CN212296444U - 一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆,包括锚杆体和设置在锚杆体前端的树脂锚固剂,以及在锚杆体末端依次设置的让压阻尼器、W型钢带、垫板、球形螺母、六角螺母和锚杆预紧器。与现有技术相比,本实用新型的积极效果是:树脂锚固剂可提供足够的锚固力,使初期支护更及时,减小了围岩大变形发生的可能;锚杆的让压结构和W型钢带配合使用,提升了锚杆对软弱围岩的支护效果,减少了围岩出现大变形的情况。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆。
背景技术
随着我国铁路、公路隧道工程以及地下工程的飞速发展,建设在特长山岭中的隧道也日益增多,隧道的绝对埋深也越来越大,常需穿越软弱围岩区。而软弱围岩具有的高应力、地质构造复杂、本构关系复杂、膨胀性等特点,使现有支护技术对这种软弱围岩产生的支护效果不佳。现有支护技术存在以下三个问题:
⑴由于围岩比较破碎或较软,普通的机械式锚固头无法提供足够的锚固力。
⑵在锚喷联合支护中,普通锚杆柔性不足,只能对软岩起到刚性支护,没有让压功能导致支护压力过大,锚杆被拉断破坏,失去支护作用。
⑶垫板面积小,能够支护到的围岩少,未被支护的围岩易在应力作用下发生变形、塌落,在变形过程中垫板也会被围岩“吞噬”。
⑷锚杆支护是隐性支护,由于未安装测力装置,无法监测锚杆支护过程中支护力的变化,也就无法进行分析对比数据,无法得知锚杆支护的效果好坏。
⑸钢拱架与围岩直接接触,刚性支护与变形围岩之间未留有让压空间,当围岩发生前期变形时,由于未经过变形释放围岩应力,较大的围岩应力会直接破坏钢拱架,拆拱换拱等治理所耗费用、时间大大增加,严重的还会造成设备损坏和人员伤亡。
这些问题都直接影响了隧道支护的质量,进一步影响了工程整体质量、进度和建设成本。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点,本实用新型提出了一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆,包括锚杆体和设置在锚杆体前端的树脂锚固剂,以及在锚杆体末端依次设置的让压阻尼器、W型钢带、垫板、球形螺母、六角螺母和锚杆预紧器。
与现有技术相比,本实用新型的积极效果是:
⑴树脂锚固剂可提供足够的锚固力,使初期支护更及时,减小了围岩大变形发生的可能;
⑵锚杆的让压结构和W型钢带配合使用,提升了锚杆对软弱围岩的支护效果,减少了围岩出现大变形的情况;
⑶测力传感器的使用可有利于及时掌握锚杆支护的效果,也为未来设计支护方案积累经验和提供数据支撑;
⑷钢拱架安装位置与围岩保持一定距离,留出围岩变形空间,减少了围岩变形破坏钢拱架情况的发生,节省了拆拱换拱等治理所耗费用。
附图说明
本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1为让压锚杆的支护原理图;
图2为支护特性曲线与围岩特性曲线关系图;
图3为让压锚杆的结构示意图;
图4为锚固剂支架的结构示意图,其中:(1)侧视图,(2)立体图;
图5为对中帽的结构示意图,其中:(1)俯视图,(2)主视图,(3)仰视图;
图6为锚杆体和对中帽的安装示意图;
图7为W型钢带的结构示意图,其中:(1)俯视图,(2)侧视图;
图8为隧道衬砌受力示意图;
图9为锚杆整体布置示意图;
图10为锚杆在隧道纵向上的排布示意图;
图11为环形测力器的结构示意图,其中:(1)主视图,(2)左视图,(3)右视图;
图12为环形测力器与垫板和球形螺母之间的安装示意图;
图13为对中帽、树脂锚固剂、锚固剂支架与锚杆体的安装示意图。
具体实施方式
本实用新型针对现有技术中存在的缺陷设计了一种新的支护方案:针对机械锚固力不足的问题,选用树脂锚固剂可提供所需的锚固力;针对普通锚杆柔性不足,选用具有让压功能的锚杆;针对垫板支护面积小的问题,设计了W型钢带来增大支护面积;针对无法监测锚杆支护过程中支护力变化的问题,设计了环形测力器;针对变形初期钢拱架易被被坏的问题,设计钢拱架与围岩留有适当的让压行程间隙。以下结合附图对具体方案详细说明如下:
一、支护方案设计
通过物探和钻探对隧道穿越的地区进行超前地质预报,收集地质数据,包括地质构造、水文地质调查、岩土体物理力学性质、围岩等级等数据。根据数据提出初步支护方案,并建立模型进行分析演算,根据演算结果调整初步支护方案,确定最终的支护方案。
1、锚杆类型设计
对易发生大变形的隧道段落,采用让压锚杆支护。让压锚杆可提供“弱刚-柔性-强刚”支护,如图1所示。即当围岩刚开始变形时提供弱刚性支护,如图OA段;围岩继续变形时,锚杆提供的支护力为让压恒阻力,是为柔性支护,如图AB段;当围岩变形量达到设计的让压行程时,围岩应力已得到一定释放,锚杆由于限位结构,支护力迅速增大,变为强刚性支护,不再允许围岩变形,如图BC段。此时围岩变形量刚好和拱架与锚喷支护层预留间隙相等,即锚喷支护层与钢拱架外侧接触,钢拱架开始支护围岩。
这种支护形式容许围岩变形、释放地应力,降低支护压力,同时由于让压阻尼器的限位设计,约束了围岩松弛和过分变形,达到了保持隧道稳定的目的。其让压恒阻力和让压行程计算原理如图2所示。围岩与支护结构在不同位置达到平衡时,其作用在支护结构上的载荷是完全不同的:支护结构刚度大的不合理,即u0处,此时所需支护力太大,一般无法达到;但刚度较小或者让压行程过大也不合理,因为围岩松动、坍塌后作用在支护结构上的载荷会急剧增大,即Ⅳ支护曲线。
所以,较佳的支护点应当在D点以左,临近D点处的E点;根据经验公式先确定ulimit后,再确定uE,uE即为让压行程,再根据公式
PE减去喷射混凝土提供支护力即为锚杆所需提供的让压力,再均分给每根锚杆,即为每根锚杆的让压恒阻力。
而为了达到所需的让压恒阻力,需根据公式P=2πfISIC设计让压阻尼器结构参数。其中Ic为锥体的几何参数,Is为套管的弹性常数。他们的计算公式如下:
其中α为锥体的半锥角;h为锥体的高度;a为锥体小端直径;b为锥体大端直径;E,μ分别为套管的弹性模量与泊松比。
让压锚杆的结构如图3所示,包括:树脂锚固剂1、锚固剂支架2、对中帽3、锚杆体4、连接套5、让压阻尼器6、W型钢带7、垫板8、环形测力器9、球形螺母10、六角螺母11、锚杆预紧器12等。
2、锚固方案设计
由于围岩比较破碎或较软,普通的机械式锚固头无法提供足够的锚固力,因此选用树脂锚固剂提供锚固力。
同时为了能方便快捷的送入树脂锚固剂,设计了锚固剂支架2,其结构如图4所示,在树脂锚固剂尾部装入锚固剂支架,树脂锚固剂首尾相接。
3、锚杆体设计
隧道开挖后扰动围岩范围较大,正常支护条件下,松动圈可达(2~10)m;为了发挥锚杆的悬吊和减拱作用,只有将锚杆最大程度深入相对稳定围岩区域,锚杆才有可能提供更大支护力。根据测量出的松动圈选择合理的锚杆体长度。锚杆体4与树脂锚固剂接触一端需开出浆孔用于注浆。
由于采用让压锚杆,有让压阻尼器6;同时需要连接杆体的连接套5,因此锚孔会比普通的树脂锚杆所钻的锚孔孔径大,而让压锚杆的锚杆体长,挠度大,锚杆体头部与锚孔壁距离就会太近或者直接接触,导致包裹锚杆体的树脂锚固剂不均匀,影响锚固效果。增加对中帽3后,由于对中帽的最大外径接近锚孔尺寸,能很好贴合锚孔,从而使锚杆体居中,保持了锚杆体与锚孔壁之间缝隙大小一致,使包裹锚杆体的树脂锚固剂更均匀,锚固效果得到保证。
对中帽3结构如图5所示:头部为实心,可封闭锚杆体头部,防止树脂锚固剂倒流进入锚杆体内孔造成浪费和降低锚固效果;尾部有波形螺纹用于安装在杆体上。锚杆体4和对中帽3的安装如图6所示。
4、承载接触面方案设计
由于让压锚杆的垫板尺寸较小,能够支护到的围岩面积小,未被支护的围岩易在变形应力作用下发生变形、塌落。现设计W型钢带7配合垫板一起使用,增大支护面积,以达到充分吸收围岩释放压力的效果。并且通过W型钢带可将分散的多根锚杆连接起来形成一个整体承载结构。W型钢带的结构如图7所示,在W型钢带的两端设置下凹部,两个下凹部之间的距离等于垫板8的长度,垫板8放置在两个下凹部之间,在增大垫板支护面积的同时保证W型钢带和垫板之间的稳固安装。
5、锚杆布置设计
在围岩应力作用下,隧道顶部衬砌向隧道内变形而形成脱离区,两侧衬砌向围岩方向变形,引起围岩对衬砌的被动弹性抗力,形成抗力区,如图8所示,其中:衬砌抗力区,如图中的ab段,为了防止衬砌因变形被破坏,锚杆所布置位置也在ab段。锚杆的布置按图9和图10所示确定每环锚杆的布置方式和数量、环与环的间距。环与环错列排布,可使锚杆支护力分布更均匀。
6、锚杆支护力监测设计
在锚杆布置段的中心区域和边缘区域,选取一些锚杆,在其垫板8与球形螺母10之间加装环形测力器9,以监测锚杆支护过程中支护力的变化情况。以便通过数据分析对比锚杆支护效果的好坏,也为未来设计支护方案积累经验和提供数据支撑。环形测力器9的结构如图11所示,其与垫板8和球形螺母10之间的安装如图12所示。
二、支护过程
⑴隧道挖开后及时对开挖面喷混凝土,厚度4~6cm。
⑵初喷后钻锚孔,钻好后用高压风清扫眼孔浮尘和积水。
⑶将对中帽3安在锚杆体4头部、树脂锚固剂1装入锚固剂支架2,再将树脂锚固剂用杆体往锚孔底部推进,如图13所示。待锚杆体没入锚孔时,用连接套5连接另一根锚杆体,继续推进直至树脂锚固剂到达锚孔底部。
⑷用带锚杆搅拌器的钻机搅拌锚杆。
⑸卸下锚杆搅拌器,及时稳定杆体,等待树脂锚固剂固化,固化期间不要使杆体移位或晃动。
⑹布设钢筋网。
⑺依次装入W型钢带、垫板、让压阻尼器、环形测力器、球形螺母、锚杆预紧器。
⑻用钻机旋拧锚杆预紧器施加预应力。
⑼按比例配置砂浆并通过注浆机从中空杆体注浆。
⑽第二次喷混凝土,厚度16~18cm。
⑾安装钢拱架,与第二次喷射混凝土围岩边缘保持15~17cm的间距。
三、具体实施案例:
1、锚杆方案设计
⑴现设计让压恒阻力65kN,让压行程150cm。
⑵松动圈测得为7.5米,故锚杆体所需为9m,用连接套将两根4.5m的锚杆体连接而成。锚杆体与树脂锚固剂接触一端距离1.8m处开出浆孔用于注浆,共设两个φ6通孔,间距20cm且互相垂直。
⑶选用的树脂锚固剂直径为φ28mm,长度为500mm;型号K,凝胶时间(41-90)s,等待安装时间(90-180)s,抗压强度≥40Mpa,每根锚杆配合4袋树脂锚固剂使用,锚固长度1.2m,抗拉拔力可达100kN。
⑷W型钢带厚度3mm,宽度320mm,开孔φ50,开孔间隔160cm。
⑸每环布置10根锚杆,单侧5根,每根的环向间距为120cm;环与环纵向间距80cm,即S1为120cm,S2为160cm。
2、支护过程
⑴隧道挖开后及时对开挖面喷C20混凝土,厚度为4~6cm。
⑵初喷后钻锚孔,锚孔直径42mm,深度8.7m,钻好后用高压风清扫眼孔浮沉和积水。
⑶将对中帽安在锚杆体头部、树脂锚固剂装入锚固剂支架后放入锚孔中,再将树脂锚固剂用杆体往锚孔底部推进,待锚杆体没入锚孔时,用连接套连接另一根锚杆体,继续推进树脂锚固剂直至到达锚孔底部。
⑷用带锚杆搅拌器的钻机搅拌锚杆,搅拌时长30~40秒。
⑸卸下锚杆搅拌器,及时稳定住杆体,等待树脂锚固剂固化,等待时间为90~180秒,期间不要使杆体移位或晃动。
⑹布设钢筋网,钢筋网规格为E8-HPB235×HPB235-4200mm×1000mm。
⑺依次装入W型钢带、垫板、让压阻尼器、环形测力器、球形螺母、锚杆预紧器。
⑻用钻机旋拧锚杆预紧器施加预应力。
⑼配置速凝砂浆,砂粒选择细砂,水泥选择硅酸盐水泥。各成分按重量份数组成为:硅酸盐水泥100~120、细砂90~100、水35~45、早强剂8~12、减水剂2~6。
⑽通过中空锚杆体进行注浆。注浆压力2~3Mpa。
⑾第二次喷射C20混凝土,厚度16~18cm。
⑿安装钢拱架,与第二次所喷射混凝土保持15~17cm的间距。
Claims (7)
1.一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆,其特征在于:包括锚杆体和设置在锚杆体前端的树脂锚固剂,以及在锚杆体末端依次设置的让压阻尼器、W型钢带、垫板、球形螺母、六角螺母和锚杆预紧器。
2.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆,其特征在于:在锚杆体的前端设置锚固剂支架,所述树脂锚固剂装入锚固剂支架中。
3.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆,其特征在于:在锚杆体与树脂锚固剂接触一端开有出浆孔。
4.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆,其特征在于:在锚杆体的头部设置对中帽。
5.根据权利要求4所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆,其特征在于:所述对中帽头部为实心,尾部有波形螺纹。
6.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆,其特征在于:在所述W型钢带的两端设置下凹部,两个下凹部之间的距离等于垫板的长度,所述垫板放置在两个下凹部之间。
7.根据权利要求1所述的一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆,其特征在于:在所述垫板与球形螺母之间设置环形测力器。
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CN202021003720.0U CN212296444U (zh) | 2020-06-04 | 2020-06-04 | 一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆 |
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