一种可排水自钻式分级让压锚杆及其支护方法
技术领域
本申请涉及岩土工程锚固及地质灾害防治技术领域，尤其是一种适用于地下工程、边坡工程、滑坡防治等可排水的自钻式分级让压锚杆及其支护方法。
背景技术
随着地下工程及地质灾害防治工程的发展，工程中开挖深度和隧洞断面的增大、复杂的工程地质条件，工程中面临着很多问题，传统的锚杆支护已经不能满足实际工程的需要。锚杆支护体系具有较强的主动支护和自适应能力，因而在大变形隧洞支护中应用较多。目前专家、学者提出利用让压锚杆对大变形隧洞进行支护加固，考虑到隧洞高地应力、大变形、动压影响显著等特点，在对锚杆施加一定预应力的基础上，还要求锚杆具有一定的让压功能并在锚杆接近过载时像安全阀一样起到让压保护锚杆杆体的作用，以适应大变形以及降低动压对隧洞锚固体稳定性的影响。尽管目前已经有了很多种形式的让压锚杆，但是这些让压锚杆都存在着一些不足之处。例如，滇中红层软岩具有抗剪抗压强度低、抗滑和承载能力差，变形模量小，易产生较大的变形，透水性弱、亲水性强，遇水易软化，失水易崩解，软化系数小，流变效应明显等特点。隧洞穿越软岩地层时，存在软弱岩土体大变形、浅埋洞段塌方冒顶、断层洞段涌水突泥等围岩变形破坏和地质灾害问题，特别是埋深较大隧洞段的软岩大变形等问题，将对工程的施工、支护衬砌方案以及工程永久运行等将造成不利影响。另外，目前锚杆通常是由碳素钢制作而成，现有的让压锚杆大多都是制造难度大、成本高、施工难度大，仅仅能够实现单一阻力的让压，在深埋软岩隧洞掘进和支护中会遇到具有腐蚀性的地下水，对锚杆产生腐蚀作用，不利于工程的支护和安全运行，在让压锚杆支护运行过程中排水问题也是一个亟待解决的问题。因此，为了满足实际工程需要而开发一种便于施工、制造成本低的可排水自钻式分级让压锚杆及其支护方法是很有必要的。
发明内容
针对上述技术问题，本申请提出一种可排水自钻式分级让压锚杆及其支护方法。通过将可透水的让压管与高强杆体、钻头、高强碗型托盘、塔型弹簧等部件组成可排水自钻式分级让压锚杆埋入围岩中，可以实现分级让压锚固周围岩土体并排水的方案。让压是在一定控制力下的让压，锚杆的让压管和塔型弹簧起到了释放围岩或滑坡体变形性能的作用，主动控制围岩的变形收敛量，有利于防止锚杆杆件过早地进入屈服阶段甚至拉断，对锚杆杆件具有保护作用，确保锚杆在支护期间不失效。
为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案。
一种可排水自钻式分级让压锚杆，所述的让压锚杆包括高强杆体、高强阻尼螺母A、高强阻尼螺母B、高强垫板、让压管、钻头；所述的高强垫板中心处设置有通孔；所述的高强杆体的下端头设置钻头，所述的高强杆体的上端头设置有高强阻尼螺母A、高强阻尼螺母B、弹簧、高强垫板；高强杆体表面设置有连续的高强螺纹；所述的高强垫板为两块，分别固定设置在弹簧的两端，在高强垫板弹簧连接的另一侧设置有高强阻尼螺母A、高强阻尼螺母B；所述的高强杆体外层套设有让压管，让压管上设置有让压管排水孔。所述的高强杆体是本申请的主要受力构件，其高强度特性能够确保锚杆承受较大的拉力及剪切作用力，提供必要的支护强度，同时也是使让压管行使让压变形功能的基本保证。所述的高强阻尼螺母的材料是保证高预应力安装的关键，螺母材料必须符合安装应力所需的强度要求，必须能够和锚杆杆体最佳配合以取得最佳的安装载荷。进一步，所述的钻头采用满足强度的一次性钻头，施工时达到钻进深度，钻头和杆体一起埋入围岩中共同作用，该钻头的形式可促进增阻作用。
进一步为，本申请所述的两块高强垫板设置为高强大垫板和高强小垫板；所述的弹簧设置为塔型弹簧，即该塔型弹簧两端分别为塔型弹簧大端头和塔型弹簧小端头。
进一步为，本申请设置在高强杆体的上端头设置的高强阻尼螺母A、高强阻尼螺母B、塔型弹簧、高强大垫板、高强小垫板；由上至下的顺序为高强阻尼螺母A、高强大垫板、塔型弹簧、高强小垫板、高强阻尼螺母B；即塔型弹簧大端头与钻头的距离大于塔型弹簧小端头与钻头的距离。
进一步为，本申请设置在高强杆体的上端头设置的高强阻尼螺母A、高强阻尼螺母B、塔型弹簧、高强大垫板、高强小垫板；由上至下的顺序为高强阻尼螺母A、高强小垫板、塔型弹簧、高强大垫板、高强阻尼螺母B；即塔型弹簧大端头与钻头的距离小于塔型弹簧小端头与钻头的距离。
进一步为，本申请在高强阻尼螺母B下部设置有高强碗型托盘；所述的高强碗型托盘包括大径端面和小径端面，该小径端面即碗底端面，小径段端面与高强阻尼螺母B接触连接；高强碗型托盘的中心处设置供高强杆体穿入的高强碗型托盘中心孔，在其四周均布高强碗型托盘排水孔。高强阻尼螺母可用于固定高强大垫板和高强碗型托盘。所述的高强碗型托盘中心处开孔，由所述高强杆体穿过高强碗型托盘，在高强碗型托盘中心孔周围适当位置处开四个高强碗型托盘排水孔，以满足排水需要，中心孔和排水孔孔径大小可根据实际工程需要调整。所述高强碗型托盘的大径段与围岩接触，小径段与高强阻尼螺母接触。
进一步为，本申请所述的高强碗型托盘的大径段端面设置中不包括向内凹陷的凹陷区。
进一步为，本申请所述的让压管与高强杆体之间设置有空隙；让压管的两端与高强杆体之间密封固定连接，确保两者不发生相对移动；在设置钻头的高强杆体下部，让压管与高强杆体接触的位置设置有让压管渐变段。在锚杆尾部连接时使用渐变的紧缩连接，减少施工过程中对让压管的磨损。
进一步为，若围岩还未成岩或如松散土一般，本申请所述的让压管外表面设置包裹有滤布。
一种可排水自钻式分级让压锚杆的支护方法，该方法包括以下步骤：
1）对实际工程进行岩土工程勘察和设计，确定隧洞围岩分级、断面的几何形状及围岩应力和变形情况：从稳定性和施工等方面选取合适的隧洞断面几何参数并分析围岩应力分布情况；
2）确定锚杆杆体类型及强度：首先确定锚杆杆体所具有的强度要求，选择合适的锚杆材质和钢型，确定经济合理的锚杆直径、长度以及间、排距等设计参数；
3）确定锚杆安装荷载即预应力的大小：根据围岩应力及顶板情况，以控制顶板岩层为目的确定合理的锚杆安装应力和所要求的安装扭矩；
4）锚杆让压变形性能设计：锚杆让压变形性能设计包括让压点和最大让压距离两个特征参数，由围岩应力和变形条件并结合实践经验确定；让压管在应用前应经过实验验证以满足设计要求；
5）辅助支护设计和表面控制措施：5-1）将锚杆部件涂好环氧树脂保护层；5-2）将钻头、让压管与高强杆体组装完毕，置于围岩之中，锚杆尾端使用树脂锚固剂；5-3）安装高强碗型托盘和高强阻尼螺母B；5-4）安装高强小垫板、塔型弹簧（塔型弹簧小端头在下，塔型弹簧大端头在上）、高强大垫板和高强阻尼螺母A。
上述步骤5）还可以有另外一种安装方式：5）辅助支护设计和表面控制措施：5-1）将锚杆部件涂好环氧树脂保护层；5-2）将钻头、让压管与高强杆体组装完毕，置于围岩之中，锚杆尾端使用树脂锚固剂；5-3）安装高强碗型托盘和高强阻尼螺母B；5-4）安装高强大垫板、塔型弹簧（塔型弹簧大端头42在下，塔型弹簧小端头41在上）、高强小垫板和高强阻尼螺母A。
本申请的有益效果：与传统锚杆相比，从结构构成、功能特点以及应用效果来看，本申请专利方案存在如下技术优势：
（1）让压锚杆的结构简单，安装方便，制造成本较低。由于采用了让压技术，可以实现较小直径锚杆杆体支护巷道或支架锚杆间排距，并达到稳定支护的目的。因此，降低了隧洞的支护成本、提高了隧洞支护效率、加快了隧洞的掘进速度。
（2）锚杆具有高恒阻、伸缩量可调、延伸量较大、支护强度高的优点，对控制大变形隧洞的围岩变形具有非常明显的效果。
（3）由于可采用小直径锚杆杆体进行隧洞支护，同时采用合适的锚杆安装机具（如扭矩放大器），如此便降低了劳动强度，简化了锚杆施工程序。
（4）将锚杆施工（钻头）与排水结合在一起，不仅提升了锚固效果，还起到了排水作用；对锚杆部件涂环氧树脂保护层，起到了防腐的作用；使用塔型弹簧、高强碗型托盘和让压管的组合方式，塔型弹簧可被压缩为饼状，实现了锚固系统的分级让压，该系统可以实现更大的让压量和释放更大的变形。
附图说明
图1为本申请具体实施方式之一的整体结构示意图；
图2.1为本申请的塔型弹簧结构示意图；
图2.2为图2.1的左视结构示意图；
图3.1为本申请的高强碗型托盘结构示意图；
图3.2为图3.1的右视结构示意图；
图4为本申请的让压管渐变段的结构示意图。
图中标号为：高强杆体（1）、高强阻尼螺母A（2）、高强大垫板（31） 塔型弹簧（4）、塔型弹簧小端头（41）、塔型弹簧大端头（42）、高强小垫板（51）、高强阻尼螺母B（6）、高强碗型托盘（7）、高强碗型托盘中心孔（71）、高强碗型托盘排水孔（72）、凹陷区（73）、让压管（8）、让压管排水孔（81）、让压管渐变段（82）、钻头（9）。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请作进一步说明，但不应该理解为本申请上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本申请上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本申请的保护范围内。
参见图1至图4所示，本申请技术方案叙述如下。
一种可排水自钻式分级让压锚杆，所述的让压锚杆包括高强杆体1、高强阻尼螺母A2、高强阻尼螺母B6、高强垫板、让压管8、钻头9；所述的高强垫板中心处设置有通孔；所述的高强杆体1的下端头设置钻头9，所述的高强杆体1的上端头设置有高强阻尼螺母A2、高强阻尼螺母B6、弹簧、高强垫板；高强杆体1表面设置有连续的高强螺纹；所述的高强垫板为两块，分别固定设置在弹簧的两端，在高强垫板弹簧连接的另一侧设置有高强阻尼螺母A2、高强阻尼螺母B6；所述的高强杆体1外层套设有让压管8，让压管8上设置有让压管排水孔81。所述的高强杆体是本申请的主要受力构件，其高强度特性能够确保锚杆承受较大的拉力及剪切作用力，提供必要的支护强度，同时也是使让压管行使让压变形功能的基本保证。所述的高强阻尼螺母的材料是保证高预应力安装的关键，螺母材料必须符合安装应力所需的强度要求，必须能够和锚杆杆体最佳配合以取得最佳的安装载荷。进一步，所述的钻头采用满足强度的一次性钻头，施工时达到钻进深度，钻头和杆体一起埋入围岩中共同作用，该钻头的形式可促进增阻作用。
进一步为，本申请所述的两块高强垫板设置为高强大垫板31 和高强小垫板5.1；所述的弹簧设置为塔型弹簧4，即该塔型弹簧4两端分别为塔型弹簧大端头42和塔型弹簧小端头41。
进一步为，本申请设置在高强杆体1的上端头设置的高强阻尼螺母A2、高强阻尼螺母B6、塔型弹簧4、高强大垫板31 、高强小垫板5.1；由上至下的顺序为高强阻尼螺母A2、高强大垫板31、塔型弹簧4、高强小垫板5.1、高强阻尼螺母B6；即塔型弹簧大端头42与钻头9的距离大于塔型弹簧小端头41与钻头9的距离。
进一步为，本申请设置在高强杆体1的上端头设置的高强阻尼螺母A2、高强阻尼螺母B6、塔型弹簧4、高强大垫板31 、高强小垫板5.1；由上至下的顺序为高强阻尼螺母A2、高强小垫板5.1、塔型弹簧4、高强大垫板31、高强阻尼螺母B6；即塔型弹簧大端头42与钻头9的距离小于塔型弹簧小端头41与钻头9的距离。
进一步为，本申请在高强阻尼螺母B6下部设置有高强碗型托盘7；所述的高强碗型托盘7包括大径端面和小径端面，该小径端面即碗底端面，小径段端面与高强阻尼螺母B6接触连接；高强碗型托盘7的中心处设置供高强杆体1穿入的高强碗型托盘中心孔71，在其四周均布高强碗型托盘排水孔72。高强阻尼螺母可用于固定高强大垫板和高强碗型托盘。所述的高强碗型托盘中心处开孔，由所述高强杆体穿过高强碗型托盘，在高强碗型托盘中心孔周围适当位置处开四个高强碗型托盘排水孔72，以满足排水需要，中心孔和排水孔孔径大小可根据实际工程需要调整。所述高强碗型托盘的大径段与围岩接触，小径段与高强阻尼螺母接触。
进一步为，本申请所述的高强碗型托盘7的大径段端面设置中不包括向内凹陷的凹陷区73。
进一步为，本申请所述的让压管8与高强杆体1之间设置有空隙；让压管8的两端与高强杆体1之间密封固定连接，确保两者不发生相对移动；在设置钻头9的高强杆体1下部，让压管8与高强杆体1接触的位置设置有让压管渐变段82。在锚杆尾部连接时使用渐变的紧缩连接，减少施工过程中对让压管的磨损。
进一步为，若围岩还未成岩或如松散土一般，本申请所述的让压管8外表面设置包裹有滤布。
一种可排水自钻式分级让压锚杆的支护方法，该方法包括以下步骤：
1）对实际工程进行岩土工程勘察和设计，确定隧洞围岩分级、断面的几何形状及围岩应力和变形情况：从稳定性和施工等方面选取合适的隧洞断面几何参数并分析围岩应力分布情况；
2）确定锚杆杆体类型及强度：首先确定锚杆杆体所具有的强度要求，选择合适的锚杆材质和钢型，确定经济合理的锚杆直径、长度以及间、排距等设计参数；
3）确定锚杆安装荷载即预应力的大小：根据围岩应力及顶板情况，以控制顶板岩层为目的确定合理的锚杆安装应力和所要求的安装扭矩；
4）锚杆让压变形性能设计：锚杆让压变形性能设计包括让压点和最大让压距离两个特征参数，由围岩应力和变形条件并结合实践经验确定；让压管在应用前应经过实验验证以满足设计要求；
5）辅助支护设计和表面控制措施：5-1）将锚杆部件涂好环氧树脂保护层；5-2）将钻头9、让压管8与高强杆体1组装完毕，置于围岩之中，锚杆尾端使用树脂锚固剂；5-3）安装高强碗型托盘7和高强阻尼螺母6；5-4）安装高强小垫板5.1、塔型弹簧4（塔型弹簧小端头41在下，塔型弹簧大端头42在上）、高强大垫板31和高强阻尼螺母2。
上述步骤5）还可以有另外一种安装方式：5）辅助支护设计和表面控制措施：5-1）将锚杆部件涂好环氧树脂保护层；5-2）将钻头9、让压管8与高强杆体1组装完毕，置于围岩之中，锚杆尾端使用树脂锚固剂；5-3）安装高强碗型托盘7和高强阻尼螺母6；5-4）安装高强大垫板31、塔型弹簧4（塔型弹簧大端头42在下，塔型弹簧小端头41在上）、高强小垫板5.1和高强阻尼螺母2。
以上所述的仅是本申请的部分具体实施例，方案中公知的具体内容或常识在此未作过多描述。应当指出，上述实施例不以任何方式限制本申请，对于本领域的技术人员来说，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本申请的保护范围内。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
