現代勘察技術在城墻保護中的應用

[摘要]現存西安城墻是在隋大興城、唐長安城皇城的基礎上擴建而形成的。城墻磚表土芯的建筑特征決定了它不會像石質建筑一樣的堅固，它處于不斷的消蝕狀態，在風雨、人為的侵蝕下發生著細微乃至巨大的變化，裂縫、沉降、鼓脹、剝蝕等的問題在它的體內滋生蔓延著。保護者應當了解表面之下的內容，在不損害文物的前提下，利用現代技術主動了解古代城墻的內部變化規律。針對目前西安城墻存在的問題，通過科學的勘查之后，今后一段時期保護的首要任務是防水措施的改善，其次是加強現代手段的重點部位的監測，在此基礎上減少或防止有害的人類活動，并有針對性地選擇合適的方式進行工程治理。

[關鍵詞]西安城墻;現代勘察技術;文物保護

[中圖分類號]K872[文獻標識碼]A[文章編號]1005-3115(2010)08-0152-03

一

現存西安城墻是在隋大興城、唐長安城皇城的基礎上擴建而成的。唐長安城規模宏大、氣勢磅礴，是當時世界第一大都會，但是在唐末朱溫棄長安而奔洛陽的戰亂中，失去了帝都的驕傲，成為一座面積空曠、衰敗不堪的城池。佑國軍節度使韓建為了戰略防御的需要將長安城圍隔成只剩下面積不到原來1/3的皇城范圍，從而形成了一個所謂的“新城”。隋唐以后，五代、宋、元歷朝只將西安作為一個軍事的、行政的治所在經營。西安不再是政治的中心，也失去了往日的輝煌，但是西安城墻歷代均有修繕。明朝初年，朱元璋分封他的次子朱樉為秦王，坐鎮西安，鎮守西北。為了迎接秦王的到來，也為了西北的防守，明洪武三年(1370)，在當時長興侯耿炳文的主持下，將“新城”的基礎向東、向北擴展形成現存的西安城墻。由于對新城的西墻和南墻沒有做大的改動，因此，現存的西安城墻仍留存著隋大興城、唐長安城的余韻。

不論是隋大興城、唐長安城，還是明初西安城墻，都是夯筑的土墻，或者只是在城門處包砌著城磚，裸露的黃土在風雨中逐漸消蝕著。明隆慶年間，陜西巡撫張祉在城墻的外側包砌了青磚，既抵擋了火器的進攻，又抵擋了風雨的侵蝕。清乾隆年間，陜西巡撫畢沅為了以西安城墻的堅固之軀抵擋住西北地區回民起義的蔓延，奏請朝廷撥銀修繕西安城墻。在這次修繕中，畢沅首先削寬補窄，統一了城墻的高、寬;其次整修了城墻的排水系統;最后在城墻的頂上鋪設了海墁，外側包砌了青磚。畢沅的這次整修基本是我們今天看到的西安城墻的外觀。近代以降，城墻在強大的現代武器的攻擊下，基本失去了原有的戰爭防守優勢，日漸淡出歷史舞臺，毀壞在所難免。20世紀80年代，人們又對千瘡百孔的城墻進行修繕、復原……期望它身上所背負的歷史能夠一代一代地流傳下去，歷史的鏈條能夠永續。

二

城墻磚表土芯的建筑特征決定了它不會像石質建筑一樣堅固，它總是處于不斷消蝕狀態，總是在風雨、人為的侵蝕下發生著細微乃至巨大的變化。現在的城墻雖然作為一個歷史的印記被細心地呵護著，但是裂縫、沉降、鼓脹、剝蝕等問題在它的體內滋生、蔓延著，人們看到的是表面的痕跡，可是不知道在青磚之下的夯土之中發生著什么，它們會引起什么樣的后果。平遙城墻兩次突然坍塌，讓大家感到文物保護工作的艱巨性。保護者應當了解表面之下的內容，應當在不損害文物的前提下，利用現代的技術主動地了解古代城墻的內部變化規律。這就是對西安城墻進行現代技術勘察、調查的緣起。

對于西安城墻的勘察工作是由機械工業勘察設計院來承擔的，此項工作其實在20世紀90年代初就已經進行了。當時只是利用全站儀等儀器對東、西、南、北四座甕城進行沉降、位移的觀測。主要是觀測墻體以及古建筑在水平、垂直方向的變化，以便掌握古城墻在自身以及外界環境中的發展變化，及時采取各種保護措施。這次是在繼續原來工作的基礎上，首次利用現代手段系統勘查墻體表體城磚、內部夯土的構造和變化。

雖然是利用現代的技術對城墻各類病害進行調查、勘測、分析，但是13.74公里的勘察范圍決定了工作的開展首先是選擇有代表性的區段來進行。對于區段的選擇，首先考慮的是沉降、裂縫較為嚴重的區域，同時又兼顧到盡可能多的包含城墻各個時期的信息，具有較為廣泛的代表性。因此最終選定南段城墻的14、16號馬面作為先期工作的區段。

工作中以病害表象為線索，采用多種手段有目的、有重點地進行揭示和探查。在調查與測繪方面，首先調查城墻的整體情況，然后對重點部位的14、16號馬面區段的周圍環境、歷史修繕、地質情況、現狀等進行調查，現場測量、編錄、描述、攝像等手段同時進行。在勘探與測繪方面，采用探井、探槽、鉆孔和動力觸探等手段揭示城墻墻體結構、地基條件、裂縫與沉陷的空間特征。在室內資料的分析和試驗方面，針對城墻墻土和地基土的常規物理力學性質、壓縮、濕陷、抗剪等重要性質、物質成分組成和生物等進行土工試驗、物質成分與生物成分分析試驗等;同時還專門對海墁鋪設的城磚進行了強度的測試。14、16號馬面處基本上包含了西安城墻目前所面臨的幾種主要的“病害”類型:海墁及墻體上的裂縫、沉降、外墻體的鼓脹、剝蝕等，針對各種不同的“病害”，工作的方法以及意圖存在著差異。

(一)針對海墁及墻體體裂縫的勘察

海墁及墻體上的裂縫是城墻保護中經常見到的破損類型，但是，裂縫內部的走向以及波及范圍是看不到的，為了掌握裂縫的表面以及內部變化，進而探討裂縫對于城墻保護所帶來的危害到底有多大，首先對海墁所在的平面建立坐標系，在此基礎上每隔一定的距離控制一次裂縫的位置，測量寬度，拍攝照片。在探槽中，以水平方向和深度方向建立坐標，在此坐標系統下對揭露的裂縫定位，然后沿一定的下挖距離測量裂縫的寬度并進行描述，針對探井揭露的裂縫，沿井深方向編錄、描述和拍攝。在鉆探中，強調觀測鉆遇裂縫、洞穴時的轉速以及掉鉆情況，及時進行記錄和芯樣描述，這樣就從整體上掌握了表面的裂縫在海墁之下和夯土中的延伸和發展情況，有助于區分不同的裂縫種類，在遇到裂縫時可以根據城墻周圍環境以及原來維修的狀況，判斷裂縫產生的不同情況，采取不同的處理措施。

(二)針對沉降的勘察

城墻上的不均勻沉降一般以海墁處最為明顯。沉降的發生有時伴有裂縫的形成。14號馬面區段是海墁沉降最為嚴重的區域，就是由三條裂縫圍成的北側范圍。沉陷中心相對于沉陷邊緣的相對沉降量不小于40毫米。

對于夯筑城墻來說，沉降的發生是由于夯筑土自身的積淀以及外因的影響，但是對于磚砌城墻，人們看不到包磚之下的沉降是磚和夯土一體沉降，還是夯筑土和磚體各自發生著不同程度的沉降。通過對沉降區域的勘察后發現，沉陷區域一般都伴有大面積的脫空現象，這在探槽中有明顯的揭露，另根據現場用重錘擊打海墁磚砌體層探測發現，探槽、探井以外的區域，也發現有空洞的聲音，結合探槽揭示的情況推測，該沉降區域的磚砌墻體與夯筑土體之間存在不同程度的脫空現象。

(三)針對夯土密實性的實驗

本次勘察工作室內研究和分析的標本均來自現場勘察中取自探井、探槽、鉆孔中的樣品。

作為夯土組成的建筑物，密實性在土的常規物理學性質中是決定土工程地質性質的重要因素之一。當土達到最大密度或孔隙比達到最小時，土的可壓縮空間就大大地減小。隨之土的濕陷性和壓縮性就相對地降低和減少。

由于城墻芯墻是由黃土夯筑而成，夯筑土的密實性將決定和直接影響墻體的穩定與安全，同時，夯筑土的不同的密實性和包含物也可以間接地反映夯筑土的時代。對于夯筑土密實性的分析，可以幫助了解夯筑土的年代，沉降發生的原因，以及城墻芯墻的荷載能力。

(四)針對夯土濕陷性的實驗

黃土的濕陷性特質決定了城墻夯筑土芯的建筑構造在遇到水的時候，可能發生形制的改變，進而引起城墻墻體的裂縫或者不均勻沉降、鼓脹等。而城墻經過了幾百年的風雨滄桑，積水下滲不可避免，這也就是引起一系列病害問題的前因。針對這一問題，本次勘察在探井、探槽中采取不擾動土樣對夯筑土的自重濕陷性、濕陷的起始壓力以及實際壓力下的濕陷系數進行了實驗。

濕陷的起始壓力是黃土浸水飽和開始出現濕陷時的壓力，但作用力低于濕陷起始壓力時，土并不發生濕陷，只有作用力達到此值時，才會出現濕陷。新時期，城墻的原始功用減弱，歷史文化價值凸現，城墻上面會舉辦一些大型的活動，這就增加了城墻上承受的荷載，因此，確定濕陷起始的壓力就很有意義。

由于城墻是一個用黃土夯筑而成的地上構筑物，要研究芯墻夯筑土的濕陷性是無法套用《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB50025-2004)中的模型和公式的。因此，將雙線法壓縮實驗測定的各種深度土樣在不同等級壓力下的濕陷系數，繪制成濕陷系數與壓力的關系曲線來分析研究。并結合夯筑土的密實性特點，分析其濕陷性規律。掌握了夯筑土濕陷性規律，今后在舉辦活動、調查病害原因等方面，就可以進一步依照實際狀況安排活動，組織維修等。

(五)針對黃土壓縮性、抗剪強度的試驗

城墻芯墻夯筑土的壓縮變形是產生城墻病害，從而危及城墻穩定與安全的重要因素之一。也就是夯筑土的芯墻在外力作用下發生的變化，引起包磚的變化，從而產生了沉降、裂縫、鼓脹等問題。本次勘察，采取了 106件不擾動土樣，在室內進行了壓縮系數測定，研究夯筑土在外力作用下產生壓縮變形的大小，分析夯筑土的壓縮性規律。

西安城墻底寬16～18米，頂寬12～14米，高12米，從城墻腳至海墁表面高度約10米，橫截面呈梯形。在畢沅統一城墻高、寬比率的時候，已經充分地考慮了墻體整體穩定性的問題，但是現在的西安城墻猶如一位邁入暮年的老人，肌體處于衰退階段，任何過量荷載都有可能引起致命的危險。通過本次勘察可知墻體內部存在較多的裂縫，一些裂縫寬大而且相互貫通，對城墻的穩定性帶來很大威脅。針對這一問題，在相應的位置采取了不擾動的夯筑土進行了直剪試驗和三軸壓縮試驗。

(六)其他方面的試驗

西安城墻地基土工程距今已有600余年的歷史，部分墻段地基的歷史超過了1500余年。應該來說已經處于相對穩定狀態之中，但是隨著現代城市的建設、周圍環境的變化，地基還會處于相對變化之中，因此，在本次勘察中針對地基進行了相關的試驗。例如常規物理力學性質指標統計、密實性、濕陷性、抗剪性等。

城墻的構造為夯筑土的芯墻外面包砌青磚，磚砌體的裂縫使城墻芯墻由封閉的環境系統轉化為開放的系統，并且磚砌體給芯墻帶來了新的荷載。為了掌握包砌青磚對墻體的影響，又進行了城磚力學性質的測試、磚砌體形成的附加荷載的測試。

水是城墻保護工作中的最大障礙。為此測試了城墻土體中的含水率，分析了水源與土體浸水途徑。

三

城墻雖然是結構相對簡單的構筑物，但是幾百年的歷史使它的內部構造、相鄰的外部環境都發生了很大變化。新時期，城墻基本的軍事功能消失了，人文功能逐漸凸現出來，隨之而來的是城墻保護工作的艱巨性。基于這樣的現狀，以14、16馬面為基點，對城墻目前面臨的主要問題進行了點上的勘察，以期以點來反映墻體內、外部的真實狀況，為整個城墻的保護提供科學依據。

通過這次勘察綜合分析研究，城墻病害的內因是土體的密實程度決定的濕陷性、壓縮性、抗剪性，而外因主要是水浸入土體而帶來的土體濕陷性、壓縮性、抗剪性的變化。其次，墻體與地基中的洞穴、墻體與地基所承受的荷載的變化(重復性加、卸荷載)、海墁磚砌體的防水作用、芯墻外包砌青磚的擋土作用等，都對城墻的裂縫、沉降、鼓脹等的發生、發展有著一定的影響。

在城墻的保護工作中，應當貫徹“以防為主，防治結合”的原則，而“以防為主”的前提是要明確知道墻體上沉降、裂縫、鼓脹、剝蝕等病害發生、發展的原因，只有知其然，才能知其所以然，才能采取相應的應對措施。通過對城墻進行現代手段的勘查，深層了解墻體表層之下的運動狀況，才能進一步防患于未然。針對目前西安城墻存在的問題，通過科學的勘查之后，今后一段時期保護的首要任務是防水措施的改善。其次是加強現代手段的重點部位監測，在此基礎上減少或防止有害的人類活動，并有針對性地選擇合適的方式進行工程治理。