新疆北庭故城病害特征及保护加固研究
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内容摘要：达玛沟遗址的壁画由于长期处于高湿和可溶盐含量较高的埋藏环境，加上出土后存放条件所限，壁画的颜料层和地仗层已产生了多种病害。为了长期保存这批珍贵遗产，选择有典型病害的三块壁画进行修复试验并重新制作轻质可移动的支撑体，为后续保护修复提供了指导和借鉴。经修复后的壁画安全稳定，便于陈列展览。
关键词：达玛沟；出土壁画；修复试验
中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2013）01-0018-05
引言
北庭故城遗址位于新疆吉木萨尔县北偏东约12 km处，俗称为“破城子”或“唐朝城”， 1988年由国务院公布为第三批全国重点文物保护单位。遗址坐落在东天山北麓坡前地带与准噶尔盆地古尔班通古特沙漠相接壤的平原上，南依天山，北望沙漠，扼守东西交通要道，是著名的丝绸之路新北道的交汇中心。故城东通哈密，有“伊北路”；西经伊犁河流域达西亚，有著名的“碎叶路”；南越天山，直达吐鲁番盆地，有“他地道”，又称“金山道”或“车师古道”；向北穿越沙漠可至蒙古平原，有“大北道”和“回鹘路”等草原丝绸之路相连。隔天山与天山南麓的高昌、交河故城遥遥相对，共扼东部天山，有着重要的政治、军事、经济文化的战略地位[1]，目前已被列为国家级遗址公园建设地。经历千百年历史沧桑，北庭故城现仅存断壁残垣，大多数街市塔庙、官府衙署、外城的角楼、敌台及城墙上的马面已严重破坏，为保护遗址价值的传承，现有的遗迹亟须进行科学保护加固。
1 故城布局及建筑形制
北庭故城分内外两重，平面均呈不规则的南北向长方形（图1）。内城位于外城中部略偏东北。城的四角建有角楼，城墙外部筑有敌台和较密集的马面，外绕护城壕、外城之北还有羊马城。
北庭故城除农田覆盖的地域外，其布局情况具有区域差异，大致分为“官城”，内城南、北部及外城南、北部等五个小区城，具体功能分区见图2。
内外城均系夯筑，其形制基本一致，即内城墙随着外城墙的曲直而曲直。外城和内城的构筑方法也有明显的区别。外城的城墙、马面、敌台、角楼和羊马城，基本上都是薄夯层（厚6-15cm），圆夯窝，坚硬结实；内城的城墙、马面、敌台和角楼都是厚夯层（厚8-20cm）、平夯、无夯窝，比较松软。外城的城墙、马面、角楼经多次修补或增筑。据实地考查，北庭故城外城墙确有多处特别明显的唐代修补和增筑痕迹，同时也有与回鹘时期修筑的内城风格相同的修补增筑痕迹。而内城的城墙、马面、角楼、敌台等未发现修补和增筑痕迹，这说明外城和内城在构筑方法和筑城年代上都有所不同。
在自然外营力作用和人类活动影响下，历时1600多年的北庭故城遭到了严重破坏，现存遗址病害类型多、规模大、程度深。根据收集的勘察资料，遗址的主要病害有雨蚀、风蚀、掏蚀、裂隙、冲沟等。
2.1 雨蚀
雨蚀病害在北庭故城起着主导作用。墙体表面的风化层厚度8-30cm，其中顶部风化层厚度15-30cm，墙体侧面风化层厚度8-15cm。顶部风化层均有泥皮以及龟裂纹，泥皮厚度多在1-3cm，其下为疏松的风化层，龟裂纹大小不等，多呈不规则多边形（图2），尺寸为3-10cm或8-16cm。北庭故城所在地区年降水量183.1mm，最大降雨量314.2mm，降水规模相对于西北干旱半干旱地区而言相对较大。遗址体为粉土，崩解速度多在20-40g/min，且墙体顶部和底部崩解速度大于墙体中部。因此北庭故城在严重的雨蚀作用下，病害异常发育。雨蚀产生的病害主要有三种：墙面片状剥蚀、低洼区浸水、冲沟。墙面片状剥蚀是在暴雨作用下土体崩解成泥流附着在墙体上，在强烈的干湿交替作用下形成泥皮和龟裂纹，由于风等外营力的作用，泥皮脱落，有不同程度的墙面片状剥蚀，主要发育在墙体的西北面，与北庭故城的主导风向西北风有直接关系。
2.2 风蚀
北庭故城的风向以西北风和西风为主，大风经常发生，最大风速达40m/s。风蚀自始至终都参与着各种病害的发生与发展，除了形成典型的风蚀地貌外，还加重了其他病害。典型的风蚀地貌，如蜂窝状、层状、棒槌墙（图3）。蜂窝状即墙面被风吹蚀成凹凸不平的蜂窝状，在风沙的磨蚀与旋蚀作用下，由于地层岩性的差异，胶结差的地层容易被风吹蚀，形成典型的风蚀病害，在外城北墙分布广泛；层状风蚀地貌即遗址体中个别夯层土体抗风化性能差，造成与上下夯层的差异性风化凹进，从而产生夯层严重凹进于其他夯层的现象，在外城东墙、内城北墙比较发育；棒槌墙是墙基根部在酥碱作用下结构变得疏松，在风的作用下墙基被掏蚀凹进，在外城东墙南段有所发育。
2.3 掏蚀
在风和水的作用下，墙体掏蚀严重，这是北庭故城的另一个主要病害。掏蚀主要有酥碱和风力掏蚀两种。外城北墙的北面、外城东墙的东面、外城西墙的西面、外城南墙的北面、内城北墙的北面、内城西墙的西面、内城南墙的北面、羊马城北墙的北面、羊马城西墙的西面墙体基础酥碱病害较为严重，凹进深度多达25-50cm，凹进高度多为10-50cm；其他墙体基础凹进多中等凹进、轻微凹进，凹进高度多为5-18cm，凹进深度多为5-10cm。受风的影响，部分墙体夯土层薄弱层位被风掏蚀凹进，一般发育在墙体的中下部[2]。
北庭故城夯土为粉土，含水量0.63-2.51%，研究区内易溶盐主要成分为Na2SO4、K2SO4、MgSO4、CaCL2、NaCL、KCL以及少量的NaHCO3、KHCO3、CaHCO3等，尤其墙基处，易溶盐含量高达15.94mg/g，由于土体含有较多的易溶盐，pH值7.95-8.80，呈弱碱性，在雨水的作用下，盐分多集中在墙体根部，加之墙体根部含水量比较大，在温度作用下，墙体根部土体中的可溶盐尤其是Na2SO4发生反复的溶解收缩—结晶膨胀—再溶解收缩，土体结构不断疏松[3]。在风力吹蚀下，墙体基础土体风化剥落，造成基础凹进（图4）。
2.4 裂隙
裂隙是指土遗址内不同原因形成的裂隙或裂缝，它往往造成遗址体进一步的破坏，如引起坍塌或者冲沟。北庭故城裂隙主要是震动、卸荷、降雨和温度等所致。北庭故城墙体裂隙有三种类型：一是建筑工艺裂隙，即夯层之间的夯筑缝隙、不同时期修筑的接茬缝隙；裂隙张开度为3-8cm，均为贯通性裂隙，夯层之间缝隙比较平直，附近无次生裂隙。二是窑洞开挖后附近土体发育的次生变形裂隙，多集中于顶部，形状上小下大，张开度为1-10cm，多平直，无充填物，长度大小不等，大者延伸至墙体。三是卸荷裂隙，即墙体坍塌变形后所产生的宽大裂隙及伴生的裂隙，裂隙张开度 为2-12cm，呈折线、直线、曲线等形态，多有后期充填物，充填物多松散剥落土，含水量不大。建筑工艺裂隙分布广泛，卸荷裂隙多集中于墙体变形、坍塌严重的遗址区，次生裂隙主要发育在窑洞开挖后附近土体发育中。
2.5 冲沟
鉴于北庭故城受冲沟破坏严重，部分墙体的冲沟冲深达10-50cm，宽度达8-100cm，对墙体造成了极其严重的破坏，因此将冲沟从雨蚀中单独列出。由于北庭故城墙体厚，顶面宽大，形成了有利的汇水面，在墙体顶部冲沟较为发育。冲沟主要是径流型冲沟，雨水沿有利的汇水地形形成，多较宽大，冲深10-50cm，宽8-100cm。从冲沟发育特点看，墙体马面、角楼、门阙、佛塔的顶面冲沟异常发育，即大面积汇水的墙体冲沟发育，且易形成大规模冲沟。
3.1 保护加固对策
基于对北庭故城主要病害特征及主要破坏因素的分析，本着当前 “保持原状，最小干预，最大兼容”的文物保护原则，根据现场调查和施工经验，我们主要提出了以下具体的保护措施：
（1）砌补和回填
对于历史上发生坍塌和凹进的墙体进行土坯砌补，根部局部掏蚀的墙体可就近取土回填处理。土坯的尺寸根据基础凹进的深度和高度制作，总的原则是土坯砌补后方便恢复原貌和作旧。土坯可用当地可溶盐含量低的黏土制成，干密度比遗址内部土强度略高即可。砌筑泥浆选用PS-C浆液。砌筑时应分段加筋，保证原墙体和新砌体之间的整体性。该措施是在确保墙体稳定性的前提下，适度对业已坍塌的墙体进行修复，干预度适当，而且砌补后表面进行复旧处理，使之与周围土体兼容，符合文物保护准则。
（2）锚杆和注浆加固
对于危及墙体稳定的宽大裂缝采用锚杆锚固与裂缝充填注浆相结合的方法[4-6]，否则一旦裂缝中入渗雨水会导致土体软化，使裂隙继续扩大，造成墙体坍塌。裂隙注浆采用PS-（C+F）（注：F为粉煤灰，C为粉土；F∶C一般为2∶1）浆液，按自下而上的次序通过注浆管进行。锚杆可采用楠竹锚杆和玻璃纤维锚杆。楠竹锚杆长一般为1-2m，杆径35mm，壁厚0.5-0.7mm。玻璃纤维锚杆一般用于块体较大的加固体，杆长一般为2-5m，具有强度好、耐老化性强、材质轻等优点。楠竹锚杆和玻璃纤维锚杆主要用于裂隙加固，锚杆灌浆采用PS-（C+F）浆液。锚杆应进行现场拉拔试验，单根锚杆的极限锚固力≥30kN/ m。这种加固措施均较为隐蔽，一方面增强了遗址体的稳定性，一方面阻止了雨水的入侵破坏，两者兼顾了结构稳定性和耐久性的要求。此外隐蔽工程对于遗址体的外观无明显影响，符合文物保护准则。
（4）PS渗透加固
PS渗透的主要目的是防止风蚀、雨蚀。研究表明，粉土中的黏土矿物经PS处理后，可使片状、离散、晶态的黏土矿物微观结构发生变化，形成一种致密的非晶态网状胶凝体，从而使其力学性能发生巨大变化。风洞模拟实验证明，土遗址土体样品经PS渗透加固后，其耐风蚀强度提高10-13倍。水中崩解实验证明，PS处理后的遗址土体耐水性也大大提高，使PS渗透处理后的土遗址有很好的抗风蚀、雨蚀的性能。PS渗透注浆材料采用模数为3.8、浓度为3-5%的PS浆液。注浆方式采用滴渗，注浆渗透深度应超过墙面疏松风化层厚度，施工时应以实际的疏松风化层厚度为准。完成墙面的PS渗透加固后，应进行做旧处理；渗透注浆施工期间对工作面应采取防晒措施，使加固体缓慢阴干，以免形成龟裂。该保护加固措施增强了遗址体表面的抗风化能力，同时不会影响到遗址体的风貌，完全符合文物保护准则。
（5）冲沟处理
冲沟进行土坯砌补或回填处理，对汇水面进行一定的填补， 然后进行表面PS渗透，并设计排水系统。该措施主要是增强现有冲沟的抗冲刷能力，其次干预量适度，对不会遗址体的外貌有太大改变，基本符合文物保护准则。
（6）对于人为破坏和植被破坏，应加大宣传力度，加强遗址周边环境整治。
3.2 施工工艺的优化
为验证所采取措施的有效性，我们在工程实施前，针对设计方案所提出的工艺，通过现场试验改进和优化一些施工工艺，同时根据试验结果来验证措施的可行性和有效性。
（1）夯补和回填
由于风蚀和水盐运移，北庭故城城墙的下部存在严重的掏蚀凹进，一些部位已经导致了墙体的坍塌，严重影响遗址的保存，用土坯砌补后下部仍然发生酥碱，另外，也存在耐水性差的问题。针对这一问题，工程实施小组进行了现场试验，利用敦煌研究院最新研究成果，将一定比例的烧料礓石拌和到当地土中，制作出了适合于墙基夯补的改性土。烧料礓石改性土不但具有很好的耐水性、耐风蚀性，而且耐盐碱性能明显提高。将一定比例的烧料礓石改性土用于遗址风化凹进部位夯补，取得了较好的加固效果。
（2）锚固
对于遗址本体的较大块体的加固，当木质锚杆无法提供足够的锚固力时，我们采用玻璃纤维锚杆作为锚固杆材，PS-（C+F）作为锚固浆液。通过现场试验发现，PS-（C+F）和玻璃纤维锚杆匹配时，无法为较大危土体提供足够的锚固力。在现场我们进行了玻璃纤维作为杆材，烧料礓石作为浆液的试验，试验表明，玻璃纤维作为杆材，烧料礓石作为浆液不但能够满足文物保护原则，而且可以提供足够的锚固力。
（3）PS渗透加固
由于北庭故城抢险加固工程病害影响因素较多、遗址土体表面风化严重，表层孔隙大，风化疏松层厚度不均匀，厚度大的区域呈片状剥蚀，一般墙体表面比较破碎。主要出现在迎风面的墙体上，保护难度大，气候环境条件特殊，通过多次现场试验，对于风化层较厚部位的加固，我们总结出了如下的具体施工工艺：首先进行表面起皮墙体压实，主要是针对墙体表面起皮区域，采取墙体喷洒水渗透，待半干时使用柔软物体适当的压实；压实后进行PS溶液喷洒渗透。增加了喷水对疏松遗址土的压实这一措施后，遗址土体表面疏松层和内部密实层之间的差异减少，一定程度上避免了加固后遗址土表面和内部由于强度之间的差异而产生片状剥离。
根据现场试验，我们对北庭故城抢险加固工程采取的相关技术措施进行了改进，主要采取锚杆锚固、裂隙加固、土坯砌补、洞穴加固、顶面处理、表面防风化、植被治理以及坡脚处理等多种措施，顺利完成该项目一期施工任务。图版9和10、图版11和12为加固前后对比照片。
4 结论
（1）北庭故城是丝绸之路上重要的文化遗址，是国家级考古遗址公园建设地，具有重要的历史、艺术和科学价值。
（2）遗址存在风蚀、冲沟、裂隙、雨蚀等多种病害，亟待实施抢救性保护。
（3）针对遗址存在的病害，提出了表面PS 防风化加固和锚固灌浆相结合加固裂隙的对策，并取得了较好的加固效果。
（4）现场试验验证了我们设计中所采取措施的可行性，同时也对我们的施工工艺进行了优化和改进，是文物保护工程实施过程中最重要的环节之一。
参考文献：
[1]兰州大学，敦煌研究院，西北大学.北庭故城抢险加固工程勘察报告.2006.8.
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[4]李最雄，张虎元，王旭东.古代土建筑遗址的加固研究[J].敦煌研究，1995（3）：1-17.
[5]林宗元，主编.岩土工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.
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