云冈石窟龙王庙沟洞窟5-28窟抢险加固保护工程纪实

牛春

摘 要：文章阐述了云冈石窟龙王庙沟洞窟和龙王庙沟洞窟中具有代表性的附属洞窟5-28窟的洞窟特点。基于对5-28窟的前期勘查结果，分析了5-28窟保存现状、主要病害及其形成机理，按照文物保护的要求，在抢险加固工程实施过程中，采取“浅部裂隙灌浆+锚杆锚固+顶板深层逆向注浆”的方式对5～28洞窟顶板进行加固及进行相关的监测施工，实现了文物保护的“保护为主、抢救第一”的保护方针。

关键词：云冈石窟；文物保护；龙王庙沟洞窟

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

1 云冈石窟龙王庙沟洞窟概述

龙王庙沟洞窟位于云冈石窟群中部，属云冈石窟第5窟的附窟，包括5-16至5-31窟，计16个洞窟。龙王庙沟洞窟是云冈石窟北魏晚期石窟的典型代表，见证了北魏拓跋族的式微，其形成的“云冈晚期模式”对周边及后世石窟的开凿产生了深远的影响，特别是对龙门石窟的开凿产生了直接的影响，这种影响不仅仅是龙门石窟早期洞窟，而且对其后世石窟的开凿亦影响深远（图1）。

2 5-28窟文物特征描述

5-28窟是龙王庙沟洞窟中最具代表性的洞窟之一，属于塔庙窟，平顶，一门一窗，坐西向东。南北面宽约7.5 m，进深约7 m，窟内高约5.8 m。有一门拱和一明窗。明窗内南北两壁雕刻4排千佛列像，延伸至明窗两侧壁。中心塔柱由塔基和塔身组成，塔基四角以狮子承托（头均毁），四面中间雕博山炉，两侧各雕2身力士像。塔身分上、下两层。雕仿木构屋檐，四面开龛造像，造像组合有一佛二胁侍菩萨造像一铺、一倚坐佛二胁侍菩萨造像一铺、一交脚菩萨二胁侍菩萨造像一铺。西壁中央雕一大龛，内雕一佛四胁侍菩萨造像一铺。龛外两侧均雕上下排列的8个圆拱龛，内雕一佛二胁侍菩萨造像一铺。两排列龛上有4排千佛列像。北壁下层雕佛龛11个，第1龛为圆拱龛、内雕一佛二胁侍菩萨造像一铺；第2龛为盝形龛内雕一交脚菩萨二胁侍菩萨造像一铺；第3、4、5、7、8龛内雕一佛二胁侍菩萨造像一铺；第6龛为盝形龛内雕一佛四胁侍菩萨造像一铺；第9、10、11龛形不明，仅见轮廓。中层中央雕一复合龛，内雕释迦、多宝二佛并坐二胁侍菩萨造像一铺。大龛两侧雕上下排列的8个圆拱龛，龛式、造像同西壁同层。上层为4排千佛造像，无龛形。东壁上开明窗，下凿拱门。窟门两侧壁面雕复合龛，内有坐佛轮廓。拱门上方中央雕一圆拱龛，内雕释迦、多宝二佛并坐造像一铺。明窗两侧壁面各雕2座圆拱龛，内雕一佛二胁侍菩萨造像一铺。再上层与北壁同。南壁下层残存不规则的8个佛龛，造像有1尊坐佛或释迦、多宝二佛并坐像等。中层中央残存坐佛1尊。龛外两侧布局与北壁相同。窟顶无雕刻内容。

3 5-28窟的勘察情况

5-28窟开凿于粗砂岩体中，层理和裂隙发育，在长期风化作用下裂隙进一步发展，同时由于洞窟开凿产生了大量的卸荷裂隙，洞窟顶板及侧壁岩体的应力重分布，导致洞窟顶板岩体呈板状坠落式破坏，顶板可见局部崩落痕迹，且整个顶板已无任何洞窟开凿形成的石刻等人文痕迹。

洞窟顶板岩体长期处于临空状态，风化作用降低了顶板整体稳定性，同时分布在顶板中的层理将顶板岩体分割成不同厚度的层状岩体，各层岩体在重力作用下，产生拉应力，促使各层岩体，尤其最下层岩体裂隙的发展。每层岩体的塌落均会导致其他各层岩体的应力重分布，风化又时刻作用于外层岩体，如此恶性循环，会导致洞窟顶板岩体形成悬臂式危岩体逐层塌落。现场勘察时，洞窟顶板有局部危岩崩落现象，岩石裂痕新鲜，已印证洞窟顶板岩体正在逐层坍塌。综合裂隙实际分布情况可知，顶板危岩崩落需及时采取加固措施，否则洞窟有整体坍塌的风险。

经过勘察，5-28窟内部已经形成了22个危岩，其中顶板15个、北壁4个、西壁3个，均为板状体，根据已崩落和即将崩落的危岩厚度推测现存的危岩厚度在10～50mm。

4 5-28窟的施工情况

基于前期勘查结果，分析了5-28窟的保存现状、主要病害及其形成机理，按照文物保护的要求，经方案批复后拟采取“浅部裂隙灌浆+锚杆锚固+顶板深层逆向注浆”的方式对5-28窟进行加固及相关的监测施工。

4.1 顶板浅部裂隙灌浆施工

顶板分布较多层理，风化裂隙、构造裂隙、卸荷裂隙等裂隙的赋存情况错综复杂。这些裂隙不仅需要灌浆填充以阻止裂隙继续风化，同时灌浆材料也应具有较强的渗透黏结性能，将裂隙两侧的板状危岩黏结在一起提高顶板整体性及稳定性，同时针对太阳光不能直射洞窟顶板区域等因素综合考虑，在实际施工中针对洞窟顶板表层裂隙采用改性水性环氧树脂进行灌浆黏结。

环氧树脂作为非传统材料引入危岩体加固保护工程中已经很多年，它具有固化方便、固化后强度高、渗透性强、附着力强、收缩性低、化学性稳定等特点，因而广泛应用于浇注、浸渍、层压料、黏结剂、涂料等方向。但是环氧树脂在危岩体加固保护工程施工当中也存在着以下不利因素：

①环境因素影响大，如温度、湿度等会造成环氧树脂不凝固、凝固后强度低、气泡过多影响强度、爆剧过分反应等；②施工难度大，对注浆设备和工艺流程控制要求非常高，环氧树脂施工过程中根据浆液配比和浆液配制使用量的不同产生未达到预期目的时就开始反应造成机器设备损坏等现象发生；③施工后复检合格率低，环氧树脂施工往往无法持续注浆或者多次补浆，而其本身渗透性又强，在需要注浆的部位会产生无浆或不饱和状态；④无法将环氧树脂本身的特性高效发挥。

针对以上问题，施工前进行试验调整配比参数、工艺复合调整等多种手段控制环氧树脂固化成果避免发生不良反应，进行环氧树脂活性成分稀释、固化模拟实验可以确定环氧树脂的凝固时间完成定时凝固；小径孔微创钻进成孔后可以直接将环氧树脂注入预定位置，控压控速泵送环氧树脂达到定量灌注，合理地将各个注浆点连成线、连成面最后连接成为一个整体，现场采用“三管注浆法”有效地解决了环氧树脂无法持续注浆和多次补浆的难题。现场同步试验结果证明环氧树脂固化后强度大于C60混凝土强度，经复查云冈石窟龙王庙沟洞窟5-28窟顶板危岩体加固工程注浆效果复检合格率100%。

4.2 顶板加固锚杆施工

5-28窟顶板上存在的危岩呈板状分布，危岩重量均较小，且顶板（向上）深部无可靠完整的岩体（接近地表为岩石风化层）可供锚杆锚固。在施工中采用竖向锚杆，将层状分布的顶板岩层“串接”在一起，在保障洞窟顶板表层危岩不发生分层坠落的同时，又可增加洞窟顶板整体稳定性。而5-28窟顶板危岩体加固施工属于高危岩体加固，原因在于危岩体与背后的母岩分离，已处于失稳状态，部分岩体已经脱落，形成裸露的岩面并呈现出悬臂状态，未脱落的岩体相互之间卡夹形成绞合力在一起，形成以危岩体编织在一起的危岩网或危岩群，现有技术手段无法准确地计算出每块岩体明确的受力作用点、受力方向及受力大小，这形成了极大的安全隐患，可能出现因一处力的作用点变化、力的方向变化或者是力的大小变化而引起整个危岩体脱落或者顶板垮塌。

针对以上特点，施工钻进成孔是保障施工安全和本次保护项目成功与否的关键环节。根据现场危岩特点，施工中采用“零干扰”的成孔方式进行钻进成孔，因为只有这样才能保证对危岩体保护性施工时零外力、零扰动，在危岩体自身相对稳定的前提下，在单块危岩体相互作用力的作用点、方向和大小都不改变的情况下钻进成孔，因此首先排除了使用冲击回转钻进方式成孔，因为它不具备以上要求。而传统的回转钻进工艺成孔主要依靠钻进压力、回转速度、钻具特点和循环系统等因素决定，本次施工当中对压力和回转速度要求极为严格因此施工就必须要改进回转成孔因素中的一个重要环节—钻具。

钻具的加工制造主要推荐“锯木原理”，木工锯开木头时无需垂直与木材方向的压力，也不用非常快的拉锯速度，木工的锯之所以能锯开木头是因为锯是一条设有三角形齿条的金属带，锯子三角齿的运动方向与木纤维的生长方向呈较大夹角，运用剪切力将木纤维剪断，齿条做成左右倾斜状的目的是在被锯物体上形成更宽的槽制，避免摩擦阻力太大。锯之所以能够锯物体，核心在于三角形齿条。三角形齿条的齿尖是非常尖锐的。尖锐的齿尖在物体表面移动时，齿尖就会破坏物体的结构，使之变成粉末，这与用针划过纸张的过程一样。因此改进钻具的出刃位置、出刃方向以及刃具形态，就可以在无压力低转速中进行钻进。

在5-28窟施工过程中不适合使用液体循环排渣和冷却钻具的方式施工，而风循环、风冷工艺风压大时会在岩石互层和碎裂带产生重荷副压力，就会加大岩石重力方向作用力，并且产生破坏作用，低压或无压时钻进过程中远远达不到循环和冷却的要求，极易卡钻和烧毁钻具造成孔内事故，因此钻具在加工过程中对钻具胎体和合金刃具进行了严格选择，选择耐高温和强度高的钨钴合金钻具，对于中硬度以下岩石钻进具有非常好的效果。

针对洞窟顶板存在的危岩情况，锚杆成孔孔径42 mm，分为1.5 m和2.7 m两种长度的锚杆，锚杆杆体材料选用PSB785型精轧螺纹钢，杆体直径15 mm，采用环氧树脂及MK+MFC两种灌浆材料进行锚固，锚杆孔兼做压力灌浆孔，MK+MFC固结体强度不小于M15。

4.3 侧壁危岩加固施工

经危岩稳定性计算，5-28窟西侧窟壁上有三处危岩需加固，采用裂隙灌浆黏结及锚杆锚固的加固方式。针对西壁存在的危岩，施工中采用全黏结锚杆锚拉加固，锚杆成孔孔径42 mm，分为1.5 m和2.7 m两种长度的锚杆，锚杆杆体材料选用PSB785型精轧螺纹钢，杆体直径15 mm，采用MK+MFC两灌浆材料锚固，MK+MFC固结体强度不小于M15。

4.4 顶板深层逆向注浆施工

根据洞窟崖壁出露情况可知，洞窟顶部岩体层理发育，各层岩体间存在不同厚度的层间裂隙或者间隙，这些裂隙或间隙极大地破坏了顶板整体性，如仅采用顶板浅层裂隙封堵灌浆以及锚杆加固措施，仅可解决顶板表层脱落或者危岩坠落的危险，而顶板深层问题并未解决，因此，在施工中采用顶板深层逆向注浆方式对层间裂隙进行封堵，防止水的渗入，减缓风化，并提高洞窟顶板的整体性。

顶板岩体采用压力灌浆，灌浆压力不大于1.0 MPa，现场实施时结合现场工况条件，通过现场试验验证配比的适应性，确定最佳灌浆配合比（图2）。

4.5 5-28窟内稳定性及渗漏水监测施工

作为龙王庙沟洞窟抢险加固工程配套监测，监测系统的目的主要是：

第一，在保护工程建设期间通过监测能够对施工区域的重点部位的变化进行监测，为达到最小干预的目标提供数据支撑，并且能够通过监测数据及时发现隐患，为施工安全提供支撑。

第二，在保护工程完成后，通过长期的监测，积累数据，利用大数据分析手段对监测数据进行分析，能够为保护工程作用的研究、为类似保护工程的开展提供数据支撑。

在施工中，针对5-28窟内部已形成的22个危岩体，在窟顶板四个角分别选择一处危岩在加固锚杆的自由段安装轴压力传感器，在窟内靠近明窗处选择裂隙比较严重的L61号裂隙两端安装裂隙传感器。针对目前出现微渗漏水现象5-28窟内北壁与西壁相交处安装渗漏水传感器及微环境监测仪。通过监测，可以及时了解和掌握渗漏水病害的分布情况和演变规律，可以由此掌握地表防渗措施的有效性，同时评价窟内凝结水与渗漏水的耦合关系，为洞窟凝结水的形成机理及影响因素提供数据，监测仪器分布情况见图3。

5 结语

经过紧张的抢险加固施工治理，有效地解决了云冈石窟龙王庙沟洞窟5-28窟岌岌可危的旧状，具有针对性地治理了表层支离破碎的危岩体，有效地减缓了岩石逐层风化和越层风化的速度，为危岩区域内的文物本体的安全提供了保障。而且，通过工程的顺利实施，各项数据指标均取得惊人的成果，不仅展示了新工艺、新技术在文物保护工作中的重要作用，更通过努力和实践使得文物本体的历史价值得以延续，让文物本体的艺术价值得以更完美的展示，让文物本体的科学价值得到进一步的提高，也让文物保护工作者们能够更好地领会、学习文物创造者们的智慧，让文物保护工作的成果伴随着文物本体共同见证那段传奇般的故事。

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