CN115853566A - 预制式隧道预应力锚杆及其制作方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种预制式隧道预应力锚杆及其制作方法和使用方法，所述锚杆包括锚杆杆体，所述锚杆杆体包括依次设置的无约束段和预应力段；所述预应力段的锚杆杆体外套设有钢套管，所述钢套管上开设孔眼，所述钢套管与所述锚杆杆体之间设有填充材料，所述填充材料经在张拉台座上对锚杆杆体施加预应力后从所述孔眼填入，所述填充材料为通电后材料结构即被破坏的材料；所述钢套管的两端设有套筒，所述套筒的开口内设有用于堵封的止浆塞。本发明的预应力锚杆可以在现场直接安装使用，将填充材料结构破坏后预应力即可施加，无特殊装备需求，操作简便，预应力状态保持较好。

Description

预制式隧道预应力锚杆及其制作方法和使用方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程技术领域，具体地，涉及一种预制式隧道预应力锚杆及其制作方法和使用方法。

背景技术

当前，我国正从“交通大国”向“交通强国”迈进，交通行业蓬勃发展，隧道工程建设成绩举世瞩目，随着我们向更高层次的提升，隧道建设中面临的问题愈加突出，诸如断层、软岩、膨胀岩、采空区、岩溶等，隧道结构安全面临重大挑战。锚杆作为隧道支护结构中的一部分，在技术、经济方面有着巨大的优越性，而且可适用于不同工况。在面临软岩大变形、岩爆等工程问题时，科研技术人员和设计师们多推荐采用预应力锚杆进行支护，其具有的良好支护特性已广泛得到学界认可。

当前，实现预应力锚杆支护方案的主要施工方法具体操作流程是：钻孔安装锚杆，锚固段注浆，浆液注满后，将锚杆拉拔器油顶套在锚头上，锚头端部加钢板、螺帽，固定油顶后开始预加应力。用锚杆拉拔器预加应力至设计要求后，保持一段时间，然后进行锁定作业，即将锚头根部的钢板螺帽用扭矩扳手上紧，扭紧力矩。拆卸钢板、拉拔器，割除多余锚头，封闭孔口，完成锚杆施工。该施工方法应用前提是首先保证作用面平整，但隧道是拱形结构，需要提前修整作用面；再者预应力施加时需要得作平台，对于轴线水平和向上的锚杆尚且可做，但对于拱顶范围的锚杆做起来难度极大，质量和工效都很难保证，并且存在较大的安全风险。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种预制式隧道预应力锚杆及其制作方法和使用方法，以解决现有隧道预应力锚杆施工时操作复杂、作业难度大、施工质量难以保证的问题。

根据本发明的第一方面，提供一种预制式隧道预应力锚杆，包括锚杆杆体，所述锚杆杆体包括依次设置的无约束段和预应力段；

所述预应力段的锚杆杆体外套设有钢套管，所述钢套管上开设孔眼，所述钢套管与所述锚杆杆体之间设有填充材料，所述填充材料经在张拉台座上对锚杆杆体施加预应力后从所述孔眼填入，所述填充材料为通电后材料结构即被破坏的材料；

所述钢套管的两端设有套筒，所述套筒的开口内设有用于堵封的止浆塞。

进一步地，所述钢套管的外径小于钻孔直径，内径比所述锚杆杆体的外径大20-25mm；所述钢套管的长度与设定的预应力段张拉后长度一致。

进一步地，所述钢套管被构造为能够导电，以向所述填充材料传导电流，使所述填充材料的结构发生破坏。

进一步地，所述孔眼的直径为5-15mm，相邻两个所述孔眼之间的间距为20-30cm。

进一步地，所述套筒的壁厚为6-10mm，所述套筒包括：

丝扣部分，用于连接所述钢套管，所述丝扣部分的内径与所述钢套管的外径相匹配；

填充止浆塞部分，用于提供所述止浆塞的容纳空间。

进一步地，所述钢套管的壁厚为4-6mm，所述钢套管的两端各设有螺纹，通过所述螺纹与所述丝扣部分连接。

进一步地，所述止浆塞采用弹性材料制成；所述止浆塞的中部突起形成纺锤形结构，所述止浆塞的前端和后端的外径与所述套筒的内径一致，中部突起部分的外径比所述套筒的内径大3-4mm。

进一步地，所述填充材料采用流动性、固结后抗压强度、与锚杆杆体握裹性能均满足预设条件的无机材料。

根据本发明的第二方面，提供一种上述的预制式隧道预应力锚杆的制作方法，该制作方法包括：

在张拉台座上按照设定位置安装钢套管，所述钢套管的轴线与张拉轴线一致，并保持水平，所述钢套管的长度与预应力段张拉后长度一致，所述钢套管上的孔眼保持垂直向上，于所述钢套管的两端安装套筒，并于所述套筒的两端安装止浆塞；

将锚杆杆体穿过所述钢套管，预应力段置于所述钢套管内，开始张拉，张拉至设定预应力后，通过所述孔眼对所述钢套管与所述锚杆杆体之间的空间灌注填充材料；

待所述填充材料凝固达到设计要求强度后，将所述锚杆杆体两端放张，预应力锚杆在进库进一步养生前，拆除两端的止浆塞及套筒，得到预制式隧道预应力锚杆。

根据本发明的第三方面，提供一种上述的预制式隧道预应力锚杆的使用方法，该使用方法包括：

在钻孔孔道内安装预制式隧道预应力锚杆，在钢套管上埋设导线并引出，导线与注浆管一同穿过止浆塞，将注浆管与预留注浆孔连接，进行锚固段、钢套管分别与钻孔孔道之间的空隙注浆；

浆液注满并达到设计要求强度后，通过导线接入电源，使用电流破坏填充材料结构，消除填充材料对预应力锚杆的握裹作用，预应力转移至围岩，完成预应力锚杆支护要求。

与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：

本发明提供的预制式隧道预应力锚杆，根据该锚杆生产工艺，利用专用张拉台座，在工厂内批量生产预制式预应力锚杆，由于流水线预制化施工，施工质量易保证，应力保持效果较好。应用时，将锚杆运抵工作面在现场直接安装使用，完成锚固段注浆后一段时间，即可通电将填充材料结构破坏，将预应力转移施加至围岩，施工效率较高，且无须专用设备和复杂操作，操作简便，在起拱线以上，轴线方向冲向隧道中心的预应力锚杆亦可快速施工，可及时对软弱破碎、岩爆等不良围岩进行加固，预应力状态保持较好，保证了施工安全和结构安全，解决了常规手段可操作性不强，效率低下、施工安全风险高等问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的预制式隧道预应力锚杆的结构示意图；

图2为本发明一实施例的套筒的结构示意图；

图3为本发明一实施例的止浆塞的结构示意图；

图4为本发明一实施例的预制式隧道预应力锚杆的现场安装示意图；

图中：1-无约束段，2-预应力段，3-钢套管，31-孔眼，4-填充材料，5-套筒，51-丝扣部分，52-填充止浆塞部分，6-止浆塞，7-初期支护表面，8-导线，9-钻孔孔道，10-浆液，11-锚固段，12-垫板。13-螺栓。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明一实施例提供一种预制式隧道预应力锚杆，参照图1，该锚杆包括锚杆杆体，锚杆杆体包括依次设置的无约束段1和预应力段2；预应力段2的锚杆杆体外套设有钢套管3，钢套管3上开设孔眼31，钢套管3与锚杆杆体之间设有填充材料4，填充材料4经在张拉台座上对锚杆杆体施加预应力后从孔眼31填入，填充材料4为通电后材料4结构即被破坏的材料；钢套管3的两端设有套筒5，套筒5的端部开口内设有用于堵封的止浆塞6。

上述实施例中，锚杆杆体可以采用隧道常规用锚杆，杆体长度、无约束段1以及预应力段2的长度根据设计需要设定。经在工厂内张拉台座上对锚杆杆体施加预应力，在钢套筒5与锚杆杆体的预应力段2之间填充材料4，待填充材料4达到设定强度后放张，形成预制式预应力锚杆。该预制式预应力锚杆运抵隧道工作面，安装至设计位置，完成锚固段注浆后，通电破坏填充材料4结构，预应力即转移施加至围岩。

在一些实施方式中，钢套管3的外径受钻孔直径的约束，须保证能置入钻孔内，因此，钢套管3的外径小于钻孔直径，钢套管3的内径综合锚杆杆体直径、钢套管壁厚、填充材料量等因素确定，优选地，钢套管3的内径比锚杆杆体的外径大20-25mm；钢套管3的长度与设定的预应力段2张拉后长度一致。

在一些实施方式中，钢套管3被构造为能够导电，具体地，由于钢套管3采用钢材制成，本体为非绝缘材料，在通过导线8接入电源后，即可导电，从而可以向填充材料4传导电流，使填充材料4的结构发生破坏。

由于填充材料4具有良好的流动性，且钢套管3的直径一般在55-60mm之间，因此，孔眼31的直径不宜过大，在一些实施方式中，孔眼31的直径为5-15mm；为提高填充的效率，孔眼31之间的间距应尽可能地小，考虑到在注入填充材料4时相邻孔眼31之间的相互影响，优选地，相邻两个孔眼31之间的间距为20-30cm。

在一些实施方式中，钢套管3两端使用套筒5、止浆塞6封堵，套筒5的壁厚为6-10mm，本领域技术人员可以理解，为有效堵封钢套管3内的填充材料4，套筒5的直径越大，相应地壁厚也越大，参照图2，套筒5依次包括丝扣部分51和填充止浆塞部分52，其中：丝扣部分51用于连接钢套管3，丝扣部分51的内径与钢套管3的外径相匹配；填充止浆塞部分52用于提供止浆塞6的容纳空间。

钢套管3主要为填充材料4提供约束，保证预应力，因此钢套管3需要足够的强度和刚度，因此其管壁不宜过薄；但若钢套管3的管壁过厚，则会造成填充材料4的填充量过小而难以达到设计预应力，优选地，钢套管3的壁厚为4-6mm，钢套管3的两端各设有螺纹，具体地，螺纹为钢套管3两端设有的3cm范围的车丝，牙型角为75°，螺距为3.0，通过螺纹与丝扣部分51连接。

为使止浆塞6起到良好的密封效果，止浆塞6采用弹性材料制成；参照图3，由于止浆塞6采用弹性材料形成，注浆前需要将其塞入套筒5内止浆，止浆塞6需承受来自填充材料4的压力，为保证止浆塞6不被推出，止浆塞6的中部突起形成纺锤形结构，止浆塞6的前端和后端的外径与套筒5的内径一致，中部突起部分的外径比套筒5的内径大3-4mm，从而保证止浆塞6塞紧套筒5的端部开口，实现良好密封止浆效果。

在一些实施方式中，套筒5和止浆塞6在张拉锚杆杆体前安装，在预应力锚杆预制完成后拆除，套筒5和止浆塞6可重复使用。

在一具体实施方式中，套筒5的长度为8cm，壁厚为6-10mm，分为两部分，一端为丝扣部分51，长度为3cm，用于连接钢套管3，内径与钢套管3的外径相匹配，另一端为填充止浆塞部分52，长度为5cm。套筒5内止浆塞6采用弹性材料制成，其长度为6cm，呈纺锤形结构，各区段的长度均为2cm，前端和后端的外径与套筒5内径一致，中部突起(起鼓)部分外径比套筒5内径大于3-4mm，张拉前装入套筒5内。

上述实施例中，填充材料4采用流动性、固结后抗压强度、与锚杆杆体握裹性能均满足预设条件的无机材料，预设条件根据具体施工需求确定，由于该材料流动性好，凝固后抗压强度高，与锚杆杆体握裹性能佳，钢套管3导电后，在电流的作用下，该材料结构即被破坏，从而有效地将预应力转移施加至围岩。

上述实施例中的预制式隧道预应力锚杆，可以将该锚杆运抵工作面在现场直接安装使用，完成锚固段注浆后一段时间，即可通电将填充材料4结构破坏，将预应力转移施加至围岩，施工效率较高，且无须专用设备和复杂操作，操作简便，在起拱线以上，轴线方向冲向隧道中心的预应力锚杆亦可快速施工，可及时对软弱破碎、岩爆等不良围岩进行加固，预应力状态保持较好，保证了施工安全和结构安全，解决了常规手段可操作性不强，效率低下、施工安全风险高等问题。

本发明另一实施例提供一种上述的预制式隧道预应力锚杆的制作方法，该制作方法包括：在张拉台座上先安装钢套管3，钢套管3上设置孔眼31，安装时孔眼31朝上，钢套管3两端分别连接套筒5和止浆塞6，张拉到设定预应力后，通过钢套管3上孔眼31向内注入填充材料4，待凝固达到设计强度后，放张，得到预制式隧道预应力锚杆。具体包括以下步骤：

S1，在张拉台座上的钢套管定位架上按照设定位置安装钢套管3，钢套管3的轴线与张拉轴线一致，并保持水平，钢套管3的长度与预应力段2张拉后长度一致，钢套管3上的孔眼31保持垂直向上，于钢套管3的两端安装套筒5，并于套筒5的两端安装止浆塞6；

S2，将锚杆杆体穿过钢套管3，预应力段2置于钢套管3内，开始进行张拉，张拉至设定预应力后，保持一段时间，微调钢套管3的位置与预应力段2一致，而后通过孔眼31对钢套管3与锚杆杆体之间的空间灌注填充材料4，灌注时跳孔灌注，通过未灌注孔排气；

S3，灌注完成后，继续保持一段时间，待填充材料4达到设计要求强度后，将锚杆杆体两端放张；预应力锚杆在进库进一步养生前，拆除两端的止浆塞6及套筒5，得到预制式隧道预应力锚杆。

本发明另一实施例还提供一种上述的预制式隧道预应力锚杆的使用方法，参照图4，该使用方法包括：

S1，在钻孔孔道9内安装预制式隧道预应力锚杆，在钢套管3上埋设导线8并引出，于初期支护表面7安装止浆塞6、垫板12、螺栓13，垫板12和螺栓13安装于锚杆杆体端部且紧贴岩面，通过螺栓13和垫板12阻止锚杆杆体回缩；导线8与注浆管一同穿过止浆塞6，将注浆管与预留注浆孔连接，进行锚固段11(对应于预制式隧道预应力锚杆的无约束段1)与钻孔孔道9之间、钢套管3与钻孔孔道9之间的空隙注浆；

S2，浆液10注满并达到设计要求强度后，通过导线8接入低压电流的电源，使用电流破坏填充材料4结构，消除填充材料4对预应力锚杆的握裹作用，预应力转移至围岩，完成预应力锚杆支护要求。

本发明上述实施例提供的预制式隧道预应力锚杆，应用时，将锚杆运抵工作面在现场直接安装使用，完成锚固段注浆后一段时间，即可通电将填充材料结构破坏，将预应力转移施加至围岩，既能保证施工质量，又能保持较好的支护应力，施工效率高，且施工现场无须专用设备和复杂操作，即使在起拱线以上，轴线方向冲向隧道中心的预应力锚杆亦可快速施工，可及时对软弱破碎、岩爆等不良围岩进行加固，同时保证了施工安全和结构安全，解决了常规手段可操作性不强，效率低下、施工安全风险高等问题。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种预制式隧道预应力锚杆，其特征在于，包括锚杆杆体，所述锚杆杆体包括依次设置的无约束段和预应力段；

所述预应力段的锚杆杆体外套设有钢套管，所述钢套管上开设孔眼，所述钢套管与所述锚杆杆体之间设有填充材料，所述填充材料经在张拉台座上对锚杆杆体施加预应力后从所述孔眼填入，所述填充材料为通电后材料结构即被破坏的材料；

所述钢套管的两端设有套筒，所述套筒的开口内设有用于堵封的止浆塞。

2.根据权利要求1所述的预制式隧道预应力锚杆，其特征在于，所述钢套管的外径小于钻孔直径，内径比所述锚杆杆体的外径大20-25mm；所述钢套管的长度与设定的预应力段张拉后长度一致。

3.根据权利要求1所述的预制式隧道预应力锚杆，其特征在于，所述钢套管被构造为能够导电，以向所述填充材料传导电流，使所述填充材料的结构发生破坏。

4.根据权利要求1所述的预制式隧道预应力锚杆，其特征在于，所述孔眼的直径为5-15mm，相邻两个所述孔眼之间的间距为20-30cm。

5.根据权利要求1所述的预制式隧道预应力锚杆，其特征在于，所述套筒的壁厚为6-10mm，所述套筒包括：

丝扣部分，用于连接所述钢套管，所述丝扣部分的内径与所述钢套管的外径相匹配；

填充止浆塞部分，用于提供所述止浆塞的容纳空间。

6.根据权利要求5所述的预制式隧道预应力锚杆，其特征在于，所述钢套管的壁厚为4-6mm，所述钢套管的两端各设有螺纹，通过所述螺纹与所述丝扣部分连接。

7.根据权利要求1所述的预制式隧道预应力锚杆，其特征在于，所述止浆塞采用弹性材料制成；所述止浆塞的中部突起形成纺锤形结构，所述止浆塞的前端和后端的外径与所述套筒的内径一致，中部突起部分的外径比所述套筒的内径大3-4mm。

8.根据权利要求1所述的预制式隧道预应力锚杆，其特征在于，所述填充材料采用流动性、固结后抗压强度、与锚杆杆体握裹性能均满足预设条件的无机材料。

9.一种权利要求1-8任一项所述的预制式隧道预应力锚杆的制作方法，其特征在于，包括：

在张拉台座上按照设定位置安装钢套管，所述钢套管的轴线与张拉轴线一致，并保持水平，所述钢套管的长度与预应力段张拉后长度一致，所述钢套管上的孔眼保持垂直向上，于所述钢套管的两端安装套筒，并于所述套筒的两端安装止浆塞；

将锚杆杆体穿过所述钢套管，预应力段置于所述钢套管内，开始张拉，张拉至设定预应力后，通过所述孔眼对所述钢套管与所述锚杆杆体之间的空间灌注填充材料；

待所述填充材料凝固达到设计要求强度后，将所述锚杆杆体两端放张，预应力锚杆在进库进一步养生前，拆除两端的止浆塞及套筒，得到预制式隧道预应力锚杆。

10.一种权利要求1-8任一项所述的预制式隧道预应力锚杆的使用方法，其特征在于，包括：

在钻孔孔道内安装预制式隧道预应力锚杆，在钢套管上埋设导线并引出，导线与注浆管一同穿过止浆塞，将注浆管与预留注浆孔连接，进行锚固段、钢套管分别与钻孔孔道之间的空隙注浆；

浆液注满并达到设计要求强度后，通过导线接入电源，使用电流破坏填充材料结构，消除填充材料对预应力锚杆的握裹作用，预应力转移至围岩，完成预应力锚杆支护要求。

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