隧道围岩变形快速控制的组合式锚杆装置及施工方法

1.一种隧道围岩变形快速控制的组合式锚杆装置，其特征在于：所述隧道围岩变形快速控制的组合式锚杆装置包括用于提供张拉锚固支护及全长的摩阻锚固支护的锚杆杆件（1）、用于固定锚杆起始端以控制围岩收敛的杆端固定装置（2）、用于快锚段注浆并传递锚固挤压力的注浆杆件（3）、用于注浆分区、锚杆杆件（1）对中及补强段注浆的杆件嵌套装置（4）以及用于机械锚固锚杆尾端以提供初始锚固力的机械锚头（5）；所述锚杆杆件（1）与注浆杆件（3）同轴并套装在注浆杆件（3）外部；所述锚杆杆件（1）的两端部分别设置有机械锚头（5）以及杆端固定装置（2）；所述注浆杆件（3）的一端从杆端固定装置（2）上伸出，另一端置于机械锚头（5）内部；所述注浆杆件（3）的端部设置有注浆孔；所述机械锚头（5）上设置有与注浆杆件（3）上注浆孔相贯通的出浆孔；所述杆件嵌套装置（4）套装在锚杆杆件（1）外部；所述锚杆杆件（1）上沿锚杆杆件（1）轴向设置有中部通孔（13）；所述注浆杆件（3）伸入中部通孔（13）中并与中部通孔（13）同轴；所述锚杆杆件（1）的外表面设置有粗螺纹杆段（11）以及细螺纹杆段（12）；所述机械锚头（5）旋拧在粗螺纹杆段（11）上；所述杆端固定装置（2）旋拧在细螺纹杆段（12）上；所述杆端固定装置（2）包括锚垫板（21）、弹性锚块（22）、锚杆杆端螺母（23）以及止浆塞（24）；所述锚杆杆件（1）依次贯穿止浆塞（24）以及锚垫板（21）；所述锚杆杆端螺母（23）旋拧在细螺纹杆段（12）上；所述锚杆杆端螺母（23）和锚垫板（21）之间设置有弹性锚块（22）；所述注浆杆件（3）包括中空钢管（31）、挤压推块（32）以及钢管管端螺母（33）；所述锚杆杆件（1）与中空钢管（31）同轴并套装在中空钢管（31）外部；所述中空钢管（31）可沿锚杆杆件（1）的轴向移动；所述中空钢管（31）的一端从杆端固定装置（2）上伸出后与钢管管端螺母（33）相连，另一端从锚杆杆件（1）伸出后与挤压推块（32）相连；所述挤压推块（32）置于机械锚头（5）内部；所述挤压推块（32）的外径不大于锚杆杆件（1）的外径且大于中部通孔（13）的外径；所述挤压推块（32）上设置有与机械锚头（5）上出浆孔相贯通的推块出浆孔（321）；所述挤压推块（32）的外表面与推动机械锚头（5）内表面相接触；所述挤压推块（32）在外力作用下推动机械锚头（5）卡持在待锚固的钻孔孔洞中；所述机械锚头（5）包括锚头嵌套段（51）、圆端头（52）以及嵌岩锚块（53）；所述锚头嵌套段（51）旋拧在粗螺纹杆段（11）上；所述圆端头（52）设置在锚头嵌套段（51）端部；所述圆端头（52）上设置有圆端头出浆孔（521）；所述圆端头出浆孔（521）与推块出浆孔（321）相贯通；所述锚头嵌套段（51）上沿锚头嵌套段（51）的径向设置有嵌套段活塞孔（511）；所述嵌岩锚块（53）置于嵌套段活塞孔（511）中；所述嵌套段活塞孔（511）是多个，多个嵌套段活塞孔（511）均布在锚头嵌套段（51）的径向上；所述挤压推块（32）的圆台侧面与嵌岩锚块（53）的内表面相接触；所述挤压推块（32）在外力作用下推动嵌岩锚块（53）从嵌套段活塞孔（511）中伸出并最终卡持在待锚固的钻孔孔洞中；所述杆件嵌套装置（4）包括橡胶膜套（41）以及PVC管（42）；所述橡胶膜套（41）是环绕锚杆杆件（1）外部的封闭耐磨橡胶圆环；所述PVC管（42）置于锚杆杆件（1）外部并与锚杆杆件（1）并行；所述PVC管（42）的一端与橡胶膜套（41）相贯通，另一端从杆端固定装置（2）中穿出。 2.根据权利要求1所述的隧道围岩变形快速控制的组合式锚杆装置，其特征在于：所述弹性锚块（22）整体呈碟形；所述弹性锚块（22）上设置有贯穿孔；所述贯穿孔内壁设置有与细螺纹杆段（12）上螺纹相匹配的内螺纹；所述弹性锚块（22）旋拧在细螺纹杆段（12）上并置于锚杆杆端螺母（23）和锚垫板（21）之间。 3.根据权利要求1所述的隧道围岩变形快速控制的组合式锚杆装置，其特征在于：所述挤压推块（32）整体圆台状；所述挤压推块（32）的圆台侧面与推动机械锚头（5）内表面相接触；所述钢管管端螺母（33）的轴向内表面是变径的；所述钢管管端螺母（33）从中空钢管（31）端部旋入后最终与锚杆杆件（1）上的细螺纹杆段（12）螺纹连接。 4.根据权利要求1所述的隧道围岩变形快速控制的组合式锚杆装置，其特征在于：所述嵌岩锚块（53）整体是梯形钢块，所述嵌岩锚块（53）的最外缘设置有锚块钢齿（531），所述嵌岩锚块（53）的内侧面为梯形体斜面，所述挤压推块（32）的圆台侧面的形状与嵌岩锚块（53）的内侧面的形状相匹配。 5.一种基于如权利要求1所述的隧道围岩变形快速控制的组合式锚杆装置的快速施工方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1）钻孔、清孔：采用钻孔机械开凿出合适长度的钻孔孔洞（6），并使用高压水流清理孔洞中残留的碎屑；2）锚杆组装：将注浆杆件（3）从尾端插入锚杆杆件（1）的中部通孔（13），将嵌岩锚块（53）嵌入锚头嵌套段（51）的嵌套段活塞孔（511）后，将锚头嵌套段（51）通过螺纹整体旋转紧固于粗螺纹杆段（11）上；从锚杆杆件（1）前端套入橡胶膜套（41）及连接相应的PVC管（42），适当充气并涂抹粘贴剂使橡胶膜套（41）粘贴在粗螺纹杆段（11）的设计位置；从细螺纹杆段（12）的端部依次套入止浆塞（24）、锚垫板（21）、高强弹性锚块（22）、锚杆杆端螺母（23），同时将PVC管（42）依次穿过止浆塞预留孔（241）和锚垫板预留孔（211），最终完成组合式锚杆装置的整体组装；3）插杆：将组装好的组合式锚杆装置插入清理完的钻孔孔洞（6），从PVC管（42）中向橡胶膜套（41）内压入空气，使橡胶膜套（41）膨胀，直至与钻孔孔洞（6）的孔壁紧密贴合，使锚杆杆件（1）卡紧于孔洞（6）的正中心，并将快锚段（61）和补强段（62）的注浆区域完全隔离；同时将杆端固定装置（2）推动并旋紧于钻孔孔洞（6）的孔口，完成插杆工序；4）机械锚固：将钢管管端螺母（33）旋入中空钢管（31）的钢管前端螺纹（311）的管端，再采用人工或机械方式，锤击突出锚杆杆件（1）中部通孔（13）的中空钢管（31）管端，锤击力经中空钢管（31）传递至挤压推块（32），在圆端头（52）的支撑下，挤压推块（32）侧壁与嵌岩锚块（53）的内侧斜面接触并传递压力，使得嵌岩锚块（53）沿嵌套段活塞孔（511）向外侧挤压运动；多次锤击后，使得嵌岩锚块（53）的锚块钢齿（531）嵌入孔壁，维持锤击装置向前的挤压力，并迅速将钢管管端螺母（33）旋拧至锚杆杆件（1）端部，使其内侧的大直径内螺纹段与锚杆杆件（1）的细螺纹杆段（12）连接，小直径内螺纹与中空钢管（31）的钢管前端螺纹（311）连接，借此将挤压应力锁定于中空钢管（31）内部，进而保持嵌岩锚块（53）的机械挤压力，使机械锚头（5）紧紧嵌固于孔洞岩壁；5）初始预张拉：拉动锚杆杆件（1），确认机械锚头（5）产生初始机械锚固力后，将止浆塞（24）卡紧在孔口，依靠其弹性将孔口堵死，并将锚垫板（21）平铺于钻孔孔洞（6）孔口，并进一步采用拉拔机械对锚杆杆件（1）施加初始张拉力至设计值，同时依次将高强弹性锚块（22）和锚杆杆端螺母（23）旋紧于锚垫板（21）后侧并与之紧贴，锁定杆端张拉力，从而使得围岩（7）的变形得到初步控制；6）快锚段注浆：采用注浆机械向注浆杆件（3）内注入快凝锚固浆液，浆液依次通过中空钢管（31）、推块出浆孔（321）流入机械锚头（5）内部，再进一步通过圆端头出浆孔（521）流入钻孔孔洞（6）的快锚段（61），待快凝浆液将孔壁的裂隙全部填满直至高压浆液难以注入时，堵住注浆杆件（3）尾端；7）二次张拉：在快锚段（61）浆液凝固并产生粘结锚固力后，采用拉拔机械再次对锚杆杆件（1）施加二次张拉力至设计值，将高强弹性锚块（22）和锚杆杆端螺母（23）依次旋紧以锁定张拉力；8）补强段注浆：待围岩变形得到初步控制后，由外界增压设备通过PVC管（42）向橡胶膜套（41）内持续压入空气，使封闭的橡胶膜套（41）不断增压直至爆裂，再通过PVC管（42）向补强段（62）内注入慢凝微膨胀的水泥砂浆，直至注浆压力迅速增加而难以压入或者水泥砂浆从锚垫板预留孔（211）中溢出，等待浆液凝固，最终完成整个锚固注浆流程。