石窟寺危巖體錨桿加固技術(shù)發(fā)展研究

[摘要]作為建筑、壁畫(huà)、彩塑三位一體的文化遺產(chǎn)，石窟寺具有重大的歷史、藝術(shù)、科學(xué)價(jià)值。開(kāi)鑿石窟的崖體受各種裂隙，尤其是卸荷裂隙的作用，形成各類(lèi)危巖體，不僅嚴(yán)重威脅著石窟寺的長(zhǎng)久保存，而且對(duì)游客、管理人員的安全造成危害，因此石窟寺崖體危巖體加固技術(shù)一直是石窟寺保護(hù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。我國(guó)在石窟寺危巖體加固技術(shù)中，主要應(yīng)用是支頂擋墻、錨桿加固、裂隙灌漿三類(lèi)，而使用最多的是錨桿加固技術(shù)。本文系統(tǒng)、全面總結(jié)了我國(guó)自20世紀(jì)60年代開(kāi)始至今的石窟寺危巖體錨桿加固技術(shù)，尤其是應(yīng)用于安西榆林窟、新疆克孜爾石窟、大同云岡石窟、洛陽(yáng)龍門(mén)石窟等著名石窟的危巖體加固技術(shù)，以及針對(duì)不同危巖體的加固方法研究成果，客觀評(píng)價(jià)危巖體加固技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為石窟寺崖體危巖體的治理提供系統(tǒng)的技術(shù)參考和實(shí)踐借鑒。

[關(guān)鍵詞]石窟寺；危巖體；錨桿加固；文化遺產(chǎn)

[中圖分類(lèi)號(hào)]K879.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A" [文章編號(hào)]1005-3115（2023）04-0181-12

作為建筑、壁畫(huà)、彩塑三位一體的文化遺產(chǎn)，石窟寺具有重大的歷史、藝術(shù)、科學(xué)、社會(huì)等價(jià)值。石窟寺原為古印度的一種佛教建筑形式，古印度佛教提倡隱世修行，佛教徒大都選擇在偏僻山谷的崇山峻嶺處修建修行場(chǎng)所，石窟寺由此產(chǎn)生叫。2-7世紀(jì)，印度建造有1300多座石窟，石窟建筑藝術(shù)形式隨佛教北傳至健陀羅地區(qū)，于漢代末期沿絲綢之路傳入中國(guó)2。新疆拜城約公元3世紀(jì)開(kāi)鑿我國(guó)第一座石窟寺——克孜爾石窟，至拜城起石窟寺文化在中國(guó)落地生根，傳播路線(xiàn)開(kāi)始由西向東進(jìn)入新疆腹地，后經(jīng)河西走廊由北至南發(fā)展。依據(jù)國(guó)家文物局組織全國(guó)石窟專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查結(jié)果，我國(guó)石窟寺及摩崖造像共有5986處，其中石窟寺有2155處①，主要分布在新疆地區(qū)、河西走廊、黃河流域、長(zhǎng)江上游地區(qū)、川渝地區(qū)，滇藏地區(qū)也有零星分布。

我國(guó)石窟寺大都在依山傍水的山間斷崖處開(kāi)鑿，巖石的地質(zhì)條件對(duì)石窟寺的開(kāi)鑿及后期的保存有著很大的影響。石窟崖體的保存狀況受巖石性質(zhì)和地貌類(lèi)型、自然環(huán)境、人為因素等影響，歷經(jīng)千百年陸續(xù)出現(xiàn)裂隙、坍塌、滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象，不僅威脅石窟本體及窟內(nèi)造像和壁畫(huà)的完好，同時(shí)產(chǎn)生的危巖體也會(huì)對(duì)游客帶來(lái)威脅，嚴(yán)重影響石窟寺的保護(hù)、傳承、利用，需要及時(shí)采取加固措施對(duì)其予以保護(hù)。

石窟崖體失穩(wěn)病害治理主要采用錨桿加固和化學(xué)材料灌漿兩種方法，錨桿支護(hù)是石窟寺最早采用治理崖體危巖體的加固措施。錨桿支護(hù)技術(shù)從20世紀(jì)50年代引入我國(guó)，于60年代初應(yīng)用于石窟寺崖體危巖體加固項(xiàng)目中。隨著新材料和新技術(shù)的發(fā)展，錨桿種類(lèi)不斷增多，如中空注漿錨桿、鋼錨索、玻璃纖維錨桿、碳纖維錨桿等，危巖體加固可選擇的材料與方法也隨之增多。本文通過(guò)查閱檔案資料、實(shí)地走訪以及檢索已發(fā)表的文獻(xiàn)成果，收集整理各石窟寺崖體加固工程資料，對(duì)石窟寺崖體危巖體加固項(xiàng)目中錨桿使用情況進(jìn)行梳理，以期為石窟寺崖體危巖體加固工程及預(yù)防性保護(hù)提供參考與借鑒。

一、石窟寺危巖體產(chǎn)生原因及病害類(lèi)型

石窟寺賦存于巖體之上，受巖體穩(wěn)定性和自然環(huán)境等條件影響，危巖體病害陸續(xù)出現(xiàn)，出于對(duì)文物和歷史文化保護(hù)的原因要對(duì)石窟巖體加以保護(hù)，保護(hù)工作面臨自然營(yíng)力、大氣環(huán)境、人為破壞、文物盜竊等諸多挑戰(zhàn)。對(duì)石窟寺保護(hù)研究，繞不開(kāi)對(duì)其賦存地質(zhì)、巖性及周邊環(huán)境的研究，石窟寺巖體病害有危巖體、水蝕、風(fēng)化、滑坡等，其中危巖體病害是對(duì)石窟寺文物威脅最大的病害類(lèi)型，危巖體病害發(fā)生導(dǎo)致石窟寺巖體失穩(wěn)，極易造成洞窟文物損毀。危巖體是石窟寺巖體病害中最難治理的類(lèi)型，需要對(duì)病害產(chǎn)生原因及病害類(lèi)型做出分析，因地制宜做出保護(hù)措施。我國(guó)石窟危巖體病害治理技術(shù)研究受時(shí)代與材料影響，治理技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，石窟寺賦存狀況是保護(hù)技術(shù)研究的基礎(chǔ)，下面就石窟寺賦存地質(zhì)類(lèi)型、危巖體病害產(chǎn)生原因及病害類(lèi)型做出分析。

（一）石窟寺賦存地質(zhì)類(lèi)型

石窟寺開(kāi)鑿和布局除了受當(dāng)時(shí)文化和交通等因素影響外，同時(shí)也受地質(zhì)條件的制約，有些地區(qū)巖石特性比較松散不宜雕刻，只能通過(guò)泥塑和壁畫(huà)來(lái)表現(xiàn)，如新疆和河西走廊一帶石窟寺的壁畫(huà)與泥塑造像；有些地區(qū)巖石比較堅(jiān)硬，適合做雕刻，如有“刻在石頭上的歷史”之稱(chēng)的大同云岡石窟與洛陽(yáng)龍門(mén)石窟，石窟寺藝術(shù)風(fēng)格受鑿窟地層的巖性特征所決定M。石窟寺大都在依山靠水的山間斷崖處開(kāi)鑿，巖石地質(zhì)條件對(duì)石窟寺開(kāi)鑿及后期保存有很大影響。巖石是石窟寺建筑基礎(chǔ)，巖體穩(wěn)定性能為石窟寺建造開(kāi)創(chuàng)良好的條件，中國(guó)石窟寺主要開(kāi)鑿于砂巖、礫巖、石灰?guī)r及砂礫巖為主要巖石結(jié)構(gòu)的山體上（詳見(jiàn)表1）。

（二）石窟寺危巖體病害產(chǎn)生原因

石窟寺巖體劣化是危巖體病害產(chǎn)生的直接原因，其中有石窟巖體自身原因，也有外部環(huán)境影響造成的，還有人為破壞等原因。石窟巖體長(zhǎng)期露天保存在自然環(huán)境中，風(fēng)力的物理作用、降雨的水蝕作用、溫差效應(yīng)下的冰劈作用等長(zhǎng)期侵害石窟巖體，由于石窟寺不可移動(dòng)屬性，巖體保護(hù)工作復(fù)雜且困難。

自然營(yíng)力作用是石窟危巖體劣化的主要原因，石窟巖體由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和人為開(kāi)鑿洞窟行為，常會(huì)出現(xiàn)由于巖體被掏空后失去原有應(yīng)力支撐而出現(xiàn)的卸荷裂隙、巖體經(jīng)過(guò)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的構(gòu)造裂隙、平行于崖體垂直面方向的岸邊裂隙、受風(fēng)化作用巖石上下層之間產(chǎn)生的層間風(fēng)化裂隙等，裂隙剪切力互相交織將巖石切割成碎塊，碎塊處于力學(xué)極限狀態(tài)脫離母巖矗立或與母巖呈現(xiàn)依附狀態(tài)但稍微有一點(diǎn)外力干預(yù)即刻脫離母巖，即形成石窟危巖體病害。目前很多石窟都存在巖體失穩(wěn)、巖塊崩塌、洞窟崖壁開(kāi)裂、窟頂崩坍剝落、窟龕巖體及石像嚴(yán)重風(fēng)化等狀況。石窟是利用地層巖體的強(qiáng)度來(lái)維持其自身的平衡，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，石窟原有應(yīng)力平衡被地震波破壞，巖體會(huì)隨著原有裂隙邊坡方向滑移，或者在窟頂坍塌，或者崖體臨空面發(fā)生坍塌。自然災(zāi)害引發(fā)文物損毀現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，北石窟寺與炳靈寺石窟曾因地震引發(fā)洞窟坍塌、傾倒，致使洞窟內(nèi)部文物損壞。

水對(duì)石窟安全穩(wěn)定性危害極大，僅次于巖體裂隙所帶來(lái)的危害程度。對(duì)石窟直接造成危害的水環(huán)境主要有自然界的降雨、地下水、地表水這三類(lèi)。降雨是石窟巖體遭受破壞的外動(dòng)力之一，巖石組成成分中含有蒙脫石，吸水性強(qiáng)，水份在巖層中長(zhǎng)時(shí)間滯留，與巖石中的鹽相遇生成可溶鹽，在風(fēng)力和冰劈效應(yīng)下巖體劣化，石質(zhì)脆化，在卸荷裂隙、構(gòu)造裂隙等剪切力作用下，極易發(fā)生崩塌、坍塌等危巖體病害。地下水通過(guò)毛細(xì)水作用，發(fā)生水鹽運(yùn)移效應(yīng)，將巖石內(nèi)部鹽的成分帶到巖石表面，使之強(qiáng)度被破壞易風(fēng)化，加速巖體裂隙發(fā)育速度，遇降雨或外力影響，裂隙處臨空面拉力大于巖體拉力，形成危巖體。

自然環(huán)境對(duì)石窟巖體劣化的促進(jìn)作用不容忽視，石窟所在區(qū)域溫濕度變化，對(duì)石窟巖體賦存及保護(hù)都會(huì)帶來(lái)較大影響。中國(guó)石窟分布主要集中在亞熱帶季風(fēng)、溫帶季風(fēng)、溫帶大陸性氣候區(qū)，季節(jié)溫差較大，冷熱交替，石窟巖體內(nèi)水份發(fā)生冷凝，熱脹冷縮效應(yīng)下，巖質(zhì)硬度弱化，裂隙縱橫交織極易劣化。空氣濕度促進(jìn)石窟巖體病害產(chǎn)生，洞窟濕度過(guò)大，空氣中水分子含量高，在冷凝作用下附著巖體表面，順巖體節(jié)理、裂隙滲透進(jìn)入巖體內(nèi)部，與巖體中鹽份結(jié)合生成可溶鹽，催化巖體劣化。石窟巖體表面自然生長(zhǎng)植物，其根系穿插在崖體巖土中，根劈作用造成崖體的開(kāi)裂和剝蝕。在濕潤(rùn)環(huán)境下石窟巖體表面極易生成微生物病菌，呈綠苔樣或灰白色，不僅影響石窟外觀，而且造成巖體劣化力學(xué)強(qiáng)度降低。

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)石窟巖體穩(wěn)定存在諸多影響，人為盜割石窟文物，挖掘石窟巖體取石等直接破壞石窟巖體穩(wěn)定，屬直接人為因素。石窟寺周邊人為活動(dòng)，如云岡石窟附近生產(chǎn)煤礦和109國(guó)道道路運(yùn)輸煤等產(chǎn)生的粉塵，引起酸雨效應(yīng)侵蝕石窟巖體加速巖體劣化速度8;龍門(mén)石窟附近焦枝鐵路線(xiàn)運(yùn)輸累計(jì)30年對(duì)洞窟產(chǎn)生疲勞震動(dòng)效應(yīng)，加速巖體裂隙張開(kāi)；廣元千佛崖附近川陜西公路修建直接損毀洞窟等石窟由于人為生產(chǎn)活動(dòng)因素影響I10I，對(duì)石窟巖體產(chǎn)生的間接或直接的危害，這些都是危巖體病害產(chǎn)生原因之一。

（三）石窟危巖體病害類(lèi)型

石窟寺?tīng)I(yíng)建時(shí)間久遠(yuǎn)，巖體在自然營(yíng)力及地震、人為等外力作用下失穩(wěn)，主要有傾倒崩塌、滑移坍塌、窟頂塌落、高空懸石四種破壞形式。石窟開(kāi)鑿破壞巖體原有應(yīng)力平衡，出現(xiàn)細(xì)小節(jié)理，隨著地質(zhì)運(yùn)動(dòng)及自然界環(huán)境影響，節(jié)理逐漸發(fā)育變成裂隙。巖體裂隙在各石窟都普遍存在，洞窟外側(cè)巖壁和洞窟內(nèi)壁都會(huì)出現(xiàn)裂隙病害。

巖石經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自然風(fēng)化及雨水侵蝕，巖體強(qiáng)度減弱，在卸荷裂隙、構(gòu)造裂隙及層面裂隙等自然營(yíng)力相互交織切割，巖石被切割成碎塊，在外力作用下裂隙呈豎直方向發(fā)展并逐漸張大，被切碎的巖石碎塊逐漸與母巖分離或貼合母巖維持平衡，重心向臨空方向發(fā)展，在自重力及外力影響下，巖塊重心臨空面突破極限平衡力，即會(huì)發(fā)生巖體崩塌、垮塌、坍塌等傾倒破壞，形成傾倒型危巖體。

巖體裂隙與崖體呈斜坡角度發(fā)育，受巖體剪切張力影響，被裂隙切割的塊狀巖體或小型巖塊群，在外力和自重力作用下，沿斜坡向下滑移，巖體平衡重力被破壞，錯(cuò)落下滑發(fā)生滑移坍塌，形成滑移型危巖體。

石窟開(kāi)鑿后窟頂距離崖面較近，洞窟窟頂巖層較薄，受風(fēng)化及雨水侵蝕巖體變疏松，在自重力和自然營(yíng)力作用下，窟頂裂隙出現(xiàn)溶蝕、漏雨繼而坍塌。如新疆與河西走廊地區(qū)石窟易出現(xiàn)此類(lèi)巖體破壞，榆林窟曾出現(xiàn)窟頂塌落損毀壁畫(huà)及造像的危巖體破壞，窟頂巖體劣化形成窟頂危巖體塌落。

石窟巖體長(zhǎng)期露天受風(fēng)化及雨水侵蝕，開(kāi)鑿洞窟的巖體呈軟硬相間互層狀，受層間風(fēng)化作用影響，出現(xiàn)局部巖體風(fēng)化蝕空，頂部部分巖體懸空存在，當(dāng)懸空部位巖體在自重力及自然營(yíng)力作用下向臨空面傾斜，拉力大于貼合面巖體張力，巖塊會(huì)斷裂崩落、墜落，對(duì)文物和人員都是毀滅性的損傷，這類(lèi)懸空危石對(duì)石窟安全威脅最大。

二、石窟危巖體錨桿技術(shù)研究現(xiàn)狀

我國(guó)自20世紀(jì)60年代初期開(kāi)始啟動(dòng)石窟保護(hù)工程，石窟崖體危巖體加固主要采用重力擋墻、錨桿加固、加固劑填充加固等方式，其中錨桿加固方式的應(yīng)用范圍最為廣泛，是我國(guó)目前石窟寺危巖體加固的主要方法。

錨桿加固危巖體主要是通過(guò)錨桿桿體埋入待加固巖體，通過(guò)預(yù)應(yīng)力或非預(yù)應(yīng)力兩種力學(xué)作用方式，將危巖體與崖體連接整合，統(tǒng)一巖體的整體性，增強(qiáng)巖體的自身承載力，從而實(shí)現(xiàn)加固危巖體的目的。隨著新工藝和新材料的開(kāi)發(fā)，錨桿的類(lèi)型逐漸豐富，根據(jù)錨桿所用材料可分為金屬錨桿和非金屬錨桿。金屬錨桿有楔縫式錨桿、倒楔式錨桿、樹(shù)脂錨桿、負(fù)泊松比錨桿等，非金屬錨桿有木錨桿、楠竹錨桿、玻璃纖維錨桿、碳纖維錨桿、石炭纖維錨桿、玄武巖纖維錨桿等叫。在錨桿類(lèi)型選擇方面，則主要依據(jù)不同石窟寺的崖體結(jié)構(gòu)、巖體破壞應(yīng)力、危巖體大小等因素。

我國(guó)最早一批石窟崖體加固使用的錨桿均是圓鋼和螺紋鋼金屬錨桿，從1977年麥積山石窟保護(hù)工程中錨桿加固技術(shù)工藝發(fā)生變化，施工使用螺紋鋼中空注漿錨桿，至此錨固技術(shù)進(jìn)入材料與工藝研發(fā)新時(shí)期。李鑫杰I2通過(guò)對(duì)砂巖石窟在微型錨桿錨固系統(tǒng)中，在相同錨固條件下，對(duì)螺紋鋼錨桿和木制錨桿開(kāi)展錨固力試驗(yàn)，螺紋鋼錨桿錨固效果優(yōu)于木制錨桿。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，不斷研發(fā)出新材料錨桿，新型材料錨桿應(yīng)用于煤礦、土木工程和交通線(xiàn)路的邊坡加固。黃蕾鳴、劉漢東13I1等做了玻璃纖維錨桿（GFRP）與鋼材錨桿錨固效果比對(duì)試驗(yàn)，認(rèn)為GFRP錨桿可以取得鋼材錨桿相同錨固效果，且耐腐性能優(yōu)于鋼材錨桿。新型材料錨桿在土木工程項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用后，通過(guò)試驗(yàn)論證后在石窟和土遺址保護(hù)項(xiàng)目中陸續(xù)開(kāi)展試用研究。王捷等I?承擔(dān)的國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃“石窟危巖體治理關(guān)鍵技術(shù)研究”課題成果之一《不同材質(zhì)錨桿體加固石窟圍巖的適用性研究》中，通過(guò)在云岡石窟危巖體的玻璃鋼錨桿、中空注漿錨桿、螺紋鋼錨桿三種不同錨桿加固石窟圍巖適應(yīng)性測(cè)試研究結(jié)果顯示，玻璃鋼錨桿適合加固小型傾倒式危巖體，圍巖松軟且斷層破碎較嚴(yán)重的危巖體適合使用自鉆式中空注漿錨桿，螺紋鋼錨桿錨固力是三者中最強(qiáng)的，但鉆孔對(duì)石窟崖體擾動(dòng)較大。郭青林叫等針對(duì)巖土質(zhì)遺址開(kāi)展玻璃纖維錨桿錨固技術(shù)工藝改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明在預(yù)設(shè)條件下，玻璃纖維錨桿能夠?yàn)閼铱諑r體提供足夠的錨固力。崔凱等人基于改性糯米灌漿材料條件下對(duì)木錨桿、玻璃纖維增強(qiáng)塑料錨桿、鋼筋錨桿開(kāi)展錨固力試驗(yàn)，驗(yàn)證多種條件下三類(lèi)錨桿的錨固特征。石窟危巖體病害較土遺址病害相對(duì)復(fù)雜，危巖體的破壞方式和破碎程度不同，由于有些石窟崖體還承載有壁畫(huà)或塑像，錨孔鉆取后具有不可逆性，因此要在遵守文物保護(hù)不改變文物原狀的基本原則下，盡可能小地?cái)_動(dòng)石窟本體，所以對(duì)錨桿類(lèi)型的選用也較為嚴(yán)苛。在土木工程項(xiàng)目建設(shè)和土遺址保護(hù)工程中成熟應(yīng)用的錨桿支護(hù)技術(shù)，需經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，充分論證后才能在石窟危巖體加固保護(hù)中使用。柴新軍1si1等針對(duì)窟頂窟壁剝落掉塊問(wèn)題，使用微型木錨桿做了加固試驗(yàn)，其抗拉拔力和穩(wěn)定效果都達(dá)到預(yù)期效果，對(duì)窟頂微小剝落掉塊危巖的加固作用較好。朱建龍@通過(guò)麥積山石窟西崖試驗(yàn)區(qū)的玄武巖纖維復(fù)合筋錨桿（BFRP）現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)分析，BFRP錨桿具有密度小、質(zhì)量輕、抗拉強(qiáng)度高、耐酸堿腐蝕性能優(yōu)良等特性，不會(huì)出現(xiàn)鋼筋錨桿的銹蝕等問(wèn)題。龐磊叫等在萬(wàn)安禪院石窟危巖體加固施工中對(duì)錨桿穩(wěn)定性開(kāi)展研究，認(rèn)為巖體風(fēng)化程度、鉆進(jìn)振動(dòng)強(qiáng)度、錨孔與洞窟的距離三者是錨桿加固穩(wěn)定的重要影響因素。裴強(qiáng)強(qiáng)等針對(duì)砂巖石窟平頂窟頂板巖體加固開(kāi)展微小型柔性錨桿錨固性能研究，選取 GFRP錨桿和NPR錨桿（負(fù)泊松比錨桿）兩種類(lèi)型錨桿為研究對(duì)象，試驗(yàn)結(jié)果表明GFRP錨桿具有更好的延展性與抗剪性，能夠適用于砂巖石窟平頂窟頂板受環(huán)境影響的部分變形加固。

越來(lái)越多的新型錨桿被應(yīng)用到石窟崖體病害治理中，不僅在材料上迭代更新，在工藝上也有新的突破，近些年新研制的負(fù)泊松比錨桿（NPR）通過(guò)試驗(yàn)論證，也逐漸應(yīng)用于石窟危巖體加固中23124]。

三、石窟危巖體加固關(guān)于錨桿技術(shù)發(fā)展歷程

（一）早期石窟危巖體錨桿加固技術(shù)

1890年，在英國(guó)北威爾士露天頁(yè)巖礦首次使用錨桿技術(shù)加固邊坡，開(kāi)啟了工程中錨桿加固技術(shù)的應(yīng)用，20世紀(jì)50年代中國(guó)引入錨桿技術(shù)。20世紀(jì)60年代，將錨桿技術(shù)引入石窟文物保護(hù)中。1962年，山西大同云岡石窟啟動(dòng)第1、2窟試驗(yàn)加固工程，洞窟主要病害是壁面和塔柱頂部巖石坍塌，主要對(duì)第1、2窟前立壁采用錨桿方式進(jìn)行加固。本次試驗(yàn)工程采用了楔縫式金屬錨桿，沒(méi)有對(duì)錨孔灌漿，利用楔頭和錨桿體與巖石的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)加固目的，成為全國(guó)石窟首次使用錨桿加固的案例25120]。1971-1973年，河南洛陽(yáng)龍門(mén)石窟啟動(dòng)奉先寺九尊大造像加固工程，病害主要也是巖體崩塌，但崖體構(gòu)成為石灰?guī)r，采用了錨桿加固和化學(xué)灌漿方式進(jìn)行危巖體治理。本次加固使用了普通圓鋼錨桿，錨孔灌注環(huán)氧砂漿和呋喃改性環(huán)氧樹(shù)脂，以增加錨桿的穩(wěn)定性2。從云岡石窟崖體加固試驗(yàn)到洛陽(yáng)龍門(mén)石窟奉先寺加固，使用的都是楔縫式圓鋼錨桿，依靠錨桿桿體與巖體間的摩擦力實(shí)現(xiàn)加固目的。但這種方法的弊端是錨桿與巖體間的空隙沒(méi)有填充，導(dǎo)致錨桿桿體偏離，雨水等也容易順著縫隙侵入，使金屬錨桿銹蝕。因此，龍門(mén)石窟的加固工程在錨桿做了加固后，又對(duì)裂隙處做了化學(xué)灌漿，注入環(huán)氧樹(shù)脂漿液填充錨桿與巖體間的縫隙，使得圓鋼錨桿被化學(xué)材料包裹，既增加了錨桿的穩(wěn)定性，又防止了雨水等侵入使錨桿銹蝕。

這個(gè)時(shí)期是石窟危巖體加固的試驗(yàn)探索階段，借鑒土木工程中邊坡加固的錨桿技術(shù)，試驗(yàn)性的使用錨桿加固石窟巖體，阻止石窟危巖體病害發(fā)育。加固使用的是金屬圓鋼或螺紋鋼錨桿，為了穩(wěn)固錨桿同時(shí)兼?zhèn)浞栏g效果，采用了化學(xué)灌漿。本階段通過(guò)錨桿加固局部危巖體，維持石窟巖體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，初步實(shí)現(xiàn)了治理石窟危巖體的目標(biāo)。

（二）中期石窟危巖體錨桿加固

20世紀(jì)70年代末期至20世紀(jì)末，進(jìn)入我國(guó)石窟搶救性保護(hù)階段，錨桿加固危巖體的工藝和材料也得以快速發(fā)展。1977-1984年，甘肅天水麥積山石窟啟動(dòng)崖體加固工程，主要病害是大面積蝕落和裂隙坍塌。經(jīng)過(guò)充分的試驗(yàn)論證，最終確定采用噴錨粘固方式，使用了非預(yù)應(yīng)力螺紋鋼漿錨錨桿，化學(xué)材料也做了改進(jìn)，使用107膠水泥砂漿、環(huán)氧樹(shù)脂、高模數(shù)硅酸鉀粘合劑（PS）281291，標(biāo)志著我國(guó)石窟崖體危巖體加固技術(shù)的新開(kāi)端。本次加固工程采用的非預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，錨桿自身就是注漿管，相較于傳統(tǒng)的錨固注漿方式，避免了注漿管拔出時(shí)漿液流失的可能。1984-1988年，寧夏固原須彌山石窟針對(duì)風(fēng)化、片狀剝落和崩塌病害，對(duì)第5窟和第51窟崖體危巖體進(jìn)行加固，采用螺紋鋼錨桿加固支護(hù)和高分子化學(xué)材料配比聚合水泥砂漿對(duì)錨孔灌注801311321。1986年，四川廣元千佛崖千佛洞加固工程使用楔頭式螺紋鋼錨桿錨固支護(hù)和呋喃環(huán)氧樹(shù)脂灌注13，對(duì)石窟風(fēng)化剝蝕、窟頂垮塌病害進(jìn)行治理。1987年，甘肅瓜州榆林窟礫石層巖體試驗(yàn)項(xiàng)目借鑒天水麥積山石窟的加固經(jīng)驗(yàn)，使用螺紋鋼錨桿張拉和鋼筋混凝土懸臂梁荷載的方式加固裂隙開(kāi)口導(dǎo)致傾倒的崖體。1987-1992年，河南洛陽(yáng)龍門(mén)石窟綜合治理五年工程項(xiàng)目，對(duì)石窟崖體裂隙滑落崩塌危巖體加固，使用螺紋鋼錨桿支護(hù)，錨固劑采用的是1987年龍門(mén)石窟保管所聯(lián)合鐵道科學(xué)院鐵建所聯(lián)合研制的水泥藥卷2。1988-1992年，新疆龜茲克孜爾石窟第2-48窟加固工程采用了支頂、錨固、化學(xué)封護(hù)三種方法結(jié)合的加固方案，使用水泥砂漿錨桿支護(hù)和107膠水泥砂漿、聚乙烯醇水泥砂漿灌注封護(hù)351。1993-1994年，甘肅瓜州榆林窟對(duì)東崖第12-17窟區(qū)段的搶險(xiǎn)加固，因待加固崖體裂隙較為破碎，采用全新的鋼錨索加固方式，屬全國(guó)首次應(yīng)用，開(kāi)辟了國(guó)內(nèi)石窟崖體加固使用錨索的先河[36137138]。1997-1999年，甘肅臨夏炳靈寺石窟使用鋼錨索和螺紋鋼錨桿加固裂隙懸石和垮塌的危巖體]。

本階段的研究主要圍繞錨桿技術(shù)和工藝改進(jìn)，天水麥積山石窟的噴錨粘固是石窟危巖體加固新工藝探索的開(kāi)始，瓜州榆林窟鋼錨索和反向壓漿的應(yīng)用則是新技術(shù)的實(shí)踐，這些都為后期的石窟危巖體加固提供了有益探索。

（三）新時(shí)期石窟危巖體錨桿加固

21世紀(jì)初期，隨著新材料和新工藝的發(fā)展，煤礦、橋梁等土木工程中邊坡加固需求帶動(dòng)了錨桿技術(shù)的進(jìn)步，錨桿種類(lèi)和支護(hù)方式日漸增多，基于新材料生產(chǎn)研制了新型錨桿。如水泥錨桿、木錨桿、樹(shù)脂錨桿、玻璃纖維錨桿、碳纖維錨桿、玄武巖纖維錨桿等，這些錨桿類(lèi)型和支護(hù)方式經(jīng)過(guò)反復(fù)論證和試驗(yàn)應(yīng)用于石窟圍巖危巖體加固工程。

2011年，半成巖屬性的吐峪溝石窟在整體保護(hù)工程中危巖體加固使用玻璃纖維錨桿，施工過(guò)程中加固效果較好。2008年，汶川地震對(duì)四川廣元千佛崖造成破壞，部分裂隙和傾倒的危巖體需搶險(xiǎn)加固。2011-2015年，啟動(dòng)廣元千佛崖石窟災(zāi)害治理及重點(diǎn)龕窟保護(hù)修復(fù)工程，依據(jù)石窟保存環(huán)境，主體危巖體加固使用螺紋鋼錨桿，巖體邊坡空鼓病害加固使用微型碳纖維錨桿，使用不同類(lèi)型錨桿對(duì)文物不同位置不同危巖體進(jìn)行了加固。2013年，克孜爾尕哈石窟搶險(xiǎn)加固工程使用鋼筋錨桿和楠竹錨桿對(duì)裂隙坍塌的危巖體進(jìn)行加固。新材料錨桿更多的應(yīng)用于石窟崖體危巖體加固工程中，云岡石窟第3窟搶險(xiǎn)加固工程使用玻璃纖維錨桿加固后室頂板，由于窟頂較薄采用鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)，輔以玻璃纖維錨桿支護(hù)，屬于微型錨桿應(yīng)用。20世紀(jì)90年代開(kāi)始研究負(fù)泊松比效應(yīng)結(jié)構(gòu)錨桿（NPR）的可行性，NPR錨桿的研制成功，是支護(hù)加固材料的一次變革，目前國(guó)內(nèi)已有機(jī)構(gòu)在做石窟巖體NPR錨固試驗(yàn)。

本階段主要研究錨桿新材料在石窟危巖體加固中的應(yīng)用，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析各類(lèi)錨桿材料加固的優(yōu)缺點(diǎn)，依據(jù)錨桿性能特征，注重石窟危巖體類(lèi)型與錨桿類(lèi)型適配度。21世紀(jì)進(jìn)入石窟巖體預(yù)防性保護(hù)階段，對(duì)微型錨桿的應(yīng)用與研究增多。

隨著對(duì)石窟保護(hù)的重視及保護(hù)經(jīng)費(fèi)支持，全國(guó)石窟巖體加固工程70%在20世紀(jì)70年代末至20世紀(jì)末開(kāi)展，重點(diǎn)是石窟巖體病害搶救性保護(hù)（詳見(jiàn)表2）。

這些工程主要是對(duì)石窟危巖體開(kāi)展搶救性保護(hù)，大部分是傾倒型危巖體引起石窟巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，少部分滑移危巖與懸空危石，窟頂塌落較少。通過(guò)危巖體錨固，維持局部巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止石窟巖體病害蔓延發(fā)展危害石窟文物安全。

四、錨桿技術(shù)時(shí)代背景及優(yōu)劣勢(shì)分析

危巖體是所有石窟都會(huì)出現(xiàn)的巖體病害，同時(shí)也是比較難治理的病害，其對(duì)文物造成的破壞具有不可逆性。因此，各石窟管理機(jī)構(gòu)對(duì)危巖體病害非常重視。在危巖體病害治理方面，錨固是應(yīng)用最多的加固方法，錨桿加固危巖體較少改變?cè)玻瑢?duì)巖體擾動(dòng)較小。研究關(guān)注較多的是關(guān)于錨固效果、應(yīng)力分布、拉力傳遞、耐久性、耐腐性等問(wèn)題，這些問(wèn)題影響工程項(xiàng)目中對(duì)錨桿類(lèi)型與使用技術(shù)工藝的選擇。我國(guó)早期、中期、新時(shí)期三個(gè)時(shí)期已實(shí)施工程案例，通過(guò)對(duì)已實(shí)施危巖體加固項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)分析，錨桿類(lèi)型和錨固技術(shù)的選擇與時(shí)代和危巖體病害類(lèi)型及巖體地質(zhì)條件密切相關(guān)。中國(guó)石窟科技保護(hù)起步較早，早期石窟危巖體加固沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可借鑒，受限于當(dāng)時(shí)條件，只能借鑒土木工程邊坡加固技術(shù)，選用錨桿材料多是土木工程使用成熟的材料，選取石窟做拉拔試驗(yàn)，效果達(dá)到預(yù)期即可應(yīng)用在石窟搶險(xiǎn)加固工程上。

20世紀(jì)80年代前，使用圓鋼或螺紋鋼錨桿做危巖體加固支護(hù)，其中以云岡石窟和龍門(mén)石窟為代表，由于處于物資和技術(shù)匱乏的年代沒(méi)有選擇的機(jī)會(huì)，沒(méi)有區(qū)分巖石地質(zhì)條件和危巖體類(lèi)型適用性，僅選取成熟支護(hù)材料。

20世紀(jì)70年代末至20世紀(jì)末期，錨固技術(shù)應(yīng)用考慮問(wèn)題比較全面，涉及巖石性質(zhì)、巖體張力、震動(dòng)影響、預(yù)應(yīng)力傳導(dǎo)、應(yīng)力荷載等方面，危巖體類(lèi)型是錨桿選用的重要參考依據(jù)。這一時(shí)期無(wú)論是錨固技術(shù)工藝還是錨桿材料研制都在發(fā)展，新材料也陸續(xù)出現(xiàn)。如瑞士韋德曼公司于1985年研制出玻璃纖維錨桿，并于當(dāng)年9月已量產(chǎn)471;1992年，我國(guó)浙江省磐安縣玻璃纖維廠和中國(guó)煤科院杭州環(huán)保研究所聯(lián)合研制的新型玻璃鋼錨桿獲得成功4|;1994年，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試當(dāng)時(shí)在礦山錨固上試用的玻璃纖維錨索的錨固力49]。這一時(shí)期雖然錨桿材料有選擇的空間，但基于石窟文物屬性，在選擇錨桿方面比較慎重。危巖體加固工程在設(shè)計(jì)之初已考慮巖體地質(zhì)條件、危巖體類(lèi)型、耐腐性等適應(yīng)性問(wèn)題。其中以麥積山石窟為代表的石窟危巖體病害較為嚴(yán)重，巖體破碎，單個(gè)錨桿加固不能承載局部穩(wěn)固力，最后選用“噴錨粘托”的綜合錨固措施，采用中空注漿預(yù)應(yīng)力螺紋鋼錨桿；以榆林窟為代表的新技術(shù)應(yīng)用，由于榆林窟東崖危巖體破碎程度較高，需要加固的面積較大，最后選用錨固力強(qiáng)，錨固面積大的鋼錨索加固；以炳靈寺石窟為代表典型危石類(lèi)型危巖體加固，采用鋼錨索、螺紋鋼錨桿相結(jié)合的方式，大塊危石使用錨索加固，小塊危石使用錨桿加固。

21世紀(jì)，石窟危巖體錨固技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入新時(shí)期。這一時(shí)期新材料的研發(fā)給錨桿技術(shù)帶來(lái)變革，F(xiàn)RP（復(fù)合纖維增強(qiáng)塑料）材料被廣泛應(yīng)用于土木工程的同時(shí)，GFRP（玻璃纖維錨桿）、 CFRP（碳纖維錨桿）、BFRP（玄武巖纖維錨桿）等新材料錨桿也在做石窟巖體錨固試驗(yàn)。通過(guò)這一時(shí)期實(shí)施的石窟危巖體加固項(xiàng)目及試驗(yàn)研究顯示，微型錨桿應(yīng)用及研究增多。

基于對(duì)重點(diǎn)加固工程危巖體病害類(lèi)型及錨桿支護(hù)效果評(píng)估統(tǒng)計(jì)分析，按錨桿類(lèi)型不同分析優(yōu)劣勢(shì)（詳見(jiàn)表3）。

目前通過(guò)已實(shí)施工程后期評(píng)估，危巖體加固仍以金屬錨桿和錨索為主流。對(duì)大塊危巖體使用鋼錨索加固，錨固力強(qiáng)；對(duì)較破碎的危巖體加固選用鋼錨索加固，錨固面積廣；對(duì)巖質(zhì)較為松散的危巖體加固選用自鉆式中空注漿錨桿，減少震動(dòng)；對(duì)巖質(zhì)硬度強(qiáng)的危巖體，選用螺紋鋼錨桿加固，但基本都是鋼錨索與錨桿組合錨固；對(duì)小型傾倒型的危巖體，巖石硬度不強(qiáng)選用玻璃纖維錨桿、碳纖維錨桿；對(duì)半成巖石窟危巖體可以選用玻璃纖維錨桿，如吐峪溝石窟2011年整體危巖加固洞窟區(qū)選用玻璃纖維錨桿。未來(lái)在石窟危巖體加固錨桿選用研究方面，主要從危巖體的形成機(jī)理與破壞時(shí)效研究入手，錨桿的錨固范圍、錨固力、減塵、減震等是重點(diǎn)研究對(duì)象，同時(shí)對(duì)于錨桿體材料的研究還需從石窟本體屬性出發(fā)。

五、結(jié)論

對(duì)石窟危巖體加固歷史工程總結(jié)分析，目前石窟危巖體錨桿加固技術(shù)使用仍以鋼錨索和金屬錨桿聯(lián)合支護(hù)為主。通過(guò)近五年石窟巖體加固工程施工情況分析，石窟巖體保護(hù)逐漸進(jìn)入預(yù)防性保護(hù)階段，新材料錨桿加固普適性研究及微型錨桿加固研究是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

[注釋]

①數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家文物局組織的全國(guó)石窟寺專(zhuān)項(xiàng)調(diào) content_5664501.htm。查結(jié)果，詳見(jiàn)https：//www.gov.cn/xinwen/2021-12/25/

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