龍山石窟搶險加固保護實施對石窟的成效

葛海江

摘 要：龍山石窟始鑿于唐代，開鑿至今已有1300余年，在漫長的歷史年代中，隨著石窟區環境的變遷，在自然和人為等不利因素的影響下，石窟所依附的地質和環境載體產生了變化，存在巖體松弛卸荷、位移、石刻造像風化剝落、水流沖刷、溶蝕酥堿、植物生化破壞等多種地質病害。這些病害嚴重威脅到龍山石窟造像的安全，2015—2017年對龍山石窟巖體進行了搶險加固保護，此次加固工程對保障石窟整體結構穩定起到了重要的作用，有效保護了龍山石窟的完整。

關鍵詞：龍山石窟;加固措施;保護效果

龍山位于山西省太原市西南20千米的群山之中，屬呂梁山脈分支，位于峰頂的龍山石窟始鑿于唐代，主窟開鑿于元代，明代略有增補，共有9個洞窟，是我國現存少有、規模最大的純道教石窟，1996年被國務院公布為第四批全國重點文物保護單位。唐武周女皇帝武則天封王子晉為升仙太子，親筆所書《升仙太子碑》碑文，晉陽（北都）為紀念此事，于龍山昊天觀東側巨石上開鑿兩個道教石窟，分別為玄真龕和三天大法師龕。元太宗六年至十一年（1234—1239），由全真教道士宋德芳（道號披云子）主持開鑿五個石窟。龍山石窟保存至今，是中國道教文化的杰出代表，更是山西道教文化發展史上的光輝一頁。

1 龍山石窟存在的病害與問題

石窟主要的巖體病害為裂隙、植物生化作用、雨水和風化等作用。其中，裂隙分為卸荷裂隙和構造裂隙，一般長數米，有些裂隙縱深發育至石窟內，裂隙與構造面相互作用將石窟區巖體切割成大小不同的塊狀，從而形成危巖體，易產生崩塌危險。植物的根系則容易形成根劈作用，加速了裂隙的發展，形成危害。由于石窟裸露在戶外，每逢降雨天氣，雨水會順著巖體內裂隙的發育，形成雨水滲漏通道。下滲的雨水使泥質膠結的礫巖層松散，對石刻和石雕造成嚴重風化。

1.1 裂隙病害

由于龍山石窟石質為砂巖和砂礫巖，石質較為松軟，耐風化能力和承載力比較低。另一方面，由于龍山石窟外部宋德方曾記載的閣樓隨著歷史原因塌毀，石窟被裸露在外。數百年以來，受太原地區地震等地質災害影響，巖體發育出多組構造裂隙、卸荷裂隙。這些裂隙和構造面相互作用，錯綜復雜，將石窟區巖體切割成塊狀，石窟分割后結構不穩定，形成危巖體。部分裂隙直接延伸發育至石窟內山體，貫穿了地下水通道，改變了窟內空氣的濕度，加大了石窟受潮的危險。龍山石窟第4窟左側的大裂隙（圖1）是石窟病害中最為明顯的裂隙，也是最為危險的病害，如果任由發展必將危及石窟的整體結構，造成石窟結構性坍塌。

1.2 植物根劈和生化作用

龍山石窟位于太原市西山，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，夏季雨熱同季，地表植被此時生長最為旺盛。龍山石窟周邊植被主要為落葉小喬木、灌木和雜草。植物根系深入已有的卸荷裂隙、構造裂隙和軟弱層里面，一方面根系是為了從土壤和巖石中吸取營養元素，在生長的過程中，根系則順著巖體裂隙，一直往深處生長，隨著樹木越長越大，這種根劈的作用力慢慢使得巖體進一步開裂破碎，進而對文物造成破壞。另一方面，植物枝葉等掉落腐爛后分泌出有機酸和氣體，形成腐殖質，與巖石中的礦物質發生化學反應，腐蝕和分解巖體內碳酸鈣，加速了巖體的風化速度和破壞程度。

1.3 風化作用

龍山石窟的風化病害主要表現在兩個方面：一是風吹日曬，雨雪水消融滲透，致使石窟巖體的外表面風化導致巖體崩解、墜落、剝落等。每年春季石窟外表面都會有大量的片狀巖石從石窟外立面巖體上掉落下來;二是石窟內雕像等表層膨脹、色彩脫落。這兩種都是基于物理和化學等作用致使石窟被破壞。總體來說，龍山石窟第2、3窟和第5、6窟較其他幾個窟保存較好，色澤較鮮明。第1、7窟由于窟頂巖體裂隙，產生較大裂縫，雨雪水順著裂縫滲透至石窟頂部。第1窟頂部巨型蟠龍龍紋風化嚴重，目前剩1.5平方米左右，可見巨大龍爪和部分龍身;第7窟頂部據記載為二龍戲珠浮雕圖案，由于長期雨水侵蝕，大部分浮雕已模糊不清，隱約可見龍形條紋。風化與裂隙分布也有關系，一般來說，裂隙附近風化較為嚴重。

根據《玄都至道披云真人宋天師祠堂碑銘并引》“……修葺三年，殿閣崢嶸，金朱丹雘，如鰲頭突出一洞天。”可知元代時期石窟外修建了規模宏大的窟檐建筑，有效保障石窟不受陽光和雨水直接侵蝕。但由于歷史原因，原窟檐建筑塌毀，目前僅剩崖體上遺留的圓形孔洞和第3、4、6、7窟附近可見的石質柱礎石，石窟裸露在戶外。受雨水沖刷和溫差影響，風化過程通常呈層狀厚約1厘米片層脫離，但過程較為平緩。石窟窟內風化較為復雜，受氣溫和濕度等因素影響，一般風化面表現為粉化脫落。石窟頂部浮雕一般表現為沿巖石水平層理的層狀脫落;壁面較為陡直的部位一般為鱗片狀脫落;粒度較粗的雕刻表面由于礫石脫落，常常風化成微孔狀。

1.4 雨雪水和滲漏水等作用

因龍山石窟外部元代時期修建的窟檐體坍塌，石窟頂部處于原石裸露狀態，每逢降雨和下雪天氣，雨水直接對石窟表面進行沖刷，積雪的滲透消融，熱脹冷縮的過程對石窟危害較大。且龍山石窟第1、2窟因裂隙貫通，第1窟頂部有一條長約1.3米的缺口，在降大雨或短時暴雨時，雨水在窟頂匯集直接沖刷洞窟和崖壁巖體，對石窟的破壞性非常大，第1窟窟頂巨龍浮雕已被雨水侵蝕，大部分模糊不清，危害性極大。其他石窟由于雨水滲透而改變石窟內的濕度，特別是遇到連續多天的降雨天氣，雨水淋濕石窟外表面，并順著石窟縫隙逐漸滲透流動至石窟窟內，從而危害至石窟內壁的雕像以及彩塑繪畫，危及文物本體，危害性極大。

2 加固工程措施

目前，國內石質文物危巖體加固保護常用的是錨索或錨桿加固、掛網、注漿、砌補等方法，先進行勘察設計，根據危巖體實際情況有針對性地選擇使用。

龍山石窟危巖體裂隙發育、風化程度高且石窟開鑿密集，經計算危巖體處于穩定—基本穩定的狀態，不宜使用錨固工程。2015—2017年的保護工程采用注漿、裂縫封閉、砌補、截排水相結合的方法對危巖體進行加固。

2.1 裂隙注漿

“十一五”國家科技支撐計劃項目“石質文物保護關鍵技術研究”（2009BAK53B00）項目根據巖土質文物加固需求研發出裂隙灌漿新材料—礦物聚合物灌漿材料，并提倡應用于砂巖石窟裂隙注漿及局部修復補強。對裂隙擬采用無機礦物聚合物進行灌注并封堵做舊。

相對于傳統的水泥砂漿，無機礦物聚合物具有以下優點：①文物保護特殊性，強度和凝結時間可調;②主要成分和原巖接近，抗水耐久性強;③符合文物保護原則，和原巖結合得好。漿液在現場使用時固液配比為0.4～0.6，具體可根據現場裂隙開展情況進行適當調整。

在龍山石窟所進行的灌漿加固工程中，依據實際情況，裂隙注漿前先要清理干凈裂隙，如果裂隙不易清理可采用高壓吹氣法或高壓水槍法（不推薦使用）。較深的裂縫需先在裂縫中下部打孔，用高壓風由內向外吹風清理，并保留孔位分層埋設注漿管;裂縫封閉要密實，封閉口應鏟除風化層，采用界面黏結力強的聚合物進行封閉，以防有跑漿現象;注漿管需埋設于裂縫下部，上部設置出氣口，從下向上分層注漿，以保證漿液的飽滿性，使漿液能夠緊密有效地與土體結合，達到裂隙充填飽滿封閉的效果，漿液從充氣口冒出視為注漿飽滿。

工藝流程：裂縫檢測→裂縫面層處理→裂縫清理→確定注漿孔位→安置注漿管→封閉裂縫→安設底座→計算注漿量→配制漿液→安置注漿器→注漿→漿液飽滿度檢查→拆除注漿管→表面復舊處理。

2.2 砌補加固

巖體軟弱層通常由于風化作用形成了凹腔，為防止柔軟夾層中的風化凹腔繼續風化腐蝕，對凹腔部位進行砌體嵌補，砌體材料常規采用M10漿砌片石。砌筑時，對砌體底部進行清理，設置一定的倒坡，防止砌體產生滑移，保證嵌補砌體的穩定。砌體嵌補不可過量，且砌體表面要保持與周邊巖體的自然順接。砌筑后用水泥砂漿、巖粉、顏料、膠泥等材料進行表面做舊，保持崖面的整體平順和與周邊環境的協調。

龍山石窟第7窟存在歪閃和拉裂病害（圖2），歪閃病害發育在窟門北側巖體，巖體長70厘米，高35厘米，厚25厘米，1996之前已崩塌，隨即采用簡易支撐歸安。由于簡易支撐過于簡陋，無法承受上部重力，支撐結構失穩，巖體向南側歪閃，情況緊急。拉裂病害發育在龍山石窟第7窟窟門及北側立壁上方，巖體長約200厘米，高35厘米，厚25厘米，在上部載荷和自身重力作用下延風化裂隙向下產生拉裂。原有片石支撐不足以提供足夠的承載力且與石窟不協調，石窟外室頂部已出現四道卸荷裂隙，存在錯位現象，情況緊急。

龍山石窟第7窟外墻由于存在部分垮塌現象，垮塌之后僅做了簡單的歸安處理，歸安后的砌體幾乎不能為上部巖體提供承載力，因此必須對第7窟的缺失部分進行砌補加固。第5窟右側巖體下部出現凹腔，長期發展將無法支撐巖石的重量，從而發生局部垮塌，需要砌補。

3 保護效果及現狀

2015年5月至2017年年底，歷時3年時間對龍山石窟進行搶險加固，龍山石窟第4窟左側并貫徹第1、2窟巨大的裂隙進行了錨固、注漿加固，使石窟內部存在的巨大縫隙得到連接和加固，石窟結構較為穩定，阻斷了山體內部雨水向石窟方向發展的通道。將巨大的裂隙封堵之后，通過對裂隙表面砂漿石粉處理，在視覺上達到與原石窟巖體相一致的效果，達到保護的目的。

3.1 石窟大裂隙注漿砌補使石窟結構完整

龍山石窟第4窟左側外觀長約3.2米，最寬30余厘米，縱深2米左右的大裂隙，嚴重威脅到石窟的整體結構，是此次石窟搶險加固的首要問題。第一步，對裂隙使用具有拉力的錨索和錨桿加固，盡量減緩裂隙進一步發育和發展;第二步，毛石回填，注入無機礦物聚合物漿，讓原石窟之間的巨大裂隙得到填補，裂隙從外而內，逐步變窄，在末梢處粘連在一起，使石窟完整。注漿后，有效阻斷形成的地下水通道，使窟內空氣保持穩定狀態，延緩了石窟病害發展。對酥松的部分進行清理，用石塊砌筑石墻，從而恢復了承載能力，同時還原石窟原有風貌，保障了石窟的完整。

3.2 人工去除雜草，減少植物的生化作用

每年開春和秋末，定時安排工作人員對龍山石窟上生長的植物和灌木進行清理，減少植物根系根劈作用和酸性腐蝕對石窟的破壞，從而減緩石窟的風化和破壞。

3.3 砌補凹腔處，保障石窟結構穩定

龍山石窟第5窟右側下部凹腔處和第7窟玄門列祖洞窟外砌筑砂石墻體，增加底部和外部的支撐力，保證石窟結構穩定，從而得到持久保護。特別是第7窟外砌筑的砂石墻體有效支撐了第7窟窟頂的重量，保留了石窟原歷史風貌門洞和石窗，既能滿足游客參觀和采光需求，又保證了石窟外觀的美觀和整體性。

3.4 窟頂做防水處理，阻隔雨水侵蝕。

對石窟頂部使用現代聚合防水材料進行防水處理，再鋪厚約10厘米的細砂和黃土混合層，保證了防水效果，同時減小了石窟窟頂自身的重量和荷載壓力。此次防水處理有效阻隔了雨水的滲透、侵蝕和雪水在凍融之間轉化時對石窟巖石顆粒之間的縫隙造成的破壞。防水處理后第1窟窟頂未再發生因雨雪水而造成窟頂被水大面積浸濕的情況，有效保護了石窟頂部龍紋浮雕、雕像和題記等珍貴文物。

4 結語

總體來說，龍山石窟搶險加固工程對原石窟出現的大裂隙、凹腔處砌補、植物根劈和窟頂漏水等方面進行了搶險加固，對保障石窟整體結構穩定起到了重要的保護作用，對延緩石窟病害對石窟的影響起到較好的作用，有效保護了龍山石窟的完整。