CN110821539A - 一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，包括辅助套管、吸能杆体和轴承，吸能杆体的第一端部连接锚头，吸能杆体的第二端部还轴向连接轴承，辅助套管套接吸能杆体外侧；所述吸能杆体在受到围岩作用的拉力时扭转，产生相对角位移，轴承设有刻度以用于显示产生的相对角位移的大小；其中，所述锚头的一端膨大形成膨大端，锚头的外侧还套接膨胀壳，膨胀壳的外侧螺纹连接辅助套管。本发明使用能够监测围岩变形功能的高强度吸能锚杆，以发挥围岩自承载能力，并控制、监测围岩的变形和破坏。

Description

一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆及其施工方法

技术领域

本发明涉及锚杆支护领域，具体的，涉及一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆及其施工方法。

背景技术

随着地下工程埋深的不断增加，原岩应力不断增大，这时围岩在高地应力条件下常常发生围岩大变形、岩爆、冒顶与片帮等灾害。锚杆是一种应用较为广泛的支护构件，已有一百多年的使用历史，锚杆支护可显著改善围岩承载并提高其稳定性,因此广泛应用于矿山、隧道等各类岩土工程领域。

目前，在地下工程中常常采用普通刚性锚杆，发明人认为，随着地下工程逐步向深部发展，围岩所处应力环境日趋复杂，软岩隧道围岩变形量可以达到200～500mm，远远超过普通锚杆杆体的变形控制范围；高应力条件下硬岩隧道围岩变形较小，通常只有20～65mm，但对支护强度或抗压吸能的要求高，普通锚杆容易发生断裂失效；普通锚杆由于其刚度太大、抗压变形性能差等原因，在深部环境中难以适应高地应力或较大的围岩变形的支护要求。

深部围岩支护的理想锚杆既要有较高的支护强度，又要有良好的抗压变形能力，这一原则适用于软岩和硬岩巷道。同时，在锚杆支护施加后也应该时刻监测围岩变形情况，防范于未然，保证施工和运营期间隧道的安全。

发明内容

针对现有的锚杆支护体系在深部环境中难以适应高地应力或较大的围岩变形的支护要求的不足，本发明旨在提供一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆及其施工方法，其具有变形抗压能力，使用能够监测围岩变形功能的高强度吸能锚杆，以发挥围岩自承载能力，并控制、监测围岩的变形和破坏。

本发明的第一目的，是提供一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆。

本发明的第二目的，是提供一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆的施工方法。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

第一方面，本发明公开了一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，包括辅助套管、吸能杆体和轴承，吸能杆体的第一端部连接锚头，吸能杆体的第二端部还轴向连接轴承，辅助套管套接吸能杆体外侧；所述吸能杆体在受到围岩作用的拉力时扭转，产生相对角位移，轴承设有刻度以用于显示产生的相对角位移的大小；

其中，所述锚头的一端膨大形成膨大端，锚头的外侧还套接膨胀壳，膨胀壳的外侧螺纹连接辅助套管。

进一步，所述辅助套管端部内侧具有螺纹，所述辅助套管与所述的膨胀壳螺纹连接，所述辅助套管的内径大于所述吸能杆体的直径。

进一步，还包括托盘和紧固螺母，托盘套接于所述吸能杆体外侧，托盘的第一侧能够与所述辅助套管抵接，托盘的第二侧能够与所述轴承抵接，紧固螺母与所述吸能杆体的第二端部螺纹连接，所述轴承位于托盘和紧固螺母之间。

进一步，所述紧固螺母的第二侧具有标记。

进一步，所述锚头的膨大端呈圆台状。

进一步，所述膨胀壳呈管桩，所述膨胀壳包括一体成型的第一段和第二段，所述膨胀壳的第一段具有多个起始于膨胀壳第一端面的切口，所述膨胀壳的第二段的外侧具有起始于膨胀壳的第二端面的外螺纹。

进一步，所述吸能杆体呈麻花状，在受围岩拉力时吸能杆体会沿与麻花状成型时相反的扭转方向发生扭转变形，产生相对角位移。

进一步，所述吸能杆体包括第一杆段、第二杆端和第三杆端，第一杆段、第二杆端和第三杆端均沿其中轴线扭转。

进一步，所述轴承的外圈侧面圆环上设置刻度，以显示锚杆产生的相对角位移大小，估测围岩位移量。

第二方面，本发明还公开了一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆的施工方法，包括以下步骤：

开孔；

清孔；

将辅助套管与锚杆膨胀壳套接后，放入孔中，在钻孔外固定辅助套管，旋转锚杆杆体，使辅助套管与膨胀壳套接，膨大端挤压进入膨胀壳内，使膨胀壳体积增大，挤压钻孔壁，固定锚杆；

使辅助套管从锚杆杆体上脱落并回收；

注浆；

将轴承安装至吸能杆体，并在轴承标记零刻度线；

监控刻度变化，以相应的相对角位移估测围岩变形量，达到检测目的。

进一步，将轴承使用紧固螺母安装至吸能杆体后，轴承零刻度线对准紧固螺母以作为标记。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

1)本发明通过设置膨胀式端头，物理挤压深部稳定岩体来固定锚杆，又有注浆浆液二次充填固定，保证锚杆不会在重力作用下发生脱落。

2)本发明设计一种麻花状的吸能锚杆杆体，这种设计能够允许围岩发生限制性的变形，并吸收围岩的变形能量，达到抗压效果，控制围岩产生过大的变形。

3)通过吸能杆体在围岩变形时受拉力作用，会产生相对角位移的原理，利用轴承与紧固螺母上的指针与刻度的变化，以相应的相对角位移估测围岩变形量，达到监测围岩变形的目的。

4)总的来说，本发明能够适用于高地应力工程环境，在施作完成后，允许围岩限制性地变形，通过自身杆体的受力伸长来吸收岩体的变形能量，充分发挥围岩的自承能力，保证围岩稳定，并在此过程中，完成对围岩变形量的估测，监测围岩变形。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例1的锚杆结构示意图，

图2为实施例1的膨胀壳结构示意图，

图3为实施例1的托盘、轴承和紧固螺母侧视结构示意图，

图4为实施例1的含有锚杆与辅助套管的施工示意图。

其中：1、膨胀壳，2、膨大端，3、第一螺纹段，4、吸能杆体，5、第二螺纹段，6、托盘，7、轴承，8、紧固螺母，9、外圈刻度，10、轴承外圈，11、滚动体，12、轴承内圈，13、辅助套管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，针对现有的锚杆支护体系在深部环境中难以适应高地应力或较大的围岩变形的支护要求的不足，本发明旨在提供一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆及其施工方法，其具有变形抗压能力，使用能够监测围岩变形功能的高强度吸能锚杆，以发挥围岩自承载能力，并控制、监测围岩的变形和破坏，现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

首先需要说明的是，本实施例中的第一侧是指如图1或图4中的左侧，本实施例中的第二侧是指如图1或图4中的右侧，本实施例中的第一端部为如图1或图4中左侧的端部，本实施例中的第二端部为如图1或图4中右侧的端部，第一螺纹段为如图1或图4中左侧的螺纹段，第二螺纹段为如图1或图4中右侧的螺纹段。

如图1、图4所示，一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，包括辅助套管13、锚头、吸能杆体4、轴承7、托盘6、紧固螺母8，其中锚头包括膨胀壳1以及锚头本体，锚头本体具有膨大端2，锚头本体设有第一螺纹段3，吸能杆体4的端部设有第二螺纹段5。吸能杆体4的第一端部连接锚头，吸能杆体于锚头主体一体成型，吸能杆体5的第二端部还轴向连接轴承7，辅助套管13套接吸能杆体4外侧；所述吸能杆体4在受到围岩作用的拉力时扭转，产生相对角位移，轴承7设有刻度以用于显示产生的相对角位移的大小；

可以理解的是，本实施例中，为了便于施工，辅助套管13与锚头之间、锚头与吸能杆体4之间、轴承7与吸能杆体4之间均使用螺纹连接。

所述辅助套管13端部内侧具有螺纹，所述辅助套管13与所述的膨胀壳1螺纹连接，所述辅助套管13的内径大于所述吸能杆体4的直径。

具体的，如图1、图2所示，膨大端2与第一螺纹段3是锚头本体的一部分，锚头本体为一体式结构，膨胀壳1内侧与外侧均有螺纹，膨胀壳1的内侧螺纹与第一螺纹段3相契合，膨胀壳1的外侧螺纹与辅助套管13螺纹相契合。

如图1所示，所述吸能杆体4采用3段圆截面钢筋扭转成型，呈麻花状，在受围岩拉力时吸能杆体会沿与麻花状成型时相反的扭转方向发生扭转变形，产生相对角位移，达到允许围岩发生有限变形，吸收变性能量的目的。

如图1、图2所示，所述膨胀壳1内侧有与第一螺纹段3相契合的螺纹，保证两者能够准确旋进咬合。所述膨胀壳1在锚杆未使用时，直径与膨大端2的直径相同，在使用时第一螺纹段3与膨胀壳1内侧的螺纹旋进咬合，膨胀壳1向膨大端移动，体积增大，挤压钻孔壁，固定锚杆。

如图1、图3所示，所述轴承7的内圈12内侧有与第二螺纹段5相契合的螺纹，保证两者能够准确旋进咬合，进而使轴承7套接于吸能杆体4,；所述轴承的外圈10侧面圆环上设置刻度9，以显示锚杆产生的相对角位移大小，估测围岩位移量。

如图1、图3所示，托盘6套接于所述吸能杆体4外侧，托盘6的第一侧能够与所述辅助套管1抵接，托盘6的第二侧能够与所述轴承7抵接，紧固螺母8与所述吸能杆体4的第二螺纹段连接，所述轴承7位于托盘6和紧固螺母8之间。更为具体的，所述紧固螺母8尺寸与轴承内圈12直径相同，通过垫片挤压在轴承内圈12上，不接触轴承外圈10，避免对轴承滚动体11的移动产生干扰。所述紧固螺母8上具有明显的红色标记，锚杆发生相对角位移时红色标记会沿轴承外圈10上的刻度9移动，以估测围岩变形。

由膨大端2、第一螺纹段3、吸能杆体4、第二螺纹段5构成的一体式锚杆采用冷轧钢材料，保证有较高的变形特性，避免受力就发生脆性破坏。

如图1、图4所示，所述第一螺纹段3与第二螺纹段5的螺纹均为左旋进方向，以使锚杆在旋进时不会产生松弛，并在锚杆制造过程中确定标准。

如图4所示，所述辅助套管13一端内侧具有螺纹，内径稍大于杆体直径。所述辅助套管13与锚杆膨胀壳1以螺纹旋进咬合后，放置在钻孔中，调整好位置后在钻孔外固定辅助套管13，在旋转锚杆杆体时能够固定膨胀壳1，使膨胀壳1与第一螺纹段3旋进咬合，膨胀壳1体积增大，撑紧钻孔壁。

所述轴承7的滚动体两侧可以安装防尘盖，避免隧道内粉尘附着。

所述轴承7采用高强度材料制成，以承受较高的压力，不发生变形破坏，保证较准确地显示、估测围岩位移。

所述第一螺纹段与第二螺纹段的螺纹均为左旋进方向，以使锚杆在旋进时不会产生松弛，并在锚杆制造过程中确定标准。

所述前螺纹段与后螺纹段易产生应力集中，此处进行强化热处理以增加其强度。

实施例2

实施例2公开了一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆的施工方法，包括以下步骤：

1)采用合适的钻头开孔，孔径稍大于锚杆扩大端直径，然后清孔，保证孔中无岩渣残留；

2)将辅助套管与锚杆膨胀壳以螺纹旋进咬合后，放置在钻孔中，调整好位置后在钻孔外固定辅助套管，旋转锚杆杆体，使第一螺纹段与膨胀壳旋进咬合，扩大端挤压进入膨胀壳内，使膨胀壳体积增大，挤压钻孔壁，固定锚杆；

3)锚杆固定完成后，逆向旋转辅助套管，使辅助套管从锚杆杆体上脱落并回收，供下一次锚杆安装工作时重复使用；

4)根据设计方案决定进行注浆工作；然后，安装托盘，使轴承与后螺纹段旋进咬合紧密，再安装垫片与紧固螺母，使轴承内圈与紧固螺母、锚杆杆体紧密挤压为整体，此时会将轴承外圈挤压在托盘上，使轴承外圈不发生转动；并使紧固螺母上红色标记指着轴承外圈上的0刻度线，标记初始值。

5)施工完成后，随时监控刻度变化，以相应的相对角位移估测围岩变形量，达到检测目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，其特征在于，包括辅助套管、吸能杆体和轴承，吸能杆体的第一端部连接锚头，吸能杆体的第二端部还轴向连接轴承，辅助套管套接吸能杆体外侧；所述吸能杆体在受到围岩作用的拉力时扭转，产生相对角位移，轴承设有刻度以用于显示产生的相对角位移的大小；

其中，所述锚头的一端膨大形成膨大端，锚头的外侧还套接膨胀壳，膨胀壳的外侧螺纹连接辅助套管。

2.如权利要求1所述的具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，其特征在于，所述辅助套管端部内侧具有螺纹，所述辅助套管与所述的膨胀壳螺纹连接，所述辅助套管的内径大于所述吸能杆体的直径。

3.如权利要求1所述的具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，其特征在于，还包括托盘和紧固螺母，托盘套接于所述吸能杆体外侧，托盘的第一侧能够与所述辅助套管抵接，托盘的第二侧能够与所述轴承抵接，紧固螺母与所述吸能杆体的第二端部螺纹连接，所述轴承位于托盘和紧固螺母之间。

4.如权利要求3所述的具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，其特征在于，所述紧固螺母的第二侧具有标记。

5.如权利要求1所述的具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，其特征在于，所述锚头的膨大端呈圆台状。

6.如权利要求1所述的具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，其特征在于，所述膨胀壳呈管桩，所述膨胀壳包括一体成型的第一段和第二段，所述膨胀壳的第一段具有多个起始于膨胀壳第一端面的切口，所述膨胀壳的第二段的外侧具有起始于膨胀壳的第二端面的外螺纹。

7.如权利要求1所述的具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，其特征在于，所述吸能杆体呈麻花状，在受围岩拉力时吸能杆体会沿与麻花状成型时相反的扭转方向发生扭转变形，产生相对角位移。

8.如权利要求7所述的具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，其特征在于，所述吸能杆体包括第一杆段、第二杆端和第三杆端，第一杆段、第二杆端和第三杆端均沿其中轴线扭转。

9.如权利要求1所述的具有监测围岩变形功能的吸能锚杆，其特征在于，所述轴承的外圈侧面圆环上设置刻度，以显示锚杆产生的相对角位移大小，估测围岩位移量。

10.如权利要求1～9任意一项所述的具有监测围岩变形功能的吸能锚杆的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

开孔；

清孔；

将辅助套管与锚杆膨胀壳套接后，放入孔中，在钻孔外固定辅助套管，旋转锚杆杆体，使辅助套管与膨胀壳套接，膨大端挤压进入膨胀壳内，使膨胀壳体积增大，挤压钻孔壁，固定锚杆；

使辅助套管从锚杆杆体上脱落并回收；

注浆；

将轴承安装至吸能杆体，并在轴承标记零刻度线；

监控刻度变化，以相应的相对角位移估测围岩变形量，达到检测目的。

11.如权利要求10所述的具有监测围岩变形功能的吸能锚杆的施工方法，其特征在于，将轴承使用紧固螺母安装至吸能杆体后，轴承零刻度线对准紧固螺母上的标记。

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