砂砾岩石窟加固工程技术——麦积山石窟加固工程

　　麦积山石窟的加固工程包括：锚固、钢筋网混凝土喷层和岩体裂隙封护，即“喷、锚、粘、托”的工程措施。麦积山加固工程是我国继莫高窟之后的第二大石窟加固工程，也是首次将“喷锚支护”工程技术用于石窟加固。因此，我们把麦积山石窟加固工程作为砂砾岩石窟加固二期工程的典型代表。
　　(一)石窟的岩体病害
　　麦积山石窟由于开凿在泥质胶结的砾岩崖体上，山体上大下小似麦垛形，岩体受工程地质环境以及开凿洞窟后应力重新分布以及地震、雨蚀、风化等应力的作用，造成的主要病害是，崖体多裂隙、多危岩以及崖体表层严重风化。
　　1.裂隙
　　麦积山石窟砂砾岩产状为N56°～65°E，NW∠5°，在东崖西北侧上方及西崖栈道入口处正北方共有三条构造裂隙，其产状分别为N48°W，SW∠152°；N6°W，SW∠72°；N52°E，SE∠64°。此三条裂隙均系张裂隙，宽度有数厘米至数十厘米，延伸长度也较长，是地下水与雨水入渗的通道。对此曾有人称之为通天裂隙，并东西贯通，从而对麦积山前半部的稳定性持有怀疑。但根据实测结果及查阅相关资料认为，东西崖的构造裂隙产状不一致，且相互延伸至交切，致使整个山体失稳的可能性极小。但这些裂隙的交切，在崖面上形成许多大体量的危岩，在地震、雨水入渗等因素的影响下，一旦危岩坍塌就会对洞窟文物造成毁灭性的破坏(图8-10)。
　　2.崖面风化
　　麦积山地层系第三纪的紫红色、砖红色砂砾岩组成，其岩性为砾岩、砂砾岩、夹有薄层的砂岩和砾石泥岩。胶结程度差，胶结物以泥质为主，胶结泥质中且含有较多的膨胀性的黏土矿物——蒙脱石。因此，在各种风化因素下，导致岩面严重风化剥落，岩体开裂坍塌，这是麦积山石窟岩体的重要病害之一(图8-11)。
　　3.危岩
　　麦积山石窟的崖体上有多处危岩，但体量和隐患最大的危岩有4处：
　　1)坐落在第25窟顶部的约138t危岩。
　　2)悬吊在牛儿堂窟顶前沿的约7t危岩。
　　3)第15窟顶部，该窟顶部系软弱层带，并且表面层疏松破碎，随时都有坍塌的可能，潜伏很大隐患。
　　4)五工段，即牛儿堂与上七佛阁之间约580t的危岩，这是麦积山石窟体量最大，且危害最大的一块危岩。
　　(二)加固工程
　　麦积山石窟的加固工程主要包括“喷、锚、粘、托”的危岩加固，挂钢网混凝土罩面、裂隙灌浆和栈道建造。
　　1.危岩加固
　　对危岩的加固主要采用了“喷、锚、粘、托”的工程措施，在施工中又采取了一系列临时性的工程技术和安全措施。临时性的工程技术措施有：
　　1)捆吊：即把危岩用钢丝绳捆吊起来，防止加固过程中，危岩受冲击或震动时，发生倾覆和剪切破坏。
　　2)喷灌：向危岩裂隙灌注细石混凝土或水泥砂浆，以填充粘连，加大危岩与稳定岩体之间的连结与摩擦力。
　　3)快锚：在危岩关键部位，先快钻、快锚一根锚杆，然后再快钻、快锚第二、三根锚杆，如无问题，再按正常施工，成批钻孔，成批灌锚，这样以求安全固结。
　　为了防止施工中发生意外，施工前采取了一些安全措施，主要有：①在138t危岩表面，安装了警报电铃，一旦危岩发生松动或倾伏破坏位移，电铃即响，以示工作人员迅速疏散，防止发生意外。②在危岩两侧铺设疏散跑道，一旦危岩发生破坏，施工人员可向安全区撤离。③在580t危岩裂隙处，安装了百分表，并且专人观测裂隙位移状况，如有发展，再采取必要可行的措施。
　　在麦积山石窟加固工程中，主要处理了四处危岩。
　　(1)138t危岩的加固
　　这块危岩坐落在25窟的顶部，上层是软弱层，裂隙宽20～30cm(图8-12)。
　　1)先在危岩两侧稳定岩体上打四根4m深的锚杆，接着用二根六分钢丝绳揽住危岩(锚杆与钢丝绳连接采用紧线螺丝)。
　　2)由于钢丝绳揽住后，危岩原有的稳定性会遭到破坏，揽的松了，钢丝绳起不到应有紧固作用，所以沿钢丝绳部分喷射混凝土，使钢丝绳与岩体连成整体，确保钢丝绳的捆绑作用。
　　3)往软弱层及裂隙内喷灌混凝土或砂浆，以填充粘连，增加危岩与稳定体连结程度。
　　4)在危岩上打抗倾覆水平锚杆和抗剪切的斜锚杆。在注浆过程中，采用快钻、快灌和快锚的办法，即在关键部位成孔一根，锚固一根，等砂浆凝固后，再进行第二、第三根锚杆的锚固，不能一起成孔后再锚固，防止钻孔多而危岩坍塌。
　　最后，按设计完成全部锚喷加固构造，把危岩牢牢地固定在稳定岩体上。
　　(2)7t危岩的加固
　　这块危岩悬吊在牛儿堂窟顶前沿，主要靠与窟顶连接的断面将危岩黏结悬挂在上面，接触面的西端已经产生了细小裂纹，加固的工艺是(图8-13)。
　　1)先在危岩两侧各打2根4m深的斜锚杆。
　　2)通过此两组斜锚杆，用φ60mm钢丝绳将危岩托吊住，钢丝绳与临时斜锚杆连接，同样采用紧线螺丝。
　　3)采用快钻快锚的方法，根据设计要求，钻孔锚固，加固危岩之后，将钢丝绳撤掉。
　　(3)第15窟顶部加固
　　该窟顶部系软弱层带，表面层疏松破碎，十分危险，加固时采取的方法是(图8-14)：
　　1)先喷一层混凝土，把所有裂隙进行填充封闭，使表层疏松的岩块联结为一个整体，防止碎块垂落伤人。
　　2)为了尽可能安全可靠，并在窟内搭设木柱顶撑。
　　3)紧接着采用快锚的办法，锚固1.5m的悬吊锚杆。
　　4)焊接钢筋网片。
　　5)第二次喷射混凝土，最后罩面做旧。
　　(4) 580t危岩加固
　　此块危岩是麦积山最大的一块危岩(图8-15)，也是危害性最大的一处，加固采取的方法是：
　　1)先在危岩下面钻锚牛腿部位的锚杆，包括水平和斜锚杆。
　　2)在危岩区上部，按快锚方法，锚固四根斜锚杆。
　　3)然后，按设计进行正常锚、喷、托施工。
　　4)牛腿喷射混凝土，牛腿的作用是平衡地震作用下产生的竖向破坏力，牛腿宽6m，高约3.5m，需混凝土约30m3。如按常规施工方法，需要一定数量的模板和顶撑，且在90m的高空，支顶也较困难。用喷射法施工，即层层喷射混凝土，免除了模板和顶撑，且混凝土产生的热量容易散发。牛腿上下、左右再适当喷射混凝土，填补了牛腿四周岩体的缺陷处，使牛腿变成了墙内的柱子，看不见，但实际上起到了平衡竖向地震破坏力的作用。
　　5)裂隙灌浆黏结，灌浆采用环氧树脂。
　　2.罩面
　　危岩喷锚加固后，普通水泥喷射的混凝土表面颜色显然与原山体不协调，这不符合文物修复加固的原则，要做到修旧如旧，必须在喷射后的混凝土面进行做旧处理。开始使用1：4的水泥砂浆(水泥：红砂)喷在表面，颜色比较灰暗，效果不理想。后来，经过实践，采用的方法是，先进行一般水泥喷面，然后再喷一层PS调制的红砂土浆，这样，基本符合要求。
　　3.裂隙灌浆
　　在喷锚加固的基础上，进行洞窟内裂隙灌浆，以填充裂隙，防止继续风化和雨水入渗造成钢筋锚杆锈蚀。灌浆材料，除133、135、137三个大洞窟采用环氧树脂外，其余均采用107胶水泥浆。对西崖洞窟内的裂隙封闭，采用了PS和当地的红黏土调制的PS-C，具体作法是：
　　1)先以7%的PS喷洒加固裂隙两侧的风化岩面；
　　2)调制PS-C胶泥，封闭裂隙，每隔50cm左右预留注浆管；
　　3)待PS-C浆凝固后，通过注浆管从下往上边抽气(采用真空泵)，边压力灌注107胶水泥浆(采用注浆器用空压机压力注浆)。
　　4.建造栈道
　　麦积山石窟的山体十分险峻，有的洞窟开凿在高达百米的崖面上，原来的栈道为木制栈道。从坚固和游人安全的角度考虑，在加固工程中，栈道采用钢筋混凝土栈道，预制混凝土柱，安置金属栏杆。
　　栈道施工的主要工序是：铺设作业平台—放线定位—凿挑梁根岩体—打钻成孔—灌锚梁主筋锚杆—支梁及楼梯模板—绑扎梁钢筋—浇注梁及楼梯混凝土—拆梁模—支栈道平合模板—焊柱子—绑扎平台钢筋—浇注板混凝土(原浆压光)—拆平台模板—焊接金属栏杆—柱子栏杆油漆(图8-16、图8-17)。
　　每层栈道的施工周期约为10～15d，主要工序如下：
　　(1)铺设作业平台
　　这道工序是关键性的工序，几乎所有的工序都要通过它来完成，作业台铺设的合适，就能促进其他工作，如果铺设的不合适，就给其他工作带来困难。作业平台铺设在栈道标高线以下70～80cm处(梁高最大50cm，平台板厚8～10cm)比较合适，能满足所有工序的施工，且比较方便。另外，作业平台还要坚固稳定，若架不稳，混凝土质量受到影响。所以平台铺设好后，须与固定架子的钢筋拉紧及在梁底部设置斜撑，保证平台稳定。
　　(2)放线定位
　　放线定位的方法采用空中交汇来确定栈道梁坐标位置。通过实施，这种方法先进可行，且较为准确，但不利条件是，脚手杆林立阻挡视线。所以定位后，有时会和实际情况有出入，速度较慢，定一层栈道位置需要1～1.5d。后来，采用简易方法进行，即参照洞窟关系，用线锤吊、尺杆量，确定栈道梁位置，经比较，基本符合设计要求，而且速度较快，定一层位只需半天，缩短施工周期。
　　(3)支模方法
　　采用了两次支模，第一次先支梁模及楼梯梁，即先支梁的底模，然后绑扎钢筋，再封梁及楼梯梁侧板，最后根据设计位置放好预埋铁板，并用卡子夹好，预留螺栓孔(即用钢筋事先插入)。浇注的混凝土强度达70%以上时，拆除梁的侧板，底模不拆，然后支平台模。方法是：先用螺栓固定好夹条，并在夹条上固定好起杆(根据栈道宽度确定起杆根数)，最后铺平台板，浇注混凝土之前，焊柱子，绑扎钢筋。当混凝土强度同样达70%以上时，拆除全部模板，楼梯梁底模采用桁架式底模。
　　两次支模法模板容易拆除，损耗量小，周转次数多，节约木材，就梯梁底模来说，减少了不必要的支撑，且利用率高，整个西崖栈道，同一规格的梯梁底只用了一套。
　　(4)浇注混凝土
　　由于栈道施工工序多，周期长，而且直接影响工程进度。在浇注混凝土时，采取了两项措施，一是按原设计混凝土标号，提高一级，即200号混凝土，按250号配制。二是掺加早强剂，在正常温度下，一般在5～10月份，3d即能达到70%以上的强度。加快了混凝土凝固，缩短了施工周期。
　　早强剂配方为：
　　三乙醇胺1.2kg；食盐8kg；亚硝酸钠10kg；减水剂5kg；水76kg。每袋水泥掺加早强剂2.5kg。
　　(5)栏杆焊接
　　为了防止栈道板由于温差变化产生裂隙，除了把连续板改为简支板外，在焊接栏杆时，钢管一端焊死，另一端为活动套接，使栈道板的裂纹大大减少。
　　麦积山石窟加固工程，采用喷锚支护的方式对石窟进行了加固，特别大体量危岩的加固，消除了危岩坍塌的隐患，工程是成功的，达到了稳定山体保护洞窟及文物的目的。但是在风化崖面挂钢网喷射一层混凝土罩面，既改变了石窟原有的自然外貌，更为严重的是混凝土罩面层不透水，使得石窟岩体内的水分不能自由地运移到岩体外，反而向洞窟内运移，导致部分窟内湿度增大，甚至出水，影响窟内壁画泥塑的保护。