北山168窟頂板加固工程及施工過程跟蹤監(jiān)測分析

關(guān)鍵詞：平頂石窟；監(jiān)測；數(shù)值模擬；加固工程

大足石刻作為中國石窟代表之一，位于重慶市大足區(qū)境內(nèi)，現(xiàn)存大量的具有較高歷史、藝術(shù)、科學(xué)價值的摩崖造像及石窟寺文物，是我國唐宋時期宗教文化的歷史縮影，對當(dāng)代學(xué)者研究唐宋歷史有著很重要的指導(dǎo)意義，而北山石刻作為大足區(qū)域內(nèi)石窟的典型代表，具有重要的歷史意義。168窟內(nèi)石窟頂板在多年的風(fēng)化作用[1?3]和自重應(yīng)力的影響之下，石窟壁和其頂板位置也出現(xiàn)了大量的裂縫現(xiàn)象。2004年，當(dāng)?shù)匚奈锕芾聿块T采用鋼板、鋼管進(jìn)行臨時支護(hù)，但支護(hù)效果并不顯著，裂縫仍在繼續(xù)發(fā)展，并且鋼板表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象。168窟作為古代珍貴的藝術(shù)品，具有極高的鑒賞價值，需要保證其藝術(shù)價值的觀賞性，這就需要采取更為科學(xué)合理的措施對頂板進(jìn)行加固，而且對施工過程保證文物安全也要求極高，因此，需要對整個施工過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。目前，對石窟進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測也日益成為一種分析石窟穩(wěn)定性的有效手段，通過監(jiān)測曲線和現(xiàn)場情況對監(jiān)測設(shè)置閾值，通過閾值來判斷人為原因和環(huán)境對石窟所造成的影響，也可為后期分析工作提供數(shù)據(jù)支撐，眾多學(xué)者對石窟監(jiān)測方面進(jìn)行了較多研究。2008年，傅燕與田世艷[4]針對龍游石窟抽水前后所發(fā)生環(huán)境的變化，利用電感測縫儀和鋼尺對巖柱進(jìn)行監(jiān)測，為解決窟內(nèi)破壞以及采用有效支護(hù)手段提供參考依據(jù)。2014年姜云輝等[5]對云岡石窟巖石變形、傾斜度、穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，并利用數(shù)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，加強(qiáng)了文物保護(hù)與其他學(xué)科相融合。2018年，Zheng等[6]對龍門石窟所有可能造成破壞的成災(zāi)因子進(jìn)行全方位的監(jiān)測，并利用Excel、Kgraph、DPS對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，探究出石窟裂縫與環(huán)境影響因素的相關(guān)性，并基于結(jié)果提出相應(yīng)支護(hù)措施。2020年，TAO等[7]利用無接觸、高精度的變形監(jiān)測對圓覺洞頂板進(jìn)行監(jiān)測，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，得出保護(hù)圓覺洞應(yīng)從相應(yīng)地表巖體的風(fēng)化加速機(jī)理研究入手，減少環(huán)境破壞因素對洞窟圍巖弱化的影響。2021年，張博等[8]為了探明北石窟開放程度對窟內(nèi)環(huán)境的影響，利用溫度濕度監(jiān)測設(shè)備對不同開放程度下監(jiān)測數(shù)據(jù)的日較差年平均值進(jìn)行對比分析，為石窟保護(hù)管理方面提供了建議，也為后續(xù)分析石窟的穩(wěn)定性做出了數(shù)據(jù)支撐。2021年，王龍珍[9]創(chuàng)建廣域網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺，將石窟保護(hù)工作當(dāng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)云平臺，保護(hù)了石窟監(jiān)測當(dāng)中來之不易的數(shù)據(jù)，確保了石窟預(yù)防保護(hù)工作的順利進(jìn)行。2021年，唐韻瑋等[10]利用遙感技術(shù)為不可移動文物監(jiān)測提供了技術(shù)支撐，從宏觀上在地表位移和雨量監(jiān)測進(jìn)行了細(xì)致的測量，揭示了文物時間和空間的變化規(guī)律。2021年，劉逸堃等[11]通過對龍門石窟所處環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，采用風(fēng)向、紅外、CO2濃度監(jiān)測設(shè)備、雨量監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用時間序列分析對溫度頻率、降雨滲水、數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，探究出最利于石窟保存的環(huán)境狀態(tài)。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)監(jiān)測措施僅針對于石窟周圍的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，而很少有針對于石窟本體的監(jiān)測，特別是針對石窟加固工程進(jìn)行施工過程跟蹤監(jiān)測則少之又少，開展石窟寺加固過程跟蹤監(jiān)測是保證安全性施工的重要條件之一。基于此，本文首先利用數(shù)值模擬的手段對現(xiàn)有鋼板支護(hù)下石窟的變形機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)其分析結(jié)果對監(jiān)測點位進(jìn)行布設(shè)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對整個施工過程石窟的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)行工程治理評價，該監(jiān)測結(jié)果可為類似大型平頂石窟破碎頂板的監(jiān)測及保護(hù)工程提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地理位置

大足石刻是中國著名的文化遺產(chǎn)旅游勝地，有\(zhòng)"石刻之鄉(xiāng)\"的美譽(yù)，1999年12月1日被聯(lián)合國教科文組織列入《世界遺產(chǎn)名錄》。位于大足區(qū)城北1km的北山佛灣第168號五百羅漢窟為北山石刻的重要代表，在1000多年的風(fēng)化作用和自重應(yīng)力影響下，頂板存在大量裂縫，隨時面臨失穩(wěn)坍塌的危險，168窟內(nèi)全貌圖如圖1所示。

1.2 石窟邊坡巖性

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露情況，研究區(qū)主要地層巖性為第四系殘坡積物和遂寧組，如圖2所示。

1）第4系殘坡積物（Q4el+dl）：主要由殘坡積粉質(zhì)黏土夾雜碎石、砂顆粒組成，含有大量植物根系和枯葉。其中粉質(zhì)黏土呈紅褐色，可塑～硬塑狀為主，中～低壓縮性。該層主要分布于佛灣陡崖頂部和斜坡之上，堆積厚度以0.5～5m為主。

2）遂寧組（J3s）：在北山石窟區(qū)僅出露上段。主要為1套紫灰、紫紅色厚層塊狀細(xì)粒長石石英砂巖和紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖組成。

第1層泥巖：紫紅色粉砂質(zhì)泥巖夾多層薄層粉細(xì)砂巖，厚13m。

第2層砂巖：厚層塊狀泥質(zhì)鈣質(zhì)膠結(jié)長石石英砂巖，厚7～15m，地形上構(gòu)成直立陡崖，佛灣石刻造像均分布在于此層之中。

第3層泥巖：紫紅色泥巖夾薄層粉砂巖，厚25.79m，地形上構(gòu)成緩坡。

第4層砂巖：厚層塊狀砂巖夾薄層泥巖，厚約10m，地形上構(gòu)成陡壁。

第5層泥巖：紫紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，厚9.75m，地形上構(gòu)成緩坡。

1.3 168窟外崖優(yōu)勢裂縫地質(zhì)分析

大足石刻區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有各類裂縫，其中構(gòu)造裂縫、層面裂縫、卸荷裂縫較發(fā)育，構(gòu)造裂縫與層面裂縫交切，構(gòu)成了北山石刻區(qū)的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。168窟高3.3m，寬3.14m，進(jìn)深7.1m，南側(cè)陡崖因人工采石開挖形成1個向東凹進(jìn)的不規(guī)則空腔，空腔與168窟之間側(cè)壁厚度不均勻，最薄處0.84m，石窟周邊裂縫NE、NW向較為發(fā)育，大部分裂縫均為陡傾，以65°以上角為主，層面傾角較小，多數(shù)在10°以內(nèi)，168窟周邊裂縫見圖3所示，內(nèi)部頂板對洞窟窟頂穩(wěn)定性影響較大的裂縫主要有5條，其中近東西向的J1裂縫與近南北向的J2裂縫構(gòu)成了頂板破壞的主要裂縫，如圖4所示。

1.4 水文地質(zhì)條件

大足區(qū)一年當(dāng)中雨水分配較不均勻，在春冬季總降雨占比32%，夏秋季降雨較為集中，在5～9月期間為雨季集中的季節(jié)，期間總的雨量為785mm，超過了每年的78%降雨量，平均每年有10d降雨量超過30mm，有4d是暴雨天氣，其雨量超過了47mm，每年平均降雨天氣有148d左右，年降雨量保持在665～1010mm之間。每年1月和7月份分別是溫度最低與最高月份，溫差達(dá)18°C，如圖5所示。

根據(jù)地層巖性、地下水賦存、水理性質(zhì)和富水性，可將保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)地下水分為兩類：第4系松散巖層孔隙水和基巖裂縫水。

第4系松散巖層孔隙水：從場地地層構(gòu)成情況來看，孔隙水主要賦存于石窟區(qū)底部標(biāo)高506m以下的緩坡及北佛灣頂部的凹地內(nèi)的含碎石砂質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土中。

基巖裂縫水：主要儲存在砂巖內(nèi)部的連通裂縫網(wǎng)絡(luò)之中，裂縫中的水保持一定的不均一性質(zhì)且具有時空分布特征，并與上層的孔隙水有一定的水力聯(lián)系。

1.5 存在工程地質(zhì)問題

1.5.1 滲水病害

168窟滲水部位主要是南側(cè)頂板裂縫處和南側(cè)砂巖與泥巖交界處，補(bǔ)給來源均為大氣降水，一部分水通過南側(cè)凹腔與168窟貫通的裂縫入滲至168窟內(nèi)，一部分水通過砂巖與泥巖交界面入滲至168窟內(nèi)。頂部滲水影響范圍主要是頂板裂縫發(fā)育處，長度約0.64m，影響寬度約0.1～0.4m。底部滲水影響范圍主要是南側(cè)第一層造像和第二層造像的底部，影響高度約為0.85m，影響進(jìn)深約為7.1m，如圖6所示。

1.5.2 文物病害

由于裂縫以及降雨滲水等不利于石窟穩(wěn)定因素的存在，窟內(nèi)佛像主要病害類型為大范圍發(fā)育的表面粉化剝落、表面鱗片狀起翹與剝落、彩繪顏料脫落、大氣及粉塵污染等、微生物病害、表層片狀剝落等病害。

表面鱗片狀起翹、剝落：周期性的溫度變化和風(fēng)化作用形成的，造成石刻發(fā)生鱗片狀、片狀的剝落病害，主要是由于窟內(nèi)滲水導(dǎo)致環(huán)境潮濕，這種病害非常嚴(yán)重，導(dǎo)致石窟墻壁出現(xiàn)嚴(yán)重的病害，如圖7所示。

大氣及粉塵污染：石窟內(nèi)的石刻表面沉積有粉塵、污染物和風(fēng)化產(chǎn)物的沉積而導(dǎo)致的石質(zhì)文物表面污染和變色現(xiàn)象。大部分羅漢石刻的身上都有粉塵及風(fēng)化產(chǎn)物的污染，非常明顯，嚴(yán)重影響了石質(zhì)文物的保存，如圖8所示。

微生物病害：由于滲水等原因使石窟潮濕，苔蘚、地衣與藻類群、霉菌均等微生物菌群在石質(zhì)文物表面及其裂隙中繁衍生長，掩蓋石刻精美紋飾，導(dǎo)致石質(zhì)文物表面變色及表層風(fēng)化，不利于石窟的保存，如圖9所示。

2 現(xiàn)場施工主要工序

該保護(hù)工程施工項目主要是保護(hù)研究與搶險加固工程相結(jié)合，對北山168窟目前存在的主要結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行搶險加固，消除自然因素條件對洞窟構(gòu)成的安全威脅，為洞窟的長期保護(hù)和合理利用創(chuàng)造有利的環(huán)境條件。主要采用窟內(nèi)裂隙、空鼓注漿、石窟南側(cè)壁凹腔加固、懸吊錨桿施工等科學(xué)合理的工程措施對168窟進(jìn)行加固，本章將對主要的施工措施進(jìn)行闡述。

2.1 注漿加固階段

168窟窟內(nèi)存在裂縫，裂縫的存在會導(dǎo)致石窟在雨季產(chǎn)生滲水現(xiàn)象使得窟內(nèi)環(huán)境潮濕，進(jìn)而使得石窟造像及窟壁裂縫、空鼓病害加劇，加之施工過程中可能對造像及石窟穩(wěn)定性造成擾動，不利于文物保護(hù)和加固工程實施，故需要對石窟內(nèi)造像、窟壁發(fā)育的空鼓和裂隙病害進(jìn)行封閉注漿處理，現(xiàn)場施工如圖10所示，根據(jù)裂隙出露位置、產(chǎn)狀的不同，采用的注漿材料有偏高嶺土以及環(huán)氧樹脂。

2.2 凹腔加固階段

因人工采石開挖使168窟南側(cè)陡崖向東凹進(jìn)形成一個空腔，空腔形狀不規(guī)則，腔體最大寬度5.75m，最大進(jìn)深5.08m?？涨慌c168窟之間側(cè)壁厚度不均勻，最薄處0.84m，因此需要對石窟南側(cè)的凹腔崖壁部分進(jìn)行加固。主要加固措施分為對凹腔北壁撐砌加固、凹腔北壁錨桿加固。

凹腔北壁撐砌加固工程：將撐砌體隨凹腔形狀進(jìn)行澆筑，保證外立面豎直、頂面窄、底面寬。撐砌上部、排水溝下方設(shè)置一道小橫梁，橫梁與支撐墻一體澆筑，交接處鋼筋加密做暗梁，撐砌體、支撐墻設(shè)置暗梁以及預(yù)埋件，通過工字鋼支撐連接，加固示意圖如圖11所示，現(xiàn)場施工如圖12所示。

凹腔北壁錨桿加固：為保證與支撐墻之間的穩(wěn)定性，主要采取巖體錨桿、扁鋼栓錨的方式對凹腔東壁及其裂隙進(jìn)行加固處理，圖13為加固位置示意圖，圖14為現(xiàn)場錨桿拉拔試驗，根據(jù)《巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，最大試驗荷載不超過桿體標(biāo)準(zhǔn)值的0.8倍，錨桿極限承載力取破壞荷載的前一級荷載，在最大試驗荷載下未達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時，錨桿極限承載力取最大荷載，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行錨桿現(xiàn)場拉拔試驗。

2.3 懸吊錨桿加固施工

2.3.1 錨桿施工

鉆孔施工順序：K1→K3→K2→K4→K6→K5→K7→K9→K8。每個孔每鉆進(jìn)0.5m需進(jìn)行測斜、除塵、洗孔等工序，圖15為鉆孔施工示意圖。確定已完作業(yè)無誤后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。完孔后，需做孔內(nèi)電視。之后對鉆孔位置錨桿進(jìn)行灌漿處理，并在窟頂板處封錨開槽，每排3孔共一槽，封錨鋼板定制條形鋼板，做整體封錨，懸吊錨桿采用預(yù)應(yīng)力砂漿錨桿，錨桿桿體為PSB1080級精軋螺紋鋼，直徑25mm，長約6.5m，安裝如圖16所示。

在鉆孔同時，利用千斤頂+鋼管、液壓支柱+壓力盒，在窟內(nèi)做好額外的臨時支撐。做好實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的提取、分析。若鉆孔前后頂板位移監(jiān)測、壓力盒數(shù)值變化無異常，方可繼續(xù)施工，圖17為窟內(nèi)液壓支柱壓力盒安設(shè)圖。

2.3.2 懸吊梁施工

懸吊梁工程布置了3道南北向、4道東西向共計7道鋼筋混凝土梁。以窟頂基巖為基礎(chǔ)澆筑4個支墩，連同凹腔處支撐墻作為整個懸吊梁系統(tǒng)的支撐，混凝土等級為C30。7道梁采用整體澆筑的方式一次澆筑成型，施工示意圖如圖18所示，現(xiàn)場施工如圖19～20所示。

2.3.3 鋼支撐拆除

拆除舊有鋼管之前，先在旁邊做千斤頂+鋼管支撐，上到一定壓力。拆除鋼管后，靜置一段時間，采集壓力盒以及監(jiān)測數(shù)據(jù)無異常后，對千斤頂+鋼管進(jìn)行試驗性卸荷，直至對窟內(nèi)鋼板完全拆除，如圖21所示。

2.3.4 石窟頂板加固

舊有支撐完全拆除后，在頂板內(nèi)采取碳纖維板方式對石窟頂板進(jìn)行加固，防止窟內(nèi)頂部淺層發(fā)生剝落現(xiàn)象，并對碳纖維板進(jìn)行做舊處理，碳纖維板寬200mm，厚2mm，一般間距0.5m，板兩端采用100mm×5mm鋼板進(jìn)行固定，可以增大巖層間抗剪強(qiáng)度，限制層間滑動破壞，如圖22所示。

2.4 施工重難點

1）懸吊系統(tǒng)鉆孔：由于施工部位位于168窟正上方，本身頂板已經(jīng)有裂隙，在保證順利鉆孔的情況下還要盡可能減少設(shè)備震動和施工用水對文物的影響，施工難度較大。解決辦法：選用高精密定位儀器和嫻熟的測量人員，確保鉆孔孔位的準(zhǔn)確性，過程中對孔的垂直度進(jìn)行復(fù)核，鉆孔自上往下進(jìn)行，選用回旋式鉆機(jī)，減少震動；施工前將已知表面裂隙進(jìn)行封堵。

2）裂隙灌漿：裂隙灌漿分頂板上部裂隙灌漿和窟內(nèi)側(cè)壁裂隙灌漿，灌漿點與石刻很近，巖體內(nèi)部裂隙分布情況不清，灌漿期間壁面對側(cè)壁石刻造成污染是灌漿作業(yè)的難點。解決辦法：灌漿前用水進(jìn)行試灌，若石刻表面有裂隙串通，須提前封閉后才可進(jìn)行灌漿，采用“長時低壓”灌漿工藝，通過低壓使灌漿料緩慢滲入裂隙內(nèi)部，避免壓力過大或灌漿量過大導(dǎo)致灌漿料直接從石刻表面噴出。

3）窟內(nèi)文物保護(hù)：窟內(nèi)空間較小，石刻分布密集、支頂結(jié)構(gòu)和石刻很近，窟內(nèi)文物保護(hù)作業(yè)的難點。解決辦法：在支撐加固前做好窟內(nèi)所有文物的保護(hù)，制作與窟內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸對應(yīng)鋼管支架，對內(nèi)側(cè)靠近文物區(qū)進(jìn)行軟質(zhì)材料覆蓋，最大程度上保護(hù)石刻不受損傷。

3 石窟監(jiān)測點位的選取

考慮到石窟內(nèi)裂縫較多，頂板情況比較復(fù)雜，施工工序繁多、施工過程中可能對石窟造成擾動較多，故需要對施工過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，以便更好對頂板穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，而對石窟頂板監(jiān)測點的選取則是決定監(jiān)測效果好壞最重要的一步。

3.1 168窟數(shù)值模擬建立

本次模型的建立采取Rhino6進(jìn)行建模，首先根據(jù)北山168窟現(xiàn)場所確定的等高線圖進(jìn)行導(dǎo)入，并利用軟件里的“點物件”工具將線進(jìn)行分段。之后利用“網(wǎng)格”工具轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)格面，并對網(wǎng)格面進(jìn)行切割，最終實現(xiàn)模型圖由“線-曲面”的轉(zhuǎn)變。建立好模型之后，將模型分塊導(dǎo)入HyperMesh，進(jìn)行地層劃分、開挖、網(wǎng)格劃分等操作命令。最終將模型導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行數(shù)值計算。

本文通過對實體單元賦予材料參數(shù)來對鋼板進(jìn)行模擬，并通過樁單元來對鋼管進(jìn)行模擬，其受力情況采用設(shè)置樁底端承載來實現(xiàn)，而樁與鋼板相連接部位僅為結(jié)構(gòu)單元與網(wǎng)格連接，處于不受力狀態(tài)，通過接觸面模擬裂縫，利用地下水面模擬降雨，模型的建立如圖23所示。建模范圍取X方向29m，Y方向29m，Z方向14m，結(jié)合現(xiàn)場周圍環(huán)境勘察地層厚度取值如表1所示，結(jié)合巖土工程室內(nèi)試驗，確定168窟地層參數(shù)如表2所示。

3.2 168窟整體位移圖分析

圖24為天然工況下石窟位移云圖，由圖可以看出，石窟周圍附近總位移為0.8mm，X向位移為-0.8mm，Y向位移為-0.07mm，Z向位移為-0.6mm，其中石窟洞口頂板上方巖石總位移為1.2～1.6mm，X向位移為-0.56～-0.63mm，石窟北側(cè)洞口上方巖石Y向位移-0.2mm，南側(cè)為0.14mm，Z向位移為1～1.5mm，可以看出，石窟洞口頂板位置變形較周圍巖層較大，其位移主要是由于Z向位移造成的，即石窟沉降是造成石窟變形的主要原因。由局部位移圖可以看出石窟頂板總位移由1.2～1.5mm不等，在J1裂縫到凹腔附近處達(dá)到最大，其中沉降量在靠近洞口最大，為1.5mm，另外石窟南北側(cè)壁在自重應(yīng)力影響下，側(cè)壁發(fā)生了向外側(cè)（南北向）擴(kuò)展趨勢，但位移量較小，為0.16mm，X向位移為-0.55mm。在自重應(yīng)力影響下，X向、Y向位移對石窟整體穩(wěn)定性影響不大，造成石窟頂板位移主要原因是因為頂板沉降造成的，且由于鋼板支撐以及裂縫存在的原因，其沉降相對不均勻。

圖25為降雨工況下石窟位移云圖，由圖可以看出石窟周圍附近總位移為3.5mm，X向位移為-3.7mm，Y向位移為-0.3mm，Z向位移為1.2mm，其中石窟洞口處最大位移為4.6mm，X向最大位移為-4.0mm，Y向最大位移為-0.35mm，Z向最大位移為2.4mm，可以看出石窟洞口頂板位置變形較周圍巖層較大，其位移主要朝著洞口處及頂板下方進(jìn)行發(fā)展。

由局部位移圖可以看出，石窟頂板總位移由4.11～4.62mm不等，在J1裂縫到凹腔附近處達(dá)到最大，其中沉降量在靠近洞口最大，為4.65mm，石窟頂板在東西向位移由3.08～4.02mm，距離洞口越近其位移量越大，在洞口處水平位移達(dá)到最大，另外石窟南北側(cè)壁在自重應(yīng)力影響下，側(cè)壁發(fā)生了向外側(cè)（南北向）擴(kuò)展趨勢，但位移量較小，為0.16mm，對石窟整體穩(wěn)定性影響不大。在降雨過后孔隙水壓力影響下，造成石窟頂板位移主要原因是因為頂板沉降及洞口處水平位移造成的。

3.3 裂縫接觸面分析

由圖26（a）可以看出，J1裂縫在靠近洞口處以及J2裂縫發(fā)生了較為明顯的法向位移，但位移數(shù)值較小，對石窟穩(wěn)定性影響不大。圖26（b）為裂縫切向位移云圖，除了J5裂縫其他裂縫均產(chǎn)生一定量切向位移，其平均值為1.35mm，J1裂縫在靠近洞口處產(chǎn)生2.4mm位移。由此可以看出洞口處的裂縫在自然工況下產(chǎn)生切向移動的現(xiàn)象，其中洞口處最容易失穩(wěn)。

由圖27裂縫應(yīng)力分布圖可以看出，無論是法向應(yīng)力還是切向應(yīng)力主要分布在J1、J3、J5裂縫處，其法向應(yīng)力平均值為6kPa，切向應(yīng)力平均值為1.5kPa，而在洞口位置產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，其法向應(yīng)力增加至17kPa，切向應(yīng)力增加至3kPa，可以看出洞口處是最容易發(fā)生破壞的位置。

由圖28可以看出，相較于自然工況，降雨工況下，J1、J2、J3、J4裂縫法向位移和切向位移均有了明顯增加的趨勢，其中J1裂縫中部位置以及J3、J4裂縫法向位移增加較為明顯，法向位移平均增加0.19mm，而J1洞口處裂縫、J3裂縫切向位移有了明顯的增加，平均增加1.4mm。其原因為孔隙水壓力的增加導(dǎo)致頂板巖石有效應(yīng)力降低，加大了裂縫產(chǎn)生了切向移動的趨勢，最大切向位移達(dá)到4.1mm，在降雨影響下裂縫的開合可能會導(dǎo)致石窟頂板的失穩(wěn)破壞。

圖29為降雨條件下裂縫接觸面應(yīng)力圖，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力均集中在J3裂縫處，相較于自然工況下應(yīng)力集中于洞口位置，應(yīng)力出現(xiàn)了向內(nèi)部移動的趨勢，說明在降雨條件下J3裂縫附近可能會首先發(fā)生失穩(wěn)。

3.4 鋼板支護(hù)變形機(jī)理分析

168窟頂板位移在自然工況下主要集中在頂板沉降，而在降雨工況下主要發(fā)生的是頂板沉降及南北向水平位移；自然工況下J1裂縫洞口、J2裂縫洞口處位移最大，應(yīng)力集中于洞口裂縫處；降雨工況下J1、J3裂縫位移較為顯著，應(yīng)力集中于J3裂縫；石窟四周造成了一定程度的不均勻沉降。

根據(jù)分析結(jié)果確定在J1裂縫、J2裂縫、J3裂縫處進(jìn)行裂縫監(jiān)測，并對石窟頂板四周進(jìn)行位移監(jiān)測。

3.5 石窟頂板監(jiān)測點布設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場情況及數(shù)值模擬結(jié)果在窟頂J1裂縫中段及洞口處、J2裂縫、J3裂縫以及空腔墻壁上各布置1個裂縫計，用以監(jiān)測裂縫的開合情況，規(guī)定裂縫開裂為正，閉合為負(fù)；在凹砌鋼筋混凝土墻撐上安裝3套三軸智能傾角傳感器，監(jiān)測墻體整體的三維傾斜；在窟頂均勻布設(shè)3條三維變形監(jiān)測陣列測線（每條7m），對頂板三維空間內(nèi)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測點具體布置如圖30所示。

4 施工全過程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 注漿階段裂縫計數(shù)據(jù)分析

由圖31～33可知石窟中部J1裂縫、石窟洞口J1裂縫、J2裂縫在裂隙注漿階段其數(shù)據(jù)變化趨勢保持一致，呈現(xiàn)閉合-穩(wěn)定的過程，而J3裂縫與凹腔處裂縫在考慮儀器誤差的情況下可以認(rèn)為裂縫未發(fā)生改變。根據(jù)降雨量和裂縫數(shù)據(jù)綜合分析，石窟在5～8月期間處于降雨量較大階段，在降雨季節(jié)窟內(nèi)濕度增加，裂縫周圍砂巖具有吸水膨脹作用，巖石膨脹造成了裂縫的持續(xù)閉合現(xiàn)象。隨著對石窟裂縫注漿工作的深入，在8～9月期間，裂縫沒有出現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展的趨勢，9～10月期間，隨著降雨量的減少和注漿工作的完成，使得裂縫保持相對穩(wěn)定。

由圖34～35可知，2021年7月，石窟左側(cè)最大位移為-0.8mm，右側(cè)最大位移-1.22mm，洞口最大位移-1.1mm，后側(cè)最大位移-1.2mm，中側(cè)最大位移-1.2mm。2021年10月，石窟左側(cè)最大位移為-1.1mm，右側(cè)最大位移-1.17mm，洞口最大位移-0.54mm，后側(cè)最大位移-1.22mm，中側(cè)最大位移-0.67mm。

由注漿階段施工監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出，石窟頂板位移數(shù)據(jù)在-1mm上下波動，原因是儀器設(shè)備受到石窟內(nèi)環(huán)境溫濕度的影響，其儀器數(shù)據(jù)會在誤差范圍內(nèi)產(chǎn)生波動趨勢，但從整體來看石窟頂板位移未發(fā)生改變。

4.2 凹腔加固階段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2021.11.1～2022.3.2主要進(jìn)行了168窟周邊凹腔加固處理工作，該工程主要分為3個階段，裂縫監(jiān)測曲線如圖36～39所示。

Ⅰ階段（2021.11.1～2021.11.24）：對凹腔排水廊道施加撐砌、對廊道頂板混凝土進(jìn)行澆筑；

Ⅱ階段（2021.12.5～2021.12.16）：對凹腔北壁進(jìn)行加固；

Ⅲ階段（2021.12.16～2022.3.2）：對凹腔支撐墻基礎(chǔ)進(jìn)行澆筑。

通過對該階段裂縫計與位移計判斷石窟受擾動情況。

Ⅰ階段：石窟中部J1裂縫從0mm～0.17mm，石窟洞口J1裂縫從0～0.1mm，J2裂縫擴(kuò)展至0.2mm，J3裂縫保持在0.15mm，凹腔裂縫保持在0mm。

Ⅱ階段：石窟中部J1裂縫從0.17～0.2mm，石窟洞口J1裂縫從0.1～0.15mm，J2裂縫保持在0.2mm，J3裂縫保持在0.15mm，凹腔裂縫保持在0mm。

Ⅲ階段：石窟中部J1裂縫從0.2～0.35mm，石窟洞口J1裂縫從0.15～0.24mm，J2裂縫保持在0.3mm，J3裂縫保持在0.15mm，凹腔裂縫保持在0mm。

通過上述裂縫變化規(guī)律結(jié)合石窟內(nèi)溫度進(jìn)行分析，裂縫變化趨勢與溫度變化趨勢呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢。Ⅰ階段初始階段石窟內(nèi)溫度由16°C下降至10°C，該階段對應(yīng)J1裂縫、J2裂縫快速擴(kuò)展階段，裂縫變化與溫度變化相一致，Ⅱ、Ⅲ階段隨著溫度間斷下降裂縫保持間斷持續(xù)擴(kuò)展現(xiàn)象，由此可知在凹腔加固階段，其裂縫擴(kuò)展主要與石窟內(nèi)溫度變化相關(guān)。

由圖40～41位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，2021年11月與2022年2月石窟洞口、石窟中部、石窟東側(cè)位移計數(shù)據(jù)穩(wěn)定在-0.75mm附近，石窟北側(cè)和石窟南側(cè)位移計數(shù)據(jù)在-0.5～-1mm之間波動，其波動趨勢處在一個較小范圍內(nèi)，石窟頂板處于一個穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 懸吊梁施工

2022.3.2～2022.8.30主要進(jìn)行了168窟頂板懸吊梁加固工作，該工程主要分為4個階段，圖42～44為裂縫計監(jiān)測數(shù)據(jù)。

Ⅰ階段（2022.3.2～2022.4.6）：鉆機(jī)平臺搭設(shè)，鉆孔施工；

Ⅱ階段（2022.4.6～2022.4.16）：巖頂懸吊梁支墩石方基礎(chǔ)開挖、懸吊梁錨桿鉆孔、窟頂板開槽；

Ⅲ階段（2022.4.16～2022.5.10）：懸吊梁澆筑模板安裝、加固；

Ⅳ階段（2022.5.10～2022.8.30）：主要在6月4日和7月11日分別對石窟頂板支撐鋼板拆除、碳纖維板進(jìn)行安設(shè)；

通過對該階段裂縫計、位移計以及傾斜計判斷石窟受擾動情況。

Ⅰ階段：J1中部裂縫保持在-0.02～0.11mm之間；J1洞口處裂縫處于0～0.08mm之間；J2裂縫處于0.26～0.33mm之間；J3裂縫處于0.06～0.11mm之間；

Ⅱ階段：J1中部裂縫保持在0.11～0.12mm；J1洞口處裂縫處于0.08～0.05mm之間；J2裂縫處于0.33～0.32mm之間；J3裂縫處于0.11～0.12mm之間；

Ⅲ階段：J1中部裂縫保持在0.12～-0.03mm；J1洞口處裂縫處于0.06～-0.03mm之間；J2裂縫處于0.33～0.27mm之間；J3裂縫處于0.12～0.07mm之間；

Ⅳ階段：J1中部裂縫保持在-0.03～-0.11mm；J1洞口處裂縫處于-0.04～0.04mm之間；J2裂縫處于0.27～0.14mm之間；J3裂縫處于0.07～-0.1mm之間；

J1中部裂縫：在原支撐鋼板拆除后裂縫產(chǎn)生了-0.15mm左右的閉合趨勢，在碳纖維板裝上后又恢復(fù)正常，可以認(rèn)為在鋼板拆除過程中對石窟頂板產(chǎn)生了輕微擾動現(xiàn)象，并且碳纖維板對限制裂縫數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動起到了很好的限制作用。

J1洞口處裂縫：3月2日～8月30日之間，整體數(shù)據(jù)保持在0.05mm附近，在整個懸吊梁施工過程當(dāng)中，洞口處的裂縫未發(fā)生改變，即一直保持平穩(wěn)的態(tài)勢。

J2裂縫：3月2日～6月24日期間，數(shù)據(jù)保持在0.3mm，原支撐鋼板拆除后數(shù)據(jù)保持在0～0.15mm之間，碳纖維板安裝后數(shù)據(jù)穩(wěn)定在0.15mm。

J3裂縫：3月2日～到8月30日期間，除了原支撐鋼板拆除后數(shù)據(jù)有0.1mm的閉合外，其整體曲線保持在0～0.1mm之間。

由上述裂縫數(shù)據(jù)分析可知，在懸吊梁整體施工階段，除了鋼板拆除對頂板該部位裂縫造成輕微閉合外，其余頂板裂縫整體處于穩(wěn)定態(tài)勢。

由圖45～46位移計數(shù)據(jù)可以看出石窟洞口、石窟中部、石窟東側(cè)位移計數(shù)據(jù)穩(wěn)定在-0.25mm附近，石窟北側(cè)和石窟南側(cè)位移計數(shù)據(jù)在-0.5～-1mm之間波動，其波動趨勢處在1個較小范圍內(nèi)，石窟頂板處于1個穩(wěn)定狀態(tài)。

4.4 工程治理效果分析評價

1）注漿加固階段：石窟中部J1裂縫、石窟洞口J1裂縫、J2裂縫在裂隙注漿階段其數(shù)據(jù)變化趨勢保持一致，呈現(xiàn)閉合-穩(wěn)定的過程，而J3裂縫和凹腔巖壁處裂縫在考慮儀器誤差的情況下可以認(rèn)為裂縫未發(fā)生改變。裂縫周圍巖石吸水膨脹造成了裂縫的持續(xù)閉合現(xiàn)象。隨著注漿工作的完成，使得裂縫保持相對穩(wěn)定。由溫度曲線可以看出，溫度變化與裂縫變化大致呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢，溫度升高時裂縫呈現(xiàn)閉合趨勢，即裂縫周圍巖石具有“熱脹冷縮”效應(yīng)；石窟頂板位移數(shù)據(jù)在-1mm上下波動，從整體來看石窟頂板位移未發(fā)生改變。

2）凹腔加固階段：初始階段石窟內(nèi)溫度由16°C下降至10°C，該階段對應(yīng)J1裂縫、J2裂縫快速擴(kuò)展階段，裂縫變化與溫度變化相一致，并隨著溫度間斷下降裂縫保持間斷持續(xù)擴(kuò)展現(xiàn)象，由此可知在凹腔加固階段，其裂縫擴(kuò)展主要與石窟內(nèi)溫度變化相關(guān)；石窟洞口、石窟中部、石窟東側(cè)位移計數(shù)據(jù)穩(wěn)定在-0.75mm附近，石窟北側(cè)和石窟南側(cè)位移計數(shù)據(jù)在-0.5～-1mm之間波動，其波動趨勢處在一個較小范圍內(nèi)，石窟頂板處于一個穩(wěn)定狀態(tài)。

3）懸吊梁施工階段：在懸吊梁整體施工階段，除了鋼板拆除對頂板該部位裂縫造成輕微閉合外，其余頂板裂縫整體處于穩(wěn)定態(tài)勢，并且碳纖維板對限制裂縫數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動起到了很好的限制作用；石窟洞口、石窟中部、石窟東側(cè)位移計數(shù)據(jù)穩(wěn)定在-0.25mm附近，石窟北側(cè)和石窟南側(cè)位移計數(shù)據(jù)在-0.5～-1mm之間波動，其波動趨勢處在1個較小范圍內(nèi)，石窟頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 論

1）針對168窟產(chǎn)生的嚴(yán)重結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及洞窟內(nèi)頂部裂隙縱橫交錯的問題，為了對洞窟進(jìn)行長期保護(hù)以及創(chuàng)造有利的環(huán)境條件。主要采用窟內(nèi)裂隙、空鼓注漿、石窟南側(cè)壁凹腔加固、懸吊錨桿施工等科學(xué)合理的工程措施對168窟進(jìn)行加固，并對整個施工過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。

2）考慮到石窟內(nèi)裂縫較多，頂板情況比較復(fù)雜，施工工序繁多、施工過程中對石窟可能造成擾動較多，利用數(shù)值模擬手段對監(jiān)測點位進(jìn)行選取。根據(jù)結(jié)果得出168窟頂板位移在自然工況下主要發(fā)生頂板沉降，而在降雨工況下主要發(fā)生的是頂板沉降及南北向水平位移；自然工況下J1裂縫洞口、J2裂縫處位移最大，應(yīng)力集中于洞口裂縫處；降雨工況下J1、J3裂縫位移較為顯著，應(yīng)力集中于J3裂縫；石窟四周造成了一定程度的不均勻沉降。根據(jù)分析結(jié)果建議在J1裂縫、J2裂縫、J3裂縫處進(jìn)行裂縫監(jiān)測，并對石窟頂板四周進(jìn)行位移監(jiān)測。

3）通過對施工全過程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出施工對168窟造成的擾動較小，石窟內(nèi)環(huán)境的溫濕度變化是導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)波動趨勢的主要原因，但裂縫的變化并未影響到石窟頂板的位移，石窟頂板位移的數(shù)值保持穩(wěn)定的趨勢，可以認(rèn)為溫濕度僅影響了頂板巖石本身的性質(zhì)，未對頂板的穩(wěn)定性造成影響。