砂砾岩石窟加固工程技术——莫高窟加固工程

　　我国西北古丝绸之路上的石窟岩体绝大部分属砂岩、砾岩、或砂砾岩，还有少部分为泥岩，这些岩石大部分为泥质胶结或钙泥质胶结，而且岩体孔隙率大、松散、力学强度低。岩体遭受严重的风化、风蚀、雨蚀破坏，崖体多沟壑、危岩、开裂坍塌，这对石窟文物造成极大的破坏。
　　由于上述砂砾岩的特性和石窟岩体破碎的状况，这些石窟的加固在技术方面有非常大的难度。文物保护的原则是“保护为主”、“抢救第一”，随着工程技术的发展和新的加固材料的研制成功，我国砂砾岩石窟的保护加固经历了三个时期的不断发展，越来越符合文物保护的原则，取得了更加有效的加固保护。
　　砂砾岩石窟加固工程的第一个时期：这个时期的加固工程主要采用混凝土及块石重力挡墙及梁柱支顶等工程措施，以20世纪60年代进行的莫高窟的加固工程为代表。由于莫高窟的崖体上洞窟密集，当时的状况是岩体上裂隙纵横交错、岩体破碎、危岩四处皆是，许多洞窟濒危坍塌，珍贵的壁画彩塑文物随时都有遭到严重破坏的危险。为了抢救莫高窟的文物，受当时工程技术条件所限，加固工程采用了我国加固铁路、公路工程中通用的工程措施——混凝土及块石重力挡墙及梁柱支顶。
　　砂砾岩石窟加固工程的第二个时期：这时期加固工程以80年代初进行的麦积山石窟加固工程为代表。这个时期，锚固注浆和喷锚支护技术在国际上有了很大发展，我国也普遍将这项技术用于矿山、隧道的加固。但是，将这项技术用于石窟的加固在我国还是第一次，即用锚杆加固裂隙、危岩，在崖面上挂钢筋网并喷射混凝土以防岩石进一步风化剥离，这在很大程度上保证了石窟危岩的稳定性，积极防止了岩体风化剥离，也在一定程度上保持了山体的原貌。麦积山石窟的喷锚加固，从抢救和保护文物角度评估，应该是成功的。但由于当时对山体的地质和水文环境缺乏研究，岩面上喷射的混凝土层使得石窟岩体内的水分不能自由地向外运移，而导致洞窟内湿度加大，甚至有自由水从窟内渗出，使窟内壁画塑像受到影响。
　　砂砾岩石窟加固工程的第三个时期：这时期加固工程以90年代初安西榆林窟的加固为代表。榆林窟的加固是在总结了麦积山石窟加固工程的基础上进行的，榆林窟的工程地质条件和麦积山的工程地质条件有较大的区别，其岩体松散、干燥。在调查和现场试验的基础上，针对榆林窟特殊的工程地质条件和岩土工程问题，选择了锚索技术加固裂隙基岩；采用PS-F浆液进行裂隙灌浆；以PS喷洒加固遭严重风化的岩面和崖面斜坡；窟顶建造防渗层，并整治窟顶冲沟。加固工程有效地保护了石窟文物，同时也基本保持了石窟的原貌，并与环境协调一致。榆林窟的加固，可称得上我国砂砾岩石窟加固的一个范例。
　　一、莫高窟加固工程
　　莫高窟加固工程是我国石窟加固工程的首例，我们把此项工程作为砂砾岩石窟加固一期工程的代表。工程是20世纪60年代初进行的，整个工程采用了重力挡墙“挡”、梁柱“支顶”和清除危岩“刷”的工程措施，工程分三个阶段施工，加固崖面全长576.12m，工程范围涉及到358个洞窟的加固。
　　(一)莫高窟岩体病害
　　由于莫高窟的洞窟开凿在钙泥质胶结的第四纪酒泉组砾岩崖体上，受这种地质条件的影响，以及历代开挖洞窟、地震、雨蚀、风蚀等因素的作用，造成岩体的主要病害是岩体上多危岩、多裂隙及崖体严重遭风蚀破坏。
　　1.裂隙
　　莫高窟岩体上的主要裂隙有平行于崖面的卸荷裂隙和垂直于崖面的构造裂隙，由于受应力释放、卸荷及雨水入渗的影响，使岩体裂隙发育，将窟区岩体切割成许多条块，在地震和其他内外营力作用下，岩体产生大规模崩塌，对文物造成毁灭性的破坏(图8-1、图8-2)。
　　平行于崖面的第13号裂隙贯通了上下二、三、四层洞窟，是莫高窟岩体稳定的最大隐患，它的存在及发育是此段窟群安全的严重威胁。其中第442～434窟之间的裂隙长达45m，根据长期观测，这条裂隙在加固前有增大的迹象。根据文献记载，此条裂隙范围内的洞窟，如二层的289、290窟，三层435～436、438、439、440、441、442等窟，以及第四层的446、448等窟的前室及主室，约在1000年前发生过崩塌；第417窟北至410窟，及其以下第二层315～319窟，239～243窟等处主要就是沿此裂隙发生的大坍塌。岩体的坍塌造成洞窟的严重破坏，坍塌区域的洞窟仅存其后部或佛龛。经勘察，21～59窟全长160m的崖体上，发现断续的岸边裂隙23条，这段崖体上有157个洞窟，贯穿的洞窟达90个。裂隙大部分存在于第二层洞窟以上的三、四层洞窟，裂隙与水平面的倾角60°～90°，宽约2～5mm，最宽达15mm。第196窟有两条岸边裂隙，外侧第1号裂隙距崖面1.5～8m，长约35～45m，宽约2～5mm。196窟南侧，在1954年修建的流水槽的水泥沙浆抹面上，顺裂隙方向又出现了新的裂隙，说明此条裂隙尚在发展扩大。196窟的下层是202窟，此窟前室开口既宽又深，使196窟前室下部的岩体呈现悬空状态，可能是196窟裂隙发展的因素。
　　莫高窟岩体上垂直于崖面的构造裂隙约每隔5～20m即出现一条，裂隙的倾角、方向也有比较一致的规律，裂缝由一二层洞窟向上直通崖顶，向内伸入窟内2～9m即行闭合，裂隙宽约5～10mm。它虽不如岸边裂隙对石窟安全的影响那么严重，但它起着横向切割岩体的作用，一旦与岸边裂隙共存于一个区域内，则有可能产生大规模的岩体崩塌而严重毁坏洞窟，如第410～412窟、185窟及241～243窟残破的崖面，就是沿构造裂隙或岸边裂隙与构造裂隙面交叉切割岩体形成崩塌之后的外貌。
　　除上述两种岩体裂隙外，崖体还有水平裂隙，水平裂隙是莫高窟比较普遍的地质病害，它的产生是由于砾石层中夹有较薄弱胶结的细沙层，受风化剥蚀所致。202、170、171、428、344等窟前室顶部就是沿水平裂缝崩塌之后形成的残破外貌。
　　2.危岩
　　由于上述各种裂隙的发育导致崖体崩塌，在崖壁上残留下许多危岩，如410～402窟、202～205窟、170～172等窟的上部岩体呈现悬空55°～65°的负坡，岩体残缺破碎。180～185窟、150～151窟和454窟上部突出的悬岩，体积都在50～100m3以上，328～365窟崖壁边沿因长期遭受雨水、流沙的侵蚀，将岩体切割成许多孤石，有的与岩壁仅一线相连，摇摇欲坠，在雨雪之后因受潮而崩解，成块成片的坠落，危及下层的石窟及行人(图8-3)。
　　3.洞窟密集造成的岩体不稳定
　　莫高窟从十六国晚期(400年前后)开始兴建石窟，经过400多年，到了晚唐时期，莫高窟南区长约900多米的崖面上，已经布满了状若蜂巢的洞窟。据156窟前室晚唐人所题“莫高窟记”中记载，莫高窟当时已有500余窟龛，晚唐时敦煌地方统治者张淮深想兴建一处石窟时，已感到在崖面上难于选择到适当的空地，说明当时崖壁上的石窟已经达到饱和状态。如此密集的石窟群，是在数百年中逐渐开凿形成的(图8-4、图8-5)，仅在南区中段早期洞窟的集中区，如第21～59窟，160m长、15～25m高的崖壁上分布了三层洞窟。
　　第285窟一带，洞窟多达五层，这个窟区约2500㎡崖面共集中了157个洞窟，平均每16㎡崖面上就有一个洞窟。南北大像之间长约140m崖面，是唐代石窟精华所在，共有78个洞窟，分布在2100㎡的崖壁上，每个洞窟占据27㎡的崖面。如此密集的洞窟，其体积大而相差悬殊，形成不同层次，间距参差错落的状态，石窟之间的墙壁，上下层之间的顶板间壁过薄，岩体的中下部被开凿挖空，上部岩体失去稳固的支撑，形成许多不稳定状态。例如：435窟(北魏)的下层，隋代开凿了大型的292窟，但292窟前室顶部与435窟的底部之间的岩体较薄，在不胜负荷的情况下435窟中心柱前连同436窟的北侧一并塌毁。第290北周窟，其南侧为隋代的289窟，两窟之下为盛唐时开凿的第44窟，此窟的前室深入崖壁6m，使290～289窟之间墙壁厚约60cm，成为下部44窟跨度8m前室顶板中部的集中荷载，这一荷载所产生的力矩，直接造成290～289窟前部的坍塌，当然此处破坏大，其原因是原生的岸边裂隙与开凿洞窟太密共同作用下的结果。类似这种情况还有不少，如50年代加固工程中的257～259窟两个北魏代表洞窟，两窟的下部盛唐开凿的68窟窟顶正位于上两窟之间的墙壁下，由于岩体太薄，造成257～259窟的大坍塌，损失严重等等。
　　(二)莫高窟加固工程
　　莫高窟的加固工程采用了“支顶”、“挡”和“刷”的工程措施。
　　1.“支顶”
　　莫高窟大部分洞窟前室都是敞开式的，前室的顶部只有三面有岩体支撑，外面为半悬空状态，如前室的跨度和进深较大，顶部岩层往往产生水平裂缝，并逐渐发育造成岩体坍塌。如上部层体较厚，则可能坍塌并自然形成拱状，达到相对稳定状态，但有时上部是洞窟，下层洞窟前室发生坍塌将直接影响上层洞窟的安全，解决这种病害就是用块石砌体或钢筋混凝土梁柱对悬空岩体加以支顶，在几期加固工程中如第351、342、202～205、218、217、61、171、172等窟前室的加固都是以“支顶”的措施防止病害发展的具体运用(图8-6)。
　　2.“挡”
　　“挡”是在洞窟陡壁前建造厚重的块石砌体或混凝土结构的挡土墙抗岩体侧向压力和地震的负荷，防止因崖壁岸边裂隙产生向外倾覆的趋势，以达到保证石窟安全的目的。在莫高窟加固工程中，各主要工点广泛运用了“挡”的技术措施，是加固工程中防止石窟崖体崩塌的主要手段。此种加固方法，在设计时要求结构本身和地基土壤面有足够的应力强度以抵抗岩体的压力，不致因强度不够而发生结构倾斜或滑动，当基底是可压性土壤时，须防止内外不均匀的沉降，在满足这些力学要求的同时，还应考虑节约工程量和便于施工，并结合解决建筑形式和人行栈道的设置等使用功能(图8-7、图8-8)。
　　3.“刷”
　　所谓刷是对部分悬崖危石予以清除，在工程技术上称作“刷方”，这一技术措施不仅使崖壁边沿的危石得以清除，而且也减轻了上部岩体的自重(图8-9)。
　　在综合运用“支顶”和“挡”的措施时，在设计时又采取以下几种技术手段以实现“顶”和“挡”的目的。
　　砌体结构形式，按不同的崖壁的病害状况有以下三种结构形式，即梁柱结构、挡墙及柱式结构。
　　梁柱结构仅起支顶作用，当支顶范围较小如只支顶某一洞窟前室顶部，而下部又有岩基，这种结构形式简便可靠，柱基直接砌在基岩上，在两柱顶上架设钢筋混凝土梁，梁上再砌块石紧贴上部悬空岩体。在设计时使柱体离开前室各壁，在一定程度上保存前室各壁的壁画及原有空间范围。
　　挡墙结构是莫高窟加固工程的主要技术措施，挡墙加固石窟崖面的范围比较大。为满足各种受力的要求，砌体必须有足够的体量。在外观上显的比较厚重、坚固。在各个洞窟适当位置，留出相应的窟口，根据不同大小的石窟，挡墙所留开口亦应有所变化。按结构需要挡墙应由下而上逐层减少断面，大体上相当于每层洞窟地面高度的位置形成向内收进的错台，利用错台建造各层的人行栈道。如错台的宽度不够，可以从挡墙上挑出悬臂梁，梁上搭设混凝土板成为人行栈道，形成虚实对比，使外观增加一些变化。
　　关于基础的处理和沉降缝的设置。在加固工程中，凡是起支顶作用的结构物必须避免砌体下沉，其基础要尽可能坐落在基岩上，但在个别地段，因为上部洞窟崖壁为负坡，岩体悬出很多，支顶面必须较宽，结构物也随之加厚。如要求砌体底部全部落实在基岩上，基础可能深10多米，工程量将大大增加，为解决这一问题，采用加大基底面积，在施工过程中观察其下沉度。当支顶结构砌筑到被支顶的岩体之前，留下一段砌体不做，当砌体在一定时期中逐渐下沉并达到相对稳定之后，再封砌顶部以达到紧密支顶岩体的目的，如第171窟前室的支顶工程即是此种施工方法的例子。
　　柱墩式深基础：第一期加固工程四工点第三、五工段，因病害严重，挡墙高达20m，因结构需要，挡墙的基础必须坐落在坚实的基岩上，因为该工段基岩较深，设计时采用了柱墩式深基础，在墩上做基梁以承载上部的挡墙砌体，减少了大面积挖方和大体量砌体。
　　挡墙基础分别在两种地基上的处理，如果砌体较厚因而使砌体前后分别坐落在基岩上和可压性土壤上时，则在两种基础上的砌体之间设变形缝，其外侧的砌体有一定的下沉量，为保持外侧挡墙均匀的下沉，基底应全部置于同一可压性土壤上。如范围较大，地基变化较多时，根据不同的基础处理，在横向每隔20～30m处设变形缝一道，作为伸缩兼沉降缝，如第一期工程第四工点共分为五段，既是结构所需，也方便于施工。