張呼客運(yùn)專線隧道下穿長(zhǎng)城烽火臺(tái)遺址容許振動(dòng)速度研究

于晨昀

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

我國(guó)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(yuǎn)，是中華文明悠久歷史的記憶載體和歷代勞動(dòng)人民智慧與汗水的結(jié)晶，因其蘊(yùn)含的豐富歷史文化信息而成為保護(hù)文物。隨著我國(guó)鐵路建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展和鐵路工程振動(dòng)源的迅速增加，評(píng)價(jià)鐵路工程振動(dòng)對(duì)文物的影響并對(duì)其影響采取預(yù)防性措施日益成為一個(gè)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(dòng)對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)的危害，潘復(fù)蘭對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)的容許振動(dòng)、動(dòng)力特性等方面進(jìn)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(dòng)的傳播衰減特性及其對(duì)鄰近構(gòu)筑物的影響。鐵路工程對(duì)列車在路基、橋梁運(yùn)營(yíng)的振動(dòng)研究較多，對(duì)鐵路隧道工程修建期間和運(yùn)營(yíng)期間列車在隧道中運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)鄰近古建筑的研究較少。

為減少鐵路對(duì)文物古跡的影響，擬建的張呼客運(yùn)專線以隧道方式穿越長(zhǎng)城烽火臺(tái)遺址。為采取適當(dāng)預(yù)防措施減少對(duì)長(zhǎng)城烽火臺(tái)遺址振動(dòng)的影響提供依據(jù)，需對(duì)隧道施工和列車在隧道內(nèi)運(yùn)行對(duì)長(zhǎng)城烽火臺(tái)遺址的振動(dòng)影響進(jìn)行研究。

圖1 烽火臺(tái)與鐵路隧道走向位置關(guān)系

1 張呼客運(yùn)專線與長(zhǎng)城烽火臺(tái)遺址概況

1.1 張呼客運(yùn)專線概況

擬建的張家口至呼和浩特鐵路(簡(jiǎn)稱張呼客運(yùn)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(zhǎng)286 km。張呼客運(yùn)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(yùn)通道，以承擔(dān)中長(zhǎng)途客流為主，兼顧蒙西地區(qū)沿線城際客流。

1.2 張呼客運(yùn)專線與明長(zhǎng)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(tái)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(tái)編號(hào)為:1號(hào)烽火臺(tái)、2號(hào)烽火臺(tái)和3號(hào)烽火臺(tái)。

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

2 研究方案

本線鐵路對(duì)文物的影響可以概括為鐵路列車運(yùn)行振動(dòng)和鐵路隧道施工爆破震動(dòng)兩個(gè)方面，前者是長(zhǎng)期作用的穩(wěn)態(tài)性影響因素，后者系短期作用的瞬時(shí)性影響因素，兩者對(duì)文物的影響是不同的，容許振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)也是不同的。因此必須對(duì)上述兩種工況的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行研究。

2.1 列車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)烽火臺(tái)的影響

(1)國(guó)內(nèi)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定

關(guān)于振動(dòng)對(duì)文物的容許振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)，《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50452—2008)已有規(guī)定。該規(guī)范對(duì)全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位級(jí)別文物的容許振動(dòng)速度均有規(guī)定，該規(guī)范規(guī)定見(jiàn)表1。

表1 古建筑容許振動(dòng)速度

根據(jù)《高速列車運(yùn)營(yíng)振動(dòng)對(duì)虎丘塔穩(wěn)定性評(píng)估試驗(yàn)研究》等對(duì)既有鐵路的振動(dòng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)，列車速度提高，其激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)速度也相應(yīng)提高，速度與振動(dòng)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(dòng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T50452—2008)推薦公式，不同距離處地面振動(dòng)速度計(jì)算公式如下

式中 Vr——距振源中心r處地面振動(dòng)速度，mm/s;

V0——r0處地面振動(dòng)速度，mm/s;

r0——振源半徑，m(本次取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)參考點(diǎn)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(dòng)頻率，Hz(本次取10 Hz)。

隧道頂部預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 敏感目標(biāo)處振動(dòng)速度預(yù)測(cè)值

根據(jù)預(yù)測(cè)，運(yùn)營(yíng)期鐵路振動(dòng)滿足《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T50452—2008)標(biāo)準(zhǔn)要求。

因長(zhǎng)城烽火臺(tái)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(chǔ)上應(yīng)結(jié)合類似工程的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工程類比研究。

(2)國(guó)內(nèi)類似工程情況

表3為國(guó)內(nèi)類似工程運(yùn)營(yíng)期間的容許振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)。

表3 國(guó)內(nèi)類似工程運(yùn)營(yíng)期間容許振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)

從表3可以看出，除北京市正陽(yáng)門城墻和箭樓因結(jié)構(gòu)保存較為完好容許振動(dòng)速度較高外，其余文物為保護(hù)文物安全，容許振動(dòng)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(yùn)行速度快，通過(guò)該段隧道時(shí)間相對(duì)較短的情況，本線運(yùn)營(yíng)期間下穿長(zhǎng)城烽火臺(tái)遺址段容許振動(dòng)速度為0.15 mm/s。

2.2 隧道施工爆破振動(dòng)對(duì)烽火臺(tái)的影響

為確定本線隧道下穿長(zhǎng)城烽火臺(tái)段安全合理的爆破容許振動(dòng)速度，從國(guó)內(nèi)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外規(guī)范規(guī)定，國(guó)內(nèi)研究成果，國(guó)內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)成果4個(gè)方面進(jìn)行了研究。

(1)國(guó)內(nèi)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定

根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB10121—2007)4.5.7條規(guī)定，隧道爆破容許振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)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(cè)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定相同。但兩部規(guī)范均指出省級(jí)以上(含省級(jí))重點(diǎn)保護(hù)古建筑與古跡的安全允許振速，應(yīng)另行論證選取。長(zhǎng)城烽火臺(tái)遺址為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，應(yīng)進(jìn)一步論證選取。

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

(2)國(guó)外規(guī)范的相關(guān)規(guī)定

國(guó)外部分國(guó)家采用的爆破振動(dòng)容許振動(dòng)速度見(jiàn)表5。

表5 部分國(guó)家的爆破振動(dòng)容許振動(dòng)速度

從表5可以看出，除英國(guó)和澳大利亞外，其余國(guó)家的振動(dòng)速度均根據(jù)結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性進(jìn)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(dòng)速度值高一些是合理的。

(3)國(guó)內(nèi)研究成果

吳德倫等人在多次地面和地下爆破施工場(chǎng)地作過(guò)多次振動(dòng)測(cè)試和鉆孔爆破振動(dòng)實(shí)驗(yàn)獲得了大量數(shù)據(jù)，提出了城市爆破振動(dòng)安全速度準(zhǔn)則［7］。其主要成果見(jiàn)表6。

表6 爆破振動(dòng)建議控制標(biāo)準(zhǔn)

(4)國(guó)內(nèi)類似工程情況

為確定本線下穿長(zhǎng)城段隧道安全合理的爆破容許振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)，需與國(guó)內(nèi)類似工程的經(jīng)驗(yàn)成果進(jìn)行類比，國(guó)內(nèi)類似工程施工容許振動(dòng)速度見(jiàn)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(dòng)速度較高外，其余文物施工爆破容許振動(dòng)速度一般在0.3～0.5 cm/s。

表7 國(guó)內(nèi)類似工程施工容許振動(dòng)速度 (cm/s)

(5)結(jié)論

低頻振動(dòng)對(duì)建筑物開裂的影響比高頻振動(dòng)大，張呼客運(yùn)專線下穿長(zhǎng)城段隧道應(yīng)優(yōu)先選擇機(jī)械開挖方式，機(jī)械開挖難以掘進(jìn)時(shí)應(yīng)選用偏于安全的淺孔弱爆破方式。本線隧道下穿長(zhǎng)城烽火臺(tái)段施工爆破容許振動(dòng)速度為0.3 cm/s。

3 結(jié)語(yǔ)

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

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

(2)張呼客運(yùn)專線隧道下穿長(zhǎng)城烽火臺(tái)段運(yùn)營(yíng)期容許振動(dòng)速度0.15 mm/s，滿足《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50452—2008)的要求。

(3)張呼客運(yùn)專線隧道下穿長(zhǎng)城烽火臺(tái)段施工期間應(yīng)按機(jī)械開挖、淺孔弱爆破的優(yōu)先秩序進(jìn)行施工，爆破容許振動(dòng)速度為0.3 cm/s。

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