一种扩大头锚索/杆施工装置及方法与流程

1.本发明属于深基坑支护技术领域，涉及一种扩大头锚索/杆在扩孔和锚索/杆安放过程中的施工装置及方法。


背景技术：

2.随着经济的高速发展，城市规模也越来越大，使得建筑物向地下延伸的越来越深，城市地下空间的利用率逐步提高，在城市建设中深基坑工程越来越多。由于锚索/杆支护体系具有施工速度快、造价低、适用于各种复杂地质条件等优点，在城市地下工程建设中被广泛推广应用。
3.扩大头锚索相比普通锚索，解决了普通锚索单根抗拔承载力较小的问题，同时也优化了锚索长度和变形的问题，增加了摩阻面积，对其抗拔承载力的提高有显著效果，扩大头前端部分土体对锚固体的约束作用是提高锚索承载力的主要因素。在普通锚索施工过程中，为了满足抗拔承载力要求，往往需要采取增加锚索长度或者是减小锚索间距的措施，但是锚索间距设计较小，容易引起“群锚效应”。同时，通过增加锚索长度来提高抗拔承载力也存在一定限制。相关研究表明(曾宪明，2009年，岩石力学与工程学报；黄明华等，2018年，岩土力学)，当锚索锚固段达到一定长度时，再增加锚固段长度对其抗拔承载力的提高不明显，存在临界锚固长度。而单根扩大头锚索抗拔承载力较高，位移小，经济性好，可靠性强，是值得推广和技术创新发展的一个方向。
4.目前，扩大头锚索施工方法采用最多的是高压旋喷，该方法成本比较高，不能精确控制扩孔的孔径，并且锚索在安放过程中极难居中，形成偏心受拉构件，影响锚索的抗拔承载力。近年来，公开的关于扩大头锚索施工的技术较少，专利(cn 106592588 a)公开了一种机械扩孔扩大头锚索施工方法，该方法通过锚杆钻机成孔，形成非扩孔锚索孔，钻孔至设计深度后，将钻杆退出，卸下原钻头，换成机械扩孔钻头向前扩孔，但是在钻孔和扩孔过程中均未进行护壁，孔壁易坍塌；锚索安放是在锚索端部安装一个扩大头锚索对中支架，或在锚索中间加导向钢管。针对以上扩大头锚索施工过程中存在的诸多问题，亟需设计一种新型的扩大头锚索施工装置及方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种扩大头锚索/杆施工装置及方法，提高施工速度和锚索/杆的抗拔承载力，而且节能环保。
6.为实现上述目的，本发明所述扩大头锚索/杆施工装置的主体结构包括：两侧空心垫片、齿轮、控制线、圆孔、连接条、切割刀、钻杆、钻头、卡扣、控制器、电动装置和钢绞线；两侧空心垫片通过连接条与齿轮螺纹连接，两侧空心垫片的中间设有圆孔，控制线缠绕在钻杆上并随钻杆转动，控制器与电动装置之间通过控制线连接，控制器通过控制线将电信号传递给电动装置，电动装置接收到电信号并通过控制机构转化为动力控制齿轮开始伸展，当齿轮达到设定尺寸时电动装置停止运作；切割刀均匀布设在两侧空心垫片上，在钻孔突
进过程中用于切割土体，圆孔的内壁和钻杆的外侧均设有卡扣，圆孔内壁的卡扣与钻杆外侧的卡扣之间固定连接，钻头设置在钻杆的端部。
7.进一步的，所述控制线的外侧套有“凯夫拉”材料并用扎带固定在钻杆上。
8.进一步的，两侧空心垫片的直径为150mm，材质为硬质合金。
9.进一步的，所述齿轮为伸缩齿轮，完全伸展开后整个构件尺寸直径为450mm，材质为硬质合金，未伸展开时收缩在两侧空心垫片内，起钻孔和扩孔的作用。
10.进一步的，所述圆孔的尺寸根据待施工的锚索直径和钻杆的尺寸确定，用于控制锚索居中。
11.进一步的，所述切割刀材质为硬质合金，切割刀垂直钻孔方向的尺寸为两侧空心垫片半径减去圆孔的半径，沿钻孔方向的尺寸为垂直方向的一半。
12.进一步的，所述控制器和电动装置均为本领域通用设备，电动装置由微型电机、控制机构及电气部分按照通用连接方式连接组成。
13.本发明对扩大头锚索/杆施工的具体过程为：
14.(1)钻孔定位：将开挖后的基坑根据当地的地质情况，按设计要求的标高和水平间距，定出孔位，做出标记；
15.(2)钻机定位：根据实际需要选定钻机，将安装有齿轮的两侧空心垫片通过卡扣连接在钻杆上，并在钻杆端部安装钻头，对准孔位，调整角度，保证在钻孔之前安装合格；
16.(3)钻孔：利用齿轮进行机械旋转成孔，将套有“凯夫拉”材料的控制线缠绕在钻杆上，并与外部的控制器连接，控制器通过控制线将电信号传递给电动装置，电动装置接收到电信号并通过控制机构转化为动力控制齿轮中完全伸展开30mm，此时加上两侧空心垫片的150mm，达到孔径180mm，进而钻机钻进成孔，同时钻头喷射水泥浆进行护壁，水泥浆也能将废土残渣带出，这样可以保证孔径与设计要求误差很小；
17.(4)扩孔：在到达扩孔位置之后，控制器通过控制线将电信号传递给电动装置，电动装置接收到电信号并通过控制机构转化为动力控制齿轮达到扩孔直径450mm，继续旋转钻进扩孔，同时喷射水泥浆护壁，开挖深度控制在规定扩孔长度0.5m之内，开挖完毕之后，控制器通过控制线将电信号传递给电动装置，电动装置接收到电信号并通过控制机构转化为动力控制齿轮收缩，然后拔出钻杆，在拔出钻杆过程中，顺便带出未能及时排出的渣土；
18.(5)安放锚索(注浆)：将锚索安放在钻头上，钢绞线穿过两侧垫片中间的圆孔，使得钢绞线有效集中在孔洞的中间位置，锚索到达指定位置之后，缓慢抽出钻杆，同时浇筑水泥浆；在缓慢抽出钻杆过程中，两侧垫片中间的圆孔能有效的保证钢绞线居中，最大程度上保证整个扩大头锚索属于轴心构件，提高锚索的拉拔力；
19.(6)装置回收：在缓慢拔出钻杆后，将安装有齿轮的两侧空心垫片拆卸并清洗养护，以便再次利用。
20.本发明的工作原理为：钻杆旋转带动装置旋转成孔，需要扩孔时，控制器、控制线以及电动装置共同控制齿轮达到指定尺寸，使得钻孔和扩孔的直径满足设计要求，一次性成孔，采用机械旋转扩孔代替高压旋喷扩孔，精准控制了高压旋喷扩大头锚索在钻孔和扩孔中的直径，避免了高压喷射水泥浆时由于孔内压力过高造成水泥浆的浪费，有效解决了高压旋喷扩大头锚索施工过程中锚索不能居中的问题。
21.本发明与现有技术相对比，具有以下优点，一是扩孔直径更符合设计要求，有效利
用圆孔将钢绞线顺利居中，提高了锚索的抗拔力；二是通过控制装置，一次性成孔，省时省力；三是与钻头配合使用，在施工过程中进行水泥浆护壁，有效防止塌孔，其整体结构和工艺简单，操作方便，提高了施工效率，缩短了工期，改善了施工工艺，减少了水泥浆的浪费，节约灌浆材料，减少成本，经济收益高，而且在施工结束后，通过钻杆可将整个装置携带出来，实现循环利用。
附图说明
22.图1为本发明所述扩大头锚索/杆施工装置的主体结构正视图。
23.图2为本发明所述扩大头锚索/杆施工装置的侧视图。
24.图3为本发明所述齿轮中某一齿详图，其中
③
的尺寸150mm，
②
尺寸120mm，
①
尺寸30mm。
25.图4为本发明所述控制线引出图。
26.图5为本发明所述钻杆的连接结构图及钢绞线居中示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图、实施例来进一步阐述本发明。
28.实施例1：
29.本实施例所述扩大头锚索/杆施工装置的主体结构包括：两侧空心垫片1、齿轮2、控制线3、圆孔4、连接条5、切割刀6、钻杆7、钻头9、卡扣10、控制器11、电动装置12和钢绞线13；两侧空心垫片1通过连接条5与齿轮2螺纹连接，两侧空心垫片1的中间设有圆孔4，控制线3缠绕在钻杆7上并随钻杆7转动，控制线3与控制器11连接，控制器11通过控制线3将电信号传递给电动装置12，电动装置12由微型电机、控制机构及电气部分组成，电动装置12接收到电信号并通过控制机构转化为动力控制齿轮2开始伸展，当齿轮2达到设定尺寸电动装置12停止运作；切割刀6均匀布设在两侧空心垫片1上，在钻孔突进过程中用于切割土体，圆孔4的内壁和钻杆7的外侧均设有卡扣10，圆孔4内壁的卡扣与钻杆7外侧的卡扣10之间固定连接，钻头9设置在钻杆7的端部。
30.进一步的，所述控制线3的外侧套有“凯夫拉”材料并用扎带8固定在钻杆7上。
31.进一步的，两侧空心垫片1的直径为150mm，材质为硬质合金。
32.进一步的，所述齿轮2为伸缩齿轮，完全伸展开后整个构件尺寸直径为450mm，材质为硬质合金，未伸展开时收缩在两侧空心垫片1内，起钻孔和扩孔的作用。
33.进一步的，所述圆孔4的尺寸根据待施工的锚索直径和钻杆7的尺寸确定，用于控制锚索居中。
34.进一步的，所述切割刀6材质为硬质合金，切割刀6垂直钻孔方向的尺寸为两侧空心垫片1半径减去圆孔4的半径，沿钻孔方向的尺寸为垂直方向的一半。
35.本实施例的工作原理为：钻杆7旋转带动装置旋转成孔，需要扩孔时，控制器11、控制线3以及电动装置12共同控制齿轮2伸缩达到指定尺寸，使得钻孔和扩孔的直径满足设计要求，一次性成孔，采用机械旋转扩孔代替高压旋喷扩孔，精准控制了高压旋喷扩大头锚索在钻孔和扩孔中的直径，避免了高压喷射水泥浆时由于孔内压力过高造成水泥浆的浪费，有效解决了高压旋喷扩大头锚索施工过程中锚索不能居中的问题。
36.实施例2：
37.本实施例采用实施例1所述装置在富水砂层地区(孔径180mm，扩孔直径450mm，孔深20m左右)进行锚索施工，具体包括以下步骤：
38.(1)钻孔定位：将开挖后的基坑根据当地的地质情况，按设计要求的标高和水平间距，定出孔位，做出标记；
39.(2)钻机定位：根据实际需要选定钻机，将安装有齿轮2的两侧空心垫片1通过卡扣10连接在钻杆7上，并在钻杆7端部安装钻头9，对准孔位，调整角度，保证在钻孔之前安装合格；
40.(3)钻孔：利用齿轮2进行机械旋转成孔，将套有“凯夫拉”材料的控制线3缠绕在钻杆7上，并与外部的控制器11连接，控制器11通过控制线3将电信号传递给电动装置12，电动装置12接收到电信号并通过控制机构转化为动力控制齿轮2中
①
完全伸展开30mm，此时加上两侧空心垫片1的150mm，达到孔径180mm，进而钻机钻进成孔，同时钻头9喷射水泥浆进行护壁，水泥浆也能将废土残渣带出，这样可以保证孔径与设计要求误差很小；
41.(4)扩孔：在到达扩孔位置之后，控制器11通过控制线3将电信号传递给电动装置12，电动装置12接收到电信号并通过控制机构转化为动力控制齿轮2中
②
和
③
达到扩孔直径450mm，继续旋转钻进扩孔，同时喷射水泥浆护壁，开挖深度控制在规定扩孔长度0.5m之内，开挖完毕之后，控制器11通过控制线3将电信号传递给电动装置12，电动装置12接收到电信号并通过控制机构转化为动力控制齿轮中
①
、
②
和
③
收缩，然后拔出钻杆7，在拔出钻杆7过程中，顺便带出未能及时排出的渣土；
42.(5)安放锚索(注浆)：将锚索安放在钻头9上，钢绞线13穿过两侧垫片1中间的圆孔4，使得钢绞线13有效集中在孔洞的中间位置，锚索到达指定位置之后，缓慢抽出钻杆7，同时浇筑水泥浆；在缓慢抽出钻杆7过程中，两侧垫片1中间的圆孔4能有效的保证钢绞线13居中，最大程度上保证整个扩大头锚索属于轴心构件，提高锚索的拉拔力；
43.(6)装置回收：在缓慢拔出钻杆7后，将安装有齿轮2的两侧空心垫片1拆卸并清洗养护，以便再次利用。
44.本实施例中未公开的部件或控制方式均为现有技术。