高平市大周磚塔結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代加固思路

李 博 太原市太山博物館

現(xiàn)通過分析山西省高平市大周磚塔結(jié)構(gòu)及殘損現(xiàn)狀，結(jié)合工程修繕實例，介紹古建筑傳統(tǒng)修繕的原則。通過對37年前太原永祚寺宣文佛塔在修繕中所采用的聚合水泥壓力灌漿法、HRB335級螺紋鋼拉栓和塔身整體鐵箍加固等施工技術(shù)措施進行驗證發(fā)現(xiàn)，在古代磚塔修復(fù)過程中運用現(xiàn)代材料和技術(shù)手段是有效可行的。同時，通過表、圖對各種現(xiàn)代施工技術(shù)進行詳細闡述，分析運用現(xiàn)代施工材料的利與弊，從而探索出古塔塔體加固技術(shù)的實踐方案，為保護磚石古塔制定良好的修繕措施，使其在修繕后真正達到恢復(fù)原貌、牢固永存的目的。

大周磚塔，又名魁星塔，俗稱關(guān)帝塔，位于山西省晉城市高平市馬村鎮(zhèn)大周村東。相傳這里原有一座關(guān)帝廟，故名關(guān)帝塔，如今廟已不在，僅存孤塔一座，創(chuàng)建年代無文獻可考，根據(jù)其造型、結(jié)構(gòu)特征判斷出其為清代遺物。塔坐東朝西，呈六邊形，高七級，約28.4米，中空樓閣式，塔內(nèi)設(shè)楞木鋪木板，分層相隔。塔體西面第一層辟拱券門，通塔心，第二層至第七層開拱券窗。塔體坐于圓形基礎(chǔ)之上，一層至六層為疊澀出檐；七層上施磚雕斗栱出檐；其上施疊澀出檐。頂層角部施鐵質(zhì)角梁及套獸，懸掛風(fēng)鐸，塔剎為寶珠葫蘆頂。塔西踏步石下皮至現(xiàn)地面0.45米。塔內(nèi)東壁一層、二層、四層各設(shè)佛龕一個，內(nèi)供佛像無存。

塔體殘損現(xiàn)狀

塔身：塔身上設(shè)拱券門窗，受地震災(zāi)害影響，多處裂縫貫穿于窗處，導(dǎo)致窗砌體磚體脫落、塌落、損壞，裂縫最寬達3厘米；塔身一層六面墻體有不同程度的裂縫，長0.5至3.7米，寬1至4厘米，深0.41米；塔身西南、西北兩面與相交墻體有較明顯的通體裂縫情況。塔內(nèi)各邊交接處有明顯裂縫，縫長1.2至6米，寬0.4至3厘米，深0.3至0.4米。

塔之出檐：西面一層到二層有五條裂縫，每層外檐上部表面酥堿，疊澀下部表面整體風(fēng)化，毀壞率達60%。第二層至第六層毀壞處集中于各層六面墻體中間部位，有多處裂縫貫穿，每層外檐上部表面酥堿，疊澀下部表面整體風(fēng)化，結(jié)構(gòu)完整，局部開裂現(xiàn)象較多。七層結(jié)構(gòu)完整，局部有開裂現(xiàn)象，外檐上部表面酥堿，疊澀下部表面整體風(fēng)化，磚雕斗栱構(gòu)件缺失，表面酥堿、風(fēng)化。

塔剎東南部整體開裂，局部坍塌，裂縫延續(xù)到塔頂；塔頂磚砌體局部松散、掉落；塔剎頂部的金屬構(gòu)件有漏洞。

通過三維激光掃描儀及現(xiàn)場實物測繪發(fā)現(xiàn)，塔體各層有輕微變形和沉降：其中塔基無沉降，二至七層砌體個別方向稍有變形、下沉，變形區(qū)間為“-40—20毫米”，對高為28.4米的塔體危害較小，故其目前處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

表1 塔體沉降 單位：mm

塔體殘損原因分析

自然及環(huán)境因素

高平市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。夏季炎熱，冬季比山西省其他地方氣溫高，早晚溫差適中，夏秋雨水豐沛，年均降水量達500—600毫米，熱量充足，地表水蒸發(fā)量較大，塔周邊雜草叢生，每逢雨季積水滲入，磚體毛細水會通過毛細作用向上滲透，周而復(fù)始，致使大周磚塔一層墻體上移約1200毫米，磚墻返堿腐蝕、凍融風(fēng)化、脫落嚴重，塔體的穩(wěn)定性受到極大的威脅。

地震災(zāi)害的破壞

大周磚塔處于華北地震區(qū)的汾渭地震帶與華北平原地震帶之間的晉獲（山西晉城—河北獲鹿）地震活動帶。

塔體自身結(jié)構(gòu)缺陷

通過對大周磚塔本體現(xiàn)狀的勘察分析，塔體的主要撕裂、坍塌部位在各層窗部貫穿，并波及周邊砌體。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與塔體自身結(jié)構(gòu)缺陷有著緊密聯(lián)系，主要表現(xiàn)在以下幾點。

1.塔體內(nèi)部呈中空、直桶式，塔身各面垂直向上延伸，呈天井狀，各層無橫向結(jié)構(gòu)拉結(jié)，緊靠塔身厚度和塔檐垂直受力，空間整體性差。

2.塔的各層墻體分內(nèi)、外兩部砌筑，但內(nèi)外墻體內(nèi)無支撐或橫木連接，僅靠樓板梁獨立放置，結(jié)構(gòu)間無咬合、拉接，當(dāng)受到外力侵襲時，受力點集中于墻體，故墻體連接處裂縫明顯。

3.塔體直接修筑于臺地上，無散水，周圍有耕種作物，不利于排水。

人為因素

大周磚塔位于大周村邊，村民常年進行作物耕種，導(dǎo)致塔周邊水土流失嚴重、土質(zhì)疏松，加速了臺地的垮塌，從而加劇了塔的傾斜和墻體開裂。

塔內(nèi)的樓楞、樓板、樓梯全部被人為鋸斷拆除，導(dǎo)致塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)拉結(jié)不穩(wěn)定。部分墻體遭到人為破壞，導(dǎo)致墻體磚大面積脫落。同時，在多處塔外墻發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)爭時期遺留的痕跡，如槍擊塔磚出現(xiàn)的槍眼。

早期運用現(xiàn)代加固措施的技術(shù)依據(jù)實例

大理崇圣寺三塔運用圈梁加固及聚合水泥壓力灌漿法修補裂縫

大理崇圣寺三塔是我國西南地區(qū)著名的佛塔，也是云南古代的標(biāo)志性建筑。其中主塔又名千尋塔。千尋塔在歷史上多次地震的影響下，塔身砌體沿薄弱環(huán)節(jié)破裂，拱門和塔內(nèi)轉(zhuǎn)角部位尤為明顯，裂縫寬度約1至10厘米，愈往上裂縫愈寬。

1980年修繕時，在塔身隱蔽處增設(shè)鋼筋混凝土圈梁。在塔的第5層以上每層增設(shè)鋼筋混凝土圈梁一道，圈梁位置選擇在塔身與塔檐結(jié)合的平座處，以平座高度為準露明10厘米，內(nèi)置1.2厘米鋼筋6根，用長1米、寬10厘米的鐵片焊接并灌混凝土。此外，為防止檐頭松動塌落，塔檐上皮鋪設(shè)部分拉筋，上端固定在圈梁上，下端拉著檐頭磚。同時，使用聚合水泥，即2%聚乙烯醇水溶液拌合的水泥（砂）漿，采用壓力灌漿法修補塔身裂縫。

自維修后，至今沒有發(fā)生較大變化，但部分表面粉塵化。其主要原因為材料中添加了水泥，由于水泥具有時效性，時間過長容易失去化學(xué)黏合性，導(dǎo)致粉塵化。初期運用現(xiàn)代化加固措施雖存在一定的缺陷，但為以后維修古塔提供了重要思路。

太原永祚寺宣文佛塔鐵箍及螺紋鋼拉栓加固法

太原永祚寺宣文佛塔（以下簡稱宣文塔），始建于明萬歷二十七年（1599）。從上方看，佛塔平面呈八角形，共十三級，全塔總高54.78米，為樓閣式空心磚塔。塔座為沙條石砌筑，塔身由青磚研磨對縫砌筑而成。塔身施有垂柱、斗栱、飛檐、枋、椽等構(gòu)件，均由青磚仿木結(jié)構(gòu)砍磨砌筑，塔檐均為青陶瓦面孔雀藍琉璃剪邊。永祚寺在中華人民共和國成立前是軍閥閻錫山固守太原，負隅頑抗的軍事要塞。由于地勢險要，兩座高大的雙塔變成了防御用的碉堡，寺院成了駐扎軍隊的兵營。直至中華人民共和國成立，歷經(jīng)多次戰(zhàn)爭的古塔已經(jīng)傷痕累累，塔身多處存有炮坑和彈坑，幾乎面臨坍塌。

1980年，省政府撥款維修宣文塔，于1982年4月進入保護修繕施工階段。以高級工程師張殿清為首的技術(shù)團隊在研究和總結(jié)大理崇圣寺千尋塔的加固經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，棄用鋼筋混凝土圈梁的加固方法，優(yōu)選鐵箍及螺紋鋼拉栓加固法。塔體表磚風(fēng)化、酥松，拱門和塔內(nèi)轉(zhuǎn)角部位裂縫尤為嚴重，寬度為1至12厘米。塔體一、三、五、七層用螺栓拉桿兩道，二、四、六層用螺栓拉桿三道，八層安裝扒桿。使用螺栓拉桿為直徑2.8厘米HRB335級螺紋鋼，兩端套絲口，用直徑6厘米、厚2厘米的螺帽兩枚，長度超過塔身直徑20厘米。在一至五層平座靠近塔身外根部各加一道厚1厘米、寬15厘米的鐵箍，圍繞塔身一周，結(jié)合處用兩根螺釘扣緊后點焊成一體，最后用條磚砌筑隱蔽。經(jīng)過多次實驗，在使用聚合水泥壓力灌漿法修補裂縫時，將原材料中的水泥更換為石灰溶液灌漿，成功避免水泥老化后塔身裂縫處粉塵化，這一修繕工程于1984年7月竣工。迄今為止，塔體沒有發(fā)生任何變化。由此說明，此修繕措施及工藝經(jīng)得起歲月的考驗，是維修古塔時運用現(xiàn)代加固措施的成功案例。

北京玉峰塔運用壓力灌膠法修補裂縫

玉峰塔坐落于“燕京八景”之一的玉泉山頂，是北京地理位置最高的古塔。此塔是由青石及石梁砌筑而成，相關(guān)部門于2005年對所出現(xiàn)的裂縫進行了壓力灌膠處理，以防止石材風(fēng)化。當(dāng)時使用的主材料為“金草田”牌CJT 18型灌縫膠，此膠具有良好的流動性、高滲透性、黏結(jié)強度高、耐酸堿、無膨脹等特點；輔材為CJ-T9型建筑封縫膠。

修繕至今，其青石表面的裂縫處部分成片狀脫落，其膠體無法清理，也無法再處理加固，同時違背了“可逆性、可再處理性”的保護原則。因此，在古塔修繕中使用新型黏合劑應(yīng)當(dāng)慎重，只有經(jīng)過多次試驗并經(jīng)得起時間的考驗才能使用，否則使用不當(dāng)所造成的損失將無法彌補。

大周磚塔塔體加固措施

通過對上述三種維修古塔所使用的現(xiàn)代加固措施進行分析，現(xiàn)總結(jié)出以下加固維修措施。

聚合白灰砂漿壓力灌漿法修補裂縫

針對塔身裂縫，一律用聚合白灰砂漿壓力注漿灌實。根據(jù)宣文塔修繕的成功案例，應(yīng)使用聚合水泥漿工藝施工，因水泥材料存在時限缺陷，故將全水泥材料替換成70%的原生石灰和30%的高標(biāo)準水泥，從而有效地提升了其耐久性和堅固性。

聚乙烯醇用水溶法溶解，2%濃度的水溶液調(diào)入白灰灌縫補強，可以使水泥砂漿由沉淀液變?yōu)閼腋∫?，抗壓強度提?至1.4倍（見表2）。

表2 聚合白灰砂漿配比

2%聚乙烯醇水溶液配制方法為在98公斤熱水中投入2公斤聚乙烯醇樹脂，將水溶液加熱至100攝氏度，直至聚乙烯醇樹脂顆粒全部溶解為止。將配置白灰砂漿倒入聚乙烯醇水溶液內(nèi)不斷攪拌，至拌合為止，粉砂同混合石灰一起攪拌，制成溶液。

灌漿使用的設(shè)備主要為灌注壓力泵或空氣壓縮機。空氣壓縮機要求最大壓力為7至8公斤，容量為0.6立方米。要求使用的空氣壓漿罐的耐壓為7公斤，容量約40升。此外，配套使用的輸氣管內(nèi)徑約8毫米，長度在30米到50米之間。同時，要求供灰管的內(nèi)徑為20毫米，耐壓為5千克/平方厘米，管長不得超過20米。

溶液制成且灌漿設(shè)備準備齊全后可進行裂縫灌漿。裂縫灌漿的施工工藝十分重要，其主要工序依次為表面清理、布咀、封縫、灌漿和打點收尾。首先，用清水沖洗墻體裂縫上、下兩側(cè)的雜物，同時要避免用水過量而導(dǎo)致臺基軟化。其次是布咀，每灌一段裂縫需要兩個布咀，一個是注漿咀，一個是透氣咀。再次是封堵裂縫，其所使用的材料為白灰砂漿，配比為1∶2。待上述準備工作完成后即可進行灌漿作業(yè)。灌漿前先將每個灌漿咀注入適量的清水，這樣有利于保護漿液，然后將聚乙烯醇白灰砂漿溶液灌注入。灌漿順序自下而上，灌漿壓力控制在2至3千克/平方厘米左右，直到溶液不進或鄰近咀子溢漿為止。最后，對溢出漿液與表面灰塵進行清理，打點完善后進行下一步施工作業(yè)。

塔身的補砌、剔補

塔體內(nèi)、外層表磚淌白，內(nèi)部即非外露部分糙砌。針對殘破的塔身，需將破碎的磚塊清理干凈，再用白灰漿青磚補砌。砌筑時要根據(jù)殘損程度的不同，分別采取局部拆砌、選擇性拆砌、剔糟挖補等施工方法。該塔用磚規(guī)格較多，其中塔身用磚規(guī)格為長280毫米、寬140毫米、厚55毫米，故墻身磚規(guī)格應(yīng)按此定做，保證磚的壓力系數(shù)在75-100號。略加砍磨可以使得墻身磚棱角完整，磚面規(guī)整。砌筑前應(yīng)用水洇透墻身磚，砌筑應(yīng)規(guī)矩，灰縫應(yīng)清理整潔。針對殘破的部分，應(yīng)剔糟挖補，墻內(nèi)須施灰膏填灌，使其飽滿；針對開裂的部分，應(yīng)先用水沖洗裂縫中的雜物，然后布咀、封縫、灌漿。

實踐證明，現(xiàn)代加固技術(shù)的運用具有針對性、可操作性，是科學(xué)可行的。未來，應(yīng)借鑒現(xiàn)代工程中先進的施工技術(shù)，在新技術(shù)與新材料的應(yīng)用上不斷探索，促進我國的文物保護技術(shù)達到新高度。