党的十八大以来，习近平总书记站在坚定文化自信和建设文化强国的战略高度，多次论述并强调要依靠科技创新，加强文物保护。中国文化遗产研究院立足国家文化遗产保护利用国家队的职责，持续担当科技赋能文物保护和文化遗产保护传承使命，聚焦文物科技创新工作，在光纤技术、缪子探测技术、信息提取技术等领域取得重要进展。特开辟专栏，对这些新技术新方法在文物保护领域的应用进行介绍，敬请关注。

石窟寺经历了长期自然营力作用，不断受到自然界和人类工程活动的影响，因而石窟寺具有岩体结构发育、岩石强度低、影响因素复杂的显著特点，几乎不可能在实验室中开展石窟寺的原型试验，也几乎无法复制石窟复杂的结构特征。因此，要精准、真实地获取石窟岩体在多场作用下的演化过程和劣化机理，加强原位观测是唯一的基础途径。

事实上，不可移动文物的原位检测、探测和监测工作一直受到文物保护领域的高度重视，监测工作已经成为预防性保护的重要内容。但由于石窟寺岩体的高度损伤、结构复杂且随机隐蔽，以及在多场作用下石窟岩体结构变化的多样性，当前对于石窟岩体结构变形的监测技术，在时间和空间上还很难完全覆盖石窟岩体内部错综复杂的物质、状态和运动界面的定位与动态观测。同时，洞窟的形制多样，建筑学、岩体力学、水文地质学特征显著，石窟壁画、彩绘、贴金等脆弱，极易受微环境扰动的影响。因而，诸多成熟的监测手段的应用受限且效果有限，同时，受石窟开凿条件、赋存环境、洞窟形制、病害特征等因素的影响，整体监测不易实施。

20世纪80年代，随着光导纤维及光纤通讯技术的发展，光纤技术因其长距离、无源、耐久性好、抗干扰性强等优点，在地质与岩土工程防灾减灾领域中得到广泛应用和快速发展。光纤传感技术是利用光为载体，以光波参数如频率、波长和相位的变化来反应周围环境变化的新型传感技术，具有分布式、长距离、长寿命、多量程、高分辨率等显著优势，且能根据实际监测需求形成复杂的串联或并联结构，且传感与传输共用一条光纤的特点，很大程度上克服了传统电磁传感器电磁干扰、易腐蚀、尺寸过大等局限。

石窟寺岩体结构变形兼具渐进性与瞬时性特点，石窟岩体因其岩石材质、岩体结构和赋存环境等复杂因素的影响，岩体变形具有显著的非线性特点，这就导致石窟岩体变形的计算和现场实际测量数据存在很大的不一致性。同时，由于石窟本体的脆弱性和赋存环境的复杂性，传统的点式或电测类传感技术难以满足石窟复杂岩体结构的无损、高精度、多场感知的长期安全监测要求。2019年，科技部布设了石窟领域首个国家重点研发计划项目“石窟寺岩体稳定性预测与加固技术研究”，主要围绕石窟寺岩体失稳破坏机理，岩体结构探测与变形监测技术，岩体稳定性评估与预测，岩体加固材料与技术等方面开展系统研究。其中，石窟岩体结构变形的监测是岩体稳定性评估和预测的重要基础。

中国文化遗产研究院研究团队选取了中国西南地区的安岳石窟圆觉洞为研究对象，开展了光纤技术在石窟顶板岩体结构变形监测中的应用性研究。经现场调查，圆觉洞顶板岩体共发育166条中、小尺度的岩体结构面，并呈现明显的空间差异性分布特征。受顶板北侧卸荷裂隙和中部卸荷裂隙切割，顶板岩体结构呈现出3级台阶式分布，顶板中间发育一条南北走向的构造裂隙，控制着顶板的整体稳定性。因此，本次岩体结构变形的监测主要选取顶板北侧、顶板中部和顶板南侧的结构面为监测对象。

安岳石窟圆觉洞岩体多尺度结构

在光纤监测的实施中，传感器的开发与标定、光纤的封装、信号的解调是不可回避的问题。为了使光纤光栅位移裂缝传感技术适用于石窟岩体结构的监测，研究团队对传感器进行了开发设计，主要包括对传感器性能指标筛选，工程适用性评估，稳定性和重复性检验，以及耐久性评估方面开展了系统论证和研发。在在四川安岳石窟圆觉洞顶板岩体进行安装和长期监测中，成功安装了9个高精度裂缝传感器和3个温度传感器。

下图显示了传感器的位置，以及铠装光纤走线的方式和光纤走线位置，铠装光纤均喷涂油漆，尽量使铠装光纤颜色和圆觉洞岩体颜色保持一致，以保证安装现场尽量隐蔽。光纤走线位置的套管采用了灰色热缩套管、黑色热缩套管以及灰色伸缩管，并根据不同的位置与岩体的颜色选择套管。现场传感器与采集设备布设完成后，按照1s的采集频率，分别采集了2021年4月26日至2022年2月16日四个阶段共计296天的数据。

现场传感器布设位置图

温度监测结果表明圆觉洞内部温度整体随时间呈波浪式变化，与安岳地区气温变化表现出一致性。各传感器的整体变化趋势一致，但存在差异，传感器1和传感器2温度波动较小，而传感器3的温度波动较大，这主要是传感器位置不同，传感器1和传感器2位于洞窟内部，洞窟内部温度相对稳定，而传感器3位于洞窟外侧，受洞窟外温度影响较大，这与实际情况相符。应变方面，单就一幅图而言，微应变和位移变化明显受到温度影响，随着一年四季温度的变化，其裂缝的活动也有规律的变化，这是由岩体热胀冷缩的性质引起的。

对比同一位置微应变和位移的图像，微应变和位移变化趋势相同，并呈现一定的关系。其中，图中有部分点发生突变，这可能由于外界因素导致的，例如九月中旬安岳附近发生了地震，所有传感器的位移及微应变都发生了突变，但是这并不影响总体趋势。比较不同传感器的微应变以及位移图，发现微应变和位移并不相同，这是由于传感器布设的位置不同，不同位置产生的沉降、裂缝的时间以及速度也不相同。同时，微应变和位移大小、正负并不相同，这和前期传感器安装过程有一定的影响，传感器安装过程对窟顶以及传感器本身都有一定的影响。

顶板中间裂缝（传感器1/2/7/14）采集的微应变信号

顶板中间裂缝（传感器1/2/7/14）采集的位移信号

本项工作采用3D FDM封装技术对光纤进行了喷涂、熔结和涂色，确保了封装光纤的打印精度和耐久性，同时在外观上隐蔽，符合石窟岩体监测的最小干预和长期监测需求。针对石窟岩体变形渐进性和瞬时性的不同特点，筛选出高性能传感器，并通过复合压力、振动和位移一体化测量模块，实现压力单元的灵敏度达到0.01nm/kPa，同时可检测1-4Hz的低频振动信号和1-4mm的位移。根据石窟岩体变形阈值和石窟赋存环境，进行传感器位移、温度标定试验，确定性能参数与适用范围。采用有限元分析模型，研发了中小石窟多尺度岩体变形分布式光纤信号解调技术和设备，实现了12通道连续采集，以及数据的远程采集和实时5G传输。

供稿：中国文化遗产研究院