一种孔口释能让压的中空锚杆及其施工方法与流程

本发明属于岩土锚固和工程支护技术领域，尤其是涉及一种孔口释能让压的中空锚杆及其施工方法。

背景技术：

中空注浆锚杆是以一根中空管子作为锚杆体的锚杆。与实心锚杆相比，因为中空管子可以作为注浆通道使用的特点，对需要用水泥浆等无机材料作为锚杆后期粘结锚固具有很多优点；例如实心锚杆采用先注水泥浆再插入锚杆的先注后锚方式，锚杆就不能太长，例如超过3m，注浆饱满度就不足，影响质量；如果实心锚杆采用树脂锚固剂进行化学锚固，往往近近在锚杆底部1m左右的锚固，后端往往是没有注浆保护，一般在矿山巷道工程中作为矿用锚杆使用，且树脂锚固因为有机材料，其锚固性能的耐久性还是不如水泥锚固材料。而中空注浆锚杆可以先锚后注浆的方式，形成全长粘结的锚杆，具有很多优点。

申请号为200310108547.6的中国专利文献提出了涨壳式中空注浆锚杆的技术方案，利用锚尾部安装涨壳锚固头，可预应力后再注浆，将锚杆孔全部注浆成为锚杆全长粘结锚杆。

申请号为02112233.4的中国专利文献提出了将中空杆体与实心杆体组合的分段式中空注浆锚杆，实心杆体在锚杆尾部、采用早强锚固药卷作为端部锚固，而中空杆体在头段部，也同样可以预应力后采用后注浆成为全粘结锚杆。

对于利用中空杆体作为让压锚杆解决在高地应力引起的大变形地质条件下的支护问题还不多见。现有技术多见钢绞线为杆体的锚索和实心锚杆。例如美国专利(us005882148)“一种岩石让压支护装置apparatusforyieldingsupportofrock”，为一种套筒式让压锚杆，该技术也是包括一个摩擦套筒穿在杆体一端部，并包括外螺母、垫板等锚杆配件。其核心是杆体的一端带有一个或多个可以受力后屈服压缩变形的螺纹管，并内置入让压套筒。该锚杆孔底段采用树脂药卷锚固，其它部位无注浆粘结。

因此，为了使锚杆支护能满足长期耐久性问题，亟需设计一种适用于大变形地质条件下支护的中空注浆锚杆。

技术实现要素：

本发明提供了一种孔口释能让压的中空锚杆，具有可张拉预应力的快速形成支护力，具有让压滑移性能可吸收地层释放的能量，提高锚杆安全性和预定控制地层变形和围岩稳定的能力，同时注浆粘结性能使锚杆的支护具有长期耐久性。

一种孔口释能让压的中空锚杆，包括中空杆体、锚头、让压套筒和支承垫板，所述让压套筒后部的外部与支承垫板配合，内部设有内滑件；

所述的内滑件与让压套筒的内螺纹挤压配合；所述的中空杆体依次穿过内滑件和让压套筒后与锚头连接；所述的中空杆体与内滑件固定。

本发明的锚杆，在孔口设置让压套筒，与中空杆体和内滑件配合，具有可控的恒阻滑移功能来吸收高应力的能量释放，以解决地下工程围岩大变形问题；同时，中空杆体可注浆的功能，使锚杆的支护具有长期耐久性。

作为优选，所述的内滑件为外壁光面的钢质直短管，其强度和硬度均高于让压套筒。所述内滑件的洛氏硬度(hrc)比所述让压套筒的其高出值范围在10～30之间。

所述的内滑件的外壁光面，应理解为不出现凹凸不平的、无规则的表面纹理，其刻意的和有限的凹槽、凸键或销应视为光面，属于本发明范围。

所述为直短管，应理解为非楔形的柱体管，柱体长度不超过截面等效外直径的5倍。作为优选所述的内滑件为等外径的直圆钢管；其优点是内滑件对所述的让压套筒内螺纹产生挤压变形作用而在套筒内发生纵向滑移时，让压套筒本身横向变形较小，这样防止让压套筒横向过多变形时，对锚杆注浆粘结层影响。

中空杆体与内滑件固定配合，内滑件的长度相对于让压套筒的长度来说比较短，在内滑件在受轴向力达到预定值后，能够在让压套筒的内孔中从其后端向前端滑移，其滑移力值即为恒阻滑移的让压力，其滑移长度即为让压长度。所述的中空杆体可以与内滑件螺纹固定，或者中空杆体与内滑件一体成型。

中空杆体与让压套筒的内螺纹之间有空隙，使得中空杆体可以在让压套筒内自由滑动。

为了防止杆体带动内滑件滑移过大而脱离让压套筒，造成锚杆的功能失效，所述让压套筒的前端或者中空杆体的后部设有制动螺母。

当中空杆体的后部设有制动螺母时，所述制动螺母与让压套筒之间的中空杆体外表面设有刻度尺。刻度尺用于锚杆工作状态的作滑移量标定，通过设置刻度尺，可以精确获取锚杆的滑移长度。

为了提高锚杆的锚固力，所述让压套筒的外表面为螺纹面或者粗糙面。

本发明的锚杆在孔底的锚固方式可以采用涨壳头或锚固剂(如树脂药卷)。

当锚固方式采用涨壳头时，所述的锚头为涨壳式锚固头。

当锚固方式采用锚固剂时，即采用药卷式锚头，所述的锚头为带搅拌装置的实心杆，所述中空杆体的前部通过连接套筒与实心杆连接，所述的连接套筒上设有与中空杆体内腔联通的通孔。

所述的中空杆体表面设有防粘结隔离层，所述的防粘结隔离层为蜡涂层、沥青涂层、氟碳涂层或塑料套管。

本发明还提供了孔口释能让压的中空锚杆的施工方法，包括以下步骤：

(1)在岩石表面上钻入一个与锚杆长度匹配的锚杆孔。

(2)将带有锚头的杆体与让压装置安装为一体，分两种情况：一是如采用涨壳式锚头时，将其插入孔底，并用工具使涨壳式锚固头张开与岩体锚固，形成锚固力。二是如采用药卷式锚头时，先在孔中插入树脂药卷，再将带有搅拌装置的锚杆插入孔中，搅拌树脂药卷使其与杆体和岩石孔充分固结形成锚固力。

(3)安装其余锚杆配件，包括支承垫板和锁定螺母；

(4)张拉杆体形成预应力，当达到预定的锁定力时拧紧锁定螺母。张拉力必须低于让压套筒与内滑件之间的最小让压力。如某些场合不需要预应力时，可不张拉锚杆，直接拧紧螺母即可。

(5)如必要时对锚杆孔注浆：当锚杆受力产生让压滑移到预定位置后，向锚杆注浆，使锚杆孔内空隙全部填满如水泥为主等无机浆体，使锚杆全粘结锚固，完成锚杆的安装。

或者当杆体设置防粘结隔离层时，锁定螺母后立即注浆使锚杆孔充满注浆体，锚杆安装完成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过在孔口设置让压套筒，与中空杆体和内滑件配合，让压套筒装置的让压性能具有使锚杆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，提高锚杆安全性和预定控制地层变形和围岩稳定的能力；

(2)本发明装置的锚杆，前端配合涨壳式锚头或药卷式锚头时可迅速形成锚杆支护力，同时可以张拉锚杆产生预应力来控制初期变形；

(3)专门的刻度尺设计可以方便获取锚杆的让压滑移值；

(4)专门的锚杆注浆通道设计，能够提供全长注浆使锚杆与地层全粘结，提高长期工作的耐久性；

(5)专门的杆体隔离层设计，可以实现锚定、注浆一体化完成，实现全粘结下锚杆发挥让压功能；

(6)锚杆结构总体简单成本较低。

附图说明

图1为本发明第一种实施例的结构示意图；

图2为第一种实施例让压滑移完成后的工作状态示意图；

图3为本发明第二种实施例的结构示意图；

图4为第二种实施例让压滑移完成后的工作状态示意图。

具体实施方式

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。

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。

实施例1

如图1～2所示，一种孔口释能让压的中空锚杆，包括中空杆体1、让压套筒2、锁定螺母4、支承垫板5、制动螺母6。

让压套筒2后部的外部与支承垫板5配合，内部设有内滑件3；让压套筒2设有内螺纹，内滑件3与让压套筒2的内螺纹挤压配合，构成恒阻让压装置。中空杆体1依次穿过内滑件3和让压套筒2后与锚头连接，中空杆体1与内滑件3固定配合。

本实施例中，中空杆体1在靠近后端面11的位置设有制动螺母6，让压套筒2的后部安装支承垫板5和锁定螺母4。

中空杆体1为一根细长的中空直圆杆体，至少在靠近后端的一段有螺纹外表面，用于分别与制动螺母6和内滑件3螺纹固定。

内滑件3可以与中空杆体1螺纹固定，也可以与中空杆体1一体成型。一体成型时，相当于中空杆体1在内滑件的位置设有一个外径扩大的墩头。

如图2所示，让压套筒2是一个具有螺纹内壁的金属直圆管，有前端面22和后端面21。内滑件3为一段具有外壁光面的钢制直短管，作为优选，为一段光面的等截面直圆管，其强度、硬度高于让压套筒2。所述内滑件的洛氏硬度(hrc)比所述让压套筒的其高出值范围在10～30之间。

所述的内滑件3的外壁光面，应理解为不出现凹凸不平的、无规则的表面纹理，其刻意的和有限的凹槽、凸键或销应视为光面。

所述为直短管，应理解为非楔形的柱体管，柱体长度不超过截面等效外直径的5倍；作为优选所述的内滑件为等外径的直园钢管；其优点是内滑件对所述的让压套筒内螺纹产生挤压变形作用而在套筒内发生纵向滑移时，让压套筒本身横向变形较小，这样防止让压套筒横向过多变形时，对锚杆注浆粘结层影响。

本发明的恒阻让压装置是以过盈配合方式将内滑件3组装在让压套筒2的后端面21的孔内成为一体装置。内滑件3在受轴向力达到预定值后，能够在让压套筒2的内孔20中从其后端面21向前端面22滑移，其滑移力值即为恒阻滑移的让压力，其滑移长度即为让压长度。

制动螺母6与让压套筒2的后端面21之间有间隔长度12，标有刻度标尺，刻度标尺用锚杆工作状态的作滑移量标定；间隔长度12即为最大让压滑移长度。制动螺母6的作用为防止中空杆体1带动内滑件3滑移过大而脱离上述的让压套筒2，造成锚杆的功能失效。

本发明锚杆的让压工作原理为：中空杆体1在承受拉力荷载时，让压套筒2中的内滑件3传力给让压套筒2；让压套筒2后端与锁定螺母4配合，并通过支承垫板5将荷载传递到岩土支承面起支护作用。当内滑件3承受拉力荷载超过额定力时，中空杆体1带动内滑件3在让压套筒2内孔中向其前端面22方向滑移伸长；随着滑移量增加，制动螺母6与让压套筒2之间的间隔长度12不断缩短，最终使制动螺母6与让压套筒2的后端面21密贴，滑移停止，达到释能和控制围岩稳定作用。

中空杆体1在锚杆孔底的内锚方式可采用涨壳头或锚固剂(如树脂药卷)锚固。如图1所示，为采用涨壳头锚固的情况，在中空杆体1的前端安装涨壳锚固头80，可采用现有技术方案如中国专利文献cn1544798a提出的涨壳锚固头方案，该结构有注浆排气通道。

如图3所示，为采用锚固剂锚固的情况，中空杆体1通过连接套筒91与实心杆体1a连接，实心杆体1a的纵向带有多个凸轮状搅拌装置，构成锚固剂的锚固段90。连接套筒91的外壁有注浆排气孔92，注浆排气孔92与中空杆体1的内腔10内外连通，形成注浆排气通道。

作为优选，让压滑移未发生前，如需要锚注一次完成时，中空杆体1表面上设防粘结隔离层，以达到让压时的滑移，防粘结隔离层包括蜡、沥青涂层、氟碳涂层、塑料套管等。

实施例2

作为对本发明实施例2的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。

如图3～4所示，中空杆体1的后端面11的露头较短；同时制动螺母6设置在让压套筒2的前端面22并与其配合，防止中空杆体1带动内滑件3脱离让压套筒2。这样中空杆体1后端面11可以滑移入让压套筒2内，起隐藏中空杆体作用。

锚杆尺寸参数举例(按铁标tbt3356-2014)：

1、让压套筒(外径/壁厚mm)：φ45/4.5,材质q420

2、中空杆体(外径/壁厚mm)：φ25/5,材质q420

3、实心杆体：φ22，材质hrb400

4、锚杆孔：φ51mm

在实际应用中，上述两种实施可以共同配合使用，如在地下工程硐室中，第一种实施例的外露的间隔长度12可设置刻度尺，作为评定洞室让压变形的程度，而第二实施例中空杆体在工作状态隐藏在让压套筒内，有利洞室其它工序施工，所以可以配合使用成为一种工法。

本发明孔口释能让压的中空锚杆的施工方法，包括以下步骤：

第一步：钻孔。在岩石表面上钻入一个与锚杆长度匹配的锚杆孔。

第二步：插入杆体进行孔底端锚。将杆体1与恒阻让压装置安装为一体，分两种情况。一是如采用涨壳式锚头时，将带有涨壳锚固头的杆体插入孔底，并用工具使涨壳锚固头张开与岩体锚固，形成锚固力。二是如采用药卷式锚头时，先在孔中插入树脂药卷，再将带有搅拌装置的锚杆插入孔中，搅拌树脂药卷使其与杆体和岩石孔充分固结形成锚固力。

第三步：安装其余锚杆配件，包括支承垫板5和锁定螺母4；

第四步：张拉锚杆，形成预定的预应力。采用张拉工具张拉杆体，达到预定的锁定力时拧紧锁定螺母4，张拉力必须低于让压套筒与内滑件之间的最小让压力，一般为最小让压力的0.7倍左右。如某些场合不需要预应力时，可不张拉锚杆，直接拧紧螺母即可。

第五步：锚杆让压产生恒阻滑移。

第六步：如必要时对锚杆孔注浆：当锚杆受力产生让压滑移到预定位置后，向锚杆注浆，使锚杆孔内空隙全部填满如水泥为主等无机浆体，使锚杆全粘结锚固，完成锚杆的安装。

或者当杆体设置防粘结隔离层时，锁定螺母后立即注浆使锚杆孔充满注浆体，锚杆安装完成。

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。