古地下運兵道常見病害及修復(fù)措施研究

王凱，崔龍雨，范一鳴

（1.亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州 236800；2.亳州學(xué)院，安徽 亳州 236800）

1 引言

曹操運兵道位于安徽省亳州市老城內(nèi)，是中國現(xiàn)存最古老、保存最完整的地下大型軍事設(shè)施。運兵道始建于東漢末年，唐宋時期多次修葺。整個地道經(jīng)緯交織，縱橫交錯；布局奧妙，變化多樣；立體分布，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；規(guī)模宏偉，工程浩大。

目前已探明長度為8000余米，但由于大部分地段損壞嚴(yán)重，存在著較大的安全隱患，實際開放段僅600余米，供游客游覽段僅400余米。

運兵道屬于非常特殊的古建筑，深埋于地下，平均埋深度為6m，因此很難像普通古建筑一樣進(jìn)行維護(hù)、修繕。地下運兵道經(jīng)受了幾百年乃至上千年的風(fēng)雨滄桑，我市古建筑保護(hù)團(tuán)隊于2020～2021年對運兵道的現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前已開放段部分位置墻體出現(xiàn)裂縫、灰縫劣化、泛堿及青苔滋生等病害，嚴(yán)重影響古建筑的美觀和安全，如果繼續(xù)風(fēng)化和破壞下去，對運兵道來說無疑是雪上加霜，加速破壞和蛻變。本文結(jié)合國內(nèi)外古建筑修繕經(jīng)驗，綜合分析運兵道結(jié)構(gòu)特點及環(huán)境特點，提出了適合運兵道的修復(fù)方案，其結(jié)果可供文物保護(hù)單位在修復(fù)運兵道時作為參考。

2 修復(fù)原則

運兵道已有千年的歷史，具有非常重要的歷史、文化和藝術(shù)價值。運兵道的修復(fù)工作非常重要，采用的修復(fù)工藝不僅要保證堅固和修舊如舊之外，還應(yīng)該具有經(jīng)濟(jì)性、實用性、便捷性等特點[1]。對運兵道的加固與修復(fù)應(yīng)遵循的基本原則，總結(jié)為以下四點。

2.1 安全

由于運兵道處于地下，很多病害與安全隱患都難以發(fā)現(xiàn)，修復(fù)后要保證運兵道在運營過程中的安全性，保證運兵道滿足強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的要求，使其在正常的工作條件下，不發(fā)生破壞、不發(fā)生過大的變形，能保證自身的穩(wěn)定性。

2.2 美觀

美觀就是不改變運兵道的最初風(fēng)貌，盡量體現(xiàn)出建筑物本身的文化、創(chuàng)造性及藝術(shù)性，簡單地說就是修舊如舊。

2.3 耐久

耐久就是盡量延長運兵道的壽命，這樣才能把古人的創(chuàng)作留給后人，把古人的智慧結(jié)晶代代相傳，讓中華文化源遠(yuǎn)流長。

2.4 經(jīng)濟(jì)

首先要分析運兵道的文化價值，還要綜合分析具體病害的維修成本，以及修復(fù)后的維護(hù)成本。

3 運兵道病害與修復(fù)方法

運兵道的病害形式有很多，例如泛堿、青苔、壓裂、屈曲、傾斜甚至傾覆，不同的病害形式對應(yīng)著不同的病害程度，其修復(fù)方法也不一樣。根據(jù)羅馬修復(fù)中心發(fā)表的修復(fù)準(zhǔn)則，按破壞程度可將修復(fù)方法分為七種不同級別[2～3]（圖1）。本文只討論“復(fù)原”及以下級別的修復(fù)方法，至于復(fù)制、重建與再利用級別的修復(fù)方法，由于工程復(fù)雜，且受地方環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和政策的影響，很難應(yīng)用于實際修復(fù)。

圖1 羅馬修復(fù)中心七級修復(fù)方式

3.1 墻體裂縫

墻體裂縫是磚砌體結(jié)構(gòu)上常見的病害，通常由地基不均勻沉降、局部應(yīng)力過大而引起。墻體裂縫主要有豎向裂縫、橫向裂縫及斜向裂縫三種表現(xiàn)形式。豎向裂縫是由局部荷載過大或濕度、溫度引起的變形被限制，導(dǎo)致局部應(yīng)力過大，超過了墻體材料的強(qiáng)度而出現(xiàn)裂縫，在墻體的角隅處多見。橫向裂縫表現(xiàn)為沿砌體通縫截面開裂，橫向裂縫的產(chǎn)生是由于水平荷載過大，導(dǎo)致墻體剪應(yīng)力、彎拉應(yīng)力達(dá)到極限而開裂，一般在擋土墻上比較常見。斜向裂縫表現(xiàn)為沿階梯形截面開裂，通常是由于地基不均勻沉降引起[4]。

修補(bǔ)墻體裂縫首先要分析其產(chǎn)生原因，分析裂縫對結(jié)構(gòu)承載力的影響，觀察裂縫是否會擴(kuò)張，針對不同情況采取相應(yīng)措施。運兵道頂部為拱結(jié)構(gòu)，拱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以壓力為主，拱頂不易開裂。兩側(cè)豎直墻相當(dāng)于擋土墻，其內(nèi)力比較復(fù)雜，裂縫多出現(xiàn)在兩側(cè)豎直墻體上。運兵道基礎(chǔ)比較穩(wěn)定，在周圍土荷載的作用下，豎向裂縫比較常見（圖2）。

圖2 運兵道墻體豎向裂縫

在砌體結(jié)構(gòu)中，裂縫不僅影響結(jié)構(gòu)承載能力，而且影響結(jié)構(gòu)的美觀。在裂縫修復(fù)過程中，判斷裂縫是否繼續(xù)擴(kuò)張是非常重要的，擴(kuò)張的裂縫稱為活動裂縫，不擴(kuò)張的裂縫稱為靜止裂縫。判斷裂縫是否擴(kuò)張，最簡單的方法是在裂縫上打石膏帶，然后在上面標(biāo)上日期，如果裂縫是靜止的，石膏帶將長期保持不裂。反之，石膏帶將會開裂。也可用測縫儀對裂縫進(jìn)行定期持續(xù)觀測。

目前，對于磚材裂縫比較常用的修復(fù)方法有兩種，根據(jù)裂縫的大小可采用“表面封閉法”或“灌漿法”。

表面封閉修補(bǔ)是針對磚材裂縫較小的情況，以滿足墻面的外觀和結(jié)構(gòu)的耐久性。具體工藝如下，首先將裂縫表面的塵土以及松散的物質(zhì)清除掉，然后對裂縫周邊進(jìn)行清洗，等裂縫周邊干燥之后，在其表面均勻涂抹水泥漿或環(huán)氧樹脂膠[5]。該工藝操作簡單，能夠滿足一定的視覺效果，防止劣化繼續(xù)發(fā)生，但破壞了建筑的真實性，可識別性較差。

當(dāng)裂縫較大時，可能對整個墻體的承載造成不利影響，通常采用灌漿修補(bǔ)方法。首先對裂縫表面進(jìn)行清洗處理，預(yù)埋灌漿嘴，對裂縫進(jìn)行密封處理，確保密封性沒有問題后，使用手動注入槍進(jìn)行灌漿，凝固后做好清理等修整工作，漿料一般選用水泥砂漿、環(huán)氧樹脂砂漿等，根據(jù)裂縫性質(zhì)以及寬度大小，采用與之相對應(yīng)的灌漿材料，具體流程如圖3所示。該方法對于活動裂縫能夠防止劣化繼續(xù)發(fā)生，但如果使用環(huán)氧樹脂膠修復(fù)，對于文物是不可逆的過程。

圖3 墻體灰縫劣化

圖3 墻體裂縫分類及修補(bǔ)方法

3.2 灰縫劣化

砌體結(jié)構(gòu)的灰縫非常重要，通常占墻面面積的20%～30%，灰縫不僅起到粘結(jié)砌塊的作用，而且還可以傳遞砌塊之間的壓力和剪力，使得砌塊形成整體共同工作。在砌筑墻體時，工人會將灰縫砌筑得比較飽滿，這樣才能保證砌塊之間均勻受力。墻體砌筑之后，灰漿完全凝固前，還要對灰縫進(jìn)行修整，通常稱為“勾縫”，勾縫的目的是讓墻體的灰縫表面一致，增加墻體的美觀。

灰縫劣化是由于潮濕侵襲或者風(fēng)化的作用，使灰漿的粘結(jié)性下降，進(jìn)而灰縫粉化、破損、脫落等。灰縫不飽滿，導(dǎo)致砌塊受力不均勻，引起應(yīng)力集中，砌塊就會出現(xiàn)裂縫，影響砌體結(jié)構(gòu)的承載能力。

運兵道灰縫所用灰漿為糯米三合土，與現(xiàn)代水泥砂漿相比不夠穩(wěn)定，受外界因素干擾大。地下與運兵道處于地面以下3m～7m處，雨季時會受到地下水的侵襲，灰縫會灰化流失。旱季時灰縫會龜裂，在外界動荷載作用下（例如車輛荷載），龜裂后的灰縫會自然脫落。隨著時間積累，灰縫不飽滿，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

針對運兵道灰縫修復(fù)的方法有“重嵌”和“壓漿”，灰漿由石灰、細(xì)沙、黏土、水泥等添加劑按一定比例配制[6]。為保證新舊砂漿的兼容性，需遵循顏色、質(zhì)地以及施工工藝，應(yīng)與原始灰漿相對應(yīng)。

如果墻體局部灰縫被嚴(yán)重侵蝕或者質(zhì)地松軟易碎，就需要重嵌灰縫。首先，采用手工工具剔去一定深度尚未損壞或劣化灰縫，使用工具置入磚縫新砂漿，將填補(bǔ)的砂漿層層壓實，對砂漿進(jìn)行勾縫處理，定期養(yǎng)護(hù)，重塑原始灰縫的形貌。

壓漿針對的是運兵道內(nèi)大面積墻體灰縫劣化的修補(bǔ)，由于運兵道墻體一側(cè)是圍巖，可采用壓力灌漿工具滿墻灌漿填縫，灌漿工具可以使用自動壓力灌漿器、手動注入槍或灰漿泵機(jī)器等設(shè)備，灰縫填滿后，對灰縫進(jìn)行勾縫及養(yǎng)護(hù)處理。

3.3 泛堿

泛堿又稱白華、反堿、泛霜、泛白、析白、起霜，是古建筑最常見的病害之一，表現(xiàn)為構(gòu)筑物表面附有一層白色或灰褐色的物質(zhì)，其主要成分是可溶性鹽，在不同材料的構(gòu)筑物上泛堿的成分不盡相同，環(huán)境因素差異也會使泛堿的成分產(chǎn)生差異。受溫度、濕度等外部環(huán)境的影響，在吸收水分、水分遷移、水分蒸發(fā)過程中，隨著物理、化學(xué)變化的發(fā)生而使原建筑砌塊破壞，破壞的程度也有很大的差異，常見的有返潮、起泡、粉化、起鼓、開裂、剝落、發(fā)霉、結(jié)晶等現(xiàn)象[7]。

圖4 墻體泛堿

泛堿不僅影響磚墻的美觀，而且長期的干濕循環(huán)過程中對磚砌塊體會進(jìn)一步產(chǎn)生破壞。對于運兵道，墻體砌塊中和圍巖土體中帶有大量鹽類物質(zhì)，雨季環(huán)境潮濕，鹽類物質(zhì)溶解并析出砌體表面，干燥時在表面結(jié)晶產(chǎn)生絮狀粉末。當(dāng)濕度再次升高時，通過離子擴(kuò)散和毛細(xì)現(xiàn)象，這些可溶于水的鹽類會滲透到磚的孔隙、裂縫中，水分再次蒸發(fā)后，鹽類物質(zhì)再次結(jié)晶。結(jié)晶后體積膨脹而產(chǎn)生壓力，長期的干濕循環(huán)使鹽類不斷往返于磚體內(nèi)部與表面，從而引起砌塊開裂或崩裂。長期的后果表現(xiàn)為磚體的脫皮和毛細(xì)裂縫擴(kuò)大，砌塊的強(qiáng)度降低。

圖5 墻體青苔滋生

為了了解運兵道墻壁泛堿的主要物質(zhì)成分，在磚墻泛堿處取樣，經(jīng)研磨，混勻后采用化學(xué)方法進(jìn)行分析。結(jié)果表明，磚墻表面泛堿物質(zhì)的主要成分有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、CO32-、Cl-等離子，其中Na+、Ca2+、SO42-含量較高。

受運兵道周圍環(huán)境影響，墻體泛堿很難預(yù)防，只能通過有效手段定期去除，常用的墻體除堿法有水洗法、噴砂法、化學(xué)試劑清洗法等[8]。但是運兵道處于地下，空間相對密閉、狹小，不利于排水、排污，可采用人工刮除，然后使用土工布敷貼的方法去除。

該方法比較復(fù)雜，其工作原理相對簡單些，且不會對墻體造成傷害。首先，工人使用工具刮除大部分堿塊，然后用去離子水浸泡土工布，再將土工布敷在墻體表面，墻體中的鹽分會溶解，滲透進(jìn)入土工布中，這樣便將鹽堿物質(zhì)去除，而且不會受運兵道內(nèi)環(huán)境的影響。

3.4 青苔

青苔是綠藻和細(xì)菌、真菌的共生體，溫暖濕潤、微弱光照、空氣流通的環(huán)境下容易導(dǎo)致青苔的孳生。綠藻作為真菌、細(xì)菌的載體構(gòu)成了青苔。青苔不僅在文物建筑表面形成色斑，嚴(yán)重影響墻體的美觀，而且還會使砌體發(fā)生生物風(fēng)化和物理風(fēng)化。生物風(fēng)化主要是由微生物的酸解作用和絡(luò)解作用引起的，會使得砌體結(jié)構(gòu)表面粉化。物理風(fēng)化主要是砌塊毛細(xì)裂縫中的藻類植物引起的，裂縫中的藻類植物生長繁殖，導(dǎo)致裂隙加劇擴(kuò)大，影響砌塊的強(qiáng)度[9]。

由于青苔的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，很難消滅，因此控制青苔的生長，需要了解影響綠藻的生長因素。

3.4.1 光照

光是植物體光合作用必不可少的條件，作為低等植物體，光照對綠藻的生長有著至關(guān)重要的作用。在運兵道內(nèi)，開放區(qū)域的照明為綠藻提供了光照，因此青苔一般出現(xiàn)在旅游開放區(qū)域，另外地下運兵道每天接待大量游客，高濃度的二氧化碳為青苔的光合作用提供了原材料。

3.4.2 溫濕度

溫度對細(xì)胞內(nèi)酶的活性有直接的影響，進(jìn)而影響著綠藻的生長速度。研究表明，綠藻對溫度有較高的適應(yīng)范圍，在30℃范圍內(nèi)，細(xì)胞數(shù)量均有不同程度的增加，在20℃時細(xì)胞增加速率最大，綠藻生長速度最快。地下運兵道內(nèi)溫度常年處于5℃～15℃，地下道內(nèi)滲水、潮濕的環(huán)境，為青苔的生長提供了溫度和濕度的條件，在運兵道里可以發(fā)現(xiàn)，滲水的區(qū)域青苔比較明顯。

3.4.3 PH值

環(huán)境PH值也是綠藻的一個重要生長因子，綠藻的光合作用對PH值非常敏感，PH值對綠藻細(xì)胞內(nèi)酶的活性有著重要影響。運兵道周圍的地表水摻雜著少量的生活污水，為青苔的生長提供了合適的酸堿環(huán)境，同時污水中的氮、磷元素正是綠藻生長所需要的養(yǎng)分。

根據(jù)以上三點分析，運兵道為青苔提供了適宜的生長環(huán)境，因此運兵道內(nèi)有大量青苔繁殖。

青苔的生長是可以預(yù)防的，可以通過調(diào)節(jié)以上三點因素，來抑制青苔的生長。例如光照的強(qiáng)弱以及光照時間的長短決定了綠藻細(xì)胞內(nèi)光合作用的效率，不同色譜的光照對綠藻光合作用影響不同。因此，改變運兵道內(nèi)照明的光照強(qiáng)度和光譜可以控制青苔的生長，也可在青苔表面涂抹化學(xué)物質(zhì)改變PH值或直接殺死青苔。

去除運兵道內(nèi)的青苔有很多方法，例如人工刮除、高壓蒸汽、敷劑法等。青苔去除后，可采用表層涂抹滲透結(jié)晶透明保護(hù)膜技術(shù)，增強(qiáng)砌體表層密實性，并在表面形成閉合保護(hù)膜，保護(hù)膜具有很好的彈性、基層粘結(jié)性、優(yōu)良的透氣性能、良好持久的物理穩(wěn)定性和化學(xué)防水防腐性能，而且透明狀能真實反映原來視覺需求的光澤度和質(zhì)感，并能長期保持古建筑的原始風(fēng)貌。

圖6 青苔治理流程圖

4 結(jié)論

本文以曹操地下運兵道的保護(hù)與修復(fù)為研究對象，結(jié)合運兵道的特點，提出了針對運兵道修復(fù)的基本原則。通過查閱文獻(xiàn)資料以及實地調(diào)研，歸納了病害類型，對病害原因進(jìn)行了深入分析，為運兵道病害修復(fù)與預(yù)防提供了依據(jù)。參考了國內(nèi)外大量古建筑修復(fù)相關(guān)經(jīng)驗和案例，總結(jié)了優(yōu)秀的古建筑修復(fù)工藝工法。考慮到地下運兵道處于地下，周圍環(huán)境復(fù)雜，其病害特點與地上文物建筑有所不同。另外，受空間、排污、排水限制，維修的難度也有所提高。結(jié)合前人經(jīng)驗和地下運兵道所處環(huán)境特點，提出一些具有創(chuàng)新性的修復(fù)措施，其中的措施方法也能應(yīng)用于砌體擋土墻。

①運兵道內(nèi)墻體裂縫大多為豎向裂縫，小裂縫采用“表面封閉法”修補(bǔ)，大裂縫采用“灌漿法”修補(bǔ)。

②墻體灰縫劣化是運兵道內(nèi)最嚴(yán)重的病害，根據(jù)灰縫劣化分布面積大小，可以采用“重嵌法”或“壓漿法”填補(bǔ)。

③泛堿是古建筑最常見的病害之一，受運兵道內(nèi)環(huán)境影響，對于運兵道內(nèi)的泛堿問題，只能采用人工刮除，然后采用“土工布敷貼法”去除。

④對于運兵道內(nèi)青苔的治理，可以采用藥物殺死或人工刮除，后期通過改變照明、改變PH值或表層涂抹滲透結(jié)晶透明保護(hù)膜預(yù)防。