震損地區(qū)地下洞室塌腔區(qū)施工關(guān)鍵技術(shù)與安全控制

林 曉 旭，夏 維 學(xué)

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

牛欄江紅石巖堰塞湖整治工程項目為2014年8月3日原紅石巖電站震毀后原址重建項目，項目位于地震中心，工程由堰塞體(大壩)、電站進水口、發(fā)電建筑物、泄洪建筑物組成；泄洪沖沙放空洞由新建段、原電站引水隧洞以及原堰塞湖泄流洞段改造組成。

地震塌腔處位于新建的7號施工支洞、泄洪沖沙放空洞、原紅石巖電站引水隧洞的交匯處，地震塌腔呈穹形不規(guī)則形狀，最長處約66 m，最寬處約48 m，高30 m，靠山體側(cè)堆積大量的塌落大塊石，塊石體積約為20 ～50 m3，堆積的平均高度約為25 m(最高處約32 m)，塌腔區(qū)范圍存在大量堆渣體，方量約為3萬m3。

塌腔部位地層為二疊系下統(tǒng)棲霞茅口組灰?guī)r和二疊系中統(tǒng)梁山組灰色頁巖夾灰?guī)r、粉砂巖的分界段，靠原引水隧洞側(cè)分布有F4斷層。梁山組地層由薄層狀灰色頁巖夾灰?guī)r、粉砂巖組成，厚度為20～75 m，巖性極不穩(wěn)定。

該段處于地下水位以下，滲水嚴重。由于受F4斷層影響，梁山組地層在地震破壞力作用下發(fā)生搓揉擠壓構(gòu)造錯動導(dǎo)致裂隙進一步發(fā)育，巖石被進一步擠壓成碎裂塊狀，引起梁山組地層沿地層分界線坍塌，且因堰塞湖搶險泄流通道經(jīng)過該部位，在長期水流侵蝕沖刷作用下碎裂小塊、泥巖等不斷被水流帶走流失，大塊巖塊在流水侵蝕軟化后崩解而造成塌腔反復(fù)坍塌，逐步形成該塌腔區(qū)域，現(xiàn)梁山組地層全部垮塌。塌腔壁頂拱為棲霞茅口組厚層至巨厚層灰?guī)r，穩(wěn)定性一般，由于裂隙發(fā)育和F4斷層影響，塌腔壁分布著松動巖體、倒懸體、鑲嵌塊體等危巖體等，在余震及施工震動的情況下時有掉塊發(fā)生，施工初期在余震的作用下最大掉塊直徑約為3 m，小型掉塊時有發(fā)生。

根據(jù)工程設(shè)計要求并結(jié)合《水工建筑物地下工程開挖施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T5099-2011)[1]的相關(guān)規(guī)定，該塌腔不得進行回填處理，必須進行塌腔壁支護處理。經(jīng)分析后確定施工采用分區(qū)分塊、搭設(shè)排架、腔壁排險、初期噴護、錨桿支護與掛網(wǎng)噴護等方式。

2 施工存在的主要問題

(1) 環(huán)境安全問題。一是施工期間余震產(chǎn)生的安全風險；二是因圍巖穩(wěn)定性較差，施工期間掉塊現(xiàn)象時有發(fā)生。

(2)施工安全問題。穹頂處理、高排架搭設(shè)等高空作業(yè)；堆渣體處理，洞內(nèi)機械作業(yè)，洞內(nèi)施工安全用電等施工安全風險突出。

(3)高空墜落坍塌安全問題。施工期塌腔區(qū)穹頂最高達32 m。施工腳手架屬高排架，高排架施工墜落安全風險突出，施工高排架的坍塌風險隱患大。

3 采取的施工措施

鑒于施工期塌腔區(qū)穹頂?shù)膰鷰r安全問題是施工中的關(guān)鍵，因此，如何對塌腔區(qū)穹頂圍巖進行全面系統(tǒng)的監(jiān)測是確保該工程安全施工的前提。為保證施工安全和施工質(zhì)量，采用由項目部研發(fā)的三維激光掃描和全自動測量機器人進行整體變形判斷和局部變形測量，支護施工采取先安全區(qū)、后危險區(qū)的分區(qū)分塊施工、“蠶食化”排危支護方式進行施工。

3.1 加強圍巖安全監(jiān)測

3.1.1 塌腔區(qū)圍巖評價

為探明圍巖變形情況，采用“基于遠程無接觸技術(shù)”對塌腔區(qū)圍巖進行安全監(jiān)測。主要利用三維激光掃描技術(shù)的高精度、無接觸等特點遠程獲取巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)，結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)試驗對施工區(qū)頂部巖體三維變形進行評價，通過收集現(xiàn)場崩塌巖樣進行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗獲取巖體飽和抗壓強度；利用三維激光掃描技術(shù)獲取崩塌區(qū)巖體的產(chǎn)狀參數(shù)，對主要結(jié)構(gòu)面進行分類統(tǒng)計并對巖體完整性進行分析；根據(jù)《工程巖體分級標準》 (GB/T50218-2014)[2]對崩塌區(qū)頂部巖體進行質(zhì)量評價，并對施工區(qū)進行危險性分區(qū)。

3.1.2 塌腔區(qū)危巖體分區(qū)

根據(jù)三維激光掃描結(jié)果，結(jié)合塌腔壁圍巖的地質(zhì)發(fā)育及斷層影響分布，對塌腔壁按照危險程度進行分區(qū)：WⅠ區(qū)巖體完整性較好，塊度較大，節(jié)理不發(fā)育，但局部發(fā)育裂隙，巖面潮濕，存在滴水現(xiàn)象，穩(wěn)定性一般；WⅡ區(qū)巖體破碎，節(jié)理發(fā)育，層理明顯，巖面潮濕，穩(wěn)定性較差，屬于斷層影響帶；將穹頂區(qū)域劃分為WⅡ區(qū)，邊墻部位劃分WⅡ-1(圖1)。

圖1 塌腔區(qū)分區(qū)圖

3.1.3 三維整體與局部變形監(jiān)測分析

(1)三維整體變形監(jiān)測。采用瑞格ⅤZ-2000i三維激光掃描儀，通過三維分析研究塌腔區(qū)的變形過程與規(guī)律。監(jiān)測點沿崩塌區(qū)域外側(cè)共布置監(jiān)測點6站，監(jiān)測周期約10 d一次；通過獲取三維激光點云數(shù)據(jù)形成崩塌區(qū)三維模型示意圖，利用K聚類模糊法對崩塌區(qū)巖體表面結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進行分析，根據(jù)取得的結(jié)果判明巖體的主要破壞模式為平面破壞?；趲r體結(jié)構(gòu)面識別對崩塌區(qū)落石進行巖石運動光學(xué)分析，判斷其破壞模式，對整體塌腔的穩(wěn)定性做出判斷(圖2)。

(2)局部變形監(jiān)測。采用徠卡TM50全自動測量機器人自動對塌腔區(qū)進行單點式局部監(jiān)測，測站點設(shè)置在在7號施工支洞進口安全處，控制點設(shè)置在7號施工支洞內(nèi)，監(jiān)測點1個，設(shè)置在穹頂處；監(jiān)測周期為1 d1次，監(jiān)測周期內(nèi)每站3個測回，完成5站，對所監(jiān)測的5個周期的水平和垂直方向累計得知的位移數(shù)據(jù)進行變形分析，根據(jù)對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行分析得知，所有測點的水平位移與垂直位移均小于1 mm?？紤]到儀器誤差與設(shè)站誤差后，可以初步判斷測點附近圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 崩塌區(qū)三維變形圖

(3)監(jiān)測成果分析。根據(jù)對逐次監(jiān)測結(jié)果進行分析可知：短期內(nèi)圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，短期出現(xiàn)整體崩塌的風險較低；但受結(jié)構(gòu)組合切割和地下水作用，局部掉塊或小型崩塌仍有可能發(fā)生。根據(jù)累計分析結(jié)果可知：局部掉塊主要集中在破碎帶，其主要原因是由于地震導(dǎo)致的巖體裂隙擴展以及地下水對F4斷層內(nèi)部巖體的侵蝕作用。因此，施工期間應(yīng)重點關(guān)注破碎帶巖體的裂縫開展過程以及滲水情況。

3.1.4 施工區(qū)現(xiàn)場安全監(jiān)測預(yù)警

利用三維激光掃描儀快速、精確的特點獲取不同時間節(jié)點崩塌區(qū)的三維空間數(shù)據(jù)，并將多期數(shù)據(jù)進行三維比對，精確把握一定時間段內(nèi)崩塌區(qū)頂部巖體的變形過程，分析其短、中期的變形趨勢及規(guī)律。為保證安全施工進行了監(jiān)測預(yù)警，其具體步驟為：

(1)在現(xiàn)場設(shè)置4～6個半永久激光靶標，以保證多期掃描數(shù)據(jù)之間能精確匹配；

(2)每隔一定時間對崩塌區(qū)頂部巖體進行三維激光掃描，以保證每次掃描數(shù)據(jù)能完整反映出整個崩塌區(qū)頂部；

(3)基于改進的ICP算法，對崩塌區(qū)頂部巖體的變形過程進行逐次分析與累計分析，判斷巖體是否達到預(yù)警臨界閾值，總結(jié)歸納其變形趨勢與規(guī)律，以保證施工安全進行。

3.2 施工程序

根據(jù)安全監(jiān)測結(jié)果確定的塌腔區(qū)危巖體分區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況對地震塌腔區(qū)域支護施工分四個施工區(qū)進行施工。塌腔壁的支護施工必須保證泄洪沖沙放空洞的施工通道，在施工支護排架設(shè)計時同時考慮預(yù)留通道設(shè)置。施工采取先進行已露塌腔壁的支護施工，支護完成后再進行堆渣體覆蓋范圍的塌腔壁支護施工。已露塌腔壁的支護首先進行較為穩(wěn)定的WⅠ區(qū)域的支護施工。由于WⅠ區(qū)域被WⅡ分割為兩塊，即WⅠ-1、WⅠ-2。WⅡ區(qū)域又分為已出露區(qū)WⅡ和渣體覆蓋區(qū)WⅡ-1，為保障施工安全，施工支護順序按照“WⅠ-1→WⅠ-2→WⅡ→WⅡ-1(邊墻)進行。每個區(qū)域根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行分塊施工，每塊長度原則上控制在10～15 m，每塊按照從上至下的順序進行支護。WⅡ-1支護施工在WⅠ、WⅡ支護驗收后進行。由于該部位為堆渣體覆蓋，泄洪沖沙放空洞軸線通過該部位，故堆渣體需全部清理。為此，該部位采用邊開挖邊隨層支護的方式進行，堆渣體的清理原則上控制在清理層3 m以內(nèi)，每層支護完成后，方準許進行下一層的堆渣體清理施工。

3.3 支護參數(shù)的確定

WⅠ區(qū)域采用Ф25錨桿@2 m×2 m，L=4.5 m、噴C20混凝土，厚20 cm、掛網(wǎng)鋼筋Ф6.5@20 cm×20 cm(單層)。WⅡ區(qū)域采用Ф32預(yù)應(yīng)力錨桿(非機械脹殼式)@1.5 m×1.5 m，F(xiàn)=125 kN，L=9 m、噴C20混凝土，厚20 cm、掛網(wǎng)鋼筋Ф6.5@20 cm×20 cm(雙層)。該支護參數(shù)在施工過程中需根據(jù)現(xiàn)場實際情況會同四方可做適當調(diào)整。

3.4 主要施工方法

(1)“蠶食法”排危支護。為保證施工安全，采用“蠶食法”施工理念，待清理支護完一片后進行下一片的清理支護施工。錨噴支護施工前，將整個圍巖面松動的石塊清除干凈，排除危險源?？紤]到施工安全問題，低矮處排危采用機械進行，逐片進行清理，嚴禁人工掏掘。浮石、石渣清除完成后，采用高壓風槍將腔壁浮渣清理干凈；對機械設(shè)備不能進行的高處采用人工用撬桿清理，清理時嚴禁正向清理。排危工作完成并經(jīng)現(xiàn)場安全員、質(zhì)檢員聯(lián)合檢查完成并報監(jiān)理工程師驗收完成后方可進行下一工序施工。

(2)高排架的搭設(shè)。對排危清理驗收后的分區(qū)塊進行施工腳手架的搭設(shè)。腳手架的搭設(shè)必須進行專題設(shè)計計算，經(jīng)技術(shù)負責人簽字審批后執(zhí)行。腳手架的搭設(shè)必須按照設(shè)計的要求進行搭設(shè)，采用Φ48鋼管，管壁厚3.5 mm。腳手架的搭設(shè)必須滿足規(guī)范《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2019)[3]要求。腳手架必須與巖壁鏈接，新搭設(shè)的腳手架必須與已支護完畢的腳手架連成片。

(3)初噴混凝土施工。松動石塊及圍巖面清理完成后，為避免圍巖外露時間過長出現(xiàn)風化，同時，為提高圍巖的整體穩(wěn)定性，首先對清理完成的圍巖面進行噴混凝土(厚度5 cm)封閉。噴混凝土施工前，對滲水部位采取埋設(shè)排水軟管的方式將滲水引至下方，待噴混凝土完成后，施工排水孔。

(4)錨桿施工。依據(jù)《水電水利工程錨噴支護施工規(guī)范》(DL/T5181-2017)[4]，初噴混凝土達到終凝后進行錨桿施工。錨桿分為普通砂漿錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿兩種，普通砂漿錨桿主要布置在WⅠ-1、WⅠ-2等圍巖穩(wěn)定性相對較好的部位，預(yù)應(yīng)力錨桿主要布置在WⅡ等圍巖穩(wěn)定性較差的部位。普通錨桿采用YT-28氣腿鉆造孔，預(yù)應(yīng)力錨桿采用100B型潛孔鉆造孔，鉆孔孔徑為75 mm。錨桿采用先安插錨桿、后注漿的施工方法。

預(yù)應(yīng)力錨桿施工參照《水電水利工程預(yù)應(yīng)力錨固施工規(guī)范》(DL/T 5083-2019)[5]，張拉設(shè)備采用T-2000型扭力扳手。錨桿張拉前，對扭力扳手進行率定。施工中扭力扳手易損壞，故要求每周率定一次。張拉前將鋼墊板套入錨桿，調(diào)整墊板與錨桿垂直后緊鎖螺帽。錨桿正式張拉前，取20%的設(shè)計張拉荷載，對其預(yù)張拉1～2次，使其各部位接觸緊密。

張拉力施加值的順序依次為：第一次張拉力為設(shè)計值的25%，持荷5 min后進行第二次張拉，張拉力為設(shè)計值的50%，持荷5 min后進行第三次張拉，張拉力為設(shè)計值的75%，持荷5 min后進行第四次張拉，張拉力為設(shè)計值的115%，最后一級張拉力達到設(shè)計值后穩(wěn)壓20 min結(jié)束張拉并鎖定。每張拉一次均應(yīng)量測錨桿桿體的伸長值并作好原始記錄。錨桿鎖定后48 h內(nèi)，若發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失大于錨桿拉力設(shè)計值的10%時應(yīng)進行補償張拉。張拉結(jié)束后，開始對錨桿自由段進行回填灌漿施工，灌漿采用純水泥漿(M40)，灌漿泵注漿。只有在確認進漿管及回漿管暢通后方能進行孔內(nèi)自由段注漿，自由段注漿應(yīng)注滿，當回漿管有漿液溢出時方可結(jié)束自由段注漿。漿體凝固期(72 h)內(nèi)不得敲擊、碰撞。

(5)掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土。根據(jù)被支護圍巖面上的實際起伏形狀進行鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)。鋼筋網(wǎng)與系統(tǒng)錨桿或錨釘頭連接牢固并盡可能多點連接，以減少噴混凝土時鋼筋網(wǎng)發(fā)生振動現(xiàn)象。錨釘?shù)腻^固深度不小于20 cm并確保連接牢固、安全、可靠。對于掛雙層鋼筋網(wǎng)的部位，第一層鋼筋網(wǎng)施工按照上述施工方法進行。第二層鋼筋網(wǎng)需要在第一層鋼筋網(wǎng)噴混凝土覆蓋(覆蓋厚度5 cm)完成后進行，鋼筋網(wǎng)與系統(tǒng)錨桿或錨釘頭連接牢固。第二層鋼筋網(wǎng)完成后，進行噴混凝土施工至設(shè)計厚度。

(6)設(shè)置隨機排水孔。該部位原設(shè)計施工圖中未考慮排水孔。實際施工中，部分地方出現(xiàn)滲水，個別地方甚至很嚴重，故在實際施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況對滲水地方增設(shè)了排水孔。

4 質(zhì)量與安全控制

(1)質(zhì)量控制。主要從控制進場施工原材料、細化施工專項方案交底、嚴管施工工藝過程、及時進行質(zhì)量驗收、操作人員培訓(xùn)持證上崗等方面加強管控。

(2)安全控制。除圍巖安全監(jiān)測外，還采取了諸如加強安全防護用品管理，加強安全教育培訓(xùn)及特種設(shè)備作業(yè)人員持證上崗管理，嚴格控制洞內(nèi)低壓照明、洞內(nèi)通風，加強腳手架等高處作業(yè)現(xiàn)場的巡查力度，安排專職安全人員巡視等措施對現(xiàn)場施工安全進行全方位的管控，以確?，F(xiàn)場施工安全。

5 結(jié) 語

牛欄江紅石巖堰塞湖災(zāi)后治理項目通過災(zāi)后重建在地震塌腔壁的支護施工中成功采用三維激光掃描及全自動機器人測量檢測系統(tǒng)進行塌腔壁的穩(wěn)定判斷及監(jiān)測，對掃描分析判斷的塌腔壁進行分區(qū)分塊，采取有序 “蠶食化”支護施工，在全面安全監(jiān)測體系的支持下，在嚴把施工質(zhì)量的前提下成功地將地震形成長達7 a之久且余震不斷的塌腔壁支護完成，為后續(xù)類似塌腔體的支護施工獲得了寶貴的施工經(jīng)驗。