一种后扩孔自锁锚杆快速安装支护的施工方法 【技术领域】
本发明涉及一种岩石锚孔中锚杆锁固安装的施工方法，具体来说是一种后扩孔自锁锚杆快速安装支护的施工方法。
背景技术
在岩体大型洞室开挖过程中，会遇到坚硬的基岩，当坚硬的基岩处在三向高压应力状态时，不会发生破坏，一旦开挖暴露，因卸载会导致岩爆，给施工安全带来威胁。防止岩爆的有效措施是在开挖出的新基岩面上安装锚杆进行支护。对处于高压应力场中的坚硬岩基，要使支护有效，抵抗岩爆的发生，必须快速安装锚杆，立即施加预应力，对岩面提供足够大的压力。
申请人于2009年9月18日向国家知识产权局专利局递交了申请号为2009102721367，发明名称为《一种可快速安装的后扩孔自锁锚杆》的专利申请，参见图1，该锚杆包括杆体内锚端1、中间杆14、杆体外露端15和楔块2，所述杆体内锚端1的端面上开有贯通截面的楔槽11，所述楔块2的一端设置有可与楔槽11对应楔合的楔头21，另一端设置有底座23，楔头21与底座23之间为中间段22，中间段22的直径或截面面积小于楔头21大端的直径或截面面积。杆体内锚端1和楔块2一并装入锚孔4内后，在杆体外露端15上采用锤击施压，将杆体内锚端1压向锚孔4的孔底，使杆体内锚端1沿楔头21上的斜面向外扩张，使杆体内锚端1外张的锥面体在纵向锤击力的作用力下将锚孔4内壁上的岩石或混凝土凿碎，在锚孔4的内壁上形成倒锥台，并与扩孔后的锚孔4内壁形成自锁锚固。由于杆体内锚端1的外张角度对锚杆锁固的质量有直接的影响，而杆体内锚端1的外张角度又取决于锚杆施压时的纵向行程，因此在该锚杆的安装施工过程中，如何控制锚杆的纵向行程就变得至关重要。若采用人工度量方式进行控制，不仅施工时间延长，而且准确性差，锚杆锁固的质量难以保障。另外，根据锚固要求，锚杆往往与锚基即锚固体平面形成一定角度的夹角，对于这种倾斜的锚杆，在安装固定和预应力张拉上都有一定的困难，也影响了锚杆的快速安装。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有后扩孔自锁锚杆安装施工时间长，固定不够方便，质量难以保障的缺陷和不足，提出一种施工速度快，锚固质量可靠，可适应倾斜锚杆安装的后扩孔自锁锚杆快速安装支护的施工方法。
本发明的技术解决方案是：一种后扩孔自锁锚杆快速安装支护的施工方法，包括以下步骤：
A.用高压空气清除锚孔内的残渣；
B.将锚杆的楔块和杆体内锚端一端插至锚孔的孔底；并在锚孔的杆体外露端安装后扩孔锚杆安装器；
C.按照杆体内锚端外张后锚杆的轴向行程，标定后扩孔锚杆安装器的滑杆座在滑杆上的滑动距离；
D.在风镐上安装钎杆，将钎杆插入后扩孔锚杆安装器上直杆的钎杆盲孔中，开动风镐，将杆体外露端及锚杆整体向锚孔的底部推进，直至后扩孔锚杆安装器上的滑杆座滑动至标定距离的终点，关闭风镐，抽出钎杆，拆下后扩孔锚杆安装器；
E.在锚杆的杆体外露端安装垫块并用螺母旋合锁紧。
所述的步骤A中，清除锚孔内的残渣后，先用压浆泵将制备好的灌浆料灌满锚孔，然后立即进行步骤B-步骤E，或者所述的步骤D中，在拆下后扩孔锚杆安装器后，用压浆泵将制备好的灌浆料灌满锚孔，然后立即进行步骤E。
在锚杆地杆体外露端安装的垫块是凸球面万向垫块组件，所用的螺母为普通螺母或凹球面螺母，且在螺母旋合锁紧后，用压浆泵将制备好的灌浆料从万向垫块上的灌浆孔中灌满锚孔。
所述的步骤E中：采用力矩扳手旋合螺母，对锚杆施加预应力，直至锚杆的预应力达到设计要求，方完成锁紧。
所述的灌浆料为水泥浆、水泥砂浆或树脂类灌浆料。
所述的锚杆是专利申请号为2009102721367的一种可快速安装的后扩孔自锁锚杆。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：1.利用本施工方法安装后扩孔锚杆，可确保锚杆安装快速，迅速提供支护预应力，满足了高压应力场的坚硬基岩大型洞室开挖的支护要求。2.风钻成孔、锚杆及安装器安装，风镐施压、凸球面万向垫块组件安装及电动力矩扳手等一系列机械化施工，为实现快速施工提供了有利条件。3.利用后扩孔锚杆安装器并用风镐对锚杆加压，实现了锚杆安装快速并且质量可控。4.锚杆安装后相对拉拔仪施加预应力，采用力矩扳手施加预应力更简便，也方便后续用力矩扳手进行检验，防止漏加或预应力未加到位的情况发生。5.安装凸球面万向垫块组件，改善锚杆外锚段的受力状态，防止锚杆体系松弛，减小预应力损失。6.本施工方法适于多种后扩孔自锁锚杆的快速安装支护，便于机械化施工，安装速度快，锚固力大，锚固质量稳定且便于监控和检测，对倾斜布置的锚杆适应性好，为后扩孔自锁锚杆的广泛应用提供了切实可行的实施规范。
【附图说明】
图1是本发明中后扩孔自锁锚杆装入锚孔4中的结构示意图；
图2是本发明中后扩孔锚杆安装器在锚杆楔锁前的安装示意图；
图3是本发明中后扩孔锚杆安装器在锚杆楔锁后的位置示意图；
图4是本发明中凸球面万向垫块组件的第一种安装结构示意图；
图5是本发明中凸球面万向垫块组件的第二种安装结构示意图。
图中：杆体内锚端1，楔槽11，凹锥坑12，螺孔13，中间杆14，杆体外露端15，钎杆16，锚杆体18，普通螺母19，楔块2，楔头21，中间段22，底座23，导渣槽24，台阶孔25，长螺栓3，锚孔4，锚基41，直杆5，钎杆盲孔51，锚杆盲孔52，滑杆座53，滑杆孔54，滑杆55，夹卡56，标尺57，锁紧螺栓58，拉簧59，万向垫块6，灌浆孔60，锥面61，凸球台62，圆锥台孔63，凹球面垫圈64，凹球面螺母65，溢浆孔69。
【具体实施方式】
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：
参见图1-图5，1.一种后扩孔自锁锚杆快速安装支护的施工方法，包括以下步骤：
A.用高压空气清除锚孔4内的残渣；
B.将锚杆的楔块2和杆体内锚端1一端插至锚孔4的孔底；并在锚孔4的杆体外露端15安装后扩孔锚杆安装器；
C.按照杆体内锚端1外张后锚杆的轴向行程，标定后扩孔锚杆安装器的滑杆座53在滑杆55上的滑动距离；
D.在风镐上安装钎杆16，将钎杆16插入后扩孔锚杆安装器上直杆5的钎杆盲孔51中，开动风镐，将杆体外露端15及锚杆整体向锚孔4的底部推进，直至后扩孔锚杆安装器上的滑杆座53滑动至标定距离的终点，关闭风镐，抽出钎杆16，拆下后扩孔锚杆安装器；
E.在锚杆的杆体外露端15安装垫块并用螺母旋合锁紧。
所述的步骤A中，清除锚孔4内的残渣后，先用压浆泵将制备好的灌浆料灌满锚孔4，然后立即进行步骤B-步骤E，或者所述的步骤D中，在拆下后扩孔锚杆安装器后，用压浆泵将制备好的灌浆料灌满锚孔4，然后立即进行步骤E。所述的灌浆料为水泥浆、水泥砂浆或树脂类如环氧树脂灌浆料。对后两种灌浆，当将锚杆插入锚孔4前，先在锚杆上绑扎灌浆管或气管，然后一并插入锚孔内。
所述的步骤E中：采用力矩扳手旋合螺母，对锚杆施加预应力，直至锚杆的预应力达到设计要求，方完成锁紧。
所述的锚杆是指后扩孔自锁锚杆也就是对钻出的锚孔内壁再次进行扩孔或自扩孔，以构成正锥形或倒锥形自锁段的锚杆锁固结构。它可以是公告号为CN2404619Y的《一种混凝土自锁插杆及配套的扩孔钻头》等后扩孔自锁锚杆，并最好是如图1所示由申请人于2009年9月18日向国家知识产权局专利局申请的申请号为2009102721367的《一种可快速安装的后扩孔自锁锚杆》。
所述的后扩孔锚杆安装器即《一种可测量楔锁行程的后扩孔锚杆安装器》和《一种凸球面万向垫块组件》均已由本申请人于同日向国家知识产权局申请专利。
参见图1，本发明所述的申请号为2009102721367的一种可快速安装的后扩孔自锁锚杆，包括杆体内锚端1、中间杆14、杆体外露端15和楔块2，所述杆体内锚端1的端面上开有贯通截面的楔槽11，所述楔块2的一端设置有可与楔槽11对应楔合的楔头21，另一端设置有底座23，楔头21与底座23之间为中间段22，中间段22的直径或截面面积小于楔头21大端的直径或截面面积。所述的楔槽11应将杆体内锚端1的横截面贯通分割成至少两块，使分割开的杆体内锚端1可以向两侧边折弯。
所述的杆体内锚端1可以是中空的管体，楔块2的楔头21可以是圆锥体，但对于高压应力场的坚硬基岩，为了增加杆体内锚端1切入锚孔4的机械强度，最好是使杆体内锚端1为实心柱体。杆体内锚端1的外径小于锚孔4的直径3-16mm。
所述的杆体内锚端1、中间杆14和杆体外露端15为一金属圆棒，圆棒直径略小于岩石或混凝土上直孔锚孔的直径，最好是杆体内锚端1的外径小于锚孔4的直径3-16mm.在方便插入的前提下圆棒头部的直径越大越好，圆棒的长度大于锚孔4的深度.所述杆体内锚端1为实心柱体，所述楔槽11和楔头21的截面形状为轴对称的一字形或丫字形或十字形或水字形或大字形或米字形或光字形.
在圆棒入孔端的端部沿轴向切有楔槽11，楔槽11可切成一字形槽，最好切成十字槽。楔槽11的轴向长度一般为圆棒即杆体内锚端1直径的1.5倍至5倍，一般取2倍左右。一般来说，所述杆体内锚端1上楔槽11的轴向长度可以大于楔块2上楔头21的斜面长度。楔槽11的宽度以大于或等于楔块2上楔头21小端的厚度为宜。
为了方便杆体内锚端1部位楔槽11的加工，还可以使所述杆体内锚端1与中间杆14经焊接或螺纹轴向连接成一体。也就是将杆体内锚端1的构造单独加工成与中间杆14和杆体外露端15分离的内锚头，内锚头与中间杆14可采用焊接或螺纹进行连接，然后与相应的楔块2配合使用，这样便于杆体内锚端1即内锚头的批量加工，降低成本。中间杆14和杆体外露端15通常采用同一材料制成一体，所采用的材料和粗细可根据需要进行选择，如可选择直径小于内锚头直径的钢筋作为中间杆14和杆体外露端15，也可选择中空的材料作为中间杆14和杆体外露端15，以方便安装锚杆后灌浆，但中空的中间杆14及杆体外露端15要有足够的强度保证安装时能轴向加压使内锚头锚入锚孔4内壁中。
所述杆体内锚端1即圆棒头部的端面可切削成凹锥坑12，如可以在圆棒入孔端的端面上先加工成凹锥面体，再沿轴向切出楔槽11，即可在圆棒头部的端面上形成可切削锚孔4内壁的刃口或尖状体。还可以在所述杆体内锚端1的端部焊有硬质合金刀片或进行材质硬化处理，如进行淬火或渗碳热处理，提高硬度，以便于在对锚杆体外露端15加压时，杆体内锚端1可以迅速将锚孔4内壁的岩石或混凝土凿出。所述的杆体内锚端1也可以采用金属方棒或多棱角棒或螺纹钢筋。
所述的楔块2也是实心柱体，与所述的楔槽11相对应，楔头21的截面形状也可以是轴对称的锥面一字形或十字形，或丫字型或水字形或米字形或大字形或光字形。
所述的楔块2由楔头21、中间段22和底座23三部分组成。楔头21上制有形成锥度的斜面，楔块2上的斜面为偏平刀斧型，斜面的夹角不宜大于杆体内锚端1材料的摩擦对应十字形锚杆2，楔块2的横截面设计成十字形，以确保杆体内锚端1上切出的四支爪在安装时沿凹角导槽向内滑移而不发生偏移，同样对应其它槽形的杆体内锚端1，楔头21的横截面与楔槽11的截面形状相同。楔头21上锥形斜面大端横截面的直径同杆体内锚端1直径大体一致，也可以大于或小于杆体内锚端1直径。楔头21上的斜面长度一般取杆体内锚端1直径的1.4倍至4.8倍，较佳的取2倍左右。楔头21上的斜面长度一般小于杆体内锚端1上的楔槽11的长度。楔块2的中间段22为一横截面变小的柱体，可为圆形截面或方形截面或多边形截面等。中间段22的截面较楔头21小的目的是，在直孔即锚孔4内部留出空间用于存放被凿出的碎石粉或混凝土渣，中间段22的柱体长度所预留的空间以满足锚孔4内要排出的碎渣容积量为宜。楔块2的底座23的截面直径同杆体内锚端1的直径一致，也可以与中间段22直径相同，但一般情况下，底座23的直径比中间段22截面直径或截面面积大，以减缓杆体内锚端1扩孔时的冲击压力对锚孔4底部岩石或混凝土的破坏。
为保证楔头21的斜面尖角与杆体内锚端1的楔槽11楔合的准确性，方便杆体内锚端1和楔块2的楔合安装并提高施工速度，可以将杆体内锚端1与楔块2用长螺栓3沿轴向连成整体，然后一并插入岩石或混凝土的锚孔4底部.结合图10，所述杆体内锚端1的轴线上设置有螺孔13，所述楔块2的轴线上设置有台阶孔25，有一长螺栓3其螺栓柄一端装在台阶孔25中，长螺栓3的外螺纹一端穿过台阶孔25旋合在杆体内锚端1上的螺孔13中.
也可以将所述杆体内锚端1上的楔槽11与楔块2上的楔头21经粘合剂对应粘接成一体，或者经点焊连接成一体。待杆体内锚端1和楔头21连体置入锚孔4的底部后，再通过锤击施压解除两者间粘合剂或点焊的连接，并进行扩孔锚固。
杆体内锚端1和楔块2一并装入锚孔4内后，在杆体外露端15上采用锤击施压，将杆体内锚端1压向锚孔4的孔底，在压进时，楔块2插入杆体内锚端1的楔槽11中，使杆体内锚端1沿楔头21上的斜面向外扩张，使杆体内锚端1外张的锥面体在纵向锤击力的作用力下将锚孔4内壁上的岩石或混凝土凿碎，在锚孔4的内壁上形成倒锥台，凿出的碎渣从楔块2与锚孔4内壁之间的缝隙进入楔块2上中间段22所预留的空档处，为便于碎渣向中间段22流动，可以在所述楔头21的大端一侧设置有连通中间段22的导渣槽24。所述的导渣槽24实际上是设置在楔头21大端斜面上并通向中间段22的凹槽，它的设置便于楔头21小端的岩石或混凝土碎渣向中间段22流动，避免岩石或混凝土碎渣在楔头21上堆积从而阻碍杆体内锚端1与楔块2的楔合。同时也可相应增加楔块2上楔头21大端的直径，减少杆体内锚端1与锚孔4内壁之间的间隙，以保证杆体内锚端1在锚孔4内扩倒锥孔时有更大的挤压刚度。
锚杆安装时，将杆体内锚端1、长螺栓3、楔块2及中间杆14一并装入锚孔4中后，也可用风镐对杆体外露端15上后扩孔锚杆安装器的冲击加压，仅两分钟即完成锚固，加压十分方便，安装速度极快。
参见图2，图3，本发明所述的后扩孔锚杆安装器包括一直杆5，所述直杆5一端的端面上设置有与钎杆16相连接的钎杆盲孔51，直杆5另一端的端面上设置有与锚杆外露端15相连接的锚杆盲孔52，所述直杆5中间段的外壁上固定有一滑杆座53，滑杆座53上设置有一个滑杆孔54，滑杆孔54内穿有滑杆55，滑杆55及滑杆孔54的轴线与直杆5的轴线相平行。
所述的直杆5为一圆钢棒，也可以是多棱形棒，所述直杆5的外径是锚杆外露端15外径的1.2-2倍。一般可为锚杆外露端15外径的1.4倍。所述的锚杆盲孔52的孔深应大于锚杆盲孔52的孔径，还可以在锚杆盲孔52中设置有与锚杆外露端15上外螺纹相旋合的内螺纹，在安装锚杆时，可以将直杆5旋合在锚杆外露端15上。
为保证风镐的冲击施压效果，最好是使所述钎杆盲孔51的孔底为平底，并使所述的钎杆16为平头钎杆，即钎杆16上插入钎杆盲孔51的一端为平头。钎杆盲孔51与钎杆16滑动配合。
所述的滑杆座53与一拉簧59的一端相连接，拉簧59的另一端与滑杆55上远离锚基41一侧的端部相连接。也可以在滑杆55与滑杆座53之间安装压簧，安装两种弹簧的目的是使滑杆55有向锚基41方向运动的趋势，以确保滑杆座53在滑杆55上移动时，滑杆55的一端始终顶在锚基41上。
使用时，先将锚杆插入锚孔并使锚杆的杆体内锚端1与楔头2相接触，再将锚杆盲孔52套在杆体外露端15上，将风镐上的钎杆16插入钎杆盲孔15，再将滑杆55的一端顶在锚基13上，并在滑杆55上标定出锚杆楔锁前滑杆座53的初始位置和锚杆楔锁后滑杆座53的终止位置，如用粉笔在滑杆55上标注出滑杆座53的初始位置和终止位置，开动风镐，在风镐及钎杆16的冲击作用下，直杆5推动锚杆向锚孔的底部运动，这时滑杆座53在滑杆55上会向锚基41一侧滑动，当滑杆座53滑动到终止位置，即滑动距离等于杆体内锚端与楔头楔合的轴向长度时，停止风镐及钎杆16的作业，锚杆即达到楔锁的安装要求.
为便于滑杆座53在滑杆55上移动距离的测量，最好是在所述的滑杆55上套有一个夹卡56，所述的夹卡56是与滑杆55滑动配合的管体，管体的外壁上旋合有锁紧螺栓58，锁紧螺栓58的端部顶向滑杆55。夹卡56上固定有一根平行于滑杆55的标尺57。标尺57上标记有长度单位的刻度。
使用时可以将所述的夹卡56套接在靠近锚基41一端的滑杆55上，根据杆体内锚端与楔头楔合的轴向长度，通过标尺57来标定锚杆楔锁前滑杆座53的初始位置和锚杆楔锁后滑杆座53的终止位置，如记住标尺上的前述两个位置的刻度，然后旋紧锁紧螺栓58，将夹卡56锁定在滑杆55上。对直杆5及锚杆施压时，滑杆座53从楔锁前的初始位置向锚基方向滑动，当滑杆座53到达标尺57上终止位置的刻度时，锚杆即安装到位。锚杆安装的操作方便、直观，并可准确控制锚固的行程，从而确保锚杆的锚固质量。
杆体内锚端1与楔块2的扩孔安装是否合格，可通过锚杆插到锚孔4底部后锤击的行程判定，当锚杆向锚孔4底部锤入的行程大于楔块2上楔头21的长度时方为合格，安装质量直观可控。在锚孔4内灌浆效果更佳，灌浆可在锚杆安装前或安装后进行，不影响锚杆的安装和使用，灌浆可新增后续锚固力，对锚杆还可起到保护作用，确保锚杆的耐久性。灌浆料可为水泥浆、水泥砂浆或树脂类灌浆料如环氧树脂浆料。
杆体内锚端1及楔块2的扩孔锚固施工完成后，还应在杆体外露端15的外螺纹上加装垫板并旋合螺母，最好在锚杆的杆体外露端15安装凸球面万向垫块组件并用螺母即普通螺母19或凹球面螺母65锁紧。锁紧时最好采用力矩扳手旋合螺母，对锚杆施加预应力，直至锚杆的预应力达到设计要求，方完成锁紧。
参见图4，图5，在锚杆的杆体外露端15安装的垫块是凸球面万向垫块组件，所用的螺母为普通螺母19或凹球面螺母65，且在螺母旋合锁紧后，用压浆泵将制备好的灌浆料从万向垫块6上的灌浆孔60中灌满锚孔4。
所述的一种凸球面万向垫块组件包括万向垫块和螺母，所述万向垫块6的一面为平面，另一面为锥面61，并在锥面61的顶部设置有凸球台62，在万向垫块6平面的中心开有贯通凸球台62的圆锥台孔63，圆锥台孔63的大直径一端设置在万向垫块6的平面上，小直径一端设置在凸球台62的外表面上，有一凹球面垫圈64或凹球面螺母65与凸球台62的外表面相配合。
所述圆锥台孔63孔壁的斜度为5°-20°，圆锥台孔63小直径一端的直径是锚杆体18直径的1.5-2倍。最好取1.8倍。所述圆锥台孔63的高度是锚杆体18直径的1.5-4倍，最好取2倍。所述凸球台62的球面直径是锚杆体18直径的2-5倍，最好取3倍，凸球台62的高度是锚杆体18直径的0.6-2倍，最好取1.2倍。由于圆锥台孔63的斜度和小直径一端的直径较大，使得锚杆体18可以在锚基41的平面上倾斜较大的角度，如锚杆体18倾斜的角度可以达到15°-30°。
图4中，凸球台62的外表面与一凹球面垫圈64相配合，所述凹球面垫圈64的一个面为平面，另一个面上设置有凹球形槽，且在凹球形槽的底部设置有通向另一个面的直孔.直孔套在锚杆体18上，在一凹球面垫圈64的上方采用普通螺母19与锚杆体18连接锁紧.所述直孔的直径比普通垫圈内孔的直径要大，但比凸球台62的外表面上锥孔小端的直径要小，直孔的直径可以是锚杆体18直径的1.05-1.5倍，最好取1.2倍.以保证普通螺母18上锁紧力的均匀传递.
图5中，凸球台62的外表面与一凹球面螺母65相配合，所述凹球面螺母65的一个面上设置有凹球形槽，且在凹球形槽的底部设置有通向另一个面的内螺孔。凹球面螺母65与锚杆体18的外螺纹直接旋合锁紧。
图4，图5中，对锚杆体18锁紧时，还可采用力矩扳手如电动力矩扳手来旋合普通螺母19或凹球面螺母65，进一步对锚杆施加预应力锁固，用于预应力支护。同时也可以用力矩扳手对锚杆预应力进行复核，评判锚杆安装质量是否合乎要求，锚杆预应力是否松弛。
图4，图5中，为提高被连接件18在锚孔内的后续锚固力，并对锚杆起到保护作用，通常应向锚孔内灌入灌浆料，所述的灌浆料为水泥浆、水泥砂浆或树脂类灌浆料。为方便向锚孔中灌入灌浆料，可以在所述的锥面61上设置有连通圆锥台孔63的灌浆孔60，灌浆时，可以将灌浆管从灌浆孔60中插入锚孔底部，将灌浆料灌入锚孔中，灌浆管的外径与灌浆孔60的孔壁之间留的较大的间隙，当灌浆料从灌浆管与灌浆孔60空隙中的溢出后，表明锚孔已灌满，抽出灌浆管60即可。
也可以在所述的锥面61上分别设置有连通圆锥台孔63的灌浆孔60和溢浆孔59，灌浆时，将气管从溢浆孔59内插入锚孔的孔底，直接从灌浆孔60中灌入灌浆料，锚孔中的空气通过气管及溢浆孔59被压出，浆料从溢浆孔59溢出后，表明锚孔已灌满，抽出气管即可。