林 曉 旭，夏 維 學(xué)

(中國(guó)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(xiàng)目為2014年8月3日原紅石巖電站震毀后原址重建項(xiàng)目，項(xiàng)目位于地震中心，工程由堰塞體(大壩)、電站進(jìn)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(hào)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(zhǎng)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(yán)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(cuò)動(dòng)導(dǎo)致裂隙進(jìn)一步發(fā)育，巖石被進(jìn)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(xiǎn)泄流通道經(jīng)過該部位，在長(zhǎng)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(dòng)巖體、倒懸體、鑲嵌塊體等危巖體等，在余震及施工震動(dòng)的情況下時(shí)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(shí)有發(fā)生。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)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(jìn)行回填處理，必須進(jìn)行塌腔壁支護(hù)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(xiǎn)、初期噴護(hù)、錨桿支護(hù)與掛網(wǎng)噴護(hù)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(fēng)險(xiǎn)；二是因圍巖穩(wěn)定性較差，施工期間掉塊現(xiàn)象時(shí)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(jī)械作業(yè)，洞內(nèi)施工安全用電等施工安全風(fēng)險(xiǎn)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(dá)32 m。施工腳手架屬高排架，高排架施工墜落安全風(fēng)險(xiǎn)突出，施工高排架的坍塌風(fēng)險(xiǎn)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(duì)塌腔區(qū)穹頂圍巖進(jìn)行全面系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)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(xiàng)目部研發(fā)的三維激光掃描和全自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行整體變形判斷和局部變形測(cè)量，支護(hù)施工采取先安全區(qū)、后危險(xiǎn)區(qū)的分區(qū)分塊施工、“蠶食化”排危支護(hù)方式進(jìn)行施工。

3.1 加強(qiáng)圍巖安全監(jiān)測(cè)

3.1.1 塌腔區(qū)圍巖評(píng)價(jià)

為探明圍巖變形情況，采用“基于遠(yuǎn)程無接觸技術(shù)”對(duì)塌腔區(qū)圍巖進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。主要利用三維激光掃描技術(shù)的高精度、無接觸等特點(diǎn)遠(yuǎn)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(yàn)對(duì)施工區(qū)頂部巖體三維變形進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過收集現(xiàn)場(chǎng)崩塌巖樣進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)獲取巖體飽和抗壓強(qiáng)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(duì)主要結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)并對(duì)巖體完整性進(jìn)行分析；根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》 (GB/T50218-2014)[2]對(duì)崩塌區(qū)頂部巖體進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，并對(duì)施工區(qū)進(jìn)行危險(xiǎn)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(duì)塌腔壁按照危險(xiǎn)程度進(jìn)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(cè)分析

(1)三維整體變形監(jiān)測(cè)。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(cè)點(diǎn)沿崩塌區(qū)域外側(cè)共布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)6站，監(jiān)測(cè)周期約10 d一次；通過獲取三維激光點(diǎn)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(duì)崩塌區(qū)巖體表面結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)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(shí)別對(duì)崩塌區(qū)落石進(jìn)行巖石運(yùn)動(dòng)光學(xué)分析，判斷其破壞模式，對(duì)整體塌腔的穩(wěn)定性做出判斷(圖2)。

(2)局部變形監(jiān)測(cè)。采用徠卡TM50全自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)對(duì)塌腔區(qū)進(jìn)行單點(diǎn)式局部監(jiān)測(cè)，測(cè)站點(diǎn)設(shè)置在在7號(hào)施工支洞進(jìn)口安全處，控制點(diǎn)設(shè)置在7號(hào)施工支洞內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1個(gè)，設(shè)置在穹頂處；監(jiān)測(cè)周期為1 d1次，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)每站3個(gè)測(cè)回，完成5站，對(duì)所監(jiān)測(cè)的5個(gè)周期的水平和垂直方向累計(jì)得知的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行變形分析，根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知，所有測(cè)點(diǎn)的水平位移與垂直位移均小于1 mm。考慮到儀器誤差與設(shè)站誤差后，可以初步判斷測(cè)點(diǎn)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(cè)成果分析。根據(jù)對(duì)逐次監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)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(jì)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(kuò)展以及地下水對(duì)F4斷層內(nèi)部巖體的侵蝕作用。因此，施工期間應(yīng)重點(diǎn)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(chǎng)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警

利用三維激光掃描儀快速、精確的特點(diǎn)獲取不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)崩塌區(qū)的三維空間數(shù)據(jù)，并將多期數(shù)據(jù)進(jìn)行三維比對(duì)，精確把握一定時(shí)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(shì)及規(guī)律。為保證安全施工進(jìn)行了監(jiān)測(cè)預(yù)警，其具體步驟為：

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

(2)每隔一定時(shí)間對(duì)崩塌區(qū)頂部巖體進(jìn)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(gè)崩塌區(qū)頂部；

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

3.2 施工程序

根據(jù)安全監(jiān)測(cè)結(jié)果確定的塌腔區(qū)危巖體分區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)地震塌腔區(qū)域支護(hù)施工分四個(gè)施工區(qū)進(jìn)行施工。塌腔壁的支護(hù)施工必須保證泄洪沖沙放空洞的施工通道，在施工支護(hù)排架設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮預(yù)留通道設(shè)置。施工采取先進(jìn)行已露塌腔壁的支護(hù)施工，支護(hù)完成后再進(jìn)行堆渣體覆蓋范圍的塌腔壁支護(hù)施工。已露塌腔壁的支護(hù)首先進(jìn)行較為穩(wěn)定的WⅠ區(qū)域的支護(hù)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(hù)順序按照“WⅠ-1→WⅠ-2→WⅡ→WⅡ-1(邊墻)進(jìn)行。每個(gè)區(qū)域根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行分塊施工，每塊長(zhǎng)度原則上控制在10～15 m，每塊按照從上至下的順序進(jìn)行支護(hù)。WⅡ-1支護(hù)施工在WⅠ、WⅡ支護(hù)驗(yàn)收后進(jìn)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(hù)的方式進(jìn)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(hù)完成后，方準(zhǔn)許進(jìn)行下一層的堆渣體清理施工。

3.3 支護(hù)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(jī)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(hù)參數(shù)在施工過程中需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況會(huì)同四方可做適當(dāng)調(diào)整。

3.4 主要施工方法

(1)“蠶食法”排危支護(hù)。為保證施工安全，采用“蠶食法”施工理念，待清理支護(hù)完一片后進(jìn)行下一片的清理支護(hù)施工。錨噴支護(hù)施工前，將整個(gè)圍巖面松動(dòng)的石塊清除干凈，排除危險(xiǎn)源。考慮到施工安全問題，低矮處排危采用機(jī)械進(jìn)行，逐片進(jìn)行清理，嚴(yán)禁人工掏掘。浮石、石渣清除完成后，采用高壓風(fēng)槍將腔壁浮渣清理干凈；對(duì)機(jī)械設(shè)備不能進(jìn)行的高處采用人工用撬桿清理，清理時(shí)嚴(yán)禁正向清理。排危工作完成并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安全員、質(zhì)檢員聯(lián)合檢查完成并報(bào)監(jiān)理工程師驗(yàn)收完成后方可進(jìn)行下一工序施工。

(2)高排架的搭設(shè)。對(duì)排危清理驗(yàn)收后的分區(qū)塊進(jìn)行施工腳手架的搭設(shè)。腳手架的搭設(shè)必須進(jìn)行專題設(shè)計(jì)計(jì)算，經(jīng)技術(shù)負(fù)責(zé)人簽字審批后執(zhí)行。腳手架的搭設(shè)必須按照設(shè)計(jì)的要求進(jìn)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(hù)完畢的腳手架連成片。

(3)初噴混凝土施工。松動(dòng)石塊及圍巖面清理完成后，為避免圍巖外露時(shí)間過長(zhǎng)出現(xiàn)風(fēng)化，同時(shí)，為提高圍巖的整體穩(wěn)定性，首先對(duì)清理完成的圍巖面進(jìn)行噴混凝土(厚度5 cm)封閉。噴混凝土施工前，對(duì)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(hù)施工規(guī)范》(DL/T5181-2017)[4]，初噴混凝土達(dá)到終凝后進(jìn)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(duì)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(duì)扭力扳手進(jìn)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(jì)張拉荷載，對(duì)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(jì)值的25%，持荷5 min后進(jìn)行第二次張拉，張拉力為設(shè)計(jì)值的50%，持荷5 min后進(jìn)行第三次張拉，張拉力為設(shè)計(jì)值的75%，持荷5 min后進(jìn)行第四次張拉，張拉力為設(shè)計(jì)值的115%，最后一級(jí)張拉力達(dá)到設(shè)計(jì)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(cè)錨桿桿體的伸長(zhǎng)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(jì)值的10%時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償張拉。張拉結(jié)束后，開始對(duì)錨桿自由段進(jìn)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(rèn)進(jìn)漿管及回漿管暢通后方能進(jìn)行孔內(nèi)自由段注漿，自由段注漿應(yīng)注滿，當(dāng)回漿管有漿液溢出時(shí)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(hù)圍巖面上的實(shí)際起伏形狀進(jìn)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(diǎn)連接，以減少噴混凝土?xí)r鋼筋網(wǎng)發(fā)生振動(dòng)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行噴混凝土施工至設(shè)計(jì)厚度。

(6)設(shè)置隨機(jī)排水孔。該部位原設(shè)計(jì)施工圖中未考慮排水孔。實(shí)際施工中，部分地方出現(xiàn)滲水，個(gè)別地方甚至很嚴(yán)重，故在實(shí)際施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)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(jìn)場(chǎng)施工原材料、細(xì)化施工專項(xiàng)方案交底、嚴(yán)管施工工藝過程、及時(shí)進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收、操作人員培訓(xùn)持證上崗等方面加強(qiáng)管控。

(2)安全控制。除圍巖安全監(jiān)測(cè)外，還采取了諸如加強(qiáng)安全防護(hù)用品管理，加強(qiáng)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(yán)格控制洞內(nèi)低壓照明、洞內(nèi)通風(fēng)，加強(qiáng)腳手架等高處作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的巡查力度，安排專職安全人員巡視等措施對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工安全進(jìn)行全方位的管控，以確?，F(xiàn)場(chǎng)施工安全。

5 結(jié) 語

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