论文内容

云冈石窟的加固与保护

解廷凡 2016-11-15

云冈石窟创建于公元五世纪,至今已有一千五百余年的历史,是我国现存规模最大的石窟群之一。为了永远保存这一珍贵的文化遗产,自二十世纪六十年代以来,我们经过不断地研究和探讨,应用现代科学技术,通过灌浆、锚固、补砌、支护、防渗、环境治理等保护措施,已经使云冈石窟岌岌可危的窟壁、窟顶悬石以及石雕佛像趋于稳定。现就有关加固与保护等问题介绍如下。


        一   云冈石窟的破坏原因及残损情况
        岩体的崩塌、岩石表面的风化是云冈石窟常见的两种自然破坏现象。这两种自然破坏的现象与该地区的地质情况、气候变化以及水的浸蚀、空气污染、地层震动等因素有着密切关系。
        云冈石窟开凿在侏罗纪的厚层砂岩中,该砂岩为黄褐色并夹有紫色砂质页岩。岩石的主要成份为长石和石英,胶结物多含钙质和泥质,岩体交错层里发育岩性纵横不一。云冈石窟的岩层厚约40米,东西两端逐渐减薄。岩性变化规律大致是,上部石英含量多,东段长石含量多,因此这层砂岩上部比较坚硬,下部比较疏松;中西段比较坚硬,东段比较疏松。
        云冈石窟地处内陆,是典型的大陆性半干旱气候。这里温差变化显著,日温差最高达24℃,年平均气温为7℃~10℃,全年最低温度为¬-30℃,最高温度为400C。冰冻期达五个月,冻层深度为1.5米。窟内相对湿度最高100%,最低12%。
        云冈石窟四周被大小六个煤矿环绕,窟前住有居民,生产和生活中排泄出一定数量的二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物等有害气体。这些有害气体在大气中的含量随着季节和时间的不同而发生变化。一般冬季含量高,早晨和傍晚含量高,测试结果符合国家三级标准要求,但是,对石窟来讲仍有一定的危害性。
        水是破坏云冈石窟的主要因素注 。空气内的水份,因空气污染形成酸雨,对石窟具有一定的破坏性是显而易见的。地下水中,井水内含有硫酸根(SO4)2-166.37mg/升、碳酸氢根(HCO3)-259.46mg/升;第2窟泉水内含有硫酸根(SO4)2-76.10mg/升、碳酸氢根(HCO3)-245.80mg/升。这些离子与岩石内长石水解后生成盐,导致岩体表层严重风化。
        云冈石窟位于大同盆地西部武州山脉。大同盆地的沉积层中,断层、挠曲等地质现象很普遍,有的地点地层错动一、二十米,这是地壳活动遗留下来的痕迹。地震是地壳活动的一种自然现象,受地层构造的影响,大同地区的地震比较频繁。自云冈石窟创建以来,历史上发生的重大地震(最大震级达7.5级)具不完全统计有:
       (北魏)延昌元年四月庚辰,京师及并、朔等六州地震,恒州之繁峙、桑乾、灵丘……雁门地震陷裂,山崩泉涌,杀五千三百一十人,伤者二千七百二十二人,牛马杂畜死伤者三千余。(《魏书•灵征志》上)
       (元)大德九年四月己酉,大同路地震,有声如雷,坏庐舍五千八百,压死者一千四百余人,怀仁县地震,涌水尽黑。(《元史•五行志》)
       (明)成化三年五月壬申,宣府、大同地震,有声,……坏墩台墙垣,压伤人。天启六年六月丙子,京师地震。……宣府、大同俱数十震,死伤惨甚。山西灵丘昼夜数震,月余方止。城郭庐舍并摧,压死人民无算。(《明史》卷三十)
        (清)嘉庆十九年冬地震,廿年三月地震。(《大同县志》卷二)
        云冈石窟在上述各种因素的相互作用下,势必加速它的自然毁坏,再加上石窟区域内原生构造裂隙多,约一公里长洞窟群的开凿又破坏了原来的岩体结构,引起岩体内应力变化,致使云冈石窟裂隙纵横,悬石累累,崩塌情况时有发生,风化现象日趋严重,雕像残肢断臂现象比比皆是。
        例如第5、6窟:第5窟门拱东壁早巳断裂前倾(图la),随时都有倒塌的危险;北壁主佛右脸颊有细裂隙东西向切割,严重威胁着大佛头部的安全;第5窟和第6窟的间墙受裂隙的切割,中下部已毁坏约三平方米,第5窟西立佛从颈部穿腰身已被该裂隙分离。

                                                      

                                                             
        又如第9、10窟:其前室顶板和东西壁面均被同一条围岩裂隙切割分离(图2a),该裂隙向上把窟内顶板和窟外崖顶勾通。尤为严重的是,第9窟前室顶板中部莲花雕粱,已断裂成长8米、宽l米、厚0.7米的悬石,只因东、西、北三面与顶板相互咬合,才未大面积崩塌,而一块重约一吨的莲花雕石已经塌落。第10窟前立壁西侧上部业已崩塌无存。第9、10窟间墙,受压裂隙纵横交错,壁面支离破碎,危在旦夕,前立壁列柱风化剥蚀严重,隐藏着崩塌的危机。第9、10窟已是险相环生,严重地威胁着它的存在。

                                                            

                                                          
        再如第18、19窟:其窟外前立壁已经塌陷,上部呈凸出的犬牙状倾斜滑坡,个别部位已经和窟内穿通(图3a)。窟内四壁遭两层砂质页岩风化带环绕破坏。尤为严重的是第18窟北壁主佛腰部蚀空面积既大又深,主佛与北壁岩体存有裂隙。第19窟主佛腰身和手臂发生断裂、错位(图4a)。另外这两个窟的主佛下额和鼻翼均不同程度地存在崩塌现象。

                                                               

                                                               

                                                                

                                                                   
        还有第20窟:主佛和东立佛腰部砂质页岩已风化蚀空(图5a);前壁和西壁崩塌无存,残留的窟顶西端因失去支撑也岌岌可危。

                                                                 

                                                                        
        二   加固保护措施
        为了防止石窟的继续崩塌和雕刻艺术品的风化,自1960年开始,文化部组织科学技术人员对云冈石窟采取了一系列保护措施。首先选用了丙烯酸酯类高分子化学材料,对石窟围岩裂隙进行灌浆加固,对雕像表面进行喷涂封护,对残落部位进行归位粘接(见表1)。在维修加固过程中,由于丙烯酸酯类材料施工时工艺复杂,后改用中国科学院广州化学研究所提供的呋喃改性环氧树脂作为石窟灌浆粘接加固材料,经我们和文物保护科学技术研究所等单位的共同实验与研究,取得了可喜的成就。这一成果在1974年至1976年云冈石窟维修加固工程以及近年来的日常维修过程中,得到了广泛应用。
        (一) 环氧树脂在石窟加固工程中的应用:
        环氧树脂是含有环氧基团的热塑型线型高分子材料,当前用途最广泛的是双酚A型环氧树脂。它自身并不能固化,必须加入固化剂,使分子交联成立体穿插的网状大分子,成为不溶不熔的坚硬固体。环氧树脂的粘度大,并且直接加入固化剂固化后的固体发脆。因此用于石窟围岩裂隙的灌浆粘接加固,应该降低环氧树脂的粘度,提高它的可灌性和韧性。呋喃改性环氧树脂具备上述特点,但是否适用于石窟灌浆粘接加固的要求,为此进行了如下实验。
        其一:呋喃改性环氧树脂,是双酚A型环氧树脂,加入共聚性稀释剂以胺类为固化剂配制而成。
        我们根据云冈石窟在加固保护工作中存在的问题和要求,模拟现场作了环氧树脂和呋喃改性环氧树脂不同配方的实验研究;对岩石粘接、灌浆粘接加固、岩石粉末固结、硅酸盐水泥固结均进行了岩样试验,测试其物理机械性能和破坏特征等情况。结果表明:粘接、灌浆粘接加固的试件,经物理机械强度测试,均系岩石自身破坏;岩石粉末、硅酸盐水泥固结强度均高于岩石强度(见表2、3、4)。
        呋喃改性环氧树脂中,共聚的稀释剂用量不同,则关系到改性环氧树脂粘度的大小,同时也影响到粘接加固物理机械强度的变化。对固化剂的选择,多元胺比一元胺的效果好而且毒性小。实验还表明,在环氧树脂中加入50l号活性稀释剂后,粘接材料的粘度小而物理机械强度高。
        从岩石裂隙灌浆粘接加固和岩石粘接的受力情况来分析,可以归纳为拉抻、剪切、劈裂、剥离四种形式(图6)。

                                                                                      

                                                                                       
        用环氧树脂材料灌浆粘接加固或岩石粘接后的物理机械强度,因受力形式不同,其变化很大。一般砂岩的抗剪强度在200公斤/cm2左右,但是劈裂和剥离强度都很低,仅及抗剪强度的十分之一左右。因在劈裂和剥离的情况下,被加固的粘接面,受力不均匀,主要应力集中在边缘较狭窄的区域内,似作用在一条线上。然而在石窟粘接中。不存在剥离破坏的情况。因此在工程设计时必须使石窟的加固粘接面,较多地承受拉力和剪力,尽量避免承受劈裂力。
        从裂隙灌浆粘接加固和岩石粘接的粘接层来分析,可以看出有三方面在受力(图7)。

                                                            

                                                           
        岩石I、岩石II、粘接层,这三者只要有一方面因受力而破坏,粘接就失去意义。裂隙灌浆粘接加固和岩石粘接的目的,就是把岩石I、岩石II用粘接剂固定为一个整体。为此不仅要考虑到粘接剂与岩石的粘接力,而且还必须考虑被粘接的岩石自身的强度。不顾及岩石质地,单纯追求粘接剂的强度,是没有实际意义的。
        环氧树脂的韧性差,而云冈石窟所处的气候条件,日平均温差在200C左右,温差剧烈变化所产生的热应力,是一种疲劳性的冲击,因此需提高粘接材料的韧性,而韧性提高后又会降低粘接强度,所以只能因地制宜,解决主要矛盾。我们认为为提高韧性,而适当地降低一些粘接强度,是合理的。只要灌浆、粘接材料的粘接力的强度,不低于被粘接岩石之强度,就可以满足石窟加固工程的要求。
        其二:呋喃改性环氧树脂B,是在呋喃改性环氧树脂A的基础上,改变配方和配制方法而制成的,即配制成呋喃混合体,然后再与双酚A型环氧树脂混合,经胺类固化剂固化即可。
        呋喃改性环氧树脂B灌浆液,解决了呋喃改性环氧树脂A灌浆液因放热量大而易发生爆聚的不良现象。实验证明,呋喃改性环氧树脂B,灌注粘接云冈石窟砂岩,在抗拉、抗剪方面均高于岩体本身的强度(见表5)。应当说明的是,在配制呋喃改性环氧树脂时,随着反应温度的变化,其粘度将会增大,所以它适用于灌注5毫米以上的宽裂缝,遇到5毫米以下的细裂隙,不能用该材料灌浆,应选用呋喃改性环氧树脂A灌浆加固。
        其三:防止漏浆污染。在环氧树脂灌浆粘接加固、残落部位归位粘接的过程中,都要防止漏浆。一旦溢漏,不仅影响施工速度和工程质量,更严重的是污染文物,有悖于施工目的。经过多次实验,基本上解决了这个问题。我们的方法是涂刷软肥皂或有机硅防水剂、光蜡、聚乙烯可扒漆来防止溢漏,方法简便而效果良好。
        (二) 环氧树脂加固工程施工工艺
        围岩裂隙灌浆粘接加固工艺步骤。1、清理裂隙内的污垢和积土,以保证灌浆粘接加固效果。2、在裂隙周围涂抹防护涂料,以防漏浆污染。3、用环氧树脂粘接液(见表6)加固裂隙边缘风化层,同时用环氧树脂胶泥由下向上封闭裂隙,并在裂隙上每隔20至30厘米安装一根直径0.6厘米的灌浆管(排气管)。对宽大的裂隙,应一边封闭一边在裂隙内填加干净的砂粒或碎石。4、关闭灌浆管,从一个灌浆管内加入1~2个大气压,检查环氧树脂胶泥及其裂隙四周是否有漏气现象。5、打开进浆管和排气管阀,加压1~2kg/cm2开始灌浆。灌至饱和或所需高度时停止灌浆。灌浆时应注意由下向上逐层灌注,每次配制浆液控制在三公斤以内,气温不能低于100C。6、发现有渗液现象时立即减压,用粘接胶泥加以堵塞,并予加热使其快速硬化。也可以用软肥皂挤压渗液处,达到堵漏目的。7、待浆液固化后,对维修部分加以修饰,使之保持与原壁的和谐一致。
残落部位归位粘接。云冈石窟断裂石雕,基本上有三种情况,一是原石断裂后断裂面比较完好;二是原石断裂面已风化互不吻合;三是原石经风化形成凹陷蚀空带。
        凡需要粘接的断石,应首先清除断面污物,用粘接液加固断石面,然后再进行吻合粘接。粘接时应在断石边缘留出适当的空隙,避免粘接材料外溢造成污染。对凹陷蚀空处,应配制加工好的料石进行补砌粘接。粘接胶泥固化后,可作适当雕饰。
        (三) 其他加固方法和保护措施
        1、金属锚杆加固:采用金属锚杆固石窟围岩,早在六十年代就在云冈石窟作过试验研究。当时采用的是楔缝式锚杆,钻孔里没有灌浆粘接加固,只是利用金属楔头与岩石之间的锚固力。经测试,六根锚杆锚固力平均为8.3吨,最高达到11.4吨,接近钢筋的极限强度(见表7)。缺点是锚杆受力后出现少量位移。
        以后,我们把锚杆加固作为灌浆粘接加固的辅助手段,先用锚杆把悬石固定在崖体上,然后进行灌浆,因悬石受粘接剂与锚固的双重作用,所以石窟围岩裂隙的加固效果得到了明显的提高。
        施工中应注意,锚杆的安装方向大致和裂隙走向相垂直,锚杆接近水平但必须是里高外低,以提高剪切力(图8)。锚杆要布成梅花形或梯形,防止锚杆在同一水平线或垂直线上。

                                                                              

                                                                             
        2、荒料石包嵌钢筋混凝土框架支护加固:试验证明,整体护壁加固人工维修加固的痕迹十分明显,而且难以保护崖壁上遗存的雕刻品和恢复原状。为此,我们在总结整体护壁加固经验的基础上,采用钢筋混凝土框架外包嵌荒料石支撑崖壁悬石的方法,达到了预期的目的。对崖壁上小面积风化蚀空塌陷部位,还采用局部扎钢筋网浇注混凝土加固的方法,使崖壁既得到了加固又保持了外观的协调一致。
        3、防渗措施:云冈石窟渗水现象,在个别洞窟比较突出,为此我们曾在窟外崖顶浇注了钢筋混凝土防护层,并在局部范围内平整、夯实、填补了山顶低洼穴坑,同时在崖顶前沿垒砌了排水渠,对个别洞窟内的泉水也采取了降低水位,做渠疏导等措施。
        4、环境保护措施:长期以来在有关部门的配合下,我们为保护云冈石窟周围的环境采取了以下措施。首先,在石窟前栽种了防护林带。其次,将原石窟门前的公路改迁到了武州川岸边,并开辟了窟前广场。第三,调整了煤矿风井噪音方向并安装了消音设备。第四,禁止在石窟周围炸山取石。第五,经国家有关部门批准,划定了云冈石窟3.6平方公里(东西长2.275公里,南北宽1.565公里)的保护范围,此范围以内的地下煤炭严禁采掘。这些措施,对云冈石窟的保护起到了一定的作用。
        经过多年的研究与实践,我们已初步掌握了维修保护石窟寺的科学方法,现在的云冈石窟,断裂崖体己安全稳定(图1b~图5b)。云冈石窟正以崭新的面貌迎接着国内外的研究者和旅游观光者的到来。

                                 

                                  

                                   

                                  

                                  

                                  

                                    

                                                                                                                                           (摘自《中国石窟•云冈石窟》(一),文物出版社,1991年。)

        

浏览次数:231 人