麗水南城全國低丘緩坡綜合利用開發展示館工程-展示面巖體防風化處理研究與實踐

張方晗,王良木,張宏建,岑仰潤,侯少華

(1.杭州錢新生態技術有限公司,浙江 杭州 310012; 2.杭州市勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

0 引 言

風化巖體的防風化處理受巖體類型、氣候環境、地質構造等多因素影響[1],李璐[2]研究了干旱地區巖體表面的防風化處理,采用的處理方式為有機材料和無機材料結合的化學加固方式,有機類保護材料經常使用的是丙婚酸類和有機硅類,無機保護材料主要是高模數的改性硅酸鉀材料。楊雋永[3]揭示了杭州市的朱熹曇山題刻和風水洞摩崖題記的風化機理,制定了由防滲措施、表層加固和表面清洗三部分組成的題刻防風化保護措施。孫瑜[4]研究了大同焦山寺石窟的保護措施,認為對于開裂巖體,采用灌漿修復,對于風化巖體,采用防風化材料進行加固。

由于在體做防風化處理的工程可參考案例較少,設計與施工工藝技術參數需根據本工程地理環境及巖體地質情況摸索試驗,為了檢驗設計要求技術參數指標是否與本工程相適用,以及試驗不同產品材料滲透性系數,為施工提供涂刷技術參數,現場做了大量的產品試驗及實體檢測。獲取施工材料技術參數:材料顏色、材料固化性能、耐介質性能、耐大氣老化性能、耐濕熱老化性能、抗滲透性能、抗污染能力、涂刷次數等。選擇的材料應具備良好的持久強度和足夠的安全可靠性。確保工程質量、安全達到設計預期目的。

本文以麗水南城全國低丘緩坡綜合利用開發展示館工程-展示面巖體防風化處理為例,依據邊坡設計與施工方案,采用環氧樹脂和硅烷防護劑,對巖石表面進行高度防風化處理,為本項目展示面防護經處理后完美展示山體巖層產狀、巖石節理等原生地質構造原貌。同時為類似項目提供借鑒。

1 工程概況

本工程位于麗水市南城開發區七百秧區塊,南四路與東十一路交叉口(圖1)。展示館項目包含麗水南城全國低丘緩坡綜合利用開發展示館工程、地質公園工程、紅豆杉主題園工程(含接待中心)。規劃用地面積約 107 682.48 m2(約160.77畝),建筑總面積約 16 059 m2。其中展示館工程依靠保留山體建設,局部山體需進行削坡處理,由于展示功能需要,設置了室內與室外山體展示區。其中室內展示區需巖體裂隙(裂縫)處理與防風化處理,室外展示區需進行巖體裂隙(裂縫處理),室內展示區面積約為 400 m2,室外展示區面積約為 1 000 m2。

圖1 防護前邊坡實景照片

展示區為本項目的突出亮點與重點,設計與施工工藝直接關系到本工程的成敗。根據展示館概念設計要求,室內外展示區邊坡要盡量保持巖體天然結構面的原則,直接削坡經處理后保持原態。

2 工程地質條件

2.1 氣象水文

場地屬亞熱帶季風氣候,溫暖濕潤,四季分明,雨量充沛,光照充足。多年平均氣溫18.1℃,月平均氣溫最高(7月)29.3℃,最低(1月)6.3℃,極端最高氣溫41.5℃,極端最低氣溫-7.7℃。區內降雨充沛,多年平均降雨量 1 479.1 mm,降雨量季節分配不均,主要集中在4—6月的梅汛期及7—9月的臺汛期。據麗水市水文站1961—2006年資料,蓮都區1小時最大降雨量為 104.4 mm(1993年9月18日,上顯灘水文站),2小時最大降雨量為 115.8 mm(2001年8月23日,碧湖水文站),3小時最大降雨量為 136.4 mm(2001年8月23日,碧湖水文站),6小時最大降雨量為 204.7 mm(2004年8月12日,夏莊水文站),12小時最大降雨量為 269.1 mm(2004年8月12日,夏莊水文站),區內最大24小時降水達 329.2 mm(2004年8月12日夏莊水文站)。

場地地下水主要為松散巖類孔隙潛水和紅層裂隙水。

2.2 地形地貌

場地地貌為低丘緩坡。山體自然地形坡度10°～20°,中上部位地形坡度較陡,山體最高峰位于建設場地中西部,海拔高程127.1m。山坡坡面植被發育一般—較發育,主要為雜草。建設場地因整平場地和山體削坡,形成邊坡(高度10～22 m),坡度50°～80°。

2.3 地質構造

場地所處的大地構造單元為華南褶皺系(Ⅰ級)中的浙東南褶皺帶(Ⅱ級)的南西側,麗水—寧波隆起(Ⅲ級)中的龍泉—遂昌斷隆(Ⅳ級)的北東側。區域內斷裂主要有:麗水—余姚深斷裂;南延福建,北經嵊縣過余姚,潛入杭州灣水域,總體走向約30°,省內長達 350 km,地表為一系列北東、北北東向大致平行的仰沖斷裂,組成寬達 30 m～40 km的斷裂帶,局部出現強烈的片理化。場地單斜構造,巖層傾向南東,傾角7°～10°。

場地地層巖性主要為粉砂巖,局部夾砂巖或砂礫巖,層狀構造,層理面間距0.10～1.0 m,巖層產狀125°～140°∠7°～10°。在斷裂構造的兩側,節理較發育。節理展布方向主要以北東向為主,其次北西和北西西向,其他方向發育較少。節理走向受附近斷裂構造影響明顯,斷裂構造發育地段,節理亦發育。節理力學性質一般為剪切節理,北西走向節理傾角55°～78°,2～3條/m,長度一般8～15 m,結構面平直、閉合,無充填物。北東走向節理傾角55°～67°,1～3條/m,長度一般10～14 m,結構面平直、閉合,無充填物。北西西走向節理傾角45°～60°,2～3條/m,長度一般8～12 m,結構面平直、閉合,無充填物。

2.4 區域地震穩定性

蓮都區地震活動總的特點是強度弱、震級小、烈度低。自新生代以來,本區新構造運動表現為以區域性深斷裂的繼承性重新活動為特征,區域地殼基本以間歇性抬升為主,在總體抬升的前提下,差異性較為明顯,以差異斷塊升降運動為主,但活動性較弱。據麗水市志記載:1690年以來的三百多年間,共發生地震6次,震級低,以淺源地震為主,具強度弱、頻率小等特點。蓮都區地震動峰值加速度小于 0.05 g,對應地震基本烈度小于Ⅵ度,區域地殼穩定[5]。

2.5 場地地層

場地地層為白堊系下統朝川組(K1c)、第四系殘坡積層(Qel-dl)和上更新統坡洪積層(Qdl-pl3)。結合地勘報告及地災報告,本邊坡地層分布描述如下:

第四系殘坡積層(Qel-dl)分布于坡面及山麓地帶,主要為碎石土,碎石含量40%～60%,呈棱角狀,大小4～10 cm,坡面層厚0.10～0.50 m,局部凹處厚約 1 m。該層物理力學性質一般。

白堊系下統朝川組(K1c)巖性主要為粉砂巖,局部夾砂巖、砂礫巖,呈磚紅色,砂、礫結構或凝灰質砂粒結構,中厚層狀構造。顆粒主要由砂粒和膠結物組成,膠結物成分為粉砂和泥質。砂粒直徑0.5～1 mm為主,含量約50%～60%,其余為膠結物。層理面間距0.20～1.0 m,地層產狀125°～140°∠7°～10°。結合詳勘報告,該層分布有:

②-2層強風化砂巖:紫紅色,具水平層理,厚層狀,強風化,節理裂隙發育,巖質軟,巖石破碎,巖芯呈碎塊狀。巖體基本質量等級為Ⅴ類。全場大部分布。層頂高程101.32～126.32m,層厚0.30～9.50 m。

②-3層中風化砂巖:紫紅色、青灰色,具水平層理,厚層狀,節理裂隙較發育,巖質較硬,為較硬巖,巖石較完整,巖芯呈短柱狀,失水后易崩解。RQD值50%～75%,巖體基本質量等級為Ⅲ類。層頂高程98.82～124.62 m,最大控制層厚 5.00 m。

3 設計防風化處理方案

3.1 室內展示區

(1)基本情況及設計方案:

室內展示區位于邊坡南側中部,長度約37 m,展示區高差最高約12 m,景觀要求邊坡盡量陡峭,直接給室內參觀人以視覺上沖擊。邊坡巖體與室外建筑間設置玻璃幕墻隔離,頂部設置玻璃蓋頂,主要展示山體巖層產狀、巖石節理等原生地質構造現象。山體與建筑主體間設置5m寬隔離緩沖區,設置碎落平臺及防護網。

針對室內展示區的景觀要求,結合設計院提供總平圖分析,室內展示區邊坡處理采用保持巖體天然結構的原則,直接削坡及巖石表面防風化處理,保持原巖形態的方案。

(2)邊坡室內展示區方案施工順序:清坡→頂部裂隙灌漿加固→施工頂部錨桿和格構梁→清坡(清除坡面危巖)→安排專人檢查清坡后巖面,確保消除滑落、崩塌等隱患→環氧樹脂加固注漿→展示面注漿孔修補及坡面人工修鑿痕跡清理→硅烷防水劑涂刷施工→成品保護。

(3)巖體加固及防風化主要工況:

①削坡和清除表面危巖

結合建筑主體布置對邊坡進行削坡,清除局部裸露的危巖,削坡后坡度保持為80°左右,并坡底與建筑觀賞幕墻間留設足夠的安全距離,設置碎落平臺及防護網,如圖2所示。

圖2 室內展示區坡面危巖體

②坡頂巖體裂隙灌漿結合錨桿加固

山體巖性為粉砂巖,受三條斷層影響,巖石中裂隙和節理較發育,巖體易風化。在山體頂部平臺附近設置二排?90 mm@1.5 m豎向灌漿孔,通過注漿對巖體中裂隙進行充填加固,提高巖體裂隙間的黏結力。注漿后孔內設置豎向鋼筋進行加固處理。

局部節理高度發育處設置隨機錨桿加固,錨桿端頭進行特殊處理(隨機錨桿可采用?90孔徑錨桿,施工后采用膠泥等膠結材料對表層巖石進行填充修復),恢復巖體原貌,不影響展示效果。

③巖體面層防風化加固

由于室內展示區巖體距離建筑主體結構較近,巖體表面易風化,落石等會對建筑物及游客產生較大的安全隱患。采取環氧樹脂裂隙注漿后表面涂刷硅烷防護劑,對巖石表面進行高度防風化處理。根據業主要求組織了相關單位在施工現場做試驗后,采用杭州國電大壩安全有限公司生產的HK-G-4環保型環氧樹脂和濟南萬承生產的WSC-3010有機硅防水劑。

3.2 室外展示區

(1)基本情況及設計方案:

室外展示區位于邊坡西部,長度約 51 m,高差最高約 17 m,巖體露天展示,主要展示山體巖層產狀、巖石節理等地質構造現象。

室外展示區邊坡處理方案采用錨桿結合局部破碎帶和錨頭處加固及防風化處理思路。

(2)邊坡室外展示區施工順序:

采用削坡處理(削坡整體控制坡率1∶0.5控制)→坡頂巖體裂隙灌漿加固→清坡(清除坡面危巖)→安排專人檢查清坡后巖面,確保消除滑落、崩塌等隱患→巖體局部破碎處淺部裂隙加固處理→環氧樹脂加固注漿→展示面注漿孔修補及坡面人工修鑿痕跡清理→成品保護。

4 施工技術參數試驗方案

巖體風化防護目前在浙江省乃至全國施工案例很少見,為了確保工程質量達到設計要求,相關的材料及技術參數,施工工藝需經現場試驗認證,所以在大面積展開加固和防風化施工前,首先在使用的原材料上入手,必須先進行材料試驗確定技術參數指標和配比。待試驗效果和參數指標確定后再應用到現場展示面大面積展開施工。

4.1 理化性能指標

根據設計文件對防風化材料物理性能指標要求(表1),同時考慮確保山體巖面的安全性,我們盡量多進行市場調研考察,以選取更安全可靠、經濟合理的產品品牌作為本工程防風化材料。

表1 設計要求各理化性能指標參數表

根據設計文件提出的理化性能指標,經市場調查及聽取專家相關意見,市場上部分國產品牌及進口品牌均能滿足要求,但在滲透性、耐久性及色澤方面存在一定的差異。

(1)滲透性

無論國產或進口產品理化參數均能夠滿足要求,是由于參數指標是在標準環境中(干燥)獲取的。而本工程實際環境無法滿足實驗室的標準環境,現場巖石表面及內部均存在水汽,國產材料遇水汽可能造成潮濕敏感反應,分子滲透性降低,導致后續經風吹日曬會引起表面起鼓或起皮。對于進口材料,在適應潮濕環境具有一定的優越性,親水性方面能夠比國產材料表現更佳,即使有水汽分子也能夠滲入巖石內部,形成固化及防水的效果。同時,國產材料為了提高滲透性,在材料生產過程中增加一定的外加溶劑,降低有效成分,導致材料活性降低。

(2)耐久性

在耐久性方面,進口材料以較好的穩定性多應用于地鐵防水、文物保護等領域,性能指標上雖與國產品牌一致,但耐久性方面優于國產產品。據了解,一般過程品牌在耐久性方面3至5年就產生剝落及老化,而進口材料在現有的應用中已達15～16年。

(3)色澤

本工程展示墻目的是為了達到觀賞效果,表面應避免色差存在,否則大大影響展示的效果。在材料選用上,國產材料與進口材料有細微的差別,一般進口材料純凈度較高,雜質少,與水及空氣反應均不會改變色澤。而對于國產材料,原液一般有些帶淡黃色,經水與空氣反應后會顏色加重,甚至變為深褐色。

4.2 材料品牌選擇

鑒于目前本工程對材料的應用國內無借鑒,缺少經驗數據,根據設計參數要求,為確保萬無一失,從而達不到防風化和黏結牢固的效果,邀請材料廠家及該領域專家到現場實地考察指導,經各方協商討論選取滲透性、耐久性、色澤等性能較好的進口材料。并對選擇符合要求的品牌進行現場試驗。

(1)環氧樹脂為:

①FERMADUR-EL(飛瑪度)

②環氧樹脂P-201AB

③CCC700(福思特)

(2)硅烷防水劑:

①SN-GF500(森耐)

②IE-6682(道康寧)

③WSC-306滲透結晶防水劑

4.3 理化性能指標試驗方案

(1)試驗位置及面積:在現場選擇與展示區同等巖質的坡面,選擇三個品種(A、B、C)的防風化材料,按設計和材料產品的施工工藝要求,各做1 m2的試驗區二組(每組涂刷次數分別為1次和2次,主要是為施工涂刷次數提供依據),在同等條件的自然環境下試驗,觀察各樣品試驗區的不同變化,如實記錄各品牌材料的強度、防水、色澤等技術指標,及各種品牌材料涂刷的次數及用量經濟指標。現場試驗如圖3所示。

圖3 現場試驗

(2)試驗要求:

①驗證材料及配比與巖石的適用性能;

②驗證設計要求是否合理及涂刷技術參數。主要技術參數:材料顏色、材料固化性能、耐介質性能、耐大氣老化性能、耐濕熱老化性能、抗滲透性能、抗污染能力、涂刷次數等。材料應具備良好的持久強度和足夠的安全可靠性;

③試驗嚴格按設計要求進行。待試驗效果和參數指標經業主、設計、監理等相關單位確定后再進行防護面的施工。

(3)人工、材料含量試驗參數:

根據防風化材料品牌確定會(開發區建設指揮部專題會)會議精神,為測算防風化材料的人工和材料含量及產品性能,在現場選擇具代表性坡面做測試試驗,各參建相關單位共同參加現場實體防風化材料試驗。

5 防護處理施工

5.1 巖體裂隙處理及表面防風化加固施工工藝及技術措施

(1)巖體裂隙處理及表面防風化加固施工方案

①削坡、清坡是本分項工程的第一道工序,也是難度很大的一道工序,為了展示山體巖層產狀、巖石節理等原生地質構造現象自然面供參觀,清坡后的巖體表面要看不出有機械開挖的痕跡,所以該坡面無法采用機械一次性削坡到位,需大量人工慢慢精雕細鑿的處理。

②加固和防風化材料在使用前,先進行小塊樣品試驗,以確定使用材料各項技術參數。試驗并經業主確定后再進行大面積展開施工。

③坡頂削坡至豎向注漿孔標高,先施工注漿孔,通過注漿對巖體中裂隙進行充填加固,提高巖體裂隙間的黏結力,并有效阻止巖體裂隙內的雨水從坡中滲透到展示面。注漿后孔內設置豎向鋼筋進行加固處理。室內展示區設計斷面圖如圖4所示。

圖4 室內展示區設計斷面圖

④巖體裂縫注漿加固材料:采用HK-G-4環保型環氧灌漿料,AB組分體積配比4∶1,再進行高壓注漿施工。

⑤展示面巖體表面涂刷硅烷防水劑:采用WSC-3010有機硅防水劑,施工前將原液用水以原液∶水=1∶10的比例稀釋成成品,再涂刷施工。

⑥環氧樹脂裂縫修補處理施工順序:

a.先采用電鉆成孔后植入注漿錨釘,并采用扳手擰緊錨釘,確保錨釘牢固和密封,防止漿液從錨釘部位滲出,注漿錨釘數量根據坡面裂隙情況布置,1 m2約25個左右,孔深根據坡面破碎程度確定,一般20～30 cm左右。電鉆打注漿錨釘孔施工如圖5所示。

圖5 電鉆打注漿錨釘孔施工

b.環氧樹脂AB劑混合劑配料,根據生產廠家的配比要求,過秤計量,環氧樹脂AB劑混合后需充分攪拌均勻,攪拌均勻后及時進行施工,并盡量在可使用時間內使用完已混合的膠液,以避免一次配料過多無法在固化時間前使用完,所以施工中小量配制,邊配邊施工。并及時做好對鄰近已完成坡面的保護工作。

c.注漿采用wx-999型高壓灌漿堵漏機,注漿施工過程中嚴格控制注漿壓力,注漿施工中需慢慢進行,停停注注,確保漿液能滲透到巖體破碎裂隙深處去,如施工中有漿液從巖體表面滲透出來,需立即停止注漿,并及時采用面紗沾專用清洗液進行擦拭或采用灰刀鏟除流出坡面的漿液,確保坡面原始外觀不受到污染。當裂隙寬度大于 1.5 mm時可采用力頓或環氧膠泥先進行臨時封縫后再注漿(注漿完成漿液凝固后再及時清除巖體表面臨時封縫材料),防止漿液滲流出坡面。環氧樹脂注漿施工如圖6所示。

圖6 環氧樹脂注漿施工

d.注漿施工中如停待時間超過 1.0 h,需采用專用清洗劑清洗注漿機及注漿管,避免注漿材料發生固化堵塞注漿機及注漿管。專用清洗劑使用過程中嚴禁煙火(專用清洗劑屬化學危險品,遇火既燃)。

⑦硅烷防水劑施工:

在工序上,需待環氧樹脂注漿完成后再進行硅烷防水劑的施工。由巖體上部自上而下均勻涂刷2遍(不沾水養護24 h以上)觀察涂刷后表面平整度情況,決定是否增加涂刷次數。根據坡面實際情況,裂隙多風化嚴重的坡面應反復涂刷多次,直至飽和,讓防水劑充分滲透到風化巖石的裂隙中,確保風化巖石充分吸收防水劑,并達到最大的滲透深度。如發生掛流或材料在巖石表面集聚現象,應立即停止涂刷,并馬上用吸水性較強的海綿或毛巾及時將掛流或集聚的防水劑盡可能吸去。根據巖石表面的溶液揮發情況,一般在半小時至一小時后,再次使用同濃度溶液重復上述操作程序。硅烷防水劑噴涂施工如圖7所示。

圖7 硅烷防水劑噴涂施工

⑧成品保護:

在環氧樹脂施工開始前,必須先采取相應的防雨和防曬措施,擬采用雨布在施工工作面上搭設遮陽防雨棚,如遇雨天停止施工等措施。確保施工中環氧樹脂和硅烷防水劑凝固前的保護和施工后的成品保護。

5.2 巖體裂隙處理及表面防風化加固施工技術措施

(1)削坡、清坡自上而下分層進行,外層機械削坡為主,表面留 300 mm采用人工清理,主要采用小風槍鑿除和人工鑿子手鑿,毛面清理出來后再進一步采用毛刷或低風壓清洗進行精細清理。處理面在刷防護劑前坡面不得有巖粉及砂土等雜物,如有必要可采用清水沖洗坡體表面,必須保證防護面干凈。

(2)注漿施工中嚴格控制注漿壓力,確保展示面巖體整體性和穩固性。錨桿制作、安裝嚴格按設計要求施工。

(3)環氧樹脂灌漿液施工過程中,按廠家提供的配比配制,AB劑混合后需充分攪拌均勻,以避免固化不完全。施工過程中因根據現場實際情況適量配制漿液,避免浪費,攪拌均勻后及時進行施工,并盡量在可使用時間內使用完已混合的膠液,并根據施工環境和溫度,配料應少量多次原則,防止因氣溫高和時間長未使用完而產生化學反應,引發液體燃燒機械損壞等事故,使用時做好對鄰近巖面的保護。室外展示區設計斷面圖如圖8所示。

圖8 室外展示區設計斷面圖

(4)漿液滲透清理及錨嘴拆除和修補處理:灌漿施工過程中和完成后坡面會有液體滲透出,應及時采取處理,采用毛巾或棉紗沾專用清洗液進行擦拭或采用灰刀鏟除流出坡面的漿液,漿液凝固后及時拆除注漿錨嘴,并及時進行修補處理,如展示面巖體表面有液體凝固后的痕跡需采用磨光機打磨處理,確保展示面達到最佳展示效果。展示面人工修鑿痕跡打磨清理如圖9所示。

圖9 展示面人工修鑿痕跡打磨清理

6 結 語

(1)通過工程措施對現狀自然邊坡巖體進行大面積的人為防風化設計、施工,有效保證展示面巖體在抵抗自然環境下保持裸露面山體巖層產狀、巖石節理等原生地質構造現象,并在一定期限內保持一個穩定狀態。

(2)大膽嘗試在建筑工程結構中使用環氧樹脂及硅烷防水劑常規產品材料,并應用到自然邊坡巖體上。在無類似項目可借鑒的條件下,根據現場環境的地層巖性及地質構造面,通過現場試驗獲取技術參數,并在現場展開了實體研究實踐。對于類似項目可提供參考。

(3)項目于2016年5月份竣工驗收至今已經六年多時間,巖體展示面經受自然環境下的考驗,展示面保持相對穩定狀態,如圖10、圖11所示。

圖10 室外展示區現狀

圖11 室內展示區現狀