砂巖類石窟寺保護新進展
——以云岡石窟保護研究新成果為例

黃繼忠 王金華 高 峰 王逢睿 齊 揚 劉紹軍

（1.上海大學 上海 200444；2.復旦大學 上海 200433；3.中國文化遺產研究院北京 100029；4.中鐵西北科學研究院有限公司 甘肅蘭州 730000；5.陜西省文物保護研究院 陜西西安 710075；6.中南大學 湖南長沙 410083）

以石窟寺為典型代表的石質文物在我國文化遺產中占有非常重要的位置，如山西大同云岡石窟、河南洛陽龍門石窟、重慶大足石刻等大型石窟寺歷來受到各級政府的重視，一些重要的石窟寺都經歷過多次維修保護。但是，由于這類文物的保護不僅與文物本身有關，而且與其賦存巖體、周邊環境等均有著密切的關系，所以成為文物保護中問題最為復雜的一種類型。近年來，在科技部支持下，國家文物局組織實施了科技支撐計劃項目——“石質文物保護關鍵技術研究”（以下簡稱“石質文物保護研究”）。該項目以云岡石窟為主要研究對象，針對我國砂巖類石窟普遍存在的共性關鍵技術問題，從既相互關聯又相對獨立的六個方面展開，包括無損或微損檢測技術在石窟保護中的應用研究、石窟水分來源綜合探查技術研究、石窟巖體穩定性分析研究、石窟危巖體治理關鍵技術研究、石窟文物表面有害污物清除技術研究以及石質文物防風化保護和施工工藝研究[1]。該項目是1949年以來我國石質文物保護領域最為系統的一次跨學科研究，取得了系列新成果，在我國的世界文化遺產和全國重點文物保護單位的保護工作中得到了推廣應用。本文將對該項目及其成果作出系統、扼要的介紹，有助于學界和業界了解我國石窟類石質文物保護的新進展。

一、項目立項前石窟類文物保護面臨的問題

在項目立項前，我國以云岡石窟為代表的石窟類文物長期面臨著水患、石窟巖體穩定性及石雕表面風化等病害與問題的威脅，一直缺乏有效的解決手段和方法。

1.水患

與普通的巖體不同，石窟巖體不僅與山體地質構造相關，而且與文物相關，這就決定了它與普通地質巖體的探查技術不同，更多地需要用無（微）損的技術解決。針對我國石窟寺存在的水的問題，水分來源通道探測技術長期沒有取得突破；影響石窟文物的凝結水的研究嚴重滯后，也一直沒有探索出治理方法。

2.巖體穩定性

石窟巖體的穩定性分析和評價與一般巖體也不同，之前尚未建立起相應的評價方法和手段。在石窟危巖體加固方面，雖然實際保護中較多運用非預應力錨桿，但這類錨桿屬于被動支護，只有當危巖體發生變形后，才發揮明顯的作用；而裂隙灌漿的辦法則需要解決灌漿后漿體與危巖體之間粘結力的長期效應問題。

3.風化石雕加固

之前我國石窟寺風化石雕保護加固問題缺乏系統的研究，主要原因在于：一是加固保護之前去除石質表面有害污染物的手段和方法滯后；二是石雕防風化加固材料依然難以滿足文物的實際需要，石窟文物在自然界各種營力的作用之下依然在快速地風化。

二、石質文物保護研究項目的主要研究內容

1.無（微）損檢測技術在石窟保護中的應用研究

該研究主要有三個方面：一是研究降低對文物的損害性的檢測方法，即在石質文物保護的分析檢測過程中，盡可能采用無損檢測方法替換目前的有損檢測方法；二是研究提高檢測精確度的方法，即對目前較為重要的石質文物表征指標開展檢測方法研究，提高其精確度和檢出限；三是石窟石質文物保護關鍵表征指標的前沿技術應用，即針對石質文物保護領域亟需的、目前檢測技術較難獲取的表征指標，開展有針對性的應用研究，擴展石質文物無損、微損檢測范疇。

2.石窟水分來源綜合探查技術研究

主要包括：采用計算機空間建模技術，開發裂隙巖體三維導水通道模擬識別系統，形成三維導水通道模型；利用六氟化硫（SF6）混合氣體鉆孔壓入技術，開展石窟滲水通道與規律研究；研發石窟凝結水測量技術、凝結水形成環境綜合監測技術及治理技術；了解石窟頂部降水入滲和水鹽聚散規律，研究石窟巖土體內降水和空氣中的水汽在氣候因子驅動下的循環轉化規律，最終形成石窟水分來源綜合探查技術[2]。

3.石窟巖體穩定性分析評價系統研究

主要包括：開展云岡石窟不穩定病害類型及破壞模式的調查分析研究、巖體結構網絡勘察及網絡模型模擬研究工作。通過開展石窟巖體溫度場、應力場監測分析研究，石窟巖體鹽類運移及積聚特征分析研究，水、溫度、鹽類作用、巖石劣化等因素對石窟巖體穩定影響綜合作用研究等多項研究，對云岡石窟巖體穩定性做出評估，研發建立云岡石窟重點區域巖體穩定性監測系統和石窟巖體穩定性分析評估系統[3]。

4.石窟危巖體治理關鍵技術研究

針對現有石窟危巖體保護治理技術，從勘察、設計、施工、檢測等環節進行系統的比較研究；通過試驗測試，改進石窟危巖體的錨固設計方法，進行現場錨固施工振動影響監控及施工工藝研究；研發錨固施工粉塵收集裝置及新型石窟危巖體裂隙灌漿加固材料，進行危巖體錨固及灌漿質量的無損檢測研究。

5.石窟文物表面有害污物清除技術研究

系統研究石雕表面各種不同類型污染物物質成分及組成，確定不同污染物對石雕文物的危害性，建立石質文物表層污染物評估的技術和方法；研發石質文物激光清洗裝備；系統評估現有石質文物清洗方法和工藝的安全性、可靠性和有效性，建立起適合砂巖類石窟文物表層污染物的清洗技術和工藝方法的體系。

6.石質文物防風化保護和施工工藝研究

進一步深入研究云岡石窟砂巖風化機理，系統評估已有的砂巖類石窟防風化材料的各種性能以及施工工藝，在此基礎上研發滿足云岡石窟砂巖石雕防風化加固的材料、工藝以及質量控制體系，建立石質文物防風化保護技術控制和評價系統，以解決風化砂巖類石雕保護的問題。

三、石質文物保護研究項目取得的新成果

1.無（微）損檢測技術在石窟保護中的應用研究

為準確掌握石質文物的表層風化程度、裂隙病害發育情況、風化石雕和巖體裂隙灌漿效果等，對現有可能用于石質文物保護的多種無（微）損檢測技術的適用性進行了評估研究，形成了系列技術以及相關操作規程，同時研制了用于石質文物風化表層的微損鉆芯取樣裝置。

（1）建立了風化病害及加固效果的無（微）損檢測技術體系

采用微損鉆芯取樣、高光譜及紅外成像、便攜式和實驗室熒光等技術，構建起砂巖文物風化病害的現場無（微）損檢測技術體系，可定性或半定量完成石質文物孔隙率、風化病害特征元素、結晶水含量、風化層厚度、風化程度分布、表面硬度等指標的測定和防風化加固效果的現場評估。而便攜核磁共振波譜分析可對石質文物加固前后孔徑分布特征進行無損檢測，實現石質文物風化病害以及加固保護效果的評估。

（2）建立了裂隙檢測及灌漿效果的綜合探查技術體系

主要包括裂隙圖像分析系統結合超聲波探測等技術的石窟文物近表面裂隙綜合無（微）損探測技術系統，和紅外熱成像與超聲波結合的裂隙灌漿效果評估無（微）損檢測技術方法，實現了對石質文物裂隙發育情況和灌漿效果的無（微）損檢測與評價。

2.石窟水分來源綜合探查技術研究

采用地球物理、地球化學、水文地質等多種監測、檢測手段，查明了石窟圍巖裂隙滲水通道，揭示了石窟內部凝結水形成機理和轉化的規律；對石窟周邊整體環境中的水分來源進行了前瞻性研究，揭示了大氣和巖體中的水汽遷移轉化對石窟文物的影響。

（1）解決了石窟含泥巖夾層的砂巖裂隙連通導水的復雜問題

對前人已有的研究成果開展了深入的分析，同時針對石窟典型區域，現場開展了詳細的裂隙測量，在此基礎上采用Joint-OKY2裂隙分析系統和蒙特·卡羅方法（Monte Carlo method）進行了石窟巖體三維裂隙網絡模擬[4]。結果表明切割云岡洞窟頂部和兩側壁的主要是北東向和北西向的交叉節理，而洞窟頂部貫通節理的發育對于石窟滲水才具有直接的意義。

（2）解決了凝結水的監測問題，研發了凝結水控制技術

通過對窟內水平方向不同深度、垂直方向不同高度的空氣溫濕度、巖石表面和內部溫度等各項參數的實時監測，全面了解了洞窟內巖壁凝結水形成的環境。系統改造了先前研發的凝結水測量裝置，達到了快速、大面積定量測量凝結水的目的。與洞窟內部環境監測的聯動實現了文物保存環境無線遠程控制除濕，達到了控制凝結水的目的。

（3）開展了窟頂水鹽聚散規律和窟內巖壁鹽分分布規律的研究

通過氫氧同位素的比較研究，明確了石窟區地下水來源主要為大氣降水。從覆蓋層土壤入手，探討了云岡石窟鹽分的形成過程，發現石窟頂部積水或者匯水區電導率較大，鹽分易于聚集；采用硫同位素分析對云岡石窟區硫的來源進行了研究，揭示出石窟表面鹽類中硫的來源主要是大氣干濕沉降而不是砂巖中的硫鐵礦[5]。

（4）開展了石窟山體水汽循環轉化規律的研究

建立了由窟區氣象站、石窟頂部覆蓋層監測系統、石窟圍巖監測系統（水平孔和垂直深孔）和洞窟內部環境監測系統組成的石窟山體水汽循環監測體系，應用該體系進行的整體監測結果表明，石窟巖體內部0.6m以內的空氣相對濕度超過90%，意味著石窟山體包氣帶相當于一個含有飽和水汽的空氣儲藏室，在氣壓和溫差作用下，整個包氣帶的水汽產生運移[6]。

3.石窟巖體穩定性分析評價系統研究

開展了石窟區危巖類型的分析與研究，建立了云岡石窟重點區域巖體穩定性監測和分析評估方法。

（1）從云岡石窟穩定性問題的類型、特點、識別方法入手，初步建立了以穩定性問題與識別、評價內容、評價方法、評價結論及預測為框架的相對完整的評價系統。

（2）對不同石窟巖體穩定性問題的內涵、概念進行了界定，結合云岡石窟巖體的特點，對地層巖性、結構、形制特點與石窟巖體穩定性的關系進行了分析評估，提出了云岡石窟巖體破壞模式。

（3）采用多種監測技術手段，結合石窟巖體特點，提出了系統監測方法、技術和指標，建立了適用于石窟保護研究的穩定性監測系統。通過對巖體表層及內部溫濕度的監測、鹽類分布和含量的調查、水氣運移作用的模擬分析、巖石風化過程及長效性能的研究，探討了溫度、應力、鹽等多因素體系下，巖體微觀性質改變及宏觀力學強度的衰減過程，揭示了多場耦合作用下石窟穩定性的變化規律。

（4）針對石窟巖體特征，開展了現場地質調查及室內巖石力學試驗，對石窟關鍵部位的穩定性進行THM耦合、動力及流變計算分析，對石窟各部位的受力、變形與破壞的長期時效進行了評價。

4.石窟危巖體治理關鍵技術研究

圍繞石窟危巖體治理關鍵技術，解決了勘察、設計、施工、檢測等環節的技術問題，提高了石窟危巖體治理水平。

（1）勘察環節。對以云岡石窟為代表的典型砂巖石窟危巖體病害發育的地質結構成因進行了分析，結合治理需求進行了危巖體破壞的力學模式分類，完善了石窟危巖體勘察技術要點。

（2）設計環節。通過現場實驗研究了不同形式單孔復合錨索對巖體附加應力場的影響，提出了預應力錨索治理危巖體的適用性條件及參數選取原則。對不同桿體結構形式及材料的輕型錨桿在石窟危巖體治理中的適用性進行了試驗研究。運用FLAC 3D、ADINA、PLAXIS等數值模擬分析軟件對錨桿錨固過程進行了計算分析，為錨固設計及方法改進提供了依據。

（3）施工環節。提出不同地層條件和文物保存狀況下的施工機械選擇、鉆機支架與導向裝置的改進、特殊條件下的鉆進工藝選擇與改進、確保鉆孔方位的動態測量手段等控制措施。自主研制了粉塵疏導裝置，解決了施工過程中造成二次粉塵污染的問題。研發的礦物聚合材料具有耐候性強、可灌性好、環境友好、工藝簡單及適應性強等特點[7]。

（4）檢測環節。運用自主研發的錨索質量無損檢測儀對危巖體錨固體系進行了工后質量檢測，并通過研發震蕩回波壓制法對原波形分析方法進行了改進。

5.石窟文物表面有害污物清除技術研究

針對石雕表面不同污物類型建立了污染物評估技術方法，研制完成了石質文物表面污染物的清洗裝備，建立了石質文物表面污染物清除工藝的評估方法和相關技術體系。

（1）系統分析了石窟表面的各種污染物及其與基底砂巖表層的結合狀況。其中粉塵沉積的黑灰色顆粒物與巖石表面貼合密切，煙熏黑垢則以黑褐色細小粒子不均勻堆積為特征，鐵銹污染物可出現在巖石表面或內部。

（2）開展了石雕表層污染物對文物影響機理的研究，結果表明：不同類型的污染物對于石雕的風化破壞作用不同，煙熏黑垢一定程度上可以減緩其風化，表面墨汁污染對文物本身有一定的“保護”作用，而粉塵黑垢則會促進對砂巖的破壞。

（3）研制了石質文物激光清洗機，其中實時在線監測和激光光斑位置指示系統的相關技術為項目研發單位特有。該設備的激光能量、輸出光束質量等主要指標均達到國際同類產品水平。

（4）開展了多種石質文物清洗技術和方法的研究，其中噴射清洗對于松散型污染物灰塵、泥土等污染具有良好的去除能力，適合表面未酥粉風化的各類石材；對于硬質結殼類污染物如水泥、鈣質結殼等，宜選擇微粒子噴射清洗并采用硬度較大的玻璃微珠、石榴石類材料；蒸汽清洗對墨跡、白灰、顏料污染物等的去除效果明顯。

6.石質文物防風化保護和施工工藝研究

以保護材料與環境、文物本體的兼容性為材料設計的指導思想，研發了三種適合云岡石窟石質文物保護的專用防風化材料，同時對其施工工藝進行了研究。

（1）以四甲氧基硅烷（C4H12O4Si）和甲基三甲氧基硅烷（CH3Si（CH3O）3）為基體，以甲基三乙氧基硅烷（C7H18O3Si）和正硅酸乙酯（C8H20O4Si）為補充并添加少量的含氟有機物和納米二氧化硅（SiO2）/巖石粉末顆粒，該材料具備色差小、滲透深及綜合防風化效果好的特點。

在制備二氧化鈦（TiO2）包覆二氧化硅（SiO2）復合納米顆粒的基礎上，通過高能機械球磨結合超聲分散的方法，制備了無機（二氧化鈦包覆二氧化硅的復合微納米顆粒）—有機（含氟有機物）超疏水性表面封護材料，所制備的超疏水性表面封護材料，滲透深度好、透氣性好、耐老化能力強，耐酸性能和耐鹽腐蝕性能的提高尤其顯著。

以具有良好綜合防風化性能的甲基三甲氧基硅烷為有機物，通過與二氧化硅溶膠的機械混合而制備出有機—無機防風化雜化材料，該材料具有粘度低（接近于水的粘度）、凝膠時間短且穩定性好等特點[8]，同時有效地降低了單一有機物加固涂層的開裂幾率。

（2）防風化加固施工工藝研究表明，針對不同區域、不同風化程度的石質文物，即輕度、中度、嚴重風化三種類型，采用加固材料的濃度和施工工藝應有所區別。如風化較為嚴重的區域采用加固材料從低濃度向高濃度逐步增加的多次梯度加固，采用較為柔和的加固施工工藝，如滴注法；而風化較為輕微的區域應盡量采用無色差的低濃度加固材料，施工時宜采用涂刷法、噴涂法或濕敷法進行。

四、余論

該項目所取得的研究成果，已成功應用于我國多處石窟寺和其他石質文物的保護中。如無損探傷檢測技術成功應用于我國“十二五”石質文物保護一號工程——大足石刻千手觀音造像保存狀況探測及評估中，為千手觀音的搶救性修復保護提供了有力的技術支撐；石窟水分來源綜合探查技術應用于云岡石窟防水保護工程設計，云岡石窟、龍門石窟、大足石刻凝結水研究以及吉林集安高句麗壁畫墓凝結水研究之中，為這些重要世界文化遺產的防水治水保護提供了科學依據和技術支撐；石窟巖體穩定性評價關鍵技術應用于云岡石窟五華洞、第三窟等六個洞窟的保護工程中，有效解決了云岡石窟巖體穩定性評價難題和危巖體加固問題，為云岡石窟的長久保護創造了條件；石窟危巖體治理關鍵技術應用于新疆吐魯番吐峪溝石窟、柏孜克里克石窟、勝金口石窟，以及甘肅酒泉榆林窟、四川樂山大佛等十多項重要石窟的保護工程中，使得危及石窟保存的危巖體得到有效治理，取得了良好的保護效果；石窟表面污染物清除關鍵技術應用于陜西咸陽乾陵石刻、順陵石刻以及江蘇鎮江英國領事館舊址、廣西崇左花山巖畫等文物的保護工程中，清除了對石質文物具有破壞作用的多種污染物，為這些磚石質文物的長久保存創造了條件。

然而，由于我國地域廣闊，石窟寺分布范圍廣，石窟雕刻的巖性、時代不同，再加上石窟寺賦存環境的復雜性，石窟寺保護依然面臨著許多難題需要進一步加強研究予以解決。如我國石窟寺文物風化的主控因素還不是很清晰，環境污染依然對我國珍貴的石質文物構成嚴重的威脅；水是引起石窟寺風化的最重要的因素之一，目前石窟寺防水、治水的技術、方法以及材料等還需進一步探索和試驗；石窟寺歷經數百年甚至上千年，已經遭受嚴重風化部位的保護加固問題依然沒有徹底解決；等等。

[1]王金華、黃繼忠：《圍繞核心問題 突破創新 規范提升行業科技水平》，《中國文物報》2012年9月7日第8版。

[2]同[1]。

[3]同[1]

[4]黃繼忠：《石窟水分來源探查的新技術》，《中國文物報》2012年10月19日第5版。

[5]同[4]。

[6]同[4]。

[7]王捷、王逢睿、申喜旺等：《無機礦物聚合物應用于龍山石窟巖體裂隙加固的試驗研究》，《新型建筑材料》2017年第5期。

[8]劉紹軍、孫敏、高峰等：《二氧化硅膠體基石質文物防風