西北地區(qū)石窟寺文物的監(jiān)測與保護(hù)技術(shù)
——以萬安禪院石窟為例

劉曉萌 楊海龍

（陜西省文物保護(hù)工程有限公司，陜西 西安 710075）

位于西北地區(qū)的陜西省黃陵縣雙龍鎮(zhèn)的萬安禪院，又名萬佛寺或千佛洞。石窟始鑿于北宋紹圣二年（1095年），明清兩代有所增鑿擴(kuò)建。單窟，朝向東南，窟口處鑿有三開間仿木構(gòu)窟檐。石窟平面呈“凸”字形，分為甬道和窟室：窟室內(nèi)中央佛壇上有觸頂屏壁，壇上供三世佛，左右壁浮雕三尊立佛和一尊藥師佛，前、后壁及屏壁浮雕有上千尊佛像；甬道兩壁雕有日光、月光菩薩及涅槃圖等?？邇?nèi)外還有宋、明、清題刻碑記。2015年，石窟入選第六批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。萬安禪院石窟造像技術(shù)高超，是研究宋代石刻的重要實(shí)物標(biāo)本，更是研究西北地區(qū)佛教和石窟文化必不可少的資料。

由于自然危害和人為破壞等因素的長期影響，現(xiàn)在石窟以及所處環(huán)境出現(xiàn)了許多嚴(yán)重病害，不僅威脅著文物本體和游客的安全，還將會導(dǎo)致歷史、藝術(shù)等多種信息丟失。為防止石窟病害范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，現(xiàn)對萬安禪院石窟采取保護(hù)和加固措施。2013年9月，國家文物局以文物保函［2013］1866號文件正式批復(fù)開展萬安禪院石窟搶險加固工程。2014年工程設(shè)計方案通過專家評審后，由項(xiàng)目承擔(dān)單位陜西省文物保護(hù)工程有限公司在2016年7月到2017年9月對石窟開展保護(hù)加固工作。

1 前期勘察與保存現(xiàn)狀

1.1 前期勘察

了解巖體的穩(wěn)定性和滲水狀況是石窟寺文物保護(hù)的基礎(chǔ)，通過搜集資料和實(shí)地調(diào)查分析，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)，查明石窟寺場地有無不良地質(zhì)作用及其工程地質(zhì)條件，為萬安禪院石窟寺的保護(hù)工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1.2 保存現(xiàn)狀與病害類型

經(jīng)過各種因素的長期交替影響，目前萬安禪院石窟保存狀況一般，崖體保存情況較差，石窟整體主要病害可以分為三類：

1）巖體裂縫：石窟內(nèi)墻壁裂縫發(fā)育較多共有43條，縱橫交錯，寬度約在2～10cm之間。石窟巖體也形成了大量的裂隙，共發(fā)現(xiàn)21處。這些裂隙對整個崖體邊坡的穩(wěn)定性起著重要的控制作用。構(gòu)造裂隙主要指巖體受構(gòu)造應(yīng)力作用所產(chǎn)生的破裂面或破碎帶。巖體裂縫的存在不僅破壞石窟的穩(wěn)定性，而且成為地表水下滲到石窟內(nèi)部的途徑，導(dǎo)致石窟內(nèi)潮濕，加速巖石造像風(fēng)化損毀。

2）危巖體：石窟保護(hù)區(qū)及周邊區(qū)域共發(fā)現(xiàn)9處危巖體。這些危巖體被周圍裂縫切開，不僅有隨時墜落的危險，而且嚴(yán)重威脅崖體的整體穩(wěn)定，崖體保存狀況較差。

3）其他病害：石窟保存環(huán)境為室內(nèi)保存，巖體為砂巖，墻體下均出現(xiàn)不同程度的風(fēng)化層，各佛像也均有不同程度風(fēng)化。另外，石窟內(nèi)西南角出現(xiàn)一處滲漏，通過觀測發(fā)現(xiàn)下雨期間以3滴/h的速度滴漏。另外還有機(jī)械損傷、表面污染與變色和水泥修補(bǔ)等病害類型。

2 文物本體保護(hù)

為防止石刻、造像等文物本體在施工過程中發(fā)生碰撞、落灰、灌漿污染、和震動等現(xiàn)象，在進(jìn)行施工作業(yè)之前，對石窟內(nèi)外的一些佛像和石刻等進(jìn)行了本體保護(hù)工作。

1）石窟內(nèi)中央石刻造像的保護(hù)：實(shí)行“三重防護(hù)”，即無紡布→木板→架板。

2）石窟內(nèi)甬道石刻造像的保護(hù)：實(shí)行“三重防護(hù)”，即油光紙→海綿→木板。

3）石窟外造像、石碑的保護(hù)：實(shí)行木板防護(hù)。

式中：Nu為努賽爾數(shù)；Gr為格拉曉夫數(shù)；θz為腔體軸的傾角，本系統(tǒng)使用雙軸跟蹤聚光器，腔體軸傾角等于太陽高度角，只隨季節(jié)而變；dcav為接收器腔體直徑；dca為采光口直徑。

3 保護(hù)加固措施

根據(jù)《黃陵縣萬安禪院石窟搶險加固工程設(shè)計方案》和地質(zhì)災(zāi)害體的規(guī)模、特點(diǎn)等綜合分析，考慮對萬安禪院石窟和崖體病害治理的徹底性，針對石窟和崖體存在的病害，采取以下一系列治理措施進(jìn)行加固與保護(hù)。

1）腳手架搭設(shè)。

2）石窟外裂縫清理排查。

3）清理破碎危巖體。

對完全與母巖分離的危巖體活石進(jìn)行清理。在清理前，搭設(shè)專用升降架，并將大塊石用靜態(tài)爆破法二次破碎。施工時，遵循先防護(hù)后施工、邊施工邊監(jiān)測的原則，先清除表面浮石，再針對危巖體進(jìn)行二次破碎清理，從上至下逐層清理。另外，對影響危巖體穩(wěn)定性的個別樹木也同時進(jìn)行清理，伐樹前將周圍有礙砍伐作業(yè)的草叢和藤條一并進(jìn)行清除。

4）石窟室內(nèi)裂縫灌漿。

考慮到灌漿加固對文物安全的影響，本次方案裂縫灌漿不考慮壓力灌漿，而采用西安建筑科技大學(xué)研發(fā)的G型灌漿材料進(jìn)行封堵（圖8），待封堵凝固之后采用天然水硬性石灰無壓力灌漿，最后進(jìn)行表面做舊。灌漿時，由下向上分級灌漿，每級高度不得大于2m。灌漿料具有流動性好、早期強(qiáng)度高、結(jié)石性好、固化漿體密實(shí)、耐高溫、無毒無污染、不老化和耐久性好等特點(diǎn)。通過灌漿，能夠增加危巖與母巖體之間的粘結(jié)力，可以堵塞地表水流通道，防止風(fēng)化層沿裂縫面迅速發(fā)展，提高危巖的穩(wěn)定性。

5）石窟外裂縫灌漿。

首先清理裂縫表面泥土、石屑等雜物；然后對裂縫進(jìn)行封堵，預(yù)留灌漿及排氣口；待封堵凝固之后采用天然水硬性石灰無壓力灌漿；最后表面做舊。

6）錨桿加固。

將錨桿穿過松動、不穩(wěn)定的危巖體，錨固在深層穩(wěn)定的巖土體上，使得能夠提供足夠的拉力，克服危巖體的自重和下滑力，防止危巖體滑移、塌落。錨桿施工步驟可分為水鉆開孔、鉆機(jī)成孔、錨桿制作、錨桿安裝、注漿、封錨、原石回貼、表面做舊。

7）錨索加固。

因?yàn)檠麦w上裂隙還存在不斷發(fā)育的征兆，多數(shù)目前穩(wěn)定的巖塊很容易再次發(fā)育為危巖體，為徹底對崖體極性搶險加固，杜絕一切隱患，最終選擇采用錨索預(yù)應(yīng)力加固。錨索施工分為水鉆開孔、鉆機(jī)成孔、錨索制作、錨索安裝、注漿、張拉封錨、原石回貼、表面做舊。

8）掏蝕區(qū)砌筑。

對于崖體掏蝕較深處，采用塊石砌筑的方式進(jìn)行加固。砌體石料采用質(zhì)地堅硬、新鮮的材料，一般由成層巖石爆破而成或大塊石料鍥切而得。塊石砌筑的膠結(jié)材料采用水泥、砂、水按一定的比例配合而成的水泥砂漿，按要求施工。砌筑后，采用埋頭小錨桿進(jìn)行錨固，以保證砌筑體的穩(wěn)定。最后，進(jìn)行表面做舊。

4 保護(hù)效果評估

在施工期間，同時進(jìn)行了施工安全監(jiān)測與巖體穩(wěn)定性長期監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果將作為判斷邊坡穩(wěn)定狀態(tài)和指導(dǎo)安全施工的重要依據(jù)。本次監(jiān)測項(xiàng)目主要為巖質(zhì)邊坡坡面變形監(jiān)測，監(jiān)測工作包括巖體穩(wěn)定性監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測、裂縫監(jiān)測、振動監(jiān)測和氣象監(jiān)測。

4.1 巖體穩(wěn)定性監(jiān)測

巖體穩(wěn)定性長期監(jiān)測采用航天科技產(chǎn)品1‰傾斜精度的遠(yuǎn)程傾斜傳感器監(jiān)測系統(tǒng)對其進(jìn)行了監(jiān)測。本項(xiàng)目設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)1個，位于石窟內(nèi)外西墻。該系統(tǒng)是通過傳感器并利用GSM移動通信方式傳送采集的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，最終由相關(guān)專業(yè)人員對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集保存與分析。從監(jiān)測全程來看，整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，加固后石窟位移量較小，石窟處于穩(wěn)定狀態(tài)。

穩(wěn)定性監(jiān)測結(jié)果綜合評價：萬安禪院石窟窟室內(nèi)采用裂縫灌漿加固治理后，石窟內(nèi)原有的裂縫已消除，未再出現(xiàn)開裂、沉降等變形現(xiàn)象，感觀總體穩(wěn)定；穩(wěn)定性監(jiān)測結(jié)果綜合分析表明，石窟整體趨于穩(wěn)定，治理后無明顯位移、沉降變形。

4.2 裂縫監(jiān)測

裂縫監(jiān)測是對裂縫填充注漿后的變形情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，分析崖體加固后的穩(wěn)定性。裂縫監(jiān)測點(diǎn)位置結(jié)合工程性質(zhì)、周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、施工特點(diǎn)等因素綜合考慮，著重于監(jiān)測新產(chǎn)生的裂隙。本次監(jiān)測采用VWJD-200型振弦式位移計、裂縫計對裂縫進(jìn)行監(jiān)測。石窟內(nèi)共安裝4處裂縫計，石窟外安裝10處裂縫計，構(gòu)成系統(tǒng)、全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測系統(tǒng)，并定期對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析。根據(jù)石窟內(nèi)裂縫監(jiān)測點(diǎn)的水平位移—時間曲線圖可知，石窟內(nèi)裂縫監(jiān)測數(shù)值均未發(fā)生變形，裂縫加固治理效果良好，石窟內(nèi)裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)

裂縫監(jiān)測結(jié)果綜合評價：從裂縫監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測記錄及曲線圖分析結(jié)果表明窟內(nèi)及窟外裂縫基本穩(wěn)定，后期應(yīng)周期性的進(jìn)行重復(fù)觀測，研究其變化規(guī)律，該裂縫量在限差范圍內(nèi)，建筑物和山體結(jié)構(gòu)安全，建議繼續(xù)觀測。

4.3 振動監(jiān)測

振動監(jiān)測是對鉆機(jī)成孔時石窟內(nèi)的振動情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，分析振動對石窟內(nèi)文物的影響，防止在鉆孔時，由機(jī)械振動引起不必要的裂隙開裂?？紤]到測試儀器及現(xiàn)場測試環(huán)境的具體情況，以《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》為依據(jù)，參照我國《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》對測點(diǎn)布置的要求來布置測點(diǎn)。本次監(jiān)測采用東華測試DH5907A無線環(huán)境激勵測試分析系統(tǒng)（三向速度傳感器）對施工中的振動進(jìn)行監(jiān)測。該系統(tǒng)內(nèi)置傳感器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，利用GPS信號將數(shù)據(jù)實(shí)時采集并傳輸至電腦，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

振動監(jiān)測儀布置以錨桿（索）成孔位置以中心，在中心位置水平方向、垂直方向，斜上方向三個方向布置3臺測振儀器，在石窟內(nèi)靠近錨桿（索）成孔一側(cè)及窟頂位置布置2臺測振儀器，構(gòu)成系統(tǒng)、全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測系統(tǒng)，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，錨桿鉆進(jìn)石窟穹頂三向振動速度最大值為水平振動的0.098mm/s，小于《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的0.10mm/s，故認(rèn)為萬安禪院石窟在錨孔鉆進(jìn)振動作用下處于安全狀態(tài)。

振動監(jiān)測結(jié)果綜合評價：黃陵縣萬安禪院石窟搶險加固工程錨桿施工中，通過現(xiàn)場試驗(yàn)測試可知，錨孔鉆進(jìn)產(chǎn)生振動對石窟文物產(chǎn)生一定影響。因此必須在錨孔鉆進(jìn)施工中進(jìn)行監(jiān)測，保證石窟的安全穩(wěn)定。為了保證石窟的安全，必須降低鉆進(jìn)施工的速度，建議錨孔鉆進(jìn)應(yīng)采用0.8～0.9MPa低氣壓和0.4m/min以下的慢速鉆進(jìn)，并且要對臨近鉆孔的石窟壁畫進(jìn)行防振動保護(hù)。

4.4 溫濕度監(jiān)測

本次監(jiān)測采用德圖testo175H1自動數(shù)據(jù)記錄儀測量、監(jiān)測并記錄溫度及相對濕度。石窟內(nèi)安裝2臺，分別對石窟頂部和石窟底部溫濕度進(jìn)行監(jiān)測，石窟外門檐下高處安裝1臺，對石窟外溫濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，比較全年平均值：溫度平均值窟外是10.34度，窟內(nèi)甬道是11.80度，窟內(nèi)是11.25度；相對濕度平均值窟外是67.83%，窟內(nèi)甬道是65.07%，窟內(nèi)是67.5%。

溫、濕度監(jiān)測結(jié)果綜合評價：從溫、濕度全年平均值看，窟內(nèi)甬道溫差較大，相對濕度窟內(nèi)甬道較窟室內(nèi)明顯偏低，從極值上觀察，3個監(jiān)測點(diǎn)多次達(dá)到飽和值，說明該區(qū)域濕度較大?？邇?nèi)甬道的溫度和濕度都較窟內(nèi)變化范圍要大，這可能是因?yàn)槭唣劳L(fēng)條件好的原因?？邇?nèi)與窟外的溫度差別較大大(窟室外部溫度較窟室內(nèi)部略高)，相對濕度窟室內(nèi)部較窟室外部明顯偏高，窟室外部的溫度和濕度都較窟室內(nèi)部變化范圍要大，這可能是受石窟外環(huán)境影響較大的原因。

4.5 氣象監(jiān)測

氣象環(huán)境監(jiān)測對于文物保護(hù)有著重要意義，通過氣象監(jiān)測可以掌握氣象因素對文物生存環(huán)境影響的規(guī)律，提供科學(xué)數(shù)據(jù)，以便我們能夠采取有針對性的保護(hù)措施，加強(qiáng)保護(hù)，將影響程度降到最低，使文物可以延年益壽。此次氣象監(jiān)測安裝1座小型氣象監(jiān)測站，主要由傳感器、太陽能供電系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)三部分組成，監(jiān)測要素包括：溫度、濕度、降雨量、風(fēng)向、風(fēng)速。通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)，結(jié)合裂縫監(jiān)測及巖體穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明在降雨量較小的情況下對石窟穩(wěn)定性沒有影響，后期繼續(xù)比對，研究其二者之間的變化 規(guī)律。

5 結(jié)語

本文以萬安禪院石窟寺為例，對西北地區(qū)石窟寺文物的保護(hù)與監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究，詳細(xì)全面地介紹了石窟寺的保存現(xiàn)狀與現(xiàn)有的病害類型，針對病害類型提出了具體的保護(hù)加固措施，徹底性的解決萬安禪院石窟寺的安全問題。同時對石窟整體進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，保證整個過程安全平穩(wěn)進(jìn)行。