锚筋固危崖穿洞引水患

董广强

摘要：天水地区是我国地震活动比较频繁的地带。历史上多次的地震使麦积山山体表面和内部形成许多纵横交错的表层裂缝和深度裂缝，一些石窟洞窟发生垮塌。麦积山石窟维修加固工程开始于20世纪70年代初期，历时13年，采用“喷锚粘托”等综合技术手段基本解决了山体稳定性的问题。因山体长期存在渗水情况，威胁洞窟内泥质文物的长久保存，从20世纪90年代中后期又开展了麦积山石窟渗水治理工程，但石窟渗水问题始终没有得到根治。文章对麦积山石窟维修加固和渗水治理两大文物保护工程所采取的工程方案及技术手法进行了深入阐述和剖析。

关键词：麦积山石窟；维修加固；渗水治理；工程保护

一、麦积山石窟维修加固工程

天水地区是我国地震活动比较频繁的地带。自公元366年始，共记载地震57次，其中具有破坏性的11次，对麦积山石窟直接造成影响的有5次。由于麦积山的岩质疏松，在山体表面开凿有大量的洞窟，在地震力的作用下，山体表面的岩石和洞窟很容易发生崩塌。据记载，唐开元二十二年（734年）地震使山体中部的近百个早期洞窟毁于一旦。除此外，地震还使山体形成许多纵横交错的表层裂缝和深度裂缝。据20世纪70年代初期的调查，当时现存的194个洞窟中（近几年的洞窟调查中将洞窟号增补为221个），大部分塌毁的有63个洞窟，小部分塌毁的有28个洞窟，另外受纵横裂隙切割破坏的有69个洞窟，只有34个洞窟保存相对完好。

1953年8月，中央人民政府文化部委派吴作人为团长的勘察团，对麦积山石窟进行全面勘察。针对石窟面临的险情及维修保护问题，勘察团建议“政府能考虑以现代工程上应用的科学方法（如横穿崖石裂隙，贯以钢筋和灰浆）来巩固这个危崖，以保存我们民族一千四五百年以前所创造的、在艺术上有惊人造诣的人类文化的奇迹”。

1953年9月，麦积山文物保管所成立后，广泛邀请地质、建筑及文物等方面的专业技术人员，到现场进行地质地貌等方面的勘察，陆续提出一些地质评价和加固设想。对地质结构总的评价是：石窟所处的山体是稳定的，历史上的坍塌，对整个山体来讲，仅仅是表层剥落而已，山体内部的基岩是稳定的。

1972年，国家文物局的工程技术人员提出三个加固方案：第一方案是东崖加固，措施是粘、锚、顶、罩，西崖文物搬迁；第二方案是东西崖都加固；第三方案是对东西崖裂隙危岩进行临时性抢险加固。虽然这三个方案都不够理想，但基于加固工程的紧迫性，国家文物局于1973年批准采用第一个方案。

考虑到麦积山石窟洞窟内部的文物都是泥塑，个别大型造像是石胎泥塑，很容易在外力作用下产生破坏；另外造像和崖体结合紧密，无法剥离搬迁。当地的文物技术工作者对西崖文物搬迁提出来不同的意见，认为文物就地加固为上策。接受勘察设计任务的甘肃省建筑勘察设计院的技术人员在现场认真勘察后，也提出西崖可以加固，并且难度小于东崖。于是便在上述方案的基础上提出了将全部崖壁采用“锚杆挡墙、大柱支顶、化学灌浆粘结”进行加固的方案。

在方案设计中，甘肃省建筑勘察设计院将东西崖划分为10个工段，并且在此后两年的时间里，完成了全部工段的加固方案设计图和大部工段加固施工设计图。测绘队技术人员利用“因势转角投影法”进行测绘，绘制了精确度较高的麦积山石窟总体立面图和栈道分布图。

在前期进行的工程试验中，承担工程科研任务的甘肃省建筑科学研究所，成功的进行了锚杆锚固试验。受此启发，工程技术人员认为广泛应用于隧道等地下工程的“喷锚支护”也可以用于麦积山石窟的加固，因为挡墙的加固方法会改变山体外貌，且工程量巨大，还会对文物的原有环境造成不利影响。后组织各方人员到铁路、矿山等工程地点考察后形成共识：在麦积山加固工程中采用“喷锚支护”技术是完全可行的。

“喷锚支护”加固方案的优点是：第一，利用锚杆将危岩和钢筋网喷射混凝土层紧紧拉在基岩上，从而防止崖面继续风化剥落和危岩坍塌，达到加固崖壁的目的；第二，采用喷锚技术，辅以粘拖等措施，可以保持山体及洞窟外形；第三，喷锚混凝土牛腿、块体和悬梁，是修复栈道、廊柱和檐棚等较好措施，同时利用崖面锚杆可作脚手架的横向连接点简便牢靠；第四，可以节约大量原材料和劳动力，功效高，速度快，会显著降低工程造价。而采用挡墙柱方案进行加固，不但外貌改变太大，不符合文物保护原则，而且钢筋混凝土挡墙柱与砂砾岩山体之间由于物理力学性能及所处部位等差异，在外界温湿度及沉降变化等条件下，将会出现不协调形变，不但难以支承危岩，甚至会起相反作用。

“喷锚支护”方案由于技术及文物保护理念方面的优越性，在很大程度上超越了原有的“锚杆挡墙、大柱支顶”方案，很快得到国家文物局的批准。1977年初，甘肃省建筑五公司施工人员进驻现场，麦积山石窟维修加固工程正式开始施工。

虽然总体技术方案确定了，但是具体的技术措施却是在施工过程中逐步完善的。在施工的前期，技术人员就对预应力锚杆的应用产生了争议。后经反复讨论，逐步统一了认识：预应力锚杆的优点是主动受力，但麦积山岩体疏松，裂隙发达，且属超高空作业，技术条件不成熟，贸然应用风险太大；而非预应力锚杆虽是被动受力，但技术较成熟，施工较有把握，于是提出了取消预应力锚杆的建议。

1978年5月，甘肃省文化局将上述建议报国家文物局审批。在国家文物局组织的会议上，对具体技术的应用分歧依然很大。中国科学院地球物理研究所岩石力学专家陈宗基教授听取汇报后明确指出：加固麦积山唯一正确的办法是锚杆锚固和灌浆粘结；在基岩上开挖大梁洞反而有损于山体结构及其稳定性，因此不宜采取挑梁支托办法，对于危岩应采取打斜锚杆的办法加固。至此，麦积山石窟加固工程以非预应力锚杆为主的“喷锚支护”加固方案最终确定并按步进行施工。

加固工程从西崖开始，至1981年基本完工。之后将工程移至东崖，对所有危岩采取“捆吊、喷连、快锚”的办法进行加固施工。首先是对五工段（牛儿堂东侧）巨型危岩进行加固施工。这块危岩重580吨，加固施工时先按既定办法将危岩捆绑，再以若干长15米的斜锚杆和水平锚杆交错锚固危岩；之后对危岩内部两道裂隙进行灌浆粘结；最后在其下部崖壁凹进处制作大型喷锚混凝土牛腿承托。这块危岩的加固按照悬挂理论进行设计，仅锚杆即可达到巩固危岩之目的，再辅以灌浆粘结和牛腿承托，就更加牢固了。

1984年4月，麦积山石窟维修加固工程全面竣工。主要成果包括：喷护总面积9100平方米，其中打锚杆2300根，总进尺12500米；架设钢混结构新栈道1000米。同年7月，在天水召开工程鉴定及竣工验收会议。会议通过的《鉴定意见》写到：麦积山石窟维修加固工程“在总结了国内岩体加固经验的基础上，结合麦积山石窟岩体的特点和不改变原状的原则，成功地采用了‘喷、锚、粘、托综合加固技术，为保护石窟文物开创了一条新的途径。工程造价仅用305万元，经济效益显著。这样的采用先进技术综合治理石窟的成功实例，在国内外都是突出的。”1985年该工程荣获国家科技进步三等奖。

二、维修加固工程后期影响

从维修加固工程结束到现在已经有30余年。麦积山石窟每年接待50万以上的游客量，高峰时期单日曾突破2万人，期间还经历了2008年的汶川地震（麦积山处于7级烈度边缘），山体都安然无恙。工程在安全稳固性等方面是值得肯定的。

但是长期以来也存在着不同的声音，其一是山体的大面积喷护覆盖了一部分崖面遗迹；其二是山体大面积喷护影响了麦积山石窟原有的水环境，对洞窟内的文物造成了严重的影响。

对于山体的大面积喷护覆盖了一部分崖面遗迹，是确实存在的，这些主要是一些崖面分布的桩孔和残龛痕迹，都有重要的考古学价值，当时工程验收时就已经提出了这一点。敦煌莫高窟在上世纪五六十年代采取的大墙支顶的方法，也完全掩盖并改变了石窟原有的外貌。这都是由当时的保护理念，以及材料、技术等诸多因素影响下所做出的保护方案，有时代的局限性。何况麦积山维修加固工程是在唐山大地震的背景下进行的，采取“先救命，后治病”的保护措施，用现今的理念和工程技术去评价难免有失客观性。

关于山体表面喷护影响了原有的水环境，对麦积山洞窟文物造成很大影响的说法，是建立在对个别点位的观察，缺乏整体的调查、分析、研究基础。

麦积山石窟的渗水问题长期以来就一直存在，其对文物的影响和破坏与石窟的开凿是同步的。在维修加固工程之前的调查中，技术人员就已认识到这个问题，但由于当时的首要任务是确保洞窟文物的安全，限于工作条件等因素的制约，并没有对石窟渗水的来源、表现方式、渠道等进行认真的勘察。不过在工程期间，还是采取了一些措施来预防喷护工程对石窟水环境造成负面影响，比如在有渗水的位置放置了一些草绳，目的是使内部的水分能顺着草绳运移，当草绳糟朽后，这个位置就会自然留下一个水分通道。

加固工程之后，我们对当时埋设草绳的位置观察，多数没有出现水分运移的痕迹，这些位置都很干燥。这一点或许和加固工程有关系，但是更多的应该是水分运移的不规律性造成的。水分在山体内部的运移是复杂的、动态的，在一定情况下会发生改变，所以不能将某些洞窟环境改变的原因简单地归结为山体加固工程。

近期，我们对潮湿洞窟逐一进行了调查，重点是调查洞窟潮湿和崖面喷护工程之间的关系，确定这些洞窟是否受到加固工程的影响以及影响程度。通过调查，我们得出以下结论：

（一）崖面喷护对高层的大型洞窟不会产生任何影响

西崖有3个大型洞窟，分别是第127窟、133窟、135窟。这3个洞窟都位于高层，其附近的崖面进行了喷护。第127窟和133窟是单一的窟门，内部空间大，空气对流不顺畅，内部的湿度环境要明显大于其他洞窟。两窟开凿在山体软弱夹层的下方位置，整个软弱夹层的岩石含泥量高、质地松散、透水性强，是大气降雨的一个重要的运移通道。但由于水分在这个位置是水平运移，速度相当缓慢。从洞窟内部的剖面看，这个软弱层是呈3～5度的下倾斜角向山体内部倾斜，而两窟的潮湿位置都是在洞窟的后角位置，这个位置也是山体软弱层内部水分的出头点。在软弱层的前部位置，未见到潮湿痕迹。水分的下渗点和两窟之间的距离有二百米甚至更远的距离，只能是依靠软弱层的倾斜度从高点向低点缓慢地运移，逐步地影响两窟的潮湿度，这完全是一种水分在山体内部运移活动，和山体表面喷护没有关系。即使以后这些洞窟内的水环境发生变化，也要从山体内部水分运移道路寻找原因。另外中层的第78窟、80窟及下层的第52窟以及中区的第43窟都是类似的情况。

（二）崖面喷护对西崖中下层渗水洞窟有一定程度影响

西崖下层的一些潮湿洞窟都是属于浅龛性质，并且是开凿在蜂窝状的软弱层位置或附近。通过调查我们发现，同层位的相邻洞窟并没有潮湿或渗水现象，出现渗水的原因还是和岩石的软弱层紧密相关，当洞窟开凿在这个软弱层位置，就会出现渗水现象。而这种类别的浅龛外沿都是软弱层，在原来的状态下，会有一部分水分在洞窟的外侧露头并自然挥发，从而在一定程度上减弱对洞窟内部的影响；而崖面喷护阻挡了水分挥发，也就加重了水分对洞窟内部的影响。

通过对渗水洞窟的个案调查，我们可以确定，维修加固工程对目前存在的多数渗水洞窟是没有直接影响的，洞窟渗水，主要是由于山体本身的岩石裂隙、软弱层等造成的。加固工程真正对窟内相关的水环境造成影响的仅仅有几个洞窟，如第59窟、191窟、94窟、67窟、45窟等。而对窟内文物造成影响的，只有第59窟、94窟、67窟三个洞窟。

三、麦积山石窟渗水治理工程

由于麦积山石窟所处的地区多雨潮湿，再加上山体本身的地质构造等综合原因，大气降水通过各种渠道下渗，对洞窟和窟内文物产生严重的影响。一些洞窟在降雨后湿度急剧增大，造成壁面落沙，壁画大面积脱落或褪色；个别洞窟窟内文物不得不临时搬迁；一些洞窟因内部长期渗水，洞窟形制已完全被破坏。

1996年，《石窟文物保护技术措施综合研究——麦积山石窟渗水成因分析及治理方案》通过国家科学委员会立项。铁道部第一勘察设计院承担了此项课题的研究工作，研究人员通过对大气环境、水文、地质、地貌、植被等多方面综合研究，结合前期的资料，理清了降水的下渗途径和对洞窟的危害方式，在此基础上，提出了“窟外堵源截流，以堵为主，窟内以排为主，排堵结合”的治理方案，并通过了甘肃省文物局和国家文物局组织的专家论证。2001年5月渗水治理工程正式启动。

工程采取“先外后内，先上后下，先易后难，逐步实施”的原则进行施工。首先对围绕山体的6条贯通大裂隙（共探明有8条裂隙，但另外2条对洞窟不构成影响）用超细水泥浆进行注浆封堵，对山顶陡坡分布的微裂隙用水玻璃进行压力渗注。这样可以有效地阻止大气降水的下渗通道。其次是在受渗水影响的洞窟周围布置排水孔，深度直达山体内部的含水层，为水分提供一个顺畅的排泄渠道，最终达到渗水治理的目的。

工程从位于东崖后部的2号裂隙开始施工。先沿山体搭起了高达30米的工作架，将裂隙表层进行封堵后，从下至上开横穿裂隙的钻孔，再从位于西崖的泵站将水泥和粉煤灰（起缓凝和加快流速作用）的混合浆液加压泵入裂隙，在强大压力的作用下，浆液浆深入到细微裂隙之中，起到封堵水路的作用。

2号裂隙封堵完毕之后，又转移到位于东崖的3、4、5号裂隙，用同样的方法进行封堵。在高空作业时，还意外地发现4、5号裂隙在一定高度合并后又继续向上发展，同时在此高度又发现一条水平向的裂隙。甲乙双方对新发现的裂隙进行认定后，决定对其进行封堵。

前期的勘察和通水实验证明，3、4、5号裂隙对第57窟渗水点有直接影响。但是在7月初期封堵工作结束后，发现第57窟的渗水现象并没有明显的改善。针对这个情况，封堵完1、6号裂隙之后，根据上级的指示，工程暂时停工。

甘肃省文物局邀请各方专家召开论证会，对当前情况进行了讨论，认为前期制定的“彻底、全面地根治麦积山石窟的渗水现象”的目标，在当前的科技、经济、时间、具体地质情况下实现起来有很大困难，也是不现实的。于是将工程目标改变为“在有效范围内有效地缓解渗水对洞窟的影响”，将原来的“以堵为主，窟内以排为主，排堵结合”方案改变为“以排为主，排堵结合”方案，有针对性地调整和加密了排水孔，还在第127窟、133窟上方各打了具有通风性质的小孔洞。

9月初工程再次开始。先是在洞窟外侧相关位置打排水孔，当7号排水孔钻到一定深度后，山体内部的水如泉涌，顺直径8厘米的孔}同排了二十多分钟。由此推测，山体内部的多个位置存储有如此类型的空腔，成为水分存储的空间，对洞窟内部造成缓慢的长期影响。

排水孔全部打完后，我们对排水孔以及渗水洞窟进行了长期观测，发现第52窟、94窟等内外的渗水点或潮湿现象有一定的改善，渗水量或落沙量减少，第57窟渗水点的水量有一定的变化但不明显，说明排水孔对山体内部的水分有一定的疏导作用。但是多数}同窟的潮湿现象并没有得到显著改善。

2015年，麦积山渗水治理工程二期再次得到国家文物局的立项。此次工程加强了地貌、地质、水文等方面的前期调查，对崖壁渗水进行了详细勘察，采用无损及微损手段，对石窟渗水进行检测和监测；在洞窟顶部布置探孔，采用井下高密度、地球物理测井、建立水文监测系统等技术建立麦积山石窟水文地质模型。同时把对石窟水害的机理研究放在首位，在彻底查清病害成因的基础上，实施治理工程。

麦积山石窟渗水病害成因较为复杂，对渗水来源虽然有了基本的认识，但其渗流机理尚不十分明确，水的运移路径与方式也有待进一步探查（目前初步认为，水主要是从崖体西侧崩坡积缓坡和崖面面流，其次是通过各类裂隙，经不同方式运移至渗水石窟，但仍需勘探验证分析）。因此有必要设立专项科研课题，开展对麦积山岩体渗流场的调查分析与深入研究。

渗水是每个石窟普遍存在的现象，目前尚没有完全成功治理石窟水患的案例。需要文物保护单位和相关科研单位共同配合，长期进行关注研究，在前期调查、工程实施、后期监测等方面加大科技投入，不断地降低渗水对石窟文物的影响，最终达到彻底治理的目的。

（责任编辑：张双敏）