周口店北京人遗址山顶洞地质病害治理方法

[摘要]介绍了运用注浆、锚固、可拆式遮雨棚及协调作旧等相结合的施工方法，对周口店北京人遗址山顶洞地质病害进行治理，有效地保护了遗址本体，取得良好效果。

[关键词]灌浆；锚固；遮雨棚；作旧

1　前言

周口店北京人遗址位于北京市房山区周口店龙骨山，距北京城约50公里。该遗址是我国古人类学、旧石器时代考古学和第四纪地质学的发源地，是世界上迄今为止人类化石材料最丰富、最生动、植物化石门类最齐全、而又研究最深入的古人类遗址。是我国第一批全国重点文物保护单位及世界自然与文化遗产之一。

周口店北京人遗址自1 927年考古挖掘以来，共发现有27个系统编号的化石点，而山顶洞是其核心区内分布的8个化石点之一，山顶洞共分四个部分：入口、上室、下室、下窨。前三部分都发现过人类化石和文物遗物，下窨只发现过动物化石，而且多是相当完整的骨架。此地发现了包括3个头骨在内的代表至少8个山顶洞人个体的化石材料。其发现的文物遗物相当丰富，是目前发现的其他中国旧石器时代晚期遗址无法相比的。

2　山顶洞地质病害特征分析

山顶洞由石灰岩组成，其洞顶横宽5～6米，纵向延长3～4米，平均厚度3米左右，最薄处仅有0.5米，岩体被缓倾层面和密集的陡倾节理纵横切割，使其完整性遭受强烈的破坏，岩体的质量等级和稳定性降低，主节理中间部位已与洞内穹形溶蚀顶贯通，漏水，极易形成顶板岩石失稳、塌落。洞内东南壁上发育的走向N15°W，倾向SW，倾角78°的一组节理与走向N70°W，倾向NE，倾角80°的另一组节理相交，造成侧壁倒楔型的岩块已出现塌落迹象。洞内西南的松散堆积受风化作用不断的产生掉块、滑落，特别是在强震作用下，危险性极大。由于山顶洞东南侧洞顶在挖掘时遭受破坏，现大气降水可直接落入洞内，不仅对洞内的文化层进行冲刷、侵蚀和风化破坏，而且沿裂隙的渗流对下侧与之处于同一构造带上的猿人洞南侧剖面也受到侵蚀破坏。

3　山项洞地质病害治理设计

3.1　治理原则

山顶洞加固治理工程，严格遵循“不改变文物的现状和修旧如旧”的原则。所采取的工程措施既具备有效的保护功能，又最大限度的减少对文物的干扰破坏，维护遗址现状，同时也不破坏其周边自然环境状态。

3.2　治理方案设计及要求

根据地质病害特征，采取灌浆加固(包括化学灌浆)与锚杆支护相结合，可逆的修复保护与最小干扰的加固保护相结合，稳固周边与补强本体相结合的治理方案。

3.2.1　危岩体的灌浆加固

对于洞体内外的岩体裂隙和松散的块石，设计采用1：1水泥砂浆对表面松散块石进行粘结，采用以环氧树脂为主剂对岩体裂隙进行人工粘结和封堵，然后采用水灰比为0.5：1的水泥浆进行灌浆加固。

对于洞内松散角砾堆积，根据其呈散体状，首先清除堆积体表面的污垢后，从下至上采用环氧树脂人工对砾石进行粘结，使松散体的表层强度首先得以提高，然后在其上进行灌浆孔及灌浆施工，灌浆材料选用水灰比为0.7：1的水泥浆，通过深层注浆使原松散体粘结成一个整体而提高其稳定性，并利川已形成的灌浆孔，采用锚杆将其与深部的岩体进行锚固，达到加固防护的目的。

3.2.2　危岩体的锚固

刘具有滑移、脱落、倾倒破坏特征的危岩体，设计采用预应力锚杆和非预应力锚杆锚固的方法来平衡岩体的破坏力，改善危岩体的受力状态，并对破裂结构面进行灌浆加固，提高危岩体的稳定性，使其稳定系数达到K0≥2.0。

根据试验，岩体中锚杆选用φ25蝶纹钢和φ48、壁厚3.2mm的钢管为锚拉杆，锚孔孔径为十φ90mm，采用水灰比为0.5：1的纯水泥浆灌注，以拉杆的屈服强度为极限抗拔力，即单根锚杆的抗拉设计值为150KN。

对于完整性比较好的危岩体，采用预应力钢筋锚杆，要求锚杆锁定前施加设计值75％的预应力，对于极破碎的岩块和土体，采用非预应力锚杆。并对具有剪切破坏特性的危岩体，采用φ48、壁厚3.2mm的钢管为锚拉杆，增加其抗剪强度。

3.2.3　对于洞顶的治理

对于东南侧洞顶的治理修复，设计在南侧基础中施工

个具抗震构造措施的铰支座，采用型钢为拱形支撑骨架，将已破坏的东南侧洞顶重新恢复，上覆玻璃钢顶棚，按残存洞体岩石的产状特征进行做旧处理，最终形式一个既可抵御外力破坏又可根据需要而随时拆除的可逆式“岩石遮雨棚”。

3.2.4　总体设计要求

(1)锚杆施工时，要求在易受震动影响破坏的地段采用无水干钻回转钻进成孔，不得采用冲击成孔或水冷钻进。

(2)施工时所用水泥要求采用42.5级以上的普通硅酸水泥。

(3)在角砾岩或松散角砾堆积中成孔施工时，易出现塌孔、夹钻等工程质量事故，施工时应根据现场实际情况采取相应的技术保证措施，如单动跟管钻进工艺等。

(4)山顶洞做旧处理时所选用的石料必须有质量保证。

(5)在施工前必须进行锚杆抗拨力试验及化学灌浆试验。

(6)工程的旋工不得对周边环境造成破坏和较大的影响。

4　山项洞地质病害治理施工工艺

4.1　灌浆施工

(1)对岩体内外裂隙进行探查，采用孔内摄影仪借助超深锚孔对孔内岩质及裂隙情况进行探查，准确掌握岩体内部的裂隙特征，以便选取相应的浆液和灌浆措施。

(2)对洞内松散角砾堆积体表层垃圾进行清理，其后按由下至上的顺序人工采用环氧树脂为主剂对砾石进行粘结，待粘结体具一定强度后，在周边采取顶撑措施的基础上，进行灌浆孔及灌浆的施工，施工时采用低转速回转钻进或低锤轻击的方式，并采用边成孔边灌浆的方法由下至上进行，灌浆材料选用水灰比为0.7：1纯水泥浆，必要时采用超细水泥，灌浆时采用低压灌注或人工无压灌注(压力不大于0.2MPa)。对于洞体内外岩体上的松散块石和裂隙，分别采用1：1水泥砂浆进行粘结和采用以环氧树脂为主剂对外部进行封堵，预留注浆孔，用水灰比为0.5：1的水泥浆进行灌浆加固。

4.2　锚固施工

(1)钻机定位、成孔：根据设计图纸并结合拟加固地点的内部特征及裂隙分布情况进行现场实测定位。按设计孔径，针对较破碎岩体、松散角砾层及对振动敏感部位采用风冷回转钻进成孔，对于完整岩体选用冲击钻进成孔，其成孔深度满足设计要求，清净孔内钻渣。

(2)锚杆制作、安装：锚杆采用符合设计要求的钢筋现场制作。杆体上焊制导正架。安装过程中，锚杆不得严重变形，安放后应居中，注浆管随锚杆一并下入孔底。对于以滑移、脱落破坏为主的危岩体锚固，宽大裂隙处需扩孔后加装抗剪钢管，抗剪钢管的位置及规格应通过孔内摄影仪检测岩石结构后确定。

(3)锚孔灌浆：锚孔灌浆采用水灰比为0.5：1的水泥浆(当孔内裂隙发育、裂隙宽度较大时，首先采用灰砂比为1：1的水泥砂浆进行裂隙灌浆)，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥。灌注时尽可能采用低压灌注或人工无压灌注，并从孔底灌起，边灌边提升注浆管，孔内注浆管不得离开浆液面，灌至孔口溢浆

时停灌(内锚固段灌满)。

{4)封孔：外锚固段强度达到设计强度的75％以上时，采用灰砂比为1：1水泥砂浆封孔，并进行做旧处理。

4.3　洞顶遮雨棚施工

4.3.1　防护棚基座定位与施工

基础座测量定位放线根据现场实际情况进行，工程不确定因素诸多，属于动态设计及动态施工调整，基座锚杆施工结束后对孔位进行复测，准确定位地脚螺栓及垫板尺寸规格位置。基座底部设置锚杆锚固，锚杆孔深2.0～3.0m，基座砼强度等级C30，基座厚度200～350mm。基座内设置双项φ12@150×150的环型钢筋。钢筋保护层厚度35mm施工时按设计要求预埋与上部连接的地脚螺栓，地脚螺栓规格夺40mm，螺母M39mm，并安装导正架。基座混凝土浇注后铺设20mm厚垫板，其上安装30mm厚底板。

4.3.2　棚架钢结构的制作与安装

棚架钢结构由三根拱形H型钢焊接而成，规格为H300×300×25×12，拱半径为4.5m，型钢之间用L50×5的等边角钢焊接连接。型钢底板与地脚预埋用预埋高强螺栓连接。为了方便运输与安装，将每根钢结构梁分三段制作，安装前应在平整地面采取平拼法进行预拼装，并作好预拼装记录。

每道钢结构按自南向北顺序依次安装。首先安装第一段钢梁，将其南端放置基座上定位，使北端挑起，同时，用脚手架管上下稳固钢梁，使它平稳紧国于脚手架上，再分别将第二段、第三段钢梁拉升相互接口对齐，校正梁的顶标高及梁身垂直度，校正无误后用脚手架管加固，焊接接口。焊接后进行一次整梁校正，校正无误后，将型钢底板与基座预埋地脚高强螺栓连接紧固，拆除稳固用脚手架，最后钢结构要做防锈处理，防锈等级为st2，刷一遍底漆，两遍防锈漆。

4.3.3　棚体施工及协调做旧

协调做旧施工是在钢结构及防水施工完成的基础上进行的。作旧材料选用与山体相协调玻璃钢仿石品，设计要求“与山体基本一致，协调做旧”的原则。施工前，首先对山顶洞周围的岩石进行考察，选出有代表性的部分岩体做为玻璃钢仿石品做旧的依据，然后由专业技术人员对现场岩体进行取模，按模具制成仿石品。仿石品的组装，首先由北侧向上进行安装，要求每一个接点要及时做防腐处理，仿石品的纹理要与岩体基本一致。仿石品组装完工后，对板与板之间的缝隙进行连接处理，当仿石品形成一个整体后再进行细部修理。最后根据岩体的颜色进行涂色，使仿石品颜色与周边岩体的颜色基本一致。

5　结论

周口店北京人遗址山顶洞地质病害治理工程中成功运用了注浆、锚固、可拆式遮雨棚及协调作旧等相结合的施工方法，使山顶洞岩体大大增强了稳定性，降低了风化剥蚀及雨水冲蚀速度，有效地保护了遗址本体，延长了其保存期，同时作到与周边环境协调一至，达到了预期目的。该工程的施工不但积累了保贵经验，而且可对今后类似工程的设计施工起参考和借鉴作用。

参考文献

[1]林宗元，岩土工程治理手册，中国建筑工业出版社，2005.11

[2]江正荣，地基与基础施工手册，中国建筑工业出版社，1997.7

[3]建筑边坡工程技术规范(GB 50330－2002)

[4]锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB50086－2001)