李 兵（北京特種工程設(shè)計研究院 北京 100028）

張兵峰（中國文化遺產(chǎn)研究院 北京 100029）

旺 久（西藏自治區(qū)文物局 西藏拉薩 850000）

引言

北京故宮紫禁城城墻建于明永樂十八年（1420年），距今已有近六百年歷史，是我國現(xiàn)存最為完整的皇家宮殿城墻，世界文化遺產(chǎn)故宮的重要組成部分。出于遺產(chǎn)監(jiān)測和城墻保護的需要，準確查明城墻的保存狀態(tài)、及時對危險區(qū)域進行加固是非常必要的。但是由于文物保護工程的特殊性，坑探、槽探及鉆探等常規(guī)有損檢測無法大范圍使用，因此，無損檢測成為調(diào)查紫禁城城墻的重要手段。

無損檢測由于具有無損、快速、簡便和經(jīng)濟的特點，在文物保護領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。已有的實踐中，王亞清等使用地質(zhì)雷達對山海關(guān)古城墻隱伏缺陷進行了探測[1]；何培等使用高密度電法對古墓葬進行了探測[2]；陳祥等使用超聲波CT層像法對古月橋條石的風化程度進行了評價[3]；史寧昌等通過紅外熱波檢測技術(shù)分析了壁畫、鑄鐵佛頭、陶俑、漢白玉螭首等多種不同材料不同結(jié)構(gòu)文物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、損傷等信息[4]。這些無損檢測方法在文物保護工作中都取得了不錯的效果。本次工作選取了其中一部分方法進行測試，并與傳統(tǒng)坑探結(jié)果進行比對。

無損檢測方法的現(xiàn)場試驗

紫禁城城墻為內(nèi)部夯土、外部砌磚的磚包土結(jié)構(gòu)（圖1），在六百年歷史中歷經(jīng)風雨，也經(jīng)過多次維修，目前保存狀況不容樂觀，出現(xiàn)海墁不均勻沉降、城墻墻體面層磚離鼓及城墻墻體鼓脹等病害（圖2）。為了查明紫禁城城墻的結(jié)構(gòu)特點和病害分布情況，選擇合適的無損檢測方法尤為重要，本次工作針對故宮紫禁城城墻的結(jié)構(gòu)和病害，現(xiàn)場分別采用地質(zhì)雷達、高密度電法、超聲波CT成像及彈性波CT成像等多種無損檢測方法對紫禁城城墻進行測試。

（一）地質(zhì)雷達測試

地質(zhì)雷達法(Ground Penetrating Radar Method)是利用探地雷達發(fā)射天線向目標體發(fā)射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目標體的反射電磁波，探測目標體空間位置和分布的一種地球物理探測方法。其實際是利用目標體及周圍介質(zhì)電磁波的反射特性，對目標體內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷（或其他不均勻體）進行探測[5][6]（圖3）。探地雷達通過雷達天線對隱蔽目標體進行全斷面掃描的方式獲得斷面的垂直二維剖面圖像，具體工作原理是：當雷達系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播時遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波運動特征，再通過信號技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術(shù)人員通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標物的實際結(jié)構(gòu)情況。探地雷達工作原理如圖4所示。

現(xiàn)場將地質(zhì)雷達測試工作布置在紫禁城東南角樓和午門之間城墻段頂部，重點在東南角樓和午門之間坍塌處進行了地質(zhì)雷達測試，測試天線采用500ZHz頻率天線，測試位置如圖5所示。

地質(zhì)雷達測試結(jié)果如圖6及圖7所示?？梢钥闯觯刭|(zhì)雷達清晰地看出了城墻內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和城墻內(nèi)部的孔洞現(xiàn)象。為了驗證地質(zhì)雷達的測試結(jié)果，現(xiàn)場在坍塌處采用坑探的方法揭露城墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探坑揭示的城墻內(nèi)部情況如圖8及圖9所示，和地質(zhì)雷達測試結(jié)果比較吻合。從以上對比測試結(jié)果可以看出，地質(zhì)雷達對測試城墻結(jié)構(gòu)和城墻病害作用比較明顯，能夠比較直觀地反映城墻內(nèi)部的病害特征和結(jié)構(gòu)形式。

（二）高密度電法測試

高密度電阻率法是普通電阻率法的一種改進形式，針對普通電法的缺陷，在儀器設(shè)備和勘察方法上都比普通電法優(yōu)越。其集中了電剖面法和電測深法的特點，不僅可以提供地下一定深度范圍內(nèi)橫向電性變化情況，而且還可提供垂向電性的變化特征[7][8]。該方法可選用多種裝置類型進行組合觀測，測點密度高，從而彌補了普通電阻率法數(shù)據(jù)少、解譯方法單一的不足，增強了適應(yīng)各種地電條件的能力。根據(jù)電極空間位置的不同，高密度電阻率勘探的裝置形式又分為二極裝置、三極裝置、偶極裝置、溫納和斯龍貝格裝置等工作方法。這些方法具有各自的優(yōu)點以及相應(yīng)的限制條件，目前工程中常用的主要有溫納裝置、斯龍貝格裝置、雙邊三極和二極裝置。

紫禁城城墻內(nèi)部墻磚和夯土的電阻率有很大的差異，通過高密度電法確定的視電阻率剖面能夠反映這一特性，確定墻磚和夯土的分界面，從而確定城墻在縱向剖面的建筑形制。本次工作沿城墻頂面進行高密度電法測試，由于城墻頂面鋪有城磚，普通的電極無法插入，會影響測試結(jié)果，現(xiàn)場嘗試采用了鹽水毛巾電極解決該問題。所謂鹽水毛巾電極是把毛巾在飽和鹽水中浸泡一段時間，然后包在電極開關(guān)串上。在進行高密度電法測試時，把鹽水毛巾電極按照預(yù)設(shè)的電極距放在城墻頂?shù)孛嫔希▓D10），這樣就解決了測試中接地電極的問題。

從東南角樓至午門之間112米的高密度電法測試剖面如圖11所示。從該剖面圖可以看出，在坍塌處（60～62米處）的局部高阻抗區(qū)域，探坑揭示為城墻海幔下的孔洞區(qū)域，因此高密度電法測試成果和實際情況比較吻合。

（三）彈性波CT成像

彈性波CT成像技術(shù)是根據(jù)聲波射線的幾何運動學原理，利用聲波發(fā)射、接受系統(tǒng)在被檢測體的一側(cè)發(fā)射，在另一側(cè)接收，用聲波掃描被檢測物體。用于現(xiàn)場的觀測系統(tǒng)為一發(fā)多收聲系，即在一側(cè)單點發(fā)射，另一側(cè)作扇形排列接收，然后逐點同步沿剖面線移動進行掃描觀測。該方法首先將待檢測斷面剖分為諸多矩形單元，然后從不同方向?qū)γ恳粏卧M行多次地震波射線掃描，即由來自不同方向的多條射線穿過一個單元，用所測地震波走時數(shù)據(jù)進行計算成像，其成像結(jié)果可精確、直觀表示出整個測試斷面上不同建筑材料的分布區(qū)域[9][10]。

現(xiàn)場在東南角樓和午門坍塌處首先進行了超聲波CT成像測試，發(fā)現(xiàn)激發(fā)源的信號無法穿透城墻傳遞過去，即無法進行測試。因此超聲波CT成像測試方法對于城墻類遺址不太適用。

由于超聲波CT成像的測試方法在現(xiàn)場測試效果不理想，我們選擇了頻率較低的彈性波CT成像進行測試。彈性波的頻率較低，因此穿透能力較強，從測試結(jié)果看能反映一定問題（圖12）。從測試結(jié)果圖可以看出，底部夯土的速度比較高，頂部夯土的速度比較低，說明底部夯土的密實程度較高，頂部夯土的密實程度較低。但是對于城墻內(nèi)部病害特征反映不是很明顯，同時由于測試方法的局限，對于城墻兩側(cè)墻體結(jié)構(gòu)的測試效果不是很好。

結(jié)論

通過在紫禁城城墻上進行多種無損檢測現(xiàn)場試驗，根據(jù)現(xiàn)場試驗檢測結(jié)果和探坑揭露的實際情況相互驗證，可以得出如下結(jié)論：

1.地質(zhì)雷達的測試方法，測試過程簡單，對城墻沒有任何損害，測試結(jié)果能夠反映城墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和病害情況，適合在城墻調(diào)查中大范圍使用。

2.高密度電法的測試方法，通過采用鹽水毛巾電極的方法能夠測出城墻內(nèi)部的電阻率異常情況，測試過程簡單，在一定程度上能夠反映城墻內(nèi)部的特征，適合在城墻調(diào)查中使用。

3.超聲波CT由于穿透能力弱，無法穿透城墻，因此不適用城墻調(diào)查。彈性波CT成像法能夠一定程度反映城墻內(nèi)部彈性波波速的差異，但是對于城墻結(jié)構(gòu)的測試效果不理想，并且測試過程復(fù)雜，而且需在城墻上進心敲擊，對城墻有一定的破壞，因此不宜在城墻調(diào)查中大規(guī)模使用。

綜上所述，地質(zhì)雷達和高密度電法這兩種無損檢測方法，測試過程簡單，測試結(jié)果準確，對城墻沒有任何損壞，適合在紫禁城城墻這類磚包土的城墻類文物結(jié)果及病害調(diào)查中大規(guī)模應(yīng)用。