永祚寺雙塔變形監測方法及數據分析

溫少杰

（太原市文物保護研究院，山西 太原 030000）

1 項目背景

三晉名剎永祚寺，俗稱“雙塔寺”，坐落于山西省太原市東南方向的山崗上，是一處集歷史人文與自然風光于一體的游覽勝地。2006年5月被公布為第六批全國重點文物保護單位。

據寺內宣文佛塔剎頂寶瓶外壁的銘文記載，永祚寺始建于明萬歷二十七年（1599）。當時為了補輔太原文運不足，興盛士風，以傅霖為首的縉紳、學士初建一座風水塔，即文峰塔（東塔），寺名“永明寺”。文峰塔建成九年后，明萬歷三十六年（1608），在晉王朱敏淳的倡導、邀請和萬歷皇帝母親慈圣宣文皇太后的資助下，五臺山住持妙峰法師又增建一座新塔“宣文佛塔”以及無梁殿建筑群：大雄寶殿、三圣閣、兩耳方丈和西禪堂、東客堂，形成了“兩峰插天”、樓閣巍然的大觀，并改寺名為“永祚寺”。歷代地方志都把“凌霄雙塔”作為太原古八景之一，被譽為“晉陽奇觀”。姚奠中老先生在《永祚雙塔四百周年記》中寫道：“永祚之所以著名，既在于大殿牡丹，更在于雙塔。……行旅遠來，遙見塔影，即知太原將至；公私外出，回首塔身，漸遠漸沒，難盡依依之懷。唯此，雙塔不僅為古城之標志，殆同于多情之主人”。可見永祚寺雙塔不單是一處古建筑文物，更是太原人民的情懷所寄托，見證了太原市四百多年的發展歷程。

然而四百年來，由于地基的不均勻沉降，地基承載能力的不足，地下水位的差異變化，偏心受壓導致惡性循環，以及地震的影響，文峰塔傾斜嚴重。1989年，專業人士對文峰塔進行了精準測量，數據顯示其塔尖相對中心位移將近2.28m，塔身扭曲變形極為嚴重，同時還對塔基地質進行了勘察；1992年，對文峰塔進行了基礎結構形式、塔底靜壓力、塔體材料抗壓強度等一系列理化檢測工作；1993年，文峰塔的中心點已向西北傾斜至2.86m；1995年7月，太原市政府聘請我國著名的糾偏大師曹時中先生開始糾偏維修文峰塔，采用沉井法，成功將斜度縮小為0.86m，引起全國文物科學專家學者的普遍關注；1996年開始對文峰塔塔基進行加固及維修，并對塔身殘破扭曲變形進行了整修等工作，讓雙塔“延年益壽”，恢復和保持了原有的風貌。

近年來，預防性保護的相關理論已成為文物保護領域的主流理念，我們作為文物保護研究的從業人員也在積極轉變保護觀念，踐行預防性保護理念，對永祚寺宣文塔、文峰塔及大雄殿等建筑進行傾斜和沉降觀測。本文主要對監測的方法進行初步探討和對一段時間內的監測數據進行分析。

2 變形監測基準網的建立和監測方法

2.1 監測思路（技術路線）

2.1.1 傾斜觀測

①布設平面控制網（GPS靜態＋地面觀測邊長，聯測已知點，作為起算數據）。

②前方角度交會，測得變形點坐標。

③求圓心方程，求得塔心坐標。

④三角高程求變形點高程，進而求得塔心高程。

⑤各層塔心對照，求得塔的傾斜。

2.1.2 沉降觀測

①布設高程控制網（水準聯測已知點，作為起算數據）。

②沉降觀測。

2.2 監測頻率和周期

觀測頻率和觀測周期的確定以能系統地反映所測建筑物的變形過程為原則。由于雙塔從糾偏后二十多年未進行過變形觀測，因此我們將其中前兩期觀測間隔定為半年，后續為每年一次。其中，首期觀測值是整個變形測量的基礎數據，兩次同精度獨立觀測，可以保證初始值有足夠的可靠性。目前，我們采用已完成三期的觀測任務做數據分析，三期觀測任務分別在2018年1月完成第一期，2018年7月完成第二期，2019年8月完成第三期。

2.3 基準網的建立

2.3.1 確立觀測起算點

太原市二等水準網（2016年實測），可作為沉降觀測基準，其中二等水準點“迎澤檢察院”“松莊村委會”“太原市實驗中學”可作為沉降觀測起算點。

太原市C級GPS網（2015年實測），可作為水平位移觀測基準，其中“測繪院”“鐵校”“趙璧溝標”可作為水平位移觀測起算點。

這些控制點均遠離變形區域，位置穩定，易于長期保存。

2.3.2 定位基礎

平面坐標系：太原獨立坐標系。高程基準：大沽高程系。

2.3.3 精度指標

依據項目的具體要求，參照《建筑變形測量規范JGJ8-2016》，項目變形監測的級別定為二等，即水平位移監測點坐標中誤差±3.0mm，沉降監測點測站高差中誤差±0.5mm。

2.3.4 平面基準點的選埋

結合場地條件，埋設15個具有強制對中裝置的觀測墩，另利用舊有觀測墩1個。點名按內外命名為N1—N7，W1—W9。

結合以上幾點要求并經現場踏勘，控制點布設如圖1。

2.3.5 高程基準點的選埋

選取5-6個水平位移觀測墩，直接在水平位移觀測墩上布設，作為高程基準點。標石及其水準標志埋設完成、凝固穩定后，利用水準儀或全站儀測量各觀測墩強制對中標志和水準標志的高差。

2.3.6 變形點的選取與布設

綜合考慮所要反映的變形量，各變形點布設要求如下：

①傾斜觀測點布設在塔的一層、六層和十一層拐角處。兩個塔共計48個。標志為直徑15mm的不銹鋼球。

②雙塔的沉降觀測點布設在塔基礎拐角的承重部位，兩個塔共布設16個點。

4座殿堂的沉降觀測點布設在每座殿堂4個基礎拐角的承重部位，共布設16個點。

2.4 觀測方法

2.4.1 平面控制網

首期觀測，需聯測“測繪院”“鐵校”“趙璧溝標”，之后各期觀測不需聯測。點N4不具備衛星定位觀測條件，需利用全站儀觀測數據平差求得。

①衛星導航定位測量。GPS網觀測采用靜態觀測模式，基本技術要求如下：網形的連接方式采用邊連式；截止高度角≥15°；有效觀測衛星數≥6；數據采樣間隔15s；PDOP值≤5；時段長度180min；觀測時段數1。

②全站儀測量。控制網外部控制點平均邊長在100m左右，內部控制點平均邊長在50m左右，對可通視的控制點利用全站儀測量邊長、水平角、垂直角。

觀測方法：開始測量 → 測量＋ → 多測回測角（中國版）→ 測站設置（輸入測站、測站點號、觀測測回數、儀器高，輸入水平角、垂直角、距離觀測的各項限差 → 學習測量（輸入點號、目標高、棱鏡類型、找準目標后點測存、照準下一點，完成后點完成 → 自動測量（儀器開始自動觀測，自動觀測完成后點確認）。

2.4.2 高程控制網

按照國家二等水準測量要求，采用水準測量的方法，與太原市測繪研究院二等水準點、“迎澤檢察院”“松莊村委會”“太原市實驗中學”聯測，平差獲得工作基點的高程，作為起算高程。

歷次觀測是通過與工作基點間聯測一條閉合水準線路，由線路的工作點來測量各觀測點的高程。

2.4.3 傾斜觀測

①按照三角高程測量的要求，測得一層、六層、十一層的角點高度和頂部的高度。

②采用前方角度交會方法，利用N1—N7基準點采用前方邊角交會的方法觀測一層的8個點，利用W1—W9基準點采用前方角度交會的方法觀測十一層的8個點，利用N1—N7和W1—W9基準點采用前方角度交會的方法觀測六層的8個點。

③傾斜觀測數據處理。

④傾斜觀測結果（表1）。

表1 傾斜觀測結果

⑤傾斜觀測成果分析（表2～表4）。

表2 第一、二期塔心坐標對比表觀測值

表3 第二、三期塔心坐標對比表觀測值

表4 塔心坐標累計變化量

由表1～表4可知，雙塔第一、二期間，第二、三期間，以及累計的變形量，小于極限誤差±6.0mm（即位移監測點坐標中誤差±3.0mm的2倍）。因此認為雙塔的位移監測點在這三期之間沒有變形或變形不顯著。

2.4.4 沉降觀測

沉降觀測按照高程控制網的觀測方法和要求，對32個沉降點進行了2次獨立觀測。以W3點的高程作為起算點，對雙塔寺的高程工作網進行平差。第二、三期，高程基準網復測后，對所有基準點分別按照兩兩組合，計算當期平差后的高差數據和上期平差后高差數據之間的差值。經計算，所有高差差值不大于限差。根據《建筑變形測量規范 JGJ8-2016》中5.4.2的規定，當所有高差差值不大于限差時，可認為基準點“雙塔寺W3”穩定，二、三期的沉降點高程計算中采用的是第一期“雙塔寺W3”的高程值。用徠卡測量LGO軟件對雙塔寺W1、W3、W8、W9、N3、N5構成的閉合線路平差計算，可得沉降數據（表5）。

表5 沉降觀測數據

由表5可知，沉降比較均勻。

3 監測中出現的問題及解決辦法

①不銹鋼觀測墩溫度變形問題。第一期觀測，發現不銹鋼墩因向陽側和背陰側的溫差存在輕微的變形，后對其不銹鋼墩進行了保溫處理，解決了該問題。

②夏天樹木生長茂盛，遮擋嚴重，觀測時有4個點只有兩個方向通視，沒有多余觀測條件。茂密的樹葉對GNSS觀測影響較大，GNSS測量控制網的精度整體有所降低。第一期的觀測時間是冬季，沒有樹葉遮擋，觀測條件較好。建議以后在冬季進行觀測。

③對比三期控制點坐標可知，控制點發生了位移。一方面不銹鋼觀測墩的平面位置通不過檢驗，另一方面，沉降量出現了負值。主要因為不銹鋼觀測墩的效果比混凝土觀測墩要差一些，埋設的控制點應經過一個凍土期和雨季的靜置。

4 總結

①從數據分析表明，永祚寺雙塔均朝西北方向傾斜，反映了雙塔的保存狀況，為今后的保護和管理提供了依據。

②測量的所有點位都有照片記錄存檔，以便日后繼續監測使用。

③建議今后增用先進的三維激光掃描技術，建立三維模型，為雙塔的保護和修繕提供更有利的保障。