多层嵌套、同轴分序组装式锚索结构及安装方法与流程

本发明涉及水利水电、道路、桥梁、岩土工程加固处理领域，主要适用于建筑物基础、边坡及其他岩土支护加固工程，具体地指一种多层嵌套、同轴分序组装式锚索结构及安装方法。

背景技术：

自从20世纪60年代锚索技术引入我国以来，该技术在诸多工程领域得到广泛的应用，尤其在水利水电方面取得的成绩更为显著。目前，锚索已成为水利水电工程坝基、边坡、地下洞室支护加固的重要技术。

岩土加固锚索施工一般按以下施工程序进行：测量定位→造孔→锚索制作→锚索安装→锚索灌浆→锚索分级张拉→锚墩混凝土浇筑。其中，传统锚索制作和安装的过程是将包括钢绞线，灌浆管、内隔离支架、波纹管、前端导向帽、外对中支架等基本锚索构件进行组合并形成统一整体，随后通过人工将制作完成的锚索整体推送至钻孔内。由于岩土加固锚索工程多在髙陡边坡、狭窄洞室等复杂条件下进行，采用传统结构制作锚索对后期安装施工有诸多不利影响，其结构特征及引发问题具体归纳为如下几个方面：

1.锚索结构具有“长”、“杂”、“重”、“柔”的特征

为确保锚索的锚固段置于稳定坚固的深层岩体中，常规锚索长度一般在30m～50m之间，长度达60m以上锚索在一些工程中也多有采用。

传统锚索采用一次性整体组装的制作工艺，使其包含的各式构件众多(包括钢绞线，灌浆管、内隔离支架、波纹管、前端导向帽、外对中支架等)，同时也使其总重显著增加。以2000kN级锚索为例，采用14根的1×7标准型钢绞线(公称直径15.2mm，公称面积139mm²，理论重量1.101Kg/m)，按照40m的总长度估算，纯钢绞线部分的理论重量达0.62t，加入其他构件后的实际总重或攀升至0.8t左右。

尽管锚索主要构件的力学强度较高，但由于在三维空间中其长度与截面高度的巨大悬殊(按照40m的总长度估算为40m：0.15m)。在其自重和搬运等外力作用下，锚索结构会发生显著的挠曲变形，具有线状柔性的特征。

2.锚索运送不便，人力耗用量大

由于锚索尺寸长和重量大，40m左右的锚索一般需要20人甚至更多人员方能完成搬运。特别对于有竖直向转运要求的锚索(例如高边坡上层排架处)，其搬运难度将更大。

3.锚索送入钻孔困难、卡索情况频发、调整难度高

由于锚索易发生挠曲变形，同时形成的钻孔通道亦存在整体弧度和局部的粗糙起伏(深孔钻进时，随着潜孔钻连接钻杆根数的增加，钻头在重力作用下逐渐发生下垂，形成的钻孔通道难以维持直线，故一般存在下弯弧度甚至不规则状)，随着锚索体进入钻孔内长度的增加，局部将承受来自粗糙岩壁的摩擦阻力，继续推进的难度不断提升。特别的，当锚索最外层构件——对中支架凸起端和孔壁凸起点发生锁固后，将造成卡索现象。

当锚索施工过程发生推送困难、卡索问题后，则需要众多搬运工人协调操作，经过反复送入/抽回尝试方能继续推进。考虑到锚索重量大，上述协调过程难度较大。

4.锚索构件易损伤，影响其基本功能和耐久性

当锚索送入钻孔后，特别是推进困难或卡索时，其波纹管、钢绞线等构件和钻孔壁会发生互相挤压和摩擦运动，可能导致的损伤包括：波纹管破裂，外锚固段钢绞线受损，内锚固段钢绞线HDPE护套破裂以及油脂外漏等。

上述构件破坏不仅导致锚索的基本抗拉功能受到影响，同时由于多层防护屏障的损坏，使得锚索易发生腐蚀，耐久性较差。

5.锚索体易扭转，预应力损失严重

由于锚索体的线状柔性特征，在搬运及推送过程中，锚索体易沿轴向发生绕曲、旋转而呈现出似“麻花状”扭曲状态，导致后期锚索绞线在张拉过程中所受摩擦力增加，锚固力发生沿程损失，造成锚索预应力损失，最终影响到锚索的锚固效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，针对传统锚索结构“尺寸长”、“构件繁杂”、“笨重”、“线状柔性”的特性所导致施工过程中存在的锚索运送不便、推送或调整困难、卡索情况频发、锚索构件受损、形态扭曲致预应力损失严重等一系列相关问题，研发出一种简单实用、安全可靠、经济高效的多层嵌套、同轴分序组装式锚索结构及安装方法，满足锚索工程施工及功能所需。

本发明所设计的多层嵌套、同轴分序组装式锚索结构，其特殊之处在于，所述锚索结构由内向外包括轴心层、中架层和外包层；所述轴心层包括位于中心的灌浆管和环绕灌浆管设置的内圈锚索束，所述内圈锚索束通过沿轴向设置的内隔离支架固定；所述中架层包括环绕轴心层设置的外圈锚索束，所述外圈锚索束通过沿轴向设置的外隔离支架固定；所述外包层包括环绕中架层的波纹管，所述波纹管的外围沿轴向设置有外对中支架，所述外对中支架与钻孔孔壁卡合。

进一步地，所述内隔离支架为齿轮状环形结构，所述内隔离支架的内壁与灌浆管的外壁滑动配合，所述内隔离支架的外围设置有供内圈锚索束嵌入的内圈齿槽，所述内圈齿槽之间形成内圈齿顶，所述内圈齿顶沿齿宽方向两侧设置有倒角。内隔离支架的倒角确保在与中架层的外隔离支架相互接触时可沿倒角面发生相对滑动而不会发生卡固。

更进一步地，所述外隔离支架为齿轮状环形结构，所述外隔离支架的内壁与轴心层的外壁滑动配合，所述外隔离支架的外围设置有供外圈锚索束嵌入的外圈齿槽，所述外圈齿槽之间形成外圈齿顶，所述外圈齿顶沿齿宽方向两侧设置有倒角。外隔离支架的倒角确保外隔离支架在与外包层的波纹管和轴心层的内隔离支架在相互接触时可沿倒角面发生相对滑动而不会发生卡固。

更进一步地，所述外对中支架为齿轮状环形结构，所述外对中支架的内壁与中架层的外壁滑动配合，所述外对中支架的外围设置有与钻孔孔壁卡合的外对中齿顶，所述外对中齿顶沿齿宽方向两侧设置有倒角。

更进一步地，所述内圈齿顶中心沿内隔离支架环向设置有供无锌铅丝嵌入的槽道；所述外圈齿顶中心沿外隔离支架环向设置有供无锌铅丝嵌入的槽道。内圈钢绞线嵌入内隔离支架后，通过无锌铅丝缠绕、捆缚；外圈钢绞线嵌入外隔离支架后，通过无锌铅丝缠绕、捆缚。

更进一步地，所述外包层的顶端设置有导向帽，呈尖状的导向帽使外包层推送更顺畅。

一种根据上述多层嵌套、同轴分序组装式锚索结构的安装方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

1)组装所述外包层；

2)推送所述外包层至钻孔中；

3)组装所述中架层；

4)推送所述中架层至钻孔中；

5)组装所述轴心层；

6)推送所述轴心层至钻孔中；

7)锚索钻孔内全孔段灌浆及锚墩浇筑；

8)锚索逐级张拉锁固。

优选地，所述步骤1)中同时将若干个外对中支架沿环向卡扣在波纹管的外壁上。

优选地，所述步骤3)中将外圈锚索束嵌入外隔离支架固定，所述外隔离支架沿外圈锚索束分布间距为1m～1.5m，将无锌铅丝对外圈锚索束进行缠绕、捆绑，确保外隔离支架不产生滑动。

优选地，所述步骤5)中将内圈锚索束嵌入内隔离支架固定，所述内隔离支架沿内圈锚索束分布间距为1m～1.5m，将无锌铅丝对内圈锚索束进行缠绕、捆绑，确保内隔离支架不产生滑动，再将灌浆管穿入内隔离支架的内孔中。

本发明打破常规的“锚索整体组装成型、一次性推索入孔”的固有思路，对锚索体进行“化整为零”的拆解，分为外包层、中架层及轴心层共三层，并由外至内先后进行分序组装，以降低各序施工时锚索构件的数量和重量。外包层、中架层及轴心层中涉及隔离和对中功能的重要构件的全新设计，使得上述三层可以按照同轴标准进行嵌套组装，确保锚索分序组装时各层均能顺利完成推送过程。

本发明一种多层嵌套、同轴分序组装式锚索结构及安装方法对传统锚索及施工工艺进行了重大改进，较好地解决了在边坡、洞室等锚固工程中，由于常规锚索结构“尺寸长”、“构件繁杂”、“笨重”、“线状柔性”的特性所导致施工过程中存在的锚索运送不便、推送或调整困难、卡索情况频发、锚索构件受损、形态扭曲致预应力损失严重等一系列相关问题。与传统锚索及施工工艺相比，本发明具有以下突出优点：

(1)降低锚索搬运、安装所耗用的人力

通过将锚索体进行“化整为零”的拆解，分为“外包层”、“中架层”以及“轴心层”共三层，并采用同轴、分序嵌套方式组装，使得各序施工时锚索的重量仅约为原锚索总重的1/2甚至更低，有效减少单项锚固工程所需劳工数量。

(2)保证锚索顺利推送，避免卡索现象发生，提高锚索结构可靠度

锚索和钻孔孔壁的摩擦、咬合作用是阻碍锚索成功安装、导致锚索构件损伤的最主要的因素。利用“外包层”轻质、可挠曲形变、自适应调节能力强的特点，可顺利完成该层构件从转运到钻孔内推送的安装过程，大幅度降低波纹管受挤压导致破损的几率。在此基础上，利用“外包层”作为保护屏障，继续安装“中架层”将避免其与钻孔孔壁直接接触，保护钢绞线、钢绞线HDPE护套的完整性。

利用本发明中研发的内隔离支架和外隔离支架，可方便地对“中架层”和“轴心层”所需包含的钢绞线进行紧束处理，使得二者以更小的整体直径进行推送；此外，内隔离支架倒角面可有效避免安装时，锚索各层结构因相对运动发生卡固的可能。

以上嵌套组装过程还确保了锚索体总体呈平顺状态，并对锚索的承载构件和防护构件均不产生明显磨损。既有效降低了锚索预应力的沿程损失、保证了锚索的加固效果，还提高了锚索体在腐蚀环境中工作的耐久性。

(3)安装功效高，便于快速施工

通过分序嵌套安装方式，从结构上降低了锚索的安装难度，减少了因卡索情况发生而对锚索进行反复送入/抽回调整或对锚索各构件摩擦损坏情况进行检查所耗用的时间，提高了锚索一次安装成功率及施工功效，对于边坡加固抢险工程更是意义重大。

附图说明

图1为本发明多层嵌套、同轴分序组装式锚索结构的结构示意图。

图2为本发明多层嵌套、同轴分序组装式锚索结构的装配分解视图。

图3为图1的剖面图。

图4为图1中外包层的剖面图。

图5为图1中中架层的剖面图。

图6为图1中轴心层的剖面图。

图7为图1中外隔离支架的正视图。

图8为图1中外隔离支架的侧视图。

图9为图1中外隔离支架的轴侧视图。

图10为图1中内隔离支架的正视图。

图11为图1中内隔离支架的侧视图。

图12为图1中内隔离支架的轴侧视图。

图中：轴心层1，中架层2，外包层3，灌浆管4，钻孔孔壁5，内圈锚索束6，内隔离支架7，外圈锚索束8，外隔离支架9，波纹管10，外对中支架11，内圈齿槽12，内圈齿顶13，外圈齿槽14，外圈齿顶15，槽道16，外对中齿顶17。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

参照图1～图12，本发明多层嵌套、同轴分序组装式锚索结构由内向外包括轴心层1、中架层2和外包层3。

轴心层1位于锚索总体结构的核心部位，包括位于中心的灌浆管4和环绕灌浆管4设置的6根内圈锚索束6，内圈锚索束6通过沿轴向设置的内隔离支架7固定。内隔离支架7选用材质为硬质塑料，形状类似于一个齿轮的环形结构，为便于叙述，以下借用齿轮术语进行描述：齿轮外径为70mm，齿轮内径为27mm，齿宽40mm。内隔离支架7的内壁与灌浆管4的外壁滑动配合。齿轮外围设置有6个内圈齿槽12，内圈齿槽12的齿高21mm，齿槽宽22mm，用于独立放置单根内圈锚索束6。内圈齿槽12之间形成内圈齿顶13，内圈齿顶13中心沿内隔离支架7环向设置有供无锌铅丝嵌入的槽道16，槽道16宽度×深度为3mm×2mm。对内圈齿顶13的齿顶圆处沿齿宽方向两侧进行倒角处理，倒角水平向夹角为30°，倒角深度沿齿轮径向为6mm。以上倒角处理用于确保内隔离支架7在与中架层2的外隔离支架9相互接触时可沿倒角面发生相对滑动而不会发生卡固。

中架层2位于轴心层1和外包层3之间，包括环绕轴心层1设置的8根外圈锚索束8，外圈锚索束8通过沿轴向设置的外隔离支架9固定。外隔离支架9选用材质为硬质塑料，与内隔离支架7相似为齿轮状环形结构，以下借用齿轮属于进行描述：齿轮外径为120mm，齿轮内径为72mm，齿宽60mm。外隔离支架9的内壁与内隔离支架7的外壁滑动配合。外隔离支架9的外围设置有8个外圈齿槽14，外圈齿槽14的齿高21mm、齿槽宽22mm，用于独立放置外圈锚索束8。外圈齿槽14之间形成外圈齿顶15，外圈齿顶15中心沿外隔离支架9环向设置有供无锌铅丝嵌入的槽道16，槽道16的宽度×深度为3mm×2mm。对各外圈齿顶15在齿顶圆处沿齿宽方向两侧设置有倒角，倒角水平向夹角为30°，倒角深度沿齿轮径向为10mm。对内径圆面沿齿宽方向两侧进行倒角处理，倒角(水平向夹角)为30°，倒角深度(沿齿轮径向)为10mm。以上倒角处理用于确保外隔离支架9在与外包层3的波纹管10和轴心层1的内隔离支架7相互接触时可沿倒角面发生相对滑动而不会发生卡固。

外包层3位于锚索总体结构最外围，包括环绕中架层2的波纹管10和设置于波纹管10端头的导向帽以及在波纹管10外围沿其轴向设置的外对中支架11。外对中支架11为齿轮状环形结构，外对中支架11的内壁与外隔离支架9的外壁滑动配合。外对中支架11的外围设置有与钻孔孔壁5卡合的外对中齿顶17，外对中齿顶17沿齿宽方向两侧设置有倒角。

以上列出的装置大小尺寸为标准值，实际使用尺寸可根据具体工程要求做调整。

参照图1～图12，一种基于上述多层嵌套、同轴分序组装式锚索结构的安装方法，包括如下步骤：

1、锚索钻孔

锚索施工前，依据施工图纸要求确认锚索钻孔的位置、方向、孔径和孔深。当钻孔结束后，将水管伸入孔底，通过大流量水流对钻孔进行冲洗。当边坡禁止用水时，用高压风清孔。

2、根据设计图纸要求批量生产内隔离支架7和外隔离支架9

1)内隔离支架7的基本尺寸参数——内圈齿顶13齿顶圆直径为70mm，齿轮内径为27mm，齿宽40mm，共包含6个齿高21mm、齿槽宽22mm的弧形内圈齿槽12。内圈齿顶13齿顶圆面沿中心开凿一条宽度×深度为3mm×2mm的槽道16。各齿在内圈齿顶13圆处沿齿宽方向两侧进行倒角处理，倒角(水平向夹角)为30°，倒角深度(沿齿轮径向)为6mm。

2)外隔离支架9的基本尺寸参数——齿顶圆直径为120mm，齿轮内径为72mm，齿宽60mm，共包含8个齿高21mm、齿槽宽22mm的弧形外圈齿槽14。外圈齿顶15齿顶圆面沿中心开凿一条宽度×深度为3mm×2mm的槽道16。各齿在外圈齿顶15圆处沿齿宽方向两侧进行倒角处理，倒角(水平向夹角)为30°，倒角深度(沿齿轮径向)为10mm；对内径圆面沿齿宽方向两侧进行倒角处理，倒角(水平向夹角)为30°，倒角深度(沿齿轮径向)为10mm。

3、完成锚索结构中外包层3、中架层2和轴心层1的单体组装，并按照同轴嵌套、分序送入原则将上述各分层结构逐一置于钻孔中，最终完成锚索主体布设，具体包括：

1)外包层3组装——将导向帽固定在波纹管10的端部，同时将多个外对中支架11沿环向卡扣在波纹管10外壁上，外对中支架11沿波纹管10轴向的分布间距为1m～1.5m；采用无锌铅丝对导向帽和外对中支架11进行固定，确保导向帽不脱落，外对中支架11不产生滑动。

2)外包层3推送——整体直接送入钻孔中，依靠外对中支架11定位安装；当面临推送受阻等情况时，可利用外包层3总体轻质、柔性、易于挠曲的特点进行转向或调整。

3)中架层2组装——将8根钢绞线组成的外圈锚索束8对应嵌入前序加工成型的外隔离支架9的8个外圈齿槽14中，外隔离支架9的沿外圈锚索束8轴向的分布间距为1m～1.5m；将无锌铅丝埋入齿顶圆面的槽道16中，利用其对外圈锚索束8进行缠绕、捆缚，确保外隔离支架9不产生滑动。

4)中架层2推送——将中架层2沿波纹管10内壁送入钻孔中，利用外隔离支架9进行居中定位，将中架层2直接推送入已在钻孔中就位的外包层3内，完成同轴嵌套安装。推送过程中，由于已经完成外包层3的布置，经过紧束后的中架层2只需在内壁规则且半径更大的波纹管10中移动，所受摩擦阻力的摩擦面积及量级均非常低；同时由于中架层2钢绞线数量占比不到传统锚索结构全部钢绞线的六成，故搬运所需人力也相对较少，推送、调整难度也明显降低。

5)轴心层1组装——将6根钢绞线组成的内圈锚索束6对应嵌入前序加工成型的内隔离支架7的6个内圈齿槽12中，内隔离支架7的沿内圈锚索束6轴向的分布间距为1m～1.5m(安装时外包层3、中架层2及轴心层1的隔离支架间距应匹配相同)；将无锌铅丝埋入齿顶圆面的槽道16中，利用其对钢绞线进行缠绕、捆缚，确保内隔离支架7不产生滑动；将灌浆管4穿入隔离支架7的内孔中随即完成定位。

6)轴心层1推送——将轴心层1沿外隔离支架9的内壁送入中架层2中，利用内隔离支架7进行居中定位，完成同轴嵌套安装。推送过程中，由于轴心层1钢绞线数量占比不到传统锚索结构全部钢绞线的四成，故搬运所需人力也更少，推送、调整难度更低。

4、锚索全孔段灌浆及锚墩浇筑

通过注浆管的一端对钻孔孔底进行低压注浆(0.1MPa～0.2MPa)，采用强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥灌注；对锚索外墩头的钢垫板、钢套管、锚板、二次灌浆进浆管套管等金属构件进行车间加工，完成各金属构件和模板架立后，采用一级配、标号为C35(7d)的混凝土进行浇筑。

5、锚索逐级张拉与锁固

对处于顺直状态的2000KN级预应力锚索进行逐级张拉，依次为：张拉预紧→1000kN→1500kN→2000kN→2200kN(超张拉荷载锁定)。

通过上述步骤，完成本发明多层嵌套、同轴分序组装式锚索结构的全套安装。

其它未详细说明的部分均为现有技术。