震損地區地下洞室塌腔區施工關鍵技術與安全控制

林 曉 旭，夏 維 學

(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則形狀，最長處約66 m，最寬處約48 m，高30 m，靠山體側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棲霞茅口組灰巖和二疊系中統梁山組灰色頁巖夾灰巖、粉砂巖的分界段，靠原引水隧洞側分布有F4斷層。梁山組地層由薄層狀灰色頁巖夾灰巖、粉砂巖組成，厚度為20～75 m，巖性極不穩定。

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生搓揉擠壓構造錯動導致裂隙進一步發育，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坍塌，逐步形成該塌腔區域，現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巖，穩定性一般，由于裂隙發育和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，小型掉塊時有發生。

根據工程設計要求并結合《水工建筑物地下工程開挖施工技術規范》(DL/T5099-2011)[1]的相關規定，該塌腔不得進行回填處理，必須進行塌腔壁支護處理。經分析后確定施工采用分區分塊、搭設排架、腔壁排險、初期噴護、錨桿支護與掛網噴護等方式。

2 施工存在的主要問題

(1) 環境安全問題。一是施工期間余震產生的安全風險；二是因圍巖穩定性較差，施工期間掉塊現象時有發生。

(2)施工安全問題。穹頂處理、高排架搭設等高空作業；堆渣體處理，洞內機械作業，洞內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

鑒于施工期塌腔區穹頂的圍巖安全問題是施工中的關鍵，因此，如何對塌腔區穹頂圍巖進行全面系統的監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量，采用由項目部研發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、后危險區的分區分塊施工、“蠶食化”排危支護方式進行施工。

3.1 加強圍巖安全監測

3.1.1 塌腔區圍巖評價

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

3.1.2 塌腔區危巖體分區

根據三維激光掃描結果，結合塌腔壁圍巖的地質發育及斷層影響分布，對塌腔壁按照危險程度進行分區：WⅠ區巖體完整性較好，塊度較大，節理不發育，但局部發育裂隙，巖面潮濕，存在滴水現象，穩定性一般；WⅡ區巖體破碎，節理發育，層理明顯，巖面潮濕，穩定性較差，屬于斷層影響帶；將穹頂區域劃分為WⅡ區，邊墻部位劃分WⅡ-1(圖1)。

圖1 塌腔區分區圖

3.1.3 三維整體與局部變形監測分析

(1)三維整體變形監測。采用瑞格ⅤZ-2000i三維激光掃描儀，通過三維分析研究塌腔區的變形過程與規律。監測點沿崩塌區域外側共布置監測點6站，監測周期約10 d一次；通過獲取三維激光點云數據形成崩塌區三維模型示意圖，利用K聚類模糊法對崩塌區巖體表面結構面產狀進行分析，根據取得的結果判明巖體的主要破壞模式為平面破壞。基于巖體結構面識別對崩塌區落石進行巖石運動光學分析，判斷其破壞模式，對整體塌腔的穩定性做出判斷(圖2)。

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

圖2 崩塌區三維變形圖

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

3.1.4 施工區現場安全監測預警

利用三維激光掃描儀快速、精確的特點獲取不同時間節點崩塌區的三維空間數據，并將多期數據進行三維比對，精確把握一定時間段內崩塌區頂部巖體的變形過程，分析其短、中期的變形趨勢及規律。為保證安全施工進行了監測預警，其具體步驟為：

(1)在現場設置4～6個半永久激光靶標，以保證多期掃描數據之間能精確匹配；

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

(3)基于改進的ICP算法，對崩塌區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警臨界閾值，總結歸納其變形趨勢與規律，以保證施工安全進行。

3.2 施工程序

根據安全監測結果確定的塌腔區危巖體分區，結合現場的實際情況對地震塌腔區域支護施工分四個施工區進行施工。塌腔壁的支護施工必須保證泄洪沖沙放空洞的施工通道，在施工支護排架設計時同時考慮預留通道設置。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定的WⅠ區域的支護施工。由于WⅠ區域被WⅡ分割為兩塊，即WⅠ-1、WⅠ-2。WⅡ區域又分為已出露區WⅡ和渣體覆蓋區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。每個區域根據現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，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 支護參數的確定

WⅠ區域采用Ф25錨桿@2 m×2 m，L=4.5 m、噴C20混凝土，厚20 cm、掛網鋼筋Ф6.5@20 cm×20 cm(單層)。WⅡ區域采用Ф32預應力錨桿(非機械脹殼式)@1.5 m×1.5 m，F=125 kN，L=9 m、噴C20混凝土，厚20 cm、掛網鋼筋Ф6.5@20 cm×20 cm(雙層)。該支護參數在施工過程中需根據現場實際情況會同四方可做適當調整。

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。考慮到施工安全問題，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。排危工作完成并經現場安全員、質檢員聯合檢查完成并報監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。對排危清理驗收后的分區塊進行施工腳手架的搭設。腳手架的搭設必須進行專題設計計算，經技術負責人簽字審批后執行。腳手架的搭設必須按照設計的要求進行搭設，采用Φ48鋼管，管壁厚3.5 mm。腳手架的搭設必須滿足規范《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ130-2019)[3]要求。腳手架必須與巖壁鏈接，新搭設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風化，同時，為提高圍巖的整體穩定性，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《水電水利工程錨噴支護施工規范》(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應力錨桿兩種，普通砂漿錨桿主要布置在WⅠ-1、WⅠ-2等圍巖穩定性相對較好的部位，預應力錨桿主要布置在WⅡ等圍巖穩定性較差的部位。普通錨桿采用YT-28氣腿鉆造孔，預應力錨桿采用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。

預應力錨桿施工參照《水電水利工程預應力錨固施工規范》(DL/T 5083-2019)[5]，張拉設備采用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，調整墊板與錨桿垂直后緊鎖螺帽。錨桿正式張拉前，取20%的設計張拉荷載，對其預張拉1～2次，使其各部位接觸緊密。

張拉力施加值的順序依次為：第一次張拉力為設計值的25%，持荷5 min后進行第二次張拉，張拉力為設計值的50%，持荷5 min后進行第三次張拉，張拉力為設計值的75%，持荷5 min后進行第四次張拉，張拉力為設計值的115%，最后一級張拉力達到設計值后穩壓20 min結束張拉并鎖定。每張拉一次均應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，若發現預應力損失大于錨桿拉力設計值的10%時應進行補償張拉。張拉結束后，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自由段注漿，自由段注漿應注滿，當回漿管有漿液溢出時方可結束自由段注漿。漿體凝固期(72 h)內不得敲擊、碰撞。

(5)掛鋼筋網噴混凝土。根據被支護圍巖面上的實際起伏形狀進行鋼筋網鋪設。鋼筋網與系統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發生振動現象。錨釘的錨固深度不小于20 cm并確保連接牢固、安全、可靠。對于掛雙層鋼筋網的部位，第一層鋼筋網施工按照上述施工方法進行。第二層鋼筋網需要在第一層鋼筋網噴混凝土覆蓋(覆蓋厚度5 cm)完成后進行，鋼筋網與系統錨桿或錨釘頭連接牢固。第二層鋼筋網完成后，進行噴混凝土施工至設計厚度。

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

4 質量與安全控制

(1)質量控制。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、及時進行質量驗收、操作人員培訓持證上崗等方面加強管控。

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

5 結 語

牛欄江紅石巖堰塞湖災后治理項目通過災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進行塌腔壁的穩定判斷及監測，對掃描分析判斷的塌腔壁進行分區分塊，采取有序 “蠶食化”支護施工，在全面安全監測體系的支持下，在嚴把施工質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，為后續類似塌腔體的支護施工獲得了寶貴的施工經驗。