震损地区地下洞室塌腔区施工关键技术与安全控制

林 晓 旭，夏 维 学

(中国水利水电第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

牛栏江红石岩堰塞湖整治工程项目为2014年8月3日原红石岩电站震毁后原址重建项目，项目位于地震中心，工程由堰塞体(大坝)、电站进水口、发电建筑物、泄洪建筑物组成；泄洪冲沙放空洞由新建段、原电站引水隧洞以及原堰塞湖泄流洞段改造组成。

地震塌腔处位于新建的7号施工支洞、泄洪冲沙放空洞、原红石岩电站引水隧洞的交汇处，地震塌腔呈穹形不规则形状，最长处约66 m，最宽处约48 m，高30 m，靠山体侧堆积大量的塌落大块石，块石体积约为20 ～50 m3，堆积的平均高度约为25 m(最高处约32 m)，塌腔区范围存在大量堆渣体，方量约为3万m3。

塌腔部位地层为二叠系下统栖霞茅口组灰岩和二叠系中统梁山组灰色页岩夹灰岩、粉砂岩的分界段，靠原引水隧洞侧分布有F4断层。梁山组地层由薄层状灰色页岩夹灰岩、粉砂岩组成，厚度为20～75 m，岩性极不稳定。

该段处于地下水位以下，渗水严重。由于受F4断层影响，梁山组地层在地震破坏力作用下发生搓揉挤压构造错动导致裂隙进一步发育，岩石被进一步挤压成碎裂块状，引起梁山组地层沿地层分界线坍塌，且因堰塞湖抢险泄流通道经过该部位，在长期水流侵蚀冲刷作用下碎裂小块、泥岩等不断被水流带走流失，大块岩块在流水侵蚀软化后崩解而造成塌腔反复坍塌，逐步形成该塌腔区域，现梁山组地层全部垮塌。塌腔壁顶拱为栖霞茅口组厚层至巨厚层灰岩，稳定性一般，由于裂隙发育和F4断层影响，塌腔壁分布着松动岩体、倒悬体、镶嵌块体等危岩体等，在余震及施工震动的情况下时有掉块发生，施工初期在余震的作用下最大掉块直径约为3 m，小型掉块时有发生。

根据工程设计要求并结合《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》(DL/T5099-2011)[1]的相关规定，该塌腔不得进行回填处理，必须进行塌腔壁支护处理。经分析后确定施工采用分区分块、搭设排架、腔壁排险、初期喷护、锚杆支护与挂网喷护等方式。

2 施工存在的主要问题

(1) 环境安全问题。一是施工期间余震产生的安全风险；二是因围岩稳定性较差，施工期间掉块现象时有发生。

(2)施工安全问题。穹顶处理、高排架搭设等高空作业；堆渣体处理，洞内机械作业，洞内施工安全用电等施工安全风险突出。

(3)高空坠落坍塌安全问题。施工期塌腔区穹顶最高达32 m。施工脚手架属高排架，高排架施工坠落安全风险突出，施工高排架的坍塌风险隐患大。

3 采取的施工措施

鉴于施工期塌腔区穹顶的围岩安全问题是施工中的关键，因此，如何对塌腔区穹顶围岩进行全面系统的监测是确保该工程安全施工的前提。为保证施工安全和施工质量，采用由项目部研发的三维激光扫描和全自动测量机器人进行整体变形判断和局部变形测量，支护施工采取先安全区、后危险区的分区分块施工、“蚕食化”排危支护方式进行施工。

3.1 加强围岩安全监测

3.1.1 塌腔区围岩评价

为探明围岩变形情况，采用“基于远程无接触技术”对塌腔区围岩进行安全监测。主要利用三维激光扫描技术的高精度、无接触等特点远程获取岩体结构面参数，结合室内岩石力学试验对施工区顶部岩体三维变形进行评价，通过收集现场崩塌岩样进行室内岩石力学试验获取岩体饱和抗压强度；利用三维激光扫描技术获取崩塌区岩体的产状参数，对主要结构面进行分类统计并对岩体完整性进行分析；根据《工程岩体分级标准》 (GB/T50218-2014)[2]对崩塌区顶部岩体进行质量评价，并对施工区进行危险性分区。

3.1.2 塌腔区危岩体分区

根据三维激光扫描结果，结合塌腔壁围岩的地质发育及断层影响分布，对塌腔壁按照危险程度进行分区：WⅠ区岩体完整性较好，块度较大，节理不发育，但局部发育裂隙，岩面潮湿，存在滴水现象，稳定性一般；WⅡ区岩体破碎，节理发育，层理明显，岩面潮湿，稳定性较差，属于断层影响带；将穹顶区域划分为WⅡ区，边墙部位划分WⅡ-1(图1)。

图1 塌腔区分区图

3.1.3 三维整体与局部变形监测分析

(1)三维整体变形监测。采用瑞格ⅤZ-2000i三维激光扫描仪，通过三维分析研究塌腔区的变形过程与规律。监测点沿崩塌区域外侧共布置监测点6站，监测周期约10 d一次；通过获取三维激光点云数据形成崩塌区三维模型示意图，利用K聚类模糊法对崩塌区岩体表面结构面产状进行分析，根据取得的结果判明岩体的主要破坏模式为平面破坏。基于岩体结构面识别对崩塌区落石进行岩石运动光学分析，判断其破坏模式，对整体塌腔的稳定性做出判断(图2)。

(2)局部变形监测。采用徕卡TM50全自动测量机器人自动对塌腔区进行单点式局部监测，测站点设置在在7号施工支洞进口安全处，控制点设置在7号施工支洞内，监测点1个，设置在穹顶处；监测周期为1 d1次，监测周期内每站3个测回，完成5站，对所监测的5个周期的水平和垂直方向累计得知的位移数据进行变形分析，根据对现场实测数据进行分析得知，所有测点的水平位移与垂直位移均小于1 mm。考虑到仪器误差与设站误差后，可以初步判断测点附近围岩处于稳定状态。

图2 崩塌区三维变形图

(3)监测成果分析。根据对逐次监测结果进行分析可知：短期内围岩处于稳定状态，短期出现整体崩塌的风险较低；但受结构组合切割和地下水作用，局部掉块或小型崩塌仍有可能发生。根据累计分析结果可知：局部掉块主要集中在破碎带，其主要原因是由于地震导致的岩体裂隙扩展以及地下水对F4断层内部岩体的侵蚀作用。因此，施工期间应重点关注破碎带岩体的裂缝开展过程以及渗水情况。

3.1.4 施工区现场安全监测预警

利用三维激光扫描仪快速、精确的特点获取不同时间节点崩塌区的三维空间数据，并将多期数据进行三维比对，精确把握一定时间段内崩塌区顶部岩体的变形过程，分析其短、中期的变形趋势及规律。为保证安全施工进行了监测预警，其具体步骤为：

(1)在现场设置4～6个半永久激光靶标，以保证多期扫描数据之间能精确匹配；

(2)每隔一定时间对崩塌区顶部岩体进行三维激光扫描，以保证每次扫描数据能完整反映出整个崩塌区顶部；

(3)基于改进的ICP算法，对崩塌区顶部岩体的变形过程进行逐次分析与累计分析，判断岩体是否达到预警临界阈值，总结归纳其变形趋势与规律，以保证施工安全进行。

3.2 施工程序

根据安全监测结果确定的塌腔区危岩体分区，结合现场的实际情况对地震塌腔区域支护施工分四个施工区进行施工。塌腔壁的支护施工必须保证泄洪冲沙放空洞的施工通道，在施工支护排架设计时同时考虑预留通道设置。施工采取先进行已露塌腔壁的支护施工，支护完成后再进行堆渣体覆盖范围的塌腔壁支护施工。已露塌腔壁的支护首先进行较为稳定的WⅠ区域的支护施工。由于WⅠ区域被WⅡ分割为两块，即WⅠ-1、WⅠ-2。WⅡ区域又分为已出露区WⅡ和渣体覆盖区WⅡ-1，为保障施工安全，施工支护顺序按照“WⅠ-1→WⅠ-2→WⅡ→WⅡ-1(边墙)进行。每个区域根据现场的实际情况进行分块施工，每块长度原则上控制在10～15 m，每块按照从上至下的顺序进行支护。WⅡ-1支护施工在WⅠ、WⅡ支护验收后进行。由于该部位为堆渣体覆盖，泄洪冲沙放空洞轴线通过该部位，故堆渣体需全部清理。为此，该部位采用边开挖边随层支护的方式进行，堆渣体的清理原则上控制在清理层3 m以内，每层支护完成后，方准许进行下一层的堆渣体清理施工。

3.3 支护参数的确定

WⅠ区域采用Ф25锚杆@2 m×2 m，L=4.5 m、喷C20混凝土，厚20 cm、挂网钢筋Ф6.5@20 cm×20 cm(单层)。WⅡ区域采用Ф32预应力锚杆(非机械胀壳式)@1.5 m×1.5 m，F=125 kN，L=9 m、喷C20混凝土，厚20 cm、挂网钢筋Ф6.5@20 cm×20 cm(双层)。该支护参数在施工过程中需根据现场实际情况会同四方可做适当调整。

3.4 主要施工方法

(1)“蚕食法”排危支护。为保证施工安全，采用“蚕食法”施工理念，待清理支护完一片后进行下一片的清理支护施工。锚喷支护施工前，将整个围岩面松动的石块清除干净，排除危险源。考虑到施工安全问题，低矮处排危采用机械进行，逐片进行清理，严禁人工掏掘。浮石、石渣清除完成后，采用高压风枪将腔壁浮渣清理干净；对机械设备不能进行的高处采用人工用撬杆清理，清理时严禁正向清理。排危工作完成并经现场安全员、质检员联合检查完成并报监理工程师验收完成后方可进行下一工序施工。

(2)高排架的搭设。对排危清理验收后的分区块进行施工脚手架的搭设。脚手架的搭设必须进行专题设计计算，经技术负责人签字审批后执行。脚手架的搭设必须按照设计的要求进行搭设，采用Φ48钢管，管壁厚3.5 mm。脚手架的搭设必须满足规范《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2019)[3]要求。脚手架必须与岩壁链接，新搭设的脚手架必须与已支护完毕的脚手架连成片。

(3)初喷混凝土施工。松动石块及围岩面清理完成后，为避免围岩外露时间过长出现风化，同时，为提高围岩的整体稳定性，首先对清理完成的围岩面进行喷混凝土(厚度5 cm)封闭。喷混凝土施工前，对渗水部位采取埋设排水软管的方式将渗水引至下方，待喷混凝土完成后，施工排水孔。

(4)锚杆施工。依据《水电水利工程锚喷支护施工规范》(DL/T5181-2017)[4]，初喷混凝土达到终凝后进行锚杆施工。锚杆分为普通砂浆锚杆和预应力锚杆两种，普通砂浆锚杆主要布置在WⅠ-1、WⅠ-2等围岩稳定性相对较好的部位，预应力锚杆主要布置在WⅡ等围岩稳定性较差的部位。普通锚杆采用YT-28气腿钻造孔，预应力锚杆采用100B型潜孔钻造孔，钻孔孔径为75 mm。锚杆采用先安插锚杆、后注浆的施工方法。

预应力锚杆施工参照《水电水利工程预应力锚固施工规范》(DL/T 5083-2019)[5]，张拉设备采用T-2000型扭力扳手。锚杆张拉前，对扭力扳手进行率定。施工中扭力扳手易损坏，故要求每周率定一次。张拉前将钢垫板套入锚杆，调整垫板与锚杆垂直后紧锁螺帽。锚杆正式张拉前，取20%的设计张拉荷载，对其预张拉1～2次，使其各部位接触紧密。

张拉力施加值的顺序依次为：第一次张拉力为设计值的25%，持荷5 min后进行第二次张拉，张拉力为设计值的50%，持荷5 min后进行第三次张拉，张拉力为设计值的75%，持荷5 min后进行第四次张拉，张拉力为设计值的115%，最后一级张拉力达到设计值后稳压20 min结束张拉并锁定。每张拉一次均应量测锚杆杆体的伸长值并作好原始记录。锚杆锁定后48 h内，若发现预应力损失大于锚杆拉力设计值的10%时应进行补偿张拉。张拉结束后，开始对锚杆自由段进行回填灌浆施工，灌浆采用纯水泥浆(M40)，灌浆泵注浆。只有在确认进浆管及回浆管畅通后方能进行孔内自由段注浆，自由段注浆应注满，当回浆管有浆液溢出时方可结束自由段注浆。浆体凝固期(72 h)内不得敲击、碰撞。

(5)挂钢筋网喷混凝土。根据被支护围岩面上的实际起伏形状进行钢筋网铺设。钢筋网与系统锚杆或锚钉头连接牢固并尽可能多点连接，以减少喷混凝土时钢筋网发生振动现象。锚钉的锚固深度不小于20 cm并确保连接牢固、安全、可靠。对于挂双层钢筋网的部位，第一层钢筋网施工按照上述施工方法进行。第二层钢筋网需要在第一层钢筋网喷混凝土覆盖(覆盖厚度5 cm)完成后进行，钢筋网与系统锚杆或锚钉头连接牢固。第二层钢筋网完成后，进行喷混凝土施工至设计厚度。

(6)设置随机排水孔。该部位原设计施工图中未考虑排水孔。实际施工中，部分地方出现渗水，个别地方甚至很严重，故在实际施工过程中，根据现场实际情况对渗水地方增设了排水孔。

4 质量与安全控制

(1)质量控制。主要从控制进场施工原材料、细化施工专项方案交底、严管施工工艺过程、及时进行质量验收、操作人员培训持证上岗等方面加强管控。

(2)安全控制。除围岩安全监测外，还采取了诸如加强安全防护用品管理，加强安全教育培训及特种设备作业人员持证上岗管理，严格控制洞内低压照明、洞内通风，加强脚手架等高处作业现场的巡查力度，安排专职安全人员巡视等措施对现场施工安全进行全方位的管控，以确保现场施工安全。

5 结 语

牛栏江红石岩堰塞湖灾后治理项目通过灾后重建在地震塌腔壁的支护施工中成功采用三维激光扫描及全自动机器人测量检测系统进行塌腔壁的稳定判断及监测，对扫描分析判断的塌腔壁进行分区分块，采取有序 “蚕食化”支护施工，在全面安全监测体系的支持下，在严把施工质量的前提下成功地将地震形成长达7 a之久且余震不断的塌腔壁支护完成，为后续类似塌腔体的支护施工获得了宝贵的施工经验。