CZ305105B6 - Horninová expanzní kotva - Google Patents

Abstract

Horninová expanzní kotva pro zajišťování a zpevňování soudržnosti horninového masivu při budování podzemních děl, tunelů, kolektorů apod., sestává z expanzivního tělesa (1) tvořeného trubkou, u které je kruhový průřez v celé délce centricky ztvárněn alespoň dvěma prolisy (17) ve tvaru hlubokého žlábku. Expanzivní těleso (1) je uzavřeno na jednom konci plnicí koncovkou (7) s otvorem (12) plnění, který vede do vnitřního prostoru expanzivního tělesa (1), a na druhém konci je uzavřeno závěrnou koncovkou (8). V tomto provedení je expanzivní trubka zasunuta do třecího pouzdra (2), které je tvořeno nejméně dvěma do sebe zasunutými trubkovými plášti (3, 4) s rozevíratelnou podélnou spárou (5) nebo s protržitelným podélným švem (6). Třecí pouzdro je pevně připojeno k plnicí koncovce (7) expanzivního tělesa (1) a závěrné koncovce (8) expanzivního tělesa (1) tak, že polohy spár (5) nebo švů (6) jsou rozloženy podél obvodu expanzivního tělesa (1). Pro připojení horninové podložky, tlakovacího zařízení a potřebných dalších zařízení je plnicí koncovka (7) opatřena na svém vnějším konci závitovým nátrubkem (10). Shodně je závitovým nátrubkem (10) opatřena závěrná koncovka (8). Nátrubky (10) slouží ke spojení více horninových expanzních kotev do kolony. Plnicí koncovka (7) má přívodní axiální kanálek (12) a závěrná koncovka (8) má průtočný otvor (11), který je zaslepen zátkou (13) při využití expanzní kotvy jako zpevňovacího svorníku horniny nebo je opatřen destrukční membránou (14) pro využití k injektáži horniny. Plnicí koncovka (7) je opatřena zpětným ventilem (9), sloužícím k uzamčení tlakového média v expanzivním tělese (1) a tím k udrž

Description

Oblast techniky

Vynález se týká horninové expanzní kotvy, která se používá jak pro samotné zajišťování a zpevňování soudržnosti horninového masivu, tak pro jejich zpevňování injektováním při budování podzemních děl, zejména při ražení tunelů, důlních chodeb a komor, při provádění stabilizace skalních stěn, svahů a zpevňování hrází a při různých dalších technologických aplikacích v uhelném a rudném hornictví a ve stavebnictví.

Dosavadní stav techniky

V současné době se pro zajišťování a zpevňování soudržnosti horninového masivu při ražení důlních chodeb, tunelů a komor, při provádění stabilizace skalních stěn, svahů, zpevňování hrází apod., používají různé typy kotev. Jednu konkrétní skupinu horninových kotev tvoří hydraulicky rozpínatelné kotvy, tzv. expanzní kotvy, které se zapravují do vrtů v horninovém masivu a jimiž je soudržnost horniny zajišťována vyvozením třecí síly expanzivního tělesa kotvy o stěnu vrtu. Nejznámější v této skupině kotev je expanzní kotva typu Swellex a Boltex. Obě tyto známé horninové kotvy mají jeden hlavní společný znak, který spočívá v technickém řešení jejich expanzivního tělesa. Toto těleso je tvořeno tenkostěnnou trubkou kruhového průřezu, která je vyrobena z ocele o vysoké tažnosti a jejíž kruhový průřez je podélně v jedné nebo několika liniích zborcen, zpravidla ve tvaru hlubokého žlábku. Expanzivní těleso je na koncích uzavřeno koncovkami válcového tvaru a to plnicí koncovkou pro přívod tlakového média do expanzivního tělesa kotvy a závěrnou koncovkou, která je často upravena rovněž jako průtočná spojka pro spojení více kotev do kolony anebo je opatřena otvorem uzavřeným destrukčním, popř. přepouštěcím elementem pro injektáž zajišťovaného horninového masivu. Obě koncovky jsou navlečeny na lisováním zredukovaný průměr expanzivního tělesa a ve vnitřním válcovém prostoru koncovky přivařeny k expanzivnímu tělesu, čímž z něj vznikne tlaková nádoba. Kotvícího účinku je u těchto kotev dosaženo třecí silou působící na obvodové ploše expanzivního tělesa, resp. na nezborcené ploše jeho tenkostěnné trubky. Třecí síla je vyvozena zbytkovým předpětím expanzivního tělesa po částečném zpětném hydraulickém narovnání zborceného, původně kruhového průřezu. Tímto zpětným narovnáním zborceného kruhového průřezu ve vrtu v hornině, dojde k ukotvení třecí kotvy po celé její délce. Spolehlivost a trvalost ukotvení těchto známých třecích kotev je závislá rovněž na tvrdosti zpevňované nebo zajišťované horniny kotvením. V tvrdých horninách, kde lze dosáhnout prostřednictvím expanzivního tělesa potřebné třecí síly je tento typ kotev schopen maximálního přenosu tažné síly a tím i plného využití jejích jmenovité nosnosti. Potřebné třecí síly pro náležité a stabilní ukotvení třecích kotev nelze však dosáhnout v měkkých horninách a to v důsledku nepevného a poddajného kontaktu třecí plochy expanzivního tělesa kotvy s plochou stěny vrtu. Kromě toho nelze těmito kotvami uspokojivě obsáhnout rozsah tolerance průměru vývrtů v hornině, která se vyskytuje v praxi. Tím se značně sníží využití jmenovité nosností kotev a pevnosti ve střihu, potřebné pro případ možného posuvu laminámích vrstev horniny. Tento problém je poměrně uspokojivě vyřešen horninovou expanzní kotvou, jejíž expanzivní těleso je opláštěno třecím pouzdrem s roztažitelnou jednou nebo dvěma podélnými spárami. Třecí pouzdro je buď přivařeno k plnicí koncovce, jak je patrné např. ze spisu užitného vzoru CZ 8988 nebo je používáno jako přídavný element ke kotvě, ve kterém je zasunuto její expanzivní těleso, jak např. vyplývá z obsahu spisu evropského patentu EP 0540601. Nevýhodou všech dosud známých expanzních kotev je, že splnění požadavku na jejich maximální pevnost v tahu a pevnost ve střihu je závislé jednak na pevnosti ocele expanzivního tělesa kotvy a pevnosti ocele jeho třecího pouzdra a jednak na velikosti jejich průřezové plochy. Využití maximálních hodnot těchto dvou veličin je však limitováno především těmito nároky. Dostupností náročné technologie výroby expanzivního tělesa kotvy, tzn. schopností vyrobení průřezově zborcené trubky z ocele o vysoké pevnosti a tvárnosti a dále potřebou hydraulického média o vysokém tlaku nutného k dosažení maximální expanze kotvy a jejího předpětí ve vrtu. Výše zmíněné horninové expanzní kotvy se hyd- 1 CZ 305105 B6 raulicky upínají ve vrtu tlakovým médiem, zpravidla vodou o tlaku cca 30 MPa, což vyžaduje absolutní těsnost proti úniku tlakového média při instalaci kotvy v hornině. Za těchto podmínek je potřebná manipulace, zejména upínání expanzních kotev ve vrtu horniny a kontrola kvality jejich ukotvení prováděna se značným rizikem ohrožení obsluhy. Toto riziko vyplývá z dosavadního provedení a upevnění plnicí koncovky. Tato je válcového tvaru a je přivařena k zdeformovanému konci expanzivního tělesa žlábkovými prolisy a zredukovaného na menší průměr. Z tohoto důvodu je svar v této zóně lisováním narušené struktury materiálu nekontrolovatelný a z hlediska podmínek pro tlakové nádoby nevyhovující. Vstup tlakového média do expanzivního tělesa je proveden za místem svaru radiálně vrtaným kanálkem v plnicí koncovce. Toto řešení má za následek, že plnicí hlava, tlakovacího zařízení má tvar válcové objímky, která v závislosti na provedení plnicí koncovky a tlaku hydraulického média je nevýhodného robustního tvaru o velké hmotnosti. Nevýhodným je rovněž způsob plnění expanzivního tělesa kotvy radiální kanálkem. Toto provedení si vyžaduje utěsnění plnicí hlavy dvojicí těsnicích manžet, u nichž není možné vyloučit jejich nerovnovážné hydrostatické zatížení. To může způsobit, při netěsnosti manžety za radiálním kanálkem a přetížení manžety před radiálním kanálkem, vymrštění plnicí hlavy z plnicí koncovky směrem k obsluze, což představuje vážné bezpečnostní riziko pro obsluhu. Dosavadní řešení plnicí hlavy válcového tvaru s radiálním kanálkem plnění způsobuje rovněž značné problémy při kontrole pevnosti a kvality ukotvení expanzní kotvy v hornině. K tomu se používá kleštiny, která se uchycuje na válcový povrch plnicí koncovky, se kterou se vzájemně sevře svěracím pouzdrem kleštiny o velké kuželovitosti, způsobující samosvomost sevření. Uvolnění kleštiny je pak nutno provádět pomocí úderů na kleštinu, čímž dochází k jejímu poškozování. Problematickým je rovněž udržení vysoké čistoty kuželových ploch svěracího pouzdra v prostředí ražených podzemních děl, na němž je závislá spolehlivá kontrola pevnosti a kvalita ukotvení expanzních kotev v hornině. Nepřehlédnutelným nedostatkem dosavadních expanzních kotev je, že jsou v zabudovaném stavu zatíženy kombinovaným namáháním. Toto nepříznivé namáhání osovou silou a ohybovým momentem je dáno asymetrií průřezu jejich expanzivního tělesa, příp. včetně jeho třecího pouzdra. V důsledku tohoto namáhání dochází k nerovnoměrnému rozložení napětí po jejich obvodě a tím ke snížení únosnosti expanzní kotvy. Cílem tohoto vynálezu je proto vytvořit horninovou expanzní kotvu s tenkostěnným expanzivním tělesem a tenkostěnným opláštěním třecího pouzdra, které umožní potřebnou expanzi kotvy s maximální její centricitou a podstatně nižším tlakem hydraulického média než dosud. Návazně je rovněž cílem umožnění výroby této kotvy o různé jmenovité nosnosti a střihové pevnosti, dle charakteru horninového masivu, pro který je kotva určena.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody jsou odstraněny horninovou expanzní kotvou podle tohoto vynálezu. Její konstrukce obsahuje již známé expanzivní těleso o kruhovém průřezu. Tento průřez je v celé délce expanzivního tělesa centricky ztvárněn alespoň dvěma prolisy ve tvaru hlubokého žlábku. Expanzivní těleso je uzavřeno na jednom konci plnicí koncovkou s otvorem plnění, který vede do jeho vnitřního prostoru a na druhém konci je uzavřeno závěrnou koncovkou. V tomto provedení je expanzivní těleso zasunuto do třecího pouzdra s roztažitelnou podélnou spárou, přičemž třecí pouzdro je přivařeno k plnicí koncovce expanzivního tělesa. Podstata nového řešení podle vynálezu spočívá v tom, že třecí pouzdro je tvořeno nejméně dvěma do sebe zasunutými trubkovými plášti s roztažitelnou podélnou spárou nebo s protržitelným podélným švem. Trubkové pláště jsou pevně připojeny spolu k plnicí koncovce a závěrné koncovce povrchovým spojem tak, že poloha spár nebo švů je rozložena v okruhu kolem obvodu expanzivního tělesa. Podstata řešení horninové expanzní kotvy podle vynálezu spočívá rovněž v těchto možných jejích variantních provedeních:

Plnicí koncovka a závěrná koncovka jsou opatřeny na svém vnějším konci závitovým nátrubkem, sloužícím na plnicí koncovce k připojení potřebných montážních, měřicích a technologických zařízení a na závěrné koncovce ke spojení více horninových expanzních kotev do kolony. Plnicí koncovka má přívodní axiální kanálek a závěrná koncovka má průtočný otvor, který je zaslepen

-2 CZ 305105 B6 zátkou nebo destrukční membránou. Plnicí koncovka je opatřena zpětným ventilem. Povrch trubkových plášťů třecího pouzdra je zdrsněn nebo pozinkován. Prolisy expanzivního tělesa jsou provedeny ve šroubovici.

Výhodou horninové expanzní kotvy podle vynálezu je zejména to, že její využití je univerzální, tzn., že může plnit funkci pouhé přímé stabilizace horninového masivu bez injektáže a rovněž může být současně s touto funkcí využitá pro injektážní potřeby nebo pro samotnou injektáž. Značnou výhodou je dále možnost jejího provedení s tenkostěnným expanzivním tělesem a jeho tenkostěnným opláštěním, které umožňuje potřebnou centrickou expanzí kotvy při podstatně sníženém plnicím tlaku než dosud a to tlaku, sníženém až na 10 MPa. Řešení horninové expanzní kotvy podle vynálezu umožňuje její výrobu o potřebné různé jmenovité nosnosti a střihové pevnosti v závislosti na charakteru horninového masivu, pro který je kotva určena. Tyto přednosti významně ovlivní efektivnost zajišťování a zpevňování soudržnosti horninového masivu a bezpečnost při této práci.

Objasnění výkresu

Na připojeném výkrese je schematicky znázorněno příkladné provedení horninové expanzní kotvy podle vynálezu se šesti prolisy centricky ztvárněného kruhového průřezu jejího expanzivního tělesa, které je opláštěno třecím pouzdrem ze dvou trubkových plášťů. Obr. 1 představuje tuto kotvu v náryse a podélném řezu a na obr. 2 je znázorněn její průřez.

Příklady uskutečnění vynálezu

Horninová expanzní kotva, je tvořena expanzivním tělesem £, vyrobeném z tenkostěnné trubky kruhového průřezu, který je centricky ztvárněn v celé délce expanzivního tělesa £ válcováním šesti prolisy 17 ve tvaru hlubokého žlábku, jak je patrné z obr. 2. Na svém jednom - předním konci je expanzivní těleso £ uzavřeno plnicí koncovkou 7. Tato je nasazena na průchozí hrdlo £6 expanzivního tělesa £, které je na něm vytvořeno zkováním konce do menšího průměru a k tomuto hrdlu 16 je plnicí koncovka 7 pevně připojena pájením. V plnicí koncovce 7 je proveden jejím axiálním provrtáním přívodní kanálek 12 tlakového hydraulického média, v tomto případě tlakové vody. Přívodní axiální kanálek 12 je napojen na vnitřní prostor expanzivního tělesa £, které je na svém druhém - zadním konci, upraveném shodně jako přední konec, uzavřeno závěrnou koncovkou 8 s průtočným otvorem 11, který je zaslepen zátkou £3. Expanzivní těleso £ je umístěno v třecím pouzdru 2, které tvoří dvě v sobě zasunuté trubkové pláště 3 a 4. Tyto jsou roztažitelné do většího průměru vlivem podélného řezu a tím vzniklé rozevíratelné spáry 5. Třecí pouzdro 2, resp. jeho trubkové pláště 3 a 4 jsou přivařeny k plnicí koncovce 7 a k závěrné koncovce 8 povrchovým spojem 15, v tomto případě svarem a to tak, že jejich rozevíratelné spáry 5 zaujímají na expanzivním tělese £ protilehlou polohu. Na místo rozevíratelné spáry 5 mohou být na trubkových pláštích 3 a 4 provedeny prolisováním podélné destrukční švy 6, kterými se v jejich stopě ztenčí na maximum tloušťka stěny trubkových plášťů 3 a 4. Plnicí koncovka 7 a závěrná koncovka 8 je opatřena na svém vnějším konci připojovacím závitovým nátrubkem £0, který v případě plnicí koncovky 7 slouží hlavně k připojení kotevní podložky (není znázorněno) a tlakovacího zařízení expanzivního tělesa £ tlakovou vodou. Dále slouží nátrubek 10 pro připojení kontrolního zařízení kvality upnutí kotvy ve vývrtu, pro upevnění některých potřebných technologických zařízení, pro uchycení závěsů apod. V případě závěrné koncovky 8 slouží závitový nátrubek 10 k připojení další horninové expanzní kotvy při jejich sestavení do kolony. V tomto případě bude z průtočného otvoru 11 závěrné koncovky 8 odstraněna zátka 13. V popsaném provedení slouží horninová expanzní kotva jako třecí zpevňovací svorník horninového masivu. V kombinaci s touto funkcí může být používána současně nebo samostatně k injektáži okolí horninového vrtu. Pro tuto funkci bude průtočný otvor 11 závěrné koncovky 8 uzavřen destrukční membránou 14, přičemž se tlakem injektážní hmoty dosáhne rovněž rozepnutí expanzivního tělesa £. V přívodním kanálku 12 plnicí koncovky 7 může být umístěn zpětný ventil 9. Ten slouží

-3 CZ 305105 B6 k uzamčení tlakového média v expanzivním tělese i a tím k udržení předpětí upnuté expanzní kotvy ve vývrtu a zvýšení odporu proti jejímu posuvu při zátěži. Za tímto účelem může být povrch trubkových plášťů 3, 4 třecího pouzdra 2 zdrsněn a z důvodu protikorozní ochrany také pozinkován. Prolisy 17 expanzivního tělesa i mohou být za účelem zvýšení třecího účinku ve styku s třecím pouzdrem 2 provedeny ve tvaru šroubovice.

Průmyslová využitelnost

Horninová expanzní kotva podle tohoto vynálezu je využitelná pro zpevňování soudržnosti horninového masivu a pro jeho injektáž zpevňovací hmotou a to v hornictví, při výstavbě tunelů a kolektorů, případně ve stavebnictví.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (5)

1. Horninová expanzní kotva, sestávající z expanzivního tělesa kruhového průřezu, centricky ztvárněného v celé délce expanzivního tělesa alespoň dvěma prolisy ve tvaru hlubokého žlábku a které je na jednom konci uzavřeno plnicí koncovkou s přívodním kanálkem hydraulického media, napojeným na vnitřní prostor expanzivního tělesa a na druhém konci uzavřeno závěrnou koncovkou, přičemž expanzivní těleso je umístěno v třecím pouzdru s rozevíratelnou podélnou spárou, které je přivařeno k plnicí koncovce, vyznačující se tím, že třecí pouzdro (2) expanzivního tělesa (1) je tvořeno nejméně dvěma v sobě zasunutými trubkovými plášti (3, 4) s podélnou rozevíratelnou spárou (5) nebo s podélným protržitelným švem (6), jejichž pozice je rozložena v okruhu kolem obvodu expanzivního tělesa (1), přičemž trubkové pláště (3, 4) se spárami (5) nebo švy (6) v těchto pozicích jsou pevně připojeny k plnicí koncovce (7) a závěrné koncovce (8) povrchovým spojem (15).

2. Horninová expanzní kotva podle nároku 1, vyznačující se tím, že plnicí koncovka (7) a závěrná koncovka (8) je opatřena na své vnější straně připojovacím závitovým nátrubkem (10), přičemž plnicí koncovka (7) je opatřena axiálním přívodním kanálkem (12) a závěrná koncovka (8) průtočným otvorem (11), který je zaslepen zátkou (13) nebo destrukční membránou (H).

3. Horninová expanzní kotva podle nároku 1 nebo 1 a 2, vyznačující se plnicí koncovka (7) je opatřena zpětným ventilem (9).

4. Horninová expanzní kotva podle nároku 1 nebo laž3, vyznačující se povrch trubkových plášťů (3, 4) třecího pouzdra (2) je zdrsněn nebo pozinkován.

5. Horninová expanzní kotva podle nároku 1 nebo laž4, vyznačující se prolisy (17) expanzivního tělesa (1) jsou provedeny ve šroubovici.