汞环境下土建与考古结合的考古相关方法
【专利摘要】本发明涉及一种汞环境下土建与考古结合的考古相关方法，提供一种当陵内存有大量水银，文物有可能转变成“文物汞齐”状态下，按“等同条件”假定，实施土建与考古结合的套娃曲面穹顶技术方案即地上秦陵曲面穹顶套建在地下地宫曲面穹顶上、隔断汞气，并对前述阻挡秦陵进行考古所存在的问题分门别类，具体问题构思具体应对方案的考古方法。
【专利说明】
汞环境下土建与考古结合的考古相关方法
技术领域
[0001]本发明涉及秦始皇陵考古发掘方法，特别是一种汞(水银)环境下土建与考古结合的套娃技术方案、等同条件应对关于“不能发掘秦始皇陵理由”的考古相关方法。【背景技术】
[0002]水银也叫汞，在自然界呈自然元素或Hg2 +的离子化合物存在，具有强烈的亲硫性和亲铜性，即在常态下也很容易与硫和铜的单质化合并生成稳定化合物。汞是在常温、常压下唯一以液态存在的金属。熔点-38.87 °C，沸点356.6°C，密度13.59克/立方厘米。内聚力很强，在空气中稳定，汞很容易蒸发到空气中引起危害，很易碎成小汞珠，无孔不入地存留于空隙中很难清理且易为二次污染源。汞气较空气重约6倍，多沉积在下方。文物汞齐假定:文物汞齐是指金银铜等质地文物与汞反应的转化生成物。网传由探方可知，始皇陵中心部位 25米深处汞含量达到其它土地650倍，经专家仪器探测发现整个陵墓都被五十公分厚的水银包围着，有至少100吨水银。汞蒸气有剧毒，无法保证人员安全。冶金工业常用汞齐法(汞能溶解其它金属形成汞齐)提取金、银和铊等金属。汞有溶解许多金属的能力，所构成的金属统称汞齐，汞齐(Amalgam)即汞合金，亦称软银，为水银与其它金属的合金，大多数成固态，若水银成分多则呈液态，大部分金属都溶于汞，唯有铁例外。经多方面研究，发现形成汞齐后的汞是无毒的。地宫深藏地下，其内容真实状况无从知晓，若真有五十公分厚的100吨水银存在其中，为江河、为大海，那么除地宫内模拟“百川江河大海”的地面有大量液体水银夕卜，地宫空间也会充满高浓度汞气体，可以推测高汞环境对于金属质地文物影响的结果可能是颠覆性的。虽然地宫环境经两千多年适应，文物和周围的环境已经达到平衡，文物达到稳定状态，这是一般常理，但在高汞环境中金银铜质地文物的化学、物理变化是否停止还是继续，一般常理的稳定、平衡在髙汞环境下结果也是未知数。100吨水银充满地宫对于世界上规模最大地下宫殿建筑本身及内藏文物产生的物理、化学影响、变数不可预知，后果难料，面对始皇陵可能存在的海量从商代的珍品和整个东西周，接近1200年生产出的王室用具，整体文物数量可能达到数百万件，仅青铜器一项就可能是中国考古已发掘青铜器数量总和的几倍，这样海量文物处在高汞环境中不敢猜想后果。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种当陵内存有大量水银，文物有可能转变成“文物汞齐”状态下，按“等同条件”假定，实施土建与考古结合的套娃曲面穹顶技术方案即地上秦陵曲面穹顶套建在地下地宫曲面穹顶上，隔断汞气并对上述阻挡秦陵进行考古所存在的问题分门别类，具体问题构思具体应对方案的考古方法，本方法与秦陵考古发掘无关。
[0004]“等同条件”防护假定:1、封土内埋藏物所处原始环境变动或移动位置后仍能保持与埋藏物变动前即秦陵未启动考古发掘前所处原始环境的避光、温度、湿度、压力、气体化学成分等条件、相等、相同、 相近的环境平衡条件，所变动防护的埋藏物原始状态保持不变。
[0005]2、等同条件防护设计:设计的建筑、构筑、封闭覆盖物、加工制作的密闭空间容器所具有的防护功能应能保证封土内埋藏物(原地、或移动位置后)具有与原封土或原密闭空间内的避光、温度、湿度、压力、气体化学成分条件相等、相同、相近的平衡条件环境，文物状态不发生改变。
[0006]本发明的技术方案为:一种汞环境下土建与考古结合的考古相关方法，其技术要点及所述方法包括如下步骤:1)先对轴线A定位人工挖孔扩底灌注粧粧位及双侧砼防水环形壁板进行钢筋混凝土施工，施工方式包括挖孔、支模、绑筋、浇灌砼;2)由粧基间壁板形成格构分割空间，施工秦陵穹顶，秦陵穹顶为半球形穹顶建筑，施工穹顶时利用封土堆，在封土堆上构建模板施工体系，施工穹顶时利用封土堆可降低支撑高度，减少施工难度。在封土堆上加支撑体系，在支撑体系上构建穹顶砼模板，从而施工秦陵穹顶;3)完工后用田野考古方法移除封土堆，施工形成水平、垂直提升机通道和形成地下各种房间及各房间之间连接的环形通道，回填土分层夯实形成环形缓坡，修建正负零地面坡顶环形通道、出入口、及负35米坡底环形通道，修建连接上下环形通道后，修建双向人行步道、自动扶梯，在有可供车辆、人员方便进出秦陵穹顶通道后，在地宫原位上修建地宫穹顶将地宫封闭，彻底隔断汞金属污染扩散。因地宫穹顶内有大量汞金属，应在出入口处设双门禁系统阻断地宫汞气扩散并需做到秦陵穹顶内部空间大气压力相对地宫穹顶内气体压力为正压，阻防地宫穹顶内汞气向外扩散。地宫穹顶水平方向通道门应为应急通道，因汞气比空气重6倍，考古工作通道门设在地宫穹顶上部供考古人员由双门禁系统进入地宫，进入地宫人员须有防护、呼吸装备及微光照明设备并应备有医疗设备及医疗监护人员。可移动文物进相关房间处理、修复、防护、展示，不可移动文物采用原地防护方式处理。可移动文物的防护方法如下:设计制造可开启能封闭的耐压文物贮藏容器(不锈钢、工程塑料等)，用以贮藏离开汞气可能变质毁坏的文物，该容器应配有监控、增减压力及取样设备并可以根据需要向容器内输入输出等同条件汞气、惰性气体或抽负压，成无氧环境，确保按文物长期保管需要条件、环境保管， 确保文物长期安全。该贮藏容器应有防潮、防震、防霉、恒温、恒湿、视窗、弱光照明等防护措施。双门禁系统是在曲面穹顶出入口处设抗压密封门，且内外层各设一道，抗压密封门的门槛采用高门槛方式，双门禁系统的使用方法是:进入地宫穹顶时先封闭内层门，人员穿戴好防护装备、设备进入两门空间后，封闭外层门并由底部气孔压入等同条件气体，上部排除空气待气体压力、成分平衡后开启内层门进入地宫穹顶，出地宫穹顶时反向操作。
[0007]本发明的优点是实施土建与考古结合的套娃曲面穹顶技术方案，即地上秦陵曲面穹顶套建在地下地宫曲面穹顶上，从而达到隔断汞气的目的，并通过对阻挡秦陵进行考古所存在的问题分门别类，找出具体问题构思具体应对方案的考古方法。跨度设计为580米的球曲面秦陵穹顶基础大部分与内城墙基础重合，远离地宫中心，免振捣超流态混凝土基本没有震动，较好的解决基础施工与文物冲突，且可避免振动对地宫文物产生影响。地上秦陵穹顶标高135.7米，其形如丘，硕大无比雄伟壮观，举世无双，原位建成后的秦陵穹顶恢复或超过千年以前高度，更符合天下第一陵身份，会令地面景观更加协调。世界上最大最宏伟的秦陵穹顶建筑因有大量地上、地下房间及空间，可以作为储藏保管、设备、考古人员生活、工作、文物展示用房，本身即可作为博物馆，无需另建费用。地上秦陵穹顶设计±0.000地面与地宫穹顶室内地坪落差35米，水平间距约70米，由回填形成斜坡并在斜坡内有水平、垂直通道，斜坡上设有车辆出入盘旋坡道、人行坡道及自动扶梯坡道可解决地宫深深能上下，物料运输、人员参观、安全通道等问题。斜坡内设有的地下室和粧间壁板分割空间计可形成超千间密闭房间，(部分房间充入地宫等同条件气体)可满足文物原地等同条件考古修复、保管储存等要求。多重防水设计可彻底隔住地下水，并能在没有高汞环境中文物防护经验条件下，采用等同条件设计，等同条件防护文物可避免汞害同时确保出土文物安全。【附图说明】
[0008]图1是秦陵穹顶总平面布置图；图2是地上秦陵穹顶平面图；图3是图2的A-A剖面图；图4是等同条件文物贮藏容器。
[0009]附图标记如下:1、地下储藏室、检验、设备间2、负35米环形通道3、回填土环形缓坡4、双向人行步道、自动扶梯5、地宫穹顶6、地上、地面以下房间7、室内土 0.000坡顶环形通道8、连接2与7弧形坡道9、双侧砼防水环形壁板10、水平通行及垂直提升通道11、人工挖孔扩底灌注粧基础12、环形连接通道13、出入口 14、环梁 15、秦陵穹顶。【具体实施方式】
[0010]如图1所示，地上秦陵穹顶套建在地宫穹顶上，其1、2、3点处基础大部分与内城城墙体重合，内城城墙地基内应不会有文物，方便施工。本发明采用的人工挖孔扩底灌注粧是远离地宫中心290m处的环形基础，扰动约10余米宽范围，即直径580m(圆环中心计算)宽10 余米的圆环。远离文物核心区(地宫)，干扰小，最重要的是可以施工、考古结合，同时进行， 可以做到边考古边施工，发现文物考古人员介入、文物由考古人员发掘处理，无文物时施工正常进行，在施工中绑扎钢筋、灌注免振捣超流态混凝土基本没有震动噪声，不会对地下文物产生影响并多层细土夯实而成的内城地基会对于地上秦陵穹顶基础承受轴向荷载下粧的受力性能有明显提升。
[0011]目前已有跨度580米地上秦陵穹顶初步工程设计图纸、计算书、说明书、匡算等设计文件。该建筑设计为现浇钢筋混凝土腔室壁板格构旋转曲面球壳结构，立面为钢筋混凝土筒体结构，基础为人工挖孔扩底灌注粧，设计使用年限:300年、安全等级:一级。混凝土环境类别:三类、混凝土强度等级:C120、钢筋抗拉强度标准值=340N/mm2、外环梁拉力Nka = 1342343KN，配1919根m级0 50普通钢筋，曲面壳板双层双向配筋。抗震设防烈度:按当地。 跨度:直径580m(拟定)、矢高f = 580/5 = 116m(属扁球壳)、曲率半径r = 420.5m、建筑面积8」 =2 6 5 6 6 7.6 5 m2，其建筑面积平面内足以容下十艘大型航空母舰，球壳砼体积v j = 574929.89 m3按中曲面计算不含基础梁，其曲面穹顶设计矢高f = 580/5 = 116m，中曲面标高约等于秦时秦始皇帝陵原高50丈、穹顶标高135.7米，其形如丘，硕大无比，举世无双，原位建成后的秦陵穹顶恢复或超过千年以前高度，更符合天下第一陵身份，会令宏伟的地面景观更加协调。地上穹顶工程造价估算为43.6亿元，不含封土堆移除费用。上述建筑设计土 0.000地面与地宫穹顶室内地坪落差35米，水平间距约70米，由回填形成斜坡并在斜坡内有水平、垂直通道，斜坡上设有车辆出入盘旋坡道、人行坡道及自动扶梯坡道可解决地宫深深能上下问题，见剖面图。斜坡内设有的地下室和粧间壁板分割空间计可形成超千间密闭房间，(部分房间充入地宫等同条件气体)可满足文物原地等同条件考古、保管、储存等要求。 该建筑由曲面穹顶、钢筋混凝土环形双筒壁、人工挖孔扩底灌注粧基础组成，超过地下水深度且壁厚几百毫米的环形防水钢筋混凝土筒壁可有效阻断地下水。防水混凝土筒壁粘贴防水材料，穿过秦陵地下水层，并在地下水上游设导流板，可确保秦陵穹顶内无水患侵扰。
[0012]本技术方案构想的“套娃”考古方案(见平面图)由地上秦陵穹顶与地下地宫穹顶建筑两部分组成如“套娃”。实施时是将秦陵现存封土堆按田野考古方法移除置换成钢筋混凝土结构的地上秦陵穹顶，其宏大形体套建在地下地宫穹顶上，形成地宫穹顶内密闭和外开放两个空间满足特定条件考古要求。此“套娃”方案设计，一、可提供前期考古所需建筑防护大棚，二、可提供考古接近地宫高汞环境时所需密闭汞体的防护大厅，三、可提供后期作为博物馆文物贮藏及髙汞环境文物防护场所及各种用房。套娃方案地上地下建筑的曲面穹顶结构相同、跨径不同。地下秦陵地宫穹顶仅在地宫中文物发生汞齐反应，因目前无有关考古经验，汞齐文物只能原位永久保管情况下修建，可完全封闭地宫及汞气其内部与地宫相通，其跨度与地宫规模适应。至此考古专家可方便进出地宫，由专家解决能与汞气反应的金属文物若变成“文物汞齐”在什么条件下尚可复原等考古问题。地下地宫曲面穹顶设有密闭应急功能通道口(双门禁)，汞气较空气重约六倍，仅在紧急情况下使用，其顶部出入口设双门禁系统，形成相对负压密闭空间，必须保证汞气不外泄，确保文物及人员进出安全。现浇曲面砼穹顶极好的气密性对于封闭汞气体，对于有毒气体不扩散，避免100吨汞气体扩散产生的不可逆转、不堪设想的后果起着决定性作用并且铁是不溶于汞的金属，不会对地宫穹顶内配钢筋产生影响，即使最坏情况发生，汞气体扩散也会限制在曲面穹顶内部，不会扩散到大气中，事态可控。该地下地宫穹顶设计建造可使地宫埋藏物所处原始环境的温度、湿度、压力、避光、化学成分条件等同不变、并能彻底封闭汞气，确保汞气不外泄，便于发掘或永久性保护。
[0013]本发明施工要求是土方施工要预留强汞污染土填埋区，将地宫汞污染土装入专用塑封袋进填埋池永久密闭封存。施工监测到施工空间汞蒸气含量达0.04至3毫克时该区域即为强汞封闭区，应即将该区域封闭，以避免污染扩散。进入地宫穹顶就需穿防护服，微弱光线下带呼吸机及防护设备，进行考古或施工，并配卫生医疗人员、设备及房间。
[0014]本发明工作原理如下:如图1秦陵穹顶设计为钢筋混凝土腔室壁板球壳穹顶空间结构，这种结构抗力体系具有刚度、整体性、稳定性好，抗震能力强并有极好的气密性、耐久性。秦陵穹顶施工时以地宫中心为圆心，290米为半径划出秦陵穹顶外圆粧基环形定位轴线 A(见图3 )，确定秦陵穹顶15人工挖孔扩底灌注粧基础的粧位，组织施工人工挖孔扩底灌注粧11、双侧砼防水环形壁板9。秦陵穹顶设计跨度580m，如图1所示定位则秦陵穹顶的东、北、 西方向粧基础大部分应坐落在内城城墙的基础上(1、3点与两内城城墙间距离580m的中线处重合，2点与内城北城墙中线重合)，内城城墙的基础内一般不应有文物，可以减少基础施工与地下文物冲突机会。组织施工11、9见图3,遇到文物考古人员介入，无文物时继续施工， 其中9为双侧砼防水环形壁板，施工中人工挖孔、绑扎钢筋、灌注免振捣超流态混凝土基本没有震动噪声，不会对地下文物产生影响。9施工深度应超过地下最低水位线(水层)10米， 确保隔断地下水，并在上游设导流板，引地下水绕过秦陵基础，则秦陵地下防水措施可又增加一道设防。施工流程:先对轴线A定位人工挖孔扩底灌注粧粧位11及双侧砼防水环形壁板 9进行钢筋混凝土施工，施工方式包括挖孔、支模、绑筋、浇灌砼，然后由粧基分割壁板形成施工环梁6和施工秦陵穹顶14。秦陵穹顶矢高f = 580/5 = 116m(属扁球壳)为巨大半球形穹顶建筑，施工穹顶时利用封土堆现在约76m高度，在封土堆上支模板可大大减少支撑系统高度，降低工程造价，降低施工难度。在封土堆上加支撑体系，施工秦陵穹顶15,完工后用田野考古方法移除封土堆，施工10形成水平、垂直提升机通道，施工1形成地下各种房间6及各房间之间连接环形通道12,回填土分层夯实形成环形缓坡3,(缓坡角度应小于回填土土内摩擦角)修建正负零地面坡顶环形通道7、出入口 13、及负35米坡底环形通道2见图2,修建连接上下环形通道8后，修建双向人行步道4、自动扶梯。在有可供车辆、人员方便进出秦陵穹顶通道后，在地宫原位上修建地宫穹顶5将地宫封闭，彻底隔断汞金属污染扩散。秦陵穹顶与地宫穹顶结构相同、跨度不同，类似套娃。因地宫穹顶5内有大量汞金属，出入口处设双门禁系统阻断地宫汞气扩散并需做到15秦陵穹顶内部空间大气压力相对地宫穹顶5内气体压力为正压，阻防地宫穹顶内汞气向外扩散。地宫穹顶水平方向通道门只作为应急通道，平时不开启。因汞气比空气重6倍，考古工作通道门设在地宫穹顶上部，供考古人员由双门禁系统进入地宫，进入地宫是惊天动地的事件，进入地宫人员须有防护、呼吸装备及微光照明设备并应备有医疗设备及医疗监护人员。文物汞齐:始皇陵内形成的始文物由考古人员复原、防护处理，亦不知是多少年以后的事情了。
[0015]可移动文物的防护方法:见图4设计制造不同大小规格可开启能封闭的耐压文物贮藏容器(不锈钢、工程塑料等)，用以贮藏离开汞气可能变质毁坏的文物。该容器应配有监控、增减压力及取样设备并可以根据需要向容器内输入输出等同条件汞气，惰性气体或抽负压，成无氧环境，确保按文物长期保管需要条件环境保管，确保文物长期安全。该贮藏容器应有防潮、防震、防霉、恒温、恒湿、视窗、弱光照明等防护措施，针对不同质地的各类文物分别进行防护，如铜铁器的防锈，砖石质地文物的防风化，丝绸纸张的防霉、防蠹、防老化等。文物储藏器储藏文物后入地下储藏室修复、保管、展示。
[0016]双门禁系统是指在曲面穹顶出入口处设抗压密封门内外层各一道，两门空间满足设备、人员、文物要求。汞气较空气重约6倍，设高门槛阻挡汞气任意流动。进入地宫穹顶时先封闭内层门，人员(穿戴防护装备)、设备进入两门空间后，封闭外层门并由底部气孔压入等同条件气体，上部排除空气待气体压力、成分平衡后开启内层门进入地宫穹顶，出地宫穹顶时反向操作。
【主权项】
1.一种汞环境下土建与考古结合的考古相关方法，其特征在于:所述方法包括如下步 骤:步骤1):先对轴线A定位人工挖孔扩底灌注粧粧位及双侧砼防水环形壁板进行钢筋混 凝土施工，施工方式包括挖孔、支模、绑筋、浇灌砼；步骤2):由粧基分割壁板形成格构空间，施工环梁，施工秦陵穹顶，秦陵穹顶为半球形 穹顶建筑，施工穹顶时利用封土堆，在封土堆上构建模板施工体系，在封土堆支撑上加穹顶 砼模板，从而施工秦陵穹顶；步骤3):完工后用田野考古方法移除封土堆，施工形成水平、垂直提升机通道和形成 地下各种房间及各房间之间连接的环形通道，回填土分层夯实形成环形缓坡，修建正负零 地面坡顶环形通道、出入口、及负35米坡底环形通道，修建连接上下环形通道后，修建双向 人行步道、自动扶梯，在有可供车辆、人员方便进出秦陵穹顶通道后，在地宫原位上修建地 宫穹顶将地宫封闭，彻底隔断汞金属污染扩散。2.根据权利要求1所述的一种汞环境下土建与考古结合的考古相关方法，其特征在于: 因地宫穹顶内有大量汞金属，应在出入口处设双门禁系统阻断地宫汞气扩散并需做到秦陵 穹顶内部空间大气压力相对地宫穹顶内气体压力为正压，阻防地宫穹顶内汞气向外扩散， 地宫穹顶水平方向通道门应为应急通道，因汞气比空气重六倍，考古工作通道门设在地宫 穹顶上部供考古人员由双门禁系统进入地宫，进入地宫人员须有防护、呼吸装备及微光照 明设备并应备有医疗设备及医疗监护人员，可移动文物进相关房间处理、修复、防护、展示， “文物汞齐”及不可移动文物在没有可靠防护手段时采用原地防护方式处理。3.根据权利要求2所述的一种汞环境下土建与考古结合的考古相关方法，其特征在于: 可移动文物的防护方法如下:设计制造可开启能封闭的耐压文物贮藏容器(不锈钢、工程塑 料等)，用以贮藏离开汞气可能变质毁坏的文物，该容器配有监控、增减压力及取样设备并 可以根据需要向容器内输入输出等同条件汞气、惰性气体或抽负压，成无氧环境，确保按文 物长期保管需要条件环境保管，确保文物长期安全，该贮藏容器有防潮、防震、防霉、恒温、 恒湿、视窗、弱光照明等防护措施。4.根据权利要求2所述的一种汞环境下土建与考古结合的考古相关方法，其特征在于: 双门禁系统是在曲面穹顶出入口处设抗压密封门，且内外层各设一道，抗压密封门的门槛 采用高门槛方式，双门禁系统的使用方法是:进入地宫穹顶时先封闭内层门，人员穿戴好防 护装备、设备进入两门空间后，封闭外层门并由底部气孔压入等同条件气体，上部排除空气 待气体压力、成分平衡后开启内层门进入地宫穹顶，出地宫穹顶时反向操作。
【文档编号】E02D31/00GK106013262SQ201610344989
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】李晓平
【申请人】李晓平