加热丝111工作。具体地，在通过控制单元105将导线109通电后，加热丝111工作并持续升温，加热丝111产生的热量能够传递至封存于壳体116内的与加热丝111接触的激发试剂112，从而将其引燃，激发试剂112燃烧释放能量并进一步将热量传递至引燃剂113以将其点燃，引燃剂113与壳体116内的铝热剂114接触并将热量传导至铝热剂114以将其激活。特别优选地，激发试剂112可以为镁条。

根据一种优选实施方式，铝热剂114被引燃剂113燃烧产生的高温激活后，将发生强烈的氧化还原反应，即铝热反应，从而释放大量热量，形成温度高达2000℃的熔融态金属，由铝热剂114反应成形的熔融态金属与壳体116侧面的密封板115接触后会将该密封板115融化并从壳体116流出以与锚索束101接触，具备超高温的熔融态铝热剂114接触锚索束101后，能够将锚索束101熔断，此时配合钻孔口7外的张拉设备提供一定的拉拔力即可将锚索束101从锚固地层中拉出，以实现锚索束101的回收。

根据一种优选实施方式，如图2所示，壳体116表面设置有试剂通道117，通过壳体116上预留的试剂通道117可将用于熔断锚索束101的热熔试剂预先填充并封存于壳体116内。进一步地，将热熔试剂填充完毕后，用密封塞118将试剂通道117进行封堵，加热丝111穿过密封塞118插入至壳体116内，并与激发试剂112直接接触。

根据一种优选实施方式，图3示出了本发明的回收单元102另一种优选的结构示意图。具体地，如图3所示，壳体116内可填装有甘油瓶119、高锰酸钾120、引燃剂113以及铝热剂114。进一步地，通过壳体116上预留的试剂通道117可将甘油瓶119、高锰酸钾120等用于熔断锚索束101的化学反应试剂预先填充并封存于壳体116内，并用密封塞118将试剂通道117进行封堵，将导线109穿过密封塞118插入壳体116中，并与甘油瓶119连接。

根据一种优选实施方式，在利用如图3所示的回收单元102将锚索束101进行回收时，利用钻孔口107外的控制单元105将导线109通电，导线109通电后可以将甘油瓶119击穿，以使甘油瓶119内封装的甘油流出并与壳体116内的高锰酸钾120接触发生化学反应从而释放热量，甘油与高锰酸钾120释放的化学反应热能够激活或引燃引燃剂113，引燃剂113被点燃后将进一步激活或引燃铝热剂114，使铝热剂114发生强烈的铝热反应从而形成具备超高温的熔融态金属，最终与锚索束101接触并将其熔断，以实现对锚索束101的回收。特别地，壳体116靠近于锚索束101一侧的密封板115可采用薄铁板，或是采用其它强度较高但不耐高温的材质代替，例如PPS材质。

根据一种优选实施方式，现有热熔型锚具通常是对热熔锚通电进行拆芯，待通电达到一定时间热熔锚拆芯结束后将钢绞线拔出回收。然而现有热熔型锚具需要依靠导线109产生大量热量将例如金属锚环加热才能将锚索束101熔断，因此在钢绞线达到相应熔断温度或满足相应可回收屈服强度之前，需要通过导线109实施长时间的持续加热才能将锚索束101熔断，故锚索束101的回收过程将耗费大量时间，尤其是需要大量的预热准备时间；另一方面，锚索束101埋设于地下深层空间之中，地下土体的传热效果较差，因此在利用导线109对锚索束101进行长时间的持续加热的过程中，可能需要持续输出大电流，然而由于地下空间的不确定环境因素较多，且导线109的传热线路很长，故在利用导线109对锚索束101持续加热的过程中，很有可能产生导线109的热量无法有效传递至锚索束101的现象，特别是地下空间中导线109极易出现故障损坏，长时间维持电流输出也是比较困难的。

根据一种优选实施方式，在本发明中，导线109仅用于提供初始热量以激活相应的热熔试剂，而锚索束101的熔断则主要依靠于热熔试剂经化学反应释放的高额热量来实现。具体地，当需要熔断锚索束101以将其回收时，可通过控制单元105将导线109通电以使加热丝111工作，相较于直接通过加热丝111进行持续的物理传热以将锚索束101熔断而言，加热丝111只需提供数值大幅降低的热能以足够将热熔试剂引燃即可，后续对于锚索束101的熔断则完全依赖于热熔试剂经化学反应而产生的化学反应热，而不需要通过加热丝111持续提供大量热能，因此能够极大程度上减少能量的消耗及浪费，当热熔试剂经由氧化还原反应形成具备超高温的熔融态金属时，熔融态金属与锚索束101接触并将其熔断，同时配合钻孔口107外的张拉设备将熔断后的锚索束101拉出即可完成回收。

优选地，铝热反应的反应过程十分迅速且剧烈，反应瞬间便能释放大量热量，相比于通过加热丝111对锚索束101持续进行加热而言，铝热反应释放的热量瞬间就能将环境温度提升至数千摄氏度，使得从将加热丝111通电到通过铝热反应释放大量热量的整个过程在极短时间内就能完成，因此整个锚索回收的效率得以显著提升；其次，铝热反应的主要产物为各种金属氧化物，在通过铝热反应将锚索束101熔断后，残留的反应产物不会对锚索束101形成二次破坏，不会影响回收后的钢绞线的使用，并且铝热反应产出的金属氧化物即使残余于地下空间也不会对地下空间结构造成严重破坏。

根据一种优选实施方式，铝热反应的反应过程通常是已知的，相比于直接利用导线109对锚索束101进行持续加热，并保持导线109持续稳定的输出而言，铝热反应一旦开始，几乎不会受到周边环境所影响，而处于复杂地层空间内的导线109由于诸多不确定因素反而更容易出现失稳的状况，这将为锚索束101的回收增加预料之外的困难及成本，而通过铝热反应瞬间便能熔断锚索束101，不仅提高了锚索回收效率，同时大大降低了不确定因素产生的可能性，使得锚索回收的稳定性更好。

根据一种优选实施方式，现有技术在通过应变传感器108监测锚索束101的应力变化时，应变传感器108的监测和传输频率通常都是已知且固定的，而当锚索束101的锚固力出现异常衰减时，锚索束101的锚固作用将会大打折扣甚至会导致锚固作用消失，而应变传感器108通常只在预设采样节点才发送相应的监测数据，且控制单元105也只有在接收到相应的监测数据时才能对锚索束101的锚固力进行判断，因此当锚索束101的锚固力出现异常变化时，常规的监测及判定方式存在一定的滞后性，而这种滞后性对于通过锚索加固地层而言是极其不利的，尤其是在这种延迟收发效应持续累加的情况下，实际所得锚索束锚固力的变化与预期变化间的误差可能高达数倍，而锚索束锚固力的变化，特别是在回收锚索束101时，锚索束锚固力的衰减同时又影响着通过注浆部对锚索施行二次注浆时的时机选择，从而影响着锚固质量，尤其是在锚索束101的锚固力明显低于设定阈值一定区间范围时，若不及时进行二次注浆，则即便是后续再进行补浆，也可能会因错过最佳的补浆时机而导致锚索束101的锚固力无法恢复至原有水平。

根据一种优选实施方式，本发明中，应变传感器108的采样周期可以根据与锚索束101的应力变化对应的预设应变幅值来设定，换而言之，在回收锚索束101的过程中，锚索束101的与时间相关的应力变化信息是以锚索束101的预设应变幅值作为启动事件而经由应变传感器108进行记录和传输的。具体地，预设应变幅值可以由工程设计人员根据工程经验值或是基于工程模拟实验的测算值进行设定，例如对于地质环境已知的锚固土层，可通过软件模拟从地层内回收锚索时，锚索束101的衰减变化，并可形成相应的锚固力与时间相关的变化曲线，由此可以根据锚索束锚固力的理论变化趋势来设定预设应变幅值。

优选地，锚索束101每产生单个预设应变幅值或锚索束101的锚固力每降低单个预设应变幅值所消耗的时间即为应变传感器108的采样周期，当锚索束101的应力变化加快或放缓时，锚索束101发生单个预设应变幅值所消耗的时间也会改变。特别地，应变传感器108的采样周期与预设应变幅值的比值可以用以表征锚索束101的应力变化速率，从而可以获知锚索束101的锚固力衰减速率，该比值越大，则意味着锚索束101的锚固力衰减速率越慢，即锚索束101每发生单个预设应变幅值或其锚固力每降低单个预设应变幅值所用时间越长，反之越小则意味着锚索束101的锚固力衰减速率越快，即锚索束101每发生单个预设应变幅值或其锚固力每降低单个预设应变幅值所用时间越短。

根据一种优选实施方式，在锚索束101的锚固力衰减速率放缓时，应变传感器108可以减少传输至控制单元105的监测数据的频率及数据量，以在减少数据交互量的基础上，降低数据传输交互过程中产生的延迟，使得控制单元105对于锚杆锚固力的分析计算过程更加及时流畅，尤其是能够对锚杆锚固力的变化情况做出及时响应，从而能够及时地通过注浆部来增强锚索束101的锚固力。

根据一种优选实施方式，随着锚索束101的锚固力的不断衰减，不同锚固力变化区间所对应的风险是不同的，且对应的注浆量也是不同的。优选地，对于不同锚固力变化区间而言，应变传感器108的采样周期不同，则相应的预设应变幅值也是不同的。具体地，工程设计人员可依据锚固工程要求针对锚索束101设定不同的锚固力变化区间，并为各锚固力变化区间设定不同的预设应变幅值，以随着锚固力的变化，及时调整应变传感器108对锚索束101的监测频率，从而提高对锚索束101的锚固力监测的及时性。

特别地，随着锚索束锚固力的持续衰减，锚索失效的可能性也就越大，故随着锚索束锚固力的不断减小，可将锚索束101的预设应变幅值线性/非线性减小，以缩短对应的采样周期，使得应变传感器108对锚索束101的锚固力监测频率更加密集，从而能够及时获知锚索束锚固力的变化，特别是在锚固力不断减小的过程中，能够根据锚固力的变化及时启动注浆部而对锚索进行二次补浆，以及时应对锚固力的衰减，并通过及时补浆而保持相应的锚固作用，反之，在注浆过后锚索束锚固力提升或恢复时，可随锚固力的提升线性/非线性增大锚索束101的预设应变幅值，由此一来，在锚索束锚固力持续减小的过程中，通过缩短应变传感器108的采样周期使得控制单元105对于锚索束锚固力的分析判定频率更加密集频繁，以能够及时获知锚索束锚固力的衰减状态，并及时启动注浆部进行二次注浆，另一方面，可以根据锚索束锚固力的变化及时调整应变传感器108对于锚索束锚固力的监测频率，使得对锚索束锚固力的监测频率更加合理准确，尤其是例如在锚索束锚固力衰减程度较弱的状态下，频繁监测可能是不必要的，因为这将增加数据交互量、占用计算资源而产生延迟，同时过多的数据产出也会生成一定数量的伪数据，这些伪数据会影响控制单元105对锚索束锚固力的分析判定，从而影响最佳注浆时机。具体地，例如当与锚索束101应力变化相关的第一锚固力变化区间大于第二锚固力变化区间时，处于第一锚固力变化区间的应变传感器108所对应的预设应变幅值大于处于第二锚固力变化区间的应变传感器108所对应的预设应变幅值，即，随着锚索束101实时锚固力的持续减小，应变传感器108对于锚索束锚固力的监测频率也随之加快。

本发明中，通过可控热熔装置实现锚索或锚杆的可回收化，能够减少材料的耗费和降低工程成本，且本发明的可控热熔装置的结构简单，无需高精度加工，生产成本低廉，使用和维护方便，回收效率高；其次，本发明通过实时监测自由段锚索的应力变化情况来反映锚索或锚杆锚固力的大小，以能够对预期锚固效果进行评判；特别地，当锚固工程未达预期效果时，还可通过注浆单元实施二次注浆，以及时弥补锚固力的不足；锚索的主要部件都采用模块化、机械化的设计，便于加工制造，降低生产成本，且模块化设计拆装简单，维护及更换更迅速。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。