云岡石窟第3窟后室頂板加固治理與監(jiān)測(cè)

范 瀟，閆宏彬，孟令松，黃 宇，齊彥明

(1. 云岡石窟研究院，山西大同 037007； 2. 遼寧有色地質(zhì)一〇一隊(duì)有限責(zé)任公司，遼寧撫順 113006)

0 引 言

云岡石窟位于山西省大同市城西16 km的武州山南麓，共有大小洞窟254座，主要洞窟45座。其中，第3窟又稱“靈巖寺”[1]，是開鑿規(guī)模最大的洞窟，也是一座未完工的洞窟，其窟內(nèi)地面遺跡為后代傳遞了洞窟開鑿方法和取石途徑等信息，具有極高的研究?jī)r(jià)值[2-3]?？邇?nèi)僅有的3尊造像雕刻精細(xì)，面部圓潤(rùn)豐滿，推測(cè)為初唐時(shí)期雕刻而成[4]。

由于歷經(jīng)千年的自然風(fēng)化和其自身特殊的地質(zhì)構(gòu)造，第3窟存在危巖、滲水、片狀剝離、粉狀風(fēng)化、生物擾動(dòng)等多種病害。其中，后室頂板危巖最為危險(xiǎn)，極有可能發(fā)生局部垮塌，后果不堪設(shè)想。本次治理主要采用灌漿粘接結(jié)合錨桿牽拉的方法對(duì)后室頂板進(jìn)行加固，基本解決了后室頂板的穩(wěn)定性問(wèn)題。

1 第3窟后室頂板地質(zhì)特征

1.1 地層

第3窟整體以砂巖為主，這也是其開鑿成為大型洞窟的有利條件，但是局部偶夾頁(yè)巖、粉砂巖及泥礫，易發(fā)生差異風(fēng)化，影響洞窟穩(wěn)定性。本次研究的后室頂板周圍地層自下而上可分為3層[5]：①層位于最下方，頂板殘存厚度僅0.3～0.5 m；②層位于中間，為易風(fēng)化層，厚度0.2～1.5 m不等，是影響洞窟頂板穩(wěn)定性的主要因素；③層位于最上方，巖層穩(wěn)定(表1)。

表1 后室頂板地層劃分

1.2 巖石性質(zhì)

按照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，2014年采用萬(wàn)能壓力機(jī)、電子天平和鼓風(fēng)干燥箱等設(shè)備對(duì)第3窟頂部②層3組微風(fēng)化砂巖樣品進(jìn)行物理、水理和力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為溫度22 ℃，濕度38%，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 巖石性質(zhì)測(cè)試結(jié)果

1.2.1物理性質(zhì) 測(cè)試結(jié)果顯示，砂巖天然塊體密度在2.37～2.38 g/cm3之間，對(duì)比砂巖經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)2.2～2.6 g/cm3適中[6]，巖石孔隙率為10.48%，說(shuō)明砂巖存在較多的孔隙，能為水鹽運(yùn)移提供有利通道，加速巖石風(fēng)化。

1.2.2水理性質(zhì) 巖石平均含水率為0.28%，飽和吸水率為4.02%，與經(jīng)驗(yàn)數(shù)值對(duì)比適中，但由于②層巖石中含有30%以上的伊利石、綠泥石等水敏礦物，遇水極易軟化膨脹，因此在滲水通道打通后會(huì)導(dǎo)致巖石強(qiáng)度嚴(yán)重降低。

1.2.3力學(xué)性質(zhì) 巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度為39.8～47.9 MPa，屬于較硬巖，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為9.3～15.3 MPa，軟化系數(shù)0.29，浸水后強(qiáng)度急劇下降，抗水抗風(fēng)化性和抗凍性較弱。

2 第3窟后室頂板勘察

2.1 頂板危巖裂隙分布狀況

勘查結(jié)果顯示，后室頂板存在73條主要裂隙，以SN、EW和NW-SE向?yàn)橹?，將其切割?個(gè)危巖區(qū)(圖1)，局部①層已經(jīng)掉落。由于頂板處巖性屬于中粒砂巖與粉砂質(zhì)頁(yè)巖互層，層狀裂隙發(fā)育，導(dǎo)致洞窟頂板歷史上形成大量垮塌掉塊。洞窟險(xiǎn)情記錄顯示，近幾年裂隙邊緣巖體頻繁發(fā)生小塊掉落現(xiàn)象。

圖1 后室頂板危巖裂隙分布圖Fig.1 Unstable rock and crack distribution of back room roof

危巖區(qū)1頂板①層殘存厚度230～300 mm，最薄處100 mm，裂縫最寬處120 mm，最深0.6 m。雖然該區(qū)域暫時(shí)不對(duì)游客開放，但其崩落會(huì)加速南側(cè)穩(wěn)定巖體的變形，仍需重點(diǎn)加固。

危巖區(qū)2頂板①層殘存厚度200～340 mm，裂縫最寬120 mm，最深0.8 m，表面破碎。該區(qū)位于3尊造像正上方，是游客逗留時(shí)間最長(zhǎng)的區(qū)域，危險(xiǎn)性極大，極易崩落傷害游客，對(duì)造像也存在極大威脅。

危巖區(qū)3表層薄層狀風(fēng)化，裂隙寬約0.1～0.3 m，深度約0.4 m。該區(qū)域位于棧道正上方，是游客沿線參觀必經(jīng)之路，極易發(fā)生片狀掉落砸傷游客，威脅較大。

2.2 鉆孔勘察

孔內(nèi)攝影資料(圖2)顯示，①層砂巖在頂板區(qū)域殘存厚度僅為0.3～0.5 m，其上②層巖石局部較薄，僅有0.2～0.3 m。從①層已墜落區(qū)域邊緣觀察，②層局部已風(fēng)化缺失，向內(nèi)掏空深度可達(dá)1 m多，鉆孔典型剖面見(jiàn)圖3。

圖2 孔內(nèi)攝影Fig.2 Hole photography

圖3 鉆孔剖面圖Fig.3 Borehole profile

2.3 物探

利用GPR Live Full Package手持雷達(dá)對(duì)2.2中同一剖面測(cè)量顯示，在頂板底面向上0.3～0.6 m出現(xiàn)異常(圖4)。圖像與鉆孔資料一致，印證了該軟弱裂隙帶的存在。

圖4 物探剖面圖Fig.4 Geophysical prospecting profile

3 頂板破壞形式

頂板發(fā)生破壞乃至崩塌的主要原因是②層巖石性質(zhì)特殊，其風(fēng)化速度相對(duì)較快，差異風(fēng)化形成的空腔導(dǎo)致下方①層巖石與上方巖體分離，發(fā)生墜落。

巖體破壞過(guò)程細(xì)分為5個(gè)階段(圖5)：

圖5 頂板破壞形式Fig.5 Roof collapse pattern

1) 洞窟開鑿前，山體處于原始沉積狀態(tài)，內(nèi)部幾乎沒(méi)有貫通裂隙，巖體穩(wěn)定。

2) 洞窟開鑿后，①層砂巖僅剩下不足0.5 m的厚度，下方臨空，依靠巖石自身的結(jié)合力維持穩(wěn)定，并在重力的影響下逐漸變形。

3) 由于②層自身相對(duì)滯水，山體上方裂隙的滲水在此聚焦，既增加了巖體自重，又加速了巖石風(fēng)化。長(zhǎng)期影響下，巖體開裂并產(chǎn)生變形。

4) 裂隙不斷發(fā)育，形成危巖體并局部墜落。

5) 未墜落的巖體由于邊緣處的頁(yè)巖層暴露在空氣中，風(fēng)化加速，不斷向內(nèi)掏空，形成新的危巖體，成為本次加固的主要對(duì)象。

因此，對(duì)尚未墜落的頂板危巖治理是關(guān)鍵所在。既要防止危巖體墜落，同時(shí)也要阻止頁(yè)巖層的快速風(fēng)化。

4 第3窟頂板加固治理方法

4.1 臨時(shí)支護(hù)和防護(hù)

4.1.1頂板危巖臨時(shí)支護(hù) 為了保證施工時(shí)頂板3個(gè)危巖區(qū)的穩(wěn)定性，本次工程采用臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)支撐加固措施。每個(gè)危巖區(qū)采用6～8根40a槽鋼對(duì)接形成立柱支撐，柱與柱之間利用整體腳手架每隔4 m設(shè)置φ48鋼管和構(gòu)件連接固定，最下方橫管離地300～500 mm，形成橫向支撐體系(圖6)。

圖6 框架式鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支護(hù)Fig.6 Temporary support of frame steel structure

同時(shí)為了保證支撐體系對(duì)文物的最小干預(yù)，避免對(duì)地面和窟頂遺跡造成破壞，立柱底部采用鋼墊板下放置柔性材料與地面接觸，頂部槽鋼與頂板不平處用柔性材料找平。

4.1.2臨時(shí)防護(hù) 為了防止巖塊墜落和灌漿材料滲漏對(duì)地面遺跡造成破壞，采取了逐層設(shè)置防墜網(wǎng)及地面全鋪地毯的方式進(jìn)行防護(hù)。為了防止灌漿材料和施工中產(chǎn)生的灰塵污染，將3尊造像整體采用框架式木板和鋼板防護(hù)，同時(shí)使用防水卷材全方位進(jìn)行防水防污處理。

4.2 裂隙注漿預(yù)加固

在開展?fàn)坷^桿施工前，為了進(jìn)一步保障施工安全，對(duì)頂板向上0.5 m以內(nèi)區(qū)域裂隙開展注漿預(yù)加固，步驟如下：

1) 材料試驗(yàn)。灌漿前選取一試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行灌漿試驗(yàn)以確定最佳的漿液配比及施工工藝。

2) 表面清潔。用手工工具或壓縮空氣清潔裂隙面，保證其粘接強(qiáng)度。

3) 布設(shè)注漿孔。采用沿裂隙線兩側(cè)梅花狀布設(shè)注漿孔，待成孔完成后，使用高壓風(fēng)對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行清理并埋設(shè)灌漿管。灌漿孔深度根據(jù)裂隙實(shí)際深度進(jìn)行調(diào)整，間距0.2～0.5 m。

4) 裂隙封堵。注漿孔施工前用環(huán)氧樹脂膠泥對(duì)所有外露裂隙進(jìn)行有效封堵，封堵裂隙要進(jìn)行2～3次，直至裂隙完全封閉。

5) 灌漿。根據(jù)裂隙的分布情況，通過(guò)高壓泵將漿液灌入巖石裂縫，對(duì)所有裂隙進(jìn)行充填及粘接，灌漿壓力15～40 MPa，對(duì)不適合高壓區(qū)域采用注射器進(jìn)行漿液的灌注。灌注時(shí)及灌注后設(shè)置專人觀察，存在漏漿點(diǎn)立即暫停灌注并封堵。圖7為灌漿加固后取出的巖芯，可以看到環(huán)氧樹脂將原本被密集裂隙切割形成的碎裂巖體有效地粘接成為整體。

圖7 灌漿加固后取出的巖芯Fig.7 Rock core produced after grouting

6) 修補(bǔ)作舊。注漿完畢后采用母巖粉、礦物染料調(diào)色后的砂漿在注漿孔口作舊處理，使得顏色、形式與周邊協(xié)調(diào)一致，美觀。

4.3 錨桿加固

錨固施工質(zhì)量的好壞直接影響錨桿的承載能力及危巖的穩(wěn)定性，綜合考慮第3窟特殊的施工條件和地質(zhì)條件，選取了適宜的施工方法并進(jìn)行了精細(xì)施工，工序如下：

1) 搭建腳手架。為了減少鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)，因此在頂部腳手架的搭建時(shí)經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算。既要給鉆機(jī)工作留出合適的空間，也要保證鉆機(jī)在鉆進(jìn)時(shí)腳手架的整體穩(wěn)定性，確保安全。

2) 鉆孔鉆進(jìn)。在保證鉆進(jìn)位置和方向等參數(shù)符合要求的條件下，采用了最新改進(jìn)風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)[7]，可將巖體取芯，更直觀地了解巖體內(nèi)部情況，為下一步灌漿提供參考。與此同時(shí)，采用的鉆孔除塵技術(shù)，有效地減輕了施工所產(chǎn)生的灰塵對(duì)文物的污染。

3) 錨桿制作與安裝。由于本次頂板治理的對(duì)象均為墜落式危巖體，需要的錨桿應(yīng)具備較強(qiáng)的抗拉拔能力。本次工程采用的玻璃纖維增強(qiáng)聚合物錨桿相較于傳統(tǒng)的鋼筋錨桿具有抗拉強(qiáng)度高、不生銹、材質(zhì)輕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[8]。對(duì)加固后錨桿進(jìn)行拉拔試驗(yàn)(圖8)，數(shù)據(jù)顯示，錨桿在最大荷載93.1 kN下(設(shè)計(jì)值的116%，設(shè)計(jì)值為80 kN)，最大位移值1.87 mm，最小位移值0.28 mm，錨桿的抗拉拔力和位移量均符合規(guī)范規(guī)定并滿足設(shè)計(jì)要求。錨桿桿體上每隔1～2 m安放對(duì)中支架，并設(shè)置注漿管、排氣管和備用管，為錨桿灌漿做好充分準(zhǔn)備。

圖8 玻璃纖維錨桿拉拔試驗(yàn)Fig.8 Pull-out test of fiberglass bolt

4) 注漿材料試驗(yàn)。采用經(jīng)試驗(yàn)具備較好流動(dòng)性的環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌漿。對(duì)3組環(huán)氧樹脂立方體試塊抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，檢驗(yàn)儀器為NYL-20000型壓力試驗(yàn)機(jī)，試件尺寸70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下齡期15 d，抗壓強(qiáng)度67～79 MPa。平均值72.2 MPa，略大于砂巖的抗壓強(qiáng)度，既能保證粘接的有效性，又能防止強(qiáng)度過(guò)高導(dǎo)致巖石內(nèi)部開裂。

5) 注漿施工。注漿是錨固施工過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，注漿質(zhì)量的好壞將直接影響錨固的承載能力。灌漿采用螺桿式高壓泵進(jìn)行壓力灌漿，若漿液從排氣孔中排出，說(shuō)明灌漿飽滿。封堵排氣孔并間歇性進(jìn)行補(bǔ)漿，確保錨桿灌漿質(zhì)量。

4.4 風(fēng)化凹槽封護(hù)

對(duì)于②層巖石裸露區(qū)域，表面采用鋼絲網(wǎng)及錨釬進(jìn)行固定，再使用修復(fù)砂漿和低堿水泥進(jìn)行封護(hù)，有效地防止碎石塊掉落和進(jìn)一步風(fēng)化掏空，最后表面作舊處理，跟周圍協(xié)調(diào)一致。

5 第3窟頂板穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與評(píng)估

本次治理項(xiàng)目于2019年8月份完工，對(duì)當(dāng)年9月1日0時(shí)至12月30日24時(shí)共計(jì)121 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括裂隙寬度、危巖體下表面傾斜度和錨桿應(yīng)力。

5.1 裂隙和傾斜監(jiān)測(cè)

裂隙監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量范圍±10 mm，測(cè)量精度±0.01mm，采集頻率30 min，傾斜監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量范圍±20°，測(cè)量精度±0.07°，采集頻率30 min。裂隙、傾斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化范圍見(jiàn)表3。

表3 裂隙、傾斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化范圍表

由于裂隙寬度和危巖體下表面傾角初始值不同，因此只有一定時(shí)間內(nèi)的變化幅度具有參考意義。經(jīng)對(duì)比，裂隙和傾斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)隨溫度變化做周期性變化，裂隙寬度最大變化幅度為0.162 mm，傾角最大變化值為0.231°，變化幅度較小，表明巖體穩(wěn)定[9]。

5.2 錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)

選取3個(gè)錨桿的不同深度開展實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，設(shè)備測(cè)量范圍±25 kN，測(cè)量精度≤1%FS，采集頻率30 min。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，錨桿內(nèi)部應(yīng)力緩慢上升并趨于穩(wěn)定，表明施工完畢后頂板有微小的變形，引起了錨桿內(nèi)部應(yīng)力變化，證明錨桿發(fā)揮了拉結(jié)作用，達(dá)到預(yù)期的加固效果(圖9)。

圖9 錨桿內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖Fig.9 Variation trend of stress monitoring data in bolt

6 結(jié) 論

1) 鉆孔和物探資料顯示，第3窟后室頂板危巖體的形成與粉砂質(zhì)頁(yè)巖層較易風(fēng)化密切相關(guān)，差異風(fēng)化直接導(dǎo)致了頂板危巖體的形成。

2) 灌漿后取出的巖芯驗(yàn)證了流動(dòng)性好的環(huán)氧樹脂可以充分地粘接巖體內(nèi)部密集發(fā)育的細(xì)微裂隙；力學(xué)試驗(yàn)顯示，環(huán)氧樹脂試塊的抗壓強(qiáng)度略大于砂巖的抗壓強(qiáng)度，能有效防止凝結(jié)后自身強(qiáng)度過(guò)高而導(dǎo)致的巖石內(nèi)部開裂。

3) 頂板危巖治理后121 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，裂隙寬度、危巖體下表面傾角變化幅度較小，錨桿內(nèi)部應(yīng)力緩慢上升并趨于穩(wěn)定，表明巖體得到了有效的加固，達(dá)到了預(yù)期的治理效果。