倾斜式分段劈裂控制注浆预应力钢花管框格梁及施工方法与流程

本发明涉及一种倾斜式分段劈裂控制注浆预应力钢花管框格梁及其施工方法，适用于公路及市政边坡加固工程中。

背景技术：

锚杆框架中锚杆为螺纹钢筋，作为传统的被动加固技术，其抗滑能力有限，多用于浅层坡面防护；锚索框架为主动加固手段，其自身不具备抗剪能力，虽对深层滑动加固较为有效，但对于变形中的滑坡不适用；注浆技术应用广泛，但控制劈裂注浆应用于滑坡较少。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种倾斜式分段劈裂控制注浆预应力钢花管框格梁及其施工方法，以解决传统的锚杆格梁存在的抗滑能力有限及不能实现主动加固的问题。

本发明的技术方案是：一种倾斜式分段劈裂控制注浆预应力钢花管框格梁，包括框格梁、钢花管与张拉机构，该框格梁由钢筋混凝土浇筑的并紧贴坡面的横梁与竖肋组成；该钢花管由张拉段、自由段和锚固段组成，张拉段为预应力施加设备作用段，位于该钢花管的顶部；在该张拉段的下面为自由段，该自由段利用弹性伸长将拉力传递给其下面的锚固段的管体部分；在该锚固段的管壁上设有二次注浆孔，通过锚固段周围的注浆体将拉力传递到周围岩土层，其特征在于，在该张拉段设有用于对该钢花管施加并锁定预应力的张拉机构；在所述的钢花管周围进行分段劈裂控制注浆，浆液向周围岩土体扩散，使钢花管与周围岩土体形成混合注浆体；通过在钢花管上施加附加预应力，对坡体进行主动加固，最终形成控制劈裂注浆与预应力加固的组合结构。

所述的张拉机构为设在该钢花管顶部的外螺纹和与其配合的螺母，用于施加预应力。

在所述的自由段的管外壁涂有防腐材料，并在该自由段外装有用于防止浆液进入自由段的套管，保证预应力顺利施加与自由段的防腐功能，延长钢花管的使用寿命。

在所述的钢花管上装有多个沿轴向间隔分布的对中环，用于将该钢花管定位在钻孔的轴心。

所述的二次注浆孔呈螺旋分布。

一种所述的倾斜式分段劈裂控制注浆预应力钢花管框格梁的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)钢花管及附件的加工和组装：将按要求加工制成所述的钢花管，并将套管、对中环、一次注浆管与钢花管组装在一起；

(2)钻孔：用钻机钻出直径大于钢花管的钻孔，将组织的钢花管及其附件置入钻孔内，并在钢花管顶部预留张拉段，使该张拉段露出张拉台不少于1.0m；

(3)一次注浆：通过一次注浆管向钻孔内壁与钢花管外壁之间的空间注入浆液，形成一次注浆体；

(4)二次注浆：在注浆压力作用下，浆液从钢花管的锚固段管壁上的二次注浆孔劈裂一次注浆体，向周围岩土体扩散，与一次注浆体形成复合注浆体；两次注浆时间间隔8～16小时。

(5)框格梁的施工：沿坡面浇注框格梁，并使钢花管的张拉段露出框格梁上的张拉台；

(6)预应力施加：通过扭力扳手拧紧张拉段的螺母，或通过千斤顶张拉钢花管后锁紧螺母，以此对钢花管施加预应力。

所述的钢花管的加工过程是：

(1)张拉段的制作：张拉段选用1.0m长无缝钢管，在该无缝钢管的外周面加工螺纹，并配备相应的螺母，通过对拧紧螺母施加预应力；

(2)自由段的制作：钢花管的自由段进行除锈及防腐处理后，在其外侧设置PVC材质的套管，在自由段与锚固段结合处的套管底部安装止浆塞，以防止浆液进入自由段；

(3)锚固段的制作：钢花管的锚固段管壁设有呈螺旋式分布二次注浆孔，沿钢管方向的二次注浆孔间距为12～20cm；为保证钢花管两侧保护层厚度，钢花管的锚固段外部安装对中环，对中环的间距为2～3m；

(4)对中环的制作：对中环采用硬塑材料加工制作而成，由对称的两个半环组成；在半环的内周面中部挖一矩形槽作为定位凹槽；在钢花管的外侧点焊一小段钢筋作为定位凸块，安装对中环时将定位凹槽对准定位凸块；

(5)钢花管的连接：标准钢花管长度为6.0米，可依据工程需要对钢管加长或截短；两根钢花管间采用一个连接套管和至少三根连接钢筋焊接，连接套管为与钢花管材质相同的钢材制成，长0.1m，内径略大于钢花管外径；三根钢筋沿圆周均布，螺纹钢筋长0.1-0.3m，与两根钢花管的搭接长度均为0.05-0.15m；

(6)二次注浆孔的封孔方法：用胶枪将玻璃胶打入二次注浆孔内，在玻璃胶凝固后要检查二次注浆孔的密封情况，并对孔洞进行补胶密封。

所述的钢花管的预应力施加的工艺过程是：

(1)11t以下预应力施加：采用SGSX-2000型扭力扳手拧紧螺母，在拧紧过程中，通过建立扭矩输出值与预应力大小之间的线性关系，控制锁定预应力值；

(2)11t以上预应力施加：当预应力施加达11t以上时，所需施加扭矩过大，只通过手动扭力扳手较难实现，为实现较大预应力的施加，在螺母和钢垫板间增设千斤顶，并通过千斤顶施加预应力，预应力值按设计荷载确定，当用千斤顶拉拔至设计预应力荷载时，通过扭矩扳手拧紧配备的螺母进行预应力锁定。

本发明结合了预应力钢花管框格梁与劈裂控制注浆技术的优点，钢花管自身除了作为防护措施外，也是二次注浆的通道，通过二次注浆对周边岩土体强度的改善，使钢管与周边岩土体形成整体，共同抵御滑坡；另一方面，通过施加预应力，限制了围岩变形发展，调整了岩体的应力状态，提高边坡稳定性。具有技术先进、经济合理、施工快速等优势，是一种具有发展前途的新型边坡加固技术。

附图说明：

图1是本发明的倾斜式分段劈裂控制注浆预应力钢花管框格梁的总体结构示意图；

图2是图1的N向视图(框格梁的结构图)；

图3是图1的A-A剖面图；

图4是图1的B-B剖视图；

图5是图1的C-C剖视图；

图6是图1的D-D剖视图；

图7是图6的E-E剖视图；

图8是本发明施工方法的总工艺流程图；

图9是本发明的钢花管自由段的加工工艺流程图；

图10是本发明的钢花管锚固段的加工工艺流程图；

图11是本发明11t以上预应力施加装置结构示意图。

附图标记说明：

1、框格梁；2、张拉台；3、钢花管(Φ50×4.5mm)；4、(自由段)套管；5、止浆塞；6、一次注浆管；7、对中环；8、二次注浆孔；9、锚头；10、钢垫板；11、螺母(M48)；12、混凝土封锚头；13、横梁；14、竖肋；15、连接钢筋；16、定位凸块；17、定位凹槽；18、固定孔；19、连接套管；20、千斤顶施加应力螺母(与螺母11相同)；21、千斤顶；22、钢支架。

具体实施方式

参见图1～图10，本发明一种倾斜式分段劈裂控制注浆预应力钢花管框格梁，由框格梁1、张拉台2、钢花管3、自由段套管4、止浆塞5、一次注浆管6、对中环7、二次注浆孔8、锚头9、钢垫板10、螺母11、混凝土封锚头12、连接钢筋15、连接套管19等组成，分别说明如下。

(1)框格梁1：

框格梁1由网格状的由钢筋混凝土浇筑而成的横梁13和竖肋14构成，固定于坡面，主要起表层固坡及将滑坡推力传递至深层锚固体的作用。为了补偿热胀冷缩，可在横梁13上每间隔一段距离设置(间隔)2-20mm宽的伸缩缝131。

(2)张拉台2：

设置于框格梁表面，主要作用为在对钢花管施加预应力时作为反力装置。同时，为保证预应力能均匀的分布在钢花管体中，须保证钢花管与张拉台保持垂直状态，为此，张拉台楔形体的厚度应根据钢花管与坡体所成角度不同进行调整。

(3)钢花管3：

钢花管是主要受力构件，依靠自身抗拉强度抵御滑坡推力。一般采用6m长、Φ50×4.5mm无缝钢管，工程中可依据需要加长或截短。预应力注浆钢花管应在钢花管外端进行车丝加工，车丝范围应根据框格梁及张拉台厚度进行调整，一般情况下以丝扣露出张拉台至少15cm为宜。

(4)连接钢筋15：

为两段钢花管间的连接构件之一，将三根钢筋沿圆周均布，螺纹钢筋长0.1-0.3m，与两根钢花管的搭接长度均为0.05-0.15m。

(5)连接套管19：

为两段钢花管间的连接构件之一，由与钢花管材质相同的钢材制成，长0.1m，内径略大于钢花管外径，每根钢花管一端焊接一个连接套管(锚固段最后一根钢花管可不焊接)，连接套管与钢花管的搭接长度为0.5m，连接套管的使用可有效防治注浆体进入钢花管内；

(6)自由段套管4：

预应力钢花管的保护外套。直径Φ90mm，采用硬质pvc管制成，使用时，根据自由段长度调整自由段套管长度，其功能为防止注浆体包裹自由段钢花管，以充分发挥自由段功能，并提供防腐保护。

(7)止浆塞5：

设置在自由套管与锚固段交界处，主要作用为防止注浆体进入钢花管自由段。

(8)一次注浆管6：

制作钢花管时，将一次注浆管(22mmPVC管)绑定在钢花管的外侧，一次注浆管深入孔底，注浆时由孔底向上返浆，直至锚管孔内充满浆液，且孔口冒浆为纯水泥浆为止。

(9)对中环7：

对中环套箍在钢花管上，保证下管过程钢花管与锚管孔的孔壁间一定的保护层厚度，确保钢花管周围由注浆体包裹，提高钢花管的防腐性能及抗拉承载力。

(10)二次注浆孔8：

二次注浆眼呈螺旋式布置，同一截面上只有一个眼，注浆眼沿轴线间距为15cm，孔眼直径为Φ6mm～8mm，沿钢管轴线间距8cm、径向旋转45°钻Φ8mm的孔眼，注浆孔沿钢管四周呈螺旋式布置采用玻璃胶封闭注浆眼，并用胶带纸缠绕玻璃胶封闭后的孔眼3至5圈，同时注意胶带纸的平顺。

(11)锚头9：

通过手工焊接方式与钢花管相连，主要作用为利于钢花管顺利到达锚管孔的底部。需要注意的是，在锚头制作过程中应保证锚头的绝对密封，不得使注浆体由锚头进入钢花管管体中。

(12)钢垫板10：

为保证钢花管与框格梁连接紧密，在钢花管的管口安装厚20×20×2cm钢垫板。

(13)螺母11：

主要作用可分为两方面，一方面为施加预应力的主要装置，另一方面亦可作为预应力锁定装置。螺母尺寸为4.8级M48螺母，长度为50mm。

(14)混凝土封锚头12：

张拉锁定完成后，若短时间内预应力无明显损失可进行封锚，封锚采用混凝土进行。

本发明倾斜式分段劈裂控制注浆预应力钢花管框格梁的实施过程：

1)钢花管3的加工：

钢花管3采用Φ50×4.5mm的无缝钢管，标准长为6m。钢花管加工分为张拉段及自由段加工、锚固段加工，加工流程如下(参见图8～图10)：

(1)钢管连接：

标准钢花管3的长度为6m，可依据工程需要对钢管加长或截短。

采用普通切割机对钢花管3进行切割。钢花管3的连接采用3根φ16螺纹钢筋15以及长10cm的连接套管19焊接，连接套管19与两根钢管的搭接长度为5cm，3根钢筋15在横断面上呈等边三角形布置。螺纹钢筋15长20cm，与两根钢管的搭接长度均为5cm。

(2)对中环7的制作：

对中环7采用硬塑材料加工制作而成，由对称的两个半环组成。半环厚30mm，在半环中部挖一矩形槽17，槽高10mm，宽约39mm，设置矩形槽17的目的是为了避免对中环7在下管过程中上下移动，具体做法为在钢管外侧设置对中环7处点焊一小段钢筋16，安装对中环7时将矩形槽17对准小段钢筋16，在钢筋16约束作用下对中环7将难以沿钢管上下移动。安装过程中，将对中环7的两个半环分别套在钢管3上，用铁丝穿过半环上的固定孔18将两个半环紧紧箍在钢管3上(见图7)。两个半环一侧完全贴紧，另一侧则形成缺口。一次注浆管可沿钢管方向放置在缺口中并与钢管绑紧固定，避免下管过程对一次注浆管的损坏。

(3)止浆塞5的制作方法：

为保证注浆过程中自由段无水泥浆进入，需在锚固段与自由段交界处放置具有止浆作用的止浆塞5。试验过程中为方便试验器材的安放，采用土工布填充PVC自由段套管与钢花管之间缝隙，在此过程中需保证土工布的密实，再用特制胶带纸密封，以起到止浆作用。

(4)二次注浆孔8的封孔方法：

一次注浆为钢花管3外注浆，此时二次注浆孔8要确保密封，避免一次注浆的浆液流入钢花管3内；二次注浆为钢管内注浆，此时要保证浆液能冲破密封孔，才能实现二次劈裂注浆。

玻璃胶封孔在实践中被证明是一种可靠、简易的封孔方式，用胶枪将玻璃胶打入二次注浆孔，玻璃胶凝固后可起到密封二次注浆孔的目的，下管过程玻璃胶也不易损坏；同时玻璃胶强度较低，二次注浆时极易被冲破。玻璃胶封孔需注意：玻璃胶凝固后体积会收缩，易在二次注浆孔中形成孔洞影响密封。在玻璃胶凝固后要检查二次注浆孔的密封情况，并对孔洞进行补胶密封。

2)注浆过程：

(1)一次注浆：

一次注浆为钢花管3外注浆，目的是在围岩与钢花管3之间形成作用水泥柱，在二次注浆下水泥柱将被劈裂，裂缝将成为浆液从管内向坡体喷射的“通道”。一次注浆管6采用Φ22mm PVC管。为保证浆液充满围岩与钢花管3之间的空隙，注浆管3深入孔底，浆液通过一次注浆管6从孔底自下而上反向压浆，将管底残留的碎渣及漏浆压出孔口，且持续到孔口溢出净水泥浆。为防止下管安装时管口被残渣堵塞，在一次注浆管3的末端30cm范围内布置2排梅花形孔眼，孔径5-6mm。

一次注浆结束后，如果发现孔口浆液回缩，在现场要及时补浆。

(2)二次注浆：

二次注浆在钢花管3内进行，浆液通过高压(一般在1～5MPa)将预留的二次注浆孔冲开并劈裂一次注浆体，向四周扩散、渗透，加固围岩体，提高其强度。其有两个标志性注浆控制压力，一是：注浆体瞬间劈裂压力，即将二次注浆孔冲开并劈裂一次注浆体的压力，其与一次注浆的强度有关，又与一、二次注浆间隔时间长短有关。一般浆体劈裂压力为1～5Mpa。二是岩体挤裂压力，一次注浆体被劈裂后，浆液在注浆压力驱动下将沿岩体中“通道”(主要为节理裂隙)向四周扩散。当锚管孔周边“通道”被浆液填充完成后，在注浆压力作用下，岩土体内浆体压力持续上升，直至岩体中封闭的节理裂缝被挤破产生新的“通道”，此时注浆压力即为岩体挤裂压力。

(3)注浆结束依据：

在施工中，要注意：一是在瞬间劈裂压力作用下，围岩与钢花管3之间不能跑浆。二是持续注浆压力，即在二次劈裂后浆液向四周扩散的持续压力，根据孔周围岩土体的强度和结构不同，会出现三种情况。第一种情况：在出现浆体瞬间劈裂压力后，持续注浆压力明显小于劈裂压力，而且持续注浆压力不会增加，即不会出现岩体挤裂压力，注浆量不断增加，此时按设计注浆量三倍控制注浆量。第二种情况：在出现浆体瞬间劈裂压力后，持续注浆压力虽然明显小于劈裂压力，但持续压力不断增加，会出现岩体挤裂压力，而注浆量不断减小，此情况对其注浆量进行双控，按满足总注浆量不大于设计注浆量的3倍和出现二次岩体挤裂压力后注浆效果不明显(每分钟注浆量不超过0.2～0.5L)时，两者其中之一即可停止注浆。第三种情况：在出现浆体瞬间劈裂注浆压力后持续注浆压力没有明显的减小，或注浆压力一直增加没有形成岩体挤裂压力，注浆效果不明显，按注浆压力不超过注浆机与注浆管的容许压力(5MPa)进行控制。

另外，实验中如果出现坡面漏浆现象，立即停止注浆。

之后，将提前加工好的张拉段焊接在钢花管3顶端，按照常规工艺浇注框格梁1与张拉台2：沿坡面浇注混凝土框格梁1，并使钢花管3顶部露出张拉台2至少25cm。

3)张拉封锚(施加预应力)：

为减少钢花管3锁定损失，采用以下张拉方法：预加10％的拉力值→缓慢加至设计拉力值的110％→停留十分钟→缓慢卸载至拉力设计值→锁定预应力→缓慢卸载完成。

张拉过程中应随时监测预应力损失情况，24h后当预应力损失超过10％时，可进行补偿张拉。

钢花管3的预应力施加方法是：

(1)11t以下预应力施加：采用SGSX-2000型扭力扳手直接拧紧图1中的螺母11，在拧紧过程中，通过建立扭矩输出值与预应力大小之间的线性关系，控制锁定预应力值。

(2)11t以上预应力施加(参见图11)：当预应力施加达11t以上时，所需施加扭矩过大，只通过手动扭力扳手较难实现，为实现较大预应力的施加，在螺母11和钢垫板10间增设千斤顶21(在钢垫板10上设置n形的钢支架22，其顶部设有圆孔并套在钢花管3顶部的张拉段上，在钢支架22上设置千斤顶21，在千斤顶21上面的张拉段上安装千斤顶施加应力螺母20)，通过千斤顶21施加预应力，预应力值按设计荷载确定，当用千斤顶21拉拔至设计预应力荷载时，通过扭矩扳手拧紧配备的螺母11进行预应力锁定。

防治适宜性评价：

倾斜式分段劈裂控制注浆预应力钢花管框格梁，依据地形和滑面部位、形态，可分散设置在边坡上。根据滑体厚度、滑坡推力大小可参考按表1进行结构组合选择应用。

在设计时要根据滑体厚度和滑坡推力的大小，所需钢花管的排数及锚索数量。根据岩土条件的适宜性，可分情况考虑钢花管注浆范围内滑面强度的提高，计算滑坡推力。

表1预应力注浆钢锚管框架防治滑坡的适宜性