淺議利用自動化結構安全監測技術保護南京明城墻

王天文+李麗

【摘 要】近年來，為了切實加強文物的科學保護和管理，防大患于未然，把危險和險情控制在萌芽狀態，盡力延長南京城墻的壽命，如何采取先進的科學手段保護城墻也變的極為迫切。本文通過對南京明城墻目前比較突出的幾種結構安全病害提出了具體的自動化結構安全監測手段，并對幾種自動化監測方式和技術指標進行了介紹。為今后利用自動化安全監測技術更好的保護南京明城墻提出了一些可行的具體建議。

【關鍵詞】明城墻；結構安全；自動化；監測

1 城墻概況

南京城墻屬全國重點文物保護單位，它東傍鐘山，西據石頭，南馮秦淮，北控后湖，實測周長35.267 公里，規模宏大，氣勢雄偉，城墻本體始建于公元1366 年，1386 年竣工，前后達21 年之久。建筑規模宏大，城垣用巨大的條石砌基，以磚石砌筑而成。現存的25.091 公里城墻，雖已歷經600 年風雨，大部分墻體仍巍然屹立。明城墻堅若磐石的秘密在于它的修建過程中嚴格的質量管理。然而隨程城市建設，戰火洗禮以及各種人為外部因素的擾動下，城墻結構病害情況也變得越來越嚴重，必須得到高度的重視，作為全國重點文物保護單位，依據文物建筑保護的相關規定，大規模的加固、維修都是不被允許，科學的自動化結構安全監測變得十分重要。

2 城墻自動化安全結構監測方式

由于城墻沿線較長，結構形式較為復雜且每段城墻的隱患情況都不完全相同，根據結構病害及病害的具體現場情況，建議對于南京城墻的安全結構監測分為兩類，一是自動監測：采用物聯網傳感器的進行組網，通過數據的自動采集實現本體的自動化監測。通過傳感器將采集數據上報管理平臺，對上報數據進行實時分析，以便于得到對城墻管理有利的數據，盡量降低各種危險事件發生。二是固定時間監測：采用人工采集本體變化的細微數據，通過對比，比對兩個采集周期間的變化情況。固定監測主要針對本體難以通過傳感器進行實時監測而設計。由于人工采集數據的偶然性和成本都比較大，下文就目前城墻主要的表觀病害簡單提出幾種自動化監測方式作為參考。

2.1 裂縫監測

裂縫監測主要用于本體之上，對目前已經存在的裂縫位置進行實時監測，以掌握裂縫寬度或長度的變化情況，為裂隙的填補提供數據支撐。

傳感設備布置前，應就該區域存在的裂隙情況進行分析和記錄，測定其長度、深度和寬度等，并設置明晰的端面標示。根據裂縫的位置、走向、長度、寬度，設置傳感器的位置和安裝數量，必要時還應該監測裂縫的深度。采用無線傳感器進行自動化監測，自動采集時間間隔為1分鐘～24小時均可設置，無線傳輸方式免去在城墻的繁雜布線，從而避免對城墻穩定性及觀賞性的影響。裂縫深度監測宜采用超聲波法、鑿出法等。

2.2 位移監測

位移監測主要用于對本體的縱向面方向，對本體移位情況進行實時的監測，以掌握本體的變化情況。位移傳感器主要測量城墻本體相對于墻體根基的位移，采用城墻底部基坑作業方法。為了最大程度的減少安裝設備對城墻本體的影響，本次項目使用普通位移傳感器，傳感器的固定采用對本體影響最小的粘膠式固定方式。對于本體的位移監測，將傳感器本體采用水泥澆筑方法掩埋于城墻本部，傳感器頂桿頂端固定于城墻根基城磚上，當本體發生側方位滑移時，就能通過傳感器頂桿的伸縮來檢測滑移的位移量；對于包山城墻或者依山而建的城墻，監測其位移的方法采用拉線式位移傳感器，拉線一端固定在城墻底部的城磚上，傳感器固定于山體適當位置，中間采用鋼絲拉線，拉繩式位移傳感器的功能是把機械運動轉換成可以計量，記錄或傳送的電信號。拉繩位移傳感器由可拉伸的不銹鋼繩繞在一個有螺紋的輪轂上，此輪轂與一個精密旋轉感應器連接在一起，感應器可以是增量編碼器，絕對編碼器，混合或導電塑料旋轉電位計，同步器或解析器。操作上，拉繩式位移傳感器安裝在固定位置上，拉繩縛在移動物體上。拉繩直線運動和移動物體運動軸線對準。運動發生時，拉繩伸展和收縮。一個內部彈簧保證拉繩的張緊度不變。帶螺紋的輪轂帶動精密旋轉感應器旋轉，輸出一個與拉繩移動距離成比例的電信號。測量輸出信號可以得出城墻的位移、方向或速率。

2.3 沉降監測

本體及周邊環境中，對目前存在有危及本體安全的區域進行監測。沉降監測將采用基于振弦式的傳感器，通過鉆孔施工將其布設在鉆孔內，然后回填土體與本體耦合，從而對地下土體的分層壓縮變形量、滲水壓力等進行監測，對以上特征要素的發展規律及速率進行掌控，并根據其發展趨勢進行預警。城墻的豎向不均勻變形和沉降監測可選用靜力水準儀。分為無線沉降監測和有線沉降監測。沉降監測系統主要有儲液罐、基點、測點、采集設備組成，靜力水準儀包括主體容器、連通管、傳感器等部件。靜力水準儀是利用連通液的原理進行沉降觀測，多支通用連通管連在一起的儲液面總是在同一水平面上，通過測量不同儲液罐的液面高度，經過計算可以得出各個精力水準儀的相對差異沉降。

2.4 鼓脹監測

受氣象和環境因素的長期影響，城墻本體的部分區域受山體/墻體內部填充材質的影響，存在著小面積的外突現象，根據此情況而設計的部位監測。

墻體臌脹監測可以采用電平梁表面安裝，電平梁通常安裝在有絲扣的螺桿上，該螺栓又通過鉆孔或環氧粘膠固定在監測結構表面。環氧粘膠的粘接方式對城墻結構穩定性沒有影響，鉆孔采用最小的打孔固定方式，僅對城墻本體城磚造成微小影響，不會影響結構穩定性。通過電平梁測量數據的變化差異，分析墻體鼓脹變化。

2.5 過境交通監測

由于城市現代化的發展，過境交通線路（公路交通、軌道交通）的規劃、設計和建設，過往車輛和地下鐵路過時產生的強烈振動，對城墻本體產生一定的影響，長久以往將造成本體受損、沉降、位移和裂隙等情況的發生。

振動采集頻率的高要求、高幅度值，需采用光纖光柵的方式，布設響應的應力、應變傳感器，以實現軌道交通通過時實時測量振動值。分布式光纖振動測量基于光纖振動傳感技術，以光纜作為傳感元，持續采集外界振動信號，并將振動信號轉化為干涉信號，傳送至光纖信號處理器后集中向監測中心上報，經過智能分析及模式識別，從而達到對軌道交通振動值實時監測的目的。振動監測的組網由光纖振動預警主機、采集器、終端盒等組成。

2.6 滲水監測

城墻本體的現實環境狀況，主要受山體條件的影響。由于受極端惡劣天氣的影響，本體靠山一側的山體內部，可能會短時間的積攢較多的水分，導致內部水容量激增，而水份無法及時排出將會直接導致城墻垮塌。

對于靠近城墻的山體進行水壓力監測，水壓力傳感器安裝于靠近滲水城墻一側的山體，通過對山體打孔進行安裝，安裝之后采用原土掩埋，并恢復周圍生態環境，對山體的打孔不會對城墻本體造成任何影響。同時在結構性監測過程中可以做鉆孔壓水、注水試驗。目的是求取巖體不同部位的滲透系數，查明巖體內部地下水的滲流途徑，查明地下水滲流對南京城墻本體的影響。

3 結束語

南京城墻的“衰老”已經是不可避免的了，通過科學的自動化結構監測手段，定期采集數據，分析變化狀況，為墻體本身安全拿出“健康體檢表”，為制定維修保護方案提供科學依據，建立安全登記預警系統，使南京城墻逐步走向科學保護的軌道。結合南京城墻的主要破壞因素分析和實際管理工作的現狀，設計以自動監測為主、固定時間監測為輔的本體監測辦法，能更好的對存在的問題和障礙進行監測和預警。此項必將大大提高保護城墻工作的效率，為城墻申遺工作打下堅實的基礎。

【參考文獻】

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