一种带孔底让压装置的锚索及其施工方法与流程

[0001]
本发明涉及岩土锚固和工程支护技术领域，尤其是涉及一种带孔底让压装置的锚索及其施工方法。


背景技术：

[0002]
预应力锚索是以高强钢绞线和索具等配件组成的一种柔性，最早用于矿用工程。钢绞线是有多股高强钢丝捻制成绳子状的柔性钢筋，常用的3股、7股、19股。钢丝直径常用φ4、φ5、φ6等几种，为碳素钢经冷拔形成的高强钢丝，目前市场最常用的极限抗拉强度1860mpa，并向更高强度方向发展，以节约钢材。高强钢绞线在预应力混凝土结构中通常用为7φ5钢绞线作为预应力筋钢绞线公称直径为φ15.2。在矿用工程常用单根钢绞线，一般常用7股和19股钢绞线作锚筋直径通常φ15.2～φ21.8mm；按国标gb/t5224-2014,如钢丝极限抗拉强度1860mpa，7股φ5-钢绞线公称直径为φ15.2，整根钢绞线最大拉力288kn，1
×
19股(1+9+9)s钢绞线公称直径为φ21.8，整根钢绞线最大拉力583kn。
[0003]
单根钢绞线在地下工程洞室支护的优点是，承载力比普通钢筋大的多、且柔性可弯曲，利于在狭小巷道工程中用小机具作业，配合树脂药卷可形成快速支护，矿用通常长度为1.8～3.0m之间，孔底树脂端锚约0.5～0.8m，采用1～2节树脂药卷就达到锚固要求，施工较方便。通常做法是在指定位置打孔，置入树脂药卷，插入钢绞线，用专用机具高速转动钢绞线让孔底树脂充分搅拌，使钢绞线与岩石孔充分粘结锚固。采用快速树脂药卷通常5～10min就达到工作强度，随后在岩石支承面张拉钢绞线，用索具锁定形成预应力，安装完成。
[0004]
上述提及的矿用通常仅在端锚树脂锚固粘结，靠近孔口段没有粘结。如3.0m长，孔底端部树脂药卷锚固长度0.8m，靠外面的部分长度达2.2m与岩石孔之间是无粘结的，所以裸露的钢绞线在岩石孔中存在被锈蚀、长期使用存在钢绞线锈蚀断裂失效的风险。同时无粘结还会使钢绞线锚筋与岩体之间降低整体协同，不利于通过合理间距的支护形成压力圈的作用。所以仅作为临时工程使用。
[0005]
另一方面，在高地应力地层中，硬岩地层存在岩爆、软岩或破碎地层存在大变形等特殊工程问题。对处理所述的特殊地质现象，出现了多种让压锚杆，以解决高地应力下支护安全问题。让压锚杆(索)中安装一种特定的让压装置，在被支护结构发生大变形时，通过让压装置使锚杆(索)体产生与岩土体相适应的变形，避免锚杆(索)体拉断失效，保持支护作用，它是一种可以有效地控制复杂多变而又难以支护的大变形岩土工程的特定锚杆。近年来，各种具有恒阻变形的让压锚杆不断地被开发和应用于边坡、地下工程或采矿巷道支护工程中，以解决软弱围岩造成地层大变形的问题。
[0006]
对于永久性工程支护，需要使支护能满足长期耐久性问题。同时支护成本也比普通地层要高的多，所以锚杆性能好、长期工作的耐久性和降低成本是长期追求的目标。


技术实现要素：

[0007]
本发明提供了一种带孔底让压装置的锚索，其孔底让压装置可以张拉产生预应力
控制初期变形，在受力超过一定值时发挥让压滑移的功能，吸收地层释放的能量，并可注浆使锚索与地层全粘结，提高锚索安全性和长期工作的耐久性。
[0008]
一种带孔底让压装置的锚索，包括钢绞线和支承垫板，所述钢绞线的前部套设有锚管，所述钢绞线穿过锚管后散开为若干钢丝；其中，内层钢丝套有圆锥楔管，内层钢丝、圆锥楔管、外层钢丝和锚管内腔形成挤压配合；所述钢绞线的后部通过锁定件与支承垫板配合。
[0009]
外层钢丝所述钢绞线伸出锚管的前端后形成搅拌头，所述钢绞线的前部与锚管、圆锥楔管组成让压锚头装置。
[0010]
本发明的锚索，其孔底让压装置通过树脂药卷锚固、迅速锚固形成支护力，用于高地应力条件下的吸能让压以及永久工程支护，当采用大吨位单根钢绞线方案(如φ28.6mm钢绞线，可达900kn以上)，可应用于大跨度地下洞室和边坡等支护。
[0011]
优选地，所述的锚管为圆直管，外表面为螺纹表面或其他有规则的凹凸表面，从而有利于树脂锚固。
[0012]
优选地，所述锚管的后端设有定位件，所述钢绞线穿过定位件、锚管后散开为若干钢丝；所述的定位件由锚管后端通过挤压形成，或者采用独立的销键式制动环。
[0013]
锚管通过圆锥楔管的挤压与钢绞线配合，其不能脱离钢绞线转动但在在一定拉力下钢绞线可以纵向滑移，定位件用于限制钢绞线的纵向滑移距离。
[0014]
优选地，所述锚管的前部设有至少一个纵向开槽，开槽长度不小于20mm，且不超过锚管总长度的90％。所述锚管的前部纵向开槽，有利于锚管前端张开，适应不同种类的锚固剂固结时间，同时锚管外壁与岩石孔壁的机械配合具有类似涨壳锚固头的作用。本发明中，搅拌头可以有两种结构，第一种为：所述钢绞线穿过锚管的前端后，在圆锥楔管的挤压下形成扩散状的搅拌头，其扩散的钢丝在所述的锚管前端有一段露头，以提高搅拌效果。
[0015]
第二种为：所述钢绞线穿过锚管的前端后，通过前端扣件将圆锥楔管挤压形成的扩散状钢丝聚集成束，形成弹头形搅拌头。
[0016]
本发明中，所述的钢绞线可采用7股钢丝或19股钢丝；采用7股钢丝时，内层钢丝和外层钢丝都为一层；采用19股钢丝时，内层钢丝为两层，外层钢丝为一层。
[0017]
优选地，所述的圆锥楔管安装时要求尽量全部插入锚管的内腔。更进一步地，圆锥楔管的大头端与锚管的前端面齐平。
[0018]
优选地，本发明的锁定件采用锚定-注浆一体组合功能的锁定件，具体的：所述的锁定件包括锁定功能段、垫座与注浆功能段、连接段；所述的垫座与注浆功能段设有侧向注浆孔，锁定件的内腔用于穿入钢绞线并锁定；
[0019]
所述钢绞线的中间部分套设有注浆隔离套管，所述注浆隔离套管上设有多个出浆孔；注浆隔离套管的前端靠近锚管的后端面，后端与锁定件的连接段对接；所述的侧向注浆孔、注浆隔离套管的内腔以及出浆孔形成内外连通的通道。
[0020]
进一步地，所述的锁定功能段、垫座与注浆功能段为一体结构或者两个分体结构。
[0021]
所述的注浆隔离套管优选为波纹管，材质可以为不锈钢或工程塑料，根据实际情况可以在管壁上设置有规则的出浆孔，以提高注浆效果。
[0022]
本发明还提供了一种带孔底让压装置的锚索的施工方法，包括以下步骤：
[0023]
(1)在岩石表面上钻入一个与锚索长度匹配的锚索孔；
[0024]
(2)先在孔中置入树脂药卷到孔底，再将让压锚头装置插入，搅拌树脂药卷使其与让压锚头装置和岩石孔充分固结形成锚固力；
[0025]
(3)张拉钢绞线形成预应力，当达到预定的锁定力时拧紧锁定件；张拉力必须低于让压锚头装置最小让压力；
[0026]
(4)如必要时对锚索孔注浆：当钢绞线受力产生让压滑移到预定位置后，向锚索孔内注浆，使孔内空隙全部填满如水泥为主等无机浆体，使全粘结锚固，完成锚索的安装；
[0027]
或者当钢绞线上非粘结隔离层时，锁定件后立即注浆使孔充满注浆体，安装完成。
[0028]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0029]
1、相对于现有的刚性杆体作为力筋的带有孔底让压装置的锚杆，本发明采用钢绞线作为锚杆的力筋，具有柔性和弯曲的特点，作业空间范围大，对于不同大小的地下工程硐室支护具有优越性，如硐室作业高度3m，施工打入9m长锚杆，本发明的锚索可弯曲施工，就完全可以实现；而刚性锚杆就难度大。
[0030]
2、钢绞线作为力筋，相对于实心和中空杆体的刚性杆体而言，同样直径和用钢量，其承载力大、节约成本。
附图说明
[0031]
图1为本发明实施例1的结构示意图；
[0032]
图2为本发明实施例中让压锚头装置的第一种结构图；
[0033]
图3为图2所示的a-a位置的横向剖面图(钢绞线采用7股钢丝布设)；
[0034]
图4为图2所示的b1-b1位置的横向剖面图(钢绞线采用7股钢丝布设)；
[0035]
图5为图2所示的a-a位置的横向剖面图(钢绞线采用19股钢丝布设)；
[0036]
图6为图2所示的b1-b1位置的横向剖面图(钢绞线采用19股钢丝布设)；
[0037]
图7为本发明实施例中让压锚头装置的第二种结构图；
[0038]
图8为图7所示的b2-b2位置的横向剖面图(钢绞线采用7股钢丝布设)；
[0039]
图9为图7所示的c-c位置的横向剖面图(钢绞线采用7股钢丝布设)；
[0040]
图10为本发明实施例中圆锥楔管的纵向剖面图；
[0041]
图11为本发明实施例中锚管后端的定位件的一种结构示意图；
[0042]
图12为本发明实施例2的结构示意图；
[0043]
图13为图12所示的d-d位置的横向剖面图(钢绞线2采用19股钢丝布设)。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0045]
需要说明的是，锚杆孔指在岩土地层中通过钻孔等手段形成的预定的孔径和深度可满足安装锚杆的孔，所以有锚杆孔口、锚杆孔底等。“前”和“后”是以孔口朝向孔底的方向为参考，“后部”指的是锚杆体或构件朝向或靠近锚杆孔口的一段；“前部”指的是锚杆体或构件朝向或靠近锚杆孔底的一段。
[0046]
实施例1
[0047]
如图1所示，一种带孔底让压装置的锚索，包括钢绞线2和支承垫板4，钢绞线2的前
部套设有锚管10；锚管10的前端设有圆锥楔管11。钢绞线2的前端穿过锚管10后伸出锚管10的前端；圆锥楔管11套设在伸出部分钢绞线2的内层钢丝上，与钢绞线的外层钢丝、内层钢丝和锚管内腔形成挤压配合。
[0048]
钢绞线2的前端伸出锚管10的前端后形成搅拌头25，钢绞线2的前部与锚管10、圆锥楔管11组成让压锚头装置1，钢绞线2的后部通过锁定件3与支承垫板4配合。让压锚头装置1前端有搅拌头25，让压锚头装置1与搅拌头25一起作为快速粘结(如树脂药卷锚固剂)的锚固段200，让压锚头装置1后端的钢绞线部分作为注浆粘结段100。
[0049]
具体的，钢绞线2为由多股高强钢丝捻制成的柔性钢缆，由外层钢丝21和内层钢丝22组成，如图3～图4，为7股钢绞线为内外两层；如图5～图6所示，为19股钢绞线为三层。按国标gb/t5224-2014，7股钢绞线规格多，公称直径ф9.5～ф21.6，整根钢绞线最大力105kn～530kn；而19股的钢绞线直径相对大、承载力吨位大，以(1+9+9)s为例，公称直径ф17.8～ф28.6，整根钢绞线最大力368kn～942kn。两者配合可适用不同工程场合。
[0050]
如图2所示，为让压锚头装置1的第一种结构图，锚管10为一段较长的圆直管，两个端面分别为锚管后端面10a、锚管前端面10b，外壁表面为有利于树脂锚固的螺纹表面或其他有规则的凹凸表面。圆锥楔管11放置在锚管前端面10b内，其大头朝向前、小头朝后；钢绞线2的前端从与其同心轴的锚管10穿过，并在锚管前端面10b内附近把的圆锥楔管11套在内层钢丝22上且与外层钢丝21分开，再穿出形成露头，以提高搅拌效果；此露头内、外层的钢丝有一定长度(如2～5cm)，作为锚固剂的搅拌头25。
[0051]
锚管10与钢绞线2之间有一定空隙，可自由活动，如图3所示，为让压锚头装置1分别在a-a处的横向剖面图。如图4所示，为让压锚头装置1在b1-b1的横向剖面图，锚管10内壁与钢绞线2、圆锥楔管11为受力配合。在锚管前端面10b，通过圆锥楔管11的楔作用原理，将钢绞线2外层钢丝21与锚管10的内壁形成挤压配合，传递拉力给锚管10，再通过锚管10与粘结锚固层传递给岩层；反之，岩层应力通过粘结锚固层传递给锚管10，再通过锚管10内壁以外层钢丝21、圆锥楔管11传递给钢绞线2形成拉力。圆锥楔管11安装位置要求尽量全部插入锚管10内腔，作为优选，与锚管前端面10b齐平(图示为有利说明而有外露)。
[0052]
为使锚管10、圆锥楔管11、钢绞线2在锚固搅拌过程中协同工作，在锚管后端面10a位置设置了定位件12。如图2所示，定位件12为锚管10通过挤压与钢绞线2配合，其功能是使不能脱离钢绞线转动但在在一定拉力下钢绞线可以纵向滑移；如图11所示，为定位件的另一种方式，采用独立的销键式制动环15。
[0053]
如图10所示，为圆锥楔管11的纵向剖面图，圆锥楔管11为一个短钢管，其内孔与钢绞线2的内层钢丝22配合，其锥度在4～100之间，其硬度要大于钢丝。锚管10的长度根据钢绞线2的承载力和让压滑移量等因素确定，通常在0.5～1.5m之间，其材质采用合金结构钢。
[0054]
让压锚头装置1的另一方案为如图7所示，图8为图7所示的b2-b2位置的横向剖面图(钢绞线采用7股钢丝布设)；图9为图7所示的c-c位置的横向剖面图(钢绞线采用7股钢丝布设)。与让压锚头装置1的第一种结构的不同点是：
[0055]
1、锚管10的锚管前端面10b朝向锚管后端面10a方向有纵向开槽14，开槽数量可以1个或多个(如图8所示为1个)。开槽长度不小于20mm，但不超过锚管10总长度的90％。所述锚管的前部纵向开槽，有利于锚管前端张开，适应不同种类的锚固剂固结时间(如早期水泥锚固剂、以及快慢固结时间不同树脂药卷)，同时锚管外壁与岩石孔壁的机械配合具有类似
现有技术中的涨壳锚固头(expansion shell)的作用。
[0056]
2、搅拌头25的结构是钢绞线2的内、外层钢丝通过锚管10和圆锥楔管11后露头，用前端扣件13将其扩散的钢丝成束，形成弹头形搅拌头，如图7所示。
[0057]
本发明的装置，安装在地层岩孔中后(未图示)，通过锁定件3和支承垫板4固定在支承面后，通过张拉钢绞线2形成一定的预应力对岩层主动支护，当地层应力传递给钢绞线2超过一定让压值时，钢绞线2在锚管10中带动圆锥楔管11和外层钢丝22沿锚管内壁摩擦滑移，钢绞线2向外伸长，释放地层能量。同时，采用常规水泥注浆工艺，把注浆粘结段100注浆形成全粘结。
[0058]
另外，钢绞线2，按照锚索的注浆工序、让压滑移工序前后情况不同，可以采用粘结型钢绞线和非粘结型钢绞线。如防腐要求高时，优选采用环氧涂层钢绞线、或缓粘结型钢绞线。
[0059]
实施例2
[0060]
如图12所示，为本发明的第二种实施例结构示意图，用于耐久性要求高的支护。与实施例1不同点说明如下：
[0061]
还包括注浆隔离套管6，采用锚定-注浆一体组合功能的锁定件5与支承垫板4配合。钢绞线2的前端与让压锚头装置1连接，其后端与锁定件5、支承垫板4配合，中间穿套一根注浆隔离套管6。注浆隔离套管6的前端伸向并靠近锚管后端面10a，其后端与锁定件5的连接段52对接。
[0062]
让压锚头装置1前端有搅拌头25，让压锚头装置1与搅拌头25一起作为快速粘结(如树脂药卷锚固剂)的锚固段200，让压锚头装置1后端的钢绞线部分作为注浆粘结段100。
[0063]
锁定件5包括锁定功能段50、垫座与注浆功能段51和与注浆隔离套管的6插接配合的连接段52。锁定件5还包括侧向的注浆孔53和纵向内孔，其内腔用于穿入钢绞线2并锁定，还与注浆孔53、注浆隔离套管6的内腔500以及套管上的出浆孔61形成内外连通通道，用于注浆粘结段100的注浆粘结。锁定功能段50、垫座与注浆功能段51也可以分离为两个独立的部件。
[0064]
注浆隔离套管6首选为波纹管，材质可以为不锈钢或工程塑料，根据实际情况可以在管壁上设置有规则的出浆孔61，以提高注浆效果，图13所示。
[0065]
让压锚头装置1安装后，前端部可快速与岩体锚固形成锚固段，并作为张拉预应力，通过锚定-注浆一体组合功能的锁定件5锁定，同时当让压锚头装置1在受拉力超过额定的让压力值时在，钢绞线2在让压锚头装置10中发生滑移伸长而让压锚头装置10与岩体锚固成整体不动，形成恒阻让压功能。
[0066]
在让压完成后，锁定件5的侧向注浆孔53向内注浆，使锚索全长粘结注浆，注浆隔离套管6采用工程塑料或不锈钢波纹管可隔离水气等进入具有双重防腐功能，具备永久工作的能力。为通过防腐性能，所述的钢绞线2还可以采用如环氧树脂涂层等防腐技术，以进一步提升耐久性。
[0067]
本发明中，带孔底让压装置的锚索的施工方法，包括以下步骤：
[0068]
(1)在岩石表面上钻入一个与锚索长度匹配的锚索孔；
[0069]
(2)先在孔中置入树脂药卷到孔底，再将让压锚头装置插入，搅拌树脂药卷使其与让压锚头装置和岩石孔充分固结形成锚固力；
[0070]
(3)张拉钢绞线形成预应力，当达到预定的锁定力时拧紧锁定件；张拉力必须低于让压锚头装置最小让压力；
[0071]
(4)如必要时对锚索孔注浆：当钢绞线受力产生让压滑移到预定位置后，向锚索孔内注浆，使孔内空隙全部填满如水泥为主等无机浆体，使全粘结锚固，完成锚索的安装；
[0072]
或者当钢绞线上非粘结隔离层时，锁定件后立即注浆使孔充满注浆体，安装完成。
[0073]
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。