锚索新技术在榆林窟岩体加固工程上的应用

　　锚索新技术在榆林窟岩体加固工程上的应用

　　樊锦诗1 　　李传珠2

　　(1. 敦煌研究院, 甘肃敦煌　736200 ; 　2. 铁道部科学研究院西北分院, 甘肃兰州　73000)

　　关键词: 榆林窟; 岩体病害; 锚索加固内容摘要: 本文在简要阐述榆林窟岩体病害的基础上, 论述了锚索新技术在石窟岩体加固工程中的应用。针对石窟文物的特点, 采用了不同于其他地质灾害防治工程的设计原则、施工技术, 较好地解决了榆林窟岩体稳定性问题。

　　中图分类号: K854. 3 ; G264. 3 　　文献标识码: B 　　文章编号: 1000 —4106 (2000) 01 —0119 —04

　　一、概况榆林窟又称万佛峡, 位于甘肃省安西县榆林河峡谷内, 北距安西县城70KM。窟区地处祁连山北麓山前地带, 地层主要为第四纪陆相沉积物, 从老到新依次为玉门系砾岩和酒泉系砾石层。窟区玉门系砾岩出露在榆林河河床, 呈南高北低之势, 成岩性较好, 为钙质胶结, 岩性坚硬, 所以有的论著上曾把玉门系砾岩划归第三系。榆林河洒床以上为第四纪酒泉系砾石层, 砾石层为钙泥质混合胶结, 层理清晰, 卵石成分复杂, 粒径多为4～15mm , 夹有大孤石。

　　从窟区穿过的榆林河流向为N25°W, 发源于肃北蒙古自治县野马山, 流径戈壁处渗入地下,形成暗河, 至石包城又涌出地面汇集成河, 北流约45KM至榆林窟南面的岩洞和岩缝进入窟区,长期侵蚀切割岩性较松散的酒泉系砾石层, 形成了窟区两岸近直下切约30. 0 的峡谷地貌景观。

　　榆林窟的洞窟即开凿在东、西直立的酒泉系砾石层崖壁上。从初唐至元代, 在东崖岩壁上共开凿了(现存) 三十一个洞窟, 主要集中在南北长约170m范围内。洞窟分上、下两层, 其中上层十九个, 下层十二个。在西崖岩壁上共开凿了十一个洞窟, 分布范围较大, 其中31～36 # 窟集中分布在长约80m 的陡壁上。

　　安西地区处于河西走廊地震带的西端, 地震动烈度为Ⅷ度, 该地震带受北西西向深大断裂构造控制和北北西向新构造影响, 地震活动较强烈度。据历史记截, 敦煌、安西、玉门、酒泉、清水一带, 曾多次发生地震, 其中1907 年10 月14日和1932 年12 月15 日发生的两次较大地震在安西造成人员伤亡和民房倒塌, 城墙开裂, 估计为5. 2～5. 8 级地震。

　　榆林窟地区气候干燥, 平均年降雨量为59mm , 而年蒸发量却高达1500mm。降雨多集中在每年的6、7、8 月份, 最高气温35 ℃, 最低气温- 30 ℃, 多风, 风蚀作用强烈, 是典型的风蚀地貌。

　　二、榆林窟的岩体病害榆林窟的岩体病害可分为两大类, 一是岩体裂隙发育, 将窟区岩体切割成许多条块, 形成危岩体, 直接威胁洞窟的安全; 二是榆林窟河河水在汛期淘刷西崖坡脚, 使窟区岩体崩塌, 危极洞窟安全。

　　1. 岩体裂隙造成的病害窟区岩体裂隙主要有两组: 第一组裂隙为与崖面平行的N25°W张性裂隙, 呈“V”字型, 上部宽度达0. 5m , 贯通性好, 它系在构造基础上形成的卸荷裂隙。

　　该组裂隙与崖面垂直, 走向为N65°E , 与第一组裂隙近直交。

　　上述两组裂隙将洞窟所在岩体切割成许多条块, 对洞窟造成了下列危害;(1) 裂缝将窟区岩体切割成许多条块, 特别是第一组平行于崖面的长大贯通裂隙, 使裂隙外侧的岩体与后部岩体分开, 形成危岩体, 在地震力和其他自然营力作用下, 岩体产生大规模崩塌倾倒, 对文物造成毁灭性破坏(图版20) 。

　　(2) 大气降水沿岩体裂隙下渗, 一是造成窟顶及四壁潮温, 壁画剥落; 二是雨水沿裂隙下渗至坡脚, 泡软坡脚岩体, 使其承载力降低, 在重力作用下岩体下错, 也同样可对洞窟造成灾难性破坏。

　　(3) 窟区崖面的冲沟、冲槽、漏斗斜坡都是在大气降水作用下在岩体第二组N65°EE 裂隙基础上形成的, 这些冲沟、冲槽进一步切割岩体,使岩体更加破碎, 造成岩体的局部崩塌。

　　2. 榆林河河水淘刷西崖坡榆林窟西崖31～36 # 窟岸坡脚在汛期直接受榆林河河水冲刷, 31～34 # 洞窟的甬道和前室之所以残缺不全, 就是因为河水长期淘刷坡脚, 导致了洞窟建成后曾发生大规模岩体崩塌和倾倒塌, 给洞窟造成了严重破坏。(图版21)三、榆林窟岩体加固工程的设计原则文物加固工程不同于一般地质灾害防治工程, 例如: 滑坡治理工程、泥石流治理工程和高边坡加固工程, 这些工程可以用抗滑桩, 锚索抗滑桩、挡墙等大型钢盘混凝土圬工或刷坡、减载等工程措施, 允许改变原来的自然地貌景观, 而文物加固工程是绝对不允许的, 必须做到修旧如旧, 保持原来的自然和人文景观。

　　针对榆林窟岩体病害特点, 在加固工程设计中贯彻了下列原则:1. 采用最先进的技术加固榆林窟的危岩和破碎岩体。

　　经过反复论证和比较, 及现场试验最后决定采用先进的锚索技术加固榆林窟的危岩和破碎岩体。锚头和承压板封在岩体内, 表面再用原岩物质加以修饰, 贯彻了修旧如旧的原则, 保持了榆林窟的原貌, 把我国的文物加固技术提到了一个新的高度, 达到了世界先进水平, 得到国内外专家和文物局领导的好评。

　　2. 榆林窟开凿在第四纪酒泉系砾石层上,裂隙发育, 岩体已相当破碎, 多处形成危岩, 采取的加固措施应尽量减少对坡体的扰动。

　　由于单根据锚索的锚固力远大于锚杆的锚固力, 这就排除了用均布锚杆加固, 岩体的方案,若用锚杆方案, 仅加固东崖岩体就需用上千根锚杆, 锚杆孔密～麻～像蜂窝, 对坡体扰动大。

　　3. 加固措施必须切实可行, 在实施过程中能确保文物的安全。

　　四、岩体加固工程根据上述岩体加固设计原则, 敦煌研究院委托铁道部科学研究院西北分院进行了施工图设计和施工, 施工前首先进行了施工可行性和锚索锚固力拉拨试验。

　　1. 东崖12 # ～17 # 窟窟区岩体裂隙特别发育, 大范围内形成危岩险情大, 岩体有随时崩塌倾倒的危险, 被列为第一期抢险工程。(图版22)此段共设计了123 根锚索, 其中控制大范围内岩体稳定的锚索54 根, 每根长13～18 m , 累计长度748m , 锚固段长度5～6m , 设计锚固力为37.5t , 加固局部危岩体的锚索44 根, 每根长7. 5～8. 5m , 累计长度330m; 坡脚加强锚索25 根,每根长11～11. 5m , 累计长度275m。除25 根加强锚索由6Φj15mm , 钢绞线组成。嵌进岩体内的承压钢板规格为200mm ×200mm ×20mm , 锚具为XM15 —5 及XM15 —6 ; 水泥砂浆配合比为: 水泥∶砂∶水= 1∶1∶0. 38～0. 4 , 水泥为425 # 普通碴酸水泥, 砂子过筛孔径为6mm。

　　在施工中根据岩体实际破碎情况, 又增加了4 根局部锚索(合计35m) , 抢险工程实为127 根锚索, 总长1419m。

　　抢险工程1992 年10 月12 日开工, 1993 年8月12 日竣工。

　　2. 东崖17 # 窟以北6 # 大佛窟～29 # 窟窟区岩体加固工程为东崖第二期岩体加固工程。

　　东崖第二期加固工程共设计了157 根锚索,其中控制锚索83 根, 每根长13～21m , 累计长度1290m; 局部锚索54 根, 每根长7. 5～8. 5m ,累计长度为405m , 加强锚索20 根, 每根长11.5m , 累计长为230m。每根锚索的钢绞线根数及水泥砂浆配合比等同上。施工中又增加了9 根锚索(合计长度为81m) , 东崖第二期工程实为166根锚索, 总长1996m。在进行岩体加固的同时,对崖顶7 个大冲沟进行了处理, 在洞窟洞门外陡壁上新建了195. 42m 长的钢筋混凝土栈道, 在28 # 窟和29 # 窟洞门之间新建了长7m , 宽4.2m 的桥式钢筋混凝土平台。

　　东崖第二期加固工程1994 年3 月17 日开工,19994 年8 月27 日竣工。

　　东崖两期工程共施工锚索293 根, 总长3415m; 栈道195. 42m。

　　3. 西崖岩体加固工程和栈道工程(1) 西崖岩体加固程共设计了75 根锚索其中控制锚索40 根, 每根长7. 5～14. 5m , 累计长500m; 局部锚索35 根, 每根长7. 5m , 累计长度为262. 5m , 有关参数同上。施工中增加了7 根短锚索(合计长28. 2m) 。所以西崖锚索实为82 根, 总长791m。

　　(2) 建栈道77. 6m。

　　(3) 坡脚防冲护墙长30. 2m , 墙高1. 9m～2. 5m , 厚0. 5m , C15 砼, 加Φ16 锚杆30 根。

　　五、施工技术如上所述, 第四纪酒泉系砾石层为钙泥质混合胶结, 卵石粒径多在4～15mm 之间, 成分不均, 并夹有大孤石, 裂隙发育, 岩体干燥, 这些都给锚索施工带来了困难; 同时沿窟内壁车有空鼓, 剥落现象, 两组主要岩体裂隙几乎在所有洞窟都有出露, 相邻洞窟之间的隔墙最薄处厚度不到2m , 施工中如何保证文物的安全, 也给锚索施工增加了难度。

　　在此情况下, 锚索施工必须解决下面三个技术关键:1. 如何减小锚索孔施工中的震动、确保壁画安全如上所述, 第四纪酒泉系砾石层为钙、泥质混合胶结, 遇水浸泡, 强度降低崩解, 所以锚索孔施工不能使用循环水钻进, 必须干钻。而且因岩体裂隙发育, 若开水钻进, 循环水沿裂隙进入窟内, 对窟内壁画势必造成破坏, 也是绝对不允许的, 所以锚索孔施工采取了冲击钻进的方式。

　　但冲击钻进不可避免地会遇到震动问题, 若震动过大, 会使窟内本来并不牢固的壁画脱落甚至造成窟项岩层隧落。当时国产的冲击器频率低, 冲击力大, 减震装置性能不好, 经试验不适合在此情况下施钻锚索孔。为解决这一技术问题, 从日本利根公司引进了轻型高频冲击器, 并采用低风压钻进, 危险地段风压控制在4Kg/ cm2 以下。由于采取上述措施, 所以在锚索孔施工中未对壁画造成任何损坏。而且采用高频低风压钻进, 产生的岩渣为粉状和小破块, 便于出渣清孔, 岩渣容易通过钻杆与套管之间的环形空间, 若冲击力过大, 将首先把孔底岩层击松, 使钙泥质胶结不牢的砾石层中的卵石与胶结物质分开, 形成松散的“砂卵石层”, 就不容易扰松散活动的卵石击成粉状或小碎块, 大块岩渣滞留孔底影响进度, 而且大块岩渣进入钻具与套管之间的环形空间后卡死, 钻具转动时带动套管同时转动, 使套管脱扣, 造成钻探事故。另外, 大块岩渣滞留孔底,抬高钻具前端, 还会导致钻孔上翘。

　　2. 如何保证锚索孔顺直第四纪酒泉系砾石层胶结不好, 成分不均,且夹有大孤石, 钻进过程中容易引起钻孔偏斜,若不采取措施会造成打穿壁画的严重事故。为使锚索孔顺直, 确保锚索孔施工质量和文物安全, 施工中采取了下列技术措施:(1) 在钻杆上安装导向棒, 使钻具轴线保持平行。

　　(2) 跟套管钻进, 并使冲击器后端始终不超出套管, 套管前端装特制八梭合金钢钻头, 扩孔时低压推进。当锚索孔较深时, 并用钻孔测斜仪检查个别孔是否顺直, 发现问题及时纠正。

　　由于采取了上述有效措施, 东、西崖近400个锚索孔无一出现偏斜, 施工中对文物未造成任何损坏。

　　3. 反向压浆确保灌浆质量榆林窟开凿在岩体裂隙非常发育, 岩体干燥的酒泉系砾石层中, 这给锚索孔灌浆带来了极大困难。若采用一般灌浆方法, 从孔口向里压浆,由于岩体干燥, 水泥砂浆在沿孔壁流动过程中前部砂浆中的水分迅速被岩体吸收而变稠、流动性减小, 阻力增大, 水泥砂浆滞留在中途, 无法灌到孔底, 造成锚固段灌浆不饱满会严重影响锚固力, 不能保证工程质量。为解决这一问题, 采取了反向压浆工艺, 即将灌浆管送到孔底, 由孔底向外压浆, 这种方法可确保灌浆饱满。灌浆管可采取柔性塑料管也可采用金属管。在灌浆过程中, 当压力达到8Kg/ cm2 时, 即缓慢向外抽压浆管, 每次抽2m 左右, 直至浆液从孔口溢出为止,确保了灌浆饱满。

　　为防止浆液沿裂隙流进窟内污染壁画, 在灌浆前首先对窟内裂隙进行了封堵、填充, 并且在灌至大裂隙部位加大浆液的稠度。窟内未出现跑浆现象。

　　总之, 榆林窟岩体加固工程采用先进的锚索技术, 真正做到了修旧如旧, 很好地保持了原来的自然风貌和人文景观, 把我国的石窟岩体加固技术提高到了一个崭新的高度, 达到了世界先进水平。同时, 在施工中解决了许多技术关键, 为我国石窟岩体加固积累了许多宝贵经验, 是石窟岩体加固工程的一个范例。(摘自《敦煌研究》2000.1）