浅析天龙山石窟群核心区域地质特征

于 灏 谢 枫

1.太原市文物保护研究院（天龙山石窟博物馆） 山西 太原 030000

2.太原市文物保护研究院（晋祠博物馆） 山西 太原 030000

天龙山原名方山,东魏时大丞相高欢就在晋阳西的方山（今天龙山）兴建了避暑离宫、开凿了石窟,拉开了天龙山早期人文历史的序幕。后世北齐、隋、唐、五代伴随政权的更迭,驻守晋阳的王侯贵族在此基础上依旧建新,形成了今天著名的天龙山石窟群。其核心区域现存石窟25座,大小石佛造像500余尊,浮雕壁画等1144余幅,是全国重点文物保护单位。

一、天龙山地理环境及地质特征

按照我国岩体勘探的技术规范、标准、规程对天龙山石窟群核心区域内的地质特征勘察摸底,并做以下分析研究。

天龙山地处太原市西山36KM东南边缘带,属吕梁山支脉。核心区域所处地貌类型比较简单,按成因类型分为顶部剥蚀、侵蚀中山和柳子沟侵蚀堆积沟谷两大地貌单元,大部分是基岩裸露的山区,海拔高度为800～1445 M,主要有石炭,二叠系砂岩、砂页岩及风化物,同时还有零星的黄土及厚度不等的残坡积物覆盖层。在石窟区的东、西两峰之间,是沟谷发育的柳子沟,断面似“V”型,天龙山区域构造活动比较频繁,岩体裂障比较发育,主要走向为北东向和北西向,倾向多为东南和东北,富含裂隙水。

二、岩土勘察

根据我国《岩土工程勘察规范》勘察工作按复杂地基、岩土工程勘察详勘要求来布置工作量,勘探点沿构筑物角点布设,间距控制在30M以内,控制性勘探孔深度按构筑物基底压力估算的压缩层深度确定;一般性勘探孔孔深以控制主要受力层为原则。勘察采取太原市独立坐标系,大沽高程系。

2.1 钻孔,水池采用GJ-150型钻机施工,水位以上采用干钻钻进,水位以下采取泥浆护壁或套管护壁,双管单动钻具,回转钻进并取土。

2.2 取样:根据试验的要求,采样原状土试样质量等级为Ⅱ级或接近Ⅱ级,15 M以上每1.5 M取土样一件,15 M以下每2.0M取土样一件。

2.3 标准贯入试验,在钻孔内的预定深度进行,遇卵石改用重型动力触探试验,采用63.5KG锤,落距76CM,自由落锤,预击15CM,记录每10CM和累计30CM的锤击数,并采集扰动样。其余构筑物由于大型钻机无法就位,使用背包型工程钻机,回转钻进。如深部土层也软弱,或上部荷载较大、沉降有严格要求的则采用深基础。

2.4 掘探,针对坡顶残积土层进行探槽描述记录。

已完成勘察工作量汇总表

例:高欢暑宫,位居东西两峰的交汇处,岩层倾向为北西向,倾角:10～15°,西侧、南侧临空面风化严重,裂隙发育,许多裂隙内生长树木根系,长期受风化、雨水侵蚀作用,南侧陡坎表面80CM厚的风化岩已处于崩塌的边沿,稳定性极差。

三、地层时代及类型分析

天龙山保护区内地层岩性出露石炭纪上统及二叠纪地层,石窟佛像开凿于二叠纪地层的崖壁上,岩石是一套以陆源碎屑沉积为主的沉积岩。根据地基土构成及岩性特征,勘探原位测试及室内土工试验资料综合分析,在勘察深度范围内,计划建设场地地基土龙门游客中心,从上至下共分为3层,现依层序分述如下:

第1层 残积土（Q2MI）,由碎石、风化基岩块、水泥块等组成。该层物质成份杂乱,结构松散,均匀性差,呈欠压密状态。

第2层碎石（Q2MI）,杂色,母岩成分以砂岩与灰岩为主出,磨圆度一般,稍湿、中密,颗粒级配不良、充填物为粗砂及粉土,混夹有少量漂石。

第3层 砂岩,褐黄色,强风化,较软岩,砂质结构,块状构造,岩体较破碎,岩芯多星短柱状,局部呈碎块状。岩体基本质量等级为Ⅲ级。

按照标准勘察深度范围内,上部为残积土、粉土、卵砾石层,下部石炭系砂岩、泥岩。胶结物以硅质最常见,胶结类型为孔隙式,属坚硬岩石,但软化系数较低,抗冻性差,抗风化能力中等。

四、地表水文特征

天龙山为暖温带大陆性季风气候区,年平均气温9℃年平均降水量为511MM,降水量多集中在6.7.8月。柳子沙河属黄河水系,是地下水迳流有排泄区发源于晋源区晋祠镇牛家口柳子沟内,由西向东流入汾河,全长15KM,属季节性河流;白龙洞泉,位于东、西峰交汇处,白龙洞内,在古代为祷雨之所,高度与石窟同水平;

天龙寺泉,位于天龙寺内。它们都是地下水排泄的主要途径。成因类型为上升泉,层位在二叠纪上统,为弱碱性水,是天龙山石窟博物馆的主要饮用水源。

天龙山地下水以裂隙水分布为主,同时分布有少量的孔隙水。天龙山裂隙水含水层为基岩风化壳和地层砂岩的成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙中,富水程度差异很大,地下水位深度随地形而变化。化学类型多为:S0--CA、NA型水,矿化度低,PH值7.6,为碱性水。天龙山孔隙含水岩层为松散岩类,地下水赋存于岩石碎屑和松散沉积物孔隙中,各层含水层没有统一的地下水位,富水性较好,水位很浅,矿化度0.5G/L左右,PH值7.1,为弱碱性水。

五、岩土抗震

根据《建筑抗震设计规范》,太原市抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20G,设计地震分组为第二组。特征周期值为0.3S。拟建场地20.0M深度范围内等效剪切波速值V估算值介于500-800M/S之间,结合区域地质资料,覆盖层厚度0M之间,建筑场地类别为I类;地基土液化判别,建设场地20M范围内不存在饱和粉土和砂土,可不考虑地基土的液化影响。根据拟建场地地形、地貌及地基土特征,按《建筑抗震设计规范》划分,拟建构筑物游客服务中心西南侧、高欢暑宫南侧、观松阁廊亭南侧陡坎均位于山体边缘,破碎严重,易崩塌、滑坡等,属对构筑抗震不利地段,其余构筑物均属对构筑抗震一般地段。场地各土层波速值大于140M/S,因此场地各土层可不考虑软土的震陷问题。核心场地仅观松阁廊亭位置上部出露湿陷性粉土,其余位置以砂岩为主,不考虑地基土的湿陷性。

观松阁廊亭根据探井土样湿陷性试验结果,依据《湿陷性黄土场地勘察及地基处理技术规范》（DBJ04/T312-2015）第4.4.4～5条进行自重湿陷量与总湿陷量计算。根据T1～T2探井自重湿陷量从整平标高算起,经计算,知拟建场地属非自重湿陷性黄土场地,湿陷等级为I级。根据室内土工试验、标贯试验测试结果,并结合地区建筑经验综合考虑,确定各层地基土的承载力特征值,建议结果见表:

观松阁、廊、亭地基土承载力特征值一览表

备注:自重温陷量自整平标高算起,温陷量自基底算起。

六、结束语

经上分析探讨,计划建设观松阁廊亭、高欢暑宫等部分建设场地经风化、雨水侵蚀及植物根系生长,已严重影响边坡的稳定性,垂直裂隙极其发育,随着时间的推移或外力的影响,会出现边部岩体剥离崩塌现象,不利于上部挡墙的稳定,需对边坡进行加固处理。即采用钉锚杆对表层剥离岩体进行加固处理。从上到下布置三层锚杆,水平间距1.5M,垂直间距1.2M,梅花型布置,锚杆长度上部两层9.0M,下部6.0M,钢筋直径25MM,成孔直径120MM,注浆材料采用P.042.5普通硅酸盐水泥,水灰比0.45～0.50,锚固体28天强度20MPA。岩土钻进过程中应注意成孔宜采用回转钻进工艺,避免采用冲击成孔工艺,防止振动影响加剧岩体的分离崩塌;采取措施保证锚杆前端1.5M不充满浆液,同时避免浆液漫流挤压外部岩体;锚杆应有不小于50KN的预加力,锚头垫板尺寸为200X200MM;时隔孔施工,随成孔随注浆,不允许成许多孔后一次注浆;当发生跑浆时,应间隔注浆;另需将深入岩缝中的树木根系清除,避免继续生长挤压岩体,发生崩塌现象。

本次勘察深度范围内,场地地基土自上而下为:第四系全新统人工填土（Q4ML）、第四系上更新统冲洪积成因的粉土、卵砾石、碎石（Q2）,石炭系（C）砂岩、泥岩;勘察深度范围内,未揭露地下水。设计地震分组为第二组,特征周期值为0.3S;拟建场地为非液化场地,类别为I类;游客服务中心西南侧、高欢暑宫南侧、观松阁廊亭南侧、木牌楼南侧、春秋楼北侧属对建筑抗震不利地段;构筑物可不考虑湿陷性;根据《建筑地基基础勘察设计规范》（DBJ04/T258-2016）,太原市标准冻深为0.74M。因此综合建议石窟群核心区域各土层承载力特征值FAK可按中拉力建议值采用。

本次勘察研究摸清了天龙山石窟群核心区域内岩土层存在的主要风险情况。便于及时规划保护范围和建设控制地带的管控实施,有利于实现天龙山石窟群岩体结构科学防护设施建设。