用于锚杆对中支架安装的辅助装置研究

党东生

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

钢筋锚杆(土钉)支护是基坑支护和边坡支护中最为常见的支护形式[1]，工程实践中钢筋锚杆(土钉)一般由钢筋现场加工而成。其主要由锚杆体、对中支架及锚杆头组成，而对中支架尺寸小，焊接角度特殊，现场焊接安装常常因焊接角度不符合设计要求而不合格，造成返工，影响工程进度，增加工程成本，甚至有时因为管理不到位而影响工程质量。

本文通过研究钢筋锚杆对中支架的布置形式和特点，结合工程实践，针对性地发明了锚杆(土钉)对中支架安装辅助装置(以下简称装置)，它是一种能够辅助快速、方便、准确焊接安装锚杆对中支架的装置，几乎可以用于所有常用钢筋锚杆对中支架的辅助安装，该装置的应用可大幅提高锚杆体制作的合格率及生产效率，保证工程质量，节约工程成本。

1 研究内容

经过项目实践及项目调查，发现钢筋锚杆体的现场制作常常因对中支架的安装角度不符合设计要求而出现返工。究其原因，主要是锚杆对中支架围绕杆体呈120°布置，角度特殊，且没有相应的辅助设备。因此，施工作业人员在制作过程中常按照自己的想法或者按照自己舒服的体位来安装，最终导致加工的钢筋锚杆体不符合设计要求而返工。

调查分析发现在涉及到锚杆支护的设计中，对于钢筋锚杆，锚杆体一般由带肋钢筋制作而成；对中支架一般用φ6或φ8圆钢现场加工，并围绕杆体每间隔120°焊接安装到锚杆体上，形成有效支撑。以保证钢筋锚杆体位于钻孔中心位置，并保证杆体具有足够的保护层厚度，见图1。

2 装置原理

一般在钢筋锚杆设计中，对中支架围绕锚杆体呈120°分布，当每个对中支架垂直向上时，焊接安装最为方便，施工作业人员施工体位最为舒服，且焊接质量最有保证。因此，装置设计要求保证每个对中支架焊接安装时垂直向上。此外，为保证锚杆对中支架的安装角度，装置在使用过程中要求保证锚杆钢筋固定不转动。

根据等边三角形的几何原理，等边三角形任意两个角的顶点与形心连线的夹角为120°，因此，只要将锚杆体固定于等边三角形的形心处，然后旋转等边三角形，使其任意一个角向上，并在其垂直向上的位置焊接安装对中支架，即可保证安装的任意两个对中支架夹角为120°，满足设计的要求[2]。且此种条件下最有利于施工作业。

为保证装置的普遍适用性，通过调查研究，设计装置适用的锚杆直径为φ20,φ22,φ25,φ28,φ32，其基本可以覆盖所有的常用锚杆直径。根据几何原理，推导为保证不同直径锚杆体位于装置形心所对应的支撑杆的长度，其公式如下：

lΦ=0.5×L×tan30°-Φ/2。

其中，lΦ为直径为Φ的锚杆钢筋所对应的装置支撑杆长度(含卡槽厚度)，mm；Φ为锚杆体钢筋直径，分别取20 mm,22 mm,25 mm,28 mm及32 mm；L为外轮廓支撑内框单边长度，mm。

3 装置的结构组成

该装置总共由外轮廓支撑、支撑杆及旋紧装置三部分组成。外轮廓支撑主要由3条等长构件两两呈60°组成，形成等边三角形，其长度为0.6 m～1.0 m；支撑杆由2根带有刻度的圆形钢柱组成，长度可调节；旋紧装置由单根螺杆组成，可调节。装置具体构造如图2所示。

为保证装置的普遍适用性，支撑杆与装置外轮廓支撑之间采用螺纹连接，支撑杆自下而上标注有不同刻度，分别有20,22,25,28,32五个刻度，每个刻度数值分别代表不同锚杆钢筋的直径。使用时只需根据锚杆体钢筋的直径将装置的2个支撑杆的高度调节到对应的刻度即可。

该装置使用时至少需要图2所示的两个装置单体配合使用，当锚杆长度过长，挠度过大，锚杆体碰触地面时，建议增加装置单体配合使用，以保证安装效果及其准确性。

4 装置的使用方法

该装置结构简单，使用方便，随学随用。装置为可调式，可以满足不同直径钢筋锚杆对中支架的辅助安装。装置在使用前需根据锚杆直径的大小进行调节，保证锚杆体位于装置外轮廓支撑的形心处。调节方法：分别转动装置两个支撑杆，使支撑杆与装置外轮廓支撑连接处的数值与锚杆体钢筋直径相同，然后开始使用即可。

装置在使用时需成套使用，每次需要至少2个以上装置单体配合使用，使用时要求2个装置单体置于锚杆体2段4等分 点处且任意2个装置单体之间的距离不宜大于5 m。

装置使用步骤如下：

第一步：根据锚杆体直径调节装置两个支撑杆至对应刻度即可开始使用，同一直径锚杆只需调节1次。第二步：打开所有装置的锁紧螺栓，旋转装置将锚杆体钢筋置于任意1个支撑杆卡槽内。第三步：关闭所有装置的锁紧螺栓。第四步：拧紧所有装置的旋紧装置，保证锚杆体在装置转动时不会转动。第五步：在锚杆体的正上方进行锚杆体在该方位的所有对中支架的焊接安装。第六步：完成焊接安装后，旋转装置外轮廓支撑，使装置相邻任一边置于地面，如图3所示。第七步：重复第五步和第六步，至锚杆3个方位的对中支架均安装完成为止。第八步：打开所有装置的锁紧螺栓，取出安装完成的锚杆。

该装置对使用场地具有一定的要求。要求场地具有一定的平整度，一般不宜在起伏较大的场地使用，否则会造成对中支架安装角度误差较大。建议装置在硬化过或相对平整坚硬的场地使用[3]。为方便装置使用，对装置的使用地空间也有一定要求，一般要求场地宽度不宜小于3.5倍的外轮廓支撑长度(见图2)，场地长度不宜小于锚杆长度。

5 工程应用

宁夏某煤矿工业场地高边坡处理项目，项目设计有钢筋锚杆，锚杆长度6 m～12 m，锚杆杆体由φ22的HRB400钢筋制作而成，对中支架由HPB300的φ8圆钢加工而成，围绕锚杆体呈120°焊接安装，对中支架间距2 m。

项目施工初期，在锚杆体质量验收的检验批验收中，多次出现由于锚杆对中支架的安装角度不符合设计要求而返工的事件。经过现场调研，发现施工人员安装锚杆对中支架的效率极低，9 m锚杆仅达7根/(人·h)，此外，对中支架安装合格率也很低，仅有50%。

为解决此问题，项目决定推广使用锚杆对中支架安装辅助装置，使用后取得如下效果：1)锚杆对中支架安装效率由使用前7根/(人·h)(9 m锚杆)，提高到了11根/(人·h)(9 m锚杆)，生产效率提高了57%。2)装置使用后再未发生由于对中支架安装不合格而产生的返工事件，锚杆对中支架安装合格率由原来的50%提高到了100%，合格率提高了50%。

本装置的使用解决了项目中存在的实际问题，为项目的顺利推进奠定了基础。

6 结语

锚杆对中支架虽然为小型配件，但却是影响锚杆质量的主要构件之一，其焊接安装是否合格、有效是锚杆能否充分有效发挥其作用的关键。本装置为保证锚杆对中支架安装质量而设计,具有以下特点：

1)装置外轮廓支撑设计为等边三角形，其利用了等边三角形任意两顶点与其形心点连线的夹角为120°的几何特点及三角形构件具有稳定性的特点。不仅满足了锚杆对中支架绕锚杆体两两呈120°的特点，而且保证了装置使用时候的稳定性。2)装置在使用过程中能否保证锚杆体置于其形心，且锚杆体是否不随装置的转动而转动是关键。故装置用2个支撑杆和1个锁紧装置来达到目的，首先，通过2个支撑杆来实现定位，保证锚杆体置于装置形心。其次，通过锁紧装置保证锚杆不会随装置的转动而转动。3)通过将装置两个支撑杆设计为可调节式，使得装置具有了普遍适用性，适用于φ20，φ22，φ25，φ28，φ32钢筋锚杆对中支架的辅助安装，几乎覆盖于所有常用钢筋锚杆。4)装置构造简单，易于加工，对材质要求不高，只要掌握其原理，即可在项目现场自行加工使用。5)装置操作简单，易于使用，对使用人员素质要求不高，便于推广。6)装置着眼小处，源于生产，为解决工程实际问题而发明。能够辅助快速、准确安装锚杆对中支架。不仅大幅提高了安装合格率，减少了返工，而且提高了工作效率，节约了工程成本。