紫禁城城墙无损检测方法的应用研究

李 兵（北京特种工程设计研究院 北京 100028）

张兵峰（中国文化遗产研究院 北京 100029）

旺 久（西藏自治区文物局 西藏拉萨 850000）

引言

北京故宫紫禁城城墙建于明永乐十八年（1420年），距今已有近六百年历史，是我国现存最为完整的皇家宫殿城墙，世界文化遗产故宫的重要组成部分。出于遗产监测和城墙保护的需要，准确查明城墙的保存状态、及时对危险区域进行加固是非常必要的。但是由于文物保护工程的特殊性，坑探、槽探及钻探等常规有损检测无法大范围使用，因此，无损检测成为调查紫禁城城墙的重要手段。

无损检测由于具有无损、快速、简便和经济的特点，在文物保护领域得到广泛应用。已有的实践中，王亚清等使用地质雷达对山海关古城墙隐伏缺陷进行了探测[1]；何培等使用高密度电法对古墓葬进行了探测[2]；陈祥等使用超声波CT层像法对古月桥条石的风化程度进行了评价[3]；史宁昌等通过红外热波检测技术分析了壁画、铸铁佛头、陶俑、汉白玉螭首等多种不同材料不同结构文物的内部结构、损伤等信息[4]。这些无损检测方法在文物保护工作中都取得了不错的效果。本次工作选取了其中一部分方法进行测试，并与传统坑探结果进行比对。

无损检测方法的现场试验

紫禁城城墙为内部夯土、外部砌砖的砖包土结构（图1），在六百年历史中历经风雨，也经过多次维修，目前保存状况不容乐观，出现海墁不均匀沉降、城墙墙体面层砖离鼓及城墙墙体鼓胀等病害（图2）。为了查明紫禁城城墙的结构特点和病害分布情况，选择合适的无损检测方法尤为重要，本次工作针对故宫紫禁城城墙的结构和病害，现场分别采用地质雷达、高密度电法、超声波CT成像及弹性波CT成像等多种无损检测方法对紫禁城城墙进行测试。

（一）地质雷达测试

地质雷达法(Ground Penetrating Radar Method)是利用探地雷达发射天线向目标体发射高频脉冲电磁波，由接收天线接收目标体的反射电磁波，探测目标体空间位置和分布的一种地球物理探测方法。其实际是利用目标体及周围介质电磁波的反射特性，对目标体内部的构造和缺陷（或其他不均匀体）进行探测[5][6]（图3）。探地雷达通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的垂直二维剖面图像，具体工作原理是：当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。探地雷达工作原理如图4所示。

现场将地质雷达测试工作布置在紫禁城东南角楼和午门之间城墙段顶部，重点在东南角楼和午门之间坍塌处进行了地质雷达测试，测试天线采用500ZHz频率天线，测试位置如图5所示。

地质雷达测试结果如图6及图7所示。可以看出，地质雷达清晰地看出了城墙内部的结构和城墙内部的孔洞现象。为了验证地质雷达的测试结果，现场在坍塌处采用坑探的方法揭露城墙内部结构，探坑揭示的城墙内部情况如图8及图9所示，和地质雷达测试结果比较吻合。从以上对比测试结果可以看出，地质雷达对测试城墙结构和城墙病害作用比较明显，能够比较直观地反映城墙内部的病害特征和结构形式。

（二）高密度电法测试

高密度电阻率法是普通电阻率法的一种改进形式，针对普通电法的缺陷，在仪器设备和勘察方法上都比普通电法优越。其集中了电剖面法和电测深法的特点，不仅可以提供地下一定深度范围内横向电性变化情况，而且还可提供垂向电性的变化特征[7][8]。该方法可选用多种装置类型进行组合观测，测点密度高，从而弥补了普通电阻率法数据少、解译方法单一的不足，增强了适应各种地电条件的能力。根据电极空间位置的不同，高密度电阻率勘探的装置形式又分为二极装置、三极装置、偶极装置、温纳和斯龙贝格装置等工作方法。这些方法具有各自的优点以及相应的限制条件，目前工程中常用的主要有温纳装置、斯龙贝格装置、双边三极和二极装置。

紫禁城城墙内部墙砖和夯土的电阻率有很大的差异，通过高密度电法确定的视电阻率剖面能够反映这一特性，确定墙砖和夯土的分界面，从而确定城墙在纵向剖面的建筑形制。本次工作沿城墙顶面进行高密度电法测试，由于城墙顶面铺有城砖，普通的电极无法插入，会影响测试结果，现场尝试采用了盐水毛巾电极解决该问题。所谓盐水毛巾电极是把毛巾在饱和盐水中浸泡一段时间，然后包在电极开关串上。在进行高密度电法测试时，把盐水毛巾电极按照预设的电极距放在城墙顶地面上（图10），这样就解决了测试中接地电极的问题。

从东南角楼至午门之间112米的高密度电法测试剖面如图11所示。从该剖面图可以看出，在坍塌处（60～62米处）的局部高阻抗区域，探坑揭示为城墙海幔下的孔洞区域，因此高密度电法测试成果和实际情况比较吻合。

（三）弹性波CT成像

弹性波CT成像技术是根据声波射线的几何运动学原理，利用声波发射、接受系统在被检测体的一侧发射，在另一侧接收，用声波扫描被检测物体。用于现场的观测系统为一发多收声系，即在一侧单点发射，另一侧作扇形排列接收，然后逐点同步沿剖面线移动进行扫描观测。该方法首先将待检测断面剖分为诸多矩形单元，然后从不同方向对每一单元进行多次地震波射线扫描，即由来自不同方向的多条射线穿过一个单元，用所测地震波走时数据进行计算成像，其成像结果可精确、直观表示出整个测试断面上不同建筑材料的分布区域[9][10]。

现场在东南角楼和午门坍塌处首先进行了超声波CT成像测试，发现激发源的信号无法穿透城墙传递过去，即无法进行测试。因此超声波CT成像测试方法对于城墙类遗址不太适用。

由于超声波CT成像的测试方法在现场测试效果不理想，我们选择了频率较低的弹性波CT成像进行测试。弹性波的频率较低，因此穿透能力较强，从测试结果看能反映一定问题（图12）。从测试结果图可以看出，底部夯土的速度比较高，顶部夯土的速度比较低，说明底部夯土的密实程度较高，顶部夯土的密实程度较低。但是对于城墙内部病害特征反映不是很明显，同时由于测试方法的局限，对于城墙两侧墙体结构的测试效果不是很好。

结论

通过在紫禁城城墙上进行多种无损检测现场试验，根据现场试验检测结果和探坑揭露的实际情况相互验证，可以得出如下结论：

1.地质雷达的测试方法，测试过程简单，对城墙没有任何损害，测试结果能够反映城墙内部结构特征和病害情况，适合在城墙调查中大范围使用。

2.高密度电法的测试方法，通过采用盐水毛巾电极的方法能够测出城墙内部的电阻率异常情况，测试过程简单，在一定程度上能够反映城墙内部的特征，适合在城墙调查中使用。

3.超声波CT由于穿透能力弱，无法穿透城墙，因此不适用城墙调查。弹性波CT成像法能够一定程度反映城墙内部弹性波波速的差异，但是对于城墙结构的测试效果不理想，并且测试过程复杂，而且需在城墙上进心敲击，对城墙有一定的破坏，因此不宜在城墙调查中大规模使用。

综上所述，地质雷达和高密度电法这两种无损检测方法，测试过程简单，测试结果准确，对城墙没有任何损坏，适合在紫禁城城墙这类砖包土的城墙类文物结果及病害调查中大规模应用。