一种适用于大变形隧道的多级增阻可延伸式长锚杆结构的制作方法

本实用新型属于隧道施工技术领域，具体涉及一种适用于大变形隧道的多级增阻可延伸式长锚杆结构。

背景技术：

锚杆作为隧道初期支护结构的一部分可提供一定的支护抗力，是软岩隧道中常用的支护形式。锚杆按照其力学特性可以分为刚性锚杆和让压锚杆。刚性锚杆适合在围岩变形量不大或地应力不高的情况下使用。如果采用刚性锚杆作为高地应力软岩隧道的初期支护，在高地应力作用下，作用在锚杆上的荷载不能得到有效释放，锚杆通常会因为轴力太大而出现被拉断的现象。

采用让压锚杆可以允许围岩产生适度的大变形。目前已有的让压锚杆按照让压原理大致可分为恒阻让压锚杆和增阻让压锚杆。恒阻让压锚杆的让压方式包括通过易压缩塑性体的压缩提供持续不变的阻力，或通过恒阻摩擦或液压调控提供持续不变的阻力。而增阻让压锚杆多数利用类似弹簧构件的拉伸或压缩提供阻力，弹簧的伸长量（或压缩量）越大，其阻力越大。但是，在高地应力软岩大变形隧道中，尤其是在流变型围岩中，单次让压可能无法达到预期的应力释放效果，围岩压力会随时间延长而增大，因此需要进行多次让压实现应力释放。

综上所述，目前针对流变型软岩隧道的一些锚杆支护方式对于特定地质条件下的大变形软岩隧道可能不适用，不能有效控制隧道的大变形。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种适用于大变形隧道的多级增阻可延伸式长锚杆结构，有效控制围岩及支护结构变形，调节围岩压力和支护抗力，保证施工与运营期间结构安全。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种适用于大变形隧道的多级增阻可延伸式长锚杆结构，其特征在于：

所述锚杆结构包括多节可延伸式构件；

每节可延伸式构件包括两节螺纹钢筋，两节螺纹钢筋对接后通过端头的增阻钢套筒接头实现连接；

各节可延伸式构件对接后通过螺纹钢筋端头的锚杆连接套筒实现连接；

锚杆结构头部的螺纹钢筋端部为锚头，锚杆结构尾部的螺纹钢筋安装有可压缩钢管。

可压缩钢管为圆钢管，钢管的一端纵向锯开成多瓣，用箍扎进行环向约束，钢管的另一端保持为封闭状态。

可压缩钢管内侧的螺纹钢筋外环套有止浆塞。

可延伸式构件中，螺纹钢筋由增阻钢套筒接头连接的部位设置有扩大端形成喇叭形端头，喇叭形端头外设置有外螺纹，增阻钢套筒接头设置有内螺纹，螺纹钢筋喇叭形端头嵌入增阻钢套筒接头实现伸缩式连接。

增阻钢套筒接头两端设置有防止螺纹钢筋受拉时脱离的内置楔形体。

喇叭形端头外设置的外螺纹为粗螺纹，增阻钢套筒接头设置的内螺纹为细螺纹。

增阻钢套筒接头由两块中空半圆柱体结构拼接而成，其与螺纹钢筋安装完成后采用焊接的方式将其焊接成完整的圆形套筒。

各节可延伸式构件对接后通过螺纹钢筋端头的锚杆连接套筒连接，螺纹钢筋端头设置外螺纹，锚杆连接套筒设置内螺纹，螺纹钢筋端头旋入锚杆连接套筒实现连接。

锚头由两片钢片组成，钢片上设有螺栓槽；

两片钢片一端通过螺栓连接，另一端均通过螺栓固定到螺纹钢筋上，螺栓沿螺栓槽滑动时，钢片逐渐张开，形成一个伞状的扩大式端部。

可压缩钢管的封闭端焊接有钢垫板，可压缩钢管外套到尾端螺纹钢筋后，外部通过高强螺母固定。

本实用新型具有以下优点：

① 通过预设的可延伸式构件，可根据锚杆的轴力大小主动调节围岩变形，从而降低作用在支护结构上的围岩压力；

② 本实用新型中杆体结构由三节可延伸式构件串联而成，通过设置可延伸式构件的不同的让压启动阈值实现分级让压。在具体使用时，可以根据工程设计需要的让压量适当增加或减少可延伸式构件的数量。让压完成后，锚杆由一让压支护结构转变为一刚性支护结构。这种锚杆既有一定的刚度，同时也允许有一定的变形量，使围岩可释放更多的能量。

③ 施工期间锚杆尾部的可压缩钢管首先发生屈服被压扁，完成第一次让压；随着锚杆轴力的增加，杆体上的三处可延伸式构件分别依次发挥作用，实现第二、三、四次分级让压。由于四次分级让压过程所对应的让压启动阈值是逐渐提高的，因此本实用新型公布的锚杆可以实现“分级增阻让压”。

④ 本实用新型中长锚杆的锚头锚固在塑性区以外，且锚头设计成端部扩大式，锚头由两片钢片组成，钢片上设有螺栓槽，当螺栓沿着螺栓槽滑动时，钢片逐渐张开，形成一个伞状的扩大式端部，可以提高锚杆的锚固能力，增加其整体锚固效果。

附图说明

图1是多级增阻可延伸式长锚杆结构示意图。

图2是长锚杆锚固位置示意图。

图3是钢筋杆体特制端部与钢套筒之间的连接部位的纵剖面图。

图4是钢筋杆体特制端部与钢套筒之间的连接部位的横截面图。

图5是可压缩钢管大样图。

图6是局部扩大型锚头大样图（锚头张开前）。

图7是局部扩大型锚头大样图（锚头张开后）。

图中：1-一号螺纹钢筋；2-高强螺母；3-钢垫板；4-可压缩钢管；5-增阻钢套筒接头；6-二号螺纹钢筋；7-锚杆连接套筒；8-三号螺纹钢筋；9-四号螺纹钢筋；10-五号螺纹钢筋；11-六号螺纹钢筋；12-锚头；13-止浆塞；14-箍扎；15-焊缝。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型进行详细的说明。

本实用新型涉及一种适用于大变形隧道的多级增阻可延伸式长锚杆结构，所述锚杆结构包括多节可延伸式构件，每节可延伸式构件包括两节螺纹钢筋，两节螺纹钢筋对接后通过端头的增阻钢套筒接头5实现连接，各节可延伸式构件对接后通过螺纹钢筋端头的锚杆连接套筒7实现连接，锚杆结构头部的螺纹钢筋端部为锚头12，锚杆结构尾部的螺纹钢筋安装有可压缩钢管4。

如图1所示，锚杆结构从头到尾包括三节可延伸式构件，与可压缩钢管4结合，形成四级让压结构，第一级让压结构设计为在锚杆尾部安装一可压缩钢管4，杆体上的三处可延伸式构件分别为第二、三、四级增阻让压结构。在具体使用时，可以根据工程设计需要的让压量适当增加或减少可延伸式构件的数量。这种锚杆既有一定的刚度，同时也允许有一定的延伸量，使围岩可释放更多的能量。

可压缩钢管4为长约20cm的圆钢管，钢管的一端纵向锯开成4-6瓣，用3-4圈箍扎14进行环向约束，钢管的另一端保持为封闭状态，利用施工期间钢管的压缩释放一部分围岩压力，实现第一次让压。可压缩钢管4内侧的螺纹钢筋外环套有止浆塞13。可压缩钢管4的封闭焊接有钢垫板3，可压缩钢管4外套到尾端螺纹钢筋后，外部通过高强螺母2固定。施工期间当可压缩钢管4所受环向应力增加，使其发生环向挤出变形，箍扎14因此被逐步拉断，可压缩钢管4被压扁。箍扎14的作用是：一方面给可压缩钢管4提供一定的环向约束，防止可压缩钢管4变形过快，降低锚杆受力效果；另一方面箍扎14的强度较低，当可压缩钢管4发生膨胀变形时多圈箍扎14逐步被拉断，随后可压缩钢管4被压扁。通过可压缩钢管4的压缩使围岩变形增加，释放一部分围岩压力，在施工初期实现第一次让压。

可延伸式构件中，螺纹钢筋由增阻钢套筒接头5连接的部位设置有扩大端形成喇叭形端头，喇叭形端头外设置有外螺纹，增阻钢套筒接头5设置有内螺纹，螺纹钢筋喇叭形端头旋入增阻钢套筒接头5实现伸缩式连接。增阻钢套筒接头5的内螺纹与螺纹钢筋端部外螺纹组成了一个粗糙的接触面，可在杆体受拉时提供相应的阻力。增阻钢套筒接头5两端设置有防止螺纹钢筋受拉时脱离的内置楔形体。

为了防止螺纹钢筋与增阻钢套筒接头5之间咬合太紧而无法发生相对位移，螺纹钢筋端部的外螺纹与增阻钢套筒接头5的内螺纹并非完全匹配。喇叭形端头外设置的外螺纹为粗螺纹，增阻钢套筒接头5设置的内螺纹为细螺纹。不同规格的可延伸式构件，其钢筋端部特制的外螺纹深浅各不相同，螺纹深度越大，其接触面越粗糙，钢筋与钢套筒之间的摩擦力就越大，通过设置钢筋端部与钢套筒之间的不同粗糙程度调节让压过程的启动阈值，依次实现第二、三、四级让压。

增阻钢套筒接头5由两块中空半圆柱体结构拼接而成，长约40cm，其与螺纹钢筋安装完成后采用焊接的方式将其焊接成完整的圆形套筒。

各节可延伸式构件对接后通过螺纹钢筋端头的锚杆连接套筒7连接，螺纹钢筋端头设置外螺纹，锚杆连接套筒7设置内螺纹，螺纹钢筋端头旋入锚杆连接套筒7实现连接。内螺纹与外螺纹匹配，该接头为刚性接头，不具备让压特性。

为增加锚杆的整体锚固效果，设计时将锚头12锚固在塑性区以外，锚头12由两片钢片组成，钢片上设有螺栓槽；两片钢片一端通过螺栓连接，另一端均通过螺栓固定到螺纹钢筋上，螺栓沿螺栓槽滑动时，钢片逐渐张开，形成一个伞状的扩大式端部，以增加其锚固能力。

施工过程如下：

先在围岩中钻一深孔，孔深为整个锚杆长度，孔径比锚杆接头处增阻钢套筒接头5的直径稍大一些。如图2所示，为增加锚杆的锚固效果，需将长锚杆的锚头12锚固在塑性区以外。图1所示，长锚杆的杆体结构由三节可延伸式构件串联而成。可延伸式构件由螺纹钢筋和增阻钢套筒接头5组成。可延伸式构件是在工厂生产组装好，现场只需将这些构件通过锚杆连接套筒7串联起来即可。杆体部分安装完毕后塞上止浆塞13并开始在钻孔中注浆，为保证注浆质量，在止浆塞13上设计了一个排气孔，注浆完成后进行密封处理。然后，将图5所示的可压缩钢管4套在螺纹钢筋上，其中，可压缩钢管4锯开的一端紧贴洞壁，另一端焊接一钢垫板3，安装在洞壁与尾部高强螺母2之间。可压缩钢管4并采用3~4圈箍扎14进行环向约束。最后将高强度螺母2拧在螺纹钢筋尾部，形成一个完整的多级增阻让压锚杆。

如图6所示，锚杆的锚头设计成端部扩大式，锚头由两片钢片组成，钢片上设有螺栓槽，当螺栓沿着螺栓槽滑动时，钢片逐渐张开，形成一个伞状的扩大式端部，可以增加其锚固能力。锚杆的锚头锚固在围岩的弹性区范围内。

锚杆在受力初期，整个锚杆为线弹性体。当压力增加到一定值时，可压缩钢管4首先屈服并发生膨胀鼓出变形，箍扎14的强度较低，当可压缩钢管4发生膨胀变形时多圈箍扎14逐步被拉断，随后可压缩钢管4被压扁。箍扎14在一定程度上可以为可压缩钢管4提供一定的环向约束，防止可压缩钢管4变形过快，影响结构稳定性。通过锚杆尾部可压缩钢管4的压缩使围岩变形增加，可以释放一部分围岩压力，在施工初期实现第一次让压。

随着锚杆轴力的进一步增加，第一个可延伸式构件中一号螺纹钢筋1和二号螺纹钢筋6的端部与增阻钢套筒接头5之间发生滑移，锚杆持续变形，当钢筋的扩大端滑移到钢套筒两端时，增阻钢套筒接头5端部的内置楔形体结构与螺纹钢筋的扩大端嵌固在一起，阻止了杆体进一步变形，这个过程实现了第二次让压。

进一步地，随着锚杆轴力的继续增加，第二个可延伸式构件中三号螺纹钢筋8和四号螺纹钢筋9的端部与增阻钢套筒接头5之间发生滑移，锚杆持续变形，当螺纹钢筋的扩大端滑移到增阻钢套筒接头5两端时，增阻钢套筒接头5端部的内置楔形体结构与螺纹钢筋的扩大端嵌固在一起，阻止了杆体进一步变形，这个过程实现了第三次让压。

进一步地，随着锚杆轴力的继续增加，第三个可延伸式构件中第五螺纹钢筋10和第六螺纹钢筋11的端部与增阻钢套筒接头5之间发生滑移，锚杆持续变形，当螺纹钢筋的扩大端部移到增阻钢套筒接头5两端时，增阻钢套筒接头5端部的内置楔形体结构与螺纹钢筋的扩大端嵌固在一起，阻止了杆体进一步变形，这个过程实现了第四次让压。

四次让压过程所对应的让压启动阈值是逐渐提高的，即四次让压过程为“分级增阻让压”过程。四次让压完成后，锚杆由一让压支护结构转变为一刚性支护结构。整个过程的总让压量为四次让压量之和。需要说明的是，在具体使用时，可以根据工程设计需要的让压量适当增加或减少可延伸式构件的数量。

本实用新型采用可压缩钢管以及多节可延伸式构件，在施工期间使可压缩钢管通过压缩实现第一次让压，降低施工期间的围岩压力，同时又可以提供一定的支护抗力。在后期流变作用下，围岩压力会增大，当杆体轴力达到一定的阈值后，杆体内部的三节可延伸式构件依次分别实现三次分级让压，降低围岩压力。该锚杆结构适用于高地应力软岩尤其是流变型软岩大变形隧道，可有效控制围岩压力及支护结构变形，保证施工及运营安全。

本实用新型的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本实用新型说明书而对本实用新型技术方案采取的任何等效的变换，均为本实用新型的权利要求所涵盖。