张呼客运专线隧道下穿长城烽火台遗址容许振动速度研究

于晨昀

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

我国文物数量众多，结构形式多样，建筑材料取材广泛，建造年代久远，是中华文明悠久历史的记忆载体和历代劳动人民智慧与汗水的结晶，因其蕴含的丰富历史文化信息而成为保护文物。随着我国铁路建设事业的不断发展和铁路工程振动源的迅速增加，评价铁路工程振动对文物的影响并对其影响采取预防性措施日益成为一个重要的课题。为防止铁路、公路等工业振源引起的地面振动对古建筑结构的危害，潘复兰对古建筑结构的容许振动、动力特性等方面进行了研究。［1］城市轨道交通工程附近地面建(构)筑物、地下管线、地下结构物较多，因此更多地关注地铁列车振动的传播衰减特性及其对邻近构筑物的影响。铁路工程对列车在路基、桥梁运营的振动研究较多，对铁路隧道工程修建期间和运营期间列车在隧道中运行产生的振动对邻近古建筑的研究较少。

为减少铁路对文物古迹的影响，拟建的张呼客运专线以隧道方式穿越长城烽火台遗址。为采取适当预防措施减少对长城烽火台遗址振动的影响提供依据，需对隧道施工和列车在隧道内运行对长城烽火台遗址的振动影响进行研究。

图1 烽火台与铁路隧道走向位置关系

1 张呼客运专线与长城烽火台遗址概况

1.1 张呼客运专线概况

拟建的张家口至呼和浩特铁路(简称张呼客运专线)自张家口南站引出，途经河北省和内蒙古自治区两省，经张家口市、乌兰察布市、呼和浩特市，止于呼和浩特东站。全长286 km。张呼客运专线是北京至呼包鄂地区快速铁路的重要组成部分，是京包兰快速铁路通道的重要组成部分，也是西北地区、蒙西地区通往北京等京津冀地区便捷快速客运通道，以承担中长途客流为主，兼顾蒙西地区沿线城际客流。

1.2 张呼客运专线与明长城遗址的位置关系(图1)

张呼铁路隧道两侧150 m范围内，有烽火台3座，包括DK65+155、DK67+358、DK68+747三处。为便于表述，下文中将3处烽火台编号为:1号烽火台、2号烽火台和3号烽火台。

目前基本无明显长城遗迹，仅有烽火台残留。线路在DK65+155处距烽火台平面距离13 m，该处隧道顶部埋深约33 m，与烽火台相对高差44.9 m;在DK67+358处距烽火台66 m，该处隧道顶部埋深约60 m，与烽火台相对高差117 m;在DK68+747处距烽火台70 m，该处隧道顶部埋深约36 m，与烽火台相对高差70 m。

2 研究方案

本线铁路对文物的影响可以概括为铁路列车运行振动和铁路隧道施工爆破震动两个方面，前者是长期作用的稳态性影响因素，后者系短期作用的瞬时性影响因素，两者对文物的影响是不同的，容许振动速度标准也是不同的。因此必须对上述两种工况的振动控制标准分别进行研究。

2.1 列车运行振动对烽火台的影响

(1)国内规范标准相关规定

关于振动对文物的容许振动速度标准，《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T 50452—2008)已有规定。该规范对全国重点文物保护单位级别文物的容许振动速度均有规定，该规范规定见表1。

表1 古建筑容许振动速度

根据《高速列车运营振动对虎丘塔稳定性评估试验研究》等对既有铁路的振动实测试验，列车速度提高，其激励产生的振动速度也相应提高，速度与振动速度之间的关系可用下式表示

根据《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T50452—2008)推荐公式，不同距离处地面振动速度计算公式如下

式中 Vr——距振源中心r处地面振动速度，mm/s;

V0——r0处地面振动速度，mm/s;

r0——振源半径，m(本次取实测数据参考点半径隧道取20 m，桥梁3 m);

r——距振源中心距离，m;

ζ0——与振源半径等有关的几何衰减系数(本次取0.800);

α0——土的能量吸收系数(本次取0.000 115);

f0——地面振动频率，Hz(本次取10 Hz)。

隧道顶部预测结果见表2。

表2 敏感目标处振动速度预测值

根据预测，运营期铁路振动满足《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T50452—2008)标准要求。

因长城烽火台遗址为夯土结构，结构形式与规范规定的砖结构、石结构有所差异，在满足规范规定的基础上应结合类似工程的控制标准进行工程类比研究。

(2)国内类似工程情况

表3为国内类似工程运营期间的容许振动速度标准。

表3 国内类似工程运营期间容许振动速度标准

从表3可以看出，除北京市正阳门城墙和箭楼因结构保存较为完好容许振动速度较高外，其余文物为保护文物安全，容许振动速度在0.18～0.27 mm/s之间。

(3)结论

考虑本线为高速铁路，列车运行速度快，通过该段隧道时间相对较短的情况，本线运营期间下穿长城烽火台遗址段容许振动速度为0.15 mm/s。

2.2 隧道施工爆破振动对烽火台的影响

为确定本线隧道下穿长城烽火台段安全合理的爆破容许振动速度，从国内规范、标准，国外规范规定，国内研究成果，国内类似工程经验成果4个方面进行了研究。

(1)国内规范、标准的相关规定

根据《铁路隧道监控量测技术规程》(TB10121—2007)4.5.7条规定，隧道爆破容许振动速度标准见表4。

《爆破安全规程》(GB6722—2003)的规定与《铁路隧道监控量测技术规程》规定相同。但两部规范均指出省级以上(含省级)重点保护古建筑与古迹的安全允许振速，应另行论证选取。长城烽火台遗址为全国重点文物保护单位，应进一步论证选取。

表4 《铁路隧道监控量测技术规程》的相关规定

(2)国外规范的相关规定

国外部分国家采用的爆破振动容许振动速度见表5。

表5 部分国家的爆破振动容许振动速度

从表5可以看出，除英国和澳大利亚外，其余国家的振动速度均根据结构自身的动力特性进行了划分。由于爆破波的高频部分比低频部分衰减快得多，而文物的自振频率一般低于爆破波频率，因此高频部分的容许振动速度值高一些是合理的。

(3)国内研究成果

吴德伦等人在多次地面和地下爆破施工场地作过多次振动测试和钻孔爆破振动实验获得了大量数据，提出了城市爆破振动安全速度准则［7］。其主要成果见表6。

表6 爆破振动建议控制标准

(4)国内类似工程情况

为确定本线下穿长城段隧道安全合理的爆破容许振动速度标准，需与国内类似工程的经验成果进行类比，国内类似工程施工容许振动速度见表7。

从表7可以看出，除南京市九华山明城墙和镇海海防遗址施工爆破容许振动速度较高外，其余文物施工爆破容许振动速度一般在0.3～0.5 cm/s。

表7 国内类似工程施工容许振动速度 (cm/s)

(5)结论

低频振动对建筑物开裂的影响比高频振动大，张呼客运专线下穿长城段隧道应优先选择机械开挖方式，机械开挖难以掘进时应选用偏于安全的浅孔弱爆破方式。本线隧道下穿长城烽火台段施工爆破容许振动速度为0.3 cm/s。

3 结语

为了最大限度地降低铁路隧道振动对文物的危害，开展铁路隧道振动对文物影响的研究是十分必要的。通过以上分析和研究，得到了以下结论。

(1)铁路隧道振动对文物的影响分为两类:一类是运营期间列车在隧道内振动对文物的影响，一类是隧道施工期间爆破振动对文物的影响，两者的容许振动速度是不同的。

(2)张呼客运专线隧道下穿长城烽火台段运营期容许振动速度0.15 mm/s，满足《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T 50452—2008)的要求。

(3)张呼客运专线隧道下穿长城烽火台段施工期间应按机械开挖、浅孔弱爆破的优先秩序进行施工，爆破容许振动速度为0.3 cm/s。

［1］潘复兰.古建筑防工业振动的研究［J］.文物保护与考古科学，2008(S1):104-108.

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