《中国文化遗产》2018年第4期

石质文物保护工程勘察技术发展现状及趋势

李宏松

摘要：石质文物勘察技术是伴随着石质文物保护工程发展应运而生的。由于不可移动石质文物保护对象的不可再生性，工程尺度与一般建设工程、岩土工程和地质工程存在差别，一般的岩土工程勘察工作往往无法完全满足文物保护工程设计精度要求，因此，根据专业技术要求完成专业勘察工作，应是石质文物保护工程的必然要求。经过半个多世纪的努力，目前石质文物勘察技术体系已基本构建，但勘察工作与设计任务严重脱节的问题需要引起重视。应在文物保护工程勘察工作中针对不同的工作对象，制订研究方案，拓展勘察技术方法。未来不可移动石质文物勘察技术发展方向，将体现文物保护工程的专业化和行业特点，还需要针对对象、环境开展理论、技术、操作等各层面的适用性应用研究工作。

关键词：石质文物；保护工程；勘察技术；测绘技术；勘察规范；技术标准

石质文物保护工程勘察技术是伴随着石质文物保护工程发展应运而生的。该项技术从1950年代开始起步，到今天已经走过了半个多世纪的历程，目前技术体系已基本构建，技术规范已经颁布。因此适时总结技术发展现状及发展趋势是极为必要的。

1. 勘察技术发展现状

勘察是为工程设计服务的重要技术工作，所以勘察技术的发展和应用与工程地质学紧密相关。追溯我国石质文物保护工程勘察技术的发展历程，必然要从工程地质学在石质文物保护领域应用的发端谈起。

我国石质文物保护中的工程地质学研究始于1950年代末，当时文化部曾先后组织北京地质学院（现中国地质大学）苏良赫、王大纯教授为首的专家组对敦煌莫高窟、云冈石窟、龙门石窟进行了以保护为目的的地质、水文地质及工程地质调查，从而拉开了我国石质文物保护工程地质学研究的序幕（图01）。从此文物界以黄克忠先生为代表的科技人员开始了与工程地质领域广大科研人员的合作，他们对不同类型的石质文物开展了多方向的研究，从1980年代末开始，逐渐建立了石质文物保护领域工程地质学研究的框架体系，这期间以中国地质大学（武汉）潘别桐教授为代表的一批教学和科研人员对石质文物保护中的工程地质学调查和分析方法进行了卓有成效的工作，主要体现在工程地质学方法、实验和测试方法、计算方法及数值模拟方法的应用等方面。

图01/1961年云冈石窟调查。前排左起：贾瑞广、王玉如、员海瑞；后排左起：王大纯、苏良赫、姜佩文、杨烈。

1.1. 石质文物测绘技术的发展与专业化进程

1980年代以前，我国石质文物测绘技术主要依托于传统的考古测绘和古建筑测绘方法。由于石质文物造型复杂，所以当时的测绘成果往往精度较低，无法真实、完整地再现文物复杂的形貌，如石窟造像的平、立、剖面。

1985－1988年，中国文化遗产研究院（原中国文物研究所）与原建设部综合勘察设计研究院共同承担的“近景摄影在石窟测绘中的应用研究”课题，成功为我国石质文物测绘开辟了一条新路，填补了国内文物测绘技术的空白，1990年荣获国家科技进步三等奖。该项技术的研发与应用，使我国石质文物测绘技术进入了新的阶段。此后，利用该项技术先后完成了云冈石窟第12、13、16、18、19、20号窟等共13个洞窟立壁面图和部分造像的等值线图；大足石刻宝顶山和北山23窟摩崖造像的测绘；并推广应用在洛阳龙门石窟（图02），邯郸南响堂石窟、北响堂石窟，左江花山岩画等多处重要的石质文物保护单位，为文化遗产的可持续保护提供了重要的图纸资料，也促使石质文物测绘方法日趋专业化。

图02/1986年采用近景摄影测量龙门石窟奉先寺

1990年代，随着三维激光扫描技术和航空摄影测量技术的迅速发展，石质文物保护领域也开始研究如何将新技术应用于保护工程中，从而促使石质文物保护测绘技术发展又上了一个新台阶，产生了一批代表性成果，如中国文化遗产研究院与大足石刻研究院开展的大足石刻大佛湾文物三维扫描及保护应用（图03）。今天石质文物测绘技术已逐步形成了集传统工程测量、近景摄影测量、航空摄影测量、三维激光扫描技术和GIS（地理信息系统）为一体的专业技术体系。

1.2. 工程地质学方法的应用与实践

工程地质学方法主要目的是运用地质学理论，查明工程地质条件和不良地质现象的空间分布，分析研究其产生过程和发展趋势，并进行定性判断。它是工程地质研究的基本方法，也是其他研究方法的基础。对于赋存于地质体内的石质文物而言，其产生的病害与原生和次生的地质构造有着必然的关系，只有摸清了这些地质条件，才能有的放矢地制定保护方案，从而有效地抑制病害的发展。

大量的实践经验表明，对于岩体裂隙网络的调查和分析是研究石质文物病害机理的关键，其中最成功的一例是重庆市大足北山摩崖造像136窟渗水病害治理工程的前期勘察项目。1989年，中国地质大学（武汉）水文地质及工程地质系针对重庆市大足北山摩崖造像群渗漏问题，在北山区域进行了详细的工程地质调查，其中地质构造作为本次调查的重点内容，在调查中结合自然电位法勘测，项目组对石刻区内13条导水构造裂隙的发育程度、延伸方向及空间构架进行了系统研究，为后来排水隧洞治水工程设计方案提供了科学依据（图04）。该工程自1991年实施后至今效果良好，基本上解决了北山136窟窟内渗漏问题。

图03/大足石刻宝顶山圆觉洞威德自在菩萨像三维正射影像图

图04/大足北山摩崖石刻排水隧洞

1.3. 原位测试和无损检测技术的研究与应用

工程地质实验和测试方法，包括岩、土体特性参数的测定实验、地应力量级和方向的测试，以及对地质作用随时间延续而发展的监测。而对于文物保护工程进行的前期勘察而言，由于勘察对象为文物主体，在文物区内进行取样工作，其数量是受到严格控制的，并且对文物主体的影响程度必须要求降至最低程度。同时在一些特殊的情况下，如对岩石表面风化层而言，由于其结构疏松和表面性状各异，在某些情况下无法提取完整的、能概括其整个风化过程及风化全貌的样品，因此，这就要求我们通过更多原位测试手段和无损、微损检测技术来完成岩土体工程性能指标的测试。因此在文物区内通过原位测试技术获取岩土的性状指标是石质文物保护工程勘察阶段重要的技术手段，目的在于在原有地层结构不受扰动的情况下，尽可能地获取岩土的物理力学指标，以保证后期计算评价过程中结论的真实性；同时，在检测对象岩土体和石材表面及内部结构不产生性能损伤的前提下，探测其内部及表面各种宏观、微观缺陷及材料工程性能指标。

对于建筑场地勘察而言，工程实践中我们按照《岩土工程勘察规范》的要求，一般采用常规性的原位测试技术即可达到工作目标，如建筑场地勘察中的静力触探技术、标准贯入技术等。

但是除了场地条件外，作为既有建筑及构筑物，文物结构和材料损伤也是勘察工作的重要内容。通过多年研究，根据文物工程的特殊性，结合国际石质文物保护的勘察经验，我国技术人员对一些无损测试技术进行了尝试，如运用多种物探方法对乐山大佛的探测工作，基本探明了大佛内部的结构及保存情况，为（病害）治理工程设计提供了依据（图05）。尤其是对非常规的无损检测技术进行了规范化研究，如表面回弹锤击测试、表面吸水性能测试等，这些研究成果已吸纳进2016年颁布的《石质文物保护工程勘察规范》（WW/T0063－2015）中（图06）；同时，为了满足保护工程的需要，部分学者还开展了一些测试技术的研发，如黄克忠与钟世航先生领导的科研团队共同研发的电法微测深仪（图07），解决了岩石表层风化深度的探测问题，并在云冈石窟等保护工程中得到了成功应用。

图05/乐山大佛头部（无损）探测

图06/2016版《石质文物保护工程勘察规范》

图07/C-1型微测深仪电极系

1.4. 计算方法和数值模拟方法在石质文物结构安全性评价中的应用

这方面的应用实例很多，如1990年代运用离散单元法对河南洛阳龙门石窟边坡岩体进行的动力稳定性分析，运用二维有限元法对河南巩县石窟、广西左江花山岩画、河北邯郸北响堂山石窟、重庆大足宝顶山摩崖造像等多处石质文物保护单位进行的边坡及洞窟稳定性分析。目前随着计算机技术的发展，数值计算方法也已广泛地运用于各类石质文物结构稳定性和安全性评价中，如1996年陕西省文物局与德国巴伐利州合作保护彬县大佛，采用三维空间数值计算方法对主佛的稳定性进行的计算分析；2003年原总装备部特种工程研究院和中国矿业大学（北京）运用三维有限差分计算软件FLAC 3D对吉林集安将军坟及国内城城墙等石质文物开展的数值模拟计算分析（图08）；中国矿业大学（北京）采用数值模拟计算方法对浙江义乌古月桥开展的结构安全性分析（图09）；中国文化遗产研究院与原总装备部特种工程研究院采用ANSYS软件开展的北京西黄寺清净化城塔抗震稳定性评价（图10）；中国地质大学（武汉）开展的陕西顺陵石刻结构稳定性分析（图11）。

图08/集安将军坟在固结压密局部积水条件下的最大主应力数值模拟图

图09/义乌古月桥石材不均匀风化与横锁石折断共同作用下结构竖向位移图

图10/北京西黄寺清净化城塔多遇地震结构竖向应力分布图

图11/陕西顺陵石刻裂隙破坏产生的附加变形图

2. 目前工程勘察实践中存在的问题

开展勘察工作目的是为保护工程设计提供建议和依据，所采取的技术路线和具体技术方法选择也应紧密围绕这一中心点。但目前许多勘察工作所产生的成果，往往无法为设计提供科学的依据，或者勘察做了很多检测工作，提供了许多数据，但设计过程却很少使用这些数据。所以，无论从科学角度，还是经济角度，这种勘察工作与设计任务严重脱节的问题必须引起重视。在实际工作中这一问题具体表现为以下两个方面。

2.1. 勘察工作针对性差

由于我们面对的每个项目因保护对象、保护工程目的不同，勘察的主要工作内容、技术路线和技术方法都应不尽相同，各有侧重。但是，目前文物保护领域有一个不好的风气，就是科学工作八股化，不注重个案特性，习惯于套模板。这一风气对石质文物勘察工作也有一定影响，表现为工作中无视保护对象、保护工程目的的差异性，习惯于野外工作盲目套用规范，内业工作及勘察报告套用固定格式，等等。

2.2. 勘察工作深度不够

如前所述，勘察工作是为设计任务服务的，但目前由于许多勘察工作过于肤浅，要么文不对题，要么浅尝辄止，仅停留在破坏现象描述阶段，缺乏对破坏原因系统的分析和研究，所以往往无法为设计提供足够的技术支持。

3. 文物保护工程勘察工作的行业特殊性

要分析文物保护工程勘察工作的特殊性，必须从文物保护工程特点入手。笔者认为，文物保护工程与一般建设工程相比，有以下三个特点是不同的，也应引起足够重视。

3.1. 保护对象的不可再生性

首先我们必须认识到文物作为文物保护工程的实施对象和主体，是不可再生的。在工程中如果产生任何对文物有破坏或损伤的行为，其结果在绝大多数情况下，往往是不可逆或很难修复的。文物一旦消亡，将不可能再恢复原状。

3.2. 工程对象的既有性

与一般建设工程相比，文物保护工程最大的特点和区别是我们所面对的工程对象不是简单的自然场地条件，而是已经前人改造和建设后的既有场地、既有洞室和既有结构，这种既有性决定了我们在勘察、设计和工程中不能套用、也无法完全套用现有的技术方法，必须加强研究，有针对性地开展工作。

3.3. 工程尺度的差异性

文物保护工程尺度决定了其勘察工作精度需远高于普通建设工程勘察。

与水利水电、铁路交通、冶金矿产等国民经济建设主要行业的工程项目相比，一般的文物保护工程无论是工程的空间尺度，还是工程规模都要小得多。如最小的单体碑刻、石刻的体量有的甚至小于10立方米，这种工程尺度上的差异性必然决定了勘察工作精度的差异性。如工程地质学传统意义上的风化带及风化深度，小则几十厘米，大则几米，几十米，甚至上百米，而作为石质建筑物、构筑物或艺术品上关系到岩石材料工程性能的有关风化和劣化问题，其研究深度大多在几厘米左右，如重庆大足宝顶山摩崖造像岩体表层风化深度在2～4厘米之间（图12），而山西大同云冈石窟岩体表层最大风化深度也仅在3.8厘米左右。我们知道，多数的石刻艺术造型都雕凿于岩石材料的表层，而岩石材料劣化的开端也多发生于此，所以对于其他行业工程勘察中往往忽略的岩石表层缺陷、各类劣化特征以及微环境变化对岩石表层的影响，就必须纳入到石质文物保护工程勘察的工作内容中。

图12/大足宝顶山摩崖造像岩体表层电法微测深曲线

3.4. 工程技术措施的非标准化

由于以上三个特点，自然决定了文物保护工程不可能完全套用标准化技术措施和管理模式。而且在工程实施过程中还涉及传统工艺的应用，这些都会影响文物保护工程技术的可行性和可靠性。

综上所述，从文物保护特殊性分析，如果我们无视以上特点，文物保护工程中僵化地套用一般建设工程程序和标准技术措施，将有可能使保护工程变成破坏行为，其后果不堪设想。而勘察工作作为工程设计和实施的依据，也必须遵循以上规律，不能盲目地套用一般建设工程的勘察规范和标准，应在勘察工作中针对不同的工作对象，制订研究方案，拓展勘察技术方法。

4. 未来技术发展方向与展望

未来不可移动石质文物勘察技术发展方向必将体现在专业化和行业特点上，具体表现在以下三个方面。

4.1. 原位测试、无损及微损检测技术的研发

如前所述，由于文物的不可再生性，所以文物保护工程勘察过程必须将工作中对文物本体及环境可能造成的不利影响降至最低程度。因此，在文物保护勘察工作中，一般岩土工程及地质工程的勘探手段往往无法满足文物保护工程勘察的需求，而取样数量也受到严格控制。鉴于以上情况，针对文物保护工程勘察特点，开展原位测试和无损及微损检测技术的研发，必将成为文物保护工程勘察技术未来重要的研究方向，如中国文化遗产研究院与北京骄鹏工程技术有限责任公司在C-1型微测深仪基础上改进研发的新一代电法微测深仪及电极系（图13）。

图13/C-1新一代微电极系室内物理模型试验

4.2. 定量分析及评价方法的研究

如前所述，文物保护工程尺度决定了勘察工作精度需远高于普通岩土工程及其他建设工程勘察，所以岩土工程等现有的评价分析方法往往也无法满足文物保护工程设计需求。因此，针对文物保护工程勘察特点，开展专项定量分析及评价方法研究，也是文物保护工程勘察技术未来重要的研究方向，如危岩体破坏机制及稳定性评价计算方法标准化研究、结构稳定性数值评价方法研究、渗流场及渗流途径定量分析方法研究、表层劣化定量评价方法研究等。

4.3. 监测方法研究

由于文物保护是一项长期、持续性的工作，所以监测工作在文物保护工程中占有极其重要的位置，它不仅可检验工程效果、为下阶段保护工程实施提供依据，而且也是实施预防性保护的基础性工作。但是，如前所述，文物保护工程尺度决定了监测工作精度需远高于普通岩土工程及其他建设工程，现有岩土工程等行业的监测精度无法满足文物保护的要求。随着三维激光扫描等技术的发展和应用，大大提高了测量和分析精度，也为复杂结构和复杂形貌文物的监测、预警工作提供了技术可能，但是，这些新技术的应用，还需要针对对象、环境开展理论、技术、操作等各层面的适用性应用研究工作。

结语

如前所述，由于不可移动石质文物保护对象的不可再生性，工程尺度与一般建设工程、岩土工程和地质工程的差别，所以一般的岩土工程勘察规范往往无法完全满足文物保护工程设计精度要求，因此，专业队伍和专业技术人员根据专业技术要求完成专业的勘察工作，应是石质文物保护工程的必然要求。

图片均由作者提供，本次发布版本略有改动。

李宏松，中国文化遗产研究院研究员。

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