一种胀壳锚固头及锚杆 【技术领域】
本发明属于岩土工程锚固支护技术领域，涉及一种锚杆支护装置中的胀壳锚固头及带有该锚固头的锚杆，适用于地下工程、采矿工程、基坑及边坡工程等方面的地层结构支护。
在岩土工程涉及的地下工程、采矿工程、基坑与边坡工程过程中，为防止地层变形坍塌或失稳而危及安全，对地层进行加固的一种主要的支护技术是采用锚杆。通过设置在地层中锚杆所具有的高强度抗拉能力及通过锚杆与锚杆周围的注浆体与地层之间密实结合等方式将地层加固起来，以提高地层的整体性。以控制地层变形，使之达到稳定安全状态。这种技术的发展已有上百年的历史，并提出多种锚杆支护类型及工艺以适应不同的地层与不同条件的需要。
就锚杆类型而言大体可分为：
按锚杆体的刚度可分为：以钢筋或钢管作杆体的粗钢筋锚杆(Baranchor)和以柔性高强钢绞丝作杆体的锚索锚杆(strand anchor)两大类。锚索锚杆一般以多根钢绞丝组成的多束型锚杆(multi-strand anchor)，以预应力为主，由于施工复杂，对机械设备要求高。一般适用于锚固力有大于500KN，长度10m以上的地层。而粗钢筋锚杆锚固力一般使用小于500KN，所采用的机械简单，施工方便，故是目前使用最多的锚杆，广泛使用于中小型锚固需要的地层支护中。如交通隧道、水利水电隧洞，采矿巷道、一般基坑和边坡支护。
粗钢筋锚杆中1)按锚固类型可分为注浆锚杆和非注浆锚杆。2)按预应力方式可分为非预应力锚杆和预应力锚杆。3)按预应力锚固段方式可分为机械点锚式和全粘结锚固型。4)按预应力锚杆地自由段可分非粘结型预应力锚杆和粘结型预应力锚杆。5)按杆体形状可分为实心锚杆和空心(中空)锚杆。6)按钻进方式可分为自钻式锚杆和非自钻式锚杆。
在粗钢筋锚杆中，我国国标《锚杆喷射混凝土技术规范》(GB50086-2001)，《公路隧道设计规范》(TJJ026-90)，《铁路隧道设计规范》(TB10003-99)，《锚固与注浆技术手册》(中国电力出版社，1999年9月)等文献中涉及多种粗钢筋锚杆类型：
1.筋砂浆锚杆：采用螺纹钢筋作杆体，其施工工艺是在地层中钻孔后注入水泥砂浆，再在带浆体孔道中插入钢筋，使钢筋、砂浆与地层的结合。属先注浆后锚固型锚杆，其力学原理是砂浆凝固后，杆体2。随地层变形而承受拉力限制地层变形。这种锚杆施工简便。其缺点是：1)浆体饱满度难以保证，且因插入钢筋时存在偏离现象，钢筋保护层厚度不易均匀，锚固力不大。故使钢筋锈蚀而破坏。2)同时因不能实施预应力，注浆体随钢筋变形而开裂，使水气直接侵入钢筋，影响使用寿命。3)不适用于破碎地层。4)因锚杆支护力是在砂浆缓慢结硬后形成的，故不适用需迅速形成支护力的场合。
2.早强水泥药卷锚杆和树脂药卷锚固全粘结实心锚杆：虽是对普通砂浆实心锚杆进行了改进，可适用地层范围扩大，并能迅速形成支护力，但锚固浆体饱满度及钢筋保护层厚度因构造方面问题依然难以保证，影响锚杆体的可靠性，多用于临时支护。
3.水胀式锚杆和管缝式锚杆：利用杆体与孔壁而磨擦形成支护力。属于非注浆锚杆，一般仅适用于临时支护和良好岩层中。
4.胀壳式锚杆：利用锚固头的胀壳力形成点锚力，为非粘结型锚固产生的锚力。由于胀壳力通过胀壳与孔壁磨擦形成，故仅适用于较好的岩层中；且现有技术中，胀壳式锚杆为实心锚杆，在胀壳端头锚固后，全锚杆段不能进行后注浆，故多用在临时支护中。
5.中空自钻式锚杆：中国专利ZL95202848.4公开了一种中空自钻式锚杆，通过中空杆体做钻杆加钻头实现钻杆和锚杆合一，钻进后再注浆。该技术方案侧重于极软弱与破碎岩层的注浆支护，但其缺点是注浆体锚固时间过长，因工艺原因不能迅速形成锚固力，故不适用需快速支护的地层。
综上所述，上述锚杆类型均存在各自的缺点，且仅适用于某种场合。特别是在上向孔锚杆支护情况，如拱部锚杆支护中，在安装锚杆时就必须解决锚杆本身重力及注浆压力使锚杆下坠问题，这只有形成快速支护力的锚杆才能信任。上述锚杆类型中，只有端头锚固型锚杆、摩擦型锚杆才较好的解决上向安装问题。但通过注浆使锚杆粘结锚固，并利用粘结锚固提高锚杆的耐久性，还不能做到。
为解决上述问题，中国发明专利ZL02112233.4公开了一种锚杆支护方法及其分段式中空注浆锚杆，提出的一种技术方案是一种早强锚固的、可预应力的分段式中空注浆锚杆。该技术方案作为预应力锚杆时，中空杆体为自由段，实心杆体为锚固段，是药卷或树脂早强锚固剂进行锚固段的快速锚固与中空杆体后注浆相结合的粘结型预应力锚杆，可适用与各种岩层中。为解决锚杆注浆问题，该技术方案提出了支承垫板带孔(及止浆塞带孔)可插连通管道并利用中空锚杆体的空腔与连接套筒的连通孔将地层锚杆孔、连通管道连通形成注浆-排气通道，解决了锚杆向上/向下安装时的锚杆注浆问题。该装置既能起永久支护功能同时又能兼临时支护作用。该装置提出了临时和永久支护技术合二为一的一种解决方案。
中国实用新型专利ZL200320107953.5公开了一种胀壳式锚杆。该锚杆由胀(涨)壳锚固头、锚杆体、支承垫板、螺母，排气或进浆管道等组成。该技术方案采用中空管体作锚杆体或用实心钢筋绑一根管道代替中空管体作锚杆体，垫板带孔可插连通管道，胀壳锚固头作锚杆端头锚固，在安装胀壳锚固头锚固后，再进行注浆锚固。为解决锚杆注浆问题，该技术方案提出了支承垫板带孔(及止浆塞带孔)可插连通管道并利用中空锚杆体的空腔与胀壳锚固头内的连通孔将地层锚杆孔、连通管道连通形成注浆-排气通道，解决了锚杆向上/向下安装时的锚杆注浆问题。该装置既能起永久支护功能同时又能兼临时支护作用。该装置提出了临时和永久支护技术合二为一的另一种解决方案。
【发明内容】
本发明提供一种锚固头装置和带有该锚固头的锚杆，通过该装置提供一新的途径以解决锚杆在上向安装时的注浆与锚固问题，能保证注浆饱满又使锚杆保护层均匀。且该锚杆安装后能迅速形成支护锚固力，控制岩体变形，既可用作永久支护，又可用作临时支护。
一种胀壳锚固头，由胀壳内楔和胀壳外楔组成，所述的胀壳锚固头由胀壳内楔和胀壳外楔组成；外楔套在内楔上，所述的胀壳内楔为底面大而顶面小的、带空腔的中空圆台体，空腔与顶面、底面连通；其外表面为螺纹表面，与胀壳外楔的内螺纹相配合；所述的胀壳内楔上端有纵向开口槽，开口槽与其空腔和顶面连通；所述的胀壳内楔的下端外表面有凹槽，凹槽与底面连通；所述的胀壳外楔为带空腔的中空圆柱体，空腔与顶面、底面连通。所述的胀壳外楔有与顶面连通的纵向顶面开口槽和有与底面连通的纵向底面开口槽；开口槽在外楔表面上相互垂直，方向相反的将外楔分为若干个瓣片。
所述的胀壳外楔有两条与顶面连通的纵向顶面开口槽和有两条与底面连通的纵向底面开口槽；开口槽在外楔表面上相互垂直，方向相反的将外楔分为四个瓣片。
所述的胀壳内楔下端不仅可以是平的边环而且可以是凸起的边环，凸起的边环可以是环状也可以是均匀分布的齿形凸起。
所述的胀壳外楔的外表面为倒锯齿状表面，所述的倒锯齿可为环向分布、人字形分布或颗粒状分布。
根据上述胀壳锚固头制造的一种带胀壳锚固头的锚杆，由胀壳锚固头、锚杆体、止浆塞、垫板、螺母组成，所述的锚杆体的一端装有胀壳锚固头，另一端从其端头面向内依次装有螺母、垫板和止浆塞，胀壳锚固头由胀壳内楔和胀壳外楔组成；所述的胀壳内楔与锚杆杆体可以螺纹连接或通过加工形成一个整体构件。
上述锚杆的锚杆体为中空管体时，锚杆体与胀壳内楔连接后，锚杆体内空腔与胀壳内楔的空腔、纵向凹槽、纵向开口槽和胀壳外楔的空腔、前端开口槽相配合后形成的纵向横向连通孔，并与锚杆安装孔相连通。
上述锚杆的锚杆体为实心杆体时，杆体上附有穿过支承垫板及止浆塞的注浆或排气用管道，管道的另一端口延伸至胀壳锚固头附近。
所述的锚杆体为可任一点进行螺纹连接的全长螺纹的中空管体或实心杆体，或为仅在中空锚杆体两端长度内的局部螺纹表面，其余部分为非螺纹表面的中空管体和实心杆体。
所述的胀壳内楔与胀壳外楔采用倒齿细螺纹配合。在组装好伸入钻孔至孔底，初始时可采用冲击使内楔冲进外楔使外楔胀开，再可通过细螺纹进一步旋进外楔中，使外楔最大限度胀开。
安装时，现场可以直接用人力冲击旋转，当锚杆体带动内楔向前顶进或转进时，外楔的瓣片向外胀开，与孔壁接触摩擦产生胀压力，使锚杆牢固的安装在锚杆孔中，并通过垫板、螺母作锁定部件，将锚杆体锁定，胀壳锚固头与岩壁之间的锚固力在锚杆中形成。同时通过设置注浆-排气管道或采用注浆、排气和止浆功能于一体的多功能止浆塞，可实现在锚固后锚杆的注浆，使锚杆注浆饱满，解决了在地下工程支护中倾角向上的钻孔锚杆的安装、注浆困难问题。
本发明的锚固头可用金属材料制成，也可用非金属材料制作，与各种锚杆相配合，锚杆价格低于一般的端头锚固型锚杆，且安装、注浆效果显著，性价比优越。
【附图说明】
图1为本发明的胀壳锚固头的一种实施方式胀壳内楔、胀壳外楔分解结构示意图；
图2为本发明的胀壳锚固头的另一种实施方式胀壳内楔的立体结构示意图；
图3为图1中胀壳锚固头的在锚杆上装配好的立体示意图；
图4为本发明装置在采用中空杆体时的一种锚杆实施方式示意图；
图5为本发明装置在采用实心杆体和注浆-排气管道时的注浆锚杆实施方式示意图；
图6为图4的锚杆安装在地层中的立面图。
其中：
1-胀壳内楔 2-胀壳外楔 3-胀壳锚固头 4-止浆塞的柔性外环5-止浆塞的硬质内环 6-止浆塞的紧锁件 7-止浆塞 8-支承垫板9-螺母 10-锚杆体 20-中空锚杆体的空腔 11-内楔的外表面螺纹12-内楔的内表面螺纹 13-内楔外表面的凹槽16-内楔内腔里止进环 17-内楔的顶面 18-内楔的前端开口槽19--内楔的底部 19a-内楔底部的凸起边环 21-外楔的内表面螺纹22-外楔的外表面倒齿 23-外楔的顶面开口槽24-外楔的底面开口槽 25-外楔的带齿瓣片 26-外楔的底面27-外楔的顶面 28-捆扎细绳 40-锚杆体外螺纹50-实心杆体时采用的长管 51-长管的捆绑绳 52-排气或注浆管100-地层中的锚杆安装孔 101-钻孔开口岩壁及支承面102-钻孔周边岩壁 103-钻孔底端岩壁
【具体实施方式】
如图1，一种胀壳锚固头3，由胀壳内楔1和胀壳外楔2利用倒齿螺纹连接组成，在锚杆安装时，胀壳外楔胀开使锚杆牢固的安装在锚杆孔中，并使锚杆居中。如图3，胀壳内楔1外表面螺纹11与胀壳外楔2内表面螺纹21连接，组合成锚固头，胀壳内楔内螺纹12连接锚杆杆体顶端外螺纹40。
所述的胀壳内楔1由顶面小底面大的、带空腔的圆台体，空腔与顶面17、底面19连通；其外表面为倒齿螺纹表面11与胀壳外楔2的内螺纹21相配合。所述的胀壳内楔1空腔中部有一段带内螺纹表面12，用于与锚杆体10螺纹相配合，并靠近顶面17的空腔小于中部空腔，以形成止进环16(见图6所示)，用于控制锚杆体10的螺纹连接深度不超过顶面17。所述的胀壳内楔1上端有纵向开口槽18，开口槽18与其空腔和顶面17连通，以利注浆和排气；所述的胀壳内楔1的下端外表面有凹槽13，凹槽13与底面19连通，以利注浆和排气。图2所示为所述的胀壳内楔1的另一种实施例，其下端可以有凸起的边环19a，凸起的边环可以是环状也可以是均匀分布的齿形凸起。
所述胀壳外楔2为由垂直于纵轴线的一个顶面27和一个底面26切割而成的、带空腔的中空圆柱体，空腔与顶面77、底面16连通。所述的胀壳外楔2有两条与顶面27连通的纵向顶面开口槽23和有两条与底面26连通的纵向底面开口槽24；开口槽23、24在外楔表面上相互垂直，方向相反的将外楔分为四个瓣片25。其顶面开口槽23与底面开口槽24约为外楔2全长的3/4～7/8。所述的胀壳外楔2内表面21有与胀壳内楔1外表面11相配合的螺纹。
为防止张开而影响锚杆安装，在装配锚固头3时，所述的胀壳外楔2外表面最下端处以绳子28或其他物件捆扎；当锚杆在地层中安装到位时，随着胀壳外楔2的瓣片25胀开，绳子随之变形或断开而失去作用。
所述的胀壳内楔1与胀壳外楔2采用倒齿细螺纹配合。在组装好伸入钻孔至孔底，初始时可采用冲击使内楔1冲进外楔2，使外楔2胀开，再可通过细螺纹进一步旋进外楔2中，使外楔2最大限度胀开。
胀壳锚固头3在地层锚杆安装孔中的工作原理是：在锚杆安装时用冲击钻进工具将装有胀壳锚固头3的锚杆体10插入锚杆安装孔100中，使胀壳外楔2的顶面27顶紧到锚杆安装孔的底部103。当继续冲击钻进时，锚杆体10带动胀壳内楔1继续向底部103方向运动，内楔1的外表面和外楔2的内表面之间的倒齿螺纹斜面产生相对运动，使四个瓣片25逐步胀开向外挤压岩壁102，生产锚固力。当锚杆体10不能转动进入时，表明瓣片25已最大限度胀开时，胀壳锚固完成。
图4为本发明装置在采用中空杆体时的注浆锚杆实施方式示意图。如图所示，锚杆由胀壳锚固头3、锚杆体10、止浆塞7、垫板8、螺母9组成。所述的锚杆体10的一端装有胀壳锚固头3，并与胀壳锚固头3的内楔1螺纹连接；其另一端从其端头面向内依次装有螺母9、垫板8和止浆塞7。所述的止浆塞7由柔性外环4、带注浆孔的硬质内环5、带纵向凹槽的紧锁件6组成。柔性外环4套在硬质内环5上，而紧锁件6密贴安装在硬质内环5的喇叭口内，这样组成的止浆塞7通过紧锁件6的内孔与锚杆体10表面螺纹连接。紧锁件6的纵向凹槽与硬质内环5的内腔和出浆孔连通，形成注浆通道。
图5为本发明装置在采用实心杆体和注浆-排气管道时的注浆锚杆实施方式示意图。如图所示，锚杆体10为实心杆体时，杆体上附有穿过支承垫板的注浆或排气用管道50，管道50的另一端口延伸至胀壳锚固头附近。
图6为图4的锚杆安装在地层中的立面图，为锚杆向上安装时的情况。中空杆体10连接胀壳内楔1顶入胀壳外楔2，通过胀壳内楔1的运动带动胀壳外楔2的四个瓣片25向外胀开，胀壳外楔顶部27顶牢钻孔底部岩壁103，外齿22与岩壁102胀压锁定锚杆。锚杆安装锁定后进行注浆锚固，其注浆工作原理为：通过专用注浆器注浆体从孔口的止浆塞底部的凹槽进浆，浆体沿止浆塞7内的进浆凹槽、空腔、出浆孔进入锚杆孔100，并逐步向上充盈锚杆孔，最后浆体从胀壳内楔外楔的空腔、凹槽13、纵向开口槽(18，23，24)并进入与其连通的中空锚杆体10的空腔20，锚杆体内的空气通过上述通道自杆体空腔20排出。当浆液从锚杆外露端流出时注浆结束，并安装垫板、螺母，锚杆安装完毕。
本发明装置所示的胀壳外楔2的外表面为倒锯齿状表面，所述的倒锯齿22可为环向分布、人字形分布或颗粒状分布。
所述的胀壳内楔1与锚杆杆体10可以螺纹连接或通过加工形成一个整体构件。
所述的锚杆体10不仅包含可任一点进行螺纹连接的全长螺纹的中空管体或实心杆体，而且包含仅在中空锚杆体两端长度内的局部螺纹表面，其余部分为非螺纹表面的中空管体和实心杆体。
带有本发明的涨壳锚固头的锚杆，采用图5的实施方式时安装工艺是按如下步骤实现的：
1.用钻孔机在地层(岩层)中钻孔并清扫钻孔；
2.在现场将锚杆体10的一个端头与胀壳内楔1的内缧纹12相连接，内楔1插入外楔2中以螺纹相连，装配就位；
3.将装配就位的胀壳锚头3连同中空锚杆体10插入钻孔中，在中空锚杆体10的另一端头转动冲击等手段使锚固头3连同锚杆体10插入到钻孔底部103，当锚杆杆体10带动内楔1向外楔2内腔顶进或转进时，外楔2顶部27顶紧钻孔底部103，使外楔2的瓣片25向外胀开。当锚杆体10不能转动进入时，表明瓣片25已最大限度胀开时，胀壳锚固完成。锚固头3安装完成后，所产生的摩擦力至少大于锚杆本身的重力及注浆时压力所产生的反冲力。
4.将多功能止浆塞的硬质内环5插入柔性外环4，在钻孔口将多功能止浆塞7套入锚杆，旋紧锁紧件6，使柔性外环4的膨胀后端43密贴岩层支承面101。
5.完成上述步骤后，可对锚杆体进行注浆。采用专用注浆接头套入孔口外的中空杆体10，后端用工作螺母锁定，注浆接头前端出浆口与止浆塞紧锁件外环上的凹槽65通往硬质内环的出浆孔53，弹开柔性外环的前端薄层42进入锚杆孔，实现从锚杆杆体外圈向孔内进浆，浆体逐渐充盈整个锚杆孔的空腔，锚杆体中空管体10与胀壳内楔1连接后，锚杆体内空腔20与胀壳内楔1的空腔与内楔前端开口18与胀壳外楔开口槽23、24形成通道，空气通过杆体空腔20排出，可实现后注浆。按图4所示箭头方向流动，当浆液从锚杆外露端流出时，注浆完成。锚杆向上/向下安装均相同。
6.拆下工作螺母、专用注浆接头，安装支承垫板8，锁紧螺母9，锚杆安装完毕。
采用图5的实施方式时安装工艺是按如下步骤实现的：
1.同上述步骤1～3；
2.安装止浆塞7及排气注浆管52，安装垫板，螺母。
3.上述步骤后，可对锚杆体进行注浆。1)当锚杆向下安装时(即钻孔底部103相对孔口低时，如地下洞室、边坡下向锚杆安装时)锚杆体10的空腔20作为注浆道，安装在垫板8上，管道52作为排气道，注浆液体从锚杆外露端部进入腔6，到达锚杆体的另一端，并通过胀壳内楔2前端开口18以及纵向凹槽13与外楔23、24形成二个纵向孔道向钻孔底部流出，并逐渐充满钻孔形成注浆固结体7。当浆液从排气口52流出时停止注浆，锚杆安装完成。2)当锚杆向上安装时(即钻孔底部比孔口高时，如地下洞室拱部锚杆安装情况)，管道52为注浆道，中空杆体2的空腔20作排气道。注浆时，浆体逐渐充盈形成注浆体7，并通过胀壳锚头1的胀壳内楔2的前端开口18与胀壳外楔开口25、26孔道进入锚杆体2的空腔20。当浆液自空腔端部流出时，停止注浆，完成锚杆安装。当杆体为实心时，采用管道50做为上述空腔20使用，原理相同。