一种组合式全长锚固预应力锚杆、搅拌器及施工方法

技术领域

本发明公开了一种适用于软岩地下工程围岩支护的组合式全长锚固预应力锚杆、与该锚杆配合的搅拌器对应的施工方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

在软岩地下工程锚喷支护中.锚杆起着举足轻重的作用，因此科学地选择锚杆类型十分关键。选用锚杆必须根据软岩的特性，尽量选择能主动支护的锚杆。只有能主动地改变围岩的应力状态，提高围岩的整体强度特性的锚杆，才能适用于软岩支护；反之则不应选用，如钢筋水泥砂浆锚杆，安装时就无法施加预应力，锚杆的初始滑移量较大。不能有效地阻止围岩的变形、开裂、离层和松动，因而不能在软岩巷道支护中选用。安装锚杆是必须立即施加足够的预紧力.这样不仅可消除锚杆构件的初始滑移量，而且可给围岩一定的预应力，使围岩受拉截面的拉应力降低，围岩的受剪截面因预应力产生的摩擦力而大大提高抗剪强度，同时避免过早地出现裂缝.可减缓围岩的弱化过程。实践证明，只用提高锚杆的预紧力，才能实现围岩与支护的共同作用。

现有的预应力锚杆施加方式主要通过涨壳锚头、树脂药卷等方法，存在的问题：通过涨壳锚头施加预应力方式时，接触面积小，不能施加较大锚固力，另外在软岩地下工程中，由于围岩强度不足，导致锚固力很容易由于围岩变形变小甚至消失；树脂药卷存在耐久性的问题，在水工和交通隧洞中一般不能作为永久支护材料，另外，树脂药卷一般均为端锚，提供的预应力有限，即使使用全长锚固方式，由于存在药卷直径和孔径匹配的问题，一般钻孔孔径不能太大，导致无法实施高预应力。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种适用于软岩地下工程围岩支护的组合式全长锚固预应力锚杆、搅拌器及施工方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种组合式全长锚固预应力锚杆，包括实心钢筋和中空注浆锚杆，所述的实心钢筋通过螺纹与中空注浆锚杆的头部相连；所述的中空注浆锚杆的中间段为扁状，在该段上设有返浆孔；所述的中空注浆锚杆的尾部设有一个托盘，所述的托盘通过螺母固定。所述的中空注浆锚杆的头部设有内螺纹，所述的实心钢筋上设有外螺纹，所述的内螺纹和外螺纹配合。

作为进一步的技术方案，所述内螺纹的螺旋方向与锚杆的旋转方向相反。

作为进一步的技术方案，所述的返浆孔为一个对穿孔。

作为进一步的技术方案，所述的返浆孔所在段(扁状部分)进行淬火和调质处理，保证该点不是受力软弱部位。

作为进一步的技术方案，所述的返浆孔直径为0.3～0.6cm。

作为进一步的技术方案，还包括一个止浆塞，所述的止浆塞用于与所述的返浆孔配合。

第二方面，本发明提出了一种与前面所述的锚杆配合使用的搅拌器，所述的搅拌器包括搅拌器本体，搅拌器本体的一端套装有卡环，所述的卡环用于搅拌器与所述的中空注浆锚杆尾部的连接，搅拌器本体的另一端连接一个连接杆，所述的连接杆用于与钻机相连。

第三方面，基于前面所述的组合式全长锚固预应力锚杆、搅拌器，本发明实施例还提供了一种施工方法，包括以下步骤：

1)凿岩机或风钻打孔；

2)清孔，由PVC等材质的风管将全长孔壁清理干净，尽量避免孔内端有多余的碎渣存在，以保证树脂锚固剂的锚固效果；

3)根据需要安树脂锚固剂；钻孔成孔后，由锚杆将树脂锚固剂推送至孔底；

4)将搅拌器的卡环与组合式全长锚固预应力锚杆的尾部相连，搅拌器的连接杆与钻机相连，启动钻机，将树脂锚固剂搅拌后，静置，即可上紧托盘，螺母，止浆塞等部件，施加第一次预应力；

5)注浆，自锚杆外露中空段将一种凝结时间可控超早强微膨胀型注浆材料注至杆体内部，由于已留置返浆孔，浆液将会充满除内锚段的中空杆体内外的空间，待止浆塞返浆后，说明孔内注浆已满，及时止浆，完成施工作业。

6)浆液凝固设定时间后，施加第二次预应力。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1.锚杆安装完以后，待锚固剂达到标准凝固时间(5分钟左右)，就可以施加预应力，保证了预应力的及时施作；

2.本锚杆的初始预应力≥10吨，配合微膨胀灌浆料使用，后期预应力不仅不会减弱甚至消失，还能由于浆料的微膨胀反作用于围岩和锚头，使得预应力略有增加。

3.本发明将矿山树脂锚固剂端锚技术与水工隧洞中空注浆全长锚固技术结合起来，以实现快速高强预应力支护效果。

4.本发明通过对各原料进行优化，最终制备的得到的注浆材料具有凝结时间可控、早强、易扩散、微膨胀等特点，材料凝结后微膨胀不收缩，避免因凝固后材料收缩导致与孔壁围岩脱落现象的发生，从而在软岩支护中及时起到支护作用。

5.上述技术方案配置方法及现场工艺实施简单，其初凝时间控制在1h左右，终凝时间较快，早强效果好，满足作业工序又能尽快凝结，尤其适于对地下软岩的支护作用，因此具有良好的实际应用之价值。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式公开的组合式全长锚固预应力锚杆结构；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的公开的搅拌器结构示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

1实心钢筋，2实心钢筋与中空注浆锚杆连接段，3返浆孔，4中空注浆锚杆，5托盘，6螺母，7止浆塞，8卡环，9搅拌器本体，10连接杆。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种组合式全长锚固预应力锚杆、搅拌器及施工方法。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，首先提出了一种适用于软岩地下工程围岩支护的组合式全长预应力锚杆，其主要包括内外两段杆体，其中内杆体为实心钢筋1，用来与树脂药卷结合，形成初始锚固力；外杆体为中空注浆锚杆4，中空杆体是主体部分，用于后续注浆和支护受力；所述的中空注浆锚杆4的中间段为扁状，在该段上设有返浆孔3，所述的中空注浆锚杆的头部设有内螺纹，所述的实心钢筋上设有外螺纹，所述的内螺纹和外螺纹配合，实现内外两段杆体之间的连接。

其中，上述外杆体的具体制作方法如下：一段为碳钢Q345经过管坯下料→热轧中空钢→热轧锚杆→下料镦挤→钻孔→淬火→调质等工艺加工而成；或者是外杆体采用市售普通高强中空注浆锚杆改造而成，改造点主要有两个方面：一是在与内杆体连接段恻内螺纹(即设有内螺纹)，使两节杆体紧密相连；内螺纹方向与锚杆旋转方向相反。二是在靠近连接段地方设有一个对穿孔，然后通过压扁、淬火和调质处理，保证该点不是受力软弱部位。其中，优选的，对穿孔的直径为0.3cm～0.6cm。优选的，对穿孔距离连接段的距离大概有15cm～20cm，具体的距离根据实际需要进行设置。

本实施例中的组合式全长预应力锚杆将锚杆的出浆孔设置在了锚杆的中间位置，其头部的实心钢筋部分配合现有的树脂药卷使用，其中空注浆锚杆部分用于注浆，且设置了返浆孔，浆液将会充满除实心钢筋外的空注浆锚杆内外的空间，待止浆塞返浆后，说明孔内注浆已满，及时止浆；本锚杆可以将注浆工艺和树脂药卷结合在一起使用，提高了初锚力。

此外，上述的组合式全长预应力锚杆还包括托盘、止浆塞和锁紧螺母等，所述的托盘套装在中空注浆锚杆的尾部，通过锁紧螺母进行锁紧；止浆塞7也设置在中空注浆锚杆的尾部，对注浆孔进行封堵。

本发明公开的锚杆安装完以后，带锚固剂达到标准凝固时间(5分钟左右)，就可以施加预应力，保证了预应力的及时施作；且杆体破坏伸长率≥15％；极限抗拉强度≥245KN。

本发明的初始预应力≥10吨，配合微膨胀灌浆料使用，后期预应力不仅不会减弱甚至消失，还能由于浆料的微膨胀反作用于围岩和锚头，使得预应力略有增加。

进一步的，本实施例还提出了一种与所述的组合式全长预应力锚杆相配合使用的搅拌器，包括搅拌器本体9，所述的搅拌器本体9的材质采用金属材质，搅拌器本体9的后端设置有与钻机相连的连接杆10；所述的连接杆10为一个外六方连接杆，外六方连接杆与钻机的内六方插孔适配，搅拌器本体9的前段可拆卸连接有一个卡环8，所述的卡环8、连接杆10均采用金属材质制作；且优选的，连接杆10与搅拌器本体9焊接在一起或者一体成型。

锚杆连接搅拌器与锚杆钻机配合使用用于隧道支护中树脂类锚杆的快速搅拌和安装，树脂类锚杆的搅拌搅拌后可提供充足的预应力。但由于目前市场上树脂类锚杆主要用于矿山及煤矿井下巷道的支护，用于隧道工程尤其是水工隧洞支护的树脂类锚杆几乎为空白，搅拌器在树脂类锚杆搅拌过程中，与锚杆杆体外螺纹的咬合力不断增加，使得在完成树脂药卷搅拌后，使得搅拌器很难拆卸。

上述搅拌装置的使用方法如下：

1.将搅拌器前端带有拆卸卡环装置的部件与中空锚杆杆体旋转连接，搅拌器后端设置内六方插孔适配的外六方连接杆与钻机连接。

2.搅拌器直接带动杆体搅拌锚固剂，时间约20～30s,停止搅拌。

3.搅拌结束后，前端敲击卡环套管，同时旋转松动搅拌器，将搅拌器取下供后续循环使用。

本实施在锚杆搅拌器功能的前提下，提供了一种卡环拆卸装置；在此过程中既要保证搅拌器具有足够的连接强度，在较大扭矩高速旋转的作用下可传递提供较高旋转力，但同时要保证搅拌结束后，方便拆卸。因此本实施例提供了一种卡环夹持式搅拌器，搅拌结束后，敲击卡环套管即可轻易松动搅拌器，而且搅拌器夹持部件由高强度、韧性好的合金钢加工制成，可满足反复拆卸使用。搅拌器可直接带动杆体搅拌锚固剂，重量轻，携带方便，适应性强。

进一步的，本实施例基于上述的锚杆以及搅拌装置，提出了一种施工方法，如下：

①凿岩机或风钻打孔；

②清孔，由PVC等材质的风管将全长孔壁清理干净，尽量避免孔内端有多余的碎渣存在，以保证树脂锚固剂的锚固效果；

③根据需要安装1～2节直径35cm,直径40mm的树脂锚固剂(快速型，搅拌时间20～30s)。钻孔成孔后，由锚杆将树脂锚固剂推送至孔底，由锚杆搅拌机配合本发明公开的中空锚杆连接搅拌器，将树脂锚固剂搅拌20～30s后，静置5分钟，即可上紧托盘，螺母，止浆塞等部件，施加第一次预应力。

④注浆，自锚杆外露中空段将一种凝结时间可控超早强微膨胀型注浆材料注至杆体内部，由于已留置返浆孔，浆液将会充满除内锚段的中空杆体内外的空间，待止浆塞返浆后，说明孔内注浆已满，及时止浆，完成施工作业。

进一步的，上述凝结时间可控超早强型微膨胀注浆材料，包括胶凝主体材料、填充密实组分、调凝组分、保水增稠组分、减水组分和早期膨胀组分。所述胶凝主体材料为普硅水泥熟料粉和硫铝酸盐水泥熟料粉的混合物，二者质量比为18～21：39～42。所述填充密实组分包括粉煤灰、矿粉和石灰石粉中的任意一种或多种；优选的，所述粉煤灰、矿粉和石灰石粉的质量比为10-20：0-10：0-10；优选的，所述粉煤灰为二级粉煤灰或一级粉煤灰，进一步优选为一级粉煤灰；优选的，所述矿粉为S95级矿粉或S105级矿粉，进一步优选为S105级矿粉；优选的，所述石灰石粉为磨细石灰石粉，更优选的，其细度控制为45μm方孔筛筛余量不大于12％。

所述调凝组分为缓凝组分和促凝组分。

所述缓凝组分包括硬石膏粉、葡萄酸钠和酒石酸粉中的任意一种或多种；优选的，所述硬石膏粉、葡萄酸钠和酒石酸粉的质量比为1-4.8：0-0.5:0-0.5；所述促凝组分包括元明粉、甲酸钙和碳酸锂中的任意一种或多种；优选的，所述元明粉、甲酸钙和碳酸锂的质量比为1:0-0.1:0-0.1。

所述保水增稠组分包括羟丙基纤维素醚、可再分散乳胶粉、聚丙烯酰胺中的任意一种或多种；优选的，所述羟丙基纤维素醚、可再分散乳胶粉和聚丙烯酰胺的质量比为0.1-0.5:0-0.5:0-0.5；所述减水组分包括聚羧酸减水剂；所述早期膨胀组分包括塑性膨胀剂。

所述胶凝主体材料、填充密实组分、混凝组分、促凝组分、保水增稠组分、减水组分和早期膨胀组分的质量比为：

55-65:25-35:45-50:0.8-1.5:0.9-1.2:1.5-2.0:0.6-1.0。

所述制备方法包括：将各原料与水混合搅拌成浆液即得；原料与水的质量比为1:0.3～0.5，优选为1:0.4。

上述技术方案中通过对各原料进行优化，最终制备的得到的注浆材料具有凝结时间可控、早强、易扩散、微膨胀等特点，材料凝结后微膨胀不收缩，避免因凝固后材料收缩导致与孔壁围岩脱落现象的发生，从而在软岩支护中及时起到支护作用。

本发明将矿山树脂锚固剂端锚技术与水工隧洞中空注浆全长锚固技术结合起来，以实现快速高强预应力支护效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。