一种主动膨胀式管缝锚杆及其制备和使用方法与流程

本发明涉及岩土工程支护领域，特别是一种主动膨胀式管缝锚杆及其制备和使用方法。

背景技术：

管缝锚杆属于摩擦式全长锚固型预应力锚杆，具有结构简单、安装方便、价格低廉、快速承载等优点。该锚杆自问世以来，就被广泛应用于地下工程支护领域，特别是软岩井巷的支护加固。常规的管缝锚杆是由沿全长纵向开有管缝的杆体和安装在杆体后端的承托组件(包括托盘和挡环)构成，杆体的外径比钻孔的孔径大2～3mm，且沿纵向逐渐缩小。其锚固原理是，通过外力将带有管缝的杆体径向压缩，使其前端的直径略小于钻孔的孔径，然后将其打入钻孔中，杆体在孔壁的约束下对围岩产生径向挤压力，与孔壁之间产生轴向摩擦力，在锚杆后端承托装置的支撑下，对围岩起到加固和稳定支撑作用。

目前常规使用的管缝锚杆，其材质和管径一经确定，其锚固力主要取决于锚杆管径和钻孔孔径的差值。差值越大，锚固力越大，但安装难度也越大，安装速度和效率越低；差值越小，锚固力越小，锚固效果越差，但安装越容易，安装速度和效率越高。因此，靠增加锚杆管径和钻孔孔径的差值来提高管缝锚杆的锚固力和降低管缝锚杆的安装难度、提高锚杆的安装速度和效率是一对矛盾。

为了解决这对矛盾，国内部分学者对现有常规管缝锚杆进行了不同形式的改进，例如：cn205445644u号专利文献披露了一种内穿超长套式管缝锚杆，该锚杆将传统的单层管缝改为双层管缝，在内部管缝锚杆的端部设置裂缝，在水泥药卷的作用下将内外锚杆固结在一起。其优点是可加强端头锚固，提升杆体强度；缺点是采用双层管缝结构，增大了制造成本,安装工序更加繁琐,而锚固力提高幅度并不大。

cn201420637464.9号专利文献披露了一种双管缝互相嵌套的管缝锚杆，该锚杆是将一个内径稍小的管缝锚杆套上托盘作为内部楔子内嵌入外围管缝锚杆中，其优点是可增强管缝锚杆的抗剪、抗拉强度，提高锚固效果；缺点是等于用两根锚杆来实现锚固，制造成本高，安装工序繁琐，对钻孔施工精度要求同样高，没有解决锚杆安装困难的问题。

cn2535561号专利文献披露了一种全长多点楔胀式管缝锚杆，该锚杆是将楔体通过机械手段安装于杆体内部多点，通过楔体挤压膨胀提高锚杆的锚固效果。其不足之处是，因管缝锚杆本身没有变化，不仅没有解决管缝锚杆安装困难的问题，而且因通过外部作用力将楔体顶入管缝内比较困难，进一步增加了施工的复杂程度，降低施工效率。

cn104846821a号专利文献披露了一种中空管缝式锚杆，该锚杆是在杆体的内部沿轴向均匀布置若干倒刺，倒刺由下端向上端逐渐向外张开。其优点是可增加管缝锚杆的摩擦力，提高锚固效果；缺点是在杆体表面增加倒刺加工工序繁琐；且其作用只是增大了杆体与岩壁间的摩擦系数，而孔壁与杆体间的压力并无变化，锚固效果提升有限。

cn202707097u号专利文献披露了一种管缝式变形锚杆，该锚杆是在杆体外表面加工波状纹，前端设置膨胀芯，后端设置螺母和垫板。其优点是可增强锚杆与围岩的摩擦力及端头的锚固力；缺点与cn104846821a号专利文献披露的管缝锚杆相同，加工工序繁琐；且只能增大杆体与岩壁间的摩擦系数，而孔壁与杆体间的压力并无变化，锚固效果提升有限。

技术实现要素：

针对上述管缝锚杆的缺点和不足，本发明的目的是提供一种可用直径与钻孔孔径差值较小的管缝锚杆实现较大锚固力的主动膨胀式管缝锚杆，使其既能保证锚固效果，又可降低管缝锚杆的安装难度，提高锚杆的安装速度和效率。

本发明还提供这种主动膨胀式管缝锚杆的制备和使用方法。

本发明所提供的主动膨胀式管缝锚杆，包括由纵向开有管缝的钢管构成的杆体和安装在杆体后端、由托盘和挡环组成的承托装置；其特点是，在所述杆体中有自膨胀装置；

所述自膨胀装置包括自膨胀体和轴向膨胀约束装置；

所述自膨胀体包括内装膨胀剂的药筒和套在药筒上的保护筒；

所述保护筒的外径比所述杆体的内径小1～2mm，保护筒的筒壁上有透水孔；

所述药筒的筒壁内层为海绵、外层为牛皮纸；

所述膨胀剂由cao、膨润土、高岭土、减水剂、硬化材料混合组成，各组分的质量配比为：cao80％，膨润土5％，高岭土2％，减水剂3％，硬化材料10％；

所述轴向膨胀约束装置包括沿所述自膨胀体中心轴线两端穿出自膨胀体的丝杆和通过旋拧丝杆两端的紧固螺母可将自膨胀体轴向夹紧的垫片。

为进一步提高锚杆前端的锚固力，可在所述杆体的前端开设有两条环向分别与所述管缝形成120°夹角、长度为杆体总长度1/10、宽度为8～12mm的纵向切缝，使杆体前端在膨胀剂膨胀时张开呈三瓣式结构。

上述主动膨胀式管缝锚杆的制备方法包括以下步骤：

步骤1、制作管缝锚杆

用壁厚为2～3mm的钢板按常规方法卷制成长度为1.8～3m、后端外径为30～45mm、前端外径较后端外径缩减3～5mm、管缝宽度为8～12mm的杆体；在距后端20～30mm处的杆体上加工出径向相互垂直的双螺栓孔；

用尺寸为150mm×150mm、厚度为15mm、带有中心孔的钢板做托盘，将其套在杆体的后端；在托盘和双螺栓孔之间、紧靠双螺栓孔处的杆体上焊接由外径为55m、厚度为5mm的钢环构成的挡环；在双螺栓孔中分别穿插双螺栓，并用与双螺栓匹配的螺母将双螺栓锁定，制成承托装置；

步骤2、制作自膨胀装置

1)采用浇筑、熔铸或3d打印等方式将工程塑料或者其他高分子材料制成长度为100～120mm、壁厚为0.5～1mm、外径与所述杆体前端内经相同的圆柱形保护筒和与之配套的筒盖，在保护筒的筒底和筒盖的中心处分别开设预留孔，在保护筒的筒壁上开设相互间隔、平面呈方形的透水孔。

2)制作药筒：用厚度为0.1～0.3mm的中密度海绵粘贴在厚度为0.15～0.2mm的牛皮纸内侧作为筒壁材料，制成外径与所述保护筒内经相同、长度与保护筒筒内长度相同的圆柱形药筒，药筒一端用透明胶带封闭；

3)将cao、膨润土、高岭土、减水剂、硬化材料按设计配比称取后混合搅拌均匀，制成膨胀剂；

4)将制成的膨胀剂通过机械或手工方式填充到药筒内，填充密度达到1.8～2.0g/cm³后，用透明胶带将药筒的开口端密封；

5)将4)填充膨胀剂的药筒放入1)制成的保护筒中，用密封胶或热熔胶将筒盖密封在保护筒的开口端，制成自膨胀体；

6)用长度大于自膨胀体2～5mm、直径与保护筒筒底和筒盖上的预留孔孔径相同的丝杆沿5)自膨胀体的中心轴线穿过保护筒筒底和筒盖上的预留孔；在丝杆伸出自膨胀体的两端套上垫片，旋拧紧固螺母，将自膨胀体的两端夹紧，制成自膨胀装置；

步骤3、组装主动膨胀式管缝锚杆

按管缝锚杆的长度或膨胀锚固点的设定位置取适当数量步骤2制成的自膨胀装置，以相互接续或间隔布置(间隔布置时需与锚固点位置对应)的方式插入步骤1制成的管缝锚杆的杆体中，制成主动膨胀式管缝锚杆。

如杆体前端采取有切缝的形式，则在步骤1制作管缝锚杆时，在杆体的前端加工出两条环向分别与管缝成120°夹角、长度为杆体总长的1/10、宽度为8～12mm的切缝；在步骤3组装主动膨胀式管缝锚杆时，将一个自膨胀装置置于杆体的前端，用于使杆体前端在膨胀剂膨胀时张开呈三瓣式结构。

上述主动膨胀式管缝锚杆的使用方法是：

将主动膨胀式管缝锚杆置于水中浸泡或通过淋水方式，使水沿管缝锚杆的管缝进入锚杆中，通过保护筒筒壁上的透水孔再透过由牛皮纸和海绵制成的药筒筒壁进入膨胀剂中，与膨胀剂进行水化反应；浸泡或淋水5～10min后通过外力将管缝锚杆插入孔径比管缝锚杆直径小0～2mm的围岩钻孔中，直至托盘与岩壁紧贴；待30～50min后膨胀剂发生水化反应体积膨胀，在轴向膨胀约束装置的约束下，径向产生足够的膨胀压，将药筒筒壁和保护筒筒壁挤破，使杆体和钻孔孔壁紧密耦合，对围岩形成稳定的锚固体系，起到锚固作用。

本发明的工作原理和有益效果：

1、本发明利用膨胀剂的主要成分为cao，cao遇水发生水化反应生成ca(oh)2结晶，伴随着水化反应地不断进行ca(oh)2结晶也在不断生长，固体体积不断增大，导致膨胀剂宏观表现为不断膨胀；在轴向膨胀约束装置约束下，径向产生强大的膨胀压，挤破药筒和保护筒，与杆体内壁紧密接触，挤压管缝锚杆的杆体，使杆体在自身对钻孔孔壁产生径向压力的基础上增加了自膨胀体产生的径向膨胀压力；两种压力的叠加使管缝锚杆的杆体对钻孔孔壁的径向挤压力和轴向摩擦力比单独使用不含自膨胀装置的常规管缝锚杆大幅度提高，即使选取直径与钻孔孔径差值不大于2mm的管缝锚杆也可实现较大的锚固力，从而达到既可保证锚固效果，又可通过缩小管缝锚杆直径与钻孔孔径的差值降低管缝锚杆安装难度、提高锚杆安装速度和效率的目的。解决了单靠增加锚杆管径和钻孔孔径差值提高锚固力和降低管缝锚杆安装难度、提高锚杆安装速度和效率的矛盾。

2、本发明在杆体前端增设纵向切缝，在膨胀剂膨胀压力作用下可张开呈三瓣式结构，使锚杆前端的锚固力提高，克服常规管缝锚杆前端因外径缩减造成的锚固力下降的缺陷，与锚杆后端的承托装置相配合，可延长锚杆的使用寿命。

3、本发明中安装在锚杆杆体中的自膨胀装置可根据围岩的节理裂隙发育情况灵活调整其数量和布置方式，从而实现多点锚固，形成作用范围更广、分布更均匀的锚固体系。

4、本发明中的保护筒可起到两个作用：①保护内装膨胀剂的药筒在运输、安装和浸泡过程中不易损坏；②通过在保护筒两端设置轴向膨胀约束装置对浸泡后的膨胀剂起到纵向膨胀约束作用，使其只能径向膨胀，产生强大的径向膨胀压力，提高锚杆的锚固力。

5、本发明主动膨胀式管缝锚杆可工厂化生产和组装，运至现场使用，方便施工和提高施工效率。

附图说明

图1为本发明主动膨胀式管缝锚杆实施例的局部剖视图；

图2为图1中杆体的纵向剖视图；

图3为图2中a—a剖视图；

图4为图2中b—b剖视图；

图5为图1中承托装置与杆体的装配示意图；

图6为图5中c—c剖视图；

图7为图5中d—d剖视图；

图8为图1中自膨胀装置的纵向剖视图；

图9为图8中e—e剖视图；

图10为用图1主动膨胀式管缝锚杆支护巷道围岩的示意图；

图11为图10中单支主动膨胀式管缝锚杆的安装使用示意图。

图中符号说明：1-杆体，2-管缝，3-切缝，4-丝杆，5-垫片，6-保护筒，7-海绵，8-牛皮纸，9-膨胀剂，10-透水孔，11-预留孔，12-筒盖，13-紧固螺母，14-挡环，15-双螺栓，16-螺母，17-托盘，18-巷道岩壁，19-节理裂隙。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明做进一步说明。

本实施例为用本发明主动膨胀式管缝锚杆支护如图10所示某金属矿山巷道岩壁18。该巷道围岩为长石板岩，其节理裂隙19较为发育。

如图1所示，本实施例所用主动膨胀式管缝锚杆包括由杆体1和安装在杆体后端的承托装置构成的管缝锚杆及置于管缝锚杆杆体中的自膨胀装置。

结合图1至图4，所述杆体1由长度为1.8m、厚度为2mm、纵向开设宽度为10mm管缝2的钢管构成，杆体后端外径为45mm，前端外径为42mm，在杆体的前端开设两条环向分别与所述管缝形成120°夹角、长度分别为18cm的纵向切缝3，使杆体前端在膨胀剂膨胀时张开呈三瓣式结构。在距后端20mm的杆体上开设垂直交叉的双螺栓孔(未图示)。

结合图1、图5、图6和图7，所述承托装置包括由外径为55mm、厚度为5mm、中心孔孔径为45mm的钢环制成的挡环14、由尺寸为150mm×150mm、厚度为15mm的正方形钢板中间开设直径为45mm的中心孔制成的托盘17和直径为6mm、长度为60mm的双螺栓15组成。挡环焊接在紧靠双螺栓孔前面的杆体上；托盘套在挡环前面的杆体上；双螺栓孔中分别穿双螺栓15，双螺栓用与其匹配的螺母16锁定。

结合图1、图8和图9，所述自膨胀装置包括自膨胀体和轴向膨胀约束装置。

所述自膨胀体包括内装膨胀剂9的药筒和套在药筒上的保护筒6。

所述药筒的筒壁内层为0.3mm厚的中密度海绵7、外层为厚0.15mm的牛皮纸8。

所述膨胀剂9由cao、膨润土、高岭土、减水剂、硬化材料混合组成，各组分的质量配比为：cao80％，膨润土5％，高岭土2％，减水剂3％，硬化材料10％。

所述保护筒6由塑料制成，其外径为38mm，厚度为1mm，长度为110mm，保护筒的圆形筒壁上有展开呈长方形的透水孔10，透水孔展开尺寸为20mm×10mm(20mm为轴向长度)，轴向相互间隔20mm、环向相互间距21mm，保护筒的筒底和筒盖12上分别有直径5mm的预留孔11。

所述轴向膨胀约束装置包括沿所述自膨胀体中心轴线两端穿出自膨胀体的丝杆4和通过旋拧丝杆两端的紧固螺母13可将自膨胀体轴向夹紧的垫片5。其中丝杆长度为120mm、直径为5mm；垫片为外径8mm、内径5mm、厚度1mm的钢片。

本实施例主动膨胀式管缝锚杆的制备方法，包括下述步骤：

(1)制作管缝锚杆

用厚度2mm的钢板，剪成长度为1.8m、一端宽度为142mm、另一端宽度为132mm的条形钢板，同时在钢板宽度较小的一端开设两条长度分别为18cm的纵向切缝，两条切缝与钢板侧边的间距和两切缝的相互间距分别为44mm(确保卷制后切缝与管缝环向成120°夹角)；然后采用常规卷制方法将其制成前端直径小于后端直径的杆体；在距后端20mm的杆体上加工出双螺栓孔；将托盘套在杆体的后端；在托盘和双螺栓孔之间、紧靠双螺栓孔处的杆体上焊接挡环；在双螺栓孔中分别穿插双螺栓，并用螺母将双螺栓锁定，制成承托装置；

(2)制作自膨胀装置

1)采用注塑工艺制成由工程塑料材质构成的保护筒6和与之配套的筒盖12，保护筒的筒底和筒盖的中心处设有预留孔11，筒壁上设有透水孔10；

2)用厚度0.3mm的中密度海绵贴在厚度0.15mm的牛皮纸内侧作为筒壁材料，采用粘结制成圆柱形药筒，药筒的一端用透明胶带封闭；

3)将cao、膨润土、高岭土、减水剂、硬化材料按设计配比称取后混合搅拌均匀，制成所述膨胀剂；

4)将制成的膨胀剂通过机械或手工方式填充到药筒内，填充密度达到要求后用透明胶带将药筒的开口端密封；

5)将填充膨胀剂的药筒放在制成的保护筒中，用密封胶或热熔胶将筒盖密封在保护筒的开口端，制成自膨胀体；

6)用由圆钢加工制成的丝杆沿自膨胀体的中心轴线穿过保护筒筒底和筒盖上的预留孔；在丝杆伸出自膨胀体的两端套上垫片，旋拧紧固螺母，将自膨胀体的两端夹紧，制成自膨胀装置；

(3)组装主动膨胀式管缝锚杆

根据本发明中管缝锚杆的长度取6个自膨胀装置，以相互均匀间隔分布的方式插入制成的管缝锚杆的杆体中，其中杆体的前端和后端各有一个自膨胀装置，完成主动膨胀式管缝锚杆的组装。

结合图10，将该主动膨胀式管缝锚杆用于该矿巷道围岩锚固时，根据巷道围岩中节理裂隙发育情况，在巷道岩壁的上端和两侧(具体分布如图10所示)向巷道围岩深处钻取9个孔径分别为43mm(小于锚杆直径2mm)、深度为1.8m的钻孔(未图示)。取9支主动膨胀式管缝锚杆，分别置于水中浸泡5min，使水沿管缝锚杆的管缝进入锚杆中，通过保护筒筒壁上的透水孔再透过由牛皮纸和海绵制成的药筒筒壁进入膨胀剂中；然后取出，通过外力分别将其插入围岩钻孔中，直至托盘与巷道岩壁紧贴(如图11所示)。50min后膨胀剂水化反应产生的径向膨胀压可将药筒筒壁和保护筒筒壁挤破，使杆体和钻孔孔壁紧密耦合，和围岩形成稳定的锚固体系，起到锚固作用。

采用锚杆抗拔力测试方法分别对该9支主动膨胀式管缝锚杆的锚固力进行测试，每支主动膨胀式管缝锚杆的锚固力均超过200kn。

将主动膨胀式管缝锚杆中的自膨胀装置全部取出，作为常规管缝锚杆使用，插入相同的钻孔(在同一巷道围岩中钻取)中。由于管缝锚杆的直径与钻孔孔径的差值较小(为2mm)，锚固力很低，经测试只能达到50kn。由此可以看出，本发明主动膨胀式管缝锚杆由于在杆体中填充了自膨胀装置，不仅克服了管缝锚杆外径与钻孔孔径因差值较小锚固力低的缺陷，将锚固力提高到单纯使用管缝锚杆锚固力的四倍，而且安装起来很容易，锚杆安装速度快，效率高。

再在该巷道相同孔径的钻孔中采用与本实施例材质相同、直径不同的常规管缝锚杆(即不含自膨胀装置)进行抗拔力测试。试验证明，用常规管缝锚杆达到与本实施例相同的锚固力200kn，锚杆的直径不能低于51mm，即管缝锚杆的直径要比钻孔孔径大出8mm才能产生与本实施例相同的锚固力。显然，要将比钻孔孔径大出8mm的管缝锚杆打入钻孔中是非常困难的，甚至根本就无法安装。