鲜丰隧道穿越亚沟石刻建设控制地带文物影响评估

黑龙江省文物保护中心



鲜丰隧道穿越亚沟石刻建设控制地带文物影响评估

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鲜丰隧道 亚沟石刻 爆破 振动 文物影响

鲜丰隧道穿越亚沟石刻建设控制地带，隧道采用暗挖法施工，爆破开挖采用数码电子雷管与普通毫秒雷管组合控制爆破技术施工。爆破振动及列车运行振动会对石刻造成影响，为防止振动对石刻造成破坏，依据国家法律法规及相关规范，在充分研究亚沟石刻所依附山体的地质构造及石刻保存现状基础上，结合试验成果，针对爆破振动、高铁运行振动及隧道建设运行下亚沟石刻所依附山体的地质安全状况对石刻造成的影响进行评估，以确保文物安全。

新建哈尔滨至牡丹江铁路客运专线(以下简称哈牡客专)，线路总长度约303千米，共设车站12个，投资估算约为365亿元。哈牡客专鲜丰隧道段位于哈尔滨市阿城区玉泉镇境内，进口里程CK62+700，出口里程CK66+560，全长3860米，为单洞双线隧道，隧道最大埋深116米。鲜丰隧道CK64+300～CK65+200段穿越了全国重点文物保护单位亚沟石刻的建设控制地带，穿越长度约900米，隧道距离亚沟石刻本体最近处约290米，最远处约450米(图一)。

图一 鲜丰隧道穿越亚沟石刻建设控制地带

一、亚沟石刻简介及其保存现状评估

石刻位于黑龙江省哈尔滨市阿城区亚沟镇以东5千米的石人山南麓崖壁上，距金上京故城14千米。石刻所在山峰坐标东经126°58＇，北纬45°29＇，海拔250.8米，属张广才岭西部边缘的低山丘陵地带，呈东西走向，西部山脊平缓，东部山峰较高，呈慢坡缓岗状。石刻是金代早期石雕艺术遗存，尤为珍贵。1988年被公布为全国重点文物保护单位。石刻像为两幅，刻于两块相邻岩石上，正面向南，为一男一女人物像。男像在右侧，武士装束，头戴帽，足着皮靴，手执杖，威武雄壮；女像在左侧，贵妇形象，头戴帽，身穿左衽直领长袖衣，双手合于胸前，安祥端坐。男像线条较清楚，高185、宽105厘米。女像已很模糊，其轮廓尺寸较男像略小。人像是用金属工具在断崖岩石的表面上刻出浅细的线条，深约0.3～0.5厘米，雕刻方法类似于宋《营造法式》中的减地平级。

亚沟石刻像近千余年来裸露于自然环境中，久经风雨侵蚀，花岗岩表面已被剥蚀成凹凸状，刻痕变浅，图像已模糊。两幅图像所在岩石之间已出现约5厘米的裂隙，裂隙中草木植被的根系使岩石松动滑坡，石刻存在着严重的安全隐患，振动可能导致石刻所依附的岩体崩塌。

二、文物影响评估

鲜丰隧道穿越亚沟石刻建设控制地带，对石刻造成不利影响的因素包括：隧道穿越亚沟石刻施工期振动的影响；列车运行振动对亚沟石刻的影响；隧道建设运行下亚沟石刻地质安全性对文物造成的影响。

评估依据国家现行的法律法规及相关规范。

(一)隧道穿越亚沟石刻施工期振动的影响评估

根据鲜丰隧道穿越区域各段围岩分级及与亚沟石刻位置关系，结合《高速铁路隧道工程施工技术指南》(铁建设【2010】241号)、《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》(铁建设【2010】120号)的规定，初步得出各段落隧道爆破开挖的基本炸药量及开挖控制步距。《规程》对一般古建筑和古迹爆破振动的垂向安全允许振速为：≦10Hz，0.1～0.2cm/s；10～50Hz，0.2～0.3cm/s；>50 Hz，0.3～0.5cm/s。因为《规程》规定的数据是爆破振动对一般古建筑与古迹的垂向安全允许振速，亚沟石刻是全国重点文物保护单位，石刻本身存在着安全隐患，况且《规程》中规定的数据为理论值，石刻周边的地质状况较为复杂，所以应根据现场实测数据进行分析比较，在实测数据的基础上采用更为保守的指标才能确保文物的安全。

表一 鲜丰隧道穿越亚沟石刻段隧道爆破开挖的炸药量及开挖控制步距统计表

2014年，我中心委托黑龙江省地震工程研究院进行了现场测试，其核心内容是：“鲜丰隧道经过亚沟石刻建设控制地带，最近爆破点距离石刻290m左右，如何缓解施工与地震效应(由爆破诱发的一系列负面效应，尤其是爆破作业引起的爆破地震的负面效应)之间的矛盾，保证石刻安全是需要解决的重要技术问题。由于测试的目标是自然岩石上的石刻，因此，注意力主要集中在地球物理探测方面，找出工程场地上具有代表性的8个爆破点的爆破地震能量和优势振动的衰减规律，最终给出在工程设计的炸药量下通过场地衰减后到达石刻部位的振动符合《规程》规定的数值。由于有损探测会对文物造成负面影响，针对文物保护对象的特殊性，采用了无损探测即锤击脉冲输入法。采用边界测线位移和速度的衰减关系推算整个场地的衰减关系，其原理为找出由近乎垂直的实测边界路线的衰减系数，找出地震波在这一特定场地的衰减关系，进一步计算沿隧道一线排列的爆破点到石刻位置每条爆破地震波路线上的衰减系数，然后先计算随距离增大的水平衰减，继而计算由于爆破点距石刻高程差和隧道埋深引起的地形改正(即土层放大)，把最后得到各爆破点爆破时的峰值振速经过场地传到石刻部位的峰值振速(三分向：东西向+南北向+垂直向)与《规程》中规定的允许振速比对，超标部分重新反推安全炸药量(但炸药量需满足基本的施工要求)，修改施工爆破设计参数，直至满足要求。”①计算结果经多次处置，最后调整完成的参数值见表一。经调整后，鲜丰隧道穿越亚沟石刻建设控制地带内不同爆破点到亚沟石刻本体经衰减后峰值速度在≤10Hz、10Hz50 Hz的范围内南北向、东西向、垂直向均满足规定(表二)。

由此，爆破施工时如能严格执行表二的炸药用量及开挖步距，施工过程中进行全程监测，制定好严格防护措施及合理的施工组织方案，可以保证石刻的安全。

表二 调整炸药量的石刻部位的峰值速度推算

(二)列车运行振动对亚沟石刻的影响评估

目前专线尚未建成，列车运行时的振动数据无法采集。为此，黑龙江省文物保护中心委托黑龙江省地震工程研究院选择了地质构造情况类似的且已投入运营的哈大高铁大连境内段的九里沟隧道和韩家岭隧道进行了现场测试。执行标准是《古建筑防工业振动技术规范(GB/T 50452-2008)》(下文简称《规范》)和《地基动力特性测试标准(GB/T 50269-97)》。由于其中没有石刻的控制标准，我们选择与其相近的石窟控制标准作为评估依据，因为石窟与石刻振动的物理本质是一致的，与山体是一体化振动。从振动衰减的角度而言，石刻与石窟相比只是石刻没有进深，与自然山体更加接近一体化，而石窟有一段进深，兼有一点浅埋隧道的振动特性。可见石刻自振周期比石窟自振周期大，所以选择石窟的控制标准没有问题(表三)。

依据《规范》附录B中公式vr=v0

表三 石窟的容许振动速度[V](mm/s)

从计算衰减结果来看，三个方向上产生的振动经速度衰减后均满足《规范》中规定的石窟最大容许振动速度要求。计算结果基本表明速度衰减很快，主要原因是速度衰减计算公式中f0较大的原因，式中vr与f0成反比，普通铁路和道路的一般黏性土、粉土和砂土地基的地面扰动频率f0只有5～7Hz，而本次测试的哈大高铁产生的频率都在40～50Hz之间，明显偏大。另外一个原因是地基土的类型，测试场地以松散的砾石土为主，也对振动的衰减影响较大。

表四 BKD-2B-LN2地震计衰减计算结果(九里沟隧道口)

表五 BKD-2B-LN2地震计衰减计算结果(韩家岭隧道口)

再从列车行驶振动影响下亚沟石刻地质安全性评价角度分析，由于亚沟石刻与鲜丰隧道之间最短波传播距离达290m，并且二者之间岩石经历了全风化—强风化—弱风化作用，致使岩体完整性很差、破碎强烈，岩体质量等级为Ⅱ级～Ⅴ级、岩土工程分级为Ⅳ级～Ⅴ级，特别是较多发育的张性—张扭性节理或断层对振动传播具有很大的隔振作用，而列车行驶引起环境振动强度较小且在传播中强度快速衰减，即振动水平传播超过10m、竖向传播超过15m便衰减得很微弱，并且因振动主频带超过场地特征频率而不会发生共振现象，列车行驶引起的强度较小的振动传播290m到达石人山顶的强度将衰减至微乎其微，对石刻的安全性将不会产生任何影响。

(三)隧道建设运行下亚沟石刻地质安全性对文物造成的影响评估

1.隧道、石刻所在区域不存在地震带、现代活动断裂带、高水平地应力带，因此隧道掘进爆破不触发地震作用、活断层运动、高地应力释放，所以不会导致石刻破坏；在设计爆破1m3岩石用药量0.31kg～0.45kg条件下，产生的高频地冲击振动在传播中强度快速衰减且无共振现象，冲击地波到达石人山峭壁的振动效应很小，不会影响石刻的安全。

2.由于隧道位于岩石中、埋深较大且高于地下稳定水位，又因为含水层为张性或张扭性裂隙岩体且不存在高水平地应力，所以不存在承压水，此外石刻位于花岗岩体上且远高于地下稳定水位，特别是石刻远离隧道、远高于隧道(石刻与隧道之间高差达70米、最近水平距离达290米)，因此隧道掘进爆破作用不可能引起大量涌水而导致地表沉降进而危及石刻安全。石刻虽然处于极端高寒深季节冻融环境，然而因石刻位于石人山山顶而使之远高于地下稳定水位，并且因当地最大冻深仅191厘米而使得石刻位置的冻结锋面也远高于地下稳定水位，二者之间高差(可达70米)远高于地下水向冻结锋面迁移补给的高度(不到2.5米)，所以尽管列车高速行驶振动作用能够使地下未冻水向冻结锋面的迁移高度有所提高(即使轨道附近的振动强度较大，一般也只能使路基中地下水的迁移补给高度提高20厘米～30厘米)，但是因石刻远离隧道而使得传播到达的振动效应微乎其微，故此冻结期不存在丰富的地下水对冻结锋面的显著迁移补给。冻结期也不存在地表流水的入渗作用，而厚层积雪也只能在春融期才发生融化下渗，所以传播至石人山顶的微乎其微的行车振动效应显然不会对石刻原有的冻胀作用产生任何新的影响。

由于石刻与隧道之间的主体岩石为全风化—强风化—弱风化岩体，张性或张扭性结构面极发育，致使岩体完整性很差、破碎强烈，因而地下水的渗流通道很发育、渗透性很好，而隧道掘进爆破地冲击波传播至石人山顶已大幅度衰减、隧道开通行车振动传播至石人山顶更是衰减至微乎其微，故此这两种振动作用并不明显影响石人山顶及其临近区域岩体中作为地下水渗流通道的结构面的原有张开度，进而不影响冻结期与春融期地下水上升、地表水下渗，所以隧道掘进的爆破振动作用与开通运行的行车振动作用显然不影响石刻原有的冻融安全性。

三、综合评估结论

鲜丰隧道穿越亚沟石刻建设控制地带，隧道建设、高铁运行及隧道建设、高铁运行时石刻所依附山体的地质安全等方面将对石刻造成影响，为了避免这些影响对石刻造成破坏，我们从以下三个方面对石刻的影响做如下评估。

(一)针对隧道建设及施工时爆破振动对石刻造成的影响，依据国家法律法规及相关规范，在充分研究亚沟石刻所依附山体的地质构造及石刻保存现状基础上，结合试验成果，爆破施工时严格执行炸药用量及开挖步距，施工过程中进行全程监测，制定好严格防护措施及合理的施工组织方案，可以保证石刻的安全。

(二)针对高铁运行振动对石刻造成的影响，依据国家法律法规及相关规范，在充分研究亚沟石刻所依附山体的地质构造及石刻保存现状基础上，结合试验成果，参照《古建筑防工业振动技术规范》中规定的石窟最大容许振动速度要求，从计算衰减结果来看，三个方向上产生的振动经速度衰减后均满足。由此，列车行驶引起的强度较小的振动传播290m到达石人山顶的强度将衰减至微乎其微，对石刻的安全性将不产生任何影响。

(三)针对隧道建设、高铁运行时石刻所依附山体的地质安全性方面对石刻造成的影响，在充分研究亚沟石刻所依附山体的地质构造及石刻保存现状基础上得出如下结论：1.由于隧道、石刻所在区域不存在地震带、现代活动断裂带、高水平地应力带，因此隧道掘进爆破不触发地震作用、活断层运动、高地应力释放，所以不会导致石刻破坏；2.隧道掘进爆破作用不可能引起大量涌水而导致地表沉降进而危及石刻安全；3.隧道掘进的爆破振动作用与开通运行的行车振动作用也不会影响石刻原有的冻融安全性。

综上，针对鲜丰隧道建设掘进爆破地冲击作用、开通运行的行车振动作用，立足于基础地质资料、工程勘察资料、专项设计资料及实测数据，注重于区域大地构造、构造地质、动力地质、工程地质、水文地质、岩体结构、冻融作用、地形地貌与爆破施工力学、轨道交通动力学、岩体动力学、波传原理等多学科交叉融合与多种资料解译集成的综合研究手段，对鲜丰隧道穿越亚沟石刻建设控制地带造成的不利因素做出客观、科学、合理的评估，依据评估制定具体的解决方案，并在施工过程中进行全程监测，制定好严格防护措施及合理的施工组织方案，可以保证亚沟石刻的安全。

执笔：王 剑 张 伟

注 释：

① 黑龙江省地震工程研究院：《鲜丰隧道爆破作业对亚沟石刻影响的评估》， 2014年8月。

② 黑龙江省地震工程研究院：《鲜丰隧道运营对亚沟石刻振动影响评价》，2014年10月。

〔责任编辑、校对 田索菲〕

王剑，男，1970年生，黑龙江省文物保护中心研究员级高级工程师；张伟，男，1964年生，黑龙江省文物考古研究所研究员，邮编150008。

K854.3 K879.3

A

1001-0483(2016)02-0050-06