龍游石窟3號(hào)洞窟頂板裂縫發(fā)育機(jī)理及加固支護(hù)研究*

高丙麗 張海祥 楊志法

(①西安科技大學(xué)，西安 710054，中國) (②中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029，中國)

0 引 言

龍游石窟位于浙江省龍游縣城北3ikm處的鳳凰山南麓，在方圓 0.38ikm2范圍內(nèi)規(guī)律地分布著24個(gè)古洞室，洞室面積從1000～3000im2不等。多數(shù)洞室從矩形洞口開始垂直向下延伸，整個(gè)洞室取斜頂加巖柱結(jié)構(gòu)，似“倒斗型”。其精心的規(guī)劃布局，精湛的開鑿工藝，精妙的石室結(jié)構(gòu)，精致的洞窟鑿痕，吸引了國內(nèi)外眾多史學(xué)家、考古學(xué)家、建筑學(xué)家及地質(zhì)學(xué)家(楊志法等，2000；Yue et al.，2010；李麗慧等，2018)前來勘查研究。其開鑿年代、開鑿人及用途至今未有定論，已成千古之謎；其在歷史、文化、科學(xué)等方面的價(jià)值可與世界Bet-Guvrin等著名古地下工程相媲美(Tsesarsky，2013；李麗慧等，2018)。龍游石窟圍巖為白堊系紅色粉砂巖，屬于一種易風(fēng)化的巖體(特別是其中的泥巖夾層更是如此)。1～5號(hào)洞洞窟內(nèi)的水被抽干后，易風(fēng)化的巖體直接暴露在空氣中。此外，洞口圍巖還受到陽光照射、雨水沖刷和植物根系的破壞作用，這將使巖體的自然風(fēng)化(包括生物風(fēng)化)的程度加快。洞室群具有跨度大、上覆巖層過薄、地下水位較高、相鄰洞室間距較小等特點(diǎn)，導(dǎo)致洞窟出現(xiàn)了洞口巖層風(fēng)化嚴(yán)重、圍巖及洞壁滲水、巖柱頂板和壁墻開裂等嚴(yán)重問題，例如3號(hào)洞窟頂板巖體開裂、6號(hào)洞窟洞口坍塌、12 號(hào)洞窟及18號(hào)洞窟出現(xiàn)頂板脫落、24號(hào)洞窟洞頂平板式塌方等。

對(duì)于龍游石窟古洞室群來說，頂板的穩(wěn)定直接決定著洞室本體的存在。除了邊墻及巖柱的直接支撐作用之外，頂板的穩(wěn)定性還將受到洞室本體條件和賦存環(huán)境等因素的影響。因此，為保持洞室的長期穩(wěn)定，研究頂板裂縫的發(fā)育機(jī)理尤為重要。許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究：李麗慧等(2005b)研究了洞室頂板產(chǎn)狀與巖層產(chǎn)狀之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)洞頂傾向、傾角與巖層傾向、傾角十分接近，并用數(shù)值方法得出了在這種情況下洞頂易保持穩(wěn)定的結(jié)論；姚囝等(2018)研究了不同層理面強(qiáng)度條件下的緩傾斜層狀巖體強(qiáng)度及破壞形式變化特征；祝介旺等(2009)從工程力學(xué)方面分析了1號(hào)洞頂板的開裂方式和特點(diǎn)；Zhang et al. (2014)對(duì)石窟平頂處的破壞機(jī)理做了相應(yīng)研究；李麗慧等(2005a)從三維數(shù)值計(jì)算入手，利用Flac3D分析了頂板的受力特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)斜頂情況下頂板的受力條件更好，更利于洞室頂板的穩(wěn)定；劉帥奇等(2018)利用PFC數(shù)值軟件研究了巖體強(qiáng)度與裂隙傾角間的關(guān)系，確定了巖體強(qiáng)度與裂縫傾角最大值、最小值間的大小關(guān)系；王學(xué)良等(2010)利用數(shù)值方法分析了巖柱強(qiáng)度與頂板受力之間的關(guān)系，得出3-2號(hào)巖柱強(qiáng)度的降低導(dǎo)致頂板裂縫的擴(kuò)展增多的結(jié)論。這些成果為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)，但均是從單一角度進(jìn)行的分析。若能從不同角度分析頂板產(chǎn)生裂縫的因素并加以防護(hù)，有效控制裂縫發(fā)展的長度、寬度，將對(duì)洞室的長久保護(hù)起到重要的作用。

本文以龍游石窟3號(hào)洞窟為工程背景，從古洞室內(nèi)部及周圍環(huán)境、力學(xué)原理、智能監(jiān)測(cè)等方面開展頂板裂縫發(fā)育機(jī)理的研究。這項(xiàng)研究對(duì)龍游石窟的進(jìn)一步保護(hù)具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

龍游石窟洞室群具有大跨度、超淺埋等特點(diǎn)。因旅游開發(fā)，1～5號(hào)洞窟經(jīng)歷由滿水到無水的巨大環(huán)境變化，隨后洞窟出現(xiàn)了不同程度的破壞：頂板出現(xiàn)離層、掉塊、裂縫，圍巖風(fēng)化，其中頂板的裂縫擴(kuò)展尤為凸出。因3號(hào)洞窟頂板裂縫發(fā)育迅速且所處環(huán)境復(fù)雜，因此本文以3號(hào)洞窟為例開展研究。在2001年、2008年和2017年對(duì)頂板的裂縫做了統(tǒng)計(jì)(圖 1)，發(fā)現(xiàn)頂板的裂縫處于不斷發(fā)育之中，在3-1號(hào)巖柱處的頂板發(fā)現(xiàn)了新的裂縫，兩根巖柱之間的頂板出現(xiàn)了拉張裂縫和弧形裂縫(王學(xué)良等，2010)。為控制裂縫擴(kuò)散，在2007年對(duì)洞室做了加固處理，并以該年起開始對(duì)洞室頂板和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)，對(duì)3-1號(hào)巖柱處的頂板采用由3根鋼柱組成的聯(lián)合鋼構(gòu)架對(duì)其進(jìn)行了加固，同時(shí)在每根鋼柱上部的東西南北4個(gè)方位布設(shè)了應(yīng)變片，以量測(cè)鋼柱垂直向應(yīng)變的變化；在洞頂、邊墻等裂縫發(fā)展密集區(qū)設(shè)置了測(cè)縫計(jì)，以監(jiān)測(cè)其沉降、開裂狀況。此外，在每個(gè)洞室中還設(shè)有溫度計(jì)和濕度計(jì)，對(duì)洞窟內(nèi)溫度和濕度進(jìn)行定期巡檢。

圖 1 3號(hào)洞頂板裂縫分布圖Fig. 1 Development of cracks in the roof of No. 3 rock cavern

2 影響頂板裂縫發(fā)育的因素

3號(hào)洞窟是圍巖變形破壞最嚴(yán)重的洞窟之一，不僅靠近洞口的3-1號(hào)和3-2號(hào)巖柱出現(xiàn)了開裂，頂板也出現(xiàn)了大范圍的開裂。其中，圍繞兩根巖柱出現(xiàn)了很多弧形裂縫，并且開裂范圍幾乎連接成片。針對(duì)3號(hào)洞窟的巖柱開裂和頂板開裂，于2014年之前已經(jīng)進(jìn)行了東南角頂板錨噴處理、巖柱支頂加固、洞口錨噴掛網(wǎng)防護(hù)、洞頂卸荷及防滲處理。2017年4月，在3號(hào)洞窟洞口北側(cè)頂板發(fā)現(xiàn)了5條新生裂縫(圖 1)，并且裂縫寬度有逐漸增大的跡象。這說明洞口附近的頂板穩(wěn)定性正在大幅度下降?，F(xiàn)主要從以下幾方面進(jìn)行分析。

2.1 洞口處頂板上部巖石懸臂及洞口臨空面的影響

在3-1號(hào)巖柱，即靠近洞口的巖柱，其頂部南端一段頂板(即洞口北邊沿)為洞口的臨空面，且洞口北邊有一部分處于懸臂狀態(tài)，即圖 2所示部分。在洞頂懸臂部分上部有一層因風(fēng)化形成的石塊堆積。一方面，這些石塊壓在洞窟頂板上加大了頂板的荷載，引起頂板的下沉及開裂。另一方面，這些荷載將極大增加頂板懸挑部分的彎矩，使懸挑部分的頂板處于受彎和受剪的受力環(huán)境，這是洞口處新發(fā)育裂縫產(chǎn)生的主要原因。

圖 2 3號(hào)洞窟3-1號(hào)巖柱處的懸臂薄頂板及裂縫Fig. 2 Cracks on the cantilever thin roof near the No. 3-1 rock pillar in cavern No.3

由圖 2可以看出，洞口北邊沿呈懸臂狀態(tài)的頂板很薄，這將不利于頂板的受力，而影響頂板的完整性，易形成裂縫。在臨空面處，與臨空面垂直方向的巖體水平應(yīng)力為0，當(dāng)向洞內(nèi)方向延伸遠(yuǎn)離臨空面時(shí)，洞頂垂直臨空面方向的水平應(yīng)力趨于均勻且不為0。由于洞口西側(cè)為側(cè)壁約束，東側(cè)為連續(xù)頂板，均具有相應(yīng)的約束。隨著向洞內(nèi)方向逐漸延伸，頂板東西兩側(cè)受到約束作用，平行臨空面方向的頂板剖面在中間與邊緣部分易產(chǎn)生應(yīng)力差。在同一剖面兩端處應(yīng)力較大，中間位置處應(yīng)力較小，中間的巖體可向平面外移動(dòng)。在應(yīng)力差作用下臨空面巖體易產(chǎn)生裂縫。

2.2 雨水、干濕循環(huán)、溫濕度等因素

洞口巖體在多種因素作用下發(fā)生物理化學(xué)變化，并導(dǎo)致風(fēng)化(李麗慧等，2012)。首先是雨水，一方面呈酸性的雨水具有化學(xué)侵蝕作用；另一方面雨水將改變巖層的含水率進(jìn)而影響力學(xué)性質(zhì)。由于上覆巖層很薄，地表水會(huì)滲入洞頂巖層內(nèi)，洞頂圍巖在干濕交替作用下加劇風(fēng)化。其次是地下水，在枯水、豐水不同季節(jié)，河水與地下水交互補(bǔ)給，洞室周圍地下水位變化對(duì)洞室圍巖造成影響(李麗慧等，2004)。此外，游客增多對(duì)洞室內(nèi)的空氣、溫濕度等造成影響，游客對(duì)圍巖的撫摸、刻劃也對(duì)圍巖造成影響。

2.3 卸荷作用的影響

因旅游開發(fā)洞中水被抽干后，原有的洞室、水體的整體平衡被打破，在3號(hào)洞室東側(cè)壁相鄰洞室影響下，圍巖將產(chǎn)生不對(duì)稱卸荷(韓剛等，2013)并導(dǎo)致應(yīng)力重分布。洞室應(yīng)變指向洞內(nèi)，在洞室頂板、洞壁產(chǎn)生裂縫，直至達(dá)到新的應(yīng)力平衡。此外，為減輕巖柱受荷，建議將壓在3號(hào)洞窟洞口北沿部分上方風(fēng)化嚴(yán)重的巖塊進(jìn)行清除。清除時(shí)應(yīng)分層分次進(jìn)行，以避免瞬態(tài)卸荷對(duì)頂板造成二次傷害而形成更多的裂縫。卸荷作用切割巖體產(chǎn)生了各種裂隙及結(jié)構(gòu)面，加劇了洞室風(fēng)化及滲水病害的形成。上述幾種因素相互作用，在綜合作用影響下導(dǎo)致裂縫的發(fā)育速度加快。

3 龍游石窟頂板裂縫發(fā)育機(jī)理

3.1 巖體的斷裂

根據(jù)外力的作用方式和裂紋的擴(kuò)展形式，斷裂力學(xué)將裂紋分為張開型、滑開型和撕開型。其中張開型裂縫最危險(xiǎn)也最容易發(fā)生，圖 1中的L1、L2、L3等為該類裂縫。為充分描述洞室裂縫特征，將柱子處頂板的圓環(huán)型裂縫稱為環(huán)狀半包圍裂縫，圖 1中的n1、p4、p7為該類裂縫。這種裂縫貫通后，頂板與柱子的連接強(qiáng)度大大降低，將危及洞室頂板的穩(wěn)定，甚至坍塌。對(duì)于平面問題，假定裂紋尖端塑性區(qū)與裂紋長度及試樣寬度相比非常小，把材料當(dāng)作完全彈性體，按線彈性理論，可得出各種類型裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的解析式。以張開型裂紋為例，引入應(yīng)力強(qiáng)度因子(蔡美峰等，2002)的概念，其定義式為：

(1)

式中：KI為張開型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子；σy為y方向的裂紋尖端應(yīng)力；r為裂紋深度；θ為裂紋裂開角度。式(1)中表征了裂尖附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度，其值大小取決于荷載的形式與數(shù)值、物體的形狀及裂紋長度等因素。3號(hào)洞窟洞口頂板處荷載大、巖層薄，且已發(fā)育的裂縫最長達(dá)十多米，均導(dǎo)致頂板的應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)、應(yīng)力強(qiáng)度因子增大。

式(1)為應(yīng)力強(qiáng)度因子的極限表達(dá)式。在實(shí)際計(jì)算中，平面應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式為：

(2)

式中：F為與裂紋的幾何特征、邊界條件等有關(guān)的系數(shù)；σr為遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力；a為裂縫的半長。根據(jù)龍游石窟頂板裂紋的特征，當(dāng)應(yīng)力為單純的平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，查詢應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)，F(xiàn)取值為1。由于龍游石窟現(xiàn)場(chǎng)文物保護(hù)要求，未對(duì)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，所以這里取巖石的抗拉強(qiáng)度代替σr進(jìn)行近似計(jì)算，巖石的抗拉強(qiáng)度見表 1。3號(hào)洞頂板裂縫半長基本上均在1im以上，這里a取1im進(jìn)行計(jì)算，得3號(hào)洞圍巖的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：

(3)

表 1 龍游大型古地下洞室群圍巖基本物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table1 The physical and mechanical properties of the surrounding rock of large ancient underground rock cavern group of Longyou

測(cè)試項(xiàng)目平均值測(cè)試項(xiàng)目試件含水狀態(tài)風(fēng)干飽水天然密度ρ/g·cm-32.28彈性模量E/MPa45003030干密度ρd/g·cm-32.21泊松比υ0.2660.269飽和密度ρω/g·cm-32.31單軸抗壓強(qiáng)度σc/MPa31.6118.13天然含水量ω/%4.31抗拉強(qiáng)度σt/MPa1.63—相對(duì)密度G2.71c/MPa—5.6孔隙度n/%19.19φ/(°)—26軟化系數(shù)ηc/%57.36

當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子K達(dá)到一個(gè)臨界值(即斷裂韌度，用Kc表示)時(shí)，裂紋就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致物體的斷裂。斷裂韌度Kc值越大，裂紋越不容易擴(kuò)展，它是抵抗裂紋擴(kuò)展能力的參量，與材料有關(guān)。古洞室的頂板為泥質(zhì)粉砂巖，為中等堅(jiān)硬巖體，Kc值較大。Kc的具體取值見3.2節(jié)。

3.2 巖塊、巖體特征及頂板的斷裂

古洞室的主要圍巖為泥質(zhì)粉砂巖。巖塊的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表 1(楊志法等，2010)。可以看出，泥質(zhì)粉砂巖成巖程度不高，屬中低含水量和中低密度砂巖。根據(jù)其彈性模量及單軸抗壓強(qiáng)度，該泥質(zhì)粉砂巖屬于中等堅(jiān)硬巖石(楊志法等，2010)。結(jié)合圖 1及3.1節(jié)中對(duì)裂縫類型的分類，在3號(hào)洞窟洞口北側(cè)多為張開型裂縫，巖柱周圍表現(xiàn)為環(huán)狀半包圍裂縫。而環(huán)狀半包圍裂縫中的n1位于頂板臨空面的兩端有約束處，在約束和重力作用下表現(xiàn)為撕開型裂縫；其余未說明處多為張開型裂縫。從實(shí)際情況分析，可作出如下判斷：圍巖的斷裂韌度相對(duì)斷裂因子而言比較小，而斷裂韌度可由下式(包含等，2017)計(jì)算：

σt=8.32Kc

(4)

式中：σt為抗拉強(qiáng)度；Kc為斷裂韌度。由表 1查詢圍巖的抗拉強(qiáng)度為1.63，可得斷裂韌度約為0.2。強(qiáng)度因子為2.88，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于斷裂韌度，這是因?yàn)閲鷰r抗拉強(qiáng)度大于實(shí)際應(yīng)力的近似計(jì)算。不過通過近似計(jì)算，可初步確定頂板圍巖裂縫的發(fā)育機(jī)理，為控制裂縫的發(fā)育提供基本依據(jù)。

4 加固支護(hù)方案

為控制頂板裂縫的發(fā)育及保證洞室的安全，龍游石窟研究所自2008年到2017年對(duì)古洞室頂板的開裂和下沉進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并根據(jù)部分監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了上文所述的局部支護(hù)。為控制裂縫的進(jìn)一步發(fā)育，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果提出了新的支護(hù)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了可視化展示。

4.1 監(jiān)測(cè)分析

4.1.1 裂縫監(jiān)測(cè)

頂板裂縫的監(jiān)測(cè)主要采用封閉式百分表測(cè)縫計(jì)。該種儀器的防潮性能較好，因此采用該設(shè)備對(duì)洞室裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖 3為3號(hào)洞窟裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)及沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布圖，其中給出了有關(guān)G3-R-C01、G3-R-C02、G3-R-C03等3處測(cè)縫計(jì)的分布點(diǎn)。圖 4為3處測(cè)縫計(jì)8ia來監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化值的年化平均曲線。

圖 3 3號(hào)洞窟頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig. 3 Distribution of the monitoring points in the rock cavern No. 3

圖 4 3號(hào)洞窟頂板裂縫變化值-時(shí)間圖Fig. 4 Change of roof cracking degree with time in rock cavern No. 3

分析圖 4 可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：(1) 3處裂縫均處于不斷變化之中。其中，G3-R-C01、G3-R-C02處裂縫變化比較明顯，張開值較大，G3-R-C03處裂縫變化相對(duì)較小，這說明越靠近井式洞口處裂縫發(fā)育越顯著。(2) 2015年之前G3-R-C01和G3-R-C02的曲線斜率較大，表示裂縫開裂較快；2015年后G3-R-C01、G3-R-C02處開裂度逐漸減小，其中G3-R-C02處的裂縫有趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。這說明先前的支護(hù)對(duì)支護(hù)處附近頂板裂縫的發(fā)育起到了緩解作用，表明支護(hù)效果反映良好。(3)G3-R-C03曲線至2014年前裂縫寬度幾乎不變，在2015后裂縫寬度變大。(4)G3-R-C01在2016年后開裂速度減小，但沒有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，結(jié)合G3-R-C01的位置(位于臨空面處)，說明臨空面處還需要進(jìn)行新的支護(hù)。

4.1.2 沉降監(jiān)測(cè)

由于油封式百分表頂板沉降儀(張路青等，2010)具有良好的防潮性能，所以主要采用該種儀器對(duì)各洞室的頂板進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，其分布見圖 3，取G3-R-S01、G3-R-S02、G3-R-S03、G3-R-S04、G3-R-S05等5處具有代表性的位置進(jìn)行分析。圖 5為5處監(jiān)測(cè)表盤8ia來頂板沉降的年化平均曲線。

圖 5 3號(hào)洞頂板沉降-時(shí)間變化圖Fig. 5 Change of roof settlement with time in rock cavern No. 3

由圖 5 可得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：(1)G3-R-S03、G3-R-S04處頂板的沉降已趨于穩(wěn)定。其他3處的頂板仍處于變化之中，其中G3-R-S01儀表變化較大，在2015年變化加劇，頂板出現(xiàn)上翹現(xiàn)象；與此同時(shí)，G3-R-S02曲線在2014年之后也變化明顯，頂板出現(xiàn)明顯地下沉現(xiàn)象；而G3-R-S05處的頂板在不斷上翹，且沒有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。(2)根據(jù)第一條中所述的頂板變化現(xiàn)象，結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值(圖 5)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布位置(圖 3)，說明G3-R-S01和G3-R-S02處于相反的變化趨勢(shì)，G3-R-S03和G3-R-S04處于相反的變化趨勢(shì)。這說明頂板的沉降是分區(qū)的，且每一塊的沉降因相鄰塊區(qū)的擠壓呈一側(cè)下沉另一側(cè)翹起的現(xiàn)象，表現(xiàn)為頂板的不均勻沉降。

經(jīng)上述分析，頂板裂縫不斷擴(kuò)展，頂板處于不均勻沉降變化之中。需根據(jù)受力及變形給予恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)處理，以控制裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展和頂板的不均勻沉降。

4.2 關(guān)于新的支護(hù)方案的構(gòu)想及其可視化

上述監(jiān)測(cè)分析說明頂板處于不均勻沉降變化之中，頂板的裂縫發(fā)育也未停止。因此，為控制頂板的不均勻沉降及裂縫的發(fā)育，本節(jié)提出了新的支護(hù)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了可視化。

4.2.1 新的支護(hù)方案的構(gòu)想

由監(jiān)測(cè)分析結(jié)果可知，原有的鋼柱支護(hù)緩解了巖柱處頂板裂縫的發(fā)育，但支護(hù)作用主要體現(xiàn)在對(duì)巖柱受荷的分擔(dān)，對(duì)緩解頂板裂縫發(fā)育的范圍較小。先前僅對(duì)3號(hào)洞窟3-1號(hào)巖柱進(jìn)行了加固支護(hù)，但3-1號(hào)和3-2號(hào)巖柱的破壞程度十分嚴(yán)重(尤其3-2號(hào)巖柱)，承載能力大大降低(王學(xué)良等，2010)。另外頂板裂縫發(fā)育迅速，已產(chǎn)生環(huán)型裂縫，頂板處于不完整狀態(tài)(圖 1)，繼續(xù)發(fā)育可能刺穿頂板。因此，本文提出一套支頂式支護(hù)方案對(duì)洞室進(jìn)行整體加固(圖 6)。

圖 6 3號(hào)洞加固平面布置圖Fig. 6 Reinforcement scheme of No. 3 cavern L-1，L-2，L-3，L-4，L-5，L-6，L-7，L-8為加固梁；z-1，z-2，z-3，z-4，z-5，z-6，z-7，z-8為加固柱

圖6為新的加固方案的平面布置圖，在洞室的關(guān)鍵部位布置鋼柱，在裂縫發(fā)育較多和受力復(fù)雜的位置處設(shè)置鋼梁，例如3號(hào)洞窟洞口頂板臨空面邊緣部分設(shè)置鋼梁。由于洞頂為不規(guī)則曲面，鋼梁上部需要設(shè)置分布式支點(diǎn)(可參見下文第4.2.2節(jié)有相關(guān)描述)與洞頂斜面接觸，以分散力的傳遞控制裂縫的發(fā)育。這一套支頂式加固方案不僅符合國家文物保護(hù)法中有關(guān)盡可能不改變文物原貌的原則(中華人民共和國文物保護(hù)法，2002)，而且可對(duì)洞室的整體穩(wěn)定進(jìn)行有效的保護(hù)(Yang et al.，2016)，使這一文化奇觀可以更長久地保存下去。

4.2.2 新的支護(hù)方案的可視化

為充分展示這一新的支頂式加固方案，本節(jié)采用BIM技術(shù)對(duì)該加固方案及洞室進(jìn)行了三維可視化展示。本文采用revit建立洞窟模型：首先建立洞窟的三維地質(zhì)模型。其次，在洞窟地質(zhì)模型上按設(shè)計(jì)好的加固方案在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)和標(biāo)高的位置建立整體支護(hù)模型。

龍游石窟洞室具有以下特點(diǎn)：巖體為磚紅色粉砂巖、洞窟頂面為曲面、四周墻壁為斜墻、巖柱截面為熨斗型，且圍巖均雕刻有精細(xì)的紋理等。顯然這些異形面、多標(biāo)高、細(xì)雕痕、傾斜墻等特點(diǎn)均給建模帶來了難度。這些不規(guī)則問題也是BIM在巖土方面發(fā)展較慢的原因(Zhang et al.，2016)。本文采用的解決方法為：對(duì)于柱子等異形面構(gòu)件需單獨(dú)建族；對(duì)于曲面頂采用體量建模(通過修改軟件中的曲面模型得到實(shí)際需要的曲面構(gòu)件)的方式建立；細(xì)雕痕在大空間環(huán)境下顯示出來的難度較大，可建立模型后導(dǎo)入lumion在后期處理中解決；斜墻問題若采用體量則與真實(shí)狀況差異較大，且?guī)r壁縱向橫向及內(nèi)外均有差異性，并不適宜采用體量建立，因此采用板單元改變子圖元高程的方法建立斜向巖壁，即根據(jù)巖壁內(nèi)外不同凸起狀況改變板單元內(nèi)部任意一點(diǎn)的高程來解決，以保持和實(shí)際邊墻的凹凸起伏形狀一致。

在地質(zhì)模型建立后，按照?qǐng)D 6的加固方案，按設(shè)計(jì)尺寸在地質(zhì)模型上建立整體支護(hù)模型。但對(duì)于梁頂?shù)姆植际街c(diǎn)(圖 7)和特殊構(gòu)件，采用單獨(dú)建族的方式建立模型，建立好的加固模型如圖 8所示。該種支頂式加固方案是首次在文物保護(hù)中使用，根據(jù)先前的局部支護(hù)效果查看，該方案起到了很好的保護(hù)作用。另外，加固的效果圖可以以視頻、圖片的方式輸出，并為保護(hù)工作提供形象、便利的可視化資料，更有利于該方案的使用與推廣。

圖 7 支護(hù)結(jié)構(gòu)的分布式支點(diǎn)Fig. 7 Visualization of the engineering short column between the beam top and the roof top

圖 8 3號(hào)洞窟的三維加固支護(hù)效果圖Fig. 8 3D visualization of reinforcement in No.3 cavern

5 智能化監(jiān)測(cè)的設(shè)想

由已有監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，洞室的頂板穩(wěn)定情況不容樂觀。另外，新的支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)施后，結(jié)構(gòu)本身也需要監(jiān)測(cè)。因此，需要構(gòu)建智能化監(jiān)測(cè)方案。智能監(jiān)測(cè)主要包含頂板和巖柱、支護(hù)結(jié)構(gòu)、相關(guān)環(huán)境3個(gè)方面的監(jiān)測(cè)。其中，頂板和巖柱的監(jiān)測(cè)包括頂板沉降、頂板表面開裂、頂板表面傾斜、巖柱的環(huán)向膨脹等內(nèi)容。支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)包括支撐立柱壓力、支撐立柱傾斜、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變等。相關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)包括滲水漏水、圍巖溫濕度、環(huán)境溫濕度等。智能監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布見圖 9。

圖 9 3號(hào)洞的智能監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig. 9 Distribution of intelligent monitoring points of No.3 cavern

5.1 頂板、巖柱的智能監(jiān)測(cè)

在原有的油封式百分表基礎(chǔ)上，在原測(cè)點(diǎn)布設(shè)CK-ROL1200CI-CMOS01型高精度攝像儀，進(jìn)行表盤的圖像采集，并實(shí)現(xiàn)儀表盤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)舊設(shè)備的自動(dòng)化。對(duì)原有的沉降點(diǎn)進(jìn)行恢復(fù)安裝，布設(shè)YTDG1010型拉線式位移計(jì)監(jiān)測(cè)頂板的沉降。將原有的頂板裂縫計(jì)更換為VWD50型振弦式裂縫計(jì)，實(shí)現(xiàn)裂紋的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。3-2號(hào)巖柱有膨脹變形趨勢(shì)，在巖柱上、中、下3個(gè)部位布設(shè)YTDG1010型拉線式位移計(jì)監(jiān)測(cè)巖柱的膨脹變形。另外，可采用聲波測(cè)試(張曉平等，2018)的方法測(cè)出巖柱內(nèi)部的裂縫發(fā)展?fàn)顩r，確定巖柱的破壞情況，進(jìn)而確定對(duì)頂板的影響作用。

5.2 整體支護(hù)結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測(cè)

在整體支護(hù)結(jié)構(gòu)上預(yù)裝T-970型支撐軸力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的受力情況。在整體支護(hù)結(jié)構(gòu)上布設(shè)RUWP260型差壓式沉降儀，監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)由于頂板沉降而產(chǎn)生的豎直變形。在立柱的適當(dāng)位置安裝測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)因受荷產(chǎn)生的橫向變形，以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。在支護(hù)結(jié)構(gòu)的分布式支點(diǎn)頂部(圖 7)墊層布設(shè)貼片式應(yīng)變計(jì)，監(jiān)控支撐立柱的應(yīng)變及內(nèi)力變化。

5.3 相關(guān)環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)

在邊墻軟弱夾層的凹槽處布設(shè)RMC60-RS485型溫濕度傳感器以監(jiān)測(cè)巖體表層或內(nèi)部的溫濕度變化。在洞室入口處、洞內(nèi)合適位置布設(shè)RMC60-RS485型環(huán)境溫濕度儀，監(jiān)測(cè)洞室內(nèi)部空氣溫濕度變化。在相應(yīng)位置布設(shè)CK-ROL1200CI-CMOS01型高精度攝像儀，利用均勻定時(shí)打光和滲水面積影像數(shù)字化來監(jiān)測(cè)洞內(nèi)的滲漏水情況。此外，在洞室附近的勘查鉆孔中布設(shè)HHYX型超聲波物位計(jì)和VWP-G型水位計(jì)以監(jiān)測(cè)地下水水位變化情況。

該智能監(jiān)測(cè)方案，可以更好地監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)和洞室的協(xié)調(diào)穩(wěn)定，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支護(hù)過后的洞室，協(xié)助支頂式支護(hù)方案為洞室的長久穩(wěn)定發(fā)揮重要的作用。

6 結(jié) 論

(1)通過對(duì)影響裂縫發(fā)育的因素及裂縫發(fā)育特征的研究可知，頂板在多因素交互影響下裂縫發(fā)育加劇，頂板處于不完整狀態(tài)。為保證洞室的長期穩(wěn)定，需確定影響裂縫發(fā)育的主要因素并加以防治。因此，擬在后續(xù)的智能監(jiān)測(cè)中研究各個(gè)因素導(dǎo)致頂板產(chǎn)生裂縫所占的比重，確定導(dǎo)致不同區(qū)域裂縫發(fā)育的最主要因素。

(2)基于平面裂紋問題，得出巖體產(chǎn)生裂縫的機(jī)理：當(dāng)巖體的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于斷裂韌度時(shí)，頂板將產(chǎn)生裂縫。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，先前的支護(hù)緩解了裂縫的發(fā)育，支護(hù)區(qū)以外的裂縫發(fā)育速度加快；支護(hù)區(qū)范圍外的頂板處于水平和垂直的綜合運(yùn)動(dòng)變化之中，頂板變形呈現(xiàn)空間化，洞室頂板的整體穩(wěn)定性下降。

(3)針對(duì)原有支護(hù)的不足，提出了一種支頂式加固方案，并采用BIM技術(shù)對(duì)該方案進(jìn)行了可視化展示。另外，提出了智能化監(jiān)測(cè)措施，以協(xié)助加固方案更好地保護(hù)洞室的穩(wěn)定。