云岡石窟龍王廟溝洞窟5-28窟搶險加固保護工程紀實

牛春

摘 要：文章闡述了云岡石窟龍王廟溝洞窟和龍王廟溝洞窟中具有代表性的附屬洞窟5-28窟的洞窟特點。基于對5-28窟的前期勘查結果，分析了5-28窟保存現狀、主要病害及其形成機理，按照文物保護的要求，在搶險加固工程實施過程中，采取“淺部裂隙灌漿+錨桿錨固+頂板深層逆向注漿”的方式對5～28洞窟頂板進行加固及進行相關的監測施工，實現了文物保護的“保護為主、搶救第一”的保護方針。

關鍵詞：云岡石窟；文物保護；龍王廟溝洞窟

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.09.011

1 云岡石窟龍王廟溝洞窟概述

龍王廟溝洞窟位于云岡石窟群中部，屬云岡石窟第5窟的附窟，包括5-16至5-31窟，計16個洞窟。龍王廟溝洞窟是云岡石窟北魏晚期石窟的典型代表，見證了北魏拓跋族的式微，其形成的“云岡晚期模式”對周邊及后世石窟的開鑿產生了深遠的影響，特別是對龍門石窟的開鑿產生了直接的影響，這種影響不僅僅是龍門石窟早期洞窟，而且對其后世石窟的開鑿亦影響深遠（圖1）。

2 5-28窟文物特征描述

5-28窟是龍王廟溝洞窟中最具代表性的洞窟之一，屬于塔廟窟，平頂，一門一窗，坐西向東。南北面寬約7.5 m，進深約7 m，窟內高約5.8 m。有一門拱和一明窗。明窗內南北兩壁雕刻4排千佛列像，延伸至明窗兩側壁。中心塔柱由塔基和塔身組成，塔基四角以獅子承托（頭均毀），四面中間雕博山爐，兩側各雕2身力士像。塔身分上、下兩層。雕仿木構屋檐，四面開龕造像，造像組合有一佛二脅侍菩薩造像一鋪、一倚坐佛二脅侍菩薩造像一鋪、一交腳菩薩二脅侍菩薩造像一鋪。西壁中央雕一大龕，內雕一佛四脅侍菩薩造像一鋪。龕外兩側均雕上下排列的8個圓拱龕，內雕一佛二脅侍菩薩造像一鋪。兩排列龕上有4排千佛列像。北壁下層雕佛龕11個，第1龕為圓拱龕、內雕一佛二脅侍菩薩造像一鋪；第2龕為盝形龕內雕一交腳菩薩二脅侍菩薩造像一鋪；第3、4、5、7、8龕內雕一佛二脅侍菩薩造像一鋪；第6龕為盝形龕內雕一佛四脅侍菩薩造像一鋪；第9、10、11龕形不明，僅見輪廓。中層中央雕一復合龕，內雕釋迦、多寶二佛并坐二脅侍菩薩造像一鋪。大龕兩側雕上下排列的8個圓拱龕，龕式、造像同西壁同層。上層為4排千佛造像，無龕形。東壁上開明窗，下鑿拱門。窟門兩側壁面雕復合龕，內有坐佛輪廓。拱門上方中央雕一圓拱龕，內雕釋迦、多寶二佛并坐造像一鋪。明窗兩側壁面各雕2座圓拱龕，內雕一佛二脅侍菩薩造像一鋪。再上層與北壁同。南壁下層殘存不規則的8個佛龕，造像有1尊坐佛或釋迦、多寶二佛并坐像等。中層中央殘存坐佛1尊。龕外兩側布局與北壁相同。窟頂無雕刻內容。

3 5-28窟的勘察情況

5-28窟開鑿于粗砂巖體中，層理和裂隙發育，在長期風化作用下裂隙進一步發展，同時由于洞窟開鑿產生了大量的卸荷裂隙，洞窟頂板及側壁巖體的應力重分布，導致洞窟頂板巖體呈板狀墜落式破壞，頂板可見局部崩落痕跡，且整個頂板已無任何洞窟開鑿形成的石刻等人文痕跡。

洞窟頂板巖體長期處于臨空狀態，風化作用降低了頂板整體穩定性，同時分布在頂板中的層理將頂板巖體分割成不同厚度的層狀巖體，各層巖體在重力作用下，產生拉應力，促使各層巖體，尤其最下層巖體裂隙的發展。每層巖體的塌落均會導致其他各層巖體的應力重分布，風化又時刻作用于外層巖體，如此惡性循環，會導致洞窟頂板巖體形成懸臂式危巖體逐層塌落。現場勘察時，洞窟頂板有局部危巖崩落現象，巖石裂痕新鮮，已印證洞窟頂板巖體正在逐層坍塌。綜合裂隙實際分布情況可知，頂板危巖崩落需及時采取加固措施，否則洞窟有整體坍塌的風險。

經過勘察，5-28窟內部已經形成了22個危巖，其中頂板15個、北壁4個、西壁3個，均為板狀體，根據已崩落和即將崩落的危巖厚度推測現存的危巖厚度在10～50mm。

4 5-28窟的施工情況

基于前期勘查結果，分析了5-28窟的保存現狀、主要病害及其形成機理，按照文物保護的要求，經方案批復后擬采取“淺部裂隙灌漿+錨桿錨固+頂板深層逆向注漿”的方式對5-28窟進行加固及相關的監測施工。

4.1 頂板淺部裂隙灌漿施工

頂板分布較多層理，風化裂隙、構造裂隙、卸荷裂隙等裂隙的賦存情況錯綜復雜。這些裂隙不僅需要灌漿填充以阻止裂隙繼續風化，同時灌漿材料也應具有較強的滲透黏結性能，將裂隙兩側的板狀危巖黏結在一起提高頂板整體性及穩定性，同時針對太陽光不能直射洞窟頂板區域等因素綜合考慮，在實際施工中針對洞窟頂板表層裂隙采用改性水性環氧樹脂進行灌漿黏結。

環氧樹脂作為非傳統材料引入危巖體加固保護工程中已經很多年，它具有固化方便、固化后強度高、滲透性強、附著力強、收縮性低、化學性穩定等特點，因而廣泛應用于澆注、浸漬、層壓料、黏結劑、涂料等方向。但是環氧樹脂在危巖體加固保護工程施工當中也存在著以下不利因素：

①環境因素影響大，如溫度、濕度等會造成環氧樹脂不凝固、凝固后強度低、氣泡過多影響強度、爆劇過分反應等；②施工難度大，對注漿設備和工藝流程控制要求非常高，環氧樹脂施工過程中根據漿液配比和漿液配制使用量的不同產生未達到預期目的時就開始反應造成機器設備損壞等現象發生；③施工后復檢合格率低，環氧樹脂施工往往無法持續注漿或者多次補漿，而其本身滲透性又強，在需要注漿的部位會產生無漿或不飽和狀態；④無法將環氧樹脂本身的特性高效發揮。

針對以上問題，施工前進行試驗調整配比參數、工藝復合調整等多種手段控制環氧樹脂固化成果避免發生不良反應，進行環氧樹脂活性成分稀釋、固化模擬實驗可以確定環氧樹脂的凝固時間完成定時凝固；小徑孔微創鉆進成孔后可以直接將環氧樹脂注入預定位置，控壓控速泵送環氧樹脂達到定量灌注，合理地將各個注漿點連成線、連成面最后連接成為一個整體，現場采用“三管注漿法”有效地解決了環氧樹脂無法持續注漿和多次補漿的難題。現場同步試驗結果證明環氧樹脂固化后強度大于C60混凝土強度，經復查云岡石窟龍王廟溝洞窟5-28窟頂板危巖體加固工程注漿效果復檢合格率100%。

4.2 頂板加固錨桿施工

5-28窟頂板上存在的危巖呈板狀分布，危巖重量均較小，且頂板（向上）深部無可靠完整的巖體（接近地表為巖石風化層）可供錨桿錨固。在施工中采用豎向錨桿，將層狀分布的頂板巖層“串接”在一起，在保障洞窟頂板表層危巖不發生分層墜落的同時，又可增加洞窟頂板整體穩定性。而5-28窟頂板危巖體加固施工屬于高危巖體加固，原因在于危巖體與背后的母巖分離，已處于失穩狀態，部分巖體已經脫落，形成裸露的巖面并呈現出懸臂狀態，未脫落的巖體相互之間卡夾形成絞合力在一起，形成以危巖體編織在一起的危巖網或危巖群，現有技術手段無法準確地計算出每塊巖體明確的受力作用點、受力方向及受力大小，這形成了極大的安全隱患，可能出現因一處力的作用點變化、力的方向變化或者是力的大小變化而引起整個危巖體脫落或者頂板垮塌。

針對以上特點，施工鉆進成孔是保障施工安全和本次保護項目成功與否的關鍵環節。根據現場危巖特點，施工中采用“零干擾”的成孔方式進行鉆進成孔，因為只有這樣才能保證對危巖體保護性施工時零外力、零擾動，在危巖體自身相對穩定的前提下，在單塊危巖體相互作用力的作用點、方向和大小都不改變的情況下鉆進成孔，因此首先排除了使用沖擊回轉鉆進方式成孔，因為它不具備以上要求。而傳統的回轉鉆進工藝成孔主要依靠鉆進壓力、回轉速度、鉆具特點和循環系統等因素決定，本次施工當中對壓力和回轉速度要求極為嚴格因此施工就必須要改進回轉成孔因素中的一個重要環節—鉆具。

鉆具的加工制造主要推薦“鋸木原理”，木工鋸開木頭時無需垂直與木材方向的壓力，也不用非常快的拉鋸速度，木工的鋸之所以能鋸開木頭是因為鋸是一條設有三角形齒條的金屬帶，鋸子三角齒的運動方向與木纖維的生長方向呈較大夾角，運用剪切力將木纖維剪斷，齒條做成左右傾斜狀的目的是在被鋸物體上形成更寬的槽制，避免摩擦阻力太大。鋸之所以能夠鋸物體，核心在于三角形齒條。三角形齒條的齒尖是非常尖銳的。尖銳的齒尖在物體表面移動時，齒尖就會破壞物體的結構，使之變成粉末，這與用針劃過紙張的過程一樣。因此改進鉆具的出刃位置、出刃方向以及刃具形態，就可以在無壓力低轉速中進行鉆進。

在5-28窟施工過程中不適合使用液體循環排渣和冷卻鉆具的方式施工，而風循環、風冷工藝風壓大時會在巖石互層和碎裂帶產生重荷副壓力，就會加大巖石重力方向作用力，并且產生破壞作用，低壓或無壓時鉆進過程中遠遠達不到循環和冷卻的要求，極易卡鉆和燒毀鉆具造成孔內事故，因此鉆具在加工過程中對鉆具胎體和合金刃具進行了嚴格選擇，選擇耐高溫和強度高的鎢鈷合金鉆具，對于中硬度以下巖石鉆進具有非常好的效果。

針對洞窟頂板存在的危巖情況，錨桿成孔孔徑42 mm，分為1.5 m和2.7 m兩種長度的錨桿，錨桿桿體材料選用PSB785型精軋螺紋鋼，桿體直徑15 mm，采用環氧樹脂及MK+MFC兩種灌漿材料進行錨固，錨桿孔兼做壓力灌漿孔，MK+MFC固結體強度不小于M15。

4.3 側壁危巖加固施工

經危巖穩定性計算，5-28窟西側窟壁上有三處危巖需加固，采用裂隙灌漿黏結及錨桿錨固的加固方式。針對西壁存在的危巖，施工中采用全黏結錨桿錨拉加固，錨桿成孔孔徑42 mm，分為1.5 m和2.7 m兩種長度的錨桿，錨桿桿體材料選用PSB785型精軋螺紋鋼，桿體直徑15 mm，采用MK+MFC兩灌漿材料錨固，MK+MFC固結體強度不小于M15。

4.4 頂板深層逆向注漿施工

根據洞窟崖壁出露情況可知，洞窟頂部巖體層理發育，各層巖體間存在不同厚度的層間裂隙或者間隙，這些裂隙或間隙極大地破壞了頂板整體性，如僅采用頂板淺層裂隙封堵灌漿以及錨桿加固措施，僅可解決頂板表層脫落或者危巖墜落的危險，而頂板深層問題并未解決，因此，在施工中采用頂板深層逆向注漿方式對層間裂隙進行封堵，防止水的滲入，減緩風化，并提高洞窟頂板的整體性。

頂板巖體采用壓力灌漿，灌漿壓力不大于1.0 MPa，現場實施時結合現場工況條件，通過現場試驗驗證配比的適應性，確定最佳灌漿配合比（圖2）。

4.5 5-28窟內穩定性及滲漏水監測施工

作為龍王廟溝洞窟搶險加固工程配套監測，監測系統的目的主要是：

第一，在保護工程建設期間通過監測能夠對施工區域的重點部位的變化進行監測，為達到最小干預的目標提供數據支撐，并且能夠通過監測數據及時發現隱患，為施工安全提供支撐。

第二，在保護工程完成后，通過長期的監測，積累數據，利用大數據分析手段對監測數據進行分析，能夠為保護工程作用的研究、為類似保護工程的開展提供數據支撐。

在施工中，針對5-28窟內部已形成的22個危巖體，在窟頂板四個角分別選擇一處危巖在加固錨桿的自由段安裝軸壓力傳感器，在窟內靠近明窗處選擇裂隙比較嚴重的L61號裂隙兩端安裝裂隙傳感器。針對目前出現微滲漏水現象5-28窟內北壁與西壁相交處安裝滲漏水傳感器及微環境監測儀。通過監測，可以及時了解和掌握滲漏水病害的分布情況和演變規律，可以由此掌握地表防滲措施的有效性，同時評價窟內凝結水與滲漏水的耦合關系，為洞窟凝結水的形成機理及影響因素提供數據，監測儀器分布情況見圖3。

5 結語

經過緊張的搶險加固施工治理，有效地解決了云岡石窟龍王廟溝洞窟5-28窟岌岌可危的舊狀，具有針對性地治理了表層支離破碎的危巖體，有效地減緩了巖石逐層風化和越層風化的速度，為危巖區域內的文物本體的安全提供了保障。而且，通過工程的順利實施，各項數據指標均取得驚人的成果，不僅展示了新工藝、新技術在文物保護工作中的重要作用，更通過努力和實踐使得文物本體的歷史價值得以延續，讓文物本體的藝術價值得以更完美的展示，讓文物本體的科學價值得到進一步的提高，也讓文物保護工作者們能夠更好地領會、學習文物創造者們的智慧，讓文物保護工作的成果伴隨著文物本體共同見證那段傳奇般的故事。

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