一种可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索

1.本实用新型涉及隧道工程领域，具体涉及一种可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索。


背景技术：

2.软岩隧道常采用台阶法等进行分部开挖，施工中初期支护拱脚变形往往较为显著，是整个初期支护结构的薄弱部位，易造成初期支护变形侵限和破坏，因此隧道施工中普遍重视隧道拱脚的变形控制和隧道锁脚的施工质量。锁脚锚索是最新被提出的一种控制软岩隧道初期支护拱脚变形的技术措施，与锁脚锚管(杆)相比，锁脚锚索采用单根钢绞线，柔性较大，安装不受隧道空间限制，可穿过围岩松弛区，锚固于稳定的围岩上，而且可施加预紧力，起到主动支护的作用。
3.锁脚锚索支护作用的发挥与围岩强度、钻孔成孔质量、锚固剂性能及搅拌效果、锁脚锚索设计参数等诸多因素都密切相关。申请号为201720951622.1的中国专利“一种挤压型软弱围岩隧道预应力锚索群支护结构”公开了一种挤压型软弱围岩隧道预应力锚索群支护结构，其中拱部锁脚锚索和边墙锁脚锚索锚在初期支护上，以降低围岩变形增长速率和变形累积量，避免变形过大引起拆换拱，锚固方式采用水泥浆注浆锚固，相比树脂锚固剂锚固，该锚固系统具有良好的耐久性，有利于支护构件的长期服役，缺点是水泥浆液固化需要较长时间，而难以快速施加预紧力和发挥支护作用。申请号为202210156184.5的中国专利“一种隧道锁脚锚索及初期支护拱脚水平收敛变形控制方法”公开了一种隧道锁脚锚索及初期支护拱脚水平收敛变形控制方法，其锁脚锚索采用树脂锚固剂锚固，相比水泥浆注浆锚固，该锚固方式具有锚固剂固化速度快、可快速施加预紧力的优点，进而可实现快速承载，缺点是耐久性相对较差，不利于支护构件的长期服役。此外，对于极软岩隧道而言，无论采用上述何种锚固方式，由于围岩强度极低，锁脚锚索均存在锚固力低、难以施加高预紧力的突出问题。
4.为有效控制极软岩隧道拱脚变形，锁脚锚索应同时满足以下3点技术要求：(1)锚固剂固化速率快，因而可快速施加预紧力，实现及时承载；(2)锚固力高，可施加高预紧力，从而实现强有力的主动支护；(3)满足隧道工程对锚固系统长期服役的要求。对此，有必要研发一种可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索，以有效控制极软岩隧道拱脚变形。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本实用新型提供一种可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索，使锁脚锚索同时具备可及时承载、高锚固力、高耐久性的功能，以有效控制极软岩隧道拱脚变形。
6.本实用新型采用的技术方案如下：
7.一种可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索，包括钢绞线和分设在钢绞线
两端的复合锚固单元和锁脚附属单元，所述的钢绞线设置在初期支护喷射混凝土和围岩内部的钻孔内；所述的复合锚固单元位于围岩内部钢绞线的锚固段，从内向外依次包括树脂锚固段和水泥浆锚固段，分别通过树脂锚固剂和水泥浆锚固剂将钢绞线粘结于锚固孔的孔壁；所述的锁脚附属单元位于初期支护拱脚处的喷射混凝土表面，对钢绞线施加预紧力后进行锁定。
8.上述可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索中，所述的树脂锚固段的对应位置处设置有大直径锚固孔，该段锚固孔内充填有树脂锚固剂，将钢绞线粘结于该段锚固孔的孔壁。
9.上述可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索中，所述水泥浆锚固段的对应位置处设置有大直径锚固孔，该段锚固孔内充填有水泥浆锚固剂，将钢绞线粘结于该段锚固孔的孔壁。
10.上述可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索中，所述的大直径锚固孔的形状为倒楔形，长度为15-20cm，两端直径分别为28-32mm和70-80mm。
11.上述可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索中，所述钢绞线的直径为17.8-21.8mm，未扩孔时锚固孔的直径为28-32mm。
12.上述可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索中，所述的树脂锚固段和水泥锚固段分别设置有1-2个大直径锚固孔。
13.上述可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索中，所述的锁脚附属单元从内向外依次包括钢带、锚垫板和锚具。
14.上述可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索中，所述的钢带为沿隧道纵向布置的w形钢带。
15.上述可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索中，所述的锚具为单孔锚具。
16.上述可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索的施工步骤如下：
17.(1)在隧道初期支护拱脚处的喷射混凝土表面，朝向围岩进行锁脚锚索的正常钻孔作业，正常钻孔直径和钻孔深度满足设计要求；
18.(2)卸掉钻机上的正常钻孔钻头，在钻机上安装扩孔机具；
19.(3)将扩孔机具推入钻孔底部，启动钻机，进行锚固孔的扩孔作业，由里向外逐一形成多个倒楔形大直径锚固孔；
20.(4)采用高压风管对钻孔进行清孔；
21.(5)往钻孔底部送入树脂锚固剂药卷；
22.(6)将钢绞线一端插入钻孔中，钢绞线另一端与钻机连接，启动钻机后，钢绞线开始转动，对树脂锚固剂进行搅拌，实现钢绞线与钻孔孔壁的粘结锚固，形成树脂锚固段；
23.(7)往钻孔中注入水泥浆锚固剂，实现钢绞线与钻孔孔壁的粘结锚固，形成水泥浆锚固段；
24.(8)安装锁脚附属单元，从内向外依次安装钢带、锚垫板和锚具，钢带沿隧道纵向把分散的多根锁脚锚索联结起来形成一个整体承载结构；
25.(9)在钢绞线外露端对钢绞线施加预紧力并进行锁定，完成锁脚锚索施工。
26.本实用新型的有益技术效果如下：
27.一、锁脚锚索锚固段由树脂锚固段和水泥浆锚固段两部分组成，实现了树脂锚固
和水泥浆锚固的优势互补：树脂锚固段采用树脂锚固剂，钢绞线与锚固孔之间快速粘结锚固，因此锁脚锚索可快速施加预紧力，达到及时承载、控制初期支护拱脚变形的目的；水泥浆锚固段采用水泥浆作为锚固剂，可确保锚固系统的高耐久性，满足隧道工程对锚固系统长期服役的要求，避免树脂锚固力不足以及后期服役过程中树脂锚固失效引起的隧道结构稳定问题。
28.二、树脂锚固段和水泥浆锚固段均设置了局部直径扩大的锚固孔，增大了锚固剂与锚固孔孔壁的接触面积，有利于提高锁脚锚索的锚固力；另外，锁脚锚索锚固段设置了多个扩孔锚固段，能够充分发挥扩孔锚固的优势，使锁脚锚索具有高锚固力。
29.总之，采用本技术方案，能够使锁脚锚索同时具备可及时承载、高锚固力、高耐久性的技术效果，进而可实现锁脚锚索对极软岩隧道拱脚变形的有效控制。
附图说明
30.图1为本实用新型实施例中可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索示意图；
31.图2为本实用新型实施例中锁脚锚索锚固孔示意图；
32.图3为本实用新型实施例中锁脚锚索树脂锚固段示意图；
33.图4为本实用新型实施例中锁脚锚索水泥浆锚固段示意图；
34.图5为本实用新型钢带的结构示意图；
35.图6为本实用新型锚具的结构示意图。
36.附图标记：1-钢绞线；2-喷射混凝土；3-围岩；4-大直径锚固孔；5-树脂锚固剂；6-水泥浆锚固剂；7-钢带；8-锚垫板；9-锚具；11-树脂锚固段；12-水泥浆锚固段；14-锚固孔。
具体实施方式
37.结合图1至图4，介绍本实用新型的具体技术方案：
38.一种可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索，包括钢绞线1和分设在钢绞线1两端的复合锚固单元和锁脚附属单元，钢绞线1设置在初期支护喷射混凝土2和围岩3内部的钻孔内；锁脚附属单元位于初期支护拱脚处的喷射混凝土2表面，从内向外依次包括钢带7、锚垫板8和锚具9，借助锁脚附属单元对钢绞线1施加预紧力后进行锁定。
39.所述的复合锚固单元位于围岩3内部钢绞线1的锚固段，从内向外依次由树脂锚固段11和水泥浆锚固段12组成，分别通过树脂锚固剂5和水泥浆锚固剂6将钢绞线1粘结于锚固孔14的孔壁；
40.一般情况下钢绞线1的直径为17.8-21.8mm，未扩孔时锚固孔的直径为28-32mm，通过锚固剂将钢绞线1粘接在锚固孔14的内壁。而对锚固孔14进行局部扩孔，形成大直径锚固孔，相比未局部扩孔的锚固孔，可显著增大锚固剂与锚固孔孔壁的接触面积，提高锁脚锚索的锚固力，为锁脚锚索受力提供可靠的着力点，进而能够有效发挥对初期支护的锁脚作用。如图2所示，大直径锚固孔4的形状为倒楔形，长度为15-20cm，两端直径分别为28-32mm和70-80mm。如图3和图4所示，本实用新型中所述树脂锚固段11的对应位置处设置有大直径锚固孔4，该段锚固孔内充填有树脂锚固剂5，将钢绞线粘结于该段锚固孔的孔壁。所述水泥浆锚固段12的对应位置处也设置有大直径锚固孔4，该段锚固孔内充填有水泥浆锚固剂6，将
钢绞线粘结于该段锚固孔的孔壁。
41.作为一种优选方式，每根锁脚锚索在树脂锚固段11设置有1个大直径锚固孔4，在水泥浆锚固段12设置有2个大直径锚固孔4。
42.图5和图6中钢带7为沿隧道纵向布置的w形钢带，锚具9为单孔锚具，上述锁脚附属单元均为常规部件产品，这里不再赘述。
43.上述可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索的施工步骤如下：
44.(1)在隧道初期支护的喷射混凝土2表面，朝向围岩3进行锁脚锚索的正常钻孔作业，正常钻孔直径为30mm，钻孔深度为5000mm；
45.(2)卸掉钻机上的正常钻孔钻头，在钻机上安装扩孔机具；将扩孔机具推入钻孔底部，启动钻机，进行锚固孔14的扩孔作业，由里向外逐一形成3个大直径锚固孔4；
46.(4)采用高压风管对钻孔进行清孔；
47.(5)往钻孔底部送入树脂锚固剂5药卷；
48.(6)将钢绞线1一端插入钻孔中，钢绞线的另一端与钻机连接，启动钻机后，钢绞线开始转动，对树脂锚固剂5进行搅拌，实现钢绞线1与钻孔孔壁的粘结锚固，形成树脂锚固段；
49.(7)往钻孔中注入水泥浆锚固剂6，实现钢绞线1与钻孔孔壁的粘结锚固，形成水泥浆锚固段；
50.(8)安装锁脚附属单元，从内向外依次安装钢带7、锚垫板8和锚具9，钢带7沿隧道纵向把分散的多根锁脚锚索联结起来形成一个整体承载结构；
51.(9)在钢绞线1外露端对钢绞线施加预紧力并进行锁定，完成锁脚锚索施工。
52.上述技术方案中，锁脚锚索锚固段由树脂锚固段11和水泥浆锚固段12两部分组成，先后施工完成。其中，利用树脂锚固段11可对锁脚锚索快速施加预紧力，达到及时承载、控制初期支护拱脚变形的目的；水泥浆锚固段12可确保锚固系统的高耐久性，满足隧道工程对锚固系统长期服役的要求，避免树脂锚固力不足以及后期服役过程中树脂锚固失效引起的隧道结构稳定问题。
53.作为进一步的实施方式，树脂锚固段11和水泥浆锚固段12均设置了局部直径扩大的锚固孔，增大了锚固剂与锚固孔孔壁的接触面积，有利于提高锁脚锚索的锚固力；并且锁脚锚索锚固段设置了多个扩孔锚固段，能够充分发挥扩孔锚固的优势，使锁脚锚索具有高锚固力。
54.总之，本技术方案能够实现树脂锚固和水泥浆锚固的优势互补，同时借助多段扩孔锚固技术，能够使锁脚锚索同时具备可及时承载、高锚固力、高耐久性的技术效果，进而可实现锁脚锚索对极软岩隧道拱脚变形的有效控制。

技术特征：
1.一种可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索，其特征在于：包括钢绞线(1)和分设在钢绞线(1)两端的复合锚固单元和锁脚附属单元，所述的钢绞线(1)设置在初期支护喷射混凝土(2)和围岩(3)内部的钻孔内；所述的复合锚固单元位于围岩内部钢绞线(1)的锚固段，从内向外依次包括树脂锚固段(11)和水泥浆锚固段(12)，分别通过树脂锚固剂(5)和水泥浆锚固剂(6)将钢绞线(1)粘结于锚固孔(14)的孔壁；所述的锁脚附属单元位于初期支护拱脚处的喷射混凝土表面，对钢绞线施加预紧力后进行锁定；所述的树脂锚固段(11)的对应位置处设置有大直径锚固孔(4)，该段锚固孔内充填有树脂锚固剂(5)，将钢绞线粘结于该段锚固孔的孔壁；所述的水泥浆锚固段(12)的对应位置处设置有大直径锚固孔(4)，该段锚固孔内充填有水泥浆锚固剂(6)，将钢绞线粘结于该段锚固孔的孔壁；所述的大直径锚固孔(4)的形状为倒楔形，长度为15-20cm，两端直径分别为28-32mm和70-80mm。2.根据权利要求1所述的一种可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索，其特征在于：所述钢绞线(1)的直径为17.8-21.8mm，未扩孔时锚固孔(14)的直径为28-32mm。3.根据权利要求1所述的一种可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索，其特征在于：所述的树脂锚固段和水泥锚固段分别设置有1-2个大直径锚固孔(4)。4.根据权利要求1所述的一种可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索，其特征在于：所述的锁脚附属单元从内向外依次包括钢带(7)、锚垫板(8)和锚具(9)。5.根据权利要求4所述的可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索，其特征在于：所述的钢带(7)为沿隧道纵向布置的w形钢带。6.根据权利要求4所述的可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索，其特征在于：所述的锚具(9)为单孔锚具。

技术总结
本实用新型公开了一种可及时承载的高锚固力高耐久性隧道锁脚锚索，包括钢绞线和分设在钢绞线两端的复合锚固单元和锁脚附属单元；所述复合锚固单元从内向外依次由树脂锚固段和水泥浆锚固段组成；所述树脂锚固段在局部设置有大直径锚固孔，孔内充填有树脂锚固剂；所述水泥浆锚固段在局部也设置有大直径锚固孔，孔内充填有水泥浆锚固剂；所述锁脚附属单元位于初期支护拱脚处的喷射混凝土表面，从内向外依次包括钢带、锚垫板和锚具，对钢绞线施加预紧力后进行锁定。本实用新型技术方案可使锁脚锚索同时具备可及时承载、高锚固力和高耐久性的技术效果，进而可实现锁脚锚索对极软岩隧道拱脚变形的有效控制。拱脚变形的有效控制。拱脚变形的有效控制。


技术研发人员：陈丽俊 陈建勋 张家瑞 罗彦斌 王传武
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2023.02.15
技术公布日：2023/8/5