CN212296444U - 一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆 - Google Patents

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

一种适用于软岩大变形地下空间的让压锚杆

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u_limit后，再确定u_E，u_E即为让压行程，再根据公式

计算出对应的支护力P_E。其中C、γ、

为岩层的物理参数；r₀为隧道半径；H_c为隧道埋深。

P_E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＝2πfI_SI_C设计让压阻尼器结构参数。其中I_c为锥体的几何参数，I_s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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