一种变阻吸能锚固装置及安装方法与流程

本发明涉及地下工程的安全支护领域，特别是涉及一种变阻吸能锚固装置及安装方法。

背景技术：

锚杆因加固效果明显、造价较低和施工速度快等优势已成为地下工程加固系统中广泛应用的支护构件，托盘在锚杆支护中发挥着极其重要的作用，一方面，托盘作为围岩与支护系统联系的“桥梁”将围岩压力传递给锚杆杆体以发挥锚杆控制围岩变形的目的；另一方面，托盘将施加的预应力作用于围岩以改变围岩的应力状态抑制岩体中结构面的张开和提高围岩完整性，进而实现其主动支护的作用。因此，托盘的作用效果直接影响着锚杆的支护效果和围岩的稳定性。

随着我国经济社会发展过程巨大的资源消耗，地球浅部资源趋于枯竭，矿产和能源资源开采已逐步进入1000-2000m以深水平，如广丰铜山铜矿钻孔深度已达1000m，锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深2525m。在深部洞室的开挖与支护过程中，锚杆所加固围岩的安全和稳定不仅面临着高地应力水平、复杂地质条件等内在因素威胁，还承受着地震荷载、爆破动载等外界动力荷载的扰动，常发生诸如岩爆、软岩大变形与顶板冒落等动力灾害，在这种环境下，普通锚杆因刚度大和抗压变形性能差而不能较好地适应围岩大变形，锚杆断裂或锚头失效等后果时有发生。

为应对上述情况，许多研究者认为锚杆在可提供较高承载力的同时还应当具备一定的让压变形能力。国内外学者根据现有锚杆存在的弊端先后研发了多种变形吸能托盘，但这些成果应用在工程实践中仍存在一些问题。中国专利“cn109751069b”公开了一种变形吸能锚环和防止锚杆断裂弹射的锚杆支护装置及方法，其是通过托盘与预紧螺母间的锚环挤压变形达到吸能的目的，但是此锚环在抵抗围岩变形的过程发生的是不可恢复的塑性变形，让压吸能效果较差，并且不具备动载作用下的缓冲吸能作用。中国专利“cn108708757a”和“cn108775253a”分别公开了一种高阻尼吸能锚杆托盘和一种减震吸能锚杆托盘，二者分别是利用高阻尼橡胶和弹簧缓冲变形吸能，但是托盘在抵抗围岩变形过程中阻力恒定，这会引起托盘在抵抗围岩变形过程较快达到极限变形量。总之，现有锚杆托盘的变形吸能效果还难以满足深部地下工程安全支护的需求，此外，大多成果中的锚杆托盘也缺少锚杆失效预警设施。

技术实现要素：

本发明提供一种变阻吸能锚固装置及安装方法，其主要目的在于实现变阻吸能，满足深部地下工程安全支护的需求；另一目的在于使其具有预警功能，在锚杆失效时能够给予现场人员警示。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种变阻吸能锚固装置，包括上托盘和下托盘，其中，上托盘和下托盘上分别开设有供锚杆杆体穿过的第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔轴线重合；在第一通孔的周围周向均布有至少三个允许插杆自由通过的贯穿孔，在第二通孔的周围周向均布有至少三个用于固定插杆的固定部，且固定部与贯穿孔一一对应；在上托盘和下托盘之间的锚杆杆体和插杆上分别套设有a类弹簧和b类弹簧，且a类弹簧的设置高度大于b类弹簧的设置高度。

作为优选的，插杆分为安全段、反光段和连接段，安全段露在上托盘外侧，反光段位于上托盘和下托盘之间，连接段与固定部连接。

作为优选的，固定部为具有螺纹的盲孔，连接段为插杆上设置有外螺纹的一端。

作为优选的，上托盘和下托盘均为中心厚周围薄结构，上托盘中心为第一厚板，第一厚板周围为第一薄板，下托盘中心为第二厚板，第二厚板周围为第二板，第一通孔和第二通孔分别设置在第一厚板和第二厚板上，贯穿孔和固定部分别设置在第一薄板和第二薄板上。

作为优选的，上托盘和下托盘的横截面形状为圆形或矩形，且材质均为钢板。

作为优选的，a类弹簧和b类弹簧均为高强度弹簧。

作为优选的，还包括有软皮橡胶密封套，软皮橡胶密封套用于包覆上托盘、下托盘以及上托盘和下托盘之间的构件。

作为优选的，上述托盘的安装方法为：

s1，将插杆固定在下托盘对应的固定部上，并将下托盘通过第二通孔套设在锚杆杆体上；

s2，将a类弹簧套设在锚杆杆体上，将b类弹簧分别套设在插杆上；

s3，将上托盘通过第一通孔套设在锚杆杆体上，并将上托盘中的贯穿孔分别对应的穿过插杆；

s4，将软皮橡胶密封套紧密包围在上托盘和下托盘之间的外围；

s5，在锚杆杆体与上托盘顶部之间安装预紧螺母。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明通过采用不同设置高度的a类弹簧和b类弹簧相互配合，使其当a类弹簧的长度被压缩到等于b类弹簧时，此时a类弹簧和b类弹簧共同应对工作阻力，进而使其托盘能够以不同工作阻力适应围岩的大变形，有效缓冲围岩在动载作用下的动态变形，从而满足深部地下工程安全支护的需求。

(2)本发明通过采用插杆，且使其插杆能够自由从上托盘圆形通孔中进出的设计，使其在围岩变形过大时，插杆反光段能够在锚杆即将超过其极限变形量前露出，此时反光段在灯光照射下比周围结构更亮，进而给予现场人员预警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明托盘整体结构示意图；

图2为本发明上托盘结构示意图；

图3为本发明下托盘结构示意图；

图4为本发明插杆结构示意图；

图中：1、锚杆杆体；2、预紧螺母；3、上托盘；3-1、第一通孔；3-2、第一厚板；3-3、第一薄板；3-4、贯穿孔；4、b类弹簧；5、下托盘；5-1、第二通孔；5-2、第二厚板；5-3、第二薄板；5-4、盲孔；6、a类弹簧；7、插杆；7-1、安全段；7-2、反光段；7-3、连接段；8、密封圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种变阻吸能锚固装置及安装方法，克服现有技术中所提及的问题，实现变阻吸能以及具有预警作用的技术效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，提供一种变阻吸能锚固装置，包括上托盘3和下托盘5，其中，上托盘3和下托盘5均为中心厚周围薄结构，上托盘3中心为第一厚板3-2，第一厚板3-2周围为第一薄板3-3，下托盘5中心为第二厚板5-2，第二厚板5-2周围为第二板5-3，在第一厚板3-2和第二厚板5-2上分别开设有供锚杆杆体1穿过的第一通孔3-1和第二通孔5-1，且第一通孔3-1和第二通孔5-1轴线重合；在第一通孔3-1的周围第一薄板3-2上周向均布有四个允许插杆7自由通过的贯穿孔3-4，在第二通孔5-1的周围第二薄板上5-2周向均布有四个用于固定插杆的固定部5-4，且固定部5-4与贯穿孔3-4一一对应；在上托盘3和下托盘5之间的锚杆杆体1和插杆7上分别套设有a类弹簧6和b类弹簧4，且a类弹簧6的设置高度大于b类弹簧4的设置高度。

插杆7分为安全段7-1、反光段7-2和连接段7-3，在安全受压范围内，安全段7-1露在上托盘3外侧，反光段7-2上设置有反光片位于上托盘3和下托盘5之间，连接段7-3与固定部5-4连接固定；其中，固定部5-4为具有螺纹的盲孔，连接段7-3为插杆7上设置有外螺纹的一端，连接段7-3与固定部5-4通过螺纹连接；在围岩变形过程中，若压缩下托盘5超过安全受压范围时，插杆7中的反光段7-2会从上托盘3的贯穿孔3-4中推出；现场人员利用发光设备(如手电筒)照射锚固装置时，根据插杆7，若未观察到反光现象，说明插杆7露出来的是安全段7-1，锚杆处于安全状态；若观察到有反光现象，则说明插杆7出来的是反光段7-2，意味着锚杆进入了预警状态，需要采取对附近的围岩采取加固措施。

进一步的，还包括有软皮橡胶密封套8，软皮橡胶密封套8用于包覆上托盘3、下托盘5以及上托盘3和下托盘5之间的构件，软皮橡胶密封套8能够根据托盘变形自由压缩和伸长，起到防止两托盘中间构件避免暴露在空气与地下水中受到腐蚀以延长锚固装置的使用寿命的作用。

进一步的，贯穿孔3-4和固定部5-4的个数并不局限于4个，至少设置分别设置有3个。

进一步的，上托盘和下托盘的横截面形状为圆形或矩形，且材质均为钢板。

进一步的，a类弹簧和b类弹簧均为高强度弹簧，其弹性模量可根据实际情况进行选择。

进一步的，本发明装置在使用过程的安装方法为：

s1，将插杆7固定在下托盘5对应的固定部3-4上，并将下托盘5通过第二通孔5-1套设在锚杆杆体1上；

s2，将a类弹簧6套设在锚杆杆体1上，将b类弹簧4分别套设在插杆7上；

s3，将上托盘3通过第一通孔3-1套设在锚杆杆体1上，并将上托盘3中的贯穿孔3-4分别对应的穿过插杆7；

s4，将软皮橡胶密封套8紧密包围在上托盘3和下托盘5之间的外围；

s5，在锚杆杆体1与上托盘3顶部之间安装预紧螺母2。

进一步的，本发明装置在实际应用过程的工作原理为：

第一阶段，当围岩在静载或动载作用下发生变形时挤压下托盘5，托盘5挤压a类弹簧6，a类弹簧6被压缩承担着第一级缓冲和变形吸能，与此同时插杆7的安全段7-1于上托盘3的贯穿孔3-4露出，现场人员用发光设备(如手电筒)照射本发明装置上托盘3顶部周围时不会观察到明显的反光现象，说明此时锚杆处于安全状态；

第二阶段，随着围岩变形继续增大，下托盘5将a类弹簧6持续压缩直至上托盘3接触到b类弹簧4时(此时上托盘3的第一薄板3-3底部与下托盘5的第二薄板5-3顶部之间的距离等于b类弹簧的长度)，a类弹簧6与b类弹簧4共同被压缩以起到第二级缓冲和变形吸能作用，此时下托盘5在被压缩过程的工作阻力更大；

第三阶段，当围岩变形过大导致锚杆达到预警变形量时，插杆7上的反光段7-2会从上托盘3中的贯穿孔3-4中露出，当现场人员利用发光设备(如手电筒)照射本发明装置上托盘3顶部周围时会观察到明显的反光现象，这意味着锚杆进入了预警状态，需要及时对附近的围岩采取加固措施，或者在保证围岩安全与稳定的前提下可缓慢松动预紧螺母2以复位部分弹簧来实现本发明装置的可持续使用。

本发明通过采用不同设置高度的a类弹簧和b类弹簧相互配合，使其当a类弹簧的长度被压缩到等于b类弹簧时，此时a类弹簧和b类弹簧共同应对工作阻力，进而使其托盘能够以不同工作阻力适应围岩的大变形，有效缓冲围岩在动载作用下的动态变形，从而满足深部地下工程安全支护的需求；同时通过采用插杆，且使其插杆能够自由从上托盘圆形通孔中进出的设计，使其在围岩变形过大时，插杆反光段能够在锚杆即将超过其极限变形量前露出，此时反光段在灯光照射下比周围结构更亮，进而给予现场人员预警。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。