南京明城墻監測分析

王南南

摘 要：南京明城墻始建于1366年，砌筑城墻的材料和工藝歷經幾百年的歲月，城墻自身強度降低。同時由于城墻頂面、立面防排水設施失效，加速了風化、剝落、鼓脹等各種病害的產生和發展，城墻內外立面多處出現風化、鼓脹、裂縫、剝落等病害情況，需實時監控城墻本體的變化情況，建立城墻本體安全狀況監測系統，通過全站儀、振弦式測縫計、經緯儀等儀器，定期進行監測數據分析，嚴重部位建立預警以利于城墻維護。文章通過介紹近幾年南京城墻解放門至太平門段城墻的病害監測數據，簡單分析監測工作的原理及意義。

關鍵詞：南京明城墻;鼓脹;裂縫;監測;維護

1 項目概況

南京城墻屬全國重點文物保護單位，它東傍鐘山，西據石頭，南逢秦淮，北控后湖，實測周長35.267km。公元1366年，明太祖朱元璋聽取朱升“高筑墻”的建議，始筑都城垣，至1386年竣工，前后達21年之久，不僅建成當時世界上最長的城墻，也是迄今世界上最堅固的城墻之一。2012年11月作為“中國明清城墻”項目的牽頭城市被列入中國世界文化遺產預備名單。

南京城墻畢竟已經建成600余年，因超期服役、風化以及外部條件的不斷變遷，使幸存的南京明城墻尚有多處險情和隱患，現存主要問題有：一是部分段城墻頂面、立面長滿植物，局部墻體松動;二是城墻內外立面多處出現風化、鼓脹、開裂、剝落，部分段墻體有坍塌危險;三是少數城墻附屬設施存在安全隱患等。

為了切實加強對城墻的科學保護和管理，利用城墻本體安全監測系統，采集數據，分析變化狀況，定期借助無損檢測技術對城墻進行“體檢”，排查病害，建立病害動態數據庫系統，為城墻搶險、消險工程提供有力的數據支撐。南京城墻結構較為復雜，每段不一，大致可以分為四種，分別為條石墻、城磚墻、包山墻以及條石、城磚混砌墻。按照南京城墻目前各區段的連續情況、保存現狀及修筑方式等，大致可將南京城墻分為9個區段進行監測及數據采集分析，具體分段見圖1。

全程城墻范圍最為嚴重的裂縫、鼓脹區域為解放門至太平門段，即圖1城墻分段示意圖中太平門至臺城段，該區段外側墻面病害主要為裂縫、鼓脹、墻磚松動剝落、風化缺失和植物病害等，其中九華山公園登城口至轉角處的病害較為集中，裂縫寬度最大超過10cm，并伴隨墻面錯動和鼓脹現象。城墻轉角及附近墻面出現多條大裂縫，裂縫深度最大超過1.5m，其中轉角處墻面表層剝落嚴重，部分未剝落的城磚懸掛于墻面有掉落的可能，脫落表層與內墻面無拉結構件（圖2）。

九華山段明城墻從玄武門經解放門至太平門，是目前南京城墻現存最長、最完好的一段城墻，同時也是最高大的一段城墻，城墻垛口至城外地面的高度普遍在20～25m。

2 監測內容

2.1 明城墻本體裂縫監測

部分城墻段存在的裂縫有橫向的水平裂縫、豎向的裂縫及斜向裂縫。根據墻體裂縫的具體情況，主要采用以下3種方案：第一種在城墻裂縫部位埋設標尺作監控點，用全站儀（測角精度0.5s，測距精度0.5mm+1ppm×D）直接對裂縫進行裂縫的角度測量，然后計算;第二種在城墻裂縫部位埋設標尺做監控點，應用相機拍照（應用長焦相機，如離地面較高采用無人機拍攝），然后應用地面近景攝影測量的相關理論進行數據處理;第三種采用振弦式測縫計，由于觀測采用的頻率作為觀測信號，故觀測時要注意觀測溫度、接觸電阻、泄露電阻的影響，并選擇適宜的觀測條件，減少此方面的影響。最后，依據振弦式頻率測定儀測出測縫計的頻率代入計算公式，計算出建筑物表面縫隙的寬度變化情況。

測縫計的一般計算公式：

Lm=k△F+b△T=k（F-F0）+b（T-T0）

式中：Lm—被測結構物的變形量，單位為mm

k—測縫計的測量靈敏度，單位為mm/F

△F—測縫計實時測量值相對于基準值的變化量，單位為F

b—測縫計的溫度修正系數，單位為mm/℃

△T—溫度實時測量值相對于基準值的變化量，單位為℃

F—測縫計的實時測量值，單位為F

F0—測縫計的測量基準值，單位為F

T—溫度的實時測量值，單位為℃

T0—溫度的測量基準值，單位為℃

振弦式測縫計的敏感測量元件，其與固定機架的材料線膨脹系數極為接近，試驗所得其溫度修正系數小于最小讀數，由此一般計算可用公式：L=k△F。

九華山拐角處總共有6處裂縫儀監測點，城墻拐角東側處段總共有4處裂縫標尺監測點，各點的裂縫數值都在逐漸變大（表1）。

2.2 明城墻本體鼓脹監測

將全站儀（測角精度0.5s，測距精度1mm+1ppm×D）安置在基準點上，嚴格對中整平后瞄準后視基準點，然后瞄準墻體鼓脹監測點，測量水平角、豎直角、距離，在另一基準點重復上述測量（需觀測2個測回）。通過計算三維坐標及校核，計算鼓脹監測的位置變化。臺城至太平門（大橋西側處）主要病害是城墻鼓脹，布設方案是布設21個鼓脹監測點和3個基準點（圖3）。

臺城（大鐵橋西側第1處）、臺城（大鐵橋西側第2處）、臺城（拐角處）、臺城（拐角處東）段總共有84處鼓脹監測點，各點的鼓脹數值都在逐漸增大，但整體幅度較小。近一期內由于雨水汛期來臨變化幅度較大（表2）。

2.3 明城墻本體沉降及位移監測

明城墻本體沉降監測采用二等水準測量開展，平差采用精密平差，明城墻本體位移監測采用GPS靜態觀測。

2.4 明城墻巡視檢查

為了確保城墻本體的安全，在應用儀器監測的同時，還需加強巡視檢查。巡視內容包括城墻本體的巡視、城墻本體周邊環境的變化、監測設施的巡視（基準點、監測點完好狀況，有無影響觀測工作的障礙物，監測元件的完好及保護情況）。巡視檢查方法以目測為主，輔以攝影、攝像等設備。應用無人機定期按航線巡視拍攝比對。考慮到城墻周邊有軍區等敏感區域，不允許無人機飛行，敏感處仍使用傳統目測方法。

3 監測數據分析

在巡視檢查中發現解放門至太平門段拐角等多處地方，面向玄武湖方向的一側，發現城墻的裂縫較大、觀感差，還出現表層剝落的現象，現就該監測區域近期及近兩年裂縫、鼓脹等數據進行匯總并，進行對比分析。

裂縫監測值在監測點TJL-6（裂縫儀編號104）處出現極值，達到10.159mm，最大日均變化量為0.124mm/d。裂縫標尺監測值在監測點TJL-6處出現極值，達到62.5mm，近兩年累計變形量最大值在監測點TJL-4處出現極值，達到7.5mm，整體仍呈上升趨勢。鼓脹監測在臺城段（大鐵橋西側第2處）出現極大值10.9mm，整體仍呈穩定上升趨勢。最大日均變化量為0.079mm/d，沉降監測表明解放門東監測點JFM05處沉降量較大為7.1mm，最大日均沉降量為0.020mm/d。

根據上述數據分析，加上變化速率超出《建筑變形測量規范》（JGJ8-2016）中5.5.5.4條“當最后100d的沉降速率小于0.01～0.04mm/d時可以認為已進入穩定階段”的規定。可以確定明城墻九華山段城墻拐角東側處等區域存在安全隱患，應予以重視并采取相應措施（圖4）。

4 結論

由于近期解放門至太平門段城墻觀測數據及監測數據波動大，城墻表面觀感差，表明其是存在安全隱患的，因近期雨水天氣，裂縫、鼓脹已經發生了變化。若進入雨水主汛期，在強降雨條件的影響下，發生變化的可能性大。后期監測中應加強巡視觀察，提高防范意識，必要時隔離安全區。根據監測數據及時進行維修方案編制及報國家文物部門審批等工作，以避免該段城墻出現坍塌等嚴重事件的發生，也遵循了文物預防性保護理念。綜上所述，對南京明城墻本體安全進行科學監測工作，在南京城墻的保護工作中具有非常重要的意義。

（本文數據來源于南京城墻保護管理中心內部資料《南京明城墻本體安全監測分析報告（2010年—2019年）》。）

參考文獻

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