云岡石窟第3窟后室頂板加固治理與監測

范 瀟，閆宏彬，孟令松，黃 宇，齊彥明

(1. 云岡石窟研究院，山西大同 037007； 2. 遼寧有色地質一〇一隊有限責任公司，遼寧撫順 113006)

0 引 言

云岡石窟位于山西省大同市城西16 km的武州山南麓，共有大小洞窟254座，主要洞窟45座。其中，第3窟又稱“靈巖寺”[1]，是開鑿規模最大的洞窟，也是一座未完工的洞窟，其窟內地面遺跡為后代傳遞了洞窟開鑿方法和取石途徑等信息，具有極高的研究價值[2-3]?？邇葍H有的3尊造像雕刻精細，面部圓潤豐滿，推測為初唐時期雕刻而成[4]。

由于歷經千年的自然風化和其自身特殊的地質構造，第3窟存在危巖、滲水、片狀剝離、粉狀風化、生物擾動等多種病害。其中，后室頂板危巖最為危險，極有可能發生局部垮塌，后果不堪設想。本次治理主要采用灌漿粘接結合錨桿牽拉的方法對后室頂板進行加固，基本解決了后室頂板的穩定性問題。

1 第3窟后室頂板地質特征

1.1 地層

第3窟整體以砂巖為主，這也是其開鑿成為大型洞窟的有利條件，但是局部偶夾頁巖、粉砂巖及泥礫，易發生差異風化，影響洞窟穩定性。本次研究的后室頂板周圍地層自下而上可分為3層[5]：①層位于最下方，頂板殘存厚度僅0.3～0.5 m；②層位于中間，為易風化層，厚度0.2～1.5 m不等，是影響洞窟頂板穩定性的主要因素；③層位于最上方，巖層穩定(表1)。

表1 后室頂板地層劃分

1.2 巖石性質

按照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》，2014年采用萬能壓力機、電子天平和鼓風干燥箱等設備對第3窟頂部②層3組微風化砂巖樣品進行物理、水理和力學性質測試。實驗環境條件為溫度22 ℃，濕度38%，測試結果見表2。

表2 巖石性質測試結果

1.2.1物理性質 測試結果顯示，砂巖天然塊體密度在2.37～2.38 g/cm3之間，對比砂巖經驗數據2.2～2.6 g/cm3適中[6]，巖石孔隙率為10.48%，說明砂巖存在較多的孔隙，能為水鹽運移提供有利通道，加速巖石風化。

1.2.2水理性質 巖石平均含水率為0.28%，飽和吸水率為4.02%，與經驗數值對比適中，但由于②層巖石中含有30%以上的伊利石、綠泥石等水敏礦物，遇水極易軟化膨脹，因此在滲水通道打通后會導致巖石強度嚴重降低。

1.2.3力學性質 巖石天然單軸抗壓強度為39.8～47.9 MPa，屬于較硬巖，飽和單軸抗壓強度為9.3～15.3 MPa，軟化系數0.29，浸水后強度急劇下降，抗水抗風化性和抗凍性較弱。

2 第3窟后室頂板勘察

2.1 頂板危巖裂隙分布狀況

勘查結果顯示，后室頂板存在73條主要裂隙，以SN、EW和NW-SE向為主，將其切割成3個危巖區(圖1)，局部①層已經掉落。由于頂板處巖性屬于中粒砂巖與粉砂質頁巖互層，層狀裂隙發育，導致洞窟頂板歷史上形成大量垮塌掉塊。洞窟險情記錄顯示，近幾年裂隙邊緣巖體頻繁發生小塊掉落現象。

圖1 后室頂板危巖裂隙分布圖Fig.1 Unstable rock and crack distribution of back room roof

危巖區1頂板①層殘存厚度230～300 mm，最薄處100 mm，裂縫最寬處120 mm，最深0.6 m。雖然該區域暫時不對游客開放，但其崩落會加速南側穩定巖體的變形，仍需重點加固。

危巖區2頂板①層殘存厚度200～340 mm，裂縫最寬120 mm，最深0.8 m，表面破碎。該區位于3尊造像正上方，是游客逗留時間最長的區域，危險性極大，極易崩落傷害游客，對造像也存在極大威脅。

危巖區3表層薄層狀風化，裂隙寬約0.1～0.3 m，深度約0.4 m。該區域位于棧道正上方，是游客沿線參觀必經之路，極易發生片狀掉落砸傷游客，威脅較大。

2.2 鉆孔勘察

孔內攝影資料(圖2)顯示，①層砂巖在頂板區域殘存厚度僅為0.3～0.5 m，其上②層巖石局部較薄，僅有0.2～0.3 m。從①層已墜落區域邊緣觀察，②層局部已風化缺失，向內掏空深度可達1 m多，鉆孔典型剖面見圖3。

圖2 孔內攝影Fig.2 Hole photography

圖3 鉆孔剖面圖Fig.3 Borehole profile

2.3 物探

利用GPR Live Full Package手持雷達對2.2中同一剖面測量顯示，在頂板底面向上0.3～0.6 m出現異常(圖4)。圖像與鉆孔資料一致，印證了該軟弱裂隙帶的存在。

圖4 物探剖面圖Fig.4 Geophysical prospecting profile

3 頂板破壞形式

頂板發生破壞乃至崩塌的主要原因是②層巖石性質特殊，其風化速度相對較快，差異風化形成的空腔導致下方①層巖石與上方巖體分離，發生墜落。

巖體破壞過程細分為5個階段(圖5)：

圖5 頂板破壞形式Fig.5 Roof collapse pattern

1) 洞窟開鑿前，山體處于原始沉積狀態，內部幾乎沒有貫通裂隙，巖體穩定。

2) 洞窟開鑿后，①層砂巖僅剩下不足0.5 m的厚度，下方臨空，依靠巖石自身的結合力維持穩定，并在重力的影響下逐漸變形。

3) 由于②層自身相對滯水，山體上方裂隙的滲水在此聚焦，既增加了巖體自重，又加速了巖石風化。長期影響下，巖體開裂并產生變形。

4) 裂隙不斷發育，形成危巖體并局部墜落。

5) 未墜落的巖體由于邊緣處的頁巖層暴露在空氣中，風化加速，不斷向內掏空，形成新的危巖體，成為本次加固的主要對象。

因此，對尚未墜落的頂板危巖治理是關鍵所在。既要防止危巖體墜落，同時也要阻止頁巖層的快速風化。

4 第3窟頂板加固治理方法

4.1 臨時支護和防護

4.1.1頂板危巖臨時支護 為了保證施工時頂板3個危巖區的穩定性，本次工程采用臨時鋼結構支撐加固措施。每個危巖區采用6～8根40a槽鋼對接形成立柱支撐，柱與柱之間利用整體腳手架每隔4 m設置φ48鋼管和構件連接固定，最下方橫管離地300～500 mm，形成橫向支撐體系(圖6)。

圖6 框架式鋼結構臨時支護Fig.6 Temporary support of frame steel structure

同時為了保證支撐體系對文物的最小干預，避免對地面和窟頂遺跡造成破壞，立柱底部采用鋼墊板下放置柔性材料與地面接觸，頂部槽鋼與頂板不平處用柔性材料找平。

4.1.2臨時防護 為了防止巖塊墜落和灌漿材料滲漏對地面遺跡造成破壞，采取了逐層設置防墜網及地面全鋪地毯的方式進行防護。為了防止灌漿材料和施工中產生的灰塵污染，將3尊造像整體采用框架式木板和鋼板防護，同時使用防水卷材全方位進行防水防污處理。

4.2 裂隙注漿預加固

在開展牽拉錨桿施工前，為了進一步保障施工安全，對頂板向上0.5 m以內區域裂隙開展注漿預加固，步驟如下：

1) 材料試驗。灌漿前選取一試驗場地進行灌漿試驗以確定最佳的漿液配比及施工工藝。

2) 表面清潔。用手工工具或壓縮空氣清潔裂隙面，保證其粘接強度。

3) 布設注漿孔。采用沿裂隙線兩側梅花狀布設注漿孔，待成孔完成后，使用高壓風對孔內進行清理并埋設灌漿管。灌漿孔深度根據裂隙實際深度進行調整，間距0.2～0.5 m。

4) 裂隙封堵。注漿孔施工前用環氧樹脂膠泥對所有外露裂隙進行有效封堵，封堵裂隙要進行2～3次，直至裂隙完全封閉。

5) 灌漿。根據裂隙的分布情況，通過高壓泵將漿液灌入巖石裂縫，對所有裂隙進行充填及粘接，灌漿壓力15～40 MPa，對不適合高壓區域采用注射器進行漿液的灌注。灌注時及灌注后設置專人觀察，存在漏漿點立即暫停灌注并封堵。圖7為灌漿加固后取出的巖芯，可以看到環氧樹脂將原本被密集裂隙切割形成的碎裂巖體有效地粘接成為整體。

圖7 灌漿加固后取出的巖芯Fig.7 Rock core produced after grouting

6) 修補作舊。注漿完畢后采用母巖粉、礦物染料調色后的砂漿在注漿孔口作舊處理，使得顏色、形式與周邊協調一致，美觀。

4.3 錨桿加固

錨固施工質量的好壞直接影響錨桿的承載能力及危巖的穩定性，綜合考慮第3窟特殊的施工條件和地質條件，選取了適宜的施工方法并進行了精細施工，工序如下：

1) 搭建腳手架。為了減少鉆進過程中產生的振動，因此在頂部腳手架的搭建時經過詳細計算。既要給鉆機工作留出合適的空間，也要保證鉆機在鉆進時腳手架的整體穩定性，確保安全。

2) 鉆孔鉆進。在保證鉆進位置和方向等參數符合要求的條件下，采用了最新改進風動鉆機[7]，可將巖體取芯，更直觀地了解巖體內部情況，為下一步灌漿提供參考。與此同時，采用的鉆孔除塵技術，有效地減輕了施工所產生的灰塵對文物的污染。

3) 錨桿制作與安裝。由于本次頂板治理的對象均為墜落式危巖體，需要的錨桿應具備較強的抗拉拔能力。本次工程采用的玻璃纖維增強聚合物錨桿相較于傳統的鋼筋錨桿具有抗拉強度高、不生銹、材質輕、壽命長等優點[8]。對加固后錨桿進行拉拔試驗(圖8)，數據顯示，錨桿在最大荷載93.1 kN下(設計值的116%，設計值為80 kN)，最大位移值1.87 mm，最小位移值0.28 mm，錨桿的抗拉拔力和位移量均符合規范規定并滿足設計要求。錨桿桿體上每隔1～2 m安放對中支架，并設置注漿管、排氣管和備用管，為錨桿灌漿做好充分準備。

圖8 玻璃纖維錨桿拉拔試驗Fig.8 Pull-out test of fiberglass bolt

4) 注漿材料試驗。采用經試驗具備較好流動性的環氧樹脂進行灌漿。對3組環氧樹脂立方體試塊抗壓強度進行檢測，檢驗儀器為NYL-20000型壓力試驗機，試件尺寸70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，標準養護條件下齡期15 d，抗壓強度67～79 MPa。平均值72.2 MPa，略大于砂巖的抗壓強度，既能保證粘接的有效性，又能防止強度過高導致巖石內部開裂。

5) 注漿施工。注漿是錨固施工過程中的一個重要環節，注漿質量的好壞將直接影響錨固的承載能力。灌漿采用螺桿式高壓泵進行壓力灌漿，若漿液從排氣孔中排出，說明灌漿飽滿。封堵排氣孔并間歇性進行補漿，確保錨桿灌漿質量。

4.4 風化凹槽封護

對于②層巖石裸露區域，表面采用鋼絲網及錨釬進行固定，再使用修復砂漿和低堿水泥進行封護，有效地防止碎石塊掉落和進一步風化掏空，最后表面作舊處理，跟周圍協調一致。

5 第3窟頂板穩定性監測與評估

本次治理項目于2019年8月份完工，對當年9月1日0時至12月30日24時共計121 d的監測數據進行了對比分析，監測內容包括裂隙寬度、危巖體下表面傾斜度和錨桿應力。

5.1 裂隙和傾斜監測

裂隙監測設備測量范圍±10 mm，測量精度±0.01mm，采集頻率30 min，傾斜監測設備測量范圍±20°，測量精度±0.07°，采集頻率30 min。裂隙、傾斜監測數據變化范圍見表3。

表3 裂隙、傾斜監測數據變化范圍表

由于裂隙寬度和危巖體下表面傾角初始值不同，因此只有一定時間內的變化幅度具有參考意義。經對比，裂隙和傾斜監測數據會隨溫度變化做周期性變化，裂隙寬度最大變化幅度為0.162 mm，傾角最大變化值為0.231°，變化幅度較小，表明巖體穩定[9]。

5.2 錨桿應力監測

選取3個錨桿的不同深度開展實時應力監測，設備測量范圍±25 kN，測量精度≤1%FS，采集頻率30 min。

監測數據顯示，錨桿內部應力緩慢上升并趨于穩定，表明施工完畢后頂板有微小的變形，引起了錨桿內部應力變化，證明錨桿發揮了拉結作用，達到預期的加固效果(圖9)。

圖9 錨桿內部應力監測數據變化趨勢圖Fig.9 Variation trend of stress monitoring data in bolt

6 結 論

1) 鉆孔和物探資料顯示，第3窟后室頂板危巖體的形成與粉砂質頁巖層較易風化密切相關，差異風化直接導致了頂板危巖體的形成。

2) 灌漿后取出的巖芯驗證了流動性好的環氧樹脂可以充分地粘接巖體內部密集發育的細微裂隙；力學試驗顯示，環氧樹脂試塊的抗壓強度略大于砂巖的抗壓強度，能有效防止凝結后自身強度過高而導致的巖石內部開裂。

3) 頂板危巖治理后121 d的監測數據顯示，裂隙寬度、危巖體下表面傾角變化幅度較小，錨桿內部應力緩慢上升并趨于穩定，表明巖體得到了有效的加固，達到了預期的治理效果。