易塌孔地层锚索成孔设备及同步洗孔注浆施工方法

技术领域

本发明涉及预应力锚索施工，具体涉及一种易塌孔地层锚索成孔设备及同步洗孔注浆施工方法。

背景技术

在边坡及基坑施工中，采用预应力锚索结构进行支护能取得较好的效果。但是，在碎石层、卵石层、高含水软土地层等地质条件不良、水文条件复杂地层进行成孔时难度较大，成孔后拔出钻杆时锚孔极易变形甚至塌孔，严重影响施工效率，基坑边坡的安全难以得到保证。且传统预应力锚索对于易塌孔地层锚索施工存在清孔不彻底、浆液扩散渗透等问题，导致锚固段承载能力有限，施工质量较难保证，存在较大的安全隐患。

因此，有必要对易塌孔地层预应力锚索成孔设备及施工方法进行优化和改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有预应力锚索施工存在的问题，提出了一种易塌孔地层锚索成孔设备及同步洗孔注浆施工方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。

易塌孔地层锚索成孔设备，由合金钻头、钻杆、转换节段、转换仓接头、预应力锚索、锚固板、对中支架、注水管、注浆管组成；合金钻头顶部设有外螺纹，内部设有注浆通道，注浆通道顶部设有注浆管连接嘴，注浆通道底端依次设有逆止阀和高压喷嘴，并于合金钻头四周设有环向轴承槽A，轴承槽A内设有轴承A；合金钻头顶部依次接长钻杆、转换节段和转换仓接头；钻杆包括连接合金钻头的吸渣钻杆和上部依次螺纹接长的连接钻杆，钻杆底部设有连接用内螺纹，顶部设有连接用外螺纹，吸渣钻杆杆身上设有吸渣孔，吸渣孔内安装浆塞，并于吸渣孔上部20~50cm设有喷水嘴；转换节段设于连接钻杆和转换仓接头之间，上下端部均设有内螺纹；转换仓接头由上部封闭盖板、固定接头、下部转动接头和底板组成，转换仓接头内部由仓壁从内向外分隔成注浆转换仓、注水转换仓和吸渣转换仓；封闭盖板上设有注水口、注浆口和出渣口；固定接头底部设有大于固定接头直径的轴承扩大仓，轴承扩大仓内部设有轴承B和卡簧，固定接头内部三个仓壁底部均设有半圆形截面的光滑端部，光滑端部上设有1~3道密封环槽，并于密封环槽内设置密封环；转动接外仓壁设有外螺纹，仓壁顶部设有与光滑端部匹配的U型环槽，密封环、仓壁光滑端部与U型环槽形成的密封空间内填充润滑油脂；底板上中心处设有中心板，外部设有外环板，且二者之间设有连接杆进行连接，中心板上设有注水管连接嘴和注浆管连接嘴；预应力锚索设于钻杆四周，通过底部的锚固板和固定螺母固定于合金钻头轴承A上；锚固板上设有钻杆孔，且在钻杆孔外侧均匀设置多个锚索孔；锚固板的钻杆孔上部还设有和轴承外径相同的轴承槽B；对中支架间隔设于预应力锚索上，将多束钢绞线整合成一个整体；注水管和注浆管设于钻杆内部，注浆管两端分别连接合金钻头和转换仓接头上的注浆管连接嘴，注水管两端分别连接吸渣钻杆喷水嘴和转换仓接头上的注水管连接嘴。

优选地，轴承A内径环安装于合金钻头的轴承槽A内部，外径环安装于锚固板的轴承槽B内部，轴承槽A与轴承A内径相同，轴承槽B与轴承A的外径相同。

优选地，浆塞设有楔形安装口，设于吸渣孔内部，吸渣前通过负压抽离吸渣孔。

优选地，合金钻头、钻杆、转换节段与转换仓接头涉及的内螺纹和外螺纹互相匹配，且进行上下连接成整体。

优选地，注浆口在锚孔钻进过程中注清水切割，辅助成孔，在钻杆拔除过程中注水泥浆高压旋喷，形成注浆锚固段；注水口在钻杆拔除过程中注清水清孔；出渣口在钻杆拔除过程中负压吸出孔中泥渣混合物。

优选地，卡簧设于轴承B底部的轴承扩大仓卡簧槽内，将轴承B限制于轴承扩大仓内；轴承B外径与轴承扩大仓内径相同，内径与转动接头仓壁外径相同，从而使转动接头相对于固定接头转动。

优选地，封闭盖板和底板直径与转换仓接头外径相同，且分别固定于固定接头和转动接头顶部和底部；底板上中心板直径与注水转换仓直径相同，连接杆处于吸渣转换仓内部。

优选地，注浆管内水泥浆从注浆口注入到转换仓接头，通过注浆管运输并从合金钻头高压喷嘴高压喷出；注水管内清水从注水口注入到转换仓接头，通过注水管运输并从吸渣钻杆喷水嘴喷出；锚孔泥渣混合物从吸渣钻杆吸渣孔流入，从钻杆内部向转换仓接头流动，并从出渣口排出。

优选地，易塌孔地层锚索成孔设备及同步洗孔注浆施工方法，包括以下步骤：

S1、引孔：在坡面进行深度1.0m的引孔钻设。

S2、钻杆安装：依次组装合金钻头、吸渣钻杆、连接钻杆、转换节段和转换仓接头，S2.1、在吸渣钻杆吸渣孔安装与吸渣孔等截面的浆塞；S2.2、在合金钻头轴承槽A内安装轴承A和锚固板，顶部注浆管连接嘴上连接注浆管，并在吸渣钻杆喷水嘴上连接注水管；S2.3、将吸渣钻杆与合金钻头通过连接螺纹形成整体，并在吸渣钻杆上安装1~2节连接钻杆；S2.4、在顶节连接钻杆上安装转换节段。

S3、连接转换仓接头：将注水管、注浆管分别与转换仓接头注水管连接嘴、注浆管连接嘴连接，形成压力通道，并将连接转换仓接头通过螺纹连接到转换节段顶部。

S4、预应力锚索安装：制作设计长度的预应力锚索，将预应力锚索穿过锚固板上锚索孔，并用固定螺母固定。

S5、注水辅助切割锚孔：S5.1、钻机循环钻进并同步通过注浆管注入高压水切割成孔；S5.2、连接钻杆全部钻进至锚孔时，反循环拆除转换节段，对注浆管与注水管进行接长处理，同时增加1~2节连接钻杆；S5.3、重新连接转换节段，并继续注水切割锚孔；S5.4、按照S5.1~S5.3顺序循环钻进施工，直至达到设计孔深。

S6、成孔检测与清洗：通过钻杆长度检测锚孔深度，并通过注浆管持续注入清水进行清孔。

S7、拔钻杆同步高压注浆、注水：S7.1、通过出渣口施加负压将吸渣孔浆塞抽离吸渣孔；S7.2、成孔完毕后，通过高压喷嘴在孔底进行高压旋喷注浆，从而形成扩大的高压注浆体；S7.3、注浆时，同步通过注水管进行注入清水，对吸渣孔上方预应力锚索及锚孔进行清洗；同步持续施工负压将孔底泥渣混合物吸出；S7.4、缓慢进行拔钻，同步高压注浆、注水和清渣，直至锚固段结束；S7.5、继续拔钻，同步注浆、注水和清渣，直至孔口，注浆采用常压注浆。

S8、锚索预应力张拉：在坡面上安装垫板和锚头，并进行分级张拉，张拉结束后，封闭锚头。

本发明涉及的技术方案，与传统技术相比的有益效果是：

1、在预应力锚索底部高压旋喷注浆形成的扩大型水泥浆改变了锚索受力状况、大大提高锚索锚固力，解决了浆液扩散渗透问题，施工适应性强，即使在软弱地层中锚固力仍可保证，同时提高了锚索技术的可靠性和安全性。

2、在易塌孔地层采用空心钻杆携带锚索进行注水切割钻进，钻杆及锚索可形成稳定护壁，减少塌孔、卡钻等事故，提高施工质量和效率。

3、空心钻杆内部空间作为吸渣通道，并设置注浆管和注水管，在拔钻注浆过程中通过负压对钻孔底部泥渣进行，解决了钻孔清孔不彻底问题。

4、钻杆拔除时，在钻孔底部同步进行注浆和洗孔作业，并随着钻杆拔除逐渐升高，将传统预应力锚索拔钻、下锚、洗孔、注浆等步骤同步成一个步骤，大大减少了施工周期。

5、空心钻杆底端部设置轴承，钻杆可相对四周锚索转动，锚索不会在钻杆钻进过程中发生缠绕、变形等问题，保证了锚索的安装质量；且钻杆可以在后续拆除并重复使用，降低了材料损耗和施工造价。

6、空心钻杆顶部设置转换仓接头，其上部固定接头注浆转换仓、注水转换仓、吸渣转换仓分别连接注浆管、注水管和负压吸渣管，其下部转动接头与空心钻杆连接并同步旋转，且分别将水泥浆、清水进行注入，便于在切割、注浆和清孔阶段提供压力，并解决管线在钻杆转动过程中产生的缠绕问题。

7、固定接头与转换接头仓壁分别设有光滑端部和U型环槽，并结合密封环，实现了固定接头与转换接头的密封效果；轴承及光滑端部实现了固定接头与转换接头的转动效果；在固定接头与转换接头相对转动的同时，保证注水、注浆、吸渣负压的不同压力传递。

附图说明

图1是易塌孔地层锚索成孔设备结构示意图；

图2是易塌孔地层锚索成孔同步洗孔注浆示意图；

图3是易塌孔地层锚索施工拔钻后结构示意图；

图4是转换仓接头结构示意图；

图5是转换仓接头剖面图（图4中A-A剖面）；；

图6是固定接头结构示意图；

图7是吸渣转换仓与封闭盖板连接示意图；

图8是注水转换仓与封闭盖板连接示意图；

图9是注浆转换仓与封闭盖板连接示意图；

图10是卡簧结构示意图；

图11是密封环结构示意图；

图12是转动接头结构示意图；

图13是底板结构示意图；

图14是吸渣转换仓与底板连接示意图；

图15是注水转换仓与底板连接示意图；

图16是注浆转换仓与底板连接示意图；

图17是转换节段结构示意图；

图18是转换节段剖面图（图17中B-B剖面）；

图19是吸渣钻杆结构示意图；

图20是连接钻杆结构示意图；

图21是浆塞结构示意图；

图22是合金钻头结构示意图；

图23是安装轴承合金钻头示意图；

图24是未安装轴承合金钻头示意图；

图25是锚固板结构示意图；

图26是锚固板剖面图（图25中C-C剖面）；

图27是对中支架结构示意图；

图28是易塌孔地层锚索成孔同步洗孔注浆施工方法施工流程图。

图中标注：1-合金钻头，101-注浆通道，102-轴承槽A，103-高压喷嘴，104-逆止阀，2-钻杆，201-吸渣钻杆，202-连接钻杆，203-吸渣孔，204-喷水嘴，3-转换节段，4-转换仓接头，401-固定接头，402-转动接头，403-封闭盖板，404-底板，4041-中心板，4042-外环板，4043-连接杆，405-轴承扩大仓，406-卡簧槽，407-注水口，408-注浆口，409-出渣口，4010-仓壁，4011-光滑端部，4012-U型环槽，4013-密封环槽，5-预应力锚索，6-轴承，601-轴承A，602-轴承B，7-锚固板，701-轴承槽B，702-钻杆孔，703-锚索孔，8-连接螺纹，801-内螺纹，802-外螺纹，9-锚孔，10-连接嘴，1001-注水管连接嘴，1002-注浆管连接嘴，11-卡簧，12-润滑油脂，13-固定螺母，14-钻杆拼接缝，15-注水管，16-注浆管，17-水泥浆，18-泥渣混合物，19-清水，20-水泥浆流动方向，21-高压水流动方向，22-排渣流动方向，23-密封环，24-对中支架，25-浆塞。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将参考图1至图28，对本发明的实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例中，合金钻头1直径10cm，吸渣钻杆201、连接钻杆202每节长度为1m，连接螺纹8长度为10cm，锚孔9直径为15cm，深度为20m，预应力锚索5采用1860级钢绞线，单根钢绞线的连接强度大于200kN，并沿轴线方向每2m设置一个对中支架24，注浆材料采用水灰比0.45~0.50的纯水泥浆17。转换仓接头4高度30cm，其中固定接头401高度16cm，转动接头402高度16cm，光滑端部4011与U型环槽4012重叠高度1cm，转换仓接头4直径为20cm，轴承扩大仓405直径为25cm，注浆转换仓直径为5cm，注水转换仓直径为10cm，吸渣转换仓直径为20cm。

结合附图1所示，易塌孔地层锚索成孔设备，由合金钻头1、钻杆2、转换节段3、转换仓接头4、预应力锚索5、锚固板7、对中支架24、注水管15、注浆管16组成；再结合附图22~附图24所示，合金钻头1顶部设有外螺纹802，内部设有注浆通道101，于注浆通道101顶部设有注浆管连接嘴1002，注浆通道101底端依次设有逆止阀104和高压喷嘴103，并于合金钻头1四周设有环向轴承槽A102，轴承槽A102内设有轴承A601；合金钻头1顶部依次接长钻杆2、转换节段3和转换仓接头4；预应力锚索5设于钻杆2四周，通过底部的锚固板7和固定螺母13固定于合金钻头1轴承A601上；注水管15和注浆管16设于钻杆2内部，注浆管16两端分别连接合金钻头1和转换仓接头4上的注浆管连接嘴1002，注水管15两端分别连接吸渣钻杆201喷水嘴204和转换仓接头4上的注水管连接嘴1001。合金钻头1、钻杆2、转换节段3与转换仓接头4涉及的内螺纹801和外螺纹802互相匹配，且进行上下连接成整体。

结合附图2所示，注浆口408在锚孔9钻进过程中注清水19切割，辅助成孔，在钻杆2拔除过程中注水泥浆17高压旋喷，形成注浆锚固段；注水口407在钻杆2拔除过程中注清水19清孔；出渣口409在钻杆2拔除过程中负压吸出孔中泥渣混合物18。注浆管16内水泥浆17从注浆口408注入到转换仓接头4，通过注浆管16运输并从合金钻头1高压喷嘴103高压喷出；所述的注水管15内清水19从注水口407注入到转换仓接头4，通过注水管15运输并从吸渣钻杆201喷水嘴204喷出；所述的锚孔9泥渣混合物18从吸渣钻杆201吸渣孔203流入，从钻杆2内部向转换仓接头4流动，并从出渣口409排出。

再结合附图19、附图20所示，钻杆2包括连接合金钻头1的吸渣钻杆201和上部依次螺纹接长的连接钻杆202，钻杆2底部设有连接用内螺纹801，顶部设有连接用外螺纹802，所述的吸渣钻杆201杆身上设有吸渣孔203，吸渣孔203内安装浆塞25，并于吸渣孔203上部20~50cm设有喷水嘴204。

结合附图17、附图18所示，所述的转换节段3设于连接钻杆202和转换仓接头4之间，上下端部均设有内螺纹801。

结合附图4、附图5、附图11所示，转换仓接头4由上部封闭盖板403、固定接头401、下部转动接头402和底板404组成，转换仓接头4内部由仓壁4010从内向外分隔成注浆转换仓、注水转换仓和吸渣转换仓；再结合附图6~附图9所示，封闭盖板403上设有注水口407、注浆口408和出渣口409；固定接头401底部设有大于固定接头401直径的轴承扩大仓405，轴承扩大仓405内部设有轴承B602和卡簧11，固定接头401内部三个仓壁4010底部均设有半圆形截面的光滑端部4011，光滑端部4011上设有1~3道密封环槽4013，并于密封环槽4013内设置密封环23。

结合附图12、附图14~附图16所示，转动接头4外仓壁4010设有外螺纹802，仓壁4010顶部设有与光滑端部4011匹配的U型环槽4012，密封环23、仓壁4010光滑端部4011与U型环槽4012形成的密封空间内填充润滑油脂12；封闭盖板401和底板404直径与转换仓接头4外径相同，且分别固定于固定接头401和转动接头402顶部和底部；底板404上中心板4041直径与注水转换仓直径相同，连接杆4043处于吸渣转换仓内部。

结合附图13所示，底板404上中心处设有中心板4041，外部设有外环板4042，且二者之间设有连接杆4043进行连接，中心板4041上设有注水管连接嘴1001和注浆管连接嘴1002。

结合附图25、附图26所示，锚固板7上设有钻杆孔702，且在钻杆孔702外侧均匀设置多个锚索孔703；锚固板7的钻杆孔702上部还设有和轴承6外径相同的轴承槽B701。

结合附图27所示，所述的对中支架24间隔设于预应力锚索5上，将多束钢绞线整合成一个整体。

结合附图22、附图25、附图26所示，轴承A601内径环安装于合金钻头1的轴承槽A102内部，外径环安装于锚固板7的轴承槽B701内部，轴承槽A102与轴承A601内径相同，轴承槽B701与轴承A601的外径相同。

结合附图21所示，浆塞25设有楔形安装口，设于吸渣孔203内部，吸渣前通过负压抽离吸渣孔203。

结合附图5、附图10所示，卡簧11设于轴承B602底部的轴承扩大仓405卡簧槽406内，将轴承B602限制于轴承扩大仓405内；再结合附图6、附图12所示，轴承B602外径与轴承扩大仓405内径相同，内径与转动接头402仓壁4010外径相同，从而使转动接头402相对于固定接头401转动。

结合附图附图3、28所示，易塌孔地层锚索成孔同步洗孔注浆施工方法，包括以下步骤。

S1、引孔：在坡面进行深度1.0m的引孔钻设。

S2、钻杆2安装：依次组装合金钻头1、吸渣钻杆201、连接钻杆202、转换节段3和转换仓接头4。

S2.1、在吸渣钻杆201吸渣孔203安装与吸渣孔203等截面的浆塞25。

S2.2、在合金钻头1轴承槽A102内安装轴承A601和锚固板7，顶部注浆管连接嘴1002上连接注浆管16，并在吸渣钻杆201喷水嘴204上连接注水管15。

S2.3、将吸渣钻杆201与合金钻头1通过连接螺纹8形成整体，并在吸渣钻杆201上安装1~2节连接钻杆202。

S2.4、在顶节连接钻杆202上安装转换节段3。

S3、连接转换仓接头4：将注水管15、注浆管16分别与转换仓接头4注水管连接嘴1001、注浆管连接嘴1002连接，形成压力通道，并将连接转换仓接头4通过螺纹连接到转换节段3顶部。

S4、预应力锚索5安装：制作设计长度的预应力锚索5，将预应力锚索5穿过锚固板7上锚索孔703，并用固定螺母13固定。

S5、注水辅助切割锚孔9。

S5.1、钻机循环钻进并同步通过注浆管16注入高压水切割成孔。

S5.2、连接钻杆202全部钻进至锚孔9时，反循环拆除转换节段3，对注浆管16与注水管15进行接长处理，同时增加1~2节连接钻杆202。

S5.3、重新连接转换节段3，并继续注水切割锚索孔703。

S5.4、按照S5.1~ S5.3顺序循环钻进施工，直至达到设计孔深。

S6、成孔检测与清洗：通过钻杆2长度检测锚孔9深度，并通过注浆管16持续注入清水19进行清孔。

S7、拔钻杆2同步高压注浆、注水。

S7.1、通过出渣口409施加负压将吸渣孔203浆塞25抽离吸渣孔203。

S7.2、成孔完毕后，通过高压喷嘴103在孔底进行高压旋喷注浆，从而形成扩大的高压注浆体。

S7.3、注浆时，同步通过注水管15进行注入清水19，对吸渣孔203上方预应力锚索5及锚索9进行清洗；同步持续施工负压将孔底泥渣混合物18吸出。

S7.4、缓慢进行拔钻，同步高压注浆、注水和清渣，直至锚固段结束。

S7.5、继续拔钻，同步注浆、注水和清渣，直至孔口，注浆采用常压注浆。

S8、锚索预应力张拉：在坡面上安装垫板和锚头，并进行分级张拉，张拉结束后，封闭锚头。

上述实施例仅用于解释说明本发明的技术构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。