山西北齐徐显秀墓葬墓室结构保护技术研究

裴强强 赵林毅 汪万福 武广文 刘涛 孙军永 王辉

内容摘要：本文针对北齐徐显秀墓室结构破坏特征，在综合考虑环境控制不力、地下水作用和砌体结构性失稳多重因素的基础上，结合墓室结构特征，在确保墓葬结构整体稳定的前提下，借助砌体结构刚性条件理论依据，判识采取传统青砖砌筑支顶措施的必要性和可行性，寻求最小干预墓室壁画且能够根治墓室结构病变的保护措施，有效遏制墓室结构进一步形变对墓室壁画的影响与破坏。

关键词：墓葬;结构;稳定性;强度

中图分类号：K854.3;G264.3  文献标识码：A  文章编号：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

中华文明源远流长，上下五千年的灿烂文明，为我们留下了不同时代特征、各具特色的建筑文化遗产。从空间位置上可分为地上和地下建筑两大类。陵墓建筑作为地下建筑的典型，是中国古代建筑的重要组成部分，中国古人基于人死而灵魂不灭的观念，普遍重视丧葬，因此，无论任何阶层对陵墓皆精心构筑。在漫长的历史进程中，中国陵墓建筑得到了长足的发展，产生了举世罕见的、庞大的古代帝、后墓群，且在历史演变过程中，陵墓建筑逐步与陵墓建筑绘画、书法、雕刻等诸艺术门派融为一体，成为反映多种艺术成就的综合体。山西太原王家峰北齐徐显秀墓是目前在山西太原发现的同时期墓葬中保存最完整的大型壁画墓，为研究这一时期墓葬营造技术及隋唐墓葬制度的影响、墓葬壁画艺术的发展提供了重要资料，具有重要的历史价值[1-5]。

长期以来，在已发现的地下墓葬中，由于环境控制不力、地下水作用和结构性破坏等诸多问题，严重影响遗址本体的保存和开放利用，徐显秀墓葬结构和壁画也不例外。为了有效保存墓葬壁画，墓葬壁画的活性破坏源的控制和根除就显得十分重要，墓葬本身的结构形变、墓道和墓室的结构稳定，甚至于坍塌区域的控制与补砌是从宏观上保全墓葬壁画的最重要途径。然而，墓葬本体结构的修缮与加固是一个多学科的集合，工程实际案例几乎没有。

本文通过对徐显秀墓室的结构分析和加固方法研究，基于原址保护采取科学合理的墓室结构脱换补砌实施方案，有效提高墓室结构的整体稳定性，为墓室壁画的保护和保存提供可供遗存的结构面和稳定环境，也是文化遗产真实性、完整性保护、弘扬和传承的最佳措施。

2 北齐徐显秀墓室保存现状

东魏北齐墓葬的主室建筑材料按照由高到低的等级分为砖室墓、石室墓和土洞墓三种。徐显秀墓的甬道和主室皆为砖砌、级别转高，是属于达官贵族一级的砖室墓。具有重要的历史和艺术价值。北齐徐显秀墓葬主要由墓道、过洞、天井、甬道和墓室五部分组成，全长35m，天井为方形，长宽各2.20m，墓道长19m，北宽2.7m，南宽3.8m。中间相隔3m，墓室6m见方，墓室高15m。该墓室为双层青砖丁顺互层砌筑，黏土青砖规格为350×170×60mm，墓室地面满铺青砖，墓室整体砌筑为拱券顶（图1、2）。

自考古发掘以来，墓葬由于受自然和人为因素的影响，墓室周围土层在重力作用下挤压墓室砖砌体挡墙，墓室盗洞开挖破坏、地下水在自然冻融循环过程中的作用影响，使得墓葬本体出现不同程度的破坏。上世纪80年代，当地农民引水灌溉发现水大量渗失，怀疑农田灌溉水经盗洞直接灌入墓室。考古发掘后证实，墓室门有积水痕，水由封门砖缝渗入。盗洞处也有水痕，地面积水深约30cm。甬道及墓室墙体的基础部分，受水浸泡使地基不均匀沉降，砖砌墙体局部受力不均扭曲变形。局部应力集中致使大部分砖块压碎。墓室东南侧下沉深度达24cm。由于墓室东南侧砖砌体的不均匀下沉，局部受压超过砖块自身的承压能力，形成明显的压碎痕迹。西南侧局部受拉形成发育贯通裂隙。东侧、东南、西南和甬道顶部壁画结构形变，致使局部被压碎拉裂，在外力作用下鼓胀压碎后脱落。壁画表面出现不同程度的空鼓、变形、酥碱、起甲、脱落。污染等多种病害，甚至局部脱落，亟需采取保护措施以有效抢救性保存恶略环境中的珍贵壁画[6-8]（图3、4）。

3 基本性能分析

3.1 岩土物理力学性质

研究发现，徐显秀墓葬区域范围基本为黄土地层，由于垂直节理发育、透水性强，含水性差，一般透水不含水。场地地基土主要由杂填土、黄土状粉土、黄土状粉质黏土和粉质黏土等，为第四系松散堆积物。在0—12m范围内土的干密度1.3—1.4g/cm3之间，内摩擦角在30°—35°之间。

3.2 青砖物理力学性质

黏土烧制青砖，一般是在900℃—1100℃、持续8—15小时，并在期间加水冷却，使得黏土中含有的铁在不完全氧化的过程中生成低价铁（FeO）。在缺氧冷却的条件下形成虽然强度和红砖差不多，但其抗氧化性，水化、大气和盐害侵蚀方面都优于红砖。其强度一般均大于10MPa，吸水率小于20%[9]。

3.3 稳定性影响分析

大量试验表明，砖砌体在轴心压力作用下，从加载至破坏大致经历三个阶段，荷载加至破坏荷载的40%—70%，一般表现为单批砖出现裂缝;荷载加至80%—90%时，形成贯通裂缝，砌体处于极限状态;继续加载，裂缝迅速发展，并将砌体分成若干独立的小柱体，逐渐失稳或压碎歪闪直至整体破坏。

徐显秀墓室因不均匀沉降引起墓室砖砌体结构整体变形，尤其在墓室甬道和墓室东南侧等均出现不同程度的破坏，局部区域已处于第三阶段。为了防止墓室结构的再次变形和垮塌，在项目实施前首先应该对墓室结构进行全方位的支顶，以确保墓葬本体结构的整体稳定。

徐显秀墓室结构连同甬道均为圆拱形叠砌方式，墓室砖砌体挡墙采用双层叠压方式以分解墓冢封土和墓室周围侧向压应力作用。墓室顶部有三处不同方向的人为开挖扒开的孔洞，这是墓室进水的主要原因。墓室进水后的长期浸泡，致使墓室结构不均匀沉降，拱券整体变形，打破了原有的平衡，砌体结构产生了水平推力，局部区域应力集中而受压，对应区域受拉，使得墓室有整体倾斜滑移趋势。随着墓室结构变形的加剧，局部应力集中受压区域至极限状态后砖砌体被压碎歪闪，并有扩大发展趋势。此为墓室结构破坏的活性源和主导病因。

4 墓葬墓室加固方案比选

4.1 青砖补砌方案

此方案是在拆除坍塌外闪砖砌体后，对墓室东南侧基础做进一步的夯实处理，并按照原工艺砌补复原压碎外闪砖砌体区域，恢复拱券的支顶作用。具体实施工艺为：（1）采用刚柔性相结合的方式支顶墓室拱门洞口，偏向西侧。支顶过程中尤其要确保壁画的安全。（2）拆除拱券下东侧歪闪青砖砌体，下部局部区域留有70cm高的砖砌体，拆除过程中尽量留有马牙槎，确保新砌补砖砌体与原有结构很好地连接，并夯实基础以提高墙体的整体稳定性。（3）拆除过程中，采取多种防护措施确保墙体的稳定。（4）采用同样砖砌体，素土浆砌筑，待达到一定强度后拆除所有的支顶措施。（5）砖砌体表面大面积修复，确保墙体整体观感和艺术审美。（6）布设变形监测点，长期观测墓室墙体的整体稳定，必要时再采取针对性措施加以保护。

采用砖结构恢复拱券，一定程度上起到支顶和稳定墓室过道的作用。其优点为：（1）采用砖砌体结构恢复拱券，是理想的结构，满足原材料、原工艺、最小干预最大兼容的保护原则。有效恢复拱圈砖砌体结构，更是对传统工艺技法和建筑形制的继承和再现。（2）拆除区域较小，难度较小，实现力更强。（3）拆除过程中相对支顶范围较小，安全系数较高。（4）不涉及壁画揭取和回贴，降低施工难度。（5）砌补量较小。其不足是：（1）原结构中留有压碎砖块，局部应力较集中，在外力作用下，结构可能出现较大变形。（2）新砌体与原砖砌体结合不够紧密。

4.2 隐蔽钢结构外包青砖砌体

考虑到砖砌体局部受压后变形，隐藏埋设钢结构以增强砖砌体的整体强度。其施工工艺：

（1）临时支护。采用刚柔性相结合的方式支顶墓室拱门洞口，先偏向西侧。支顶过程中确保壁画的安全。（2）揭取壁画。在确保壁画安全的前提下揭取拱券顶部及西侧门洞壁画。（3）歪闪坍塌区域青砖拆除。局部拆除青砖砌体，拆除过程中尽量留有马牙槎，拆除后及时补砌，确保新砌补砖砌体与原有结构很好地连接，提高墙体的整体稳定性。（4）防护措施。拆除过程中，采取多种防护措施确保墙体的稳定。（5）安装支顶钢结构。（6）青砖砌补。采用同样砖砌体，素土浆砌筑，待达到一定强度后拆除所有的支顶措施。

采用砖砌体结构结合刚才支顶恢复拱券，根本上解决墓室墙体及甬道的稳定，有效地保护加固失稳墙体及拱券结构。其优点为：（1）采用砖砌体结构恢复拱券，是理想的结构形制，满足原材料、原工艺、最小干预最大兼容的保护性原则。有效恢复拱券砖砌体结构，更是对传统工艺技法和建筑形制的继承和再现。（2）根治遗址本体存在的安全隐患。其缺点为：（1）采用钢结构结合砖砌体结构，给施工带来了一定的难度。主要表现为：a）由于壁画地仗为石灰，壁画揭取及回贴过程中容易破坏，且揭取面积较大，对壁画影响比较大。b）拆除过程中墓室变形比较大，如果对过洞拱券再次拆除，应考虑拆除过程中引起墓室局部应力的变化等诸多问题，风险较高。需做好相应的防护措施。c）为确保拆除砖砌体过程中的安全，必须安设变形监测装置和专人观测，分析过洞及周围的变形情况。d）一边拆除，一边支顶过洞，偶然因素较多。保证过洞整体稳定性较难。e）待拆除一侧过洞砖砌体后，稳妥布设支顶钢架，砌补过程要隐蔽钢构件，砌补厚度只有35cm，隐蔽贴补施工相对比较困难。每一步操作均有很大风险。（2）采用钢结构及砖砌体结构施工复杂，周期长。（3）采用钢结构及砖砌体结构支顶，施工难度大，风险大。

4.3 外设钢结构支顶

考虑到砖砌体局部受压后变形，为使砖砌体和原有结构之间更好地衔接，而在砖砌体表面埋设钢结构以增强砖砌体的整体强度。施工工艺为：（1）采用外设钢结构支顶。（2）在砖砌体外侧布设钢结构框架，支顶严重变形的砖砌体。（3）为使其与砖砌体更好地结合，节点处设置45cm长的支顶架深入砖砌体。（4）局部拆除青砖砌体并进行必要的修补。（5）钢结构基础埋深不小于50cm，并采用三合土。（6）所有钢构件均采用防腐措施。其优点为：（1）对本体的干扰最小，能有效地恢复拱券外形，同时有效地将濒危拱券通过钢结构支顶，形成整体，从而有效地保护拱券。（2）采用钢结构拱券支顶，施工难度较小，风险难度较小。（3）操作工艺简单，造价低。其不足为：（1）严重影响墓室观感，影响墓室艺术价值。（2）整体稳定性不强，外力作用下，局部压碎砖砌体仍然会发生较大变形。

5 墓室结构实施对策

5.1 强度计算

试验表明，砌体的抗压强度均低于砌体块体本身的强度，是砌体本身灰缝厚度不一、砂浆饱和度和均匀程度等所致砌体本身处于不均受压状态。砌体结构破坏一般都是局部受压或受拉破坏。为了方便计算，将实际墓室结构进行简化，墓冢封土自重按照规则棱台计算，棱台顶部直径2m，底部直径12m。取墓室1m宽范围内的拱券结构按照刚性方案计算墓室砖砌体不同剖面承受的最大剪应力和弯矩。墓室结构如图5，其简化结构如图6所示。

（1）墓冢土体自重线性均布荷载

=217.62KN/m

式中的r代表墓冢顶部半径取0.855m，R为墓冢封土底部半径为3.945m，h为墓冢封土的高度取4.631m，γ为土壤的天然重力密度，取18KN/m3，L为受力线性长度取7.889m。

（2）砖墙自重

G0上=γ0dh=19×0.72×5.264=72.01KN

G0下=γ0dh=19×0.72×2.974=40.68KN

其中砖砌体的容重γ0取19KN/m3，墙体厚度d为0.72m，墙体高度h为8.058m。

（3）土壤侧压力

=43.89KN/m

式中的γ为土壤的天然重力密度，取18KN/m3，l为计算单位长度，h为墓室开挖深度，λ为土的内摩擦角，取35°。

（4）跨中最大弯矩位置及最大弯矩

弯矩最大值的位置即为剪力V为零的位置，以上端铰支座A为坐标原点，下端为B，剪应力为零的位置距原点的距离为X。

墓冢封土等效计算，

h1=Gs/γ=204.85/18=12.09m

=58.76KN/m

拱券砖砌体等效计算，

h2=G0上/γ=72.01/3.217×18=1.24m

=6.03KN/m

等效均布荷载引起的支座反力

RA=RB=1/2（qGs+qG0上）H=261.04KN

墓室周围土侧向压力引起的支座反力

RA=1/6（qsH）=58.94KN

RB=1/3（qsH）=117.89KN

e1=268mm

e2=e1/2

当A端弯矩

M=Gse1+G0上e2

=29.16+9.65=38.81KN时

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

则当全部荷载作用时

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，？渍=0.75，A=0.72，f=1.38N/mm3

N=？渍Af=745KN>NI=330.3KN

最大破坏面处的抗力远远大于其变形产生的内力，因此，仅采用砖砌体支护足以满足强度和稳定性的要求。

5.2 实施工艺

（1）支顶

采用刚柔性相结合的方式支顶主室砖券洞口，支顶前必须做好墓室壁画的临时防护措施，其过程中确保壁画的安全。实施过程中为确保支顶构架与拱券的紧密结合，甬道拱券中间采用16T油压千斤顶支顶，其余危险部位均采用支顶架施加预应力支顶，确保其支顶结构和砖砌体的紧密结合（图7）。

（2）拆除

首先拆除主室南壁拱券下东侧挤压青砖砌体碎块，下部留有70cm高，拆除过程中尽量留有马牙槎，确保新砌补砖砌体与原有结构很好地连接，提高墙体的整体稳定性（图8）。拆除过程中，采取多种防护措施确保墙体的稳定，待南部砖砌体整个修复结束后再拆除拱券下部碎砖，防止拱券整体变形下坠（图9）。

（3）传统工艺砌补

选用的砖为专门定制的与主室砖相同规格的青砖，提前1—2天浇水湿润，湿润程度达到水浸润砖体15mm为宜。不宜在砌筑时临时浇水。

（4）砌体结构补强

采用与原来砖砌体相同的工艺用灰浆砌筑。新砖砌体与原砌体中间灌入水泥砂浆，并每隔20cm在砖缝中间用电锤开孔，然后埋入Φ8mm的钢筋，长度为20—60cm（图10、11），确保与原有砖砌体的紧密结合。

（5）砖砌体裂缝灌浆

在原砌体灰缝内植入灌浆管，用100mL注射器灌水泥砂浆（图12、13），确保砌筑后内部空洞填充密实，提高砌体的整体强度。

（6）勾缝

在砖砌体灰缝表面填补泥（图14），目的是通过勾缝，增大单块砖之间的结合程度，更大限度地提供砖砌体的整体强度。

（7）表面效果处理

待达到一定强度后拆除所有的支顶措施，为确保墙体观感和整体协调性，对砖表面采取必要的处理，使新砌体与原来砖砌体整体协调，远看无区别（图15）。

6 结 论

（1）北齐徐显秀墓葬墓室结构的加固技术研究对类似墓葬结构的加固具有重要意义。

（2）北齐徐显秀墓室结构病害的突显和发展，受保存环境等多重因素影响。在采取措施时，必须遏制导致墓室结构变形的活性源，并对结构本体进行必要的补强加固，提高整体稳定性。

（3）墓室拱券砖砌体的加固，首次应用砌体结构刚性方案理论判据，并为保护措施的实施提供了有力的依据。

（4）墓室结构的稳定是墓室壁画修复的前提和保障，在保护实施过程中一定要遵循先结构后表面的基本原则和程序。

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