龙山石窟抢险加固保护实施对石窟的成效

葛海江

摘 要：龙山石窟始凿于唐代，开凿至今已有1300余年，在漫长的历史年代中，随着石窟区环境的变迁，在自然和人为等不利因素的影响下，石窟所依附的地质和环境载体产生了变化，存在岩体松弛卸荷、位移、石刻造像风化剥落、水流冲刷、溶蚀酥碱、植物生化破坏等多种地质病害。这些病害严重威胁到龙山石窟造像的安全，2015—2017年对龙山石窟岩体进行了抢险加固保护，此次加固工程对保障石窟整体结构稳定起到了重要的作用，有效保护了龙山石窟的完整。

关键词：龙山石窟;加固措施;保护效果

龙山位于山西省太原市西南20千米的群山之中，属吕梁山脉分支，位于峰顶的龙山石窟始凿于唐代，主窟开凿于元代，明代略有增补，共有9个洞窟，是我国现存少有、规模最大的纯道教石窟，1996年被国务院公布为第四批全国重点文物保护单位。唐武周女皇帝武则天封王子晋为升仙太子，亲笔所书《升仙太子碑》碑文，晋阳（北都）为纪念此事，于龙山昊天观东侧巨石上开凿两个道教石窟，分别为玄真龛和三天大法师龛。元太宗六年至十一年（1234—1239），由全真教道士宋德芳（道号披云子）主持开凿五个石窟。龙山石窟保存至今，是中国道教文化的杰出代表，更是山西道教文化发展史上的光辉一页。

1 龙山石窟存在的病害与问题

石窟主要的岩体病害为裂隙、植物生化作用、雨水和风化等作用。其中，裂隙分为卸荷裂隙和构造裂隙，一般长数米，有些裂隙纵深发育至石窟内，裂隙与构造面相互作用将石窟区岩体切割成大小不同的块状，从而形成危岩体，易产生崩塌危险。植物的根系则容易形成根劈作用，加速了裂隙的发展，形成危害。由于石窟裸露在户外，每逢降雨天气，雨水会顺着岩体内裂隙的发育，形成雨水渗漏通道。下渗的雨水使泥质胶结的砾岩层松散，对石刻和石雕造成严重风化。

1.1 裂隙病害

由于龙山石窟石质为砂岩和砂砾岩，石质较为松软，耐风化能力和承载力比较低。另一方面，由于龙山石窟外部宋德方曾记载的阁楼随着历史原因塌毁，石窟被裸露在外。数百年以来，受太原地区地震等地质灾害影响，岩体发育出多组构造裂隙、卸荷裂隙。这些裂隙和构造面相互作用，错综复杂，将石窟区岩体切割成块状，石窟分割后结构不稳定，形成危岩体。部分裂隙直接延伸发育至石窟内山体，贯穿了地下水通道，改变了窟内空气的湿度，加大了石窟受潮的危险。龙山石窟第4窟左侧的大裂隙（图1）是石窟病害中最为明显的裂隙，也是最为危险的病害，如果任由发展必将危及石窟的整体结构，造成石窟结构性坍塌。

1.2 植物根劈和生化作用

龙山石窟位于太原市西山，属于暖温带大陆性季风气候，夏季雨热同季，地表植被此时生长最为旺盛。龙山石窟周边植被主要为落叶小乔木、灌木和杂草。植物根系深入已有的卸荷裂隙、构造裂隙和软弱层里面，一方面根系是为了从土壤和岩石中吸取营养元素，在生长的过程中，根系则顺着岩体裂隙，一直往深处生长，随着树木越长越大，这种根劈的作用力慢慢使得岩体进一步开裂破碎，进而对文物造成破坏。另一方面，植物枝叶等掉落腐烂后分泌出有机酸和气体，形成腐殖质，与岩石中的矿物质发生化学反应，腐蚀和分解岩体内碳酸钙，加速了岩体的风化速度和破坏程度。

1.3 风化作用

龙山石窟的风化病害主要表现在两个方面：一是风吹日晒，雨雪水消融渗透，致使石窟岩体的外表面风化导致岩体崩解、坠落、剥落等。每年春季石窟外表面都会有大量的片状岩石从石窟外立面岩体上掉落下来;二是石窟内雕像等表层膨胀、色彩脱落。这两种都是基于物理和化学等作用致使石窟被破坏。总体来说，龙山石窟第2、3窟和第5、6窟较其他几个窟保存较好，色泽较鲜明。第1、7窟由于窟顶岩体裂隙，产生较大裂缝，雨雪水顺着裂缝渗透至石窟顶部。第1窟顶部巨型蟠龙龙纹风化严重，目前剩1.5平方米左右，可见巨大龙爪和部分龙身;第7窟顶部据记载为二龙戏珠浮雕图案，由于长期雨水侵蚀，大部分浮雕已模糊不清，隐约可见龙形条纹。风化与裂隙分布也有关系，一般来说，裂隙附近风化较为严重。

根据《玄都至道披云真人宋天师祠堂碑铭并引》“……修葺三年，殿阁峥嵘，金朱丹雘，如鳌头突出一洞天。”可知元代时期石窟外修建了规模宏大的窟檐建筑，有效保障石窟不受阳光和雨水直接侵蚀。但由于历史原因，原窟檐建筑塌毁，目前仅剩崖体上遗留的圆形孔洞和第3、4、6、7窟附近可见的石质柱础石，石窟裸露在户外。受雨水冲刷和温差影响，风化过程通常呈层状厚约1厘米片层脱离，但过程较为平缓。石窟窟内风化较为复杂，受气温和湿度等因素影响，一般风化面表现为粉化脱落。石窟顶部浮雕一般表现为沿岩石水平层理的层状脱落;壁面较为陡直的部位一般为鳞片状脱落;粒度较粗的雕刻表面由于砾石脱落，常常风化成微孔状。

1.4 雨雪水和渗漏水等作用

因龙山石窟外部元代时期修建的窟檐体坍塌，石窟顶部处于原石裸露状态，每逢降雨和下雪天气，雨水直接对石窟表面进行冲刷，积雪的渗透消融，热胀冷缩的过程对石窟危害较大。且龙山石窟第1、2窟因裂隙贯通，第1窟顶部有一条长约1.3米的缺口，在降大雨或短时暴雨时，雨水在窟顶汇集直接冲刷洞窟和崖壁岩体，对石窟的破坏性非常大，第1窟窟顶巨龙浮雕已被雨水侵蚀，大部分模糊不清，危害性极大。其他石窟由于雨水渗透而改变石窟内的湿度，特别是遇到连续多天的降雨天气，雨水淋湿石窟外表面，并顺着石窟缝隙逐渐渗透流动至石窟窟内，从而危害至石窟内壁的雕像以及彩塑绘画，危及文物本体，危害性极大。

2 加固工程措施

目前，國内石质文物危岩体加固保护常用的是锚索或锚杆加固、挂网、注浆、砌补等方法，先进行勘察设计，根据危岩体实际情况有针对性地选择使用。

龙山石窟危岩体裂隙发育、风化程度高且石窟开凿密集，经计算危岩体处于稳定—基本稳定的状态，不宜使用锚固工程。2015—2017年的保护工程采用注浆、裂缝封闭、砌补、截排水相结合的方法对危岩体进行加固。

2.1 裂隙注浆

“十一五”国家科技支撑计划项目“石质文物保护关键技术研究”（2009BAK53B00）项目根据岩土质文物加固需求研发出裂隙灌浆新材料—矿物聚合物灌浆材料，并提倡应用于砂岩石窟裂隙注浆及局部修复补强。对裂隙拟采用无机矿物聚合物进行灌注并封堵做旧。

相对于传统的水泥砂浆，无机矿物聚合物具有以下优点：①文物保护特殊性，强度和凝结时间可调;②主要成分和原岩接近，抗水耐久性强;③符合文物保护原则，和原岩结合得好。浆液在现场使用时固液配比为0.4～0.6，具体可根据现场裂隙开展情况进行适当调整。

在龙山石窟所进行的灌浆加固工程中，依据实际情况，裂隙注浆前先要清理干净裂隙，如果裂隙不易清理可采用高压吹气法或高压水枪法（不推荐使用）。较深的裂缝需先在裂缝中下部打孔，用高压风由内向外吹风清理，并保留孔位分层埋设注浆管;裂缝封闭要密实，封闭口应铲除风化层，采用界面黏结力强的聚合物进行封闭，以防有跑浆现象;注浆管需埋设于裂缝下部，上部设置出气口，从下向上分层注浆，以保证浆液的饱满性，使浆液能够紧密有效地与土体结合，达到裂隙充填饱满封闭的效果，浆液从充气口冒出视为注浆饱满。

工艺流程：裂缝检测→裂缝面层处理→裂缝清理→确定注浆孔位→安置注浆管→封闭裂缝→安设底座→计算注浆量→配制浆液→安置注浆器→注浆→浆液饱满度检查→拆除注浆管→表面复旧处理。

2.2 砌补加固

岩体软弱层通常由于风化作用形成了凹腔，为防止柔软夹层中的风化凹腔继续风化腐蚀，对凹腔部位进行砌体嵌补，砌体材料常规采用M10浆砌片石。砌筑时，对砌体底部进行清理，设置一定的倒坡，防止砌体产生滑移，保证嵌补砌体的稳定。砌体嵌补不可过量，且砌体表面要保持与周边岩体的自然顺接。砌筑后用水泥砂浆、岩粉、颜料、胶泥等材料进行表面做旧，保持崖面的整体平顺和与周边环境的协调。

龙山石窟第7窟存在歪闪和拉裂病害（图2），歪闪病害發育在窟门北侧岩体，岩体长70厘米，高35厘米，厚25厘米，1996之前已崩塌，随即采用简易支撑归安。由于简易支撑过于简陋，无法承受上部重力，支撑结构失稳，岩体向南侧歪闪，情况紧急。拉裂病害发育在龙山石窟第7窟窟门及北侧立壁上方，岩体长约200厘米，高35厘米，厚25厘米，在上部载荷和自身重力作用下延风化裂隙向下产生拉裂。原有片石支撑不足以提供足够的承载力且与石窟不协调，石窟外室顶部已出现四道卸荷裂隙，存在错位现象，情况紧急。

龙山石窟第7窟外墙由于存在部分垮塌现象，垮塌之后仅做了简单的归安处理，归安后的砌体几乎不能为上部岩体提供承载力，因此必须对第7窟的缺失部分进行砌补加固。第5窟右侧岩体下部出现凹腔，长期发展将无法支撑岩石的重量，从而发生局部垮塌，需要砌补。

3 保护效果及现状

2015年5月至2017年年底，历时3年时间对龙山石窟进行抢险加固，龙山石窟第4窟左侧并贯彻第1、2窟巨大的裂隙进行了锚固、注浆加固，使石窟内部存在的巨大缝隙得到连接和加固，石窟结构较为稳定，阻断了山体内部雨水向石窟方向发展的通道。将巨大的裂隙封堵之后，通过对裂隙表面砂浆石粉处理，在视觉上达到与原石窟岩体相一致的效果，达到保护的目的。

3.1 石窟大裂隙注浆砌补使石窟结构完整

龙山石窟第4窟左侧外观长约3.2米，最宽30余厘米，纵深2米左右的大裂隙，严重威胁到石窟的整体结构，是此次石窟抢险加固的首要问题。第一步，对裂隙使用具有拉力的锚索和锚杆加固，尽量减缓裂隙进一步发育和发展;第二步，毛石回填，注入无机矿物聚合物浆，让原石窟之间的巨大裂隙得到填补，裂隙从外而内，逐步变窄，在末梢处粘连在一起，使石窟完整。注浆后，有效阻断形成的地下水通道，使窟内空气保持稳定状态，延缓了石窟病害发展。对酥松的部分进行清理，用石块砌筑石墙，从而恢复了承载能力，同时还原石窟原有风貌，保障了石窟的完整。

3.2 人工去除杂草，减少植物的生化作用

每年开春和秋末，定时安排工作人员对龙山石窟上生长的植物和灌木进行清理，减少植物根系根劈作用和酸性腐蚀对石窟的破坏，从而减缓石窟的风化和破坏。

3.3 砌补凹腔处，保障石窟结构稳定

龙山石窟第5窟右侧下部凹腔处和第7窟玄门列祖洞窟外砌筑砂石墙体，增加底部和外部的支撑力，保证石窟结构稳定，从而得到持久保护。特别是第7窟外砌筑的砂石墙体有效支撑了第7窟窟顶的重量，保留了石窟原历史风貌门洞和石窗，既能满足游客参观和采光需求，又保证了石窟外观的美观和整体性。

3.4 窟顶做防水处理，阻隔雨水侵蚀。

对石窟顶部使用现代聚合防水材料进行防水处理，再铺厚约10厘米的细砂和黄土混合层，保证了防水效果，同时减小了石窟窟顶自身的重量和荷载压力。此次防水处理有效阻隔了雨水的渗透、侵蚀和雪水在冻融之间转化时对石窟岩石颗粒之间的缝隙造成的破坏。防水处理后第1窟窟顶未再发生因雨雪水而造成窟顶被水大面积浸湿的情况，有效保护了石窟顶部龙纹浮雕、雕像和题记等珍贵文物。

4 结语

总体来说，龙山石窟抢险加固工程对原石窟出现的大裂隙、凹腔处砌补、植物根劈和窟顶漏水等方面进行了抢险加固，对保障石窟整体结构稳定起到了重要的保护作用，对延缓石窟病害对石窟的影响起到较好的作用，有效保护了龙山石窟的完整。