预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头论文和设计-刘晓理

全文摘要

本实用新型公开了预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，包括伞状扩体装置、穿过伞状扩体装置的若干根锚筋，还包括灌浆管Ⅱ，所述伞状扩体装置外套设膜袋，所述灌浆管Ⅱ的出浆口位于膜袋以内，所述伞状扩体装置内部从前到后依次包括拉筋盘、伞状折叠杆组、穿筋盘。本实用新型用于解决裂隙发育岩体内，裂隙内泥浆回流进入伞状扩大头内部影响注浆固结体成分和强度；以及在硬质粘土层内和某些地区自携式伞状扩大头旋喷钻进、扩孔施工效率降低的问题。

主设计要求

1.预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，包括伞状扩体装置、穿过伞状扩体装置的若干根锚筋(4)，其特征在于，还包括灌浆管Ⅱ(11)，所述伞状扩体装置外套设膜袋(8)，所述灌浆管Ⅱ(11)的出浆口位于膜袋(8)以内，所述伞状扩体装置内部从前到后依次包括拉筋盘(3)、伞状折叠杆组、穿筋盘(17)。

设计方案

2.根据权利要求1所述的预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，其特征在于，所述锚筋(4)的前端活动穿过拉筋盘(3)、后端活动穿过穿筋盘(17)；所述锚筋(4)的前端设置有荷载转换装置(2)，所述荷载转换装置(2)与拉筋盘(3)接触，用于将锚筋(4)所受拉力传递至拉筋盘(3)；所述膜袋(8)的前后两端分别与拉筋盘(3)、穿筋盘(17)连接。

3.根据权利要求2所述的预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，其特征在于，所述穿筋盘(17)上活动穿设有构造构件(5)，构造构件(5)的前端端头与拉筋盘(3)固定连接，构造构件(5)用于为穿筋盘(17)前后移动提供滑轨。

4.根据权利要求2所述的预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，其特征在于，在伞状扩体装置内部拉筋盘(3)的后方、穿筋盘(17)的前方设置限位装置(14)，穿筋盘(17)向前滑移时无法通过限位装置(14)。

5.根据权利要求2所述的预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，其特征在于，在伞状扩体装置内拉筋盘(3)的后方、穿筋盘(17)的前方设置止退装置(15)，穿筋盘(17)向前滑移时允许单向通过止退装置(15)。

6.根据权利要求2所述的预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，其特征在于，在拉筋盘(3)后侧的锚筋(4)上设置有固定装置(20)，所述固定装置(20)与拉筋盘(3)接触，但无法通过拉筋盘(3)。

7.根据权利要求2所述的预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，其特征在于，还包括灌浆管Ⅰ(12)，所述灌浆管Ⅰ(12)穿过伞状扩体装置，灌浆管Ⅰ(12)的出浆口位于膜袋(8)以外，且灌浆管Ⅰ(12)的出浆口位于拉筋盘(3)的前侧。

8.根据权利要求2所述的预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，其特征在于，还包括与穿筋盘(17)相连的管尺(13)，所述管尺(13)朝向穿筋盘(17)后侧方向延伸，管尺(13)内部具有与伞状扩体装置内部连通的排气通道，管尺(13)表面具有刻度线。

9.根据权利要求2所述的预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，其特征在于，伞状扩体装置的前端设置有导向帽(1)，导向帽(1)与拉筋盘(3)连接，导向帽(1)的前部设置有过浆孔(22)。

10.根据权利要求2所述的预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，其特征在于，所述伞状折叠杆组由若干根折叠杆组成，每一根所述折叠杆包括长杆(6)和与之铰接连接的短杆(7)，所述长杆(6)的前端通过前铰接杆(19)与拉筋盘(3)铰接，所述短杆(7)的后端通过后铰接杆(21)与穿筋盘(17)铰接；所有折叠杆通过若干层箍筋(9)实现周向拉结，所述折叠杆与箍筋(9)之间通过定位件(10)固定连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，涉及岩土工程领域，具体应用于房建、交通、铁道、水利水电、人防、地下工程、国防等各行业的临时性基坑支护、永久性边坡支护、抗浮锚杆锚索。

背景技术

在本申请之前，发明人研究并已提交专利申请的自携伞状扩体结构系列的旋喷锚杆锚索(名为“自携伞状扩体结构的旋喷锚索或旋喷锚杆施工方法”的专利申请(申请号2018106766169))将传统摩擦型锚改变成为了端承型锚，已经较好地解决了传统锚杆锚索受力机制不合理、承载能力低、易蠕变、耐久性差、施工送锚难到位等等问题。

但仍有一些问题尚需进一步解决，例如在裂隙较为发育、钻孔间窜气窜浆严重的泥岩层内(如附图1所示)，在伞状扩大头内已经完成旋喷注浆或静压注浆并退钻之后，扩孔段周边岩体裂隙内的泥浆复又回流进入伞状扩大头内，这导致注浆固结体的成分、强度受到了影响。

又如在硬质粘土层以及某些地区应用该技术时，在成孔过程中如采用螺旋钻进或螺旋-旋喷复合钻进相比于同步携带伞状扩大头的旋喷钻进施工效率会更高，而且该类地层采用旋喷注浆的费效比也高于膜袋法注浆，这时采用自携伞状扩大头旋喷钻进，则并不是性价比最高的解决方式。

实用新型内容

本实用新型预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，旨在解决裂隙发育岩体内，裂隙内泥浆回流进入伞状扩大头内部影响注浆固结体成分和强度；以及在硬质粘土层内和某些地区以自携式伞状扩大头旋喷钻进工艺进行钻孔施工效率降低的问题。

本实用新型通过下述技术方案使问题得到解决：

预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，包括伞状扩体装置、穿过伞状扩体装置的若干根锚筋，还包括灌浆管Ⅱ，所述伞状扩体装置外套设膜袋，所述灌浆管Ⅱ的出浆口位于膜袋以内，所述伞状扩体装置内部从前到后依次包括拉筋盘、伞状折叠杆组、穿筋盘。

本申请中以钻孔作业时钻头的行进方向为前，反之为后。其中锚筋是指锚杆或锚索结构内传递并承担外部拉拔荷载的主筋材料，包括构成锚杆的钢筋或钢管等、构成锚索的钢绞线或钢丝等，以及其他一些条束状纤维增强复合抗拉材料比如玻璃纤维锚杆、碳纤维锚杆等等，而钢筋既可以是普通螺纹钢筋，也可以是精轧螺纹钢筋，还可以是圆钢等。

设置膜袋的目的是为将灌浆管Ⅱ输送的高浓度水泥浆或特制浆液限制在伞状扩体装置内凝固，而不发生水泥颗粒等固结材料的外溢，同时将膜袋外的环境介质隔离开使之不能干扰膜袋内的浆液凝固。

对于以往市场上的囊式锚杆、囊式锚索而言，囊内、外的水泥固结体共同构成了锚索扩大头的受力结构，囊的材料如果与水泥浆粘合性能不好(例如反渗透防腐布)，对扩大头抗拉是很不利的，即越是坚固、耐用、隔水的囊材料，实则越容易在内外两层水泥固结体之间造成介质的断裂面，这破坏了水泥浆固结体作为该类扩体锚杆素混凝土抗压结构的完整性，并且造成由囊体外的孔壁或浆固体提供的侧摩阻力无法传递给囊体内的浆固体，从而造成摩阻力丢失、锚杆锚索承载力的减小。对永久性的抗浮锚杆锚索而言，囊选用隔水材料虽可以增强对囊体内锚筋的防护，但同时也会带来结构承载上的负面作用，而且囊并非能将其受力结构全部覆盖，故实际上各零部件自身的表面防护、灌浆固结体发挥的防护作用更为重要。本实用新型的设计理论基础为端承型锚杆索，这与囊式锚杆索锚固段的摩擦型设计有着本质的区别，材料选用也大相径庭。

本实用新型中膜袋的取材十分方便、广泛，可以使用各种化学纤维织物、塑料膜、牛皮纸、无纺布、棉布、毛织物、帆布、土工布、玻璃纤维布、碳纤维布、金属纤维网、其他纤维增强复合材料等等柔性材料，可根据地层条件和工程需要选用具有一定渗透性或完全隔水的材料，但由于一般情况下水泥浆在初凝阶段需要通过膜袋向外部排出多余水分，在终凝之后的养护阶段则需要外部环境通过膜袋向浆固体补充水分，故针对普通地层使用的膜袋材料应考虑既能阻挡水泥颗粒由内向外漏失，但对水分子而言又具有一定的渗透性能，比如棉布或土工布；同时，膜袋材料如能与水泥较好地粘结并融合进入水泥固结体参与承载外部荷载的材料则更佳，比如碳纤维或钢纤维网；当需要完全隔断膜袋内外的水力联系时(比如膜袋外为高透水地层或流动地下水环境)，膜袋也可以使用各种防水布、柔性橡塑材料或高聚物材料，以外隔内渗性质的双层复合材料为佳，比如复合土工膜。

进一步地，所述锚筋的前端活动穿过拉筋盘、后端活动穿过穿筋盘；所述锚筋的前端设置有荷载转换装置，所述荷载转换装置与拉筋盘接触，用于将锚筋所受拉力传递至拉筋盘；所述膜袋的前后两端分别与拉筋盘、穿筋盘连接。

荷载转换装置的作用，是将锚筋所承受的拉力荷载通过拉筋盘转化成为整个伞状扩大头钢筋混凝土结构承受的压力荷载，进而由伞状扩大头将压力荷载传递给穿筋盘后面的岩土地层承担，在该岩土地层具有足够的强度、刚度和厚度的情况下，利用岩土地层的抗压承载力远远大于钻孔壁的摩擦力，使伞状扩大头承担外拉荷载的能力远远超过了摩擦型锚杆锚索。

对钢筋锚杆，荷载转换装置既可以采用钢筋、钢环、钢套筒等材料，绑焊在锚筋上；也可以采用丝扣型钢筋连接套筒或特制的承载体，与锚筋之间以丝扣连接；还可以采用冷挤压的方式，将钢套筒挤压固定在锚筋上作为荷载转换装置。

对钢绞线制作的锚索，荷载转换装置既可以采用挤压套以冷挤压方式固定在钢绞线上，也可以采用孔口外锚头所使用的常规锚具、夹具固定在钢绞线上，还可以使用特制的小型锚具、夹具。

膜袋与拉筋盘、穿筋盘的连接，可以采用直接加螺钉加压环固定的方法，也可以采用套接后加螺钉压环，或套接后以扎丝或拉绳或拉簧等收口固定，或套接后封口固定等等方法，套接时在导向帽尾部可附设防脱件，以防施工中导向帽掉落。同时，膜袋既可以将锚筋前端和荷载转换装置包含在内，也可以不将锚筋前端和荷载转换装置包含在内。

进一步地，所述穿筋盘上活动穿设有构造构件，其前端端头与拉筋盘固定连接，构造构件的作用是为穿筋盘前后移动提供滑轨。

构造构件既可以是实心的条状，也可以是空心的管状、筒状，材料可采用钢材，比如钢筋、钢管或型钢，也可以采用尼龙、工程塑料、铝材、铜材、玻璃纤维、碳纤维等等材料。

构造构件既可以单独设置，也可以和灌浆管Ⅱ或灌浆管Ⅰ合并设置。

构造构件前端与拉筋盘的固定连接，既可以采用插入式的丝扣或卡扣连接，也可以采用焊接或粘接等，构造构件还可以向前穿过拉筋盘后再与拉筋盘固定连接。

在伞状扩体装置内部拉筋盘的后方、穿筋盘的前方设置限位装置，穿筋盘向前滑移时无法通过限位装置。

在水泥浆凝固之前，限位装置的作用是使当穿筋盘向前滑移到某处预先设定的位置，例如长杆与短杆间铰接的连线与伞状扩体装置中轴线的交叉位置时，受到限位装置的阻挡，从而不能再继续向前滑移，这对于下倾锚固孔和竖直锚固孔而言是必须的。限位装置既可以设置在构造构件上，也可以设置在灌浆管Ⅱ或灌浆管Ⅰ上，也可以设置在锚筋上，在构造构件或灌浆管或锚筋上也可以设置变径台阶作为限位装置，还可以安设在拉筋盘或穿筋盘上；限位装置可以是块状或条状，也可以是环状或筒状等形状，限位装置使用的材料应与所安设附着的部件相同或相匹配。

构造构件还有一个重要的作用是，当限位装置安设在构造构件上时，在原来由浆固体轴向抗压的基础上增加了构造构件轴向抗压，即增加了伞状扩体装置的抗压强度，从而增强了整个伞状扩大头钢筋混凝土结构承载力。而当可以利用锚筋自身作为穿筋盘滑轨时，且锚杆索的设计承载力较低的情况，则可以不安设构造构件。

需要说明的是，由于岩土孔壁摩擦力的产生和大小决定于法向应力和摩擦系数，而灌浆法锚杆其法向应力的有无是很不稳定的，孔壁泥皮难以祛除又导致摩擦系数非常弱小，这使得岩土地层的抗压承载力远远大于钻孔壁的摩擦阻力，基于和利用这一岩土力学规律，本实用新型在几何形状上呈反式锥形，结构上属于高刚度的钢筋混凝土结构，其抗拉承载力来自于扩大头后方的岩土体持力层的抗压承载力，即只计算端承力，膜袋外侧的水泥固结体不属于扩大头抗压结构的组成部分，水泥固结体与钻孔壁岩土体、与扩孔段孔壁岩土体的摩阻力并不参与设计受力计算，这与囊式锚索锚固段的摩擦型设计有着本质上的区别。

当限位装置设置在构造构件上或灌浆管上时，限位装置可以相应采用钢筋、钢圈、尼龙环、工程塑料件、PPR管材、铝材铜材等材料，通过焊接或粘结或螺纹连接或卡扣或夹持等方式连接在构造构件上或灌浆管上；

限位装置也可以采用金属或非金属的刚性条状或管状材料，独立安设在拉筋盘或穿筋盘上，与拉筋盘或穿筋盘焊接或粘结或螺纹连接或卡扣连接。

当限位装置设置在锚筋上时，如果锚筋为钢筋，则限位装置可以采用金属件，焊接或粘结或螺纹连接或卡扣或夹持连接在锚筋上；如果锚筋为钢绞线，则限位装置可以采用橡塑等材质的非金属套环套设固定在钢绞线上，也可以采用金属挤压套，冷挤压固定在钢绞线上，同时限位装置与穿筋盘之间应安设柔性隔离物，比如橡塑环件，柔性隔离物的厚度应超过锚筋所承受最大外拉荷载下伞状扩大头段锚筋的伸长值，以保障将锚筋所承受拉力转化为整个伞状扩体结构承受压力的设计宗旨得以实现。

进一步地，还在伞状扩体装置内部拉筋盘的后方、穿筋盘的前方设置止退装置，穿筋盘向前滑移时允许单向通过止退装置。当伞状扩大头用于上仰孔锚固时，在水泥浆凝固之前，止退装置用于防止伞状折叠杆组在钻孔的扩孔段内扩张打开后，穿筋盘在重力作用下后退导致伞状折叠杆组收缩。

止退装置可以安设在构造构件上，也可以安设在灌浆管Ⅱ或灌浆管Ⅰ上，还可以安设在锚筋上，一般采用逆止型的弹性材料或零件，比如弹簧钢片、弹簧加钢珠、弹性塑料组件等，以开槽钻孔安装或焊接或粘接等方式，固定到对应部件上。

当同时使用了限位装置与止退装置时(例如锚杆孔倾角为0度，需要前后双向固定穿筋盘时)，止退装置位于限位装置的后方，二者将穿筋盘夹持固定在中间。

进一步地，在拉筋盘后侧的锚筋上设置有固定装置，所述固定装置与拉筋盘接触，但无法通过拉筋盘。

固定装置的作用是，当伞状扩体装置在钻孔的扩孔段内安放到位后，防止荷载转换装置在重力作用下携带锚筋向下方溜落从而脱离拉筋盘。固定装置使用的材料与施工方法参照荷载转换装置或限位装置。

进一步地，灌浆管Ⅰ的出浆口位于膜袋以外，且灌浆管Ⅰ的出浆口位于拉筋盘的前侧。

灌浆管Ⅰ在伞状扩体装置上的安设附着位置，既可以是拉筋盘，也可以是穿筋盘，还可以是导向帽。为使灌浆管Ⅰ不对穿筋盘的滑移构成阻碍，灌浆管Ⅰ可选择从穿筋盘活动穿过，或在拉筋盘与穿筋盘之间采用软管。灌浆管Ⅰ用于裂隙发育的泥岩锚杆索，以及对土层锚杆索在钻孔、预扩孔、洗孔施工过程中未曾使用水泥注浆的情况，其作用是对膜袋以外的扩孔段空间以及非扩孔段钻孔进行灌浆填充或进一步改良加固，甚至包括对锚筋前端和荷载转换装置进行防护；对前面钻孔和预扩孔过程中已经旋喷注浆且不担心裂隙泥浆污染的情况则可以不安装灌浆管Ⅰ。

进一步地，还包括与穿筋盘相连的管尺，所述管尺朝向穿筋盘后侧方向延伸，管尺内部具有与伞状扩体装置内部连通的排气通道作为排气管使用，管尺表面具有刻度线作为刻度尺使用。

管尺的前端与穿筋盘的连接，可选用拆卸或不可拆卸，不可拆卸的可以采用焊接、粘结、绑扎等方式；可拆卸性质的连接可以采用丝扣连接或卡扣连接，当管尺采用刚性材料制作，在灌浆和读尺工作完成后还可拆卸回收以供重复使用，并且伞状扩体装置在扩张打开的时候还可以借助刚性管尺获得外部助力；当然，如不考虑回收，管尺也可以使用柔性材料。

进一步地，伞状扩体装置的前端设置有导向帽，导向帽与拉筋盘连接，导向帽的前部设置有过浆孔。

对预成孔或预扩孔过程中已经使用水泥浆、后续对膜袋以外空间不再专门灌浆的情况，导向帽前部的过浆孔起到进浆的作用，即在放置伞状扩体装置进入扩孔段内的同时，扩孔段内的水泥浆通过该过浆孔进入导向帽内部、拉筋盘的前侧，以对锚筋前端和荷载转换装置进行防护；而对预成孔和预扩孔过程中并未使用水泥浆、后续需要通过灌浆管Ⅰ对膜袋外空间进行专门灌浆的情况，该过浆孔起到出浆的作用，即让浆液从拉筋盘前侧、导向帽内部溢出，进而灌注填充膜袋以外的扩孔段空间、非扩孔段空间。

导向帽后部与拉筋盘的连接，可以采用焊接、螺纹连接、卡扣连接、螺栓连接、头套式活动连接等多种连接方式，但同时应留有通向后方的排气间隙或排气通道，以使对拉筋盘前侧、导向帽内部灌浆时排气充分从而使防护灌浆的质量可靠。

进一步地，所述伞状折叠杆组由若干根折叠杆组成，所述每一根折叠杆包括长杆和与之铰接的短杆，所述长杆的前端通过前铰接杆与拉筋盘铰接，所述短杆的后端通过后铰接杆与穿筋盘铰接；所有折叠杆通过若干层箍筋实现周向拉结，所述折叠杆与箍筋之间通过定位件固定连接。

前铰接杆与拉筋盘的连接，可采用插入式螺纹连接或卡扣连接或焊接或粘结，也可以采用螺栓背拉连接或背拉焊接等方式；从力学角度考虑，以及从标准化施工、保障施工质量角度出发，以插入式螺纹连接为佳。

后铰接杆与穿筋盘的连接，可采用插入式螺纹连接或卡扣连接或焊接或粘结，也可以采用螺栓背拉连接或背拉焊接等方式；从力学角度考虑，以及从标准化施工、保障施工质量角度出发，以螺栓背拉式连接为佳。

箍筋既可以对每层定位件单独连接成箍，也可以将各层定位件都连接起来形成螺旋型箍或网状箍，箍筋既可以采用钢丝绳、高强度纤维绳或其他柔性抗拉材料，也可以采用W型折叠杆或N型折叠杆等刚性材料，其中W或N型折叠杆与长杆、短杆之间相应采用铰接或滑动式铰接，可将铰接或滑动式铰接部件作为定位件；钢丝绳的端部可采用绳卡首尾连接或单独固定，钢丝绳与折叠杆相交处以每一根折叠杆的两侧均同时安装绳卡的固定效果、力学性能为佳。

定位件安设在折叠杆的长杆以及短杆上，用于箍筋的轴向和横向固定。定位件可以位于长杆、短杆的外侧，也可以位于长杆、短杆的内侧，安设方式可以采用焊接、粘结、螺钉固定或其他方式，形状可以是O型、U型、L型等。

拉筋盘、穿筋盘、伞状折叠杆及前铰接杆、后铰接杆可以根据实际情况选用各种金属或非金属材料或玻璃纤维、碳纤维等新型的纤维增强材料、工程塑料等。

预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头的施工方法，包括以下步骤：

(A)组装安装：组装伞状扩体装置，并将锚筋、灌浆管Ⅱ、灌浆管Ⅰ、管尺安装到伞状扩体装置上；其中当后铰接杆与穿筋盘采用背拉式螺栓方式连接时，螺帽下应装配弹簧垫圈。

(B)钻孔；与送伞工作分开进行；

对待各种地层，应针对性地采用不同的高效钻孔方式，可以常规工艺钻孔，或以常规工艺与旋喷工艺配合钻孔。

(C)预扩孔：形成扩孔段；与送伞工作分开进行；

对待各种地层，应针对性地采用不同的高效扩孔方式，以各种扩孔器专施扩孔，或各种扩孔器与旋喷工艺配合扩孔。

对过去习惯采用螺旋钻的地区，可以螺旋钻进成孔，然后以螺旋钻专用扩孔器扩孔，或旋喷工艺扩孔；或螺旋钻与旋喷工艺配合钻进，以旋喷工艺扩孔；或螺旋钻专用扩孔器与旋喷工艺配合扩孔。

对待全风化-强风化砂泥岩地层，一般以潜孔锤钻进或螺旋钻进；

对待中风化砂泥岩，一般以潜孔锤钻进；

各种地层也可以采用取芯钻进，扩孔器或旋喷工艺扩孔或二者结合扩孔；还可以采用水循环钻、扩、清一体式工艺。同时，抗浮锚杆索与基坑或边坡锚杆索的钻孔、扩孔工艺也有所区别。

成孔、预扩孔工序与后续植入伞状扩体装置的工作分开。

(D)退钻：将钻孔、扩孔用的钻具、喷具退出孔外；

(E)洗孔：将清洗工具放入扩孔段内，用水、空气、水泥浆中的一种或多种作为介质将扩孔段内和岩土持力层段钻孔内的泥沙、泥皮清洗出孔外，然后退出清洗工具；

虽然伞状扩大头需要的是端承力，不需要侧摩阻力的贡献，同时伞状扩大头外面的膜袋也可以使膜袋内灌浆避免外部泥浆的干扰，但至少对扩孔段内和岩土持力层段钻孔内的泥砂团块还是必须要清洗干净的，并且从控制变形的角度来讲，对扩孔段内扩大头后方的泥皮仍然必须清洗。

过去习惯以水泵输入循环水进行清洗，或者使用压缩空气进行清洗，但实践证明二者清洗效果较差；从清洗效果来说，以旋喷清洗法为佳；具体清洗方法允许根据实际情况进行选择。按照旋喷清洗工具的结构有双管旋喷(压缩空气与水或水泥浆两种介质同轴喷射)、单管旋喷(水或水泥浆介质)两种，以双管旋喷效果为佳。

当采用旋喷射流的方法进行扩孔段的清洗时，对于之前在成孔、扩孔过程中已采用旋喷射流工艺的情况，可以不再专门清洗；如之前系采用非旋喷工艺钻孔和单纯扩孔器扩孔，则应专门进行扩孔段和岩土持力层段钻孔的清洗。

在旋喷清洗工作的最后阶段如采用水泥浆清洗，实际是对孔洞内泥浆的充分置换，还可对岩土持力层段起到良好的加固补强效果。

(F)送伞：将组装安装好的伞状扩体装置、锚筋、灌浆管Ⅱ、灌浆管Ⅰ整体送入扩孔段，管尺也被同步携带进入钻孔；

本步骤即下锚工序，可以钻机或旋喷机或专业送锚机具或吊装机械完成。

(G)扩张伞状折叠杆组：在扩孔段内扩张打开伞状折叠杆组，伞状折叠杆组将膜袋撑开；

扩张打开本实用新型中伞状折叠杆组的方法：对抗浮锚杆锚索，当伞状扩体装置吊放进入到扩孔段内后，一般地，在伞状扩体装置和管尺的自重作用下，伞状折叠杆组即可自行打开，必要时还可以通过管尺向下推动穿筋盘使伞状折叠杆组打开；对基坑或边坡锚杆锚索，可以通过管尺向前推动穿筋盘使伞状折叠杆组打开；也可以在穿筋盘被扩孔段外口或管尺阻挡的情况下以人工往外牵拉拉筋盘的方式使伞状折叠杆组打开；也可以采用在灌浆管上或管尺上或构造构件上或锚筋上安装复位弹簧及后托板，使伞状折叠杆组打开，并且可对复位弹簧增设电磁控制开关从而控制伞状折叠杆组张缩；还可以采用液压扩张方式打开伞状折叠杆组，从施工便捷、造价低的角度而言，第一种打开方式更优。

(H)灌浆：通过灌浆管Ⅱ对膜袋内的空间进行静压注浆；或先通过灌浆管Ⅰ对膜袋以外的扩孔段和岩土持力层段钻孔进行静压注浆，然后通过灌浆管Ⅱ对膜袋以内的空间进行静压注浆。

对前面钻孔、预扩孔或清洗工序中已经使用水泥浆射流，且不担心裂隙泥浆污染的情况则可以取消膜袋外灌浆管Ⅰ的灌浆，只进行膜袋内灌浆管Ⅱ的灌浆。对前面钻孔、预扩孔或清洗工序中并未使用水泥浆射流的情况，或虽已进行旋喷水泥浆，但仍担心膜袋外水泥浆被泥浆污染时，或需要进一步提高膜袋外注浆质量时，均先通过灌浆管Ⅰ对膜袋以外的扩孔段和岩土持力层段钻孔进行静压注浆，然后通过灌浆管Ⅱ对膜袋以内的空间进行静压注浆。

其中，岩土持力层段，指为伞状扩大头提供端承力的岩层或土层，设计承载力相应地对持力层的厚度与强度有要求。

静压注浆与旋喷注浆的区别在于：静压注浆俗称灌浆或压浆，一般使用额定压力为10MPa以内的注浆泵，泵的工作压力一般1MPa以内或几个MPa，出浆口径较大且对出浆口径、数量没有限制，出浆形状一般不呈喷射状，在出浆时注浆管不旋转。旋喷注浆一般使用额定压力在45MPa以上的注浆泵，泵的工作压力一般20MPa以上，出浆形状呈高速喷射流，出浆口需要配置合金喷嘴才能适应，喷嘴数量一般1-2个，对喷嘴的出浆口径有规格的要求，一般为1.4-2.7mm，注浆的同时注浆管需要旋转。

本实用新型的有益效果：

1、针对现有的自携式伞状扩大头技术在裂隙较为发育、钻孔间窜气窜浆严重的岩层中浆固体强度受泥浆回流影响的问题，本实用新型提出伞状扩大头与膜袋法灌浆相结合的方式，先以旋喷注浆和膜袋外灌浆完成对扩孔段和持力层段的洗孔、灌浆以及对外环境岩土进行改良加固，后以膜袋内灌浆完成对伞状扩体装置的灌浆，使伞状扩大头技术应用在该类地层条件下注浆作业更加优质高效。

2、针对现有的自携式伞状扩大头技术在某些传统采用螺旋钻进的地区，以及在硬质粘土层内，采用螺旋钻进的效率要优于自携伞状扩体装置旋喷钻进的效率，本实用新型提出采用预成孔、预扩孔、后植入伞状扩大头的实施方式，使伞状扩大头技术实现了在该类地层条件下钻孔工序和整体施工的高效率，提高了效益，降低了造价。

3、本实用新型通过构造措施与箍筋措施增强了伞状扩大头的抗压强度和整体刚度，以满足高承载力锚固的要求。本实用新型预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，对之前的自携式伞状扩大头技术形成了有益补充，从而可以广泛地实现伞状扩大头锚固结构在各种地层中的高承载力、抗变形能力强、低造价、高性价比、高施工效率的良好效果，各地用户可以根据实际地质情况和地区传统选用自携式或后植式伞状扩大头。除卵石土碎石土地层以外，对于各种土层与软岩地层，锚杆索抗拔不再需求原来直杆式锚固若有若无的摩擦力了。

附图说明

此处附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为某一种地质情况下泥浆回流工况及膜袋灌浆工艺示意图；

图2为实施例1的结构示意图；

图3为实施例2无构造构件时结构示意图；

图4为实施例3锚筋为管材时结构示意图；

图5为实施例4灌浆管Ⅱ在构造筒外时结构示意图图；

图6为实施例5灌浆管Ⅱ在构造筒内并侧穿构造筒时结构示意图；

图7为实施例6灌浆管Ⅱ在构造筒内并前穿拉筋盘时结构示意图；

图8为实施例7箍筋采用W型折叠杆制作示意图；

图9为实施例8箍筋采用N型折叠杆制作示意图；

图10为应用管尺判断伞状折叠杆组扩张状态示意图；

图11为本发明具体实施例中三铰静定结构的示意图；

图12为既有技术中四铰非静定结构的示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-导向帽，2-荷载转换装置，3-拉筋盘，4-锚筋，5-构造构件，6-长杆，7-短杆，8-膜袋，9-箍筋，10-定位件，11-灌浆管Ⅱ，12-灌浆管Ⅰ，13-多功能管尺，14-限位装置，15-止退装置，16-出气口，17-穿筋盘，18-出浆口，19-前铰接杆，20-固定装置，21-后铰接杆，22-过浆孔，23-排气间隙，24-返浆孔，25-防脱件，26-持力层段，27-扩孔段，28-岩石裂隙，29-抗水板底面。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1：

如图1与图2、图10所示的预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头，包括伞状扩体装置、穿过伞状扩体装置的若干根锚筋4，其特征在于，还包括灌浆管Ⅱ11，所述伞状扩体装置外套设膜袋8，所述灌浆管Ⅱ11的出浆口位于膜袋8以内，所述伞状扩体装置内部从前到后依次包括拉筋盘3、伞状折叠杆组、穿筋盘17。

所述锚筋4的前端活动穿过拉筋盘3、后端活动穿过穿筋盘17；所述锚筋4的前端设置有荷载转换装置2，所述荷载转换装置2与拉筋盘3接触，用于将锚筋4所受拉力传递至拉筋盘3；所述膜袋8的前后两端分别与拉筋盘3、穿筋盘17连接。

所述穿筋盘17上活动穿设有构造构件5，构造构件5的前端端头与拉筋盘3固定连接，构造构件5用于为穿筋盘17前后移动提供滑轨。

在伞状扩体装置内部拉筋盘3的后方、穿筋盘17的前方设置限位装置14，穿筋盘17向前滑移时无法通过限位装置14。

在伞状扩体装置内拉筋盘3的后方、穿筋盘17的前方设置止退装置15，穿筋盘17向前滑移时允许单向通过止退装置15。

在拉筋盘3后侧的锚筋4上设置有固定装置20，所述固定装置20与拉筋盘3接触，但无法通过拉筋盘3。

还包括灌浆管Ⅰ12，所述灌浆管Ⅰ12穿过伞状扩体装置，灌浆管Ⅰ12的出浆口位于膜袋8以外，且灌浆管Ⅰ12的出浆口位于拉筋盘3的前侧。

还包括与穿筋盘17相连的管尺13，所述管尺13朝向穿筋盘17后侧方向延伸，管尺13内部具有与伞状扩体装置内部连通的排气通道，管尺13表面具有刻度线。

伞状扩体装置的前端设置有导向帽1，导向帽1与拉筋盘3连接，导向帽1的前部设置有过浆孔22。

所述伞状折叠杆组由若干根折叠杆组成，每一根所述折叠杆包括长杆6和与之铰接连接的短杆7，所述长杆6的前端通过前铰接杆19与拉筋盘3铰接，所述短杆7的后端通过后铰接杆21与穿筋盘17铰接；所有折叠杆通过若干层箍筋9实现周向拉结，所述折叠杆与箍筋9之间通过定位件10固定连接。

优选的，本实施例中设置灌浆管Ⅱ的目的是对膜袋以内的空间进行静压注浆，灌浆管Ⅱ的出浆口既可以开设在拉紧筋盘的前侧，此时需要同时在拉筋盘上设置返浆孔24，如图4、图7所示；也可以开设在拉筋盘的后侧，如图5、图6所示。

优选的，灌浆管Ⅱ在伞状扩体装置上的安设附着位置，既可以是拉筋盘，也可以是穿筋盘，还可以穿过筒形构造管进入伞状扩体装置内并附着在筒形构造管上，如图6所示。灌浆管Ⅱ的出浆口宜设置于拉筋盘后侧、伞状扩体装置的前部。为使灌浆管Ⅱ不对穿筋盘的滑移构成阻碍，灌浆管Ⅱ可选择从穿筋盘活动穿过，或侧穿筒形构造管，或在拉筋盘与穿筋盘之间采用软管。

优选的，本实施例整体形状呈反式锥形，结构上属于高刚度的钢筋混凝土结构，其抗拉承载力来自于扩大头后方的岩土体持力层的抗压承载力，即只计算端承力，膜袋外侧的水泥固结体不属于扩大头抗压结构的组成部分，也不参与设计受力计算，这与囊式锚索锚固段的摩擦型设计有本质的区别，材料选用也大相径庭。

优选的，膜袋与拉筋盘、穿筋盘的连接，可以采用直接加螺钉加压环固定的方法，如图2所示,，也可以采用套接后加螺钉压环，或套接后以扎丝或拉绳或拉簧等收口固定，或套接后封口固定等，套接时在导向帽尾部可附设防脱件，以防施工中导向帽掉落，如图4、图7所示。同时，膜袋既可以将锚筋前端和荷载转换装置包含在内，如图4、图7所示，也可以不将锚筋前端和荷载转换装置包含在内，如图2、图3、图5、图6所示。

优选的，管尺作为刻度尺使用的方法如图10所示：在伞状扩体装置组装安装完成后，测量并记录当伞状折叠杆组从收拢状态变化为设定扩张状态时穿筋盘向前滑移的行程C，在下锚之前，读取锚筋顶部对应的刻度值A，在下锚完成及伞状折叠杆组扩张打开后，读取锚筋顶部对应的刻度值B，当B-A＝C时，即可得知穿筋盘已经滑移到预先设定位置、伞状扩体装置已经扩张打开至预先设定的状态。

优选的，导向帽后部与拉筋盘的连接，可以采用焊接、螺纹连接、卡扣连接、螺栓连接、头套式活动连接等多种连接方式，如图4、图7所示，但同时应留有通向后方的排气间隙或排气通道，以使对拉筋盘前侧、导向帽内部灌浆时排气充分从而使防护灌浆的质量可靠(本发明应用于可回收锚索时的密闭式内锚头除外)。

本实施例的几何形状呈反式锥形，结构上属于高刚度的钢筋混凝土结构，其抗拉承载力只计算来自于扩大头后方的岩土体持力层的抗压承载力即端承力，膜袋外侧的水泥固结体不属于扩大头抗压结构的组成部分，水泥固结体与钻孔壁岩土体、与扩孔段孔壁岩土体的摩阻力并不参与设计受力计算，这与囊式锚索锚固段的摩擦型设计有着本质的区别。

并且，在不考虑混凝土参与抗压的情况下，当拉筋盘通过固定连接、穿筋盘通过限位装置对构造杆两端构成嵌固约束，同时穿筋盘对短杆构成铰接约束，拉筋盘对长杆构成铰接约束，这实际上使长杆、短杆、构造杆三者组成了一个钢结构，从结构力学来讲，这是一个可以单独承担荷载的三铰静定结构，如图11所示，在三者的强度范围内，受到外力(此为岩土体反力P)后是不会变形的，这是本实施例反式锥形伞状扩大头在钢筋笼混凝土扩大头的基础上还能够继续提升承载力的力学基础。

而图12所示的为既有技术中三根铰接杆构成的四铰结构，是非静定的，只要有轻微外力作用，就会发生转动、倾倒，该非静定结构是无法构建伞状扩大头承载力计算的力学基础的，也就是说，该结构经灌浆后只具备素混凝土的抗压强度，其承载力与本发明相比有很大差距。

因此，从以上的钢筋混凝土结构和钢结构两方面，本实施例的力学性能都较既有技术具有显著提升。

本实施例的具体施工方法为：

(A)组装安装：组装伞状扩体装置，并将锚筋4、灌浆管Ⅱ11、灌浆管Ⅰ12、管尺13安装到伞状扩体装置上；

(B)钻孔；与送伞工作分开进行；

(C)预扩孔：形成扩孔段；与送伞工作分开进行；

(D)退钻：将钻孔、扩孔用的钻具、喷具退出孔外；

(F)送伞：将组装安装好的伞状扩体装置、锚筋4、灌浆管Ⅱ11、灌浆管Ⅰ12整体送入扩孔段，管尺13也被同步携带进入钻孔；

(G)扩张伞状折叠杆组：在扩孔段内扩张打开伞状折叠杆组，伞状折叠杆组将膜袋8撑开；

(H)灌浆：通过灌浆管Ⅱ11对膜袋8内的空间进行静压注浆；或先通过灌浆管Ⅰ12对膜袋8以外的扩孔段和岩土持力层段钻孔进行静压注浆，然后通过灌浆管Ⅱ11对膜袋8以内的空间进行静压注浆。

其中对于步骤(E)，过去习惯以水泵输入循环水进行清洗，或者使用压缩空气进行清洗，但实践证明二者清洗效果较差；从清洗效果来说，以旋喷清洗法为佳；具体清洗方法允许根据实际情况进行选择。按照旋喷清洗工具结构有双管旋喷(压缩空气与水或水泥浆两种介质同轴喷射)、单管旋喷(水或水泥浆介质)两种，以双管旋喷效果为佳。当采用旋喷射流的方法进行扩孔段的清洗时，对于之前在成孔、扩孔过程中已采用旋喷射流工艺的情况，可以不再专门清洗；如之前系采用非旋喷工艺钻孔和单纯扩孔器扩孔，则应专门进行扩孔段和岩土持力层段钻孔的清洗。在旋喷清洗工作的最后阶段如采用水泥浆清洗，实际是对孔洞内泥浆的充分置换，还可对岩土持力层段起到良好的加固补强效果。

具体的，某地下室工程如图1所示地质条件，设计抗浮锚杆的单锚承载力特征值为100t(1000kN)，在尚未计入上覆卵石层、砂层覆压的情况下，当伞状扩大头口径在450mm时，计算得到作为伞状扩大头持力层段的全风化-强风化泥岩层(或可塑-硬塑粘土层)的最小厚度仅需7.1m，当伞状扩大头持力层段为中风化泥岩层时最小厚度仅需2.7m，与市场上的既有技术相比较，锚杆的可靠度和耐久性姑且不论，仅就所需同径的钻孔、扩孔深度而言，摩擦型锚杆是本实施例的5～10倍，囊式锚杆是本实施例的2～3倍，这体现出本发明在工程技术上的显著提升。

实施例2：

如图3所示，本实施例采用无构造构件的钢筋笼混凝土结构，适合设计承载力较低的情况。

实施例3：

如图4所示，本实施例中锚筋采用管材制作而成，比如钢管、玻璃纤维管、碳纤维管等均可。

实施例4：

如图5所示，本实施例中灌浆管Ⅱ设置在构造筒外。

实施例5：

如图6所示，本实施例中灌浆管Ⅱ在构造筒内并侧穿构造筒。

实施例6：

如图7所示，本实施例中灌浆管Ⅱ在构造筒内并前穿拉筋盘。

实施例7：

如图8所示，本实施例中箍筋采用W型折叠杆制作，伞状折叠杆组打开时，图8中箭头表示箍筋铰接的运动方向。

实施例8：

如图9所示，本实施例中箍筋采用N型折叠杆制作，伞状折叠杆组打开时，图9中箭头表示箍筋铰接的运动方向。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头论文和设计

预扩孔后植式膜袋型伞状扩大头论文和设计-刘晓理

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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