一种水化复合增强膨胀型锚杆及其施工方法

本发明属于工程围岩支护，特别是涉及一种水化复合增强膨胀型锚杆及其施工方法。

背景技术：

1、水力膨胀锚杆因具有安装速度快、无需树脂药卷搅拌、无需常规砂浆凝结等待、能够较快形成主动径向压力等优点，在矿山巷道和地下工程支护中得到应用。

2、公布号为cn212803294u的中国专利申请，公开了一种水力膨胀式管子锚杆，该方案采用较大直径无缝钢管制成双层异形管状杆体，并通过注液嘴向杆体内腔注液，使杆体在孔内变形并压紧围岩，利用双层异形管状杆体塑性展开提供摩擦锚固力。

3、公布号为cn115045696a的中国专利申请，公开了一种杆体切削式大变形预应力水力膨胀注浆锚杆的使用方法，该方案通过水力膨胀外壳的膨胀变形与钻孔内壁面紧密接触提供径向锚固力，为围岩提供持续的支护力。

4、公布号为cn113153398a的中国专利申请，公开了一种大变形预应力水力膨胀锚杆，该方案通过一根钢管压平并弯曲而形成水力膨胀内壳和水力膨胀外壳，注水膨胀后紧贴钻内壁面提供锚固力，内杆锥头与水力膨胀内壳的相对摩擦滑动，实现锚杆结构大变形的功能。

5、公布号为cn115717545a的中国专利申请，公开了一种适用于破碎围岩体的水力膨胀锚杆及其使用方法，该方案将注水囊袋套于锚杆本体上并与锚杆本体密封贴合，向注水囊袋注水后沿锚杆本体的轴向及径向扩张，分别对锚固段和自由端施加轴向挤压，对环绕注水囊袋四周的破碎围岩体施加径向挤压并充分接触。

6、然而，在破碎围岩和长期服役条件下，现有的水力膨胀锚杆仍存在以下不足：

7、①、水力膨胀锚杆的安装，通常依赖专用高压注水设备以及相对洁净的高压水源，施工成本较高，对现场供水条件和设备状态依赖性较强，当地下水含有较多酸性或盐类物质时，直接参与注水或残留于锚杆内部的水体，可能加速金属管体的腐蚀。

8、②、水力膨胀锚杆的锚固效果，主要依赖金属管体膨胀后与孔壁之间形成的径向压力和界面摩擦力，在极度破碎、空洞发育、孔壁不规则或塑性流动型围岩中，膨胀压力难以均匀有效传递，局部塌孔、超挖或尖锐碎石会导致管体贴壁不充分、局部受损甚至安装失败。

9、③、水力膨胀锚杆安装时，孔内尖锐碎石容易在锚杆膨胀时造成局部破损而失压，导致膨胀失效，在金属管体在膨胀后，因塑性变形还伴随着管壁减薄，使锚杆整体刚度、抗局部损伤能力和长期耐久性受到影响。

10、④、水力膨胀锚杆的施工质量，对注水压力、流量和保压状态较为敏感，若压力不足，则锚杆膨胀不充分，锚固力低；若压力过高，则可能造成管体损伤或孔壁劈裂，锚固力同样不足。

11、⑤、水力膨胀锚杆安装后，通常会将杆体内的水排出，杆体内部不再存储水介质，使杆体内呈现空腔状态，加之因管壁减薄，导致锚杆抗剪能力进一步变差，而且排出的水流入巷道中，还会导致地面更加泥泞和污浊。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种水化复合增强膨胀型锚杆及其施工方法，通过在锚杆内腔中预置碱性化学膨胀药剂、在锚杆注水端增设单向阀、在锚杆外侧增设柔弹性防护套层，使锚杆在注水展开后形成塑性膨胀锁形、化学膨胀二次强化、内腔碱性防腐、外壁柔性防护及杆体-固化体复合承载的协同作用，提高锚杆在破碎围岩、含水腐蚀环境、长期服役条件下的锚固可靠性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种水化复合增强膨胀型锚杆，包括中空杆体、注水接头、堵头、腔内注水构件、单向阀、碱性化学膨胀药剂、托盘、锁紧构件及柔弹性防护套层；所述中空杆体插装在钻孔内部，中空杆体的前端延伸至钻孔外部，中空杆体的尾端与钻孔的孔底正对；所述注水接头位于钻孔外部且固定安装在中空杆体的前端；所述堵头固定安装在中空杆体的尾端；所述单向阀固定安装在注水接头与中空杆体之间；所述腔内注水构件沿轴向布设在中空杆体的内腔中，腔内注水构件的前端与单向阀的出水口密封连通，单向阀的进水口与注水接头的出水口密封连通；所述碱性化学膨胀药剂沿轴向布设在中空杆体的内腔中；所述托盘和锁紧构件位于钻孔外部且固定安装在中空杆体前端与围岩之间；所述柔弹性防护套层固定套装在中空杆体外侧。

3、所述中空杆体的截面形状为非圆截面，包括但不限于c形、ω形、u形、波形、压扁折叠形。

4、所述注水接头的进水口用于连接外部的注水设备，注水设备包括但不限于水泵、水管、便携式高压注水装置；所述注水接头的外形包括但不限于锥形、柱形；所述注水接头的连接形式包括但不限于螺纹形式、卡接形式。

5、所述堵头包括但不限于焊接式堵头、压接式堵头、密封端盖式堵头、螺纹连接式堵头、粘接密封式堵头；所述堵头的承压力大于中空杆体内腔的最大注水压力。

6、所述腔内注水构件的结构形式包括但不限于导水管、导水通道；当所述腔内注水构件采用导水管结构形式时，腔内注水构件包括但不限于柔性耐压管、金属管、弹性导水管；当所述腔内注水构件采用导水通道结构形式时，腔内注水构件为中空杆体内壁上的一体成型导水槽；在所述腔内注水构件的中部和尾部设有出水孔。

7、所述单向阀包括但不限于弹簧式单向阀、球式单向阀、阀片式单向阀、鸭嘴式单向阀；所述单向阀的出水口设有过滤挡粉件。

8、所述碱性化学膨胀药剂采用遇水后膨胀的粉末状碱性自膨胀材料，碱性化学膨胀药剂的充填量为中空杆体内腔有效容积的50%以下，碱性化学膨胀药剂遇水后膨胀形成的固化体的ph值为9～13；所述碱性化学膨胀药剂包含延迟水化组分、吸水保水组分及持续膨胀组分。

9、所述碱性化学膨胀药剂采用可破裂包装体进行预装，可破裂包装体包括但不限于透水袋、网袋；当所述碱性化学膨胀药剂预装在可破裂包装体内时，整体截面形状包括但不限于c形、ω形、u形、波形、压扁折叠形。

10、所述柔弹性防护套层包括但不限于硅胶膜套、聚氨酯膜套、三元乙丙橡胶膜套、氯丁橡胶膜套、热塑弹性体膜套；所述柔弹性防护套层的厚度为0.2mm～2mm；在所述柔弹性防护套层的外表面设有增摩结构，增摩结构包括但不限于粗糙纹理、环向凸纹、颗粒凸起、耐磨涂层。

11、所述水化复合增强膨胀型锚杆的施工方法，包括如下步骤：

12、步骤一：根据围岩的岩体质量等级与破碎程度、钻孔的直径、锚杆的长度、锚杆的目标锚固力、地下水的腐蚀性，确定中空杆体的规格、碱性化学膨胀药剂的装填量、水介质与碱性化学膨胀药剂的水固比、水介质的注水量、水介质的注水压力；

13、步骤二：将碱性化学膨胀药剂预装入中空杆体内腔中，在中空杆体的前端依次完成单向阀和注水接头的安装，在中空杆体外侧完成柔弹性防护套层的安装；

14、步骤三：将组装好的锚杆插入钻孔内，在中空杆体的外露端依次完成托盘的锁紧构件的预安装，将注水接头与外部的注水设备连接到一起；

15、步骤四：启动注水设备，按照预设的注水量和注水压力向中空杆体的内腔中注入水介质，在注水压力作用下，中空杆体完成初步径向展开，同时水介质与碱性化学膨胀药剂接触混合，使碱性化学膨胀药剂均匀分散到中空杆体1的内腔中；

16、步骤五：关闭注水设备，单向阀自动关闭，水介质与碱性化学膨胀药剂的混合物被封闭在中空杆体的内腔中，拧紧锁紧构件，断开注水接头与注水设备的连接；

17、步骤六：碱性化学膨胀药剂在中空杆体的内腔中继续进行水化反应，并逐渐膨胀直至形成固化体，在此过程中进一步释放径向膨胀力，使中空杆体的外壁面与钻孔的内壁面充分接触，最终形成杆体-固化体复合承载状态。

18、本发明的有益效果：

19、1、针对现有的水力膨胀锚杆在酸性或含盐地下水环境中易发生内外壁腐蚀，且管壁展开减薄、表面划伤后腐蚀进一步加剧的问题，本发明利用碱性化学膨胀药剂在中空杆体内腔形成碱性环境，用以中和或缓冲酸性介质，并减轻盐类离子的腐蚀作用；本发明利用柔弹性防护套层对中空杆体外壁面进行隔离、缓冲和防划伤保护，从而形成内腔碱性防腐与外壁柔性防护相结合的双重防护机制，有效提高中空杆体的耐腐蚀性和服役寿命。

20、2、针对现有的水力膨胀锚杆膨胀后管壁减薄、排水后内腔为空，导致杆体整体刚度低、抗弯抗剪能力弱及易发生局部屈曲的问题，本发明通过碱性化学膨胀药剂在中空杆体内腔形成固化体，并与中空杆体共同构成杆体-固化体复合承载结构，从而提高中空杆体的截面刚度、抗弯能力、抗剪能力和抗局部屈曲能力，进而改善中空杆体径向展开后的承载性能。

21、3、针对现有的水力膨胀锚杆主要依靠单次水压展开和界面摩擦进行锚固，在破碎围岩、孔壁不规则、局部空洞或裂隙发育条件下壁面贴合不足、有效接触面积小和锚固力偏低的问题，本发明通过碱性化学膨胀药剂在中空杆体初步径向展开后实现二次补偿膨胀，推动中空杆体及柔弹性防护套层进一步贴合孔壁，并在凹陷、裂隙边缘及局部空洞处形成嵌挤和机械咬合作用，增大径向接触压力、有效接触面积及界面摩阻力，进而提高初始锚固力和实际锚固可靠性。

22、4、针对现有的水力膨胀锚杆完成膨胀后排水，使内腔失压、水体外流并污染巷道作业环境的问题，本发明通过单向阀将水介质和碱性化学膨胀药剂保留在中空杆体的内腔中，使水介质由临时加压介质转化为碱性化学膨胀药剂的水化反应介质、浆体分散介质和补偿膨胀介质，既可以保证碱性化学膨胀药剂的水化反应的连续性，又可以保存中空杆体的内腔压力，还可以避免水介质外排导致的地面积水、泥泞和污染。

23、5、针对围岩长期蠕变、应力松弛或扰动变形导致杆体与孔壁之间接触压力下降、锚固力随服役时间衰减的问题，本发明利用碱性化学膨胀药剂的缓释膨胀、吸水保水、持续膨胀特性，用以保留部分膨胀潜能，当界面约束减弱或出现微小间隙时，碱性化学膨胀药剂可继续释放补偿膨胀力，用以维持或恢复中空杆体与钻孔之间的接触压力和摩擦锚固力，进而提高长期支护稳定性。

24、6、针对现有的水力膨胀锚杆施工质量对注水压力、流量、保压时间及孔内清理程度较为敏感的问题，本发明通过碱性化学膨胀药剂的装填量、水介质与碱性化学膨胀药剂的水固比、注水量的设定，可以对中空杆体的径向展开程度及补偿压力进行调控，并通过柔弹性防护套层降低尖锐碎石对中空杆体外壁面的局部损伤风险，尽管施工前期仍需加压注水，但本发明能够降低对持续高压保压、压力精确控制、反复补压及彻底洗孔的依赖，同时保留现有的水力膨胀锚杆在制造和注水安装工艺方面的兼容性，便于工程应用。