王天文+李麗

【摘 要】近年來，為了切實(shí)加強(qiáng)文物的科學(xué)保護(hù)和管理，防大患于未然，把危險(xiǎn)和險(xiǎn)情控制在萌芽狀態(tài)，盡力延長南京城墻的壽命，如何采取先進(jìn)的科學(xué)手段保護(hù)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(jié)構(gòu)安全病害提出了具體的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測手段，并對幾種自動(dòng)化監(jiān)測方式和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了介紹。為今后利用自動(dòng)化安全監(jiān)測技術(shù)更好的保護(hù)南京明城墻提出了一些可行的具體建議。

【關(guān)鍵詞】明城墻；結(jié)構(gòu)安全；自動(dòng)化；監(jiān)測

1 城墻概況

南京城墻屬全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，它東傍鐘山，西據(jù)石頭，南馮秦淮，北控后湖，實(shí)測周長35.267 公里，規(guī)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(dá)21 年之久。建筑規(guī)模宏大，城垣用巨大的條石砌基，以磚石砌筑而成?，F(xiàn)存的25.091 公里城墻，雖已歷經(jīng)600 年風(fēng)雨，大部分墻體仍巍然屹立。明城墻堅(jiān)若磐石的秘密在于它的修建過程中嚴(yán)格的質(zhì)量管理。然而隨程城市建設(shè)，戰(zhàn)火洗禮以及各種人為外部因素的擾動(dòng)下，城墻結(jié)構(gòu)病害情況也變得越來越嚴(yán)重，必須得到高度的重視，作為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，依據(jù)文物建筑保護(hù)的相關(guān)規(guī)定，大規(guī)模的加固、維修都是不被允許，科學(xué)的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測變得十分重要。

2 城墻自動(dòng)化安全結(jié)構(gòu)監(jiān)測方式

由于城墻沿線較長，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜且每段城墻的隱患情況都不完全相同，根據(jù)結(jié)構(gòu)病害及病害的具體現(xiàn)場情況，建議對于南京城墻的安全結(jié)構(gòu)監(jiān)測分為兩類，一是自動(dòng)監(jiān)測：采用物聯(lián)網(wǎng)傳感器的進(jìn)行組網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集實(shí)現(xiàn)本體的自動(dòng)化監(jiān)測。通過傳感器將采集數(shù)據(jù)上報(bào)管理平臺(tái)，對上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，以便于得到對城墻管理有利的數(shù)據(jù)，盡量降低各種危險(xiǎn)事件發(fā)生。二是固定時(shí)間監(jiān)測：采用人工采集本體變化的細(xì)微數(shù)據(jù)，通過對比，比對兩個(gè)采集周期間的變化情況。固定監(jiān)測主要針對本體難以通過傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測而設(shè)計(jì)。由于人工采集數(shù)據(jù)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(dòng)化監(jiān)測方式作為參考。

2.1 裂縫監(jiān)測

裂縫監(jiān)測主要用于本體之上，對目前已經(jīng)存在的裂縫位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以掌握裂縫寬度或長度的變化情況，為裂隙的填補(bǔ)提供數(shù)據(jù)支撐。

傳感設(shè)備布置前，應(yīng)就該區(qū)域存在的裂隙情況進(jìn)行分析和記錄，測定其長度、深度和寬度等，并設(shè)置明晰的端面標(biāo)示。根據(jù)裂縫的位置、走向、長度、寬度，設(shè)置傳感器的位置和安裝數(shù)量，必要時(shí)還應(yīng)該監(jiān)測裂縫的深度。采用無線傳感器進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，自動(dòng)采集時(shí)間間隔為1分鐘～24小時(shí)均可設(shè)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(wěn)定性及觀賞性的影響。裂縫深度監(jiān)測宜采用超聲波法、鑿出法等。

2.2 位移監(jiān)測

位移監(jiān)測主要用于對本體的縱向面方向，對本體移位情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)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(yè)方法。為了最大程度的減少安裝設(shè)備對城墻本體的影響，本次項(xiàng)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(jiān)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(dāng)本體發(fā)生側(cè)方位滑移時(shí)，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(jiān)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(dāng)位置，中間采用鋼絲拉線，拉繩式位移傳感器的功能是把機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成可以計(jì)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(gè)有螺紋的輪轂上，此輪轂與一個(gè)精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器連接在一起，感應(yīng)器可以是增量編碼器，絕對編碼器，混合或?qū)щ娝芰闲D(zhuǎn)電位計(jì)，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(dòng)物體上。拉繩直線運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軸線對準(zhǔn)。運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，拉繩伸展和收縮。一個(gè)內(nèi)部彈簧保證拉繩的張緊度不變。帶螺紋的輪轂帶動(dòng)精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器旋轉(zhuǎn)，輸出一個(gè)與拉繩移動(dòng)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(jiān)測

本體及周邊環(huán)境中，對目前存在有危及本體安全的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。沉降監(jiān)測將采用基于振弦式的傳感器，通過鉆孔施工將其布設(shè)在鉆孔內(nèi)，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(jìn)行監(jiān)測，對以上特征要素的發(fā)展規(guī)律及速率進(jìn)行掌控，并根據(jù)其發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)警。城墻的豎向不均勻變形和沉降監(jiān)測可選用靜力水準(zhǔn)儀。分為無線沉降監(jiān)測和有線沉降監(jiān)測。沉降監(jiān)測系統(tǒng)主要有儲(chǔ)液罐、基點(diǎn)、測點(diǎn)、采集設(shè)備組成，靜力水準(zhǔn)儀包括主體容器、連通管、傳感器等部件。靜力水準(zhǔn)儀是利用連通液的原理進(jìn)行沉降觀測，多支通用連通管連在一起的儲(chǔ)液面總是在同一水平面上，通過測量不同儲(chǔ)液罐的液面高度，經(jīng)過計(jì)算可以得出各個(gè)精力水準(zhǔn)儀的相對差異沉降。

2.4 鼓脹監(jiān)測

受氣象和環(huán)境因素的長期影響，城墻本體的部分區(qū)域受山體/墻體內(nèi)部填充材質(zhì)的影響，存在著小面積的外突現(xiàn)象，根據(jù)此情況而設(shè)計(jì)的部位監(jiān)測。

墻體臌脹監(jiān)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(huán)氧粘膠固定在監(jiān)測結(jié)構(gòu)表面。環(huán)氧粘膠的粘接方式對城墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(huì)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過電平梁測量數(shù)據(jù)的變化差異，分析墻體鼓脹變化。

2.5 過境交通監(jiān)測

由于城市現(xiàn)代化的發(fā)展，過境交通線路（公路交通、軌道交通）的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)，過往車輛和地下鐵路過時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)，對城墻本體產(chǎn)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(fā)生。

振動(dòng)采集頻率的高要求、高幅度值，需采用光纖光柵的方式，布設(shè)響應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變傳感器，以實(shí)現(xiàn)軌道交通通過時(shí)實(shí)時(shí)測量振動(dòng)值。分布式光纖振動(dòng)測量基于光纖振動(dòng)傳感技術(shù)，以光纜作為傳感元，持續(xù)采集外界振動(dòng)信號，并將振動(dòng)信號轉(zhuǎn)化為干涉信號，傳送至光纖信號處理器后集中向監(jiān)測中心上報(bào)，經(jīng)過智能分析及模式識別，從而達(dá)到對軌道交通振動(dòng)值實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。振動(dòng)監(jiān)測的組網(wǎng)由光纖振動(dòng)預(yù)警主機(jī)、采集器、終端盒等組成。

2.6 滲水監(jiān)測

城墻本體的現(xiàn)實(shí)環(huán)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(cè)的山體內(nèi)部，可能會(huì)短時(shí)間的積攢較多的水分，導(dǎo)致內(nèi)部水容量激增，而水份無法及時(shí)排出將會(huì)直接導(dǎo)致城墻垮塌。

對于靠近城墻的山體進(jìn)行水壓力監(jiān)測，水壓力傳感器安裝于靠近滲水城墻一側(cè)的山體，通過對山體打孔進(jìn)行安裝，安裝之后采用原土掩埋，并恢復(fù)周圍生態(tài)環(huán)境，對山體的打孔不會(huì)對城墻本體造成任何影響。同時(shí)在結(jié)構(gòu)性監(jiān)測過程中可以做鉆孔壓水、注水試驗(yàn)。目的是求取巖體不同部位的滲透系數(shù)，查明巖體內(nèi)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(jié)束語

南京城墻的“衰老”已經(jīng)是不可避免的了，通過科學(xué)的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)監(jiān)測手段，定期采集數(shù)據(jù)，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(hù)方案提供科學(xué)依據(jù)，建立安全登記預(yù)警系統(tǒng)，使南京城墻逐步走向科學(xué)保護(hù)的軌道。結(jié)合南京城墻的主要破壞因素分析和實(shí)際管理工作的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)以自動(dòng)監(jiān)測為主、固定時(shí)間監(jiān)測為輔的本體監(jiān)測辦法，能更好的對存在的問題和障礙進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警。此項(xiàng)必將大大提高保護(hù)城墻工作的效率，為城墻申遺工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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