一种分类梯度注浆的锚注一体化装置及其使用方法

本发明涉及一种分类梯度注浆的锚注一体化装置及其使用方法，属于巷道、隧道等地下工程支护领域。

背景技术：

1、注浆加固是一种岩土工程改性技术，主要是利用注浆材料对巷道、隧道、隧洞等地下工程的裂隙或孔隙进行注浆填充，使之形成具有一定强度与防渗作用的注浆结石体，从而增强软弱破碎围岩体的强度和稳定性，达到加固与防渗的作用。这种加固方法被广泛应用于矿井、地铁、隧道和水利工程等领域，其具有施工方便，时间短、效果明显等优点，对于提高地下工程的稳定性和安全性都发挥着重要作用。

2、现阶段针对软弱围岩进行加固，主要采用袖阀管注浆和注浆管注浆的方式，可达到一定的注浆加固效果，但也暴露出较多的缺陷问题。第一，在实际工程中通常根据裂隙的开度大小选取浆液类型，而不同的围岩区域的裂隙开度并不相同，这就需要分类注浆(目前3种常用的注浆材料：水泥浆液价格低、材料来源广，但是水泥浆液可注入大于0.1mm的裂隙中；超细水泥浆液有良好改善，能注入大于0.01mm的裂隙中，但是其凝结慢；化学浆液无黏性，故可渗入各种开度大小的裂隙，并且凝结快，但是其材料价格昂贵且大多有毒性，会对环境造成污染。对不同开度的裂隙注入不同粒度的浆液材料，实现注浆材料粒度与裂隙开度的匹配，以保证浆液能注入到裂隙中去和提高注浆效果)，但现有注浆方式的浆液种类在整个注浆过程中保持不变，无法实现分类注浆；第二，浆液注入后流向何段、流向何处无法有效控制，即对局部破碎围岩不能开展精准注浆充填加固，造成注浆区域的扩大、注浆材料的浪费和施工成本的增加，这就需要分段注浆；第三，在实际工程中发现，哪怕是同一围岩区域处的裂隙开度也不尽相同，这就需要在同一位置使用不同粒度的有机-无机注浆材料(浆液)，同时为保障注浆效果需要动态调整注浆压力使得浆液能注入到不同开度的裂隙中去，即需要低-中-高压的不同粒度浆液的梯度注浆工艺，但是现有的注浆方式难以满足；第四，当浆液类型选择双液浆时，浆液都是在室外预先搅拌后再注入，此时双液浆虽然搅拌均匀，但过早的混合使浆液将导致浆液流动性降低；第五，在地下工程中往往使用锚杆(索)支护围岩，但无论是先注浆后上锚杆(索)还是先上锚杆(索)后注浆都使整个工序非常繁琐。以预应力注浆锚索为例，其施工全过程包括钻孔、清孔、安装锚索、注浆、上锚具、锚索张拉、封孔注浆，工序繁多，耗费人力物力。

3、因此，基于上述存在的技术问题，亟需研制一种既能够实现分类注浆、分段注浆、梯度注浆装置及其使用方法以精准修复围岩裂隙、加固破碎围岩，又能够现场即时混合浆液保证其流动性良好，还能够简化工序，使锚-注作业同时进行的注浆锚固装置，即一种集分类注浆、分段注浆、梯度注浆、即时混合功能于一身的注浆锚固装置以解决存在的工程技术难题，以实现“锚固—注浆”一体化作业。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种分类梯度注浆的锚注一体化装置及其使用方法，其不但能够实现分类注浆、分段注浆、梯度注浆以精准修复围岩裂隙、加固破碎围岩，又能够现场即时混合浆液保证其流动性良好，还能够简化工序，使锚-注作业同时进行。

2、技术方案：本发明的一种分类梯度注浆的锚注一体化装置，包括注浆锚杆，注浆锚杆的尾端通过螺纹连接有防滑丝螺母和托盘，注浆锚杆的其余部分为花管结构，注浆锚杆内设有控制注浆锚杆花管结构分段出浆的注浆管集成装置，注浆管集成装置外周沿轴线设置有距离刻度，用于判断注浆管集成装置推送到注浆锚杆中的相应位置，其尾端连接有注浆系统。

3、其中注浆锚杆为空心杆体结构，注浆锚杆内部轴向设有通孔，注浆锚杆端部设有密封塞，注浆锚杆侧壁上等间距开有多个与内部通孔连通的注浆孔，注浆锚杆的外侧间隔设有多个环形阻浆塞，环形阻浆塞的尺寸与锚孔匹配，多个环形阻浆塞将锚孔与注浆锚杆之间的空间进行分区隔离。

4、注浆管集成装置设置在注浆锚杆的通孔内，并根据需要能够在注浆锚杆的通孔内前后滑动，其中注浆管集成装置包括尺寸与注浆锚杆通孔尺寸匹配的束管筒，束管筒为多孔中空杆体，束管筒内分别轴向开有四条独立的管道通孔，包括气体注入孔、水泥浆液注浆孔、超细水泥浆液注浆孔和化学浆液注浆孔)，束管筒端头，阻浆体与注浆锚杆内通孔尺寸匹配，从而确保从束管筒的管道通孔中注入的物质被限制在束管筒端口与阻浆体之间，并通过束管筒端口与阻浆体之间注浆锚杆上的注浆孔进入锚孔与注浆锚杆之间的空间；由于锚孔与注浆锚杆之间的空间被环形阻浆塞分隔，从而确保锚孔内的分段注浆。

5、进一步，注浆锚杆各断面均匀布置3～5个注浆孔，每个注浆孔孔壁上均设有螺纹，根据需要通过其螺纹可扭转安装单向止流阀a，从而防止浆液回流。

6、进一步，注浆系统包括水泥浆液注浆池、超细水泥浆液注浆池、化学浆液注浆池以及多级加压气泵，其中多级加压气泵输出口通过三条注气管分别与水泥浆液注浆池、超细水泥浆液注浆池、化学浆液注浆池连接并提供气压，多级加压气泵输出口还通过气导管直接与束管筒上的气体注入孔连接，水泥浆液注浆池的出口通过水泥浆液注浆导管与束管筒上的水泥浆液注浆孔连接，超细水泥浆液注浆池通过超细水泥浆液注浆导管与束管筒上的超细水泥浆液注浆孔连接，化学浆液注浆池通过化学浆液注浆导管与束管筒上的化学浆液注浆孔连接；水泥浆液注浆孔、超细水泥浆液注浆孔和化学浆液注浆孔在浆液注口处均安装有单向止流阀b，目的是在择浆注入时，防止浆液进入其他注浆孔中。

7、进一步，所述多级加压气泵分别与水泥浆液注浆池、超细水泥浆液注浆池和化学浆液注浆池连接的注气管内设有开关止气阀。

8、进一步，水泥浆液注浆池和超细水泥浆液注浆池中设有螺旋搅拌器，用以现场将水和水泥/超细水泥即时搅拌成浆液，有助于实时控制浆液配比；水泥浆液注浆池和超细水泥浆液注浆池底部设有电动机箱，螺旋搅拌器底部固有驱动轴，驱动轴穿过水泥浆液注浆池和超细水泥浆液注浆池底部与电动机箱相连；水泥浆液注浆池、超细水泥浆液注浆池、化学浆液注浆池上均通过螺纹连接有可拆卸的密封盖，以保持气密性，从而在多级可控压力气体进入后，池中形成低-中-高压，从而使浆液流出扩散。

9、进一步，电动机箱为一矩形体结构，内部安装有两台电动机，通过旋转驱动轴驱动水泥浆液注浆池和超细水泥浆液注浆池中的螺旋搅拌器，电动机箱上设有电动机开关，用以控制两台电动机的开启与关闭。

10、所述水泥浆液注浆导管、超细水泥浆液注浆导管和化学浆液注浆导管分别与水泥浆液注浆池、超细水泥浆液注浆池和化学浆液注浆池的连接处均设有开关止浆阀和压力流量计，压力流量计实时监控各类注浆导管中的注浆压力及浆液流量。

11、进一步，单向止流阀a和单向止流阀b结构相同，均包括螺纹套筒和圆形阻盘，其中螺纹套筒一端通过平面三脚撑在圆心处滑动连接有不锈钢阀芯，不锈钢阀芯穿过平面三脚撑一端与圆形阻盘圆心处连接，不锈钢阀芯另一端设有螺母，螺母与平面三脚撑之间设有弹簧；当浆液注入时，浆液挤压圆形阻盘形成压力，此时圆形阻盘拉动不锈钢阀芯挤压弹簧，弹簧受力压缩，进而圆形阻盘与螺纹套筒拉开距离，形成开口，浆液流出扩散。

12、进一步，环形阻浆塞设有n-1个，将锚孔按环形阻浆塞分为区域i、区域ii、区域iii和区域n(n≥4)；当检测到；当检测到被环形阻浆塞划分的某个区域内多数裂隙为大裂隙时，则选取水泥浆液对该区域进行注浆加固，此时将注浆管集成装置根据周身布置的距离刻度推入到注浆锚杆中相应位置，打开注浆系统中所对应的开关止气阀和开关止浆阀，则可对大裂隙进行注浆加固，在改区域内形成水泥浆液胶结体；同理，当检测到任意区域内裂隙为中裂隙时，即裂隙开度符合注入超细水泥浆液加固标准，则应选取超细水泥浆液对该区域进行注浆加固，此时将注浆管集成装置推入到注浆锚杆中相应位置，打开注浆系统中所对应的开关止气阀和开关止浆阀，则可对中裂隙进行注浆形成超细水泥浆液胶结体；同理，当检测到某个区域内为小裂隙，则注入化学浆液，在该区域内形成超细水泥浆液胶结体。

13、一种分类梯度注浆的锚注一体化装置的使用方法，其步骤如下：

14、在围岩预先标定的位置施工钻锚孔，然后将单向止流阀a安装在注浆锚杆的注浆孔中，并且将环形阻浆塞沿注浆锚杆轴线合理间距环套安装在其周身外壁上；上述工作完成后，将注浆锚杆推送进入锚孔当中；

15、然后，将水泥浆液注浆导管、超细水泥浆液注浆导管、化学浆液注浆导管和气导管推入束管筒对应注浆孔中，并且在束管筒端部注浆口处安装好单向止流阀b；上述工作完成后，将注浆管集成装置推送到注浆锚杆中；

16、然后，将水泥和超细水泥分别加入水泥浆液注浆池、超细水泥浆液注浆池之中，通过电动机箱上的电动机开关启动电动机，进而驱动螺旋搅拌器，螺旋搅拌器会使水泥、超细水泥和水充分混合，将两种浆液搅拌均匀，螺旋搅拌器保持驱动状态，以保持水泥浆液和超细水泥浆液良好的流动性；现场将水和水泥/超细水泥即时搅拌成浆液，有助于实时控制浆液配比；最后将化学浆液注入化学浆液注浆池中，分别给注浆池安装好密封盖，上述工作完成后，启动多级加压气泵，实施注浆加固。待注入的浆液胶结后，在注浆锚杆外露于锚孔孔外的部分顺序安装托盘和防滑丝螺母；

17、在实际注浆过程中，当检测到被环形阻浆塞划分的某个区域的部分裂隙为大裂隙时，则应选取水泥浆液对该区域部分进行注浆加固，此时将注浆管集成装置根据周身沿轴线布置的距离刻度推入到注浆锚杆中相应位置，打开注浆系统中所对应的开关止气阀和开关止浆阀；

18、启动多级加压气泵向水泥浆液注浆池注入多级可控压力气体，在低-中-高压下水泥浆液通过水泥浆液注浆导管进入束管筒对应的水泥浆液注浆孔，在注浆口处通过单向止流阀b注入注浆锚杆中，水泥浆液在注浆锚杆中空通道中受阻浆体隔挡而形成隔离空间，进而从注浆锚杆周身设置的注浆孔中注出；在此过程中，多级可控压力气体通过气体注入孔吹出，能够清理注浆锚杆和单向止流阀a的残存浆液，起到清理整洁的作用；同理，当检测到区域i部分裂隙为中裂隙时(即裂隙开度符合注入超细水泥浆液加固标准)，则应选取超细水泥浆液对区域i部分进行注浆加固，此时将注浆管集成装置推入到注浆锚杆中相应位置，打开注浆系统中所对应的开关止气阀和开关止浆阀，则可对中裂隙进行注浆加固，当检测某区域为小裂隙，重复上述方法则注入化学浆液，对小裂隙进行加固；

19、如若检测到锚孔被环形阻浆塞划分的某个区域裂隙开度不均一，包括大裂隙、中裂隙、小裂隙，由锚孔表面向围岩深部裂隙开度递减，则应先注入化学浆液，化学浆液无黏性，流动无约束，再注入超细水泥浆液，最后注入水泥浆液，以此种注浆工艺流程实现梯度注浆：打开化学浆液注浆池所对应的开关止气阀和开关止浆阀，启动多级加压气泵，通过电动机的电动机开关调控压力，使化学浆液在中-高压下尽可能向内部的小裂隙进行填充，在化学浆液注入完毕后，关上化学浆液注浆池所对应的开关止气阀和开关止浆阀，打开超细水泥浆液注浆池所对应的开关止气阀和开关止浆阀，通过调控压力注入超细水泥浆液封堵区域内的中裂隙；在超细水泥浆液注入完毕后，再按照上述步骤注入水泥浆液封堵区域内的大裂隙。

20、有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明兼具有现场即时进行浆液混合和分段注浆、分类注浆、梯度注浆以精准修复围岩裂隙、加固破碎围岩和锚-注作业同时进行的功能，弥补了现有注浆方式注浆类别单一的缺点，弥补了大量注浆后浆液流失不知去向无法精准加固围岩的缺点，弥补了面对不同开度裂隙无法进行梯度注浆的缺点。利用环形阻浆塞对围岩和锚孔进行区域分段，以实现分段注浆；利用注浆系统内设有不同的注浆池，通过多级加压气泵向不同的注浆池注入多级可控压力气体以实现有机-无机浆液的分类注浆；利用注浆管集成装置可将连接注浆系统的不同注浆管组合起来，通过注浆系统的配合完成低-中-高压的不同粒度浆液的梯度注浆。所述装置集多种功能于一身，解决了现有注浆方式注浆类别单一的问题，解决了对不同开度裂隙无法有效注浆问题及现有注浆方法难以精准加固围岩和修复裂隙、加固围岩效果差的问题，实现了“锚固—注浆”一体化作业。本发明结构简单，功能稳定，工序简单，可极大得工作效率。