一种径向内膨胀增阻锚杆索支护装置及方法

本发明涉及岩土工程支护技术领域，尤其涉及一种径向内膨胀增阻锚杆索支护装置及方法。

背景技术：

锚索支护是地下工程岩体结构加固的重要组成部分，借助锚索的锚固作用，实现锚护结构与围岩体相互协调作用，强化地下空间的整体稳定性，为地下工程的安全施工提供足够的技术支撑。现阶段工程现场根据不同的支护需求，选取不同类别的锚杆形式，可以分为强度锚索、屈服锚索以及吸能锚索等。

传统的锚索支护结构为端锚或者全锚结构，在顶板岩层运移过程中极易发生锚固剂与岩体脱黏，导致锚索的锚固结构失效，尤其在高应力锚固区，单根锚索的锚固失效，极易引发连锁反应，造成工作面区域性支护失效，影响工作面安全，威胁工作面正常生产。

现有锚杆的膨胀效应主要针对材料进行展开，而借助锚索特有的韧性和高强特性，实现增阻摩擦效应，增强锚索支护效能，能够为工程应用提供更有效的支护材料，因此研究一种径向内膨胀增阻锚杆索支护方法及装置，是实现高性能锚固，增强单根锚索支护性能，构建地下空间安全结构的方法和技术。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种径向内膨胀增阻锚杆索支护装置及方法，能够实现高性能锚固，增强单根锚索支护性能，且结构精巧，施工速度快，具有自膨胀效应。当锚索受到拉力时，增阻片由内凸型结构趋于平面结构变化，锚索整体结构向外膨胀，增加与孔壁的摩擦作用，强化锚索的支护效应，增大锚索与围岩之间摩擦阻力，起到径向自增阻稳定效应。

一方面，本发明提供一种径向内膨胀增阻锚杆索支护装置，其特征在于，所述锚杆索支护装置包括一束钢绞线束，所述钢绞线束的一端依次穿过固定连接套、若干增阻片以及钢套管；所述钢绞线束与所述固定连接套、所述增阻片、所述钢套管均为固定连接；

所述钢绞线束的另一端设有托盘结构。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述增阻片为中空结构，整体呈内凸型片状。增阻片也可以是其他能够产生径向膨胀的结构，也可以是具有一定弹性的弹力件。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述增阻片的内凹面靠近设有托盘结构的一端。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述增阻片的厚度为2mm。增阻片设置间距为2mm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述托盘结构与所述钢绞线束固接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述托盘结构包括片状盘、外凸部和螺纹筒；所述片状盘、所述外凸部和所述螺纹筒依次连接；所述螺纹筒外套设有螺纹紧固件；所述螺纹紧固件可以是六角螺栓。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述片状盘、所述外凸部和所述螺纹筒依次连接的方式为焊接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述片状盘、所述外凸部和所述螺纹筒依次连接的方式为一体式连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述托盘结构与所述钢绞线束固接的方式为焊接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述托盘结构与所述固定连接套直接固接。

另一方面，本发明提供一种径向内膨胀增阻锚杆索支护装置使用方法，其特征在于，所述使用方法的步骤包括：

s1、在岩体中施工出若干钻孔；

s2、将锚固剂放入钻孔中；

s3、将锚杆索支护装置旋进钻孔中，同时对锚固剂起到搅拌以及将其推进钻孔底部的作用；

s4、根据预紧力要求设置锚杆索支护装置的张拉程度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，预紧力范围为100kn～200kn。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，钻孔孔径与锚杆索支护装置的径宽相匹配，且为24mm～32mm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，钻孔深度为l-20mm，其中，l为锚固段长度。锚固段指自托盘结构开始经固定连接套、若干增阻片以及钢套管的钢绞线束的长度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，l不小于1米。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

(1)实现径向自膨胀增阻效应，环向加压内阻增大，在受到巨大拉拔力作用通过自身膨胀卸压，同时增大抗拉力，避免了锚索锚固失效的发生；

(2)径向内膨胀增阻锚索装置借助围岩的运移环境，实现锚固装置与围岩结构的紧密配合，实现了锚护结构的整体锚固性能的发挥；

(3)锚索的直径和尺寸可以根据巷道围岩内部岩质分布而进行调整，便利了锚索结构的现场加工问题，减少了材料的浪费，对工程应用更加经济；

(4)螺纹筒通过内部焊接与钢绞线形成整体，通过外接托盘和螺母实现锚索的张拉预紧，增强了锚索支护的整体效能发挥。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的径向内膨胀增阻锚索正面整体结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的径向内膨胀增阻锚索侧面整体结构示意图；

图3是本发明一个实施例提供的径向内膨胀增阻锚索受力后侧面整体结构示意图；

图4是本发明一个实施例提供的径向内膨胀增阻锚索围岩剖面整体结构示意图；

图5是本发明一个实施例提供的径向内膨胀增阻锚索围岩受力剖面整体结构示意图；

图6是本发明一个实施例提供的径向内膨胀增阻锚索套筒、托盘、螺母的侧视图；

图7是本发明一个实施例提供的径向内膨胀增阻锚索托盘正视图；

图8(a)是本发明一个实施例提供的径向内膨胀增阻锚索增阻片截面图，图8(b)为立体图。

其中，图中：

1-钢套管，2-增阻片，3-钢绞线，4-固定连接套，5-托盘结构，5-1方形盘、5-2外凸部、5-3螺纹筒，5-4-六角螺栓。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

一种径向内膨胀增阻锚杆索支护装置，如图1-图3所示，包括钢套管1，若干增阻片2，钢绞线3，固定连接套4，托盘结构5。钢绞线3采用七股钢绞线平行相切集束。增阻片2为内凸型2mm厚度的薄片结构，内部为中空结构。钢绞线3依次从叠置的增阻片2中穿过并与增阻片2焊接相连。若干增阻片2依次叠加，层状分布在钢绞线锚固段。当锚索受到拉力，以钢绞线束为主体的锚索有向外部移动趋势，增阻片阻止锚索发生移动，增阻片由内凸型结构趋于平面结构进行变化，如图4-5所示，锚索整体结构环向膨胀，增加与孔壁的摩擦作用，强化锚索的支护效应。图4到图5岩体发生错动对锚索整体产生向外拉拔力，以钢绞线束为主体的锚索有向外部移动趋势，因为增阻片为内凸产生阻力，故受力拉力后增阻片由内凸型结构趋于平面结构进行变化，如图4-5所示，锚索整体结构环向膨胀。增阻片向岩体内部为内凸型。

钢套管1将钢绞线3上端部密封紧固。固定连接套4将钢绞线3尾端紧固住，紧固方式为焊接。如图6-图7所示，托盘结构5包括方形盘5-1、外凸部5-2、螺纹筒5-3和六角螺栓5-4，方形盘5-1、外凸部5-2和螺纹筒5-3依次连接，六角螺栓5-4位于钢绞线下端部通过螺纹与螺纹筒5-3紧密连接。

钢套管1纵向尺寸较小将钢绞线3上端部通过焊接密封紧固，将七股钢绞线包裹固定增加整体性抗拉拔性能。如图8所示，增阻片2为内凸型2mm厚度的薄片结构，增阻片设置间距为2mm，钢绞线3从中穿过并焊接相连，增阻片2相互叠加，层状分布在钢绞线锚固段，当锚索受到拉力，增阻片由内凸型结构趋于平面结构变化，锚索整体结构向外膨胀，增加与孔壁的摩擦作用，强化锚索的支护效应，增大锚索与围岩之间摩擦阻力，起到径向自增阻稳定效应。

钢绞线3采用七股钢绞线平行相切集束，穿过增阻片2内部通过焊接，两者相互固定而成，增大锚索之间的稳定性，锚固段与增阻片2非连接区域为中空，目的在于增加锚索缓冲吸能作用。非连接区域是指相邻增阻片之间的空间区域。

固定连接套4将钢绞线3尾端焊接与钢套管1共同作用将七股钢绞线整体握裹，上端下端同时固定，增加锚索整体性。

托盘结构5分为方形盘5-1、外凸部5-2和螺纹筒5-3，正方形盘5-1施工时在围岩体外部与固定连接套4无缝相连，六角螺栓5-4与螺纹筒通过螺纹相接，外凸部5-2与六角螺栓5-4紧密固定，当受拉力过大时外凸部5-2发生时向围岩内部变形起到缓冲作用。

本发明增阻内膨胀抗拉拔作用原理为:

当地下岩体结构发生运移变形，锚索结构受到径向拉拔力，具有随围岩运移的趋势，内凸型增阻片2相互叠加，均匀层状分布在钢绞线锚固段，阻碍滑动吸收岩体运移的能量而发生变形，增阻片2由非对称内凸型向趋于平面结构发展，此时增阻片2在水平方向扩展，具备径向自膨胀效应，锚索整体膨胀体积增大，增加与孔壁的摩擦作用，强化锚护效果，此时能够承受更大的拉拔力、摩擦力，因此锚索整体结构发生体积膨胀现象，使锚索在受到冲击地压的情况下，通过内膨胀增阻效应，保持自身结构不被破坏，避免锚索锚护失效的现象发生，能够实现岩层控制的长期锚固，维护支护结构整体稳定性。

径向内膨胀增阻锚杆索支护方法的步骤包括：

步骤1、在岩体中施工孔径为24mm～32mm钻孔，钻孔深度为锚索长度l+20mm,为端部预紧张拉留出端头空余量，并保证锚索深入稳定岩层不小于1.0米，锚索长度范围4-6m；锚索长度是指方形盘5-1到锚索上端部的长度，锚索上端部即为插入钻孔的一端。

步骤2、将锚固剂依次放入钻孔中，将锚索顶住锚固剂，借助锚索将锚固剂顶入钻孔内；

步骤3、依次安装托盘结构和六角螺母，利用锚杆钻机旋转带动锚索转动，并将锚固剂搅拌均匀，直至旋转至钻孔底部；

步骤4、借助锚杆钻机对锚索进行安装，并按照设计预紧力进行锚索张拉，预紧力为100kn～200kn；

步骤5、退下锚杆钻机，重复步骤1～4施工下一根锚索。

本发明提供的径向内膨胀增阻锚杆索支护方法及装置，适用于岩土工程锚索支护领域，可在隧道、矿山等地下工程中断面支护时使用。

以上对本申请实施例所提供的一种径向内膨胀增阻锚杆索支护装置及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，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申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。