中圖分類號：TU457；TU-87 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2025）04-0037-09

Stability evaluation and reinforcement scheme of dangerous rock mass in Shizhuan Mountain of Dazu Rock Carvings

ZHAO Gang'，LIU Dan2， JIANG Siwei'，MA Runjie？，PENG Liusheng1，TAO Zhigang2 （1.Academy ofDazu Rock Carvings，Chongqing 4O236o，P.R.China； 2. China University of Mining and Technology （Beijing），Beijing lOo83，P.R.China;3.PowerChina Beijing Enginering Corporation Limited，Beijing 100024， P.R.China）

Abstract： Due to the long-term action of natural forces，thecultural heritages of groto temples and rock carving areextremely vulnerable to tectonic stress，crack expansion，rainwater erosion，etc.，resulting in serious rock mass instability. Taking the Clif Statues of Shizhuan Mountain in Dazu Rock Carvings as an example，through field surveys and laboratory tests，the engineering geological conditions of the carving area and the macro mechanical properties of regional rock are obtained，and the stability of the dangerous rock mass under the two main failure modes of dumping and sliding are respectively evaluated by combining qualitative and quantitative methods，and reinforcement schemes are formulated.The calculation results show that the stability safety factors of dangerous rock masses of dumping and sliding are 1.39 and 1.2O respectively under the influence of seismic factors. Considering the particularity of preservation status of cultural relics and the tourist visit services in the grotto area，a comprehensive treatment of \"bolt reinforcement + stone masonry + crack grouting + old treatment\" is adopted.By monitoring the displacement and stress，the deformation of dangerous rock masses of dumping and slidingare controlled within the range of 3mm and 6mm afterreinforcement，which verifies the effectiveness of the reinforcement scheme and minimizes the major danger of Shizhuan Mountain clifstatues in time to ensure the safety of tourists and cultural relics.

Keywords：Dazu Rock Carvings；disease of dangerous rock mass； failure mode；stability evaluation; reinforcement scheme

大足石刻是重慶大足地區(qū)境內(nèi)所有石窟造像的總稱。始鑿于初唐，歷經(jīng)五代，鼎盛于兩宋，是中國洞窟藝術(shù)史上的最后一座豐碑，代表了公元9世紀(jì)至13世紀(jì)世界石窟藝術(shù)的最高水平，與敦煌、云岡、龍門等石窟一起，構(gòu)成了一部完整的中國石窟藝術(shù)史，1999年被聯(lián)合國教科文組織列入《世界遺產(chǎn)名錄》。作為大足石刻的重要組成部分，石篆山摩崖造像是中國少有的“三教合一\"造像區(qū)，對于深入研究儒、釋、道三教之間的相互交融關(guān)系及中國傳統(tǒng)文化的發(fā)展具有重要價值[。但是，歷經(jīng)千年的自然營力作用，石刻造像區(qū)出現(xiàn)巖體失穩(wěn)、滲漏水、表層劣化、微生物滋生等諸多病害，尤其是巖體失穩(wěn)最為嚴(yán)重，產(chǎn)生了很多卸荷裂隙、掏蝕懸空面、破碎巖體，岌岌可危，嚴(yán)重威脅游客及文物安全，影響石刻造像的長久保存2。因此，開展石篆山摩崖造像區(qū)危巖體病害特性研究，系統(tǒng)性評價危巖體的穩(wěn)定性，為工程勘察設(shè)計和施工提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

眾多學(xué)者圍繞石窟病害類型及形成機理進行了大量研究[3-5]。王旭東等[通過現(xiàn)場調(diào)查和測試分析相結(jié)合的方法對敦煌莫高窟進行研究，結(jié)果表明，破壞類型主要為風(fēng)化、危巖體、損害、脫落；蘭恒星等以危巖體病害為研究對象，分析了不同因素作用下石窟寺巖體的劣化機制與失穩(wěn)機理。危巖體病害屬于眾多病害中的一種常見病害，有必要開展石窟區(qū)危巖體的穩(wěn)定性評價。目前，針對危巖體的穩(wěn)定性評價方法主要包括現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)外試驗、數(shù)值模擬和理論計算[8-12]。姜云輝等[13]研發(fā)了石窟巖體穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，獲取了巖體表面變形、傾斜及表面溫度場分布等特性。Guo等4采用層次分析法和模糊層次分析法相結(jié)合的分析方法，探討了莫高窟巖壁內(nèi)潛在危巖體的穩(wěn)定性。Meng等[15]采用PFC軟件對元覺洞附近圍巖穩(wěn)定性進行了研究，并對比分析了數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果。但目前研究手段多以數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測為主，在考慮自然因素條件下對石窟危巖體的穩(wěn)定性理論評估研究鮮有報道。針對石窟區(qū)穩(wěn)定性評估后的欠穩(wěn)定性狀態(tài)，需制定有針對性的治理方案。危巖體的有效防護治理措施包括支撐、錨固、攔截、灌漿等[16-19]。由于石窟區(qū)危巖體需要考慮文物保護措施外觀與環(huán)境協(xié)調(diào)等特殊性因素的影響[20]，導(dǎo)致加固方案制定更復(fù)雜。針對馬蹄寺石窟群淺表部巖體開裂現(xiàn)象，喬榛等2用使用石墨烯納米片復(fù)合材料進行裂隙加固；裴強強等22采用微小型柔性錨桿抑制砂巖石窟平頂窟頂板變形。針對石窟巖體失穩(wěn)現(xiàn)象，不同學(xué)者提出了不同的加固方案[21-23]，由于目前世界文化遺產(chǎn)大足石刻面臨嚴(yán)重威脅，也有必要制定有針對性的加固方案，以有效排除危巖體存在的安全隱患，為人民生命安全提供保障。

筆者結(jié)合大足石刻石篆山摩崖造像工程案例，通過野外調(diào)查和室內(nèi)試驗手段，獲取石刻區(qū)的工程地質(zhì)條件及區(qū)域巖石的宏觀力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)石窟區(qū)的失穩(wěn)破壞模式主要為傾倒式破壞和滑移式破壞，結(jié)合定性和定量方法評價兩種破壞模式下危巖體的穩(wěn)定性，并分別制定相應(yīng)的搶險加固方案。

1 石刻區(qū)地層巖性特征

1. 1 區(qū)域地質(zhì)概況

石篆山石刻區(qū)地形為“坪狀”丘陵，區(qū)內(nèi)至高點海拔高度為 444.5m ，西南部及北部地勢陡峭，下切形成溝谷。石刻區(qū)主要由侏羅系中統(tǒng)遂寧組的紫紅色泥巖（Jsn）與紫灰、灰白色砂巖（Js）不等厚互層以及第四紀(jì)松散堆積物（Q）組成。山頂處以砂巖為主，地形坡度陡，約 60^°～80^° ；山體下部以泥巖為主，坡度變緩，山腳處坡度為 20^°～30^° ，如圖1所示。

石篆山石刻區(qū)出露地層總體特征主要包括構(gòu)造、巖層較為平緩，地層巖性單一等。石刻區(qū)地層十分平緩，近似平直，傾向為 15^°～25^° ，傾角為 3^°～ 10^° 。區(qū)內(nèi)巖體完整，砂巖體受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用，但未發(fā)生斷裂，主要以構(gòu)造裂隙發(fā)育為主。同時，由于互層裂隙與構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙的互相分割和侵蝕，被切割成塊狀的巨大巖體形成不同破壞模式的危巖體，并構(gòu)成區(qū)域內(nèi)的滲透裂隙網(wǎng)絡(luò)，是地下水滲人的最主要通道和貯存空間。圖2為構(gòu)造裂隙走向玫瑰花示意圖。

1.2 巖石力學(xué)特性調(diào)查

石刻區(qū)砂巖和泥巖的巖石物理力學(xué)指標(biāo)見表1，其砂巖和泥巖的天然單軸抗壓強度分別為62.01、15.10MPa，泥巖強度明顯小于砂巖。砂巖的飽和單軸抗壓強度為 35.49MPa ，軟化系數(shù)為0.57，屬于軟化巖石。泥巖遇水崩解，測試飽和單軸抗壓強度極為困難。

世界文化遺產(chǎn)大足石刻石篆山摩崖造像文物具有重要價值，而危巖體直接威脅文物安全，影響其完整性，故有必要對危巖體進行穩(wěn)定性評價與加固，有效排除危巖體存在的安全隱患。石篆山危巖體研究的必要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：危巖體穩(wěn)定性分析按常規(guī)破壞模式公式無法計算，需根據(jù)巖體具體形態(tài)與失穩(wěn)方式，并結(jié)合極限平衡原理、推導(dǎo)公式進行計算；加固措施考慮文物最小干預(yù)、外觀的要求，采用與文物所處環(huán)境協(xié)調(diào)、擾動小的加固方法，且在加固后對加固效果進行實時監(jiān)測。

2危巖體病害定性分析

環(huán)境地質(zhì)病害主要以危巖體病害為主，其破壞機理受多方面因素作用。研究發(fā)現(xiàn)，以危巖整體形貌、發(fā)育程度及基底和底界層分布等特點，可以將區(qū)內(nèi)危巖體的失穩(wěn)破壞方式歸納為3種基本類型：墜落式、傾倒式和滑移式，示意圖如圖3所示。石篆山石刻區(qū)危巖體為受裂隙切割、差異風(fēng)化形成的孤立巨塊石，其可能破壞模式有2類。第1類危巖體以塊石底部風(fēng)化凹槽最深處為支點，向臨空方向發(fā)生拉裂傾倒破壞，屬于傾倒式破壞類型，編號為R1危巖體。第2類危巖體發(fā)生單滑面滑動破壞，屬于滑移式破壞類型，編號為R2危巖體。

R1危巖體高 9m ，位于長廊以西 5.6m 處，底部掏空，形成寬 8.3m. 深 5m 高 3.5m 的凹槽，見圖4。后緣受裂隙切割，切割面產(chǎn)狀 290^°∠65^° ，裂隙寬20cm ，與后側(cè)砂巖完全脫離。該危巖體的形成原因主要是巖體下部為薄層狀泥巖，在差異風(fēng)化作用下，巖體層狀脫落，下部形成空腔，造成巖體應(yīng)力重分布，在巖體后部形成卸荷裂隙。

R2危巖體位于R1危巖體以西，呈孤石狀，其后緣受裂隙切割，與第3、4號龕巖體脫離，第5號龕文殊普賢龕賦存在這塊孤石中（圖5（a））。該裂隙走向為 306^° ，隙面近直立，隙寬達 40cm （圖5（b））。該危巖體受裂隙切割，形成上大下小剖面呈倒梯形的孤立危巖體，其西北面受裂隙切割，與山體分離，東南面臨空。該危巖體整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，目前靠底部某孤立塊石支撐維持穩(wěn)定。該危巖體頂部為厚 1m ，長 5.6m ，寬 3.8m ，傾角為 28^° 的砂巖頂板，該砂巖存在下滑的危險。

3 危巖體病害定量分析

3.1傾倒式危巖體穩(wěn)定安全系數(shù)量化評價

根據(jù)重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》（DB55029—2004），考慮文物的價值和不可再生的特殊性，石篆山保護區(qū)危巖體的防治安全等級設(shè)定為一級，地震力作用設(shè)為6度，水平地震影響系數(shù)為 α_h=0.05 。第1類和第2類危巖體穩(wěn)定安全系數(shù)最小分別為1.50、1.40。

R1危巖體破壞方式是以 O 為支點、 I 為破壞面發(fā)生傾倒破壞（圖6），分考慮和不考慮地震力作用兩種情況進行穩(wěn)定性計算。針對第一種情況，砂巖的抗拉強度取 175kPa ，采用式（1）計算穩(wěn)定安全系數(shù)。

式中： L₁ 和 L₂ 分別為不考慮地震作用下右側(cè)和左側(cè)力臂； L₃ 為裂隙靜水壓力對 O 點的力臂； F_s 為破壞面I上巖石的抗拉力對支點 O 的力矩，取 18156kN?m G₁ 和 G₂ 分別為在支點 o 右側(cè)和左側(cè)的危巖體重力，可由式（2）求得。

G=γ×A×B

式中： γ 為危巖體的重度，取 24kN/m³;A 為危巖體在平行于剖面方向上的長度； B 為危巖體在垂直于剖面方向上的寬度。 V 為后緣裂隙靜水壓力，充水高度取 1/3 裂隙高度，其計算式為

式中： h 為裂隙充水高度； γ_w 為水的重度。

針對第2種情況，穩(wěn)定安全系數(shù)計算式為 4）其中地震作用力的表達式為

F_h=α_h×G

式中： L_h1，L_h2 分別為考慮地震作用下右側(cè)和左側(cè)力臂； F_h1，F(xiàn)_h2 分別為在支點 O 右側(cè)和左側(cè)的地震作用力。R1危巖體穩(wěn)定安全系數(shù)計算相關(guān)參數(shù)見表2。

根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不受地震影響的條件下，R1危巖體基本保持穩(wěn)定；如果考慮地震作用，則處于失穩(wěn)狀態(tài)，應(yīng)及時進行加固處理。

3.2滑移式危巖體穩(wěn)定安全系數(shù)量化評價

R2危巖體可能的破壞方式為危巖體頂部砂巖頂板單滑面滑移破壞和整個孤石傾倒破壞，見圖7。

1）砂巖頂板穩(wěn)定計算

按單面滑動破壞方式進行計算，不考慮地震力作用影響，按式（2）得到危巖體頂板重力 G₃ 為510.72kN ，穩(wěn)定安全系數(shù)可由式（6）計算得到。

式中： W， 為抗滑力； W_s 為滑動力； α 為危巖體滑面與水平方向形成的夾角； c，? 分別為危巖體破壞面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，此處破壞面為泥巖，故分別取10kPa，23^° 。 s 為危巖體潛在破壞面的粘著部分面積，其折減系數(shù)取0.6，即實際面積 S 為 12.77m² 。R2危巖體穩(wěn)定安全系數(shù)計算相關(guān)參數(shù)見表3。

考慮地震力作用的影響，按式（5）得到水平地震力 Q 為 25.54kN ，其穩(wěn)定安全系數(shù)計算式為

計算結(jié)果表明，在考慮地震影響因素的條件下，危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)僅1.20，接近極限平衡狀

態(tài)，應(yīng)及時采取措施進行加固處理。

2）整個孤石穩(wěn)定評價

整個孤石重心基本位于底部基座的中點處，孤石自重不產(chǎn)生偏心力矩，因此，在保證基座巖體不繼續(xù)侵蝕和無地震力作用的情況下不會發(fā)生整體傾覆。

4危巖體搶險加固方案

4.1 R1危巖體加固方案

R1危巖體最可能的破壞模式為傾倒破壞，因此設(shè)計加固措施主要為：1）危巖體下方懸空處采用條石砌體、中小錨桿加固；2）采用錨桿，穿過卸荷裂隙，將危巖體和后部完整山體連接，提高危巖體抗傾覆安全系數(shù)；3）對裂隙進行灌漿粘結(jié)加固，防止裂隙裸露的巖體風(fēng)化，增強危巖體的整體性。于2017年采用該方案進行加固，圖8為R1危巖體加固施工前后對比圖。

1）錨桿加固設(shè)計

設(shè)置反向錨桿加固后，需考慮錨固作用的影響，計算簡圖如圖9所示，當(dāng)抗傾倒穩(wěn)定系數(shù)為

1.5時，按式（8）計算得到總錨固力 F_a1 為 1816kN 。

式中： L_a 為錨固力對 O 點的力臂，取 6m;F_a 為錨桿總錨固力，單根錨桿所受軸向拉力設(shè)計值為454kN ，其表達式為

式中： n 為錨桿數(shù)量，取4根。

設(shè)計的錨桿采用優(yōu)質(zhì)PSB1080型螺紋鋼，其抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)為 1080MPa 。按照《巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》（CECS22：2005）的規(guī)定，不能低于該規(guī)范[ 757mm² ），其計算式為

式中： f_yk 為錨桿抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)，取 1 080MPa;K_t 為錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)，永久性錨桿取1.8。因此，錨桿選用 φ32mm（A_s=804.2mm²） 的PSB1080級精軋螺紋鋼筋。錨桿錨固段長度可按式（11）、式（12）估算，并取其中的較大值。

式中： K_p 為錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù)，取 為錨固段注漿材料與地層之間的粘合強度標(biāo)準(zhǔn)值，地層為較硬巖石時，粘結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值取 1200kPa f_ms 為錨固段注漿體與筋體間的粘結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)錨桿采用帶螺紋的鋼筋時，粘結(jié)強度設(shè)計值取2400kPa;ξ 為界面的粘結(jié)強度降低系數(shù)，鋼筋或鋼絞線不少于2根時，取 1.0：ψ 為錨固長度對粘結(jié)強度的影響系數(shù)，取 1.0;D 代表錨固體的直徑，取110mm ; d 為鋼筋直徑，取 32mm;n₁ 為鋼筋數(shù)量，取1。因此，錨桿錨固段長度應(yīng)大于 3.8m ?？紤]到錨桿需穿過危巖后部的卸荷裂隙，錨桿桿體材料需選用

PSB1080級精軋螺紋鋼筋，包括4根 12m 的 φ32 錨桿、3根 7m 的 φ25 錨桿和2根 9m 的 φ25 錨桿。

2）裂隙灌漿封閉

首先將危巖體后部卸荷裂隙清理干凈，采用砂漿封閉表面，封閉表面略低于巖土表面，以便灌漿完畢后在封閉砂槳面上進行做舊處理，內(nèi)部灌漿采用水泥漿液。

4.2 R2危巖體加固方案

R2危巖體的加固措施主要采用錨桿加固砂巖頂板和局部脫離的巖塊，加固后的裂隙進行灌漿封閉。圖10為R2危巖體加固施工前后對比圖。

1）砂巖頂板加固計算

考慮錨固作用，計算簡圖如圖11所示，當(dāng)危巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)，即 K=1.3 時，按式（13）計算得到總錨固力為 496kN ，單根錨桿軸向拉力設(shè)計值為124kN ○

設(shè)計錨桿選用PSB1080級精軋螺紋鋼筋，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為 1080MPa 。根據(jù)《巖王錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》（CECS22：2005），錨桿截面面積應(yīng)不小于207mm² 。為增強抗剪性，錨桿選用 φ32mm 的PSB1080級精軋螺紋鋼筋。錨桿錨固段長度按式（11）式（12）估算，取較大值 1.1m 。頂板布置錨桿2根，桿體材料為 φ32mm 的PSB1080級精軋螺紋鋼筋，長度為 12m 。同時，在滑面位置，設(shè)置長度為2m，φ150mm 的抗剪鋼管，內(nèi)灌水泥砂漿。

2）整個孤石加固

考慮地震作用下孤石可能發(fā)生傾覆，采用錨桿將整個孤石與后部穩(wěn)定巖體相連接。穩(wěn)定安全系數(shù)取1.5，按式（5）計算水平地震力為 165kN ，總錨固力計算式為

通過計算錨桿截面積與錨固長度，設(shè)計采用2根長度為 12m 的錨桿，桿體為 φ32mm 的PSB1080級精軋螺紋鋼筋，進入后部巖體錨固長度不小于5m。

4.3應(yīng)力-位移監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)病害監(jiān)測危巖體的位移和應(yīng)力，首先選取1個光纖光柵單點位移計安裝在現(xiàn)場已發(fā)生較大面積位移的區(qū)域，用于對位移趨勢的判定；隨后選取1個光纖光柵錨桿應(yīng)力計安裝在現(xiàn)場受力較大的監(jiān)測點，見圖9、圖11，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析應(yīng)力對巖體位移和裂縫的影響。

監(jiān)測得到錨桿應(yīng)力隨時間的變化曲線如圖12所示。由圖12（a）可以看出，隨著時間的推進，R1危巖體位移逐漸增大，錨桿應(yīng)力突跳現(xiàn)象較明顯，并與位移存在一定的相關(guān)性，2020年8月中旬時應(yīng)力從 1.9MPa 增加到 4.4MPa ，位移從- -0.2mm 增加到 1mm 。位移在5月前較穩(wěn)定，5月到8月發(fā)生4次波動變化，變化幅度在 0.5～1.0mm 之間，8月底突然增大到 2.5mm 并保持恒定。由圖12（b）可以看出，R2危巖體位移逐漸減小，錨桿應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力與位移呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性，8月底時應(yīng)力突增，位移也出現(xiàn)明顯減小的趨勢。危巖體存在下滑的趨勢。位移在5月前較穩(wěn)定，5月到8月發(fā)生4次波動變化，變化幅度在 2～3mm 之間，8月底突然增大到 4mm 并保持恒定。

加固后的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，危巖體位移主要受降水和下部泥巖蠕變影響，降雨前后巖土體重度發(fā)生變化，從而數(shù)據(jù)發(fā)生波動，下部泥巖在重力作用下發(fā)生蠕變，引起錨桿應(yīng)力增大，但從長期角度，變形趨于穩(wěn)定，加固后的危巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5結(jié)論

以大足石刻石篆山摩崖造像搶險加固工程為研究背景，通過野外調(diào)查和室內(nèi)試驗手段，獲取石刻區(qū)的工程地質(zhì)條件及區(qū)域巖石的宏觀力學(xué)特性，以傾倒式和滑移式危巖體為例，進行穩(wěn)定性評價和搶險加固方案設(shè)計，主要結(jié)論如下：

1）依據(jù)危巖體失穩(wěn)破壞模式的分類原理，確定了石窟區(qū)的失穩(wěn)破壞模式主要為傾倒式破壞和滑移式破壞，并探討了兩種破壞模式下代表性危巖體（R1、R2）的病害特性，發(fā)現(xiàn)巖體穩(wěn)定性較弱。

2）在滿足文物保護的前提下，進一步量化評價石窟區(qū)危巖體的穩(wěn)定性，在考慮地震因素影響條件下，R1、R2危巖體的穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.39和1.20，均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，須及時采取加固處理措施。

3）根據(jù)危巖體穩(wěn)定評估結(jié)果，考慮石窟區(qū)文物保護措施外觀與環(huán)境協(xié)調(diào)的特殊性，針對兩種危巖體制定了“錨桿加固 + 條石砌筑 + 裂隙灌漿 + 做舊處理”綜合性加固措施。位移和應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，通過綜合性加固措施，兩種危巖體變形量控制在 3～6mm 范圍內(nèi)。

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（編輯胡玲）