一种快速提升涨壳锚头初始锚固力的装置及方法与流程

本发明涉及深埋水工隧洞岩体支护领域，特别涉及一种快速提升中空注浆锚杆涨壳锚头初始锚固力改进装置及方法。

背景技术：

在深埋水工隧洞使用TBM进行掘进施工时，为满足快速掘进的目的，隧洞掘进掌子面后方前50～100m不注浆，滞后注浆。在本段区间锚杆支护主要由涨壳锚头承载受力，并且这种受力主要由涨壳锚头与孔壁岩层机械摩擦咬合受力。岩体爆破施工(发生岩爆)时，对围岩产生冲击扰动，引起了锚杆的锚固头与围岩之间的摩擦受力效果减弱，从而导致了涨壳锚头受力失效，支护破坏。

滞后注浆支护的锚杆支护区域较少发生岩爆，主要是因为锚杆支护已经采用全长注浆粘结方式。柔性粘结支护效果要优于机械摩擦式支护，同时可以得出较好的支护状态，在受到岩爆冲击时，柔性粘结支护使得杆体与岩层之间的完整一体性更好，不容易发生失效，而仅仅依靠涨壳锚头承载提供机械摩擦式受力(初锚力最大值不超过150KN)，同时接触面积小，受到冲击振动时由于是刚性摩擦受力状态，容易导致摩擦受力效果减弱乃至失效。

随着我国经济的快速发展，一大批大埋深、高应力水工隧洞等地下工程相继上马，出现了大量的岩爆灾害亟待解决。中空注浆锚杆作为岩体支护材料，能够有效抵御抗隧洞围岩岩爆冲击能力。但是，部分岩体爆破施工(发生岩爆)时，对围岩产生冲击扰动，引起了锚杆的锚固头与围岩之间的摩擦受力效果减弱，从而导致了涨壳锚头受力失效，支护失败。柔性粘结支护效果要优于机械摩擦式支护，在受到岩爆冲击时，柔性粘结支护使得杆体与岩层之间的完整一体性更好，不容易发生失效。因此研发出一种能够改善现有涨壳锚头固定的锚固装置，对提高吸能锚杆的支护稳定性具有重要的意义。

技术实现要素：

为保证锚杆的涨壳锚头锚固端在整个锚杆支护过程中保持与岩壁相对稳定的作用，有效降低深埋水工隧洞采掘开挖受岩爆影响造成的危害，本发明提供了一种快速提升中空注浆锚杆涨壳锚头初始锚固力改进装置及方法。通过改进一种涨壳锚头锚固装置与方法，提高锚固端的初始锚固力及其稳定性，能有效保证发挥锚杆抵御岩爆的能力的同时，锚固段不失效。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术措施：

一种快速提升涨壳锚头初始锚固力的装置，包括涨壳锚头和装有粘结剂的封口袋；所述的涨壳锚头尾部连接有锚杆杆体；在工程支护中，封口袋设置于岩层钻孔底部，涨壳锚头伸入岩层钻孔中将封口袋顶破，涨壳锚头完全涨开嵌在岩层钻孔中；所述的粘结剂流出并填充在岩层钻孔与涨壳锚头之间的间隙内，岩层钻孔与涨壳锚头粘接一体形成柔性粘结锚固装置，提高涨壳锚头初锚力。

所述的涨壳锚头尾部还设置有浆液隔断塞。

所述的涨壳锚头与锚杆杆体通过连接套连接；浆液隔断塞设置在连接套与涨壳锚头连接的锚杆上，锚杆与涨壳锚头螺纹连接，连接套与锚杆杆体螺纹连接。

所述的锚杆杆体为中空注浆锚杆，所述的连接套的管壁上开有出浆孔。

所述的粘结剂为双组份高分子粘接剂。

一种快速提升涨壳锚头初始锚固力的装置的施工方法，包括以下步骤：

a、涨壳锚头连同放置粘结剂的封口袋一起放入岩层钻孔，

b、在涨壳锚头尾部套上浆液隔断塞并安装连接套；

c、连接套另一端与锚杆杆体连接，并加工有出浆孔，保证不影响后续的注浆工艺；

d、旋转涨壳锚头使其尖部将封口袋顶破，待涨壳锚头完全涨开嵌在岩层钻孔中，在粘结剂自动膨胀固化反应的作用下，粘结剂与锚杆杆体迅速粘接为一体形成柔性粘结锚固装置；起到提高涨壳锚头初锚力的作用。

所述的粘结剂为双组份高分子粘接剂。

所述的柔性粘结锚固装置的锚固力大于230KN。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明涨壳锚头锚固改进装置主要包括涨壳锚头及袋装粘结剂。在工程支护中，该装置安装在锚杆的顶端使用，通过使用袋装浆料与涨壳锚头的相互配合形成柔性粘结锚固装置，解决了因围岩受冲击扰动破坏而使锚固端失稳导致吸能锚杆抗岩爆冲击能力较差的问题，大大提高了抗震和抵御岩爆的能力。该装置通过高分子粘结剂化学反应后产生的粘聚力，能够将涨壳锚头和孔壁紧密的锚固在一起，提高锚杆的初锚力。具体优点为：

(1)本发明配合普通锚杆涨壳锚头使用，安装方便、实用性强。

(2)本发明改善了锚杆锚固端在围岩岩爆时保持有效锚固力的能力，解决了传统涨壳锚头单纯依靠摩擦进行锚固而导致锚固不稳定的问题，适用于深埋高应力水工隧洞工程的围岩支护和一般岩层不稳定的锚杆支护。

(3)当这种涨壳锚头锚固改进装置发挥作用时，具有良好的耐潮湿、耐久、耐腐蚀等优点，适用于水工隧洞等潮湿复杂的地质条件，满足水工隧洞支护等百年工程的高性能指标的严格要求。

进一步，锚头与锚杆杆体通过连接套连接，连接套中间套有浆液隔断塞，用于控制高分子粘结剂凝固前的粘结范围，涨壳锚头通过焊接在连接套上的一小段锚杆与之进行螺纹连接，连接套另一端与锚杆采用螺纹连接。所述涨壳锚头利用焊接在连接套上的一段锚杆与之采用螺纹连接，所述连接套与锚杆采用螺纹连接，连接套上开有出浆孔，便于注浆时使用。

进一步，所述高分子粘结剂采用袋装，由锚头挤破后粘结锚头与孔壁，所述锚头后方的浆液隔断塞能控制高分子材料的作用范围，提高高分子粘结剂的使用效率。高分子粘结剂固化后不但能粘结锚头和孔壁提供锚固力，还能够对涨开的锚头起到支撑作用，增强锚头的摩擦阻力，有效的增强锚头的初锚力。高分子粘结材料反应固化时间、粘结强度可以根据现场安装工艺时间等进行调整，达到满足现场使用条件的要求。

本发明的施工方法具体在工程支护中使用，通过使用研发出的袋装高分子材料与涨壳锚头的相互配合形成柔性粘结锚固装置，快速安装，较好的解决了因围岩受冲击扰动破坏而使锚固端失稳导致吸能锚杆抗岩爆冲击能力较差的问题，大大提高了抗震和抵御岩爆的能力。

附图说明

图1为涨壳锚头锚固改进装置示意图；

其中：1.涨壳锚头；2.浆液隔断塞；3.连接套；4.锚杆杆体；5.封口袋；

图2为涨壳锚头锚固改进装置使用状态示意图；

图3为改进型涨壳锚头力学拉伸试验示意图；

其中6.前拉伸横梁；7.Φ70无缝管工装；1.涨壳锚头；11.高分子材料；2.浆液隔断塞；3.连接套；4.锚杆杆体；8.后拉伸横梁；9.托盘10.螺母；

图4为改进型涨壳锚头力-位移曲线图；

图5为现有涨壳锚头力-位移曲线图。

具体实施方式

以下参照附图，给出本发明的具体实施方式，对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，涨壳锚头锚固改进装置包括连接套3、浆液隔断塞2、涨壳锚头1和高分子粘结剂11；双组份的高分子粘结剂采用封口袋5袋装；涨壳锚头1顶在袋装有双组份高分子粘结剂封口袋5后面；涨壳锚头1与锚杆4使用连接套3采用螺纹连接；连接套3在与涨壳锚头1之间安装浆液隔断塞2；连接套3与锚杆4采用螺纹连接，并且连接套3上管壁上开有出浆孔。本发明实施方法如下：

a、涨壳锚头1连同放置好的封口袋5一起放入钻孔底部；

b、在涨壳锚头1下方安装一连接套3，连接套3上方焊接有一小段锚杆体，与涨壳锚头1连接，并套上浆液隔断塞2；

c、所述连接套3下方与中空注浆锚杆杆体4连接，并加工有出浆孔，保证不影响后续的注浆工艺；

d、将封口袋5顶破，待涨壳锚头1完全涨开嵌在钻孔中，在高分子材料自动膨胀固化反应的作用下，与锚杆杆体迅速粘结为一体。

为了控制高分子粘结剂作用范围，在连接套3上方加上浆液隔断塞2；同时，将连接套3杆体一侧与涨壳锚头1连接，另一侧与锚杆杆体4连接，此时连接套3、浆液隔断塞2、涨壳锚头1和锚杆杆体4连接为一体，将装有高分子材料的封口袋5放置在涨壳锚头1端部，与连接体一同放入钻孔底部；利用风动扳手旋转锚杆杆体4，将封口袋顶破，待涨壳锚头1完全涨开嵌在钻孔中，在高分子材料自动膨胀固化反应的作用下，与杆体迅速粘结为一体，起到提高锚头初锚力的作用。

力学实验结果分析：

如图3所示，改进型涨壳锚头力学进行试验验证，实验步骤如下：

a.将Φ70x10x450mm45#无缝钢管7(模拟现场Φ51钻孔)固定在前拉伸横梁6上；

b.将装有高分子材料的封口袋5混合均匀放置在无缝管尾部；

c.将Φ28中空注浆锚杆4、涨壳锚头1和连接套3安装好，穿过后拉伸横梁8，将装有涨壳锚头一侧连同放置好的封口袋一起深入Φ51无缝管底部；

d.利用管钳旋转锚杆杆体，将封口袋顶破，待涨壳锚头完全涨开嵌在无缝管中，在后拉伸横梁8处安装托盘9，并用螺母10上紧，施加一定的预紧力。

e.开启试验机的加载程序，将试验力、位移、变形、时间全部清零，开始张拉，并观察力-位移变化情况。

实验结果对比分析：

实验分析：如图4所示，当拉力升至235KN时，涨壳锚固件在Φ51无缝管中脱落，实验结束，经多次试验得出改进型涨壳锚头锚固力为230KN左右；对现有涨壳锚头做类似拉伸试验，如图5所示，当拉力升至118KN时，涨壳锚固件在Φ51无缝管中脱落，实验结束，经多次试验得出现有涨壳锚头锚固力为120KN左右。综上所述，改进型涨壳锚头在现有锚固力基础上，再施加粘性锚固力，大大增强了锚固效果。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述适用范围，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。