主要完成单位：云冈石窟研究院 中国文化遗产研究院 中铁西北科学研究院有限公司 陕西省文物保护研究院 中南大学

　　主要完成人：黄继忠 王金华 王逢睿 高峰 齐扬 刘绍军 方建生 周伟强 刘建辉

　　获奖等级：一等奖

　　本项目于2007 年由国家文物局组织策划，并于2009 年9 月由科技部批准列入“十一五”国家科技支撑计划正式启动，2012 年9 月通过科技部验收。本项目以云冈石窟为例，针对我国砂岩类石窟寺普遍存在的水的侵害、石窟岩体失稳、石雕风化以及表面污染等共性问题开展了综合研究，在石质文物保护中的无损（微损） 检测、水分来源探测及评估、岩体稳定性评估、危岩体加固治理、防风化加固材料及工艺、表面污染物清除等关键技术方面取得突破，建立了较为完善的石质文物保护技术体系与工作方法体系，形成了石质文物检测、监测、评估及重点病害治理的技术、材料和设备的创新性成果。

　　石质文物（包括石窟寺、石雕像、摩崖石刻和碑刻等形式） 在我国历史文化遗产中占有极其重要的地位，具有极高的历史、艺术和科学价值，所以石质文物的保护工作历来都受到各级政府和文物部门的高度重视。我国的石质文物以石窟类文物为主体，由于这类遗存体量大且具有不可移动性，多处于露天或半露天保存，普遍存在水患、赋存岩体失稳导致的结构损伤破坏、本体污染、石质文物表面风化等问题，且随着与周边环境不断地交互作用，文物劣化情况日益严重。石窟寺保护技术具有专业性、复杂性、综合性强的特点，几乎涉及文物保护技术的各个层面，仍有许多瓶颈问题和关键技术需要研究和攻关，石窟类文物的保护形势依然严峻。

　　一、项目主要研究内容

　　1. 建立石窟典型病害和保护效果评价的无损检测技术体系

　　在石窟风化病害的检测及评估技术、裂隙病害及裂隙灌浆加固效果检测技术、清洗效果检测评估技术等三个方面取得了系列研究成果。其中包括：适合从纵深、梯度对石质文物风化程度、深度等方面进行检测和评估的微损钻芯取样技术，可以半定量检测表层岩石元素成分的便携式X 射线荧光无损检测技术，适合定量评价风化病害的程度和风化深度的贯入阻力仪及抗钻系数Dr 试验统计分析模型；适合探测岩石空鼓的红外热成像技术，适合于定性探测、评估表层岩体微裂隙发育分布状况及危害程度的超声探伤检测技术，以及适合裂隙灌浆效果的探测与评估的红外热成像技术和超声波检测技术；可用于清洗效果检测评估的色差仪和三维形貌仪等技术的应用研究。通过该课题的研究，建立了石窟典型病害和保护效果评价的无损检测技术体系。

　　2. 研发石窟水分来源综合探查技术

　　在石窟水分来源综合探测方面取得了一系列成果，其中包括：应用六氟化硫(SF6)混合气体示踪探测方法对石窟围岩渗流通道进行探查；研发了文物保存环境无线远程控制除湿系统，为洞窟内石质文物保护工作的实施提供了网络化、智能化实时监控的自动除湿系统，从而为凝结水的治理工作提供了技术支撑；采用无线传感网络技术作为实时、动态信息采集的手段，结合太阳能技术等构建了石窟区的环境监测系统；采用氢氧同位素的探测分析技术证实了降雨在补给地下水之前经历了一定程度的蒸发作用引起了同位素的富集；揭示了降水、裂隙水、地下水水化学过程、水岩相互作用及石窟表面盐类结晶、析出特征；采用硫同位素测量探测技术，揭示了水运移过程中同位素的变化特征，说明了云冈石窟区硫的来源；构建了第一个石窟山体水汽环境监测体系，研究表明山体内部确实存在驱动空气流动的条件，说明石窟山体包气带相当于一个含有饱和水汽的空气储藏室，并与洞窟内部的空气存在交换现象。

　　3. 建立石窟稳定性分析评价系统

　　建立了较完善的石窟岩体稳定性分析评价系统，明确了石窟岩体稳定性评价分析的程序、步骤、内容、要求、方法、安全标准等。具体研究成果包括：对不同石窟岩体稳定性问题的内涵、概念进行了界定，归纳总结了石窟岩体稳定性问题的类型、破坏模式及变形特征，提出了石窟岩体稳定性评价标准和加固设计标准；根据石窟岩体结构特征，建立了洞窟蠕变本构模型，应用三维流变力学有限元分析方法，完成了第9、10 窟蠕变时效稳定性分析评估；建立了有限元模型，采用现场岩体温度监测数据反演的方法处理热学边界条件，较好的模拟了云冈石窟岩体在多场耦合作用下的劣化及破损机理。

　　4. 构建石窟危岩体治理关键技术体系

　　以石质文物保护需求为导向，从勘察、设计、施工、检测等技术环节入手，对石窟危岩体治理关键技术进行了适用性研究和改进并取得关键成果。通过试验监测评估了现有锚索在治理石窟岩体时应力扰动大小，进而提出预应力锚索治理石窟危岩体的适用性条件及参数选取原则；研发了适用不同类型石窟危岩体的新型锚杆结构；从材料与石窟岩体性状的匹配与兼容性出发，首次研发了适用于砂岩裂隙加固的无机矿物聚合物灌浆材料，该材料具有与石窟岩体力学性能相匹配、透水透气性好、热力学性能与岩体相兼容、收缩小、耐候性强等性能特征，可以满足施工时可灌性好、环境友好、工艺简单、成本低及适应性强等要求；研制了锚固施工粉尘监控新装置，完善了具有施工影响因素动态监控性能的石窟危岩体锚固施工工艺；采用锚固质量检测仪等技术，完成了锚固体质量和工作性能的无损检测，实现了锚固及灌浆质量的动态控制；以上关键技术体系对于提高岩体稳定性、保证石质文物安全具有重要意义，在石窟区文物保护工程施工中具有重要的应用价值。

　　5. 研究清除石质文物表面污垢的技术方法

　　明确了化学清洗、蒸汽清洗、微粒子喷射清洗、激光清洗等技术影响清洗效果的指标参数，全面梳理和总结了其技术特点及其适用性，并针对有害污物，建立起综合评估流程和处理方法，形成了我国石窟文物表面有害污染物清洗集成技术；建立了砂岩激光损伤理论模型和激光清洗理论模型，得到砂岩损伤阈值、清洗时使用能量上限和砂岩基底的损伤阈值；研发完成了具有自主知识产权的文物激光清洗设备,该设备具有在线监测和输出光斑跟踪两个专用功能，能量上稳定性、输出光束质量等主要指标达到国外同类产品水平。

　　6. 研发新型石质文物防风化材料及工艺

　　首次将数据挖掘中的决策树分类方法应用到石质文物风化影响因素研究中，并与风化影响因素非条件Logistic 模型相结合，进行拟合分析，得出了影响云冈石窟风化的关键因素是空气中SO2浓度、洞窟温差和PM10；研制成功疏水性纳米复合薄膜专用防风化材料；通过高能机械球磨结合超声分散的方法，制备了无机（TiO2 包覆SiO2 的复合纳米颗粒） -有机（含氟有机物） 杂化超疏水性薄膜；研发了以四甲氧基硅烷和甲基三甲氧基硅烷为基体，以甲基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯为补充，并添加少量的含氟有机物和纳米二氧化硅/石质石粉颗粒的有机-无机杂化防风化材料。

　　二、项目取得的重要创新

　　“石质文物保护关键技术研究”项目针对我国石窟寺保护面临的核心问题和涉及的关键技术、共性技术，在检测技术和装备、分析评估方法体系、加固与保护相关新技术、新材料、新装备等方面取得了系列创新性成果，获得了12 项专利授权，填补了我国在石质文物保护技术方面的空白，有力提升了我国石质文物保护水平。

　　1. 形成了系列分析评估方法体系

　　（1） 提出了石窟岩体破坏模式和石窟岩体稳定性评价的安全系数和评价标准；建立了评估对象、内容、方法、结论及预测为框架的石窟岩体稳定性评估系统。

　　（2） 首次针对以云冈石窟为代表的砂岩石窟，建立了一套“设计-施工-监测-检测全业务链条”的工程措施适用性评估体系。以云冈石窟危岩体病害的治理设计及治理施工为例，从应力匹配、材料兼容、轻振、微尘等多个角度，提出石窟危岩体病害的综合治理技术措施。

　　（3） 为控制和减小锚固成孔作业对石窟岩体的振动影响，达到“轻振”的精细化施工目的，首次系统评估了多种凿岩方法对砂岩石窟的振动范围。采用DASP-V10 系统全程监测，针对云冈石窟地层条件与当时施工条件，评估出低风压冲击－回旋钻进、凿岩机钻进、三牙轮钻进的安全影响范围比值为7：4：1。建议文物保护工程成孔作业应选用消耗功率较小的磨削破岩方式。

　　（4） 首次提出了污染物对文物艺术价值影响评估模式和方法及其评估程序，从表面污物对文物安全性和艺术价值的影响方面进行了分析研究。首次发现烟熏黑垢、墨汁和手摸油脂有一定的抵御酸性气体腐蚀的作用，能缓解砂岩的风化；而粉尘沉积等污染物对岩石有一定的破坏作用；对文物保护相关实践活动具有一定的指导意义和借鉴作用。

　　2. 形成了一系列新的监测、检测分析技术

　　（1） 首次以微损钻芯取样技术、高光谱及红外成像技术、现场原位荧光和实验室荧光的校准技术及现场原位近红外光谱结晶水分析技术等为依托，建立了以云冈石窟为例的石质文物表层风化病害及其加固效果无损（微损） 探测体系，实现了石质文物表层风化病害的定性或半定量无损（微损） 检测。

　　（2） 首次采用六氟化硫(SF6)混合气体进行了石窟岩体示踪试验，证明云冈石窟岩体水平孔和垂直孔之间存在渗透导通气体现象，同时也说明六氟化硫(SF6)混合气体试验适用于石窟围岩渗流通道的探查。

　　（3） 首次利用氢氧同位素的研究方法证实了云冈石窟区地下水来源为大气降水。首次采用硫同位素研究确定了云冈石窟区硫的来源，证明了石窟水分和盐分的运移密切相关，并且地下水中的可溶盐和石窟内丰富的次生盐类矿物为开展水化学和环境同位素研究创造了良好条件。

　　（4） 建立了由自动化气象站、覆盖层监测系统、石窟围岩监测系统（水平孔和垂直深孔） 和石窟内部环境监测系统组成的第一个石窟山体水汽循环监测体系。实践证明该系统应用于研究石窟岩体与外界水汽交换的监测和研究是可行的。监测结果表明：受大气压夏季低、冬季高的季节性波动影响，山体空气对流驱动力也存在夏季向上而冬季向下的季节性变化。

　　（5） 通过岩体表层温度梯度等监测，在石质文物领域首次建立了多场耦合模型并进行了数值分析，对岩石劣化机理作出评估。

　　（6） 首次运用空心包体应变计测量地应力的方法，针对云冈石窟危岩体实施试验、监测，并分析了锚固体系作用时附加应力对岩体扰动的范围与程度，提出了适用于石窟危岩体病害治理的新型锚固结构体系，提升了加固设计理念与方法。

　　3. 形成了新的加固、保护技术

　　（1） 在不同材质锚杆体的适用性研究的基础上，首次提出多重防护的低初始工作应力锚索。提出锚固体初始工作应力值的大小取决于石窟浅表层岩样在单轴压缩试验中由弹性变形阶段向塑性变形阶段过渡时对应的轴向应力值，并与反力装置的尺寸以及锚杆（索） 杆体材料的种类有关。

　　（2） 首次对化学清洗、蒸汽清洗、微粒子喷射清洗、激光清洗等技术从影响清洗效果的指标参数、清洗机理、清洗工艺及其对云冈石窟主要污染物清洗适用性等方面开展了研究，全面梳理和总结了其技术特点，建立了适用的清洗技术和流程工艺，建立了石窟表面有害污物清除的工程技术体系。

　　4. 研发了系列检测、保护新设备

　　（1） 研发了文物保存环境无线远程控制除湿系统，达到自动除湿的效果，为洞窟内石质文物保护工作的实施提供了网络化、智能化的实时监控装备。

　　（2） 研发了钻进除尘设备，应用于石窟岩体锚固工程成孔作业环节，粉尘收集率达到95%以上，达到“微尘”的文物保护与环保施工目标。

　　（3） 研发完成了具有自主知识产权的文物激光清洗设备。技术指标上，该成果具有在线监测和输出光斑跟踪两个专用功能，能量上稳定性、输出光束质量等主要指标达到国外同类产品水平。经济指标上，国内产品大大低于国外同类产品。

　　5. 研制形成了新的加固保护材料

　　（1） 研发出与砂岩石窟岩体性能相匹配的矿物聚合物灌浆材料。该材料具有与天然岩石相似的结构，热力学性能匹配，在15~60MPa 范围内强度可调，可与岩石等强度。收缩率小于0.2%，具有比天然岩石更好的耐环境侵蚀的耐久性。

　　（2） 研制了以四甲氧基硅烷和甲基三甲氧基硅烷为主要机体，以BYB1002 为辅助，以甲基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯为补充及甲基丙烯酸六氟丁酯和微纳米粉体作为添加材料的，综合防风化效果显著提高的有机-无机防风化加固材料。

　　（3） 研制了一种溶胶基有机-无机杂化防风化加固材料。色差变化值<5，粘度低(1.0×10-3Pa · s），在砂岩孔隙率为20Vol%条件下，有机-无机防风化杂化加固材料的垂直渗透深度超过40 毫米，加固材料在干燥过程中的开裂现象显著降低，所加固石质文物的耐酸和耐盐腐蚀能力显著提高。

　　三、项目研究成果推广应用情况

　　“石质文物保护关键技术研究”研究成果在我国石质文物保护中得到很好的转化利用，如：利用石窟岩体稳定性评价系统研究成果成功分析评估了云冈石窟五华洞区域石窟岩体的稳定性和龙门石窟奉先寺石窟岩体的稳定性，于2012、2014 年完成了加固设计措施，并运用石窟岩体新型锚固和注浆体系，于2014 年实施了云冈石窟五华洞石窟岩体的加固工程。利用清除石质文物表面污垢的技术方法成果，开展了广西花山岩画表面污垢的清洗预研究，提出了花山岩画表面污垢物清洗治理方案。利用石窟水分来源综合探查技术成果，开展了大足石刻宝顶山大佛湾渗水病害探查工作，取得了良好的效果，依此编制了水害治理方案并得以批准实施。其他研究成果也在石质文物保护实践中逐渐发挥作用。