我国古代人民开发和利用地下空间的历史由来已久。早在远古穴居时代就已利用天然崖洞作为居住处所。我国古代文献中对上古穴居有着很多记载：

    《易•系辞》谓“上古穴居而野处”；《礼记•礼运》谓“昔者先王未有宫室，冬则居营窟，夏则居橧巢”；《墨子》曰：“古之民，未知为宫室时，就陵阜而居，穴而处”——这些记载都反映出原始人类在生产力很低的情况下可能采取的居住方式。

▲中国北方居住建筑发展过程示意图

    在建造地面建筑的技术尚未完全成熟之前，当天然洞室不能满足居住需求时，开挖地下空间为居住所用则成为一种必然的趋势。例如在黄河流域生活的先祖，利用黄土层开凿不易崩溃的特性，开挖地下或半地下的居住空间。

    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、地下矿井巷道、地下军事地道、石窟寺等方方面面的地下工程建造方面都取得了极其辉煌的成就。

    如果用现代地下工程的视角去看待古代建造的地下建筑会是怎样的情况呢？本文尝试做一些粗浅的分析，抛砖引玉。

    老子在《道德经》中有一句话可作为建筑本质之诠释：“凿户牖以为室，当其无，有室之用。故有之以为利，无之以为用。”即，建筑的本质是搭建可以使用的空间。

    地下建筑作为建筑之一类，也应当满足上述属性。以古人营建墓穴为例，上古之人尽管也做竖穴土坑、也“入土为安”，但尚未使用棺椁。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,不封不树,后世圣人易之以棺椁。”《路史•后纪五》罗注:“棺椁之作,自黄帝始。”尽管不能确定棺椁就是黄帝发明的，但棺椁的使用却是把墓葬之事提升到了地下工程的层面，或至少具备了雏形。尤其是椁室，成为为逝者营建出的一个地下空间。后世不论竖穴、横穴，抑或木椁、砖石地宫，都可看做将这个逝者的地下空间发扬光大的过程。

▲古代地下建筑和地上建筑示意图

    任何建筑形式，在用有形材料构建无形空间的时候，都必然会将建筑营建于周围介质之中。地下建筑与地上建筑的本质区别，就在于周围的介质是什么。地上建筑是建造在空气当中的，而地下建筑则建造在岩土当中。从这一角度上讲，有些古代陵墓尽管是建造在地面之上的（如成都前蜀永陵、吉水东吴大墓等），但墓拱券之上有覆土，建筑赋存于土中，则也当归入地下建筑。

▲前蜀永陵地宫结构示意图（永陵博物馆，笔者摄）

    上述赋存环境的差异，直接导致地下建筑和地上建筑在力学作用机理上产生明显的区别。相比于地面建筑，地下建筑无论是在荷载、建筑材料和结构对荷载响应的分析计算上不确定因素都更多。地下建筑除了直接围合地下空间的结构（如砖石拱券、木椁等，可将其看做是衬砌），周围的地层（称之为围岩）同样属于地下结构的重要组成部分。围岩和支护共同作用，构成承载的体系。在极端情况下，如果围岩能够自稳，可以不用支护。这种例子很多：比如西北黄土地区开挖窑洞，北京延庆古崖居，中国第一条交通隧道汉中石门隧道等，都是没有支护，由围岩直接承载而确保地下空间的形成。

▲海昏侯墓墓室结构示意图（新京报高俊夫）

    今天我们在城市中修建地铁车站时，经常采用两种方法——明挖和暗挖。明挖也就是将地层开膛破肚，像修建建筑基坑一样，等开挖到设计标高，施作结构，最后再回填覆土。而暗挖则不然，即不挖开地面，采用在地下挖洞的方式施工。

    古代的地下工程如何处理明挖和暗挖？

    当然，明挖的实例非常多。从殷墟的商王陵，到西汉马王堆汉墓，不同规模的竖穴墓从本质上看都是基坑开挖-营建椁室-安放棺材-回填覆土的过程，和现代明挖地下工程的步骤无异。当墓穴开挖深度过大时，会分级放坡开挖，有的时候还会用木板做临时基坑支护。

▲殷墟亞字形大墓（刘敦桢）

▲秦公一号大墓（笔者摄）

    至于暗挖，当然也是有的。

    第一类暗挖，是和明挖相结合，明挖到设计标高（或许有时并没有严格的设计，只是遵从经验挖到一定深度），再横向暗挖洞室。比如我国西北广泛存在的早期土洞墓，就是先从地表往下先挖一长方形竖穴坑做墓道，然后在墓道的一端或长的一侧横穿掏洞作为墓室。这种土洞墓存在时间上至新时代时期，下至周代，发掘数量上千座。这种墓穴的建造方式时至今日在西北采用土葬的农村地区还在使用。

▲甘肃武山县东旱坪战国墓

    另一个例子是著名的窑洞地坑院。其主体结构的施作流程包括：定向、放线-挖天井院-挖入口坡道、门洞、水井-挖窑洞-砌筑窑脸等。其中开挖天井院为明挖，而开挖院内窑洞则暗挖。

▲地坑式窑洞（李乾朗）

    第二类暗挖，并无明挖辅助，是在山崖或山坡上开凿洞穴。这一类暗挖绝大多数并不需要支护结构的辅助（关于支护结构的应用后文还会讨论）。早在西汉时，这种技术就已经非常成熟，在长江沿线很多地方都有汉代崖墓存世，而汉王墓中也有相当一部分属于这种类型。其中，芒砀山的梁王及王后墓的规模就非常惊人。

▲保安山二号墓透视图

    当隧道或地下空间形成后，为了防止围岩失稳，需要建造支护或衬砌结构确保地下空间的完整和安全。但当围岩条件非常好的时候，是可以不施作支护和衬砌的。

    人们对支护结构的认知理念和技术水平是从上世纪才达到基本成熟的。在古代，明挖结构的外椁可相当于隧道的衬砌，以提供一个完整的地下空间；而暗挖的衬砌建造却有一定难度，很多古代暗挖地下工程都是不做衬砌的——当然，这样做的前提是围岩条件足够好。

    建造于东汉永平年间的石门隧道（上世纪修建石门水库已被淹没）采用火烧水冷的建造方法，是世界上存世的最早的交通隧道。这种在岩石中开凿的隧道由于岩体坚硬稳定，完全不用施作衬砌。

▲褒斜古道及石门隧道（现已淹没于石窟水库）

    岩土体如果强度很低，但只要稳定性好，仍然可以不建造衬砌。比如西北地区的窑洞，又如北京延庆古崖居。

▲延庆古崖居（笔者摄）

    古代明挖地下墓葬的棺椁一定程度上起到了衬砌的作用。在西汉及以前的陵墓中广泛采用，外椁用木材榫卯搭接，提供出内部的空间，内部空间进一步按照宫室功能分成若干小间。

▲湖南长沙战国木椁墓结构（刘敦桢）

    到东汉，空心砖的普及使得建造砖墓称为可能。砖墓是真正意义上有完整衬砌结构的地下工程。

▲汉代砖墓墓顶结构示意图（刘敦桢）

    暗挖地下工程施工支护结构的做法远在商代就已经非常成熟。1988年在江西瑞昌发现了商代中晚期的铜矿遗址，其采选方法既有露天采场，也有坑采井巷和选矿槽井。1987年在安徽铜陵县发掘除了金牛洞古采矿遗址，清理出了从春秋到西汉的多处古代采矿井巷和一批采掘生产工具，目前已经清理出了竖井、干巷、斜井为半框式和方框式木支撑结构。

▲商代巷道支架及榫卯结框架（湖北省博物馆）

    在湖北大冶县铜绿山发掘出地下40-50米的古铜矿遗址，为保证通行和运输安全，在竖井和平、斜巷中都采用了方形木框架作为结构支撑。此类框架在竖井中都依上下方向平行排列，有的还在其间系以竹索以资联络。平、斜巷中木框架则沿进深作横向排列。框架外侧用木板、竹篾等作背板，以防井巷墙壁土石崩落。早期（春秋）木框采用榫卯结合，晚期（战国-汉）木框用于竖井者，将框木端部作成搭口榫相互搭接形成以矩形木框，然后将木框依次叠压。

▲湖北大冶县铜绿山东周矿井遗址井内支架做法

    在明宋应星著《天工开物》一书中，就绘制和记载了采煤时施作临时支护的情景。

　  “凡取煤经历久者，从土面能辨有无之色，然后掘挖，深至五丈许方始得煤。初见煤端时，毒气灼人。有将巨竹凿去中节，尖锐其末，插入炭中，其毒烟从竹中透上，人从其下施拾取者。或一井而下，炭纵横广有，则随其左右阔取。其上枝板，以防压崩耳。”

    上面这段文字中提到了几个有意思的细节：

    其一，要排除煤层中的瓦斯，采用的是大竹筒的中节凿通的办法；

    其二，当横打巷道进行挖取时，巷道采用木板支护，以防崩塌伤人。

    这第二条，就是古代暗挖法采用支护技术的一条确切记载。

▲《天工开物》记载采煤法（明·宋应星）

    除了前面提到的采矿建造的竖井外，隧道工程中，有时会施工一个或多个竖井以增加工作面，称之为“长隧短打”。随着现代隧道工程施工对技术和环保的重视，这种“长隧短打”的施工方法也存在争议。

    但在古代，为了加宽施工速度，施工竖井增加工作面的方法却算是一种创新。比如，大家所熟悉的京张铁路八达岭隧道便是一例。光绪三十四年（1908），詹天佑主持修建八达岭隧道时，建有一大一小两竖井。在詹天佑向清政府邮传部汇报京张铁路隧道完工时的一篇文章《京张铁路山洞完工申报邮传部文》中，有这样一段描述：“惟八达岭洞工，尤为险要……继由山岭打通大小二井，下距轨线深一百十尺余。遂于井内再由南北两向开凿，计分六处，同时工作……”其中，大井位于八达岭隧道中部，今作为通风保留；小井今不存。有人猜测可能位于隧道一段，因修建路堑完工后而消失。

▲居庸关隧道和八达岭隧道施工示意图（图片源自网络）

    尽管八达岭隧道也算是中国古代的地下工程（清代），但毕竟采用的是现代隧道工程施工技术。那么下面这个例子，便不得不让人惊叹古人的智慧了。

    西汉武帝时期，建造了一个水渠，名为龙首渠——这是中国历史上第一条有史可查、有迹可访的地下水渠。在建造这条水渠时，古代汉族劳动人民创造性地发明了对后世影响深远的井渠法。这井渠法便是原始之竖井。

在《史记•河渠书》中，对龙首渠的创建有着较为清晰的记载：

其后庄熊罴言：“临晋民愿穿洛以溉重泉以东万余顷故卤地。诚得水，可令亩十石。”于是为发卒万余人穿渠，自征引洛水至商颜山下。岸善崩，乃凿井，深者四十余丈。往往为井，并下相通行水。水颓以绝商颜，东至山岭十余里间。井渠之生自此始。穿渠得龙骨，故名曰龙首渠。作之十余岁，渠颇通，犹未得其饶。

    这段记载龙首渠修建的历史大约发生在元朔到元狩年间（公元前128-公元前117年）。修渠之因始于这个叫做庄熊罴（《汉书•沟洫志》作“严熊”，因避汉明帝刘庄的名讳，改庄为严。又省去“罴”字。）的人上奏汉武帝。他说，临晋（今陕西大荔）的百姓愿意开挖一条引洛河水的灌溉渠道，以灌溉重泉（今陕西蒲城东南20公里）以东原有的一万多顷盐碱地。汉武帝采纳了庄熊罴的建议，调拨一万余人开渠。而引洛水灌溉临晋平原，就必须在临晋上游的征县（今陕西澄城）境内开渠。可是在临晋与征县间却横亘着一条东西狭长的商颜山（今铁镰山）。渠道穿越商颜山，是整个工程的难点：由于灌区地势高亢，必须抬高引水道。在经过商颜山下一带时，土质疏松，渠岸容易崩塌，于是修渠的工匠们因地制宜，创造性地发明了“井渠法”。最深的竖井达四十余丈。由此，渠水由地下穿商颜山而过，东行至山岭之中十多里远（约4000余米）。由于在凿渠时挖出了龙骨（古生物化石），所以这条渠被命名为龙首渠。上面提到的井渠法，即沿河渠走向在地面上开凿一系列竖井，在地下修建暗渠使井井相通，使水在井下流通。在当时可谓对地下工程施工的一种创新，开隧道竖井施工方法之先河！要知道，渠道要穿越约四公里长的商颜山，如果只从两端相向开挖，工作面少、洞内通风、照明也存在困难。井渠法施工有效地解决了渠道开挖过程中的出渣、通风、照明和日后维护等问题，并且大大减少了渠道的施工量和水的蒸发量。此外，龙首渠的施工还表现了测量技术的高水平，它在两端不通视的情况下，准确地确定渠线方位和竖井位置，这在当时也是难能可贵的。

▲西汉龙首渠位置及井渠法示意图（图片源自网络）

    遗憾的是，经过十余年的施工，“渠颇通，犹未得其饶”。看来龙首渠虽然建成但并没实现既定设想的功能。有分析认为，失败的原因可能是因为当时的井渠未做衬砌，井渠通水后，黄土遇水坍塌，因而导致工程的失败。

    井渠法出现以后，逐渐向西传播，影响今新疆地区。吐鲁番坎儿井就是目前在继续利用的井渠工程。上世纪初，法国伯希和考察新疆后，以为坎儿井与波斯的地下水道颇为相似，中国的井渠法来自波斯，由中亚传入，时间大约在2500年前。由是王国维作《西域井渠考》，据《史记•河渠书》关于龙首渠的记述，认为井渠原发中土，向西传播。现在我们已考论我国井渠技术发生应不迟于春秋时期，加上中国固有的悠久的凿井历史，则井渠产中国可为不移之论。井渠行西北，近代林则徐被贬戍新疆，初见坎儿井时，以为“水从土中穿穴而行，诚不可思议之事”。林则徐在新疆推广坎儿井的事迹已人们所熟知。

▲坎儿井示意图（图片源自网络）

    在墓室营建时，这种增加工作面的天井也是非常普遍的。

凿天井通向墓室的做法，滥觞于东汉，形成于北魏、北齐，在隋唐进一步制度化，被称为“天井墓”，通往墓室的隧道上有数个竖井通到地面，这些竖井现在通常被称为“天井”。

    北魏如洛阳元邵墓、北齐如娄叡墓，隋如姬成、李和墓。

▲隋代天井墓（姬成墓、李和墓）

    隋唐时的天井墓，通常由封土下的墓室、隧道、露天斜坡羡道组成。这些天井的最初作用就是为了增加隧道的开挖工作面，后来成为墓制的一部分，被赋予了象征意义。

▲唐永泰公主墓天井墓道

▲唐懿德太子墓剖视图

作者：马蒙，北京交通大学 地下工程系 副教授

转载自北京交大古建筑

排版|张余峻

初审∣赵亚男

终审∣韩艳丽