一种自钻式抗浮锚杆装置及施工方法

本发明涉及一种自钻式抗浮锚杆装置及施工方法。

背景技术：

随着我国城市建设的发展，充分开发与利用地下空间已成为了必然也是必须的趋势，而基础抗浮是这些建筑物设计施工过程中的难题之一。抗浮锚杆是目前较为常用的抗浮措施，具有良好的地层适应性，布置灵活，易于施工，抗浮力及预应力易于控制，减少结构造价等优点，相比其他的抗浮方法更经济实用。当前，世界各国对锚杆技术的发展要求越来越高，抗浮锚杆的应用在基坑支护和工程抗浮工程中已成为一种必然趋势，发挥着重要作用。

抗浮锚杆是利用锚杆周围岩土体与锚杆间的侧摩阻力及自重以抵抗上浮力，从而保持上部结构物的稳定性，它的技术难点在于以下几点：一是锚杆长度设计过长，摩阻力不足，且锚杆达到一定长度后将无法增加抗浮力的问题；二是锚杆在钻进和清孔过程中对土体的扰动；三在松散破碎的岩土体、砂卵石层中锚杆钻孔引起孔径缩小、塌孔、难于成孔的问题；四是在锚杆支护施工中，扩体锚杆钻进后因坚硬岩体导致扩体部分无法开张的问题；五是如何对锚杆的轴力进行监测与检测，确保锚杆不超过其极限承载力的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自钻式抗浮锚杆及施工方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自钻式抗浮锚杆装置，包括：

锚杆，其具有中空内腔；

心轴，同轴设置在所述锚杆的中空内腔中，心轴内设有第一高压水通道、第二高压水通道以及注浆通道；

自钻高压水盘，同轴连接在所述心轴的端部，且外伸出所述锚杆，可绕所述锚杆的轴线方向旋转，自钻高压水盘上设有连接所述第一高压水通道的第一高压水射流切割孔、以及连接所述注浆通道的注浆孔；所述第一高压水射流孔用于对岩土进行切削钻进；

所述锚杆的杆侧壁上、以及所述心轴的轴侧壁上设有相互连通的第二高压水射流孔，所述第二高压水射流孔与所述第二高压水通道连接，所述第二高压水射流孔用于对锚杆两侧的岩土进行切割以在锚杆两侧的岩土中形成承载槽；

自撑式止挡部，设置在所述锚杆的杆外壁上，所述自撑式止挡部设置于邻近所述第二高压水射流孔位置，并且所述自撑式止挡部在钻孔期间不起作用而在所述锚杆装置的锚定期间能够部分伸入所述承载槽内，从而提高止挡部本体的抗浮力。

所述第二高压水射流孔包括多个，多个高压水射流孔切割形成多个承载槽，多个所述承载槽在所述锚杆的周围呈仿生树根状分布；

所述锚杆的杆壁上对应每个所述承载槽设有一个所述自撑式止挡部。

所述锚杆的杆壁上设有连接所述自撑式止挡部的凹槽，所述自撑式止挡部包括：

止挡部本体，其一端与所述凹槽的一端转动连接，止挡部本体的另一端为悬伸端；

弹性预压单元，设置在所述止挡部本体的悬伸端与凹槽的槽壁之间；

电磁吸块，固定在所述凹槽的槽内壁上，用于克服所述弹性预压单元的弹力以将止挡部本体吸附在所述凹槽中。

还包括：

压力传感器，设置在所述自钻高压水盘上，用于检测自钻高压水盘与岩土体之间的接触应力；

第一管道阀门，设置在所述第一高压水通道中；

第二管道阀门，设置在所述第二高压水通道中。

所述心轴包括心轴本体和设置在心轴本体外部的壳体，心轴本体的一端连接自钻高压水盘，心轴本体的一侧且位于壳体的内部设有驱动装置和齿轮减速制动装置，驱动装置通过齿轮减速制动装置带动自钻高压水盘进行往复旋转。

所述壳体外壁和锚杆内壁的一个设置有限位凸起，而另一个设置有限位凹槽，所述凸起与所述凹槽相配合；

磁力表座，设置在锚杆内腔顶部，用于将所述心轴与锚杆之间相对固定。

所述壳体和锚杆之间螺纹连接。

所述注浆设备包括智能注浆泵，智能注浆泵根据压力传感器反馈不同信号选择不同注浆材料，注浆材料为矿用无机加固双组分速凝材料或超细水泥浆。

一种基于所述自钻式抗浮锚杆装置的施工方法，包括如下步骤：

1）锚孔定位，安装钻机，根据坡面孔位调整钻机位置及下倾角度；

2）锚杆钻进，先开启第一高压水通道中的第一管道阀门，自钻高压水盘旋转并通过第一高压水射流切割孔的高压水射流对岩土体进行切削钻进，根据压力传感器反馈信号，蓄水池内水泵对高压水射流切割孔的水压进行调节；

3）侧向开承载槽，钻进到设计深度后，关闭第一高压水通道中的第一管道阀门，开启第二高压水通道中的第二管道阀门，第二高压水射流孔对锚杆两侧的岩土进行切割以在锚杆两侧的岩土中形成承载槽；

4）自撑式止挡部撑开，侧向切割完成后，关闭高压水通道中的第二管道阀门，关闭电磁吸块，弹性预压单元将止挡部本体的悬伸端弹出，小幅度向外抽提锚杆，使止挡部本体完全撑开并嵌入步骤3）切割好的承载槽中；

5）注浆，缓慢将心轴从锚杆的中空内腔中向上抽拔，同时开启注浆设备，注浆材料通过心轴内的注浆通道输送至锚杆的中空内腔、以及各个承载槽中；

6）安装传感器，心轴回收完成的同时，锚杆的注浆也同步完成，安装止浆塞和碟形直边托盘，拧紧锚杆紧固螺母，安装压磁式锚杆轴力传感器；所述压磁式锚杆轴力传感器通过锚杆紧固螺母表面的应力状态实现对锚杆轴力大小的实时检测。

本发明的技术效果和优点：

第一．本发明自钻式抗浮锚杆装置，将高压水射流挖掘设备与中空带孔锚杆结合，一次钻进，将钻孔、清孔、安装锚杆、注浆、锚固等工序在一个施工过程中完成,具有工艺简单、施工效率高、经济效益良好等优点，克服了在松散破碎的岩土体、砂卵石层中锚杆钻孔引起孔径缩小、塌孔、难于成孔的问题，起到了良好的锚固效果，并有效的减弱对周围土体的扰动，从而减少了由于周边土体内应力状态和土体性质发生改变造成地面的下沉或隆起甚至岩爆等状况。

第二．本发明锚杆的杆侧壁上、以及所述心轴的轴侧壁上设有相互连通的第二高压水射流孔，所述第二高压水射流孔与所述第二高压水通道连接，所述第二高压水射流孔用于对锚杆两侧的岩土进行切割以在锚杆两侧的岩土中形成承载槽；锚杆的杆壁上设有自撑式止挡部，自撑式止挡部的开张，扩大了锚杆的端部以增加受力面积，通过自撑式止挡部兜住的土体重量以及锚杆和注浆体的侧摩擦力提供抗浮力，解决了锚杆长度设计过长且锚杆达到一定长度后将无法增加抗浮力的问题。

第三．通过压磁式锚杆轴力传感器通过锚杆紧固螺母表面的应力状态，实现对锚杆轴力大小的实时检测，可在锚杆施工结束后对锚杆的轴力进行监测与检测，确保锚杆不超过其极限承载力。

第四．根据压力传感器反馈数据，判断前方岩土体压力并通过高压水管对前部自钻高压水盘的水压进行调节，使高压水射流的切土效率保持在峰值，能有效节省能源和时间，避免因岩土体坚硬程度不同带来的不必要损失。

第五．智能注浆泵根据压力传感器反馈数据，选择不同的注浆材料进行注浆，提高了锚杆的可靠性和注浆材料的利用率。

附图说明

图1是本发明自钻式抗浮锚杆装置组合结构示意简图；

图2是本发明锚杆和心轴同轴套接时的结构示意简图；

图3是本发明锚杆结构示意简图；

图4是本发明自钻高压水盘a-a剖面示意图；

图5是本发明自钻高压水盘b-b剖面示意图；

图6是本发明锚杆打入岩土体后施工完成示意图；

图7是本发明锚杆上凹面结构示意图；

图8是本发明涉及的一种实施例提供的锚杆自撑式止挡部的一种开张方式示意图；

图9是本发明涉及的一种实施例提供的锚杆施工示意图；

图10是本发明涉及的一种实施例提供的自钻式抗浮锚杆装置施工流程示意图。

图中：1、自钻高压水盘；2、第二高压水射流孔；3、自撑式止挡部；4、锚杆；5、高压水射流挖掘设备；6、磁力表座；7、心轴本体；8、壳体；9、第一高压水射流切割孔；10、弹性预压单元；11、压力传感器；12、第一高压水射流切割孔固定板；13、压磁式锚杆轴力传感器；14、锚杆紧固螺母；15、碟形直边托盘；16、止浆塞；17、转轴；18、导磁凹槽；19、电磁吸块；20、注浆通道；21、高压水管；22、注浆孔；23、智能水泵；24、注浆池；25、蓄水池；26、智能注浆泵；27、孔位；28、钻机；29、齿轮减速制动装置；30、传动装置；31、限位滑槽；32、限位凸起。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了如图1-10所示的一种自钻式抗浮锚杆，包括心轴和锚杆4，心轴和锚杆4可通过螺纹或/和滑动组合结构连接；

所述心轴一端连接自钻高压水盘1，心轴内部设置第一高压水通道、第二高压水通道和注浆通道20；

注浆池24的注浆口与智能注浆泵26连接，智能注浆泵6与注浆通道21连接；

蓄水池25注水口与智能水泵23连接，智能水泵23通过高压水管21分别与第一高压水通道和第二高压水通道连接；第一高压水通道中设有第一管道阀门；第二高压水通道中设有第二管道阀门。

压力传感器，用于检测第一高压水通道内的水压；

所述锚杆4具有：

中空内腔，提供所述心轴连接通道和锚杆固定后的注浆通道，内置螺纹为与心轴7的连接提供一种方式；

所述锚杆的杆侧壁上、以及所述心轴的轴侧壁上设有相互连通的第二高压水射流孔，所述第二高压水射流孔与所述第二高压水通道连接，所述第二高压水射流孔用于对锚杆两侧的岩土进行切割以在锚杆两侧的岩土中形成承载槽；

自撑式止挡部，设置在所述锚杆的杆外壁上，所述自撑式止挡部设置于邻近所述第二高压水射流孔位置，并且所述自撑式止挡部在钻孔期间不起作用而在所述锚杆装置的锚定期间能够部分伸入所述承载槽内用，从而提高止挡部本体的抗浮力。

压力传感器11电性连接智能水泵23和智能注浆泵26，智能水泵23和智能注浆泵26通过接收压力传感器11的反馈信号调节水压和注浆材料，压力传感器11可采用谐振式压力传感器。

注浆池24内的注浆材料有矿用无机加固双组分速凝材料和超细水泥浆，压力传感器11反馈信号中，岩土体压力较大时注浆材料选用矿用无机加固双组分速凝材料，岩土体压力较小时注浆材料选用超细水泥浆。

所述锚杆的杆壁上设有连接所述自撑式止挡部的凹槽，所述自撑式止挡部包括：

止挡部本体，其一端与所述凹槽的一端转动连接，止挡部本体的另一端为悬伸端；

弹性预压单元，设置在所述止挡部本体的悬伸端与凹槽的槽壁之间；

电磁吸块19，固定在所述凹槽的槽内壁上，用于克服所述弹性预压单元的弹力以将止挡部本体吸附在所述凹槽中。

锚杆4的自撑式止挡部3内置弹性预压单元10，可控制止挡部本体的开张，及提高止挡部本体的抗浮力。

壳体8的中间设有心轴本体7，心轴本体7的一端连接自钻高压水盘1，心轴本体7的一侧且位于壳体8的内部设有驱动装置和齿轮减速制动装置，驱动装置为液压驱动马达，齿轮减速制动装置为行星齿轮减速机，具有制动功能，驱动装置通过齿轮减速制动装置自钻高压水盘1进行往复旋转。

本发明还提供了一种自钻式抗浮锚杆的施工方法，包括如下步骤：

1）锚孔定位，安装钻机，根据坡面孔位调整钻机位置及下倾角度；

2）锚杆钻进，先开启第一高压水通道中的第一管道阀门，自钻高压水盘旋转并通过第一高压水射流切割孔的高压水射流对岩土体进行切削钻进，根据压力传感器反馈信号，蓄水池内水泵对高压水射流切割孔的水压进行调节；

3）侧向开承载槽，钻进到设计深度后，关闭第一高压水通道中的第一管道阀门，开启第二高压水通道中的第二管道阀门，第二高压水射流孔对锚杆两侧的岩土进行切割以在锚杆两侧的岩土中形成承载槽；

4）自撑式止挡部撑开，侧向切割完成后，关闭高压水通道中的第二管道阀门，关闭电磁吸块，弹性预压单元将止挡部本体的悬伸端弹出，小幅度向外抽提锚杆，使止挡部本体完全撑开并嵌入步骤切割好的承载槽中；

5）注浆，缓慢将心轴从锚杆的中空内腔中向上抽拔，同时开启注浆设备，注浆材料通过心轴内的注浆通道输送至锚杆的中空内腔、以及各个承载槽中；

6）安装传感器，心轴回收完成的同时，锚杆的注浆也同步完成，安装止浆塞和碟形直边托盘，拧紧锚杆紧固螺母，安装压磁式锚杆轴力传感器；所述压磁式锚杆轴力传感器通过锚杆紧固螺母表面的应力状态实现对锚杆轴力大小的实时检测。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。