于晨昀

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

我國文物數(shù)量眾多，結(jié)構(gòu)形式多樣，建筑材料取材廣泛，建造年代久遠，是中華文明悠久歷史的記憶載體和歷代勞動人民智慧與汗水的結(jié)晶，因其蘊含的豐富歷史文化信息而成為保護文物。隨著我國鐵路建設事業(yè)的不斷發(fā)展和鐵路工程振動源的迅速增加，評價鐵路工程振動對文物的影響并對其影響采取預防性措施日益成為一個重要的課題。為防止鐵路、公路等工業(yè)振源引起的地面振動對古建筑結(jié)構(gòu)的危害，潘復蘭對古建筑結(jié)構(gòu)的容許振動、動力特性等方面進行了研究。［1］城市軌道交通工程附近地面建(構(gòu))筑物、地下管線、地下結(jié)構(gòu)物較多，因此更多地關(guān)注地鐵列車振動的傳播衰減特性及其對鄰近構(gòu)筑物的影響。鐵路工程對列車在路基、橋梁運營的振動研究較多，對鐵路隧道工程修建期間和運營期間列車在隧道中運行產(chǎn)生的振動對鄰近古建筑的研究較少。

為減少鐵路對文物古跡的影響，擬建的張呼客運專線以隧道方式穿越長城烽火臺遺址。為采取適當預防措施減少對長城烽火臺遺址振動的影響提供依據(jù)，需對隧道施工和列車在隧道內(nèi)運行對長城烽火臺遺址的振動影響進行研究。

圖1 烽火臺與鐵路隧道走向位置關(guān)系

1 張呼客運專線與長城烽火臺遺址概況

1.1 張呼客運專線概況

擬建的張家口至呼和浩特鐵路(簡稱張呼客運專線)自張家口南站引出，途經(jīng)河北省和內(nèi)蒙古自治區(qū)兩省，經(jīng)張家口市、烏蘭察布市、呼和浩特市，止于呼和浩特東站。全長286 km。張呼客運專線是北京至呼包鄂地區(qū)快速鐵路的重要組成部分，是京包蘭快速鐵路通道的重要組成部分，也是西北地區(qū)、蒙西地區(qū)通往北京等京津冀地區(qū)便捷快速客運通道，以承擔中長途客流為主，兼顧蒙西地區(qū)沿線城際客流。

1.2 張呼客運專線與明長城遺址的位置關(guān)系(圖1)

張呼鐵路隧道兩側(cè)150 m范圍內(nèi)，有烽火臺3座，包括DK65+155、DK67+358、DK68+747三處。為便于表述，下文中將3處烽火臺編號為:1號烽火臺、2號烽火臺和3號烽火臺。

目前基本無明顯長城遺跡，僅有烽火臺殘留。線路在DK65+155處距烽火臺平面距離13 m，該處隧道頂部埋深約33 m，與烽火臺相對高差44.9 m;在DK67+358處距烽火臺66 m，該處隧道頂部埋深約60 m，與烽火臺相對高差117 m;在DK68+747處距烽火臺70 m，該處隧道頂部埋深約36 m，與烽火臺相對高差70 m。

2 研究方案

本線鐵路對文物的影響可以概括為鐵路列車運行振動和鐵路隧道施工爆破震動兩個方面，前者是長期作用的穩(wěn)態(tài)性影響因素，后者系短期作用的瞬時性影響因素，兩者對文物的影響是不同的，容許振動速度標準也是不同的。因此必須對上述兩種工況的振動控制標準分別進行研究。

2.1 列車運行振動對烽火臺的影響

(1)國內(nèi)規(guī)范標準相關(guān)規(guī)定

關(guān)于振動對文物的容許振動速度標準，《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50452—2008)已有規(guī)定。該規(guī)范對全國重點文物保護單位級別文物的容許振動速度均有規(guī)定，該規(guī)范規(guī)定見表1。

表1 古建筑容許振動速度

根據(jù)《高速列車運營振動對虎丘塔穩(wěn)定性評估試驗研究》等對既有鐵路的振動實測試驗，列車速度提高，其激勵產(chǎn)生的振動速度也相應提高，速度與振動速度之間的關(guān)系可用下式表示

根據(jù)《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》(GB/T50452—2008)推薦公式，不同距離處地面振動速度計算公式如下

式中 Vr——距振源中心r處地面振動速度，mm/s;

V0——r0處地面振動速度，mm/s;

r0——振源半徑，m(本次取實測數(shù)據(jù)參考點半徑隧道取20 m，橋梁3 m);

r——距振源中心距離，m;

ζ0——與振源半徑等有關(guān)的幾何衰減系數(shù)(本次取0.800);

α0——土的能量吸收系數(shù)(本次取0.000 115);

f0——地面振動頻率，Hz(本次取10 Hz)。

隧道頂部預測結(jié)果見表2。

表2 敏感目標處振動速度預測值

根據(jù)預測，運營期鐵路振動滿足《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》(GB/T50452—2008)標準要求。

因長城烽火臺遺址為夯土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式與規(guī)范規(guī)定的磚結(jié)構(gòu)、石結(jié)構(gòu)有所差異，在滿足規(guī)范規(guī)定的基礎上應結(jié)合類似工程的控制標準進行工程類比研究。

(2)國內(nèi)類似工程情況

表3為國內(nèi)類似工程運營期間的容許振動速度標準。

表3 國內(nèi)類似工程運營期間容許振動速度標準

從表3可以看出，除北京市正陽門城墻和箭樓因結(jié)構(gòu)保存較為完好容許振動速度較高外，其余文物為保護文物安全，容許振動速度在0.18～0.27 mm/s之間。

(3)結(jié)論

考慮本線為高速鐵路，列車運行速度快，通過該段隧道時間相對較短的情況，本線運營期間下穿長城烽火臺遺址段容許振動速度為0.15 mm/s。

2.2 隧道施工爆破振動對烽火臺的影響

為確定本線隧道下穿長城烽火臺段安全合理的爆破容許振動速度，從國內(nèi)規(guī)范、標準，國外規(guī)范規(guī)定，國內(nèi)研究成果，國內(nèi)類似工程經(jīng)驗成果4個方面進行了研究。

(1)國內(nèi)規(guī)范、標準的相關(guān)規(guī)定

根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》(TB10121—2007)4.5.7條規(guī)定，隧道爆破容許振動速度標準見表4。

《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003)的規(guī)定與《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》規(guī)定相同。但兩部規(guī)范均指出省級以上(含省級)重點保護古建筑與古跡的安全允許振速，應另行論證選取。長城烽火臺遺址為全國重點文物保護單位，應進一步論證選取。

表4 《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定

(2)國外規(guī)范的相關(guān)規(guī)定

國外部分國家采用的爆破振動容許振動速度見表5。

表5 部分國家的爆破振動容許振動速度

從表5可以看出，除英國和澳大利亞外，其余國家的振動速度均根據(jù)結(jié)構(gòu)自身的動力特性進行了劃分。由于爆破波的高頻部分比低頻部分衰減快得多，而文物的自振頻率一般低于爆破波頻率，因此高頻部分的容許振動速度值高一些是合理的。

(3)國內(nèi)研究成果

吳德倫等人在多次地面和地下爆破施工場地作過多次振動測試和鉆孔爆破振動實驗獲得了大量數(shù)據(jù)，提出了城市爆破振動安全速度準則［7］。其主要成果見表6。

表6 爆破振動建議控制標準

(4)國內(nèi)類似工程情況

為確定本線下穿長城段隧道安全合理的爆破容許振動速度標準，需與國內(nèi)類似工程的經(jīng)驗成果進行類比，國內(nèi)類似工程施工容許振動速度見表7。

從表7可以看出，除南京市九華山明城墻和鎮(zhèn)海海防遺址施工爆破容許振動速度較高外，其余文物施工爆破容許振動速度一般在0.3～0.5 cm/s。

表7 國內(nèi)類似工程施工容許振動速度 (cm/s)

(5)結(jié)論

低頻振動對建筑物開裂的影響比高頻振動大，張呼客運專線下穿長城段隧道應優(yōu)先選擇機械開挖方式，機械開挖難以掘進時應選用偏于安全的淺孔弱爆破方式。本線隧道下穿長城烽火臺段施工爆破容許振動速度為0.3 cm/s。

3 結(jié)語

為了最大限度地降低鐵路隧道振動對文物的危害，開展鐵路隧道振動對文物影響的研究是十分必要的。通過以上分析和研究，得到了以下結(jié)論。

(1)鐵路隧道振動對文物的影響分為兩類:一類是運營期間列車在隧道內(nèi)振動對文物的影響，一類是隧道施工期間爆破振動對文物的影響，兩者的容許振動速度是不同的。

(2)張呼客運專線隧道下穿長城烽火臺段運營期容許振動速度0.15 mm/s，滿足《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50452—2008)的要求。

(3)張呼客運專線隧道下穿長城烽火臺段施工期間應按機械開挖、淺孔弱爆破的優(yōu)先秩序進行施工，爆破容許振動速度為0.3 cm/s。

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