西北地區石窟寺文物的監測與保護技術
——以萬安禪院石窟為例

劉曉萌 楊海龍

（陜西省文物保護工程有限公司，陜西 西安 710075）

位于西北地區的陜西省黃陵縣雙龍鎮的萬安禪院，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建。單窟，朝向東南，窟口處鑿有三開間仿木構窟檐。石窟平面呈“凸”字形，分為甬道和窟室：窟室內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。窟內外還有宋、明、清題刻碑記。2015年，石窟入選第六批全國重點文物保護單位。萬安禪院石窟造像技術高超，是研究宋代石刻的重要實物標本，更是研究西北地區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，現在石窟以及所處環境出現了許多嚴重病害，不僅威脅著文物本體和游客的安全，還將會導致歷史、藝術等多種信息丟失。為防止石窟病害范圍進一步擴大，現對萬安禪院石窟采取保護和加固措施。2013年9月，國家文物局以文物保函［2013］1866號文件正式批復開展萬安禪院石窟搶險加固工程。2014年工程設計方案通過專家評審后，由項目承擔單位陜西省文物保護工程有限公司在2016年7月到2017年9月對石窟開展保護加固工作。

1 前期勘察與保存現狀

1.1 前期勘察

了解巖體的穩定性和滲水狀況是石窟寺文物保護的基礎，通過搜集資料和實地調查分析，結合相關試驗，查明石窟寺場地有無不良地質作用及其工程地質條件，為萬安禪院石窟寺的保護工程設計提供科學依據。

1.2 保存現狀與病害類型

經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：石窟內墻壁裂縫發育較多共有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，共發現21處。這些裂隙對整個崖體邊坡的穩定性起著重要的控制作用。構造裂隙主要指巖體受構造應力作用所產生的破裂面或破碎帶。巖體裂縫的存在不僅破壞石窟的穩定性，而且成為地表水下滲到石窟內部的途徑，導致石窟內潮濕，加速巖石造像風化損毀。

2）危巖體：石窟保護區及周邊區域共發現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，而且嚴重威脅崖體的整體穩定，崖體保存狀況較差。

3）其他病害：石窟保存環境為室內保存，巖體為砂巖，墻體下均出現不同程度的風化層，各佛像也均有不同程度風化。另外，石窟內西南角出現一處滲漏，通過觀測發現下雨期間以3滴/h的速度滴漏。另外還有機械損傷、表面污染與變色和水泥修補等病害類型。

2 文物本體保護

為防止石刻、造像等文物本體在施工過程中發生碰撞、落灰、灌漿污染、和震動等現象，在進行施工作業之前，對石窟內外的一些佛像和石刻等進行了本體保護工作。

1）石窟內中央石刻造像的保護：實行“三重防護”，即無紡布→木板→架板。

2）石窟內甬道石刻造像的保護：實行“三重防護”，即油光紙→海綿→木板。

3）石窟外造像、石碑的保護：實行木板防護。

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

3 保護加固措施

根據《黃陵縣萬安禪院石窟搶險加固工程設計方案》和地質災害體的規模、特點等綜合分析，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行加固與保護。

1）腳手架搭設。

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行清理。在清理前，搭設專用升降架，并將大塊石用靜態爆破法二次破碎。施工時，遵循先防護后施工、邊施工邊監測的原則，先清除表面浮石，再針對危巖體進行二次破碎清理，從上至下逐層清理。另外，對影響危巖體穩定性的個別樹木也同時進行清理，伐樹前將周圍有礙砍伐作業的草叢和藤條一并進行清除。

4）石窟室內裂縫灌漿。

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研發的G型灌漿材料進行封堵（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、早期強度高、結石性好、固化漿體密實、耐高溫、無毒無污染、不老化和耐久性好等特點。通過灌漿，能夠增加危巖與母巖體之間的粘結力，可以堵塞地表水流通道，防止風化層沿裂縫面迅速發展，提高危巖的穩定性。

5）石窟外裂縫灌漿。

首先清理裂縫表面泥土、石屑等雜物；然后對裂縫進行封堵，預留灌漿及排氣口；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、不穩定的危巖體，錨固在深層穩定的巖土體上，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。

因為崖體上裂隙還存在不斷發育的征兆，多數目前穩定的巖塊很容易再次發育為危巖體，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應力加固。錨索施工分為水鉆開孔、鉆機成孔、錨索制作、錨索安裝、注漿、張拉封錨、原石回貼、表面做舊。

8）掏蝕區砌筑。

對于崖體掏蝕較深處，采用塊石砌筑的方式進行加固。砌體石料采用質地堅硬、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，采用埋頭小錨桿進行錨固，以保證砌筑體的穩定。最后，進行表面做舊。

4 保護效果評估

在施工期間，同時進行了施工安全監測與巖體穩定性長期監測，監測結果將作為判斷邊坡穩定狀態和指導安全施工的重要依據。本次監測項目主要為巖質邊坡坡面變形監測，監測工作包括巖體穩定性監測、溫濕度監測、裂縫監測、振動監測和氣象監測。

4.1 巖體穩定性監測

巖體穩定性長期監測采用航天科技產品1‰傾斜精度的遠程傾斜傳感器監測系統對其進行了監測。本項目設置監測點1個，位于石窟內外西墻。該系統是通過傳感器并利用GSM移動通信方式傳送采集的數據及分析結果，最終由相關專業人員對采集的數據進行收集保存與分析。從監測全程來看，整體趨于穩定狀態，加固后石窟位移量較小，石窟處于穩定狀態。

穩定性監測結果綜合評價：萬安禪院石窟窟室內采用裂縫灌漿加固治理后，石窟內原有的裂縫已消除，未再出現開裂、沉降等變形現象，感觀總體穩定；穩定性監測結果綜合分析表明，石窟整體趨于穩定，治理后無明顯位移、沉降變形。

4.2 裂縫監測

裂縫監測是對裂縫填充注漿后的變形情況進行實時監測，分析崖體加固后的穩定性。裂縫監測點位置結合工程性質、周邊環境、地質條件、施工特點等因素綜合考慮，著重于監測新產生的裂隙。本次監測采用VWJD-200型振弦式位移計、裂縫計對裂縫進行監測。石窟內共安裝4處裂縫計，石窟外安裝10處裂縫計，構成系統、全面、準確的監測系統，并定期對采集到的數據進行收集與分析。根據石窟內裂縫監測點的水平位移—時間曲線圖可知，石窟內裂縫監測數值均未發生變形，裂縫加固治理效果良好，石窟內裂縫處于穩定狀態

裂縫監測結果綜合評價：從裂縫監測點監測記錄及曲線圖分析結果表明窟內及窟外裂縫基本穩定，后期應周期性的進行重復觀測，研究其變化規律，該裂縫量在限差范圍內，建筑物和山體結構安全，建議繼續觀測。

4.3 振動監測

振動監測是對鉆機成孔時石窟內的振動情況進行實時監測，分析振動對石窟內文物的影響，防止在鉆孔時，由機械振動引起不必要的裂隙開裂。考慮到測試儀器及現場測試環境的具體情況，以《古建筑防工業振動技術規范》為依據，參照我國《城市區域環境振動測量方法》對測點布置的要求來布置測點。本次監測采用東華測試DH5907A無線環境激勵測試分析系統（三向速度傳感器）對施工中的振動進行監測。該系統內置傳感器及數據分析系統，利用GPS信號將數據實時采集并傳輸至電腦，并對數據進行分析。

振動監測儀布置以錨桿（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，在石窟內靠近錨桿（索）成孔一側及窟頂位置布置2臺測振儀器，構成系統、全面、準確的監測系統，并對采集到的數據進行收集與分析。通過對數據進行分析可知，錨桿鉆進石窟穹頂三向振動速度最大值為水平振動的0.098mm/s，小于《古建筑防工業振動技術規范》所規定的0.10mm/s，故認為萬安禪院石窟在錨孔鉆進振動作用下處于安全狀態。

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

4.4 溫濕度監測

本次監測采用德圖testo175H1自動數據記錄儀測量、監測并記錄溫度及相對濕度。石窟內安裝2臺，分別對石窟頂部和石窟底部溫濕度進行監測，石窟外門檐下高處安裝1臺，對石窟外溫濕度進行實時監測，比較全年平均值：溫度平均值窟外是10.34度，窟內甬道是11.80度，窟內是11.25度；相對濕度平均值窟外是67.83%，窟內甬道是65.07%，窟內是67.5%。

溫、濕度監測結果綜合評價：從溫、濕度全年平均值看，窟內甬道溫差較大，相對濕度窟內甬道較窟室內明顯偏低，從極值上觀察，3個監測點多次達到飽和值，說明該區域濕度較大。窟內甬道的溫度和濕度都較窟內變化范圍要大，這可能是因為石窟甬道通風條件好的原因。窟內與窟外的溫度差別較大大(窟室外部溫度較窟室內部略高)，相對濕度窟室內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部變化范圍要大，這可能是受石窟外環境影響較大的原因。

4.5 氣象監測

氣象環境監測對于文物保護有著重要意義，通過氣象監測可以掌握氣象因素對文物生存環境影響的規律，提供科學數據，以便我們能夠采取有針對性的保護措施，加強保護，將影響程度降到最低，使文物可以延年益壽。此次氣象監測安裝1座小型氣象監測站，主要由傳感器、太陽能供電系統，數據傳輸系統三部分組成，監測要素包括：溫度、濕度、降雨量、風向、風速。通過監測的數據，結合裂縫監測及巖體穩定性監測數據進行綜合分析，結果表明在降雨量較小的情況下對石窟穩定性沒有影響，后期繼續比對，研究其二者之間的變化 規律。

5 結語

本文以萬安禪院石窟寺為例，對西北地區石窟寺文物的保護與監測技術進行了研究，詳細全面地介紹了石窟寺的保存現狀與現有的病害類型，針對病害類型提出了具體的保護加固措施，徹底性的解決萬安禪院石窟寺的安全問題。同時對石窟整體進行了實時監測，保證整個過程安全平穩進行。