山西北齊徐顯秀墓葬墓室結構保護技術研究

裴強強 趙林毅 汪萬福 武廣文 劉濤 孫軍永 王輝

內容摘要：本文針對北齊徐顯秀墓室結構破壞特征，在綜合考慮環境控制不力、地下水作用和砌體結構性失穩多重因素的基礎上，結合墓室結構特征，在確保墓葬結構整體穩定的前提下，借助砌體結構剛性條件理論依據，判識采取傳統青磚砌筑支頂措施的必要性和可行性，尋求最小干預墓室壁畫且能夠根治墓室結構病變的保護措施，有效遏制墓室結構進一步形變對墓室壁畫的影響與破壞。

關鍵詞：墓葬;結構;穩定性;強度

中圖分類號：K854.3;G264.3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：10000-4106（2015）03-0116-06

Technology for the Conservation of the Chamber Structure of Xu Xianxiu？蒺s Tomb of the Northern Qi Dynasty in Shanxi

PEI Qiangqiang1，2，3 ZHAO Linyi1，2，3 WANG Wanfu1，2，3 WU Guangwen4

LIU Tao5 SUN Junyong5 WANG Hui5

（1. Conservation Institute， Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200;

2. National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites，

Dunhuang， Gansu 736200;

3. Key Scientific Research Base for Conservation of Ancient Wall Paintings of SACH，

Dunhuang， Gansu 736200;

4. The Museum of Northern Qi Murals of Taiyuan， TaiYuan， Shanxi 030000;

5. Technology Service Center for the Conservation of Cultural Heritage， Lanzhou， Gansu 736200）

Abstract： Tomb architecture exemplifies underground construction and is an important part of ancient Chinese building activities. During the past few years， the conservation and use for study of already discovered tombs and tomb art have been severely constrained due to various elements like environmental control， underground water flow， and structural decay. In view of the particular characteristics and elements that precipitated structural decay and instability in Xu Xianxiu's tomb chamber built in the Northern Qi dynasty， a multi-measure conservation plan has been put forward on the condition that the stability of the tomb structure is ensured. This plan has greatly reduced the damage caused by further deformation of the tomb structure.

Keywords： tombs; structure; stability; intensity

（Translated by WANG Pingxian）

1 引 言

中華文明源遠流長，上下五千年的燦爛文明，為我們留下了不同時代特征、各具特色的建筑文化遺產。從空間位置上可分為地上和地下建筑兩大類。陵墓建筑作為地下建筑的典型，是中國古代建筑的重要組成部分，中國古人基于人死而靈魂不滅的觀念，普遍重視喪葬，因此，無論任何階層對陵墓皆精心構筑。在漫長的歷史進程中，中國陵墓建筑得到了長足的發展，產生了舉世罕見的、龐大的古代帝、后墓群，且在歷史演變過程中，陵墓建筑逐步與陵墓建筑繪畫、書法、雕刻等諸藝術門派融為一體，成為反映多種藝術成就的綜合體。山西太原王家峰北齊徐顯秀墓是目前在山西太原發現的同時期墓葬中保存最完整的大型壁畫墓，為研究這一時期墓葬營造技術及隋唐墓葬制度的影響、墓葬壁畫藝術的發展提供了重要資料，具有重要的歷史價值[1-5]。

長期以來，在已發現的地下墓葬中，由于環境控制不力、地下水作用和結構性破壞等諸多問題，嚴重影響遺址本體的保存和開放利用，徐顯秀墓葬結構和壁畫也不例外。為了有效保存墓葬壁畫，墓葬壁畫的活性破壞源的控制和根除就顯得十分重要，墓葬本身的結構形變、墓道和墓室的結構穩定，甚至于坍塌區域的控制與補砌是從宏觀上保全墓葬壁畫的最重要途徑。然而，墓葬本體結構的修繕與加固是一個多學科的集合，工程實際案例幾乎沒有。

本文通過對徐顯秀墓室的結構分析和加固方法研究，基于原址保護采取科學合理的墓室結構脫換補砌實施方案，有效提高墓室結構的整體穩定性，為墓室壁畫的保護和保存提供可供遺存的結構面和穩定環境，也是文化遺產真實性、完整性保護、弘揚和傳承的最佳措施。

2 北齊徐顯秀墓室保存現狀

東魏北齊墓葬的主室建筑材料按照由高到低的等級分為磚室墓、石室墓和土洞墓三種。徐顯秀墓的甬道和主室皆為磚砌、級別轉高，是屬于達官貴族一級的磚室墓。具有重要的歷史和藝術價值。北齊徐顯秀墓葬主要由墓道、過洞、天井、甬道和墓室五部分組成，全長35m，天井為方形，長寬各2.20m，墓道長19m，北寬2.7m，南寬3.8m。中間相隔3m，墓室6m見方，墓室高15m。該墓室為雙層青磚丁順互層砌筑，黏土青磚規格為350×170×60mm，墓室地面滿鋪青磚，墓室整體砌筑為拱券頂（圖1、2）。

自考古發掘以來，墓葬由于受自然和人為因素的影響，墓室周圍土層在重力作用下擠壓墓室磚砌體擋墻，墓室盜洞開挖破壞、地下水在自然凍融循環過程中的作用影響，使得墓葬本體出現不同程度的破壞。上世紀80年代，當地農民引水灌溉發現水大量滲失，懷疑農田灌溉水經盜洞直接灌入墓室?？脊虐l掘后證實，墓室門有積水痕，水由封門磚縫滲入。盜洞處也有水痕，地面積水深約30cm。甬道及墓室墻體的基礎部分，受水浸泡使地基不均勻沉降，磚砌墻體局部受力不均扭曲變形。局部應力集中致使大部分磚塊壓碎。墓室東南側下沉深度達24cm。由于墓室東南側磚砌體的不均勻下沉，局部受壓超過磚塊自身的承壓能力，形成明顯的壓碎痕跡。西南側局部受拉形成發育貫通裂隙。東側、東南、西南和甬道頂部壁畫結構形變，致使局部被壓碎拉裂，在外力作用下鼓脹壓碎后脫落。壁畫表面出現不同程度的空鼓、變形、酥堿、起甲、脫落。污染等多種病害，甚至局部脫落，亟需采取保護措施以有效搶救性保存惡略環境中的珍貴壁畫[6-8]（圖3、4）。

3 基本性能分析

3.1 巖土物理力學性質

研究發現，徐顯秀墓葬區域范圍基本為黃土地層，由于垂直節理發育、透水性強，含水性差，一般透水不含水。場地地基土主要由雜填土、黃土狀粉土、黃土狀粉質黏土和粉質黏土等，為第四系松散堆積物。在0—12m范圍內土的干密度1.3—1.4g/cm3之間，內摩擦角在30°—35°之間。

3.2 青磚物理力學性質

黏土燒制青磚，一般是在900℃—1100℃、持續8—15小時，并在期間加水冷卻，使得黏土中含有的鐵在不完全氧化的過程中生成低價鐵（FeO）。在缺氧冷卻的條件下形成雖然強度和紅磚差不多，但其抗氧化性，水化、大氣和鹽害侵蝕方面都優于紅磚。其強度一般均大于10MPa，吸水率小于20%[9]。

3.3 穩定性影響分析

大量試驗表明，磚砌體在軸心壓力作用下，從加載至破壞大致經歷三個階段，荷載加至破壞荷載的40%—70%，一般表現為單批磚出現裂縫;荷載加至80%—90%時，形成貫通裂縫，砌體處于極限狀態;繼續加載，裂縫迅速發展，并將砌體分成若干獨立的小柱體，逐漸失穩或壓碎歪閃直至整體破壞。

徐顯秀墓室因不均勻沉降引起墓室磚砌體結構整體變形，尤其在墓室甬道和墓室東南側等均出現不同程度的破壞，局部區域已處于第三階段。為了防止墓室結構的再次變形和垮塌，在項目實施前首先應該對墓室結構進行全方位的支頂，以確保墓葬本體結構的整體穩定。

徐顯秀墓室結構連同甬道均為圓拱形疊砌方式，墓室磚砌體擋墻采用雙層疊壓方式以分解墓冢封土和墓室周圍側向壓應力作用。墓室頂部有三處不同方向的人為開挖扒開的孔洞，這是墓室進水的主要原因。墓室進水后的長期浸泡，致使墓室結構不均勻沉降，拱券整體變形，打破了原有的平衡，砌體結構產生了水平推力，局部區域應力集中而受壓，對應區域受拉，使得墓室有整體傾斜滑移趨勢。隨著墓室結構變形的加劇，局部應力集中受壓區域至極限狀態后磚砌體被壓碎歪閃，并有擴大發展趨勢。此為墓室結構破壞的活性源和主導病因。

4 墓葬墓室加固方案比選

4.1 青磚補砌方案

此方案是在拆除坍塌外閃磚砌體后，對墓室東南側基礎做進一步的夯實處理，并按照原工藝砌補復原壓碎外閃磚砌體區域，恢復拱券的支頂作用。具體實施工藝為：（1）采用剛柔性相結合的方式支頂墓室拱門洞口，偏向西側。支頂過程中尤其要確保壁畫的安全。（2）拆除拱券下東側歪閃青磚砌體，下部局部區域留有70cm高的磚砌體，拆除過程中盡量留有馬牙槎，確保新砌補磚砌體與原有結構很好地連接，并夯實基礎以提高墻體的整體穩定性。（3）拆除過程中，采取多種防護措施確保墻體的穩定。（4）采用同樣磚砌體，素土漿砌筑，待達到一定強度后拆除所有的支頂措施。（5）磚砌體表面大面積修復，確保墻體整體觀感和藝術審美。（6）布設變形監測點，長期觀測墓室墻體的整體穩定，必要時再采取針對性措施加以保護。

采用磚結構恢復拱券，一定程度上起到支頂和穩定墓室過道的作用。其優點為：（1）采用磚砌體結構恢復拱券，是理想的結構，滿足原材料、原工藝、最小干預最大兼容的保護原則。有效恢復拱圈磚砌體結構，更是對傳統工藝技法和建筑形制的繼承和再現。（2）拆除區域較小，難度較小，實現力更強。（3）拆除過程中相對支頂范圍較小，安全系數較高。（4）不涉及壁畫揭取和回貼，降低施工難度。（5）砌補量較小。其不足是：（1）原結構中留有壓碎磚塊，局部應力較集中，在外力作用下，結構可能出現較大變形。（2）新砌體與原磚砌體結合不夠緊密。

4.2 隱蔽鋼結構外包青磚砌體

考慮到磚砌體局部受壓后變形，隱藏埋設鋼結構以增強磚砌體的整體強度。其施工工藝：

（1）臨時支護。采用剛柔性相結合的方式支頂墓室拱門洞口，先偏向西側。支頂過程中確保壁畫的安全。（2）揭取壁畫。在確保壁畫安全的前提下揭取拱券頂部及西側門洞壁畫。（3）歪閃坍塌區域青磚拆除。局部拆除青磚砌體，拆除過程中盡量留有馬牙槎，拆除后及時補砌，確保新砌補磚砌體與原有結構很好地連接，提高墻體的整體穩定性。（4）防護措施。拆除過程中，采取多種防護措施確保墻體的穩定。（5）安裝支頂鋼結構。（6）青磚砌補。采用同樣磚砌體，素土漿砌筑，待達到一定強度后拆除所有的支頂措施。

采用磚砌體結構結合剛才支頂恢復拱券，根本上解決墓室墻體及甬道的穩定，有效地保護加固失穩墻體及拱券結構。其優點為：（1）采用磚砌體結構恢復拱券，是理想的結構形制，滿足原材料、原工藝、最小干預最大兼容的保護性原則。有效恢復拱券磚砌體結構，更是對傳統工藝技法和建筑形制的繼承和再現。（2）根治遺址本體存在的安全隱患。其缺點為：（1）采用鋼結構結合磚砌體結構，給施工帶來了一定的難度。主要表現為：a）由于壁畫地仗為石灰，壁畫揭取及回貼過程中容易破壞，且揭取面積較大，對壁畫影響比較大。b）拆除過程中墓室變形比較大，如果對過洞拱券再次拆除，應考慮拆除過程中引起墓室局部應力的變化等諸多問題，風險較高。需做好相應的防護措施。c）為確保拆除磚砌體過程中的安全，必須安設變形監測裝置和專人觀測，分析過洞及周圍的變形情況。d）一邊拆除，一邊支頂過洞，偶然因素較多。保證過洞整體穩定性較難。e）待拆除一側過洞磚砌體后，穩妥布設支頂鋼架，砌補過程要隱蔽鋼構件，砌補厚度只有35cm，隱蔽貼補施工相對比較困難。每一步操作均有很大風險。（2）采用鋼結構及磚砌體結構施工復雜，周期長。（3）采用鋼結構及磚砌體結構支頂，施工難度大，風險大。

4.3 外設鋼結構支頂

考慮到磚砌體局部受壓后變形，為使磚砌體和原有結構之間更好地銜接，而在磚砌體表面埋設鋼結構以增強磚砌體的整體強度。施工工藝為：（1）采用外設鋼結構支頂。（2）在磚砌體外側布設鋼結構框架，支頂嚴重變形的磚砌體。（3）為使其與磚砌體更好地結合，節點處設置45cm長的支頂架深入磚砌體。（4）局部拆除青磚砌體并進行必要的修補。（5）鋼結構基礎埋深不小于50cm，并采用三合土。（6）所有鋼構件均采用防腐措施。其優點為：（1）對本體的干擾最小，能有效地恢復拱券外形，同時有效地將瀕危拱券通過鋼結構支頂，形成整體，從而有效地保護拱券。（2）采用鋼結構拱券支頂，施工難度較小，風險難度較小。（3）操作工藝簡單，造價低。其不足為：（1）嚴重影響墓室觀感，影響墓室藝術價值。（2）整體穩定性不強，外力作用下，局部壓碎磚砌體仍然會發生較大變形。

5 墓室結構實施對策

5.1 強度計算

試驗表明，砌體的抗壓強度均低于砌體塊體本身的強度，是砌體本身灰縫厚度不一、砂漿飽和度和均勻程度等所致砌體本身處于不均受壓狀態。砌體結構破壞一般都是局部受壓或受拉破壞。為了方便計算，將實際墓室結構進行簡化，墓冢封土自重按照規則棱臺計算，棱臺頂部直徑2m，底部直徑12m。取墓室1m寬范圍內的拱券結構按照剛性方案計算墓室磚砌體不同剖面承受的最大剪應力和彎矩。墓室結構如圖5，其簡化結構如圖6所示。

（1）墓冢土體自重線性均布荷載

=217.62KN/m

式中的r代表墓冢頂部半徑取0.855m，R為墓冢封土底部半徑為3.945m，h為墓冢封土的高度取4.631m，γ為土壤的天然重力密度，取18KN/m3，L為受力線性長度取7.889m。

（2）磚墻自重

G0上=γ0dh=19×0.72×5.264=72.01KN

G0下=γ0dh=19×0.72×2.974=40.68KN

其中磚砌體的容重γ0取19KN/m3，墻體厚度d為0.72m，墻體高度h為8.058m。

（3）土壤側壓力

=43.89KN/m

式中的γ為土壤的天然重力密度，取18KN/m3，l為計算單位長度，h為墓室開挖深度，λ為土的內摩擦角，取35°。

（4）跨中最大彎矩位置及最大彎矩

彎矩最大值的位置即為剪力V為零的位置，以上端鉸支座A為坐標原點，下端為B，剪應力為零的位置距原點的距離為X。

墓冢封土等效計算，

h1=Gs/γ=204.85/18=12.09m

=58.76KN/m

拱券磚砌體等效計算，

h2=G0上/γ=72.01/3.217×18=1.24m

=6.03KN/m

等效均布荷載引起的支座反力

RA=RB=1/2（qGs+qG0上）H=261.04KN

墓室周圍土側向壓力引起的支座反力

RA=1/6（qsH）=58.94KN

RB=1/3（qsH）=117.89KN

e1=268mm

e2=e1/2

當A端彎矩

M=Gse1+G0上e2

=29.16+9.65=38.81KN時

RA=-RB=M/H=38.81/8.058=4.82KN

則當全部荷載作用時

RA=261.04+58.94+4.82

=324.8KN

令∑V=0

324.8-38.81X-217.62X2=0

X=1.915

Mmax=324.8×1.915-261.04×1.9152/2-43.89

×（1.915/8.058）×1.9152-38.81=66.28

N=GS+G0上+G0下

=40.68+217.62+72.01=330.31KN

66.28/330.31=201mm

e/H=201/8058=0.025，

β=H/d=8058/720=11.19

查的，？漬=0.75，A=0.72，f=1.38N/mm3

N=？漬Af=745KN>NI=330.3KN

最大破壞面處的抗力遠遠大于其變形產生的內力，因此，僅采用磚砌體支護足以滿足強度和穩定性的要求。

5.2 實施工藝

（1）支頂

采用剛柔性相結合的方式支頂主室磚券洞口，支頂前必須做好墓室壁畫的臨時防護措施，其過程中確保壁畫的安全。實施過程中為確保支頂構架與拱券的緊密結合，甬道拱券中間采用16T油壓千斤頂支頂，其余危險部位均采用支頂架施加預應力支頂，確保其支頂結構和磚砌體的緊密結合（圖7）。

（2）拆除

首先拆除主室南壁拱券下東側擠壓青磚砌體碎塊，下部留有70cm高，拆除過程中盡量留有馬牙槎，確保新砌補磚砌體與原有結構很好地連接，提高墻體的整體穩定性（圖8）。拆除過程中，采取多種防護措施確保墻體的穩定，待南部磚砌體整個修復結束后再拆除拱券下部碎磚，防止拱券整體變形下墜（圖9）。

（3）傳統工藝砌補

選用的磚為專門定制的與主室磚相同規格的青磚，提前1—2天澆水濕潤，濕潤程度達到水浸潤磚體15mm為宜。不宜在砌筑時臨時澆水。

（4）砌體結構補強

采用與原來磚砌體相同的工藝用灰漿砌筑。新磚砌體與原砌體中間灌入水泥砂漿，并每隔20cm在磚縫中間用電錘開孔，然后埋入Φ8mm的鋼筋，長度為20—60cm（圖10、11），確保與原有磚砌體的緊密結合。

（5）磚砌體裂縫灌漿

在原砌體灰縫內植入灌漿管，用100mL注射器灌水泥砂漿（圖12、13），確保砌筑后內部空洞填充密實，提高砌體的整體強度。

（6）勾縫

在磚砌體灰縫表面填補泥（圖14），目的是通過勾縫，增大單塊磚之間的結合程度，更大限度地提供磚砌體的整體強度。

（7）表面效果處理

待達到一定強度后拆除所有的支頂措施，為確保墻體觀感和整體協調性，對磚表面采取必要的處理，使新砌體與原來磚砌體整體協調，遠看無區別（圖15）。

6 結 論

（1）北齊徐顯秀墓葬墓室結構的加固技術研究對類似墓葬結構的加固具有重要意義。

（2）北齊徐顯秀墓室結構病害的突顯和發展，受保存環境等多重因素影響。在采取措施時，必須遏制導致墓室結構變形的活性源，并對結構本體進行必要的補強加固，提高整體穩定性。

（3）墓室拱券磚砌體的加固，首次應用砌體結構剛性方案理論判據，并為保護措施的實施提供了有力的依據。

（4）墓室結構的穩定是墓室壁畫修復的前提和保障，在保護實施過程中一定要遵循先結構后表面的基本原則和程序。

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