羅漢堂周邊及龍王廟洞窟病害調(diào)查及治理措施★

馮美生,葉倩華,張紅珠,王 成,周新宇

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.山西大同大學(xué)，山西 大同 037000；3.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110000)

云岡石窟位于大同城西16 km的武州山南麓，武州川的北岸，依山開鑿，石窟東西綿延1 km。云岡石窟作為中國四大石窟之一，在石窟史上占據(jù)著重要的地位，對后世石窟藝術(shù)的塑造和發(fā)展帶來了重大的影響，在中國石窟史上留下了濃墨重彩的一筆。羅漢堂周邊及龍王廟溝洞窟位于云岡石窟群中部，屬云岡第5，6窟的附窟。其中，羅漢堂周邊洞窟包括5-32～5-39窟及4-11～4-13窟，計(jì)11個(gè)洞窟；龍王廟溝洞窟包括5-16～5-31窟，計(jì)17個(gè)洞窟。

目前，針對巖體裂隙、危巖體、風(fēng)化、滲水、機(jī)械損傷、表面污染等石窟病害，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的進(jìn)展和成果。孫兵等[1]基于石窟區(qū)內(nèi)特殊的環(huán)境條件、巖性特征和巖體結(jié)構(gòu)，對龍門石窟的滲水病害采取堵、排結(jié)合的治理方案。齊揚(yáng)[2]以云岡石窟文物表面典型污物為研究對象,開展了云岡石窟文物本體及其表面污物基本性質(zhì)的分析梳理、激光清除表面典型污物的試驗(yàn)、激光清洗石質(zhì)文物工藝研究以及現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證試驗(yàn)等，對表面污物激光清洗的機(jī)理和文物安全性方面進(jìn)行了研究分析。黨冰[3]通過對現(xiàn)場石窟較詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察，確定石窟存在若干危巖體且風(fēng)化現(xiàn)象也較為嚴(yán)重。因此提出較適合龍山石窟的危巖體加固措施。王捷等[4]基于龍山石窟文物現(xiàn)存的病害情況，制備出主要原料為偏高嶺土、硅粉及石灰石粉等材料的裂隙灌漿材料，并對灌漿效果進(jìn)行檢測，證明了此灌漿材料的可行性。郭建永[5]針對云岡石窟風(fēng)化侵蝕的問題，提出可以通過降低大氣的污染程度，并涂刷化學(xué)保護(hù)劑來修復(fù)云岡石窟風(fēng)化侵蝕后的砂巖。

1 500余年來，云岡石窟羅漢堂周邊及龍王溝西側(cè)洞窟群在自然界各種營力和人為破壞的作用下，洞窟出現(xiàn)崖壁面裂隙發(fā)育、崖壁面片狀及粉末狀風(fēng)化、崖壁危巖、崖壁面表面徑流及沖刷、局部洞窟頂板有坍塌危險(xiǎn)、局部洞窟內(nèi)存在滲水等病害，這些病害的存在不僅削弱了洞窟賦存巖體的強(qiáng)度及整體性，不利于區(qū)域洞窟的穩(wěn)定存在；同時(shí)，各類病害的耦合作用形成了不利的惡性循環(huán)環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)各類病害的發(fā)育，因此十分有必要采取有效措施治理區(qū)域內(nèi)存在的病害，改善洞窟群的賦存條件。本文依據(jù)調(diào)查研究資料，對云岡石窟羅漢堂周邊及龍王溝西側(cè)洞窟的現(xiàn)存病害進(jìn)行分析，并提出治理方法，為石窟文物保護(hù)提供參考。

1 現(xiàn)存病害分析

羅漢堂周邊及龍王廟溝洞窟共計(jì)28個(gè)洞窟，洞窟主要存在表面風(fēng)化類病害、裂隙病害、危巖類病害、機(jī)械損傷類病害和表面污染類病害，下面對其進(jìn)行介紹。

1.1 裂隙病害

裂隙按照性質(zhì)及成因可分為構(gòu)造裂隙、層面裂隙、卸荷裂隙和風(fēng)化裂隙。前三種裂隙多分布在龍王廟溝西側(cè)至8窟上部立面及5，6窟附窟內(nèi)，而風(fēng)化裂隙分布在龍王廟溝西側(cè)崖壁立面上部。其中構(gòu)造裂隙從裂隙自身的力學(xué)性質(zhì)來說可以分為剪切裂隙和張性裂隙。剪切裂隙的延長較大，裂隙面較平直，切割深度相對較大，見圖1。張性裂隙的延長相對較小，裂隙面多呈鋸齒狀、不規(guī)則狀，切割深度相對較小，見圖2。層面裂隙一般在外立面近地表部位的寬度和深度都較大；而外立面下部及洞窟內(nèi)裂隙寬度較小，延長較大，見圖3。卸荷裂隙走向較雜亂，裂隙面多呈彎曲狀，在洞窟頂板沿層面裂隙開裂較為常見，規(guī)模普遍較小，常形成板狀剝落，局部可形成小規(guī)模危巖，見圖4。風(fēng)化裂隙走向較隨機(jī)，裂隙面多呈彎曲狀，規(guī)模普遍較小。

1.2 危巖類病害

在龍王廟溝西側(cè)至7，8窟北側(cè)崖壁立面存在66個(gè)危巖。石窟區(qū)內(nèi)危巖可分為滑塌式、墜落式和傾倒式三種類型。其中滑塌式危巖的傾角相對平緩，變形失穩(wěn)主要是由于抗剪強(qiáng)度不足所導(dǎo)致，見圖5。墜落式危巖或因自身結(jié)構(gòu)面不完整，或因下部的軟巖被風(fēng)化侵蝕而形成空腔，殘余部分的巖體底部懸空,見圖6。傾倒式危巖主要由重力產(chǎn)生的傾覆力矩使危巖繞支點(diǎn)向臨空方向發(fā)生傾倒破壞,見圖7。

1.3 表面風(fēng)化類病害

此類病害主要表現(xiàn)為片狀(板狀)起翹及剝落、風(fēng)化溝槽及孔洞，其次為粉化剝落。其中片狀(板狀)起翹(分離)病害均分布在外立面、洞窟內(nèi)側(cè)壁及文物本體上，形狀多呈薄片狀和板狀，且不規(guī)則，部分已經(jīng)剝落。通常以下部起翹為多，兩側(cè)起翹次之，只有極少部分上部起翹，且片狀體與壁面之間的空隙中常有黏土礦物及巖屑填充，夾雜少量黑色煤粉及極少的腐殖質(zhì)，如圖8，圖9所示。風(fēng)化溝槽及孔洞病害均分布在外立面及洞窟內(nèi)側(cè)壁上，風(fēng)化溝槽均為順層理方向，呈槽狀。在5-16窟西側(cè)立面，槽的內(nèi)部凹凸不平，如圖10所示。

1.4 機(jī)械損傷類病害

該類病害在外立壁、洞窟及石質(zhì)雕刻文物本體上均很發(fā)育。在洞窟局部，缺失一般發(fā)生在內(nèi)外壁巖石薄的部位和內(nèi)壁及頂板上，規(guī)模一般較小，形態(tài)不規(guī)則。石質(zhì)雕刻文物本體的頭部、手、足均有發(fā)生缺失；在外立面則發(fā)生在危巖脫落部位，規(guī)模小，形態(tài)不規(guī)則，見圖11～圖13。

1.5 表面污染類病害

此類病害僅見于5-16窟和5-23窟、5-24窟和5-34窟，是由于人為生火取暖、燒烤食物、燒香等形成的。多分布在洞窟頂板及側(cè)壁上部，呈灰黑色薄膜狀，見圖14，圖15。

2 治理措施

針對不同病害的損傷程度和所處部位的不同，分別采取以下治理(加固)措施：

1)裂隙治理：石窟文物具有不可復(fù)制性，因此對于裂隙病害治理所選用的灌漿材料的要求很嚴(yán)格，需要具有優(yōu)良的流動(dòng)性、黏結(jié)性、收縮性、抗?jié)B性，同時(shí)灌漿效果還要盡可能與文物本體接近。綜合云岡石窟裂隙治理的以往經(jīng)驗(yàn)，參考同類石質(zhì)文物裂隙治理的成功案例，對巖體裂隙采用裂隙灌漿治理的方法。同時(shí)，根據(jù)各裂隙的特征及其分布特點(diǎn)，裂隙灌漿材料優(yōu)先選用水硬性石灰、環(huán)氧樹脂以及超細(xì)水泥+偏高嶺土3種灌漿料方案。裂隙灌漿主要施工步驟包括：現(xiàn)場配合比實(shí)驗(yàn)→對灌漿裂隙以外的文物本體的防護(hù)→清潔裂面→根據(jù)裂隙特點(diǎn)和灌漿料不同布設(shè)灌漿管→對裂隙進(jìn)行封堵→選擇相應(yīng)方式進(jìn)行灌漿→將灌漿部分作舊，與文物本體盡量貼合。

灌漿后通過無損和鉆孔取樣兩種途徑對裂縫灌漿體進(jìn)行檢測，評價(jià)其灌漿效果。結(jié)合本石窟選取的灌漿料特性及灌漿充填目的，對于一些大型構(gòu)造裂隙及大規(guī)模灌漿加固區(qū)域，如L189(羅漢堂頂部東側(cè))、L195(羅漢堂頂部西側(cè))、L127(5-28窟南側(cè))及5-28窟頂板，灌漿效果可以采用地質(zhì)雷達(dá)探測或裂隙灌漿飽滿度(灌漿體中漿液充填或未充填的裂隙體積占其總體積的百分率)來評測；對于5-28窟，因其頂板已無文物本體，因此可隨機(jī)選取合適位置鉆孔取芯，通過鉆孔揭露的裂隙充填情況檢驗(yàn)灌漿效果；對于一些小型淺層裂隙及文物本體附近裂隙灌漿，為了減少因檢測而造成損害和破壞，可利用超聲波法、電阻率微測深法、探地雷達(dá)為主要技術(shù)手段進(jìn)行檢測，通過與灌漿之前裂隙位置探測結(jié)果對比分析，根據(jù)不同地球物理方法反映的裂隙異常形態(tài)、裂隙異常范圍進(jìn)行定性或定量評價(jià)。

2)崖壁危巖加固治理：根據(jù)洞窟崖壁各危巖發(fā)育位置、危巖穩(wěn)定性大小、變形失穩(wěn)特征及周邊局部地形地貌，主要采取裂隙灌漿黏結(jié)的方式對各危巖進(jìn)行加固，尤其是靠近石刻本體部位的危巖應(yīng)盡量采用裂隙灌漿黏結(jié)加固的措施，對于遠(yuǎn)離石刻本體且穩(wěn)定性較低的危巖可考慮增設(shè)錨桿進(jìn)行加固，部分危巖根據(jù)其殘缺現(xiàn)狀結(jié)合局部補(bǔ)砌或砌體支撐方式加固。

3)崖壁及洞窟風(fēng)化溝槽及孔洞治理：對已經(jīng)因風(fēng)化形成的溝槽和孔洞進(jìn)行加固處理，提高石窟的整體穩(wěn)定性，起到保護(hù)的作用。對于洞窟風(fēng)化溝槽，補(bǔ)砌加固采用漿砌塊石結(jié)構(gòu)，石料采用當(dāng)?shù)匦迈r砂巖石塊，黏結(jié)水泥砂漿所需水泥為低堿型水泥，砂子采用水洗砂，要求砂內(nèi)含泥量小于0.5%，泥塊含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于0.2%。水泥砂漿水灰比(質(zhì)量比)宜為0.4～0.5，砂灰比(質(zhì)量比)宜為0.3～0.5。配比根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定。對于個(gè)別補(bǔ)砌部位，為了保證補(bǔ)砌體的安全穩(wěn)定，采用短錨桿拉結(jié)。

對于崖壁面孔洞，采取填補(bǔ)并灌漿方式進(jìn)行加固處理。孔洞填補(bǔ)選用與崖壁巖體材質(zhì)、顏色相近、未風(fēng)化的砂巖，灌漿加固材料選用天然水硬性石灰，并根據(jù)情況配以一定比例的砂巖巖粉骨料。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，巖體孔洞灌漿漿液水灰比(質(zhì)量比)為0.45～0.5，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)以確定漿液配比。孔洞填補(bǔ)灌漿施工工藝為對表面空口部位進(jìn)行清理，選取合適大小巖塊進(jìn)行填補(bǔ)，清理殘留裂隙的塵埃→根據(jù)裂隙的形態(tài)與寬度、選擇適當(dāng)?shù)酿そY(jié)材料配比→采用軟毛筆(刷)蘸取清水對裂隙的黏結(jié)面進(jìn)行潤濕→首先在合適部位插入合適大小、長短的注漿管，然后在將要封口處，先用黏結(jié)劑在開裂巖片及原巖的黏結(jié)面上用力刮(或勾抹)一層，再用自制竹簽等將已調(diào)配好的黏結(jié)劑盡可能深地填入縫隙，填滿填實(shí)→采用自制竹簽或自制勾縫工具對填充在縫隙中的黏結(jié)劑進(jìn)行逐層搗壓密實(shí)，直至有水分滲出為止→養(yǎng)護(hù)48 h后，進(jìn)行試灌檢驗(yàn)封口效果→檢查合格后，輕輕的拔掉注漿管，用封口黏結(jié)材料將注漿管處封堵住→修補(bǔ)作舊。

4)崖壁及洞窟窟壁表面片(板)狀起翹病害治理：石窟表面巖體易受到外界環(huán)境影響，因此選用的加固材料應(yīng)具有一定的耐候性、長久的黏結(jié)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，對于石窟表面片狀起翹及剝離部位，選用水硬性石灰進(jìn)行黏結(jié)加固。

片狀起翹及剝離黏結(jié)及加固施工工藝為對灌漿裂隙以外的文物本體采用遮蔽方式進(jìn)行防護(hù)支護(hù)→用清水進(jìn)行清理裂隙，用水灰比(質(zhì)量比)為0.35的水硬性石灰封閉裂縫防止漏漿→在封閉裂隙過程中埋設(shè)注漿管，間距一般在30 cm～50 cm；注漿管直徑在0.5 cm～1 cm左右→在裂隙上部預(yù)留觀察孔；對于裂隙張開度較小無法插入注漿管的小裂隙，可在裂隙旁邊次要部位或無雕刻紋飾的地方鉆直徑1.5 cm的小孔，作為灌漿孔→配置水灰比(質(zhì)量比)0.55的水硬性石灰灌漿料，用注射器或者微型泵進(jìn)行灌漿黏結(jié)→采用內(nèi)窺鏡檢查漿液的流向和黏結(jié)效果→漿液完全干燥后，用水灰比(質(zhì)量比)0.35的水硬性石灰填補(bǔ)觀察孔，干燥后補(bǔ)色作舊，做舊面積按病害面積的15%計(jì)算。

3 結(jié)論

本文在對羅漢堂周邊及龍王廟溝洞窟現(xiàn)場調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，查明并進(jìn)一步研究了石窟現(xiàn)存的主要病害，針對性地提出了治理措施，具體結(jié)論如下：1)羅漢堂周邊及龍王廟溝洞窟主要存在的病害類型包括：裂隙病害、危巖類病害、表面風(fēng)化類病害、機(jī)械損傷類病害以及表面污染類病害。2)針對羅漢堂周邊及龍王廟溝洞窟現(xiàn)存的病害問題，其治理措施主要有裂隙灌漿加固技術(shù)、崖壁危巖加固設(shè)計(jì)、崖壁及洞窟風(fēng)化溝槽及孔洞填充補(bǔ)砌設(shè)計(jì)和崖壁及洞窟窟壁表面片(板)狀起翹病害治理設(shè)計(jì)。