西北地区石窟寺文物的监测与保护技术
——以万安禅院石窟为例

刘晓萌 杨海龙

（陕西省文物保护工程有限公司，陕西 西安 710075）

位于西北地区的陕西省黄陵县双龙镇的万安禅院，又名万佛寺或千佛洞。石窟始凿于北宋绍圣二年（1095年），明清两代有所增凿扩建。单窟，朝向东南，窟口处凿有三开间仿木构窟檐。石窟平面呈“凸”字形，分为甬道和窟室：窟室内中央佛坛上有触顶屏壁，坛上供三世佛，左右壁浮雕三尊立佛和一尊药师佛，前、后壁及屏壁浮雕有上千尊佛像；甬道两壁雕有日光、月光菩萨及涅槃图等。窟内外还有宋、明、清题刻碑记。2015年，石窟入选第六批全国重点文物保护单位。万安禅院石窟造像技术高超，是研究宋代石刻的重要实物标本，更是研究西北地区佛教和石窟文化必不可少的资料。

由于自然危害和人为破坏等因素的长期影响，现在石窟以及所处环境出现了许多严重病害，不仅威胁着文物本体和游客的安全，还将会导致历史、艺术等多种信息丢失。为防止石窟病害范围进一步扩大，现对万安禅院石窟采取保护和加固措施。2013年9月，国家文物局以文物保函［2013］1866号文件正式批复开展万安禅院石窟抢险加固工程。2014年工程设计方案通过专家评审后，由项目承担单位陕西省文物保护工程有限公司在2016年7月到2017年9月对石窟开展保护加固工作。

1 前期勘察与保存现状

1.1 前期勘察

了解岩体的稳定性和渗水状况是石窟寺文物保护的基础，通过搜集资料和实地调查分析，结合相关试验，查明石窟寺场地有无不良地质作用及其工程地质条件，为万安禅院石窟寺的保护工程设计提供科学依据。

1.2 保存现状与病害类型

经过各种因素的长期交替影响，目前万安禅院石窟保存状况一般，崖体保存情况较差，石窟整体主要病害可以分为三类：

1）岩体裂缝：石窟内墙壁裂缝发育较多共有43条，纵横交错，宽度约在2～10cm之间。石窟岩体也形成了大量的裂隙，共发现21处。这些裂隙对整个崖体边坡的稳定性起着重要的控制作用。构造裂隙主要指岩体受构造应力作用所产生的破裂面或破碎带。岩体裂缝的存在不仅破坏石窟的稳定性，而且成为地表水下渗到石窟内部的途径，导致石窟内潮湿，加速岩石造像风化损毁。

2）危岩体：石窟保护区及周边区域共发现9处危岩体。这些危岩体被周围裂缝切开，不仅有随时坠落的危险，而且严重威胁崖体的整体稳定，崖体保存状况较差。

3）其他病害：石窟保存环境为室内保存，岩体为砂岩，墙体下均出现不同程度的风化层，各佛像也均有不同程度风化。另外，石窟内西南角出现一处渗漏，通过观测发现下雨期间以3滴/h的速度滴漏。另外还有机械损伤、表面污染与变色和水泥修补等病害类型。

2 文物本体保护

为防止石刻、造像等文物本体在施工过程中发生碰撞、落灰、灌浆污染、和震动等现象，在进行施工作业之前，对石窟内外的一些佛像和石刻等进行了本体保护工作。

1）石窟内中央石刻造像的保护：实行“三重防护”，即无纺布→木板→架板。

2）石窟内甬道石刻造像的保护：实行“三重防护”，即油光纸→海绵→木板。

3）石窟外造像、石碑的保护：实行木板防护。

式中：Nu为努赛尔数；Gr为格拉晓夫数；θz为腔体轴的倾角，本系统使用双轴跟踪聚光器，腔体轴倾角等于太阳高度角，只随季节而变；dcav为接收器腔体直径；dca为采光口直径。

3 保护加固措施

根据《黄陵县万安禅院石窟抢险加固工程设计方案》和地质灾害体的规模、特点等综合分析，考虑对万安禅院石窟和崖体病害治理的彻底性，针对石窟和崖体存在的病害，采取以下一系列治理措施进行加固与保护。

1）脚手架搭设。

2）石窟外裂缝清理排查。

3）清理破碎危岩体。

对完全与母岩分离的危岩体活石进行清理。在清理前，搭设专用升降架，并将大块石用静态爆破法二次破碎。施工时，遵循先防护后施工、边施工边监测的原则，先清除表面浮石，再针对危岩体进行二次破碎清理，从上至下逐层清理。另外，对影响危岩体稳定性的个别树木也同时进行清理，伐树前将周围有碍砍伐作业的草丛和藤条一并进行清除。

4）石窟室内裂缝灌浆。

考虑到灌浆加固对文物安全的影响，本次方案裂缝灌浆不考虑压力灌浆，而采用西安建筑科技大学研发的G型灌浆材料进行封堵（图8），待封堵凝固之后采用天然水硬性石灰无压力灌浆，最后进行表面做旧。灌浆时，由下向上分级灌浆，每级高度不得大于2m。灌浆料具有流动性好、早期强度高、结石性好、固化浆体密实、耐高温、无毒无污染、不老化和耐久性好等特点。通过灌浆，能够增加危岩与母岩体之间的粘结力，可以堵塞地表水流通道，防止风化层沿裂缝面迅速发展，提高危岩的稳定性。

5）石窟外裂缝灌浆。

首先清理裂缝表面泥土、石屑等杂物；然后对裂缝进行封堵，预留灌浆及排气口；待封堵凝固之后采用天然水硬性石灰无压力灌浆；最后表面做旧。

6）锚杆加固。

将锚杆穿过松动、不稳定的危岩体，锚固在深层稳定的岩土体上，使得能够提供足够的拉力，克服危岩体的自重和下滑力，防止危岩体滑移、塌落。锚杆施工步骤可分为水钻开孔、钻机成孔、锚杆制作、锚杆安装、注浆、封锚、原石回贴、表面做旧。

7）锚索加固。

因为崖体上裂隙还存在不断发育的征兆，多数目前稳定的岩块很容易再次发育为危岩体，为彻底对崖体极性抢险加固，杜绝一切隐患，最终选择采用锚索预应力加固。锚索施工分为水钻开孔、钻机成孔、锚索制作、锚索安装、注浆、张拉封锚、原石回贴、表面做旧。

8）掏蚀区砌筑。

对于崖体掏蚀较深处，采用块石砌筑的方式进行加固。砌体石料采用质地坚硬、新鲜的材料，一般由成层岩石爆破而成或大块石料锲切而得。块石砌筑的胶结材料采用水泥、砂、水按一定的比例配合而成的水泥砂浆，按要求施工。砌筑后，采用埋头小锚杆进行锚固，以保证砌筑体的稳定。最后，进行表面做旧。

4 保护效果评估

在施工期间，同时进行了施工安全监测与岩体稳定性长期监测，监测结果将作为判断边坡稳定状态和指导安全施工的重要依据。本次监测项目主要为岩质边坡坡面变形监测，监测工作包括岩体稳定性监测、温湿度监测、裂缝监测、振动监测和气象监测。

4.1 岩体稳定性监测

岩体稳定性长期监测采用航天科技产品1‰倾斜精度的远程倾斜传感器监测系统对其进行了监测。本项目设置监测点1个，位于石窟内外西墙。该系统是通过传感器并利用GSM移动通信方式传送采集的数据及分析结果，最终由相关专业人员对采集的数据进行收集保存与分析。从监测全程来看，整体趋于稳定状态，加固后石窟位移量较小，石窟处于稳定状态。

稳定性监测结果综合评价：万安禅院石窟窟室内采用裂缝灌浆加固治理后，石窟内原有的裂缝已消除，未再出现开裂、沉降等变形现象，感观总体稳定；稳定性监测结果综合分析表明，石窟整体趋于稳定，治理后无明显位移、沉降变形。

4.2 裂缝监测

裂缝监测是对裂缝填充注浆后的变形情况进行实时监测，分析崖体加固后的稳定性。裂缝监测点位置结合工程性质、周边环境、地质条件、施工特点等因素综合考虑，着重于监测新产生的裂隙。本次监测采用VWJD-200型振弦式位移计、裂缝计对裂缝进行监测。石窟内共安装4处裂缝计，石窟外安装10处裂缝计，构成系统、全面、准确的监测系统，并定期对采集到的数据进行收集与分析。根据石窟内裂缝监测点的水平位移—时间曲线图可知，石窟内裂缝监测数值均未发生变形，裂缝加固治理效果良好，石窟内裂缝处于稳定状态

裂缝监测结果综合评价：从裂缝监测点监测记录及曲线图分析结果表明窟内及窟外裂缝基本稳定，后期应周期性的进行重复观测，研究其变化规律，该裂缝量在限差范围内，建筑物和山体结构安全，建议继续观测。

4.3 振动监测

振动监测是对钻机成孔时石窟内的振动情况进行实时监测，分析振动对石窟内文物的影响，防止在钻孔时，由机械振动引起不必要的裂隙开裂。考虑到测试仪器及现场测试环境的具体情况，以《古建筑防工业振动技术规范》为依据，参照我国《城市区域环境振动测量方法》对测点布置的要求来布置测点。本次监测采用东华测试DH5907A无线环境激励测试分析系统（三向速度传感器）对施工中的振动进行监测。该系统内置传感器及数据分析系统，利用GPS信号将数据实时采集并传输至电脑，并对数据进行分析。

振动监测仪布置以锚杆（索）成孔位置以中心，在中心位置水平方向、垂直方向，斜上方向三个方向布置3台测振仪器，在石窟内靠近锚杆（索）成孔一侧及窟顶位置布置2台测振仪器，构成系统、全面、准确的监测系统，并对采集到的数据进行收集与分析。通过对数据进行分析可知，锚杆钻进石窟穹顶三向振动速度最大值为水平振动的0.098mm/s，小于《古建筑防工业振动技术规范》所规定的0.10mm/s，故认为万安禅院石窟在锚孔钻进振动作用下处于安全状态。

振动监测结果综合评价：黄陵县万安禅院石窟抢险加固工程锚杆施工中，通过现场试验测试可知，锚孔钻进产生振动对石窟文物产生一定影响。因此必须在锚孔钻进施工中进行监测，保证石窟的安全稳定。为了保证石窟的安全，必须降低钻进施工的速度，建议锚孔钻进应采用0.8～0.9MPa低气压和0.4m/min以下的慢速钻进，并且要对临近钻孔的石窟壁画进行防振动保护。

4.4 温湿度监测

本次监测采用德图testo175H1自动数据记录仪测量、监测并记录温度及相对湿度。石窟内安装2台，分别对石窟顶部和石窟底部温湿度进行监测，石窟外门檐下高处安装1台，对石窟外温湿度进行实时监测，比较全年平均值：温度平均值窟外是10.34度，窟内甬道是11.80度，窟内是11.25度；相对湿度平均值窟外是67.83%，窟内甬道是65.07%，窟内是67.5%。

温、湿度监测结果综合评价：从温、湿度全年平均值看，窟内甬道温差较大，相对湿度窟内甬道较窟室内明显偏低，从极值上观察，3个监测点多次达到饱和值，说明该区域湿度较大。窟内甬道的温度和湿度都较窟内变化范围要大，这可能是因为石窟甬道通风条件好的原因。窟内与窟外的温度差别较大大(窟室外部温度较窟室内部略高)，相对湿度窟室内部较窟室外部明显偏高，窟室外部的温度和湿度都较窟室内部变化范围要大，这可能是受石窟外环境影响较大的原因。

4.5 气象监测

气象环境监测对于文物保护有着重要意义，通过气象监测可以掌握气象因素对文物生存环境影响的规律，提供科学数据，以便我们能够采取有针对性的保护措施，加强保护，将影响程度降到最低，使文物可以延年益寿。此次气象监测安装1座小型气象监测站，主要由传感器、太阳能供电系统，数据传输系统三部分组成，监测要素包括：温度、湿度、降雨量、风向、风速。通过监测的数据，结合裂缝监测及岩体稳定性监测数据进行综合分析，结果表明在降雨量较小的情况下对石窟稳定性没有影响，后期继续比对，研究其二者之间的变化 规律。

5 结语

本文以万安禅院石窟寺为例，对西北地区石窟寺文物的保护与监测技术进行了研究，详细全面地介绍了石窟寺的保存现状与现有的病害类型，针对病害类型提出了具体的保护加固措施，彻底性的解决万安禅院石窟寺的安全问题。同时对石窟整体进行了实时监测，保证整个过程安全平稳进行。