一种地下硐室用膨胀锚杆及其安装方法与流程

1.本发明涉及技术领域，特别是涉及一种地下硐室用膨胀锚杆及其安装方法。


背景技术：

2.地下硐室是指在地下岩土体中人工开挖或天然存在的作为各种用途的构筑物，按用途分为：矿山井巷(竖井、斜井、巷道)、交通隧道、水工隧道、地下厂房(仓库)等。
3.修建地下硐室，必然要进行岩土体开挖。开挖将使工程周围岩土体失去原有的平衡状态，使其在一个有限的范围内产生应力重新分布。
4.目前一般通过锚杆辅助稳定地下硐室。即用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆柱，打入地表岩体或硐室周围岩体预先钻好的孔中，利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板，或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的目的。
5.例如公开号为cn113250725b的中国专利公开的一种膨胀型锚索锚杆支护方法，即通过在锚索的自由段或者锚杆的自由段设置侧向膨胀结构，在锚索张拉或锚杆受力作用下，设置在自由段的侧向膨胀结构在锚索或锚杆轴向作用下而产生膨胀，对围岩岩体产生侧向压力，提高围岩自身强度和稳定性，使加固体和围岩岩体形成一个三维加固整体，进而达到提升支护效果和节约投资的目的。该种膨胀型锚索锚杆支护方法可用于地下硐室的建造。
6.该种膨胀锚杆结构主要是在膨胀锚杆侧面增加锥形结构以提升锚杆在岩土层中的应力，防止锚杆脱离；但该种方式使得锚杆与岩土层的接触面积小，锚杆在岩土层中的抗拉能力较差。


技术实现要素：

7.本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种地下硐室用膨胀锚杆及其安装方法。
8.为了解决以上技术问题，本发明提供一种地下硐室用膨胀锚杆及其安装方法。
9.技术效果：将锚杆分为可相互拆卸的固定部和支护部，首先在岩土层中安装固定部，在固定部外设置螺旋状的安装螺纹，安装时先通过安装螺纹将整个固定部扭转固定在岩土层中，同时在固定部上开设通孔，利用特定的安装件在通孔位置的岩土层中形成空隙，浇筑混凝土后与固定部形成一体的砼条或砼盘，最后安装支护部，通过安装螺纹与砼条、砼盘两方面配合，能够大大提升膨胀锚杆的抓地力，提升抗拉能提，防止锚杆脱离岩层。
10.本发明进一步限定的技术方案是：一种地下硐室用膨胀锚杆，包括锚体，锚体包括固定部，埋设在岩土层中，并设有若干根；支护部，与固定部可拆卸连接，用于连接支护结构件；安装件，形状与固定部配合，用于将固定部埋设安装在岩土层中；固定部整体呈圆筒状，其内中空设置，固定部一端呈圆锥形状，另一端形成有开
孔；固定部外侧面形成有安装螺纹，安装螺纹从固定部的圆筒部分延伸至圆锥部分；固定部中间位置向四周发散形成有若干个开口，固定部靠近地底一侧形成砼层，另一侧与支护部连接；砼层填充至固定部内，在固定部底部岩土层中形成圆盘状的砼盘，并在固定部中间位置形成向开口外发散的砼条。
11.进一步的，安装件包括砼盘形成部和砼条形成部，砼盘形成部包括呈筒状结构的外径与固定部内径相同的筒体，筒体内滑移连接有若干个扇形结构的切刀，切刀通过开设在筒体侧面的刀口推出或收回；筒体内垂直于切刀方向滑移连接有圆台形状的推动块，筒体内转动连接有推动丝杠，推动丝杠穿透推动块并与之螺纹连接，通过带动推动块滑移推动切刀在刀口中活动。
12.前所述的一种地下硐室用膨胀锚杆，砼条形成部包括呈圆筒形状的外壳，外壳内滑移连接有若干根形状与开口适配的推条，外壳中设有圆台形状的推动块和垂直于推条设置的推动丝杠，用于带动若干根推条在开口中滑移；推条外侧末端厚度逐渐减小；筒体和外壳内均设置用于辅助切刀或推条复位的弹簧。
13.前所述的一种地下硐室用膨胀锚杆，固定部与支护部连接的一侧开设有安装槽，支护部上对应位置设有安装块，安装槽包括垂直于地面设置的进口段，以及环绕设置在固定部内侧壁上的呈弧形设置的固定段，支护部上开设有销孔，安装块抵接至固定段内壁之后，销孔与进口段位置对应，并在销孔和进口段内穿设销杆。
14.前所述的一种地下硐室用膨胀锚杆，固定部与支护部之间通过螺纹锁固，支护部侧面一体形成有用于旋转支护部的凸块。
15.前所述的一种地下硐室用膨胀锚杆，支护部拆除后遗弃固定部，并通过盖板封闭固定部的开口；盖板和固定部之间的连接方式，与支护部和固定部之间的连接方式相同。
16.前所述的一种地下硐室用膨胀锚杆，固定部上位于开孔的一端形成有环绕固定部中心分布的旋块，用于辅助固定部与岩土层之间的螺纹安装。
17.本发明还提供一种地下硐室用膨胀锚杆的安装方法，用于安装上述任意一种地下硐室用膨胀锚杆，包括如下步骤：s1，在硐室内指定位置上间隔打入安装孔，孔径小于固定部的外径，孔深大于固定部的长度，孔间距为0.5～3m；s2，将固定部顶端圆锥状部分套设于安装孔中，利用旋块将固定部转动连接至安装孔内，使固定部与安装孔之间螺纹连接；s3，将砼盘形成部嵌入固定部中并置于孔底，旋转推动丝杠，使推动块带动切刀向外推出，在安装孔底部形成圆盘状空间，取出砼盘形成部；s4，将砼条形成部嵌入固定部中，将顶面平齐，且将推条与开口对齐，旋转推动丝杠，由推动块带动推条形成若干个发散的条状空间，取出砼条形成部；s5，向固定部中注入水泥，高度没过开口高度，待水泥干燥后形成砼层，再安装支护部，通过螺纹锁固或槽孔、销轴配合的方式将支护部锁紧在固定部上，完成锚体的安装；s6，将其余支护结构件连接在对应位置的锚体上，形成整个锚杆支护结构，完成锚杆的安装固定。
18.前所述的一种地下硐室用膨胀锚杆的安装方法，安装孔的较佳间距为1.2m，支护
部的较佳直径为22mm。
19.本发明的有益效果是：（1）本发明中，锚杆支护为主动支护，改善了锚固自身承载力，使锚固体强度增大。不同锚杆间排距对围岩的影响较大，确定锚杆间排距不仅能够保障巷道围岩稳定，而且有利于提高巷道掘进速，因此将安装孔的间距设置为1.2m，可以使得间距合理，减小锚杆的变形幅度，提升承载效果；（2）本发明中，具有极佳的抗拉效果，使得锚杆具有柔韧度大、延展性好的特点，可以积累波浪间的岩体微变形，提高了锚杆整体的抗拉强度，使得锚杆在复杂的受力情况下不易拉断，还提高了锚杆的抗剪切能力，使得锚杆在岩体的大的剪切变形时不易折；（3）本发明中，利用螺纹连接和形成砼层连接两种方式增加了锚杆与岩土层之间的抓力，提高了锚杆的固定效果，能够防止锚杆受到较大拉力后脱出岩土层，避免在地下硐室建造时发生事故；（4）本发明中，将整个锚杆分为可相互拆卸的固定部和支护部，在安装锚杆时，将固定部埋设在土壤层中，支护部与之可拆卸连接，同时在固定部中形成砼层结构，在软质的岩土层中使用时具备极佳的稳固作用；而需要拆除时，可以将支护部拆卸，固定部填埋在土层中，无需将固定部取出，避免对土质疏松的岩土层造成结构破坏，而固定部的成本低廉，适合大批量的应用；（5）本发明中，将锚杆分为可相互拆卸的固定部和支护部，首先在岩土层中安装固定部，在固定部外设置螺旋状的安装螺纹，安装时先通过安装螺纹将整个固定部扭转固定在岩土层中，同时在固定部上开设通孔，利用特定的安装件在通孔位置的岩土层中形成空隙，浇筑混凝土后与固定部形成一体的砼条或砼盘，最后安装支护部，通过安装螺纹与砼条、砼盘两方面配合，能够大大提升膨胀锚杆的抓地力，提升抗拉能提，防止锚杆脱离岩层。
附图说明
20.图1为锚杆安装在岩土层中的结构分布图；图2为本发明中固定锚体的爆炸结构图；图3为本发明中以螺纹连接方式的固定锚体的结构图；图4为本发明中砼盘形成部的结构示意图；图5为砼盘形成部的底部结构图；图6为砼盘形成部的内部结构示意图；图7为砼条形成部的内部结构示意图。
21.其中：1、硐室岩土层；2、固定部；21、开口；22、安装槽；221、进口段；222、固定段；23、安装螺纹；24、旋块；3、支护部；31、安装块；32、销孔；33、销杆；4、砼层；41、砼盘；42、砼条；5、砼盘形成部；51、筒体；52、切刀；53、刀口；6、砼条形成部；61、推条；7、推动块；8、推动丝杠；9、弹簧。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能
够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
23.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一元件，它可以直接在另一元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一元件，它可以是直接连接到一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
24.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
25.在现有技术中，一般是将锚杆直接穿凿固定在岩石层中，利用锚杆与岩石层之间的固定提供拉力，但穿凿过程中无疑破坏了岩土层的结构，在较为松软的岩石层、土壤层中，锚杆的设置影响了岩土层的完整性，而后期需要将锚杆开挖拆卸回收，更使得岩土层的结构稳定性遭到破坏，影响地下硐室的使用稳定性。同时即使是膨胀锚杆，与岩土层之间的连接都较为松弛，仅通过较小的膨胀件连接，锚杆与岩土层之间的抓力不强，使得锚杆容易松脱。
26.本实施例提供的一种地下硐室用膨胀锚杆，结构如图1和图2所示，将锚体的结构进行了优化，将锚体分为两部分，一部分为固定部2，埋设在地底，并通过浇注砼层4实现与土壤层、岩石层之间的自固定；另一部分为支护部3，与固定部2可拆卸连接。
27.需要拆除锚杆时，可以将支护部3拆除，而固定部2则直接放弃，埋设在土壤层或岩石层中，如此无需对固定锚体进行开挖拆卸，不需要回填土壤，不会对地下硐室的土壤层结构完整性和稳定性造成影响，而在砼层4的作用下还能够对地下硐室土层起到加固作用，提升地下硐室的安全性和稳定性。
28.以下说明本锚杆的具体构造：如图2和图3所示，锚体包括两部分，一部分为埋设在土壤层中的固定部2，另一部分为与固定部2可拆卸连接的支护部3。若干根固定锚体均匀布设在地下硐室中，同时固定部2内形成有砼层4以加强固定部2与岩土层之间的连接牢固性和整体稳定性。
29.为形成砼层4，在安装固定锚体时还需要用到特定的安装件，将固定锚体辅助埋设安装在岩土层中。
30.如图2和图3所示，固定部2整体呈圆筒状，其内中空设置，固定部2一端呈圆锥形状，另一端形成有开孔；固定部2外侧面形成有安装螺纹23，安装螺纹23从固定部2的圆筒部分延伸至圆锥部分；此外，在固定部2上还设有旋块24，可以辅助安装螺纹23在岩土层中的安装。
31.固定部2中间位置向四周发散形成有若干个开口21，固定部2靠近地底一侧形成砼层4，另一侧与支护部3连接；砼层4填充至固定部2内，在固定部2底部岩土层中形成圆盘状的砼盘41，并在固定部2中间位置形成向开口21外发散的砼条42。
32.本发明利用螺纹连接和形成砼层4连接两种方式增加了锚杆与岩土层之间的抓力，提高了锚杆的固定效果，能够防止锚杆受到较大拉力后脱出岩土层，避免在地下硐室建造时发生事故。
33.固定部2与支护部3连接时，可以采用两种方式，一种为安装槽22于安装块31的销
接配合。如图2所示，固定部2与支护部3连接的一侧开设有安装槽22，支护部3上对应位置设有安装块31，安装槽22包括垂直于地面设置的进口段221，以及环绕设置在固定部2内侧壁上的呈弧形设置的固定段222，支护部3上开设有销孔32。
34.安装支护部3时，可以将支护部3上的安装块31对准安装槽22的进口段221，嵌入并滑至底部后，旋转支护部3，使安装块31在固定段222内滑移至限位状态，此时支护部3上的销孔32与进口段221的入口对准，在销孔32和进口段221的入口内插设销杆33，即可完成支护部3与固定部2的相对固定。
35.使用该种方法连接的优点在于，连接强度大，且可以长时间使用，不用担心销杆33锈蚀对拆卸时产生影响，为方便拆卸，还可在销杆33顶部设置吊环；此外为防止雨水进入固定部2内，销杆33顶端位置的尺寸大于销孔32的尺寸。
36.固定部2与支护部3连接时还可以采用螺纹连接的方式进行紧固。如图3所示，在固定部2开口21的内侧壁和支护部3的对应位置上形成相互匹配的螺纹，在安装时只需要旋转支护部3，通过螺纹即可实现配合锁固，而为了方便旋转支护部3，在支护部3的侧面位置还形成有凸块。
37.螺纹连接的方式安装简单，加工成本更低，但存在长时间使用后容易锈蚀，无法拆卸或需要暴力拆卸的问题，因此使用第一种销杆33紧固的方式更为合理，对于后期的拆卸较为方便。
38.在将支护部3拆卸后，还可以使用金属制成的盖板将固定部2的顶部封闭，以防积水侵蚀内部砼层4。盖板和固定部2之间的连接方式，与支护部3和固定部2之间的连接方式相同。
39.为在固定部2内形成砼层4，固定锚体还包括特定的安装件，安装件包括两部分，一部分为用于形成底部砼盘41的砼盘形成部5；另一部分则为用于形成中间位置砼条42的砼条形成部6。
40.如图4至图7所示，砼盘形成部5包括呈筒状结构的外径与固定部2内径相同的筒体51，筒体51内滑移连接有若干个扇形结构的切刀52，切刀52通过开设在筒体51侧面的刀口53推出或收回。
41.筒体51内垂直于切刀52方向滑移连接有圆台形状的推动块7，筒体51内转动连接有推动丝杠8，推动丝杠8穿透推动块7并与之螺纹连接，通过带动推动块7滑移推动切刀52在刀口53中活动。
42.推动块7整体为倒置的圆台形状，切刀52与推动的贴合面呈圆弧形，推动块7下移时，直径逐渐增大，则切刀52逐渐被推出，切开底部松软的岩土层，形成切刀52形状的空腔，在灌注水泥时即可形成砼盘41。切刀52设有四块，四块切刀52在推动块7的作用下能够同步向外推动。
43.在切刀52的底部设有弹簧9，弹簧9一端固定在筒体51内侧壁上，另一端固定在切刀52上，推动丝杠8反向旋转，带动推动块7上移时，在弹簧9作用下即可驱使切刀52复位。
44.如图7所示，砼条形成部6整体结构与砼盘形成部5的结构相似，包括呈圆筒形状的外壳，外壳内滑移连接有若干根形状与开口21适配的推条61，外壳中设有圆台形状的推动块7和垂直于推条61设置的推动丝杠8，用于带动若干根推条61在开口21中滑移。为方便切开土层，推条61外侧末端厚度逐渐减小。同时外壳内也设有用于推动推条61复位的弹簧9。
45.为配合本发明中锚杆的安装，本发明还公开了一种地下硐室用膨胀锚杆的安装方法，包括如下步骤：s1，在硐室内指定位置上间隔打入安装孔，孔径小于固定部的外径，孔深大于固定部的长度，孔间距为0.5～3m；s2，将固定部顶端圆锥状部分套设于安装孔中，利用旋块将固定部转动连接至安装孔内，使固定部与安装孔之间螺纹连接；s3，将砼盘形成部嵌入固定部中并置于孔底，旋转推动丝杠，使推动块带动切刀向外推出，在安装孔底部形成圆盘状空间，取出砼盘形成部；s4，将砼条形成部嵌入固定部中，将顶面平齐，且将推条与开口对齐，旋转推动丝杠，由推动块带动推条形成若干个发散的条状空间，取出砼条形成部；s5，向固定部中注入水泥，高度没过开口高度，待水泥干燥后形成砼层，再安装支护部，通过螺纹锁固或槽孔、销轴配合的方式将支护部锁紧在固定部上，完成锚体的安装；s6，将其余支护结构件连接在对应位置的锚体上，形成整个锚杆支护结构，完成锚杆的安装固定。
46.其中，安装孔的较佳间距为1.2m，支护部的较佳直径为22mm。
47.锚杆支护为主动支护，改善了锚固自身承载力，使锚固体强度增大。不同锚杆间排距对围岩的影响较大，确定锚杆间排距不仅能够保障巷道围岩稳定，而且有利于提高巷道掘进速，因此将安装孔的间距设置为1.2m，可以使得间距合理，减小锚杆的变形幅度，提升承载效果。
48.锚杆的直径与支护作用有明显影响，当支护部的直径设置为22mm时，能够达到较佳的围岩变形量，提升锚杆的支护作用。
49.除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

技术特征：
1.一种地下硐室用膨胀锚杆，包括锚体，其特征在于：所述锚体包括固定部（2），埋设在岩土层中，并设有若干根；支护部（3），与所述固定部（2）可拆卸连接，用于连接支护结构件；安装件，形状与固定部（2）配合，用于将固定部（2）埋设安装在岩土层中；所述固定部（2）整体呈圆筒状，其内中空设置，所述固定部（2）一端呈圆锥形状，另一端形成有开孔；所述固定部（2）外侧面形成有安装螺纹（23），所述安装螺纹（23）从所述固定部（2）的圆筒部分延伸至圆锥部分；固定部（2）中间位置向四周发散形成有若干个开口（21），所述固定部（2）靠近地底一侧形成砼层（4），另一侧与所述支护部（3）连接；所述砼层（4）填充至所述固定部（2）内，在所述固定部（2）底部岩土层中形成圆盘状的砼盘（41），并在所述固定部（2）中间位置形成向所述开口（21）外发散的砼条（42）。2.根据权利要求1所述的一种地下硐室用膨胀锚杆，其特征在于：所述安装件包括砼盘形成部（5）和砼条形成部（6），所述砼盘形成部（5）包括呈筒状结构的外径与所述固定部（2）内径相同的筒体（51），所述筒体（51）内滑移连接有若干个扇形结构的切刀（52），所述切刀（52）通过开设在所述筒体（51）侧面的刀口（53）推出或收回；所述筒体（51）内垂直于所述切刀（52）方向滑移连接有圆台形状的推动块（7），所述筒体（51）内转动连接有推动丝杠（8），所述推动丝杠（8）穿透所述推动块（7）并与之螺纹连接，通过带动所述推动块（7）滑移推动所述切刀（52）在所述刀口（53）中活动。3.根据权利要求2所述的一种地下硐室用膨胀锚杆，其特征在于：所述砼条形成部（6）包括呈圆筒形状的外壳，所述外壳内滑移连接有若干根形状与开口（21）适配的推条（61），所述外壳中设有圆台形状的推动块（7）和垂直于推条（61）设置的推动丝杠（8），用于带动若干根所述推条（61）在所述开口（21）中滑移；所述推条（61）外侧末端厚度逐渐减小；所述筒体（51）和所述外壳内均设置用于辅助所述切刀（52）或所述推条（61）复位的弹簧（9）。4.根据权利要求1所述的一种地下硐室用膨胀锚杆，其特征在于：所述固定部（2）与所述支护部（3）连接的一侧开设有安装槽（22），所述支护部（3）上对应位置设有安装块（31），所述安装槽（22）包括垂直于地面设置的进口段（221），以及环绕设置在所述固定部（2）内侧壁上的呈弧形设置的固定段（222），所述支护部（3）上开设有销孔（32），所述安装块（31）抵接至所述固定段（222）内壁之后，所述销孔（32）与所述进口段（221）位置对应，并在所述销孔（32）和所述进口段（221）内穿设销杆（33）。5.根据权利要求1所述的一种地下硐室用膨胀锚杆，其特征在于：所述固定部（2）与所述支护部（3）之间通过螺纹锁固，所述支护部（3）侧面一体形成有用于旋转所述支护部（3）的凸块。6.根据权利要求1所述的一种地下硐室用膨胀锚杆，其特征在于：所述支护部（3）拆除后遗弃所述固定部（2），并通过盖板封闭所述固定部（2）的开口（21）；所述盖板和所述固定部（2）之间的连接方式，与所述支护部（3）和所述固定部（2）之间的连接方式相同。7.根据权利要求1所述的一种地下硐室用膨胀锚杆，其特征在于：所述固定部（2）上位于开孔的一端形成有环绕所述固定部（2）中心分布的旋块（24），用于辅助所述固定部（2）与岩土层之间的螺纹安装。
8.一种地下硐室用膨胀锚杆的安装方法，用于安装如权利要求1～7所述的任意一种地下硐室用膨胀锚杆，其特征在于，包括如下步骤：s1，在硐室内指定位置上间隔打入安装孔，孔径小于固定部的外径，孔深大于固定部的长度，孔间距为0.5～3m；s2，将固定部顶端圆锥状部分套设于安装孔中，利用旋块将固定部转动连接至安装孔内，使固定部与安装孔之间螺纹连接；s3，将砼盘形成部嵌入固定部中并置于孔底，旋转推动丝杠，使推动块带动切刀向外推出，在安装孔底部形成圆盘状空间，取出砼盘形成部；s4，将砼条形成部嵌入固定部中，将顶面平齐，且将推条与开口对齐，旋转推动丝杠，由推动块带动推条形成若干个发散的条状空间，取出砼条形成部；s5，向固定部中注入水泥，高度没过开口高度，待水泥干燥后形成砼层，再安装支护部，通过螺纹锁固或槽孔、销轴配合的方式将支护部锁紧在固定部上，完成锚体的安装；s6，将其余支护结构件连接在对应位置的锚体上，形成整个锚杆支护结构，完成锚杆的安装固定。9.根据权利要求8所述的一种地下硐室用膨胀锚杆的安装方法，其特征在于：所述安装孔的较佳间距为1.2m，所述支护部的较佳直径为22mm。

技术总结
本发明公开了一种地下硐室用膨胀锚杆及其安装方法，涉及地下硐室建造技术领域。该膨胀锚杆将锚体的结构进行了优化，将锚体分为两部分，一部分为固定部，埋设在地底，并通过浇注砼层实现与土壤层、岩石层之间的自固定；另一部分为支护部，与固定部可拆卸连接，本发明在固定部外设置螺旋状的安装螺纹，安装时先通过安装螺纹将整个固定部扭转固定在岩土层中，同时在固定部上开设通孔，利用特定的安装件在通孔位置的岩土层中形成空隙，浇筑混凝土后与固定部形成一体的砼条或砼盘，最后安装支护部，通过安装螺纹与砼条、砼盘两方面配合，能够大大提升膨胀锚杆的抓地力，提升抗拉能提，防止锚杆脱离岩层。锚杆脱离岩层。锚杆脱离岩层。


技术研发人员：周坤宏 冯永光 刘春宇 万叔雄 杨永田 宁建鸿 邓文彬 齐志成
受保护的技术使用者：中煤地质集团有限公司
技术研发日：2023.08.11
技术公布日：2023/9/20