黑龍江省文物保護(hù)中心

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鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設(shè)控制地帶文物影響評(píng)估

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鮮豐隧道 亞溝石刻 爆破 振動(dòng) 文物影響

鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設(shè)控制地帶，隧道采用暗挖法施工，爆破開(kāi)挖采用數(shù)碼電子雷管與普通毫秒雷管組合控制爆破技術(shù)施工。爆破振動(dòng)及列車(chē)運(yùn)行振動(dòng)會(huì)對(duì)石刻造成影響，為防止振動(dòng)對(duì)石刻造成破壞，依據(jù)國(guó)家法律法規(guī)及相關(guān)規(guī)范，在充分研究亞溝石刻所依附山體的地質(zhì)構(gòu)造及石刻保存現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)成果，針對(duì)爆破振動(dòng)、高鐵運(yùn)行振動(dòng)及隧道建設(shè)運(yùn)行下亞溝石刻所依附山體的地質(zhì)安全狀況對(duì)石刻造成的影響進(jìn)行評(píng)估，以確保文物安全。

新建哈爾濱至牡丹江鐵路客運(yùn)專線(以下簡(jiǎn)稱哈牡客專)，線路總長(zhǎng)度約303千米，共設(shè)車(chē)站12個(gè)，投資估算約為365億元。哈牡客專鮮豐隧道段位于哈爾濱市阿城區(qū)玉泉鎮(zhèn)境內(nèi)，進(jìn)口里程CK62+700，出口里程CK66+560，全長(zhǎng)3860米，為單洞雙線隧道，隧道最大埋深116米。鮮豐隧道CK64+300～CK65+200段穿越了全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位亞溝石刻的建設(shè)控制地帶，穿越長(zhǎng)度約900米，隧道距離亞溝石刻本體最近處約290米，最遠(yuǎn)處約450米(圖一)。

圖一 鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設(shè)控制地帶

一、亞溝石刻簡(jiǎn)介及其保存現(xiàn)狀評(píng)估

石刻位于黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)亞溝鎮(zhèn)以東5千米的石人山南麓崖壁上，距金上京故城14千米。石刻所在山峰坐標(biāo)東經(jīng)126°58＇，北緯45°29＇，海拔250.8米，屬?gòu)垙V才嶺西部邊緣的低山丘陵地帶，呈東西走向，西部山脊平緩，東部山峰較高，呈慢坡緩崗狀。石刻是金代早期石雕藝術(shù)遺存，尤為珍貴。1988年被公布為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。石刻像為兩幅，刻于兩塊相鄰巖石上，正面向南，為一男一女人物像。男像在右側(cè)，武士裝束，頭戴帽，足著皮靴，手執(zhí)杖，威武雄壯；女像在左側(cè)，貴婦形象，頭戴帽，身穿左衽直領(lǐng)長(zhǎng)袖衣，雙手合于胸前，安祥端坐。男像線條較清楚，高185、寬105厘米。女像已很模糊，其輪廓尺寸較男像略小。人像是用金屬工具在斷崖巖石的表面上刻出淺細(xì)的線條，深約0.3～0.5厘米，雕刻方法類(lèi)似于宋《營(yíng)造法式》中的減地平級(jí)。

亞溝石刻像近千余年來(lái)裸露于自然環(huán)境中，久經(jīng)風(fēng)雨侵蝕，花崗巖表面已被剝蝕成凹凸?fàn)睿毯圩儨\，圖像已模糊。兩幅圖像所在巖石之間已出現(xiàn)約5厘米的裂隙，裂隙中草木植被的根系使巖石松動(dòng)滑坡，石刻存在著嚴(yán)重的安全隱患，振動(dòng)可能導(dǎo)致石刻所依附的巖體崩塌。

二、文物影響評(píng)估

鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設(shè)控制地帶，對(duì)石刻造成不利影響的因素包括：隧道穿越亞溝石刻施工期振動(dòng)的影響；列車(chē)運(yùn)行振動(dòng)對(duì)亞溝石刻的影響；隧道建設(shè)運(yùn)行下亞溝石刻地質(zhì)安全性對(duì)文物造成的影響。

評(píng)估依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行的法律法規(guī)及相關(guān)規(guī)范。

(一)隧道穿越亞溝石刻施工期振動(dòng)的影響評(píng)估

根據(jù)鮮豐隧道穿越區(qū)域各段圍巖分級(jí)及與亞溝石刻位置關(guān)系，結(jié)合《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》(鐵建設(shè)【2010】241號(hào))、《關(guān)于進(jìn)一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知》(鐵建設(shè)【2010】120號(hào))的規(guī)定，初步得出各段落隧道爆破開(kāi)挖的基本炸藥量及開(kāi)挖控制步距。《規(guī)程》對(duì)一般古建筑和古跡爆破振動(dòng)的垂向安全允許振速為：≦10Hz，0.1～0.2cm/s；10～50Hz，0.2～0.3cm/s；>50 Hz，0.3～0.5cm/s。因?yàn)椤兑?guī)程》規(guī)定的數(shù)據(jù)是爆破振動(dòng)對(duì)一般古建筑與古跡的垂向安全允許振速，亞溝石刻是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，石刻本身存在著安全隱患，況且《規(guī)程》中規(guī)定的數(shù)據(jù)為理論值，石刻周邊的地質(zhì)狀況較為復(fù)雜，所以應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用更為保守的指標(biāo)才能確保文物的安全。

表一 鮮豐隧道穿越亞溝石刻段隧道爆破開(kāi)挖的炸藥量及開(kāi)挖控制步距統(tǒng)計(jì)表

2014年，我中心委托黑龍江省地震工程研究院進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其核心內(nèi)容是：“鮮豐隧道經(jīng)過(guò)亞溝石刻建設(shè)控制地帶，最近爆破點(diǎn)距離石刻290m左右，如何緩解施工與地震效應(yīng)(由爆破誘發(fā)的一系列負(fù)面效應(yīng)，尤其是爆破作業(yè)引起的爆破地震的負(fù)面效應(yīng))之間的矛盾，保證石刻安全是需要解決的重要技術(shù)問(wèn)題。由于測(cè)試的目標(biāo)是自然巖石上的石刻，因此，注意力主要集中在地球物理探測(cè)方面，找出工程場(chǎng)地上具有代表性的8個(gè)爆破點(diǎn)的爆破地震能量和優(yōu)勢(shì)振動(dòng)的衰減規(guī)律，最終給出在工程設(shè)計(jì)的炸藥量下通過(guò)場(chǎng)地衰減后到達(dá)石刻部位的振動(dòng)符合《規(guī)程》規(guī)定的數(shù)值。由于有損探測(cè)會(huì)對(duì)文物造成負(fù)面影響，針對(duì)文物保護(hù)對(duì)象的特殊性，采用了無(wú)損探測(cè)即錘擊脈沖輸入法。采用邊界測(cè)線位移和速度的衰減關(guān)系推算整個(gè)場(chǎng)地的衰減關(guān)系，其原理為找出由近乎垂直的實(shí)測(cè)邊界路線的衰減系數(shù)，找出地震波在這一特定場(chǎng)地的衰減關(guān)系，進(jìn)一步計(jì)算沿隧道一線排列的爆破點(diǎn)到石刻位置每條爆破地震波路線上的衰減系數(shù)，然后先計(jì)算隨距離增大的水平衰減，繼而計(jì)算由于爆破點(diǎn)距石刻高程差和隧道埋深引起的地形改正(即土層放大)，把最后得到各爆破點(diǎn)爆破時(shí)的峰值振速經(jīng)過(guò)場(chǎng)地傳到石刻部位的峰值振速(三分向：東西向+南北向+垂直向)與《規(guī)程》中規(guī)定的允許振速比對(duì)，超標(biāo)部分重新反推安全炸藥量(但炸藥量需滿足基本的施工要求)，修改施工爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，直至滿足要求?！雹儆?jì)算結(jié)果經(jīng)多次處置，最后調(diào)整完成的參數(shù)值見(jiàn)表一。經(jīng)調(diào)整后，鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設(shè)控制地帶內(nèi)不同爆破點(diǎn)到亞溝石刻本體經(jīng)衰減后峰值速度在≤10Hz、10Hz50 Hz的范圍內(nèi)南北向、東西向、垂直向均滿足規(guī)定(表二)。

由此，爆破施工時(shí)如能?chē)?yán)格執(zhí)行表二的炸藥用量及開(kāi)挖步距，施工過(guò)程中進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，制定好嚴(yán)格防護(hù)措施及合理的施工組織方案，可以保證石刻的安全。

表二 調(diào)整炸藥量的石刻部位的峰值速度推算

(二)列車(chē)運(yùn)行振動(dòng)對(duì)亞溝石刻的影響評(píng)估

目前專線尚未建成，列車(chē)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)無(wú)法采集。為此，黑龍江省文物保護(hù)中心委托黑龍江省地震工程研究院選擇了地質(zhì)構(gòu)造情況類(lèi)似的且已投入運(yùn)營(yíng)的哈大高鐵大連境內(nèi)段的九里溝隧道和韓家?guī)X隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范(GB/T 50452-2008)》(下文簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)和《地基動(dòng)力特性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50269-97)》。由于其中沒(méi)有石刻的控制標(biāo)準(zhǔn)，我們選擇與其相近的石窟控制標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)估依據(jù)，因?yàn)槭吲c石刻振動(dòng)的物理本質(zhì)是一致的，與山體是一體化振動(dòng)。從振動(dòng)衰減的角度而言，石刻與石窟相比只是石刻沒(méi)有進(jìn)深，與自然山體更加接近一體化，而石窟有一段進(jìn)深，兼有一點(diǎn)淺埋隧道的振動(dòng)特性?？梢?jiàn)石刻自振周期比石窟自振周期大，所以選擇石窟的控制標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有問(wèn)題(表三)。

依據(jù)《規(guī)范》附錄B中公式vr=v0

表三 石窟的容許振動(dòng)速度[V](mm/s)

從計(jì)算衰減結(jié)果來(lái)看，三個(gè)方向上產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)速度衰減后均滿足《規(guī)范》中規(guī)定的石窟最大容許振動(dòng)速度要求。計(jì)算結(jié)果基本表明速度衰減很快，主要原因是速度衰減計(jì)算公式中f0較大的原因，式中vr與f0成反比，普通鐵路和道路的一般黏性土、粉土和砂土地基的地面擾動(dòng)頻率f0只有5～7Hz，而本次測(cè)試的哈大高鐵產(chǎn)生的頻率都在40～50Hz之間，明顯偏大。另外一個(gè)原因是地基土的類(lèi)型，測(cè)試場(chǎng)地以松散的礫石土為主，也對(duì)振動(dòng)的衰減影響較大。

表四 BKD-2B-LN2地震計(jì)衰減計(jì)算結(jié)果(九里溝隧道口)

表五 BKD-2B-LN2地震計(jì)衰減計(jì)算結(jié)果(韓家?guī)X隧道口)

再?gòu)牧熊?chē)行駛振動(dòng)影響下亞溝石刻地質(zhì)安全性評(píng)價(jià)角度分析，由于亞溝石刻與鮮豐隧道之間最短波傳播距離達(dá)290m，并且二者之間巖石經(jīng)歷了全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化作用，致使巖體完整性很差、破碎強(qiáng)烈，巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)～Ⅴ級(jí)、巖土工程分級(jí)為Ⅳ級(jí)～Ⅴ級(jí)，特別是較多發(fā)育的張性—張扭性節(jié)理或斷層對(duì)振動(dòng)傳播具有很大的隔振作用，而列車(chē)行駛引起環(huán)境振動(dòng)強(qiáng)度較小且在傳播中強(qiáng)度快速衰減，即振動(dòng)水平傳播超過(guò)10m、豎向傳播超過(guò)15m便衰減得很微弱，并且因振動(dòng)主頻帶超過(guò)場(chǎng)地特征頻率而不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，列車(chē)行駛引起的強(qiáng)度較小的振動(dòng)傳播290m到達(dá)石人山頂?shù)膹?qiáng)度將衰減至微乎其微，對(duì)石刻的安全性將不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

(三)隧道建設(shè)運(yùn)行下亞溝石刻地質(zhì)安全性對(duì)文物造成的影響評(píng)估

1.隧道、石刻所在區(qū)域不存在地震帶、現(xiàn)代活動(dòng)斷裂帶、高水平地應(yīng)力帶，因此隧道掘進(jìn)爆破不觸發(fā)地震作用、活斷層運(yùn)動(dòng)、高地應(yīng)力釋放，所以不會(huì)導(dǎo)致石刻破壞；在設(shè)計(jì)爆破1m3巖石用藥量0.31kg～0.45kg條件下，產(chǎn)生的高頻地沖擊振動(dòng)在傳播中強(qiáng)度快速衰減且無(wú)共振現(xiàn)象，沖擊地波到達(dá)石人山峭壁的振動(dòng)效應(yīng)很小，不會(huì)影響石刻的安全。

2.由于隧道位于巖石中、埋深較大且高于地下穩(wěn)定水位，又因?yàn)楹畬訛閺埿曰驈埮ば粤严稁r體且不存在高水平地應(yīng)力，所以不存在承壓水，此外石刻位于花崗巖體上且遠(yuǎn)高于地下穩(wěn)定水位，特別是石刻遠(yuǎn)離隧道、遠(yuǎn)高于隧道(石刻與隧道之間高差達(dá)70米、最近水平距離達(dá)290米)，因此隧道掘進(jìn)爆破作用不可能引起大量涌水而導(dǎo)致地表沉降進(jìn)而危及石刻安全。石刻雖然處于極端高寒深季節(jié)凍融環(huán)境，然而因石刻位于石人山山頂而使之遠(yuǎn)高于地下穩(wěn)定水位，并且因當(dāng)?shù)刈畲髢錾顑H191厘米而使得石刻位置的凍結(jié)鋒面也遠(yuǎn)高于地下穩(wěn)定水位，二者之間高差(可達(dá)70米)遠(yuǎn)高于地下水向凍結(jié)鋒面遷移補(bǔ)給的高度(不到2.5米)，所以盡管列車(chē)高速行駛振動(dòng)作用能夠使地下未凍水向凍結(jié)鋒面的遷移高度有所提高(即使軌道附近的振動(dòng)強(qiáng)度較大，一般也只能使路基中地下水的遷移補(bǔ)給高度提高20厘米～30厘米)，但是因石刻遠(yuǎn)離隧道而使得傳播到達(dá)的振動(dòng)效應(yīng)微乎其微，故此凍結(jié)期不存在豐富的地下水對(duì)凍結(jié)鋒面的顯著遷移補(bǔ)給。凍結(jié)期也不存在地表流水的入滲作用，而厚層積雪也只能在春融期才發(fā)生融化下滲，所以傳播至石人山頂?shù)奈⒑跗湮⒌男熊?chē)振動(dòng)效應(yīng)顯然不會(huì)對(duì)石刻原有的凍脹作用產(chǎn)生任何新的影響。

由于石刻與隧道之間的主體巖石為全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化巖體，張性或張扭性結(jié)構(gòu)面極發(fā)育，致使巖體完整性很差、破碎強(qiáng)烈，因而地下水的滲流通道很發(fā)育、滲透性很好，而隧道掘進(jìn)爆破地沖擊波傳播至石人山頂已大幅度衰減、隧道開(kāi)通行車(chē)振動(dòng)傳播至石人山頂更是衰減至微乎其微，故此這兩種振動(dòng)作用并不明顯影響石人山頂及其臨近區(qū)域巖體中作為地下水滲流通道的結(jié)構(gòu)面的原有張開(kāi)度，進(jìn)而不影響凍結(jié)期與春融期地下水上升、地表水下滲，所以隧道掘進(jìn)的爆破振動(dòng)作用與開(kāi)通運(yùn)行的行車(chē)振動(dòng)作用顯然不影響石刻原有的凍融安全性。

三、綜合評(píng)估結(jié)論

鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設(shè)控制地帶，隧道建設(shè)、高鐵運(yùn)行及隧道建設(shè)、高鐵運(yùn)行時(shí)石刻所依附山體的地質(zhì)安全等方面將對(duì)石刻造成影響，為了避免這些影響對(duì)石刻造成破壞，我們從以下三個(gè)方面對(duì)石刻的影響做如下評(píng)估。

(一)針對(duì)隧道建設(shè)及施工時(shí)爆破振動(dòng)對(duì)石刻造成的影響，依據(jù)國(guó)家法律法規(guī)及相關(guān)規(guī)范，在充分研究亞溝石刻所依附山體的地質(zhì)構(gòu)造及石刻保存現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)成果，爆破施工時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行炸藥用量及開(kāi)挖步距，施工過(guò)程中進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，制定好嚴(yán)格防護(hù)措施及合理的施工組織方案，可以保證石刻的安全。

(二)針對(duì)高鐵運(yùn)行振動(dòng)對(duì)石刻造成的影響，依據(jù)國(guó)家法律法規(guī)及相關(guān)規(guī)范，在充分研究亞溝石刻所依附山體的地質(zhì)構(gòu)造及石刻保存現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)成果，參照《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的石窟最大容許振動(dòng)速度要求，從計(jì)算衰減結(jié)果來(lái)看，三個(gè)方向上產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)速度衰減后均滿足。由此，列車(chē)行駛引起的強(qiáng)度較小的振動(dòng)傳播290m到達(dá)石人山頂?shù)膹?qiáng)度將衰減至微乎其微，對(duì)石刻的安全性將不產(chǎn)生任何影響。

(三)針對(duì)隧道建設(shè)、高鐵運(yùn)行時(shí)石刻所依附山體的地質(zhì)安全性方面對(duì)石刻造成的影響，在充分研究亞溝石刻所依附山體的地質(zhì)構(gòu)造及石刻保存現(xiàn)狀基礎(chǔ)上得出如下結(jié)論：1.由于隧道、石刻所在區(qū)域不存在地震帶、現(xiàn)代活動(dòng)斷裂帶、高水平地應(yīng)力帶，因此隧道掘進(jìn)爆破不觸發(fā)地震作用、活斷層運(yùn)動(dòng)、高地應(yīng)力釋放，所以不會(huì)導(dǎo)致石刻破壞；2.隧道掘進(jìn)爆破作用不可能引起大量涌水而導(dǎo)致地表沉降進(jìn)而危及石刻安全；3.隧道掘進(jìn)的爆破振動(dòng)作用與開(kāi)通運(yùn)行的行車(chē)振動(dòng)作用也不會(huì)影響石刻原有的凍融安全性。

綜上，針對(duì)鮮豐隧道建設(shè)掘進(jìn)爆破地沖擊作用、開(kāi)通運(yùn)行的行車(chē)振動(dòng)作用，立足于基礎(chǔ)地質(zhì)資料、工程勘察資料、專項(xiàng)設(shè)計(jì)資料及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，注重于區(qū)域大地構(gòu)造、構(gòu)造地質(zhì)、動(dòng)力地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、凍融作用、地形地貌與爆破施工力學(xué)、軌道交通動(dòng)力學(xué)、巖體動(dòng)力學(xué)、波傳原理等多學(xué)科交叉融合與多種資料解譯集成的綜合研究手段，對(duì)鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設(shè)控制地帶造成的不利因素做出客觀、科學(xué)、合理的評(píng)估，依據(jù)評(píng)估制定具體的解決方案，并在施工過(guò)程中進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，制定好嚴(yán)格防護(hù)措施及合理的施工組織方案，可以保證亞溝石刻的安全。

執(zhí)筆：王 劍 張 偉

注 釋：

① 黑龍江省地震工程研究院：《鮮豐隧道爆破作業(yè)對(duì)亞溝石刻影響的評(píng)估》， 2014年8月。

② 黑龍江省地震工程研究院：《鮮豐隧道運(yùn)營(yíng)對(duì)亞溝石刻振動(dòng)影響評(píng)價(jià)》，2014年10月。

〔責(zé)任編輯、校對(duì) 田索菲〕

王劍，男，1970年生，黑龍江省文物保護(hù)中心研究員級(jí)高級(jí)工程師；張偉，男，1964年生，黑龍江省文物考古研究所研究員，郵編150008。

K854.3 K879.3

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1001-0483(2016)02-0050-06