高压喷射扩大头锚杆的施工方法和装置

摘要

本发明公开了一种高压喷射扩大头锚杆的施工方法，它是在锚杆成孔后，利用钻机控制操作高压管对锚孔的扩大头部位进行喷射扩孔，然后再下锚注浆。本发明并提供用于上述工法的装置。本发明创造性的采用钻机来进行高压管的支承和操作，无需再对扩孔设备的支承和操作进行额外设计。多项工程实践表明，采用该方法施工的扩大头直径大，抗拔力大，位移小，可靠性高，施工方便。

说明书

【技术领域】

本发明涉及扩大头锚杆的施工方法，具体是涉及一种利用高压液体喷射扩孔来进行扩大头锚杆施工的方法和装置。

【背景技术】

锚杆被大量用于基坑支护、边坡支护、滑坡治理以及建筑物抗浮工程中。现行的锚杆施工工艺一般是先用钻机(包括各种专用的锚杆机)成孔，再将锚杆杆体放入孔内，然后向孔内灌浆，浆液凝固后锚杆即可承受拉力。用钻机钻成的锚孔一般都是圆柱形的，直径较小，锚杆抗拔力较小，变形较大。扩大头锚杆无疑是提高抗拔力减小位移的最好办法。但是，扩大头的实现却是一个难点。

为了实现扩孔，人们提出了各种办法，例如进行孔底爆破或对钻孔机具进行改进等。这些技术从理论上看可行，能进行扩孔，但通过工程实践发现，或操作困难，或机具复杂无法实现。在专利号为ZL01103578.1的中国发明专利中，本发明的发明人提出了一种通过高压喷射方式进行扩孔的方法和装置，独辟蹊径，能够简单、经济的进行锚杆扩大头的施工。但是在实际施工中发现，由于需要使用额外的扩孔装置，导致施工设备的增加，且扩孔装置的支承和操作比较困难，如果对此另行设计安装的话，又会带来成本的增长并使操作复杂。此外，当地层条件较差，例如为软土、粉砂或砂性土，或地层变化较大，结构不稳定时，在进行高压喷射扩孔的过程中容易造成锚孔的塌孔而导致施工困难。

【发明内容】

本发明的目的是提出一种能够有效利用钻孔设备，解决扩孔装置支承和操作问题并将扩孔与锚杆施工中其他过程有效结合的高压喷射扩大头锚杆的施工方法和装置。

实现上述目的的一种技术方案是：一种高压喷射扩大头锚杆的施工方法，包括如下工艺步骤：

1)采用钻机钻孔至设计深度形成锚孔；

2)用钻机控制高压管将安装在高压管前端的喷头放入锚孔内待设置扩大头的位置，喷头通过高压管的中空通道与连接在高压管后端的高压泵连通；

3)高压泵将喷射液体增压后通过高压管的中空通道输送到喷头并经设置在喷头上的喷嘴喷射出来，冲击锚孔孔壁的土体使锚孔扩大，所使用的喷射液体至少在喷射完成时是水泥浆；

4)将锚杆杆体放入锚孔内。

本发明的另一种技术方案是：一种高压喷射扩大头锚杆的施工方法，包括如下工艺步骤：

1)采用钻机钻孔至设计深度形成锚孔；

2)用钻机控制高压管将安装在高压管前端的喷头放入锚孔内待设置扩大头的位置，喷头通过高压管的中空通道与连接在高压管后端的高压泵连通；

3)高压泵将喷射液体增压后通过高压管的中空通道输送到喷头并经设置在喷头上的喷嘴喷射出来，冲击锚孔孔壁的土体使锚孔扩大；

4)将锚杆杆体放入锚孔内；

5)向锚孔内注浆。

优选的是，后一方案的步骤3)采用的喷射液体为水。

优选的是，在上述方案的步骤3)中先用水作为喷射液体进行喷射扩孔，再用水泥浆作为喷射液体进行再次喷射。

在所述步骤1)中采用安装有钻头的钻杆进行钻孔；在所述步骤2)中采用所述钻杆作为高压管或至少作为高压管的一段，所述喷头上设置有径向喷嘴。

或者优选的是，在所述步骤1)中采用安装有套管钻头的套管进行钻孔，形成锚孔后，将套管退出适当距离以留出设置扩大头的位置；在所述步骤2)中用钻机控制高压管将安装在高压管前端的喷头经套管放入锚孔内待设置扩大头的位置；在所述步骤4)中将锚杆杆体经套管放入锚孔内，然后拔出套管。

或者优选的是，在所述步骤1)中采用双动力头钻机的套管钻头钻孔至设计深度形成锚孔，将套管退出适当距离以留出设置扩大头的位置；在所述步骤2)中采用双动力头钻机的中心动力头控制高压管；在所述步骤4)中将锚杆杆体经套管放入锚孔内，然后拔出套管。

优选的是，在上述方案的步骤3)中进行喷射扩孔时，一边转动喷头一边沿锚孔轴向移动喷头，使扩大头成为圆柱体。

所述高压泵使液体产生的高压值根据施工部分地层的硬度情况可在5至40Mpa之间选择，一般为12至40Mpa。

为本发明的目的，还提供一种高压喷射扩大头锚杆的施工装置，包括钻机、高压管、喷头和高压泵，所述喷头安装在高压管前端，且通过高压管的中空通道与连接在高压管后端的高压泵连通，所述钻机支承并控制高压管进行操作。

优选的是，还包括套管，所述钻机为双动力头钻机，其支承并用两个动力头分别控制同轴设置的套管和高压管进行操作，套管前端安装有用于钻孔的套管钻头。

优选的是，所述高压管为钻杆或至少一段为钻杆，所述喷头上设置有径向喷嘴。

进一步优选的是，所述喷头上只具有径向喷嘴，且喷嘴的数目为1个或2个。

本发明采用上述技术方案，有益的技术效果在于：

1)创造性的采用钻机来进行高压管的支承和操作，由于高压管的操作和控制方式与钻机对钻杆的操作和控制十分类似，都是在深孔中进行轴向运动或转动，主要包括从锚孔中取出、放入、旋转和移动等。而钻机对钻杆的支承和操作已经是十分成熟的技术，因此只需要给高压管设置相应的结合部，安装到钻机上即可轻松实现，无需再对扩孔设备的支承和操作进行额外设计。

2)采用钻机的钻杆作为输送喷射液体的高压管，充分利用了设备。由于需要通水，钻杆一般都具有中空通道，只是通常流入的不是高压液体而已。而喷头是外接上去的，只需要具有相应的结合部即可，避免直接在钻头上进行设计而使该精密部位进一步复杂化以至无法实现。充分利用钻杆通道，并对流入液体进行增压，即可进行高压喷射扩孔，在不增加部件复杂程度的基础上，进一步简化设备降低了成本。

3)采用一段钻杆和一段专门配置的金属管组合为高压管的结构形式具有十分突出的技术效果：一是若在与钻机结合部采用钻杆，可以利用它们原有的结合结构，不需要进行任何改动；二是由于每节钻杆都很短(一般是每节2M左右)，如果高压管全部采用钻杆，则喷头放入或取出锚孔时都要进行大量频繁多次的钻杆连接安装或拆卸工作，费工费时，而且每一个接头都会产生水头损失，对高压喷射的效果会产生影响，而采用一根通长的金属管连接在具有钻机结合部的一段钻杆上，喷头安装在金属管的前端，可以一次性将喷头放入锚孔内扩大头的位置，省时省工，而且还改善和提高了高压喷射的效果。此外，利用每节钻杆很短的特点，可通过增减钻杆的节数比较方便的调整喷头的放置深度。

4)至少在喷射扩孔完成时，使用水泥浆进行喷射，喷射后的水泥浆可以在锚孔内凝结成为锚固体，可以免去扩孔后的注浆程序，节约工时和成本。当然为了获得更好的锚固效果或者防止漏浆，也可以在采用水泥浆扩孔后仍进行注浆程序，甚至进行多次注浆程序，可根据工程设计的具体需要而确定。

5)采用水作为喷射液体能够起到很好的扩孔作用，在其他条件相同的情况下，用水比用水泥浆能够得到更大的扩大头。

6)采用转动并移动喷头的方法生成形状较为规则的圆柱形扩大头，能够在施工前通过理论分析较为准确的估算出抗拔力等基本设计参数，有利于设计意图在施工中的实现。

7)采用安装有钻头的钻杆进行钻孔，并利用该钻杆作为输送喷射液体的高压管，进一步合用设备，达到经济的效果。

8)采用安装有套管钻头的套管进行钻孔，能够达到良好的护壁效果，避免钻孔时塌孔；在扩孔时，套管优越性更加明显：首先，套管略退出留出扩大头施工位置，能够有效护壁防止高压喷射可能带来的塌孔；同时，套管的设置非常有利于高压喷头、锚杆杆体、注浆管等后续设备顺利进入锚孔，由于锚孔一般都具有较小的直径(通常为10～15cm)和较大的长度(通常为4～50m)，而在进行扩孔作业时，需要将各种设备多次从锚孔中取出或放入，套管的设置使得原本困难且必须非常小心的过程变得顺利而轻松，大大提高了工作效率，按本发明方法操作，可确保施工成功。

9)采用双动力头钻机，能够用两个动力头同时分别控制套管和高压管，操作更加灵活、方便，工效高、施工进度快。

10)喷头上只设置垂直于其轴线的径向喷嘴，所产生的喷射流垂直于锚孔壁面，对土体冲击切割使锚孔扩大的效果非常好。普通钻头上的出水孔一般是向前或倾斜向前的，用于冲松前方的土体便于钻进，无法形成垂直于孔壁的喷射流，是不能达到扩孔效果的。能够使得喷射流的压力集中，避免喷嘴过多导致压力分散而无法取得良好的冲击切割效果。

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步的详细说明。

【附图说明】

图1是本发明高压喷射扩大头锚杆的施工装置示意图。

【具体实施方式】

实施例一、一种高压喷射扩大头锚杆的施工装置，结合图1，包括喷头1、高压管2、钻机3和高压泵4，所述喷头1上设置有径向喷嘴1a，喷头安装在高压管2前端，并通过高压管的中空通道与连接在高压管2后端的高压泵4连通，高压管2后端与高压泵4之间通过软管4a连通；钻机3支承并通过动力头3a控制高压管2进行操作。

喷头可为中空的柱状、锥状或半球状物，一端具有与高压管相适配并连通的接头，一般而言可采用螺纹连接。喷头上有1个或2个喷嘴，喷嘴最好布置在喷头的一个法向平面内呈径向布置或径向对称布置。喷嘴是分布在喷头侧壁上的小孔，其直径为0.5～4mm，优选1～2mm，其形状可以是圆柱形、圆锥形、带喇叭口的流线形等。喷头的作用是将高压管输送来的高压液体经喷头的内空腔引导给喷嘴喷射出来。

在上述实施例中，所采用的钻机既可以是普通的地质钻机、锚杆钻机、旋喷钻机等，也可以是具有同心跟管钻进工艺的钻机，还可以是双动力头钻机。所述双动力头钻机是指具有两个动力头的钻机，能够同时对安装在其上的套管和中心钻杆进行分别控制，高压管就由其中心动力头，即控制中心钻杆的那个动力头进行控制。此外，所采用的高压管可以是专门配置的钢管、合金管、硬塑管等；也可以就采用与钻机相匹配的钻杆；还可以是组合管，即部分采用钻杆，部分采用专门配置的金属管，金属管与钻杆通过螺纹连接起来，它们的中空通道连通成为一条高压管，钻杆优先放置在与钻机的结合部。无论哪种情况，只要对喷头的连接部进行相应的设置，实现喷嘴与喷射液体通道的连通就可以了。高压管的后端与高压泵的连接可以采用高压软管(如高压橡胶管、钢丝网橡胶管、钢板衬橡胶管等)。高压管与高压泵之间还可以安装一个控制阀，实现分流、限压、控制操作等功能。

本发明中所称的“锚杆”可以具有各种形式，例如予应力锚杆、非予应力锚杆、土钉等；其杆体可以采用各种材料，例如钢筋、钢绞线、竹筋等；可以朝多个方向设置，例如水平、倾斜及竖直方向等。

实施例二、一种高压喷射扩大头锚杆的施工方法。其基本工艺步骤为：

钻孔：采用钻机钻孔至设计深度形成锚孔。此步骤可采用安装有钻头的钻杆进行钻孔，也可采用安装有套管钻头的套管进行钻孔，在形成锚孔后，将套管退出适当距离以留出设置扩大头的位置。所述套管钻头，可以是一种与套管直径相当的环形钻头，也可以就在套管前端周边焊接上若干合金刀片而成。控制套管钻孔的钻机可以是普通钻机也可以是双动力头钻机。

扩孔：用钻机控制高压管将安装在高压管前端的喷头放入锚孔内待设置扩大头的位置，喷头通过高压管的中空通道与连接在高压管后端的高压泵连通；高压泵将喷射液体增压后通过高压管的中空通道输送到喷头并经设置在喷头上的喷嘴喷射出来，冲击锚孔孔壁的土体使锚孔扩大。所使用的高压管可以是单独准备的部件，也可以就采用与钻机相匹配的钻杆。例如，在钻孔时采用安装有钻头的钻杆进行，在扩孔时就将该钻杆从锚孔中取出，把安装在钻杆前端的钻头更换为具有喷嘴的喷头，然后进行后续操作。如果在钻孔时使用了套管，则在扩孔时需要将安装在高压管或用作高压管的钻杆前端的喷头经套管放入锚孔内，这样操作较直接向锚孔内放置喷头要容易和顺利得多。此外，值得一提的是，如果在钻孔时使用双动力头钻机，可以有更灵活的操作方式。由于该种钻机具有两个动力头，可同时分别控制套管和同轴设置的中心钻杆，因此：可以在钻孔时采用套管和中心钻杆同步钻进，成孔后退出中心钻杆，更换为装有喷头的高压管进行后续操作；也可以在钻孔前就将装有喷头的高压管安装在中心钻杆的位置，而仅采用套管进行钻进，高压管与套管同步进入锚孔中，成孔后分别调整喷头和套管的位置进行后续操作。在上述两种操作方法中都可采用中心钻杆作为高压管。

在向锚孔中放置喷头时，用钻机操作高压管进行；在扩孔时，可以定点喷射、来回移动等，也可以一边转动喷头一边沿锚孔轴向移动喷头，使扩大头成为圆柱体，这种扩大头形状有利于进行施工参数的预估和计算；由于钻机对钻杆的控制是十分成熟的技术，因此这些操作是很容易进行的。

喷射扩孔所用的液体可以是水、水泥浆以及各种化学浆液等，可根据具体地层和施工的要求进行选择。并且，也不限于使用某种单一的液体，可以混合或交替选择不同的液体进行多次扩孔。例如，采用水扩一次或二次，再采用水泥浆进行二次或三次扩孔，直到达到设计标准。高压泵使液体产生的高压值根据施工部分地层的硬度情况和扩大头设计直径可在5至40Mpa之间选择，一般为12至40Mpa。

注浆：将锚杆杆体放入锚孔内然后注浆，此步骤可按照常规注浆工艺来进行。如果在钻孔时使用了套管，则需要将锚杆杆体从套管中放入锚孔内，然后拔出套管，再进行注浆。如果在扩孔时，是利用钻杆作为高压管，由于钻杆一般都比较粗，因此，应该在放入锚杆前先取出钻杆；如果是使用专门的高压管进行扩孔，则可以选择在放入锚杆之前或之后取出高压管，甚至还可以将高压管留置在锚孔中。如果在上一步骤中选择水泥浆进行扩孔，此注浆步骤可不必进行，或只需进行适当的补充即可。

下面通过具体的施工例来详述本发明实现。

施工例一、地下室抗浮锚杆，永久性锚杆，杆体材料为3φ32钢筋。

设计参数：设计抗拔力300KN，孔深8M，孔径0.15M，扩大头位于孔底，长度3M，直径0.8M

扩大头部位地层描述：土层为花岗岩残积土，土质为硬塑状。

施工过程：

钻孔：采用普通地质钻机操纵钻杆钻孔至设计深度。

扩孔：将钻孔用的钻杆取出，把安装在前端的钻头更换为喷头，然后在钻杆后部连接高压泵，使高压泵通过其中空通道与喷头连通，喷头上设置有一个径向喷嘴。操作钻机将喷头放入孔底，采用水作为喷射液体，喷射压力为30Mpa。一边转动喷头一边沿锚孔轴向在扩大头的设计长度范围内移动喷头，移动速度为0.2M/min，从孔底提升3M后再下降至孔底，然后改用水泥浆进行喷射，从孔底提升3M，扩大头直径已基本符合设计要求，且孔口已溢浆。

取出钻杆，将锚杆放入锚孔内，无须注浆。

施工例二、基坑支护予应力锚索，杆体为6φⁱ15钢绞线。

设计参数：设计抗拔力850KN，极限抗拔力1530KN，孔深20M，孔径0.13M，扩大头位于孔底，长度5M，直径1.2M

地层描述：从上至下地层分别为淤泥质土、松散-稍密的粉细砂、稍密-中密的中粗砂，锚杆扩大头位于中粗砂层

施工过程：

钻孔：采用普通锚杆钻机操纵安装有套管钻头的套管钻孔(即跟管钻进)至设计深度，将套管退出5M，留出设置扩大头的位置。

扩孔：取直径为32mm的钢管作为高压管，其一端安装有喷头，另一端具有与钻机相匹配的连接部，且与高压泵连通。所述喷头上设置有对称分布的两个径向喷嘴。将高压管安装在钻机上，操作钻机经套管将喷头放入孔底，采用水作为喷射液体，喷射压力为25Mpa。通过钻机控制操作高压管一边转动喷头一边沿锚孔轴向在扩大头的设计长度范围内移动喷头，移动速度为0.2M/min，往复移动两次后，扩大头直径已基本符合设计要求。

注浆：将锚杆经套管放入锚孔内，然后取出高压管，拔出套管，向孔内注水泥浆直至孔口溢浆为止，并间隔一段时间再注浆一次。

施工例三、

设计参数：孔深18M，孔径0.15M，扩大头位于孔底，长度3M，直径1.5M

扩大头部位地层描述：松散砂层

施工过程：

钻孔：取直径为32mm的钢管作为高压管，将其安装在双动力头钻机的中心动力头上，高压管与安装在另一动力头上的套管同轴。高压管前端安装喷头，后部连通高压泵，所述喷头上设置有一个径向喷嘴。所述双动力头钻机操纵安装有套管钻头的套管钻孔至设计深度，将套管退出3M，留出设置扩大头的位置。

扩孔：操作双动力头钻机的中心动力头调整高压管的位置，将喷头放入孔底，先采用水作为喷射液体，喷射压力为15Mpa。一边转动喷头一边沿锚孔轴向在扩大头的设计长度范围内移动喷头，移动速度为0.2M/min，往复移动2次后，将喷射液体更换为水灰比为1的水泥浆，从孔底缓慢提升3m旋转喷射扩孔一次，扩大头直径已基本符合设计要求。

注浆：取出高压管，将锚杆经套管放入锚孔内，然后拔出套管，注浆一次。

施工例四、

设计参数：孔深25M，孔径0.15M，扩大头位于孔底，长度3M，直径0.8M

地层描述：上部为碎石土，下部为坡残积土，扩大头位于坡残积土内。

施工过程：

钻孔：采用双动力头钻机操纵安装有套管钻头的套管以及安装有钻头的中心钻杆同步钻孔至设计深度，将套管退出3M，留出设置扩大头的位置。

扩孔：退出中心钻杆，把安装在前端的钻头更换为喷头，然后在钻杆后部连接高压泵，使高压泵通过其中空通道与喷头连通，喷头上设置有一个径向喷嘴。操作双动力头钻机的中心动力头将安装在中心钻杆前端的喷头放入孔底，采用水灰比为1的水泥浆作为喷射液体，喷射压力为28Mpa。一边转动喷头一边沿锚孔轴向在扩大头的设计长度范围内移动喷头，移动速度为0.15M/min，往复移动2次后，扩大头直径已基本符合设计要求。

取出中心钻杆，将锚杆经套管放入锚孔内，然后拔出套管，无须注浆。