中國古代地下工程的建造方法

最新 01-24

我國古代人民開發和利用地下空間的歷史由來已久。早在遠古穴居時代就已利用天然崖洞作為居住處所。我國古代文獻中對上古穴居有著很多記載：

《易?繫辭》謂「上古穴居而野處」；《禮記?禮運》謂「昔者先王未有宮室，冬則居營窟，夏則居橧巢」；《墨子》曰：「古之民，未知為宮室時，就陵阜而居，穴而處」——這些記載都反映出原始人類在生產力很低的情況下可能採取的居住方式。

中國北方居住建築發展過程示意圖

在建造地面建築的技術尚未完全成熟之前，當天然洞室不能滿足居住需求時，開挖地下空間為居住所用則成為一種必然的趨勢。例如在黃河流域生活的先祖，利用黃土層開鑿不易崩潰的特性，開挖地下或半地下的居住空間。

除居住所建的地下工程外，古人在地下陵墓、地下水利工程、地下交通隧道、地下礦井巷道、地下軍事地道、石窟寺等方方面面的地下工程建造方面都取得了極其輝煌的成就。

如果用現代地下工程的視角去看待古代建造的地下建築會是怎樣的情況呢？本文嘗試做一些粗淺的分析，拋磚引玉。

地下建築

老子在《道德經》中有一句話可作為建築本質之詮釋：「鑿戶牖以為室，當其無，有室之用。故有之以為利，無之以為用。」即，建築的本質是搭建可以使用的空間。

地下建築作為建築之一類，也應當滿足上述屬性。以古人營建墓穴為例，上古之人儘管也做豎穴土坑、也「入土為安」，但尚未使用棺槨。逝者入坑，回填土石，即完成下葬。《易》曰:「古之葬者,厚衣之以薪,藏之中野,不封不樹,後世聖人易之以棺槨。」《路史?後紀五》羅注:「棺槨之作,自黃帝始。」儘管不能確定棺槨就是黃帝發明的，但棺槨的使用卻是把墓葬之事提升到了地下工程的層面，或至少具備了雛形。尤其是槨室，成為為逝者營建出的一個地下空間。後世不論豎穴、橫穴，抑或木槨、磚石地宮，都可看做將這個逝者的地下空間發揚光大的過程。

古代地下建築和地上建築示意圖

任何建築形式，在用有形材料構建無形空間的時候，都必然會將建築營建於周圍介質之中。地下建築與地上建築的本質區別，就在於周圍的介質是什麼。地上建築是建造在空氣當中的，而地下建築則建造在岩土當中。從這一角度上講，有些古代陵墓儘管是建造在地面之上的（如成都前蜀永陵、吉水東吳大墓等），但墓拱券之上有覆土，建築賦存於土中，則也當歸入地下建築。

前蜀永陵地宮結構示意圖（永陵博物館，筆者攝）

上述賦存環境的差異，直接導致地下建築和地上建築在力學作用機理上產生明顯的區別。相比於地面建築，地下建築無論是在荷載、建築材料和結構對荷載響應的分析計算上不確定因素都更多。地下建築除了直接圍合地下空間的結構（如磚石拱券、木槨等，可將其看做是襯砌），周圍的地層（稱之為圍岩）同樣屬於地下結構的重要組成部分。圍岩和支護共同作用，構成承載的體系。在極端情況下，如果圍岩能夠自穩，可以不用支護。這種例子很多：比如西北黃土地區開挖窯洞，北京延慶古崖居，中國第一條交通隧道漢中石門隧道等，都是沒有支護，由圍岩直接承載而確保地下空間的形成。

海昏侯墓墓室結構示意圖（新京報高俊夫）

明挖·暗挖

今天我們在城市中修建地鐵車站時，經常採用兩種方法——明挖和暗挖。明挖也就是將地層開膛破肚，像修建建築基坑一樣，等開挖到設計標高，施作結構，最後再回填覆土。而暗挖則不然，即不挖開地面，採用在地下挖洞的方式施工。

古代的地下工程如何處理明挖和暗挖？

當然，明挖的實例非常多。從殷墟的商王陵，到西漢馬王堆漢墓，不同規模的豎穴墓從本質上看都是基坑開挖-營建槨室-安放棺材-回填覆土的過程，和現代明挖地下工程的步驟無異。當墓穴開挖深度過大時，會分級放坡開挖，有的時候還會用木板做臨時基坑支護。

殷墟亞字形大墓（劉敦楨）

秦公一號大墓（筆者攝）

至於暗挖，當然也是有的。

第一類暗挖，是和明挖相結合，明挖到設計標高（或許有時並沒有嚴格的設計，只是遵從經驗挖到一定深度），再橫向暗挖洞室。比如我國西北廣泛存在的早期土洞墓，就是先從地表往下先挖一長方形豎穴坑做墓道，然後在墓道的一端或長的一側橫穿掏洞作為墓室。這種土洞墓存在時間上至新時代時期，下至周代，發掘數量上千座。這種墓穴的建造方式時至今日在西北採用土葬的農村地區還在使用。

甘肅武山縣東旱坪戰國墓

另一個例子是著名的窯洞地坑院。其主體結構的施作流程包括：定向、放線-挖天井院-挖入口坡道、門洞、水井-挖窯洞-砌築窯臉等。其中開挖天井院為明挖，而開挖院內窯洞則暗挖。

地坑式窯洞（李乾朗）

第二類暗挖，並無明挖輔助，是在山崖或山坡上開鑿洞穴。這一類暗挖絕大多數並不需要支護結構的輔助（關於支護結構的應用後文還會討論）。早在西漢時，這種技術就已經非常成熟，在長江沿線很多地方都有漢代崖墓存世，而漢王墓中也有相當一部分屬於這種類型。其中，芒碭山的梁王及王后墓的規模就非常驚人。

保安山二號墓透視圖

襯砌結構

當隧道或地下空間形成後，為了防止圍岩失穩，需要建造支護或襯砌結構確保地下空間的完整和安全。但當圍岩條件非常好的時候，是可以不施作支護和襯砌的。

人們對支護結構的認知理念和技術水平是從上世紀才達到基本成熟的。在古代，明挖結構的外槨可相當於隧道的襯砌，以提供一個完整的地下空間；而暗挖的襯砌建造卻有一定難度，很多古代暗挖地下工程都是不做襯砌的——當然，這樣做的前提是圍岩條件足夠好。

建造於東漢永平年間的石門隧道（上世紀修建石門水庫已被淹沒）採用火燒水冷的建造方法，是世界上存世的最早的交通隧道。這種在岩石中開鑿的隧道由於岩體堅硬穩定，完全不用施作襯砌。

褒斜古道及石門隧道（現已淹沒於石窟水庫）

岩土體如果強度很低，但只要穩定性好，仍然可以不建造襯砌。比如西北地區的窯洞，又如北京延慶古崖居。

延慶古崖居（筆者攝）

古代明挖地下墓葬的棺槨一定程度上起到了襯砌的作用。在西漢及以前的陵墓中廣泛採用，外槨用木材榫卯搭接，提供出內部的空間，內部空間進一步按照宮室功能分成若干小間。

湖南長沙戰國木槨墓結構（劉敦楨）

到東漢，空心磚的普及使得建造磚墓稱為可能。磚墓是真正意義上有完整襯砌結構的地下工程。

漢代磚墓墓頂結構示意圖（劉敦楨）

暗挖地下工程施工支護結構的做法遠在商代就已經非常成熟。1988年在江西瑞昌發現了商代中晚期的銅礦遺址，其採選方法既有露天采場，也有坑采井巷和選礦槽井。1987年在安徽銅陵縣發掘除了金牛洞古採礦遺址，清理出了從春秋到西漢的多處古代採礦井巷和一批採掘生產工具，目前已經清理出了豎井、干巷、斜井為半框式和方框式木支撐結構。

商代巷道支架及榫卯結框架（湖北省博物館）

在湖北大冶縣銅綠山發掘出地下40-50米的古銅礦遺址，為保證通行和運輸安全，在豎井和平、斜巷中都採用了方形木框架作為結構支撐。此類框架在豎井中都依上下方向平行排列，有的還在其間系以竹索以資聯絡。平、斜巷中木框架則沿進深作橫向排列。框架外側用木板、竹篾等作背板，以防井巷牆壁土石崩落。早期（春秋）木框採用榫卯結合，晚期（戰國-漢）木框用於豎井者，將框木端部作成搭口榫相互搭接形成以矩形木框，然後將木框依次疊壓。

湖北大冶縣銅綠山東周礦井遺址井內支架做法

在明宋應星著《天工開物》一書中，就繪製和記載了採煤時施作臨時支護的情景。

「凡取煤經歷久者，從土面能辨有無之色，然後掘挖，深至五丈許方始得煤。初見煤端時，毒氣灼人。有將巨竹鑿去中節，尖銳其末，插入炭中，其毒煙從竹中透上，人從其下施拾取者。或一井而下，炭縱橫廣有，則隨其左右闊取。其上枝板，以防壓崩耳。」

上面這段文字中提到了幾個有意思的細節：

其一，要排除煤層中的瓦斯，採用的是大竹筒的中節鑿通的辦法；

其二，當橫打巷道進行挖取時，巷道採用木板支護，以防崩塌傷人。

這第二條，就是古代暗挖法採用支護技術的一條確切記載。

《天工開物》記載採煤法（明·宋應星）

豎井

除了前面提到的採礦建造的豎井外，隧道工程中，有時會施工一個或多個豎井以增加工作面，稱之為「長隧短打」。隨著現代隧道工程施工對技術和環保的重視，這種「長隧短打」的施工方法也存在爭議。

但在古代，為了加寬施工速度，施工豎井增加工作面的方法卻算是一種創新。比如，大家所熟悉的京張鐵路八達嶺隧道便是一例。光緒三十四年（1908），詹天佑主持修建八達嶺隧道時，建有一大一小兩豎井。在詹天佑向清政府郵傳部彙報京張鐵路隧道完工時的一篇文章《京張鐵路山洞完工申報郵傳部文》中，有這樣一段描述：「惟八達嶺洞工，尤為險要……繼由山嶺打通大小二井，下距軌線深一百十尺余。遂於井內再由南北兩向開鑿，計分六處，同時工作……」其中，大井位於八達嶺隧道中部，今作為通風保留；小井今不存。有人猜測可能位於隧道一段，因修建路塹完工後而消失。

居庸關隧道和八達嶺隧道施工示意圖（圖片源自網路）

儘管八達嶺隧道也算是中國古代的地下工程（清代），但畢竟採用的是現代隧道工程施工技術。那麼下面這個例子，便不得不讓人驚嘆古人的智慧了。

西漢武帝時期，建造了一個水渠，名為龍首渠——這是中國歷史上第一條有史可查、有跡可訪的地下水渠。在建造這條水渠時，古代漢族勞動人民創造性地發明了對後世影響深遠的井渠法。這井渠法便是原始之豎井。

在《史記?河渠書》中，對龍首渠的創建有著較為清晰的記載：

其後庄熊羆言：「臨晉民願穿洛以溉重泉以東萬餘頃故鹵地。誠得水，可令畝十石。」於是為發卒萬餘人穿渠，自徵引洛水至商顏山下。岸善崩，乃鑿井，深者四十餘丈。往往為井，並下相通行水。水頹以絕商顏，東至山嶺十餘裡間。井渠之生自此始。穿渠得龍骨，故名曰龍首渠。作之十餘歲，渠頗通，猶未得其饒。

這段記載龍首渠修建的歷史大約發生在元朔到元狩年間（公元前128-公元前117年）。修渠之因始於這個叫做莊熊羆（《漢書?溝洫志》作「嚴熊」，因避漢明帝劉庄的名諱，改庄為嚴。又省去「羆」字。）的人上奏漢武帝。他說，臨晉（今陝西大荔）的百姓願意開挖一條引洛河水的灌溉渠道，以灌溉重泉（今陝西蒲城東南20公里）以東原有的一萬多頃鹽鹼地。漢武帝採納了庄熊羆的建議，調撥一萬餘人開渠。而引洛水灌溉臨晉平原，就必須在臨晉上游的征縣（今陝西澄城）境內開渠。可是在臨晉與征縣間卻橫亘著一條東西狹長的商顏山（今鐵鐮山）。渠道穿越商顏山，是整個工程的難點：由於灌區地勢高亢，必須抬高引水道。在經過商顏山下一帶時，土質疏鬆，渠岸容易崩塌，於是修渠的工匠們因地制宜，創造性地發明了「井渠法」。最深的豎井達四十餘丈。由此，渠水由地下穿商顏山而過，東行至山嶺之中十多里遠（約4000餘米）。由於在鑿渠時挖出了龍骨（古生物化石），所以這條渠被命名為龍首渠。上面提到的井渠法，即沿河渠走向在地面上開鑿一系列豎井，在地下修建暗渠使井井相通，使水在井下流通。在當時可謂對地下工程施工的一種創新，開隧道豎井施工方法之先河！要知道，渠道要穿越約四公里長的商顏山，如果只從兩端相向開挖，工作面少、洞內通風、照明也存在困難。井渠法施工有效地解決了渠道開挖過程中的出渣、通風、照明和日後維護等問題，並且大大減少了渠道的施工量和水的蒸發量。此外，龍首渠的施工還表現了測量技術的高水平，它在兩端不通視的情況下，準確地確定渠線方位和豎井位置，這在當時也是難能可貴的。

西漢龍首渠位置及井渠法示意圖（圖片源自網路）

遺憾的是，經過十餘年的施工，「渠頗通，猶未得其饒」。看來龍首渠雖然建成但並沒實現既定設想的功能。有分析認為，失敗的原因可能是因為當時的井渠未做襯砌，井渠通水後，黃土遇水坍塌，因而導致工程的失敗。

井渠法出現以後，逐漸向西傳播，影響今新疆地區。吐魯番坎兒井就是目前在繼續利用的井渠工程。上世紀初，法國伯希和考察新疆後，以為坎兒井與波斯的地下水道頗為相似，中國的井渠法來自波斯，由中亞傳入，時間大約在2500年前。由是王國維作《西域井渠考》，據《史記?河渠書》關於龍首渠的記述，認為井渠原發中土，向西傳播。現在我們已考論我國井渠技術發生應不遲於春秋時期，加上中國固有的悠久的鑿井歷史，則井渠產中國可為不移之論。井渠行西北，近代林則徐被貶戍新疆，初見坎兒井時，以為「水從土中穿穴而行，誠不可思議之事」。林則徐在新疆推廣坎兒井的事迹已人們所熟知。