预应力涨壳锚杆及其施工方法与流程

本发明涉及岩土工程锚固支护技术领域，尤其涉及一种预应力涨壳锚杆及其施工方法。

背景技术：

在地下工程、矿上巷道、铁路隧道、边坡防护和军工工程的施工过程中，为了防止地层变形、坍塌、失稳，需要对地层进行加固，所采用的主要措施是在地层中埋设砂浆锚杆或含涨壳头的锚杆，利用锚杆的拉力以及与锚杆一体化的混泥土注浆体而使地层形成整体性加固结构，达到控制变形的目的。

与普通砂浆锚杆相比，预应力锚杆体现出了如下优势：1、通过对在内外锚头之间的岩体施加预应力，将形成岩石压缩区；2)在岩体中连续安装预应力锚杆，相互重叠交叉的压缩区，将形成具有一定厚度的压缩承载层；3)特别在隧道工程中，预应力锚杆形成的压缩区能形成岩体的承载拱，在拱效应作用下，不但充分调动围岩的自承能力，且对拱外侧围岩的抗力得到极大提升。预应力锚杆包括快速药卷、涨壳锚杆等种类。其中，涨壳锚杆通常由涨壳、杆体、垫板、螺母等基本构件组成，必要时增加球垫、注浆管、排气管、止浆塞、居中装置等其它部件，属于一种可预应力的机械式锚固锚杆。

与快速药卷等锚杆相比，在钻孔深度、杆体长度相当的情况下，涨壳锚杆形成的岩石压缩区范围更大，能提供更好的锚固效果。同时，因为无需等待锚固体固结，涨壳锚杆提供预应力的即时性也更具优势。如申请号cn201510711711.4的发明专利公开了一种注浆锚杆，包括同轴设置的锚杆本体、楔体和钻头，楔体的一端插入所述锚杆本体，另一端连接钻头；锚杆本体、楔体和钻头上贯通有注浆通道；锚杆本体向钻头切削的同方向旋转时，锚杆本体与楔体和钻头的相对位置固定，锚杆本体带动楔体和钻头同步转动，同时也公开了该注浆锚杆的使用方法，包括钻孔、锚固、预紧、封孔和注浆五个步骤。该专利功能全面，能够在一次施工中连续完成钻进、锚固并注浆，但仍存在的问题有：结构复杂，生产成本高，锚杆本体与杆尾螺母为贯穿设置，依赖于人工操作，不易实现机械化作业，施工后锚杆本体等构件暴露在岩体外，因工艺要求、安全性等因素需进行切割，从而增加施工成本，降低施工效率。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生产成本低、锚固性能好且便于实现机械化、自动化操作的预应力涨壳锚杆，以及介绍该预应力涨壳锚杆的施工方法。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种预应力涨壳锚杆，包括涨壳和设置在涨壳两端的涨壳内楔、锚杆，所述涨壳包括涨壳连接部和涨壳片，涨壳片周向设置在涨壳连接部上；所述涨壳内楔与涨壳顶部为滑动式接触；所述锚杆包括锚杆体，锚杆体一端通过连接套固定安装有螺杆，螺杆与涨壳内楔通过螺纹传动连接，连接套顶部与涨壳底部呈挤压式接触；转动锚杆驱动涨壳内楔逐渐向涨壳内运动推动涨壳片向外变形直至涨壳连接部断裂，使得涨壳片扩胀至孔壁对岩体施加预应力。

进一步地，所述涨壳连接部和涨壳片一体成型，涨壳片内侧上下设置有内锥面、内环面，所述涨壳连接部的底端内侧设置有与连接套顶部适配的挤压面，相邻涨壳片之间设置有缺口；优选的，挤压面为环状斜面。

进一步地，所述涨壳连接部和涨壳片为分体结构，涨壳片内侧上下设置有内锥面、内环面，涨壳片的底端内侧设置有与连接套顶部适配的挤压面，所述涨壳连接部上设置有缺口；优选的，挤压面为环状斜面。

进一步地，所述涨壳片外侧具有连续设置的锯齿。

进一步地，所述锚杆体端部配置垫板和驱动螺母，所述锚杆体两端分别与驱动螺母和连接套固定安装，旋转驱动螺母使得锚杆体转动并通过连接套挤压涨壳连接部；优选的，所述驱动螺母设置为盲头螺母。

进一步地，所述连接套顶部设置有独立的挤压头。

进一步地，所述锚杆体设置为中空锚杆，并在连接套上设置出浆孔。

进一步地，在驱动螺母和垫板之间设置抗震盒，在锚杆体端部设置让压组件。

本发明还提供了基于该预应力涨壳锚杆的施工方法，包括如下步骤：

s1钻孔：通过钻头在岩体上打出锚孔；

s2组件安装：向锚孔内插入预先组装好的涨壳锚杆组件，使垫板紧贴锚孔口岩壁；

s3锚固：旋转驱动螺母，锚杆体转动带动连接套及螺杆转动，使得涨壳内楔向锚孔外侧运动并推动涨壳实现在锚孔上的固定及预应力施加。

所述步骤s3，包括如下子步骤：

s31初始阶段：转动锚杆，开始时由于连接套始终挤压在涨壳底面，涨壳内楔向涨壳内滑动时将推动涨壳片向外变形紧贴孔壁，完成涨壳固定；

s32中间阶段：继续转动锚杆，当扭矩超过一定值时，连接套的挤压力超出涨壳连接部的强度极限时，涨壳连接部断裂，让出内部空间；

s33结束阶段：继续转动锚杆，螺杆将通过连接套带动锚杆体上端向上移动，使锚杆弹性伸长，对涨壳内楔和涨壳施加轴向预紧力，此时，轴向预紧力通过锚杆体、驱动螺母和垫板传递给锚孔口岩壁，完成涨壳锚杆预应力的施加动作。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明采用独特的设置涨壳连接部的涨壳结构，与普通涨壳相比，该涨壳结构部件更少，能降低生产成本。

2、本发明的涨壳连接部具有连接涨壳片的第一状态，以及断裂后使涨壳片扩胀至对孔壁岩体施加预应力的第二状态，在涨壳片外侧设置锯齿结构，在涨壳打开后有效地提高了涨壳与围岩孔壁的接触面积，同时通过涨壳、涨壳内楔和螺杆构成对锚孔的稳固支撑结构，从而大大提高了涨壳锚固力。

3、较普通涨壳锚杆，本发明不但因涨壳部分的结构简单而提高组装效率，且无需对锚杆体外露部分进行切割，减少施工步骤，特别是驱动螺母采用盲孔螺母结构，易于实现连续、机械化自动作业，能显著提升工作效率。

附图说明

图1为本发明预应力涨壳锚杆的一种涨壳的立体图；

图2为本发明预应力涨壳锚杆的锚固部分剖视图；

图3为本发明预应力涨壳锚杆设置挤压头时的锚固部分剖视图；

图4为本发明预应力涨壳锚杆的整体结构图；

图5为本发明预应力涨壳锚杆设置为中空锚杆体的结构图；

图6为本发明预应力涨壳锚杆设置抗震盒的结构图；

图7为本发明预应力涨壳锚杆设置让压组件的结构图；

图8为本发明预应力涨壳锚杆杆设置抗震盒及让压组件的结构图；

图9为本发明预应力涨壳让压锚杆的施工状态图；

图10为本发明预应力涨壳让压抗震锚杆的施作流程图；

图11为本发明预应力涨壳锚杆的另一种涨壳的立体图；

图12为本发明预应力涨壳锚杆的另一种涨壳的涨壳片立体图；

图13为本发明预应力涨壳锚杆的另一种涨壳的立体爆炸图；

图中标记及对应件为：1-涨壳片，10-涨壳连接部，11-环状体，12-锯齿，13-挤压面，14-内环面，15-内锥面，2-涨壳连接件，21-缺口，3-涨壳内楔，30-锥体，31-外锥面，4-锚杆，40-出浆孔，41-连接套，42-螺杆，5-挤压头，6-锚杆体，7-垫板，8-驱动螺母，80-抗震盒，81-让压组件，9-锚孔。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明进行更为详细的描述，需要说明的是，下参照附图对本发明进行的描述仅是示意性的，而非限制性的。各个不同实施例之间可以进行相互组合，以构成未在以下描述中示出的其他实施例。

本发明提供的一种预应力涨壳锚杆，在结构简单、降低成本的同时，还能达到良好的锚固效果，以及通过机械化操作实现更高的工作效率，从而使得性价比得到明显提升。

该涨壳锚杆具有如图1所示的一种涨壳，该涨壳包括一体成型的涨壳连接部10和涨壳片1，涨壳片1在涨壳连接部10上呈环形设置，涨壳片1数量为两个以上，各个涨壳片1形状相同且均匀设置，相邻涨壳片1之间形成有缺口，涨壳连接部10会在外力超出其强度极限下自缺口处断裂，使得涨壳片1能向外扩张；在本实施例中，涨壳片1数量为四片，以有效提高与围岩孔壁的接触面积，提高涨壳锚固力；

如图2所示，该涨壳锚杆包括涨壳和设置在涨壳两端的涨壳内楔3、锚杆4，各个部件采用合金钢、铸铁等材料，涨壳内楔3活动嵌入至涨壳顶部，锚杆4包括锚杆体6，锚杆体6一端通过连接套41紧固安装有螺杆42，螺杆42与涨壳内楔3通过螺纹传动连接，连接套41顶部与涨壳底部呈挤压式接触；

涨壳内楔3为锥形螺母结构，其包括锥体30，锥体30内设置有带内螺纹的通孔，锥体30的外锥面31与涨壳的内锥面15为滑动式接触，涨壳片1内侧上下设置有内锥面15、内环面14，涨壳连接部10的底端内侧设置有与连接套41顶部适配的挤压面13，挤压面13为环状斜面，以增强挤压效果，涨壳片1外侧具有连续设置的锯齿12，能有效增加与孔壁之间的摩擦力；

相对于现有涨壳锚杆，本发明所提供的预应力涨壳锚杆的涨壳结构部件少，设计更简单，易于实现标准化生产，成本低，组装方便，涨壳连接部10具有连接涨壳片1的第一状态，以及断裂后使涨壳片1扩胀至对孔壁岩体施加预应力的第二状态，涨壳外部的锯齿12结构与孔壁附着力好，同时通过涨壳、涨壳内楔和螺杆构成对锚孔的稳固支撑结构，不但运行稳定、可靠性好，还大大提升了涨壳的锚固效果。

如图3和图4所示，连接套41顶部可不带挤压面13，而设置为独立的挤压头5，该挤压头5顶部与涨壳底部的挤压面13实现活动接触且具有构造简单、制作成本低的优点，锚杆体6另一端配置垫板7和驱动螺母8构成一套固定在锚孔9中的可预应力涨壳锚杆；

通过旋转驱动螺母8，锚杆体6转动带动连接套41及螺杆42转动，连接套41顶部或挤压头5压紧涨壳连接部10的底部，螺杆42则带动涨壳内楔3向涨壳片1内侧运动及施加压紧力给涨壳片1，涨壳在上下两端的力作用下发生形变，继续旋转将使得涨壳连接部10因超过强度极限而断裂从而使得涨壳更紧密的贴紧孔壁，实现对锚孔9的预应力施加动作及岩层压缩效果；

在本实施例中，将驱动螺母8设置为盲头螺母，在锚杆体6上设置外螺纹，在连接套41上设置内螺纹，锚杆体6与驱动螺母8和连接套41均为紧固安装而构成一体结构，在盲头螺母驱动下，涨壳内楔3与锚杆体6为相向运动，即：旋转驱动螺母8，涨壳内楔3沿螺杆42向涨壳内(锚孔9外)运动，锚杆体6向锚孔9内运动，确保锚杆体6不外露；

进一步地，如图5所示，锚杆体6可设置为中空锚杆4，并在连接套41上设置出浆孔40，方便锚杆4注浆，从而增强锚固性能。

进一步地，如图6所示，在驱动螺母8和垫板7之间设置抗震盒80，成为可预应力抗震锚杆，适合在有抗震需求的工程中使用，如地震地区、军工工程等；

进一步地，如图7所示，在锚杆体6端部设置让压组件81，成为可预应力让压锚杆；

进一步地，如图8所示，在让压锚杆的驱动螺母8和垫板7间设置抗震盒80，成为可预应力抗震让压锚杆，适用范围进一步扩大。

如图11和图13所示，本发明提供的预应力涨壳锚杆的涨壳，另一种形式为采用分体式结构(采用独立的涨壳连接件2)，即：涨壳包括涨壳连接件2和呈环状嵌入在涨壳连接件2内的涨壳片1，涨壳片1数量为两个以上，各个涨壳片1形状相同且均匀设置，涨壳连接件2呈环形且上部设置有若干个用于断裂的缺口21；

优选的，缺口21数量为两个以上，各个缺口21形状相同且呈对称设置，缺口21的形状为u形、v形等结构。

如图12所示，涨壳片1内侧具有上下设置的内锥面15、内环面14及挤压面13，其中挤压面13为环状斜面且设置在涨壳片1的底端内侧，挤压面13与连接套41顶部或挤压头5相适配，涨壳片1外侧具有拥有增加摩擦力、呈连续设置的锯齿12，涨壳片1底部为具有外环面的环状体11。

如图9所示，本发明的施工过程分为如下步骤：1)钻孔：通过钻头在岩体上打出锚孔9；2)组件安装：向锚孔9内插入预先组装好的涨壳锚杆组件，使垫板7紧贴锚孔9口岩壁；3)锚固：旋转驱动螺母8，锚杆体6转动带动连接套41及螺杆42转动，使得涨壳内楔3向锚孔9外侧运动并推动涨壳实现在锚孔9上的固定及预应力施加；

如图10所示，锚固步骤可具体分为如下子步骤：

a)初始阶段：由于连接套41始终挤压在涨壳底面，涨壳内楔3向涨壳内滑动时将推动涨壳片1向外变形紧贴孔壁，完成涨壳固定；

b)中间阶段：继续转动锚杆4，当扭矩超过一定值时，连接套41的挤压力超出涨壳连接部10的强度极限时，涨壳连接部10断裂，让出内部空间；

c)结束阶段：继续转动锚杆4，螺杆42将通过连接套41带动锚杆体6上端向上移动，使锚杆4弹性伸长，对涨壳内楔3和涨壳施加轴向预紧力，此时，轴向预紧力通过锚杆体6、驱动螺母8和垫板7传递给锚孔9口岩壁，完成锚杆4预应力的施加动作；

现有涨壳锚杆的施工方法，如申请号cn201510711711.4、申请号cn201910265475.6的专利，其施作过程中锚杆体需向锚孔外运动，导致作业完成后锚杆体外端向锚孔外侧的岩体上伸出。基于安全性和工艺要求等因素，需要将外露端的多余锚杆体切割掉，目前这一切割步骤依赖于人工操作，不但增加作业步骤，降低施工效率，而且造成工程成本增加、材质浪费等问题。

以本发明所提供的预应力涨壳锚杆的施工方法，通过驱动涨壳内楔3沿锚杆体6的螺杆移动使得涨壳扩胀至岩壁，其施作流程中锚杆体6始终停留在锚孔9内，因此其施工方法无需切割步骤，施工步骤简单，便于实现机械自动化作业，大幅提高工作效率。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。