編者按：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員周家漢于2014年在中科院“科普論壇”上宣講了《軌道交通建設(shè)與文物保護(hù)》報(bào)告。該報(bào)告經(jīng)作者整理后又登載于2015年正式出版《科學(xué)在這里——“科普論壇”報(bào)告選集（第二輯）》中。承蒙作者盛意，本刊在此刊發(fā)，以饗讀者。

軌道交通建設(shè)與文物保護(hù) 周家漢

1振動(dòng)對(duì)文物影響問(wèn)題的提出 振動(dòng)是自然界常見(jiàn)的一種物理現(xiàn)象，現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)活動(dòng)和現(xiàn)代人們的生活活動(dòng)都在產(chǎn)生振動(dòng)，如軌道交通運(yùn)行、爆破、振動(dòng)沖擊強(qiáng)夯加固地基、錘擊破碎加工石料等。人們一方面要利用可能產(chǎn)生振動(dòng)作用的功效，同時(shí)又在受到振動(dòng)的傷害，如乘坐汽車跑的快了，卻要遭受汽車顛簸振動(dòng)的危害。在能高效達(dá)到一定施工目的同時(shí)，振動(dòng)可能危及相鄰近建筑物的安全和影響人們的正常生活。《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》明確定義振動(dòng)是一種公害。因此防止震動(dòng)造成損害是許多工程建設(shè)設(shè)計(jì)和施工中要關(guān)心的重要問(wèn)題。爆破作業(yè)的有害效應(yīng)之一是爆破振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響；軌道交通振動(dòng)更是一種經(jīng)常發(fā)生在我們身邊的振動(dòng)現(xiàn)象。 我國(guó)歷史悠久，文物建筑和古跡特別多，為保護(hù)文物藝術(shù)寶庫(kù)，國(guó)家于1982年就頒布了“文物保護(hù)法”。對(duì)于我國(guó)許多重要的古建筑、名勝古跡，國(guó)家先后確定了一批國(guó)家級(jí)和省級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，一些現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)對(duì)文物保護(hù)的負(fù)面影響也相應(yīng)出現(xiàn)。 古建筑物或是重要的文物古跡，特別是古塔類建筑物由于它們的建筑年代久遠(yuǎn)，有的數(shù)百年，有的上千年，甚至更長(zhǎng)的。它們經(jīng)歷了無(wú)數(shù)自然災(zāi)害的襲擊或人為的傷害，或多或少都存在著這樣那樣不同程度的損害和破壞。它們的現(xiàn)狀難于用現(xiàn)代力學(xué)給于準(zhǔn)確的描述和評(píng)價(jià)。一方面我們從古代建筑看到了我們祖先的睿智、高超的建筑藝術(shù)和施工質(zhì)量，同時(shí)又不得不承認(rèn)當(dāng)時(shí)認(rèn)知的局限性，有限的生產(chǎn)能力和材料品種，或是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，使得有的建筑物基礎(chǔ)承載能力不夠，不少建筑就難于保存到現(xiàn)在。由于累積的傷害，嚴(yán)重降低了它們抵抗自然災(zāi)害和現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)帶來(lái)的干擾的能力。因此，專門研究確定它們可以承受的振動(dòng)安全控制值是十分必要的。 八十年代初，洛陽(yáng)市想在龍門石窟東邊3公里處建設(shè)一個(gè)年產(chǎn)120萬(wàn)噸的石灰石礦山。礦山建設(shè)和生產(chǎn)都要進(jìn)行爆破作業(yè)，爆破時(shí)總有一部分炸藥的能量引起爆破作業(yè)地界附近地面的振動(dòng)，盡管3公里外的爆破在龍門石窟區(qū)產(chǎn)生的振動(dòng)量值很小，但是這樣大小的振動(dòng)若長(zhǎng)期地存在，就會(huì)對(duì)早已遭受風(fēng)水剝蝕的石窟文物的保護(hù)極為不利。龍門石窟文物已存在一千多年了，我們希望他們還能保存下去，一千年，兩千年。為了保護(hù)龍門石窟文物，即使是具有很高品位的礦山資源，我們也只能優(yōu)先選擇保護(hù)好文物，放棄礦山開(kāi)采。 同樣，為了保護(hù)好龍門石窟文物，鐵路也要讓道。在修建焦枝鐵路復(fù)線，確定洛陽(yáng)龍門段選線方案時(shí)，當(dāng)時(shí)任國(guó)務(wù)院副總理的鄒家華同志曾指示說(shuō)：鐵路要建設(shè)，文物要保護(hù)。鐵路列車運(yùn)行振動(dòng)是存在的。鐵路振動(dòng)有多大，鐵路要外移，移多遠(yuǎn)合適要進(jìn)行科學(xué)論證。經(jīng)過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)鐵路列車運(yùn)行振動(dòng)和分析研究，1992年在國(guó)家發(fā)改委評(píng)價(jià)焦枝鐵路復(fù)線選線方案時(shí)，提出以龍門石窟區(qū)的地脈動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)，讓焦枝鐵路復(fù)線東移700m，為龍門石窟在2000年一次申報(bào)世界文化遺產(chǎn)成功，奠定了必要的基礎(chǔ)條件。 因此我們認(rèn)為，對(duì)古建筑的振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)原則上應(yīng)是以回避現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)的干擾影響確定一個(gè)保護(hù)范圍，依據(jù)科學(xué)分析給出有足夠安全性的振動(dòng)約束值。
2發(fā)展軌道交通是解決城市交通擁堵的根本出路

圖1 北京地鐵擁堵?tīng)顩r

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，世界各國(guó)在不同程度上都出現(xiàn)了城市的交通擁堵問(wèn)題。近年來(lái)，對(duì)于中國(guó)的諸多大都市而言，交通擁堵已成為困擾政府、困擾市民的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。如何解決城市的交通問(wèn)題呢？人們普遍認(rèn)同的一種途徑是：優(yōu)先發(fā)展以軌道交通為骨干的城市公共交通系統(tǒng)。解決交通擁堵問(wèn)題的根本出路也在于建設(shè)完善的公共交通體系，其中構(gòu)建比較完整的軌道交通網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)。所以，發(fā)展軌道交通是北京等大都市的公共交通體系建設(shè)的重中之重。因?yàn)檐壍澜煌ň哂羞\(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)點(diǎn)的特點(diǎn)，而且可以保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源和土地資源。只有中國(guó)高速鐵路網(wǎng)的建成才能滿足春節(jié)人們回家團(tuán)聚的運(yùn)輸高峰需求，只有建設(shè)城市軌道交通網(wǎng)才能解決上下班時(shí)段的擁堵?tīng)顩r。目前，城市軌道交通已構(gòu)成北京、上海等城市公交系統(tǒng)的重要組成部分。這點(diǎn)不難用下列數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明：2010年9月22日至24日，北京地鐵8條運(yùn)營(yíng)線路共運(yùn)送乘客1290萬(wàn)人次，平均425萬(wàn)人次/天；而在22日一天內(nèi)，日運(yùn)送乘客達(dá)到660萬(wàn)人次。2012年2月25日網(wǎng)上報(bào)道，北京城鐵每天載客量已超過(guò)700萬(wàn)人次。4月30日北京有６條線路每天客運(yùn)量超過(guò)100萬(wàn)人次，其中１號(hào)線客運(yùn)量超過(guò)160萬(wàn)人次、２號(hào)線超過(guò)150萬(wàn)人次、４號(hào)線超過(guò)120萬(wàn)人次。因此，建設(shè)更多的快速軌道交通勢(shì)在必行。仍以北京為例，2015年北京將建成18條軌道交通線路，構(gòu)建成總長(zhǎng)561公里的路網(wǎng)。屆時(shí)，北京將超過(guò)紐約，成為世界上地鐵長(zhǎng)度最長(zhǎng)的城市。
3 發(fā)展軌道交通和文物保護(hù)的矛盾 發(fā)展城市軌道交通，在中國(guó)，并非只是北京幾個(gè)大城市的需求。有報(bào)告統(tǒng)計(jì)說(shuō)，中國(guó)已有36個(gè)城市上報(bào)城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃，截至目前（2010年3月），中國(guó)已有33個(gè)城市正在籌備建設(shè)城市軌道交通，其中28個(gè)城市的軌道交通建設(shè)規(guī)劃已經(jīng)獲得國(guó)務(wù)院的批復(fù)，包括古都西安、南京等。江蘇，現(xiàn)在只有南京開(kāi)通了地鐵，蘇州、無(wú)錫正在修建地鐵，而常州、南通、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州、徐州等蘇南、蘇北的重鎮(zhèn)，都在規(guī)劃未來(lái)的地下鐵軌。有人這樣說(shuō)，"沒(méi)有地鐵的城市是一個(gè)不完整的城市" 然而，軌道交通建設(shè)在解決城市交通擁堵問(wèn)題的同時(shí)也帶來(lái)文物保護(hù)等一系列新的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。眾所周知，北京、西安這些歷史文化名城有很多很多的文物建筑和歷史遺跡需要保護(hù)。因此，規(guī)劃好城市發(fā)展的未來(lái)、建設(shè)好現(xiàn)代新城、展現(xiàn)好古代文明，是北京、西安等文明古城發(fā)展所面對(duì)的共同課題，其中一個(gè)重要方面是解決好軌道交通建設(shè)和文物保護(hù)之間的矛盾。

圖2 夏家店文化遺址地面開(kāi)裂狀況

有報(bào)道說(shuō)，在捷克一條繁忙的公路、軌道交通線附近，有一座古建筑因振動(dòng)而產(chǎn)生裂縫，裂縫不斷擴(kuò)大導(dǎo)致古教堂的倒塌。而在北京，亦有多處文物受地鐵運(yùn)營(yíng)列車振動(dòng)的影響，有墻體開(kāi)裂、損壞的現(xiàn)象。據(jù)有關(guān)媒體報(bào)道，國(guó)家文物局公布了全國(guó)人大常委會(huì)執(zhí)法檢查組關(guān)于檢查《中華人民共和國(guó)文物保護(hù)法》實(shí)施情況的報(bào)告，近30年來(lái)全國(guó)消失的4萬(wàn)多處不可移動(dòng)文物中，有一半以上毀于各類建設(shè)活動(dòng)（參見(jiàn)2012年8月12日《北京晨報(bào)》）。對(duì)此種情況，人們痛心地說(shuō)到：文物消失多毀于“建”！ 內(nèi)蒙赤峰二道井子遺址為青銅時(shí)代遺址，屬于距今４０００至３５００年前的夏家店下層文化。考古發(fā)現(xiàn)部落村莊遺址城墻、環(huán)壕、院落、房屋等聚落要素，布局井然有序。這一文化是內(nèi)蒙古最早進(jìn)入青銅時(shí)代的考古學(xué)文化遺存，與中原文化存在著密切的聯(lián)系，在探索中國(guó)文明起源與草原文化發(fā)展脈絡(luò)方面，具有不可替代的學(xué)術(shù)地位。該遺址是迄今為止所發(fā)掘保存最為完整的夏家店文化遺址，也是東亞地區(qū)保存最好的土質(zhì)城堡。2009年被中國(guó)社會(huì)科學(xué)院評(píng)為“2009年全國(guó)六大考古新發(fā)現(xiàn)”，被國(guó)家文物局評(píng)為“2009年全國(guó)十大考古新發(fā)現(xiàn)”。2009年9月，國(guó)家文物局組織專家進(jìn)行論證，明確將該遺址列為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，并要求高速公路對(duì)原方案進(jìn)行調(diào)整，對(duì)采取繞行還是隧道下穿方案進(jìn)行研究和保護(hù)措施的分析、論證與評(píng)估。專家評(píng)審意見(jiàn)認(rèn)為采用隧洞方案，遺址保護(hù)不確定因素多，沒(méi)有把握，擔(dān)心多于可靠，建議采用繞道方案?？上?，2010年初，國(guó)家有關(guān)部門批復(fù)原則同意高速公路以隧道下穿方式通過(guò)遺址。三年后，筆者在遺址地面看到有伸進(jìn)手指寬的縱向貫穿性裂縫。 3.1 軌道交通列車振動(dòng)的特點(diǎn) 我們知道，和地震、爆破作業(yè)一樣，軌道交通運(yùn)營(yíng)總有一部分能量會(huì)傳遞到鄰近地層中，導(dǎo)致地面振動(dòng)，過(guò)強(qiáng)的振動(dòng)將導(dǎo)致文物的損壞。 和地震、爆破等產(chǎn)生的振動(dòng)相比較，軌道交通導(dǎo)致的振動(dòng)有如下特點(diǎn)：（1）軌道交通導(dǎo)致的振動(dòng)作用是長(zhǎng)期存在的；（2）軌道交通導(dǎo)致的振動(dòng)是重復(fù)、反復(fù)發(fā)生的；（3）軌道交通振動(dòng)是一種微振動(dòng)，其作用時(shí)間很長(zhǎng)。盡管人們已采取了多種減震隔振措施，其振動(dòng)能量仍能導(dǎo)致臨近地面的振動(dòng)，從而形成建筑物的響應(yīng)振動(dòng)。此外，在軌道上運(yùn)行的列車的振動(dòng)還可能導(dǎo)致（或是加速）地鐵軌道周邊地層基礎(chǔ)的下沉（或者說(shuō)，不均勻下沉），從而引起地面建筑墻體裂縫，造成局部損壞。不少國(guó)家都把振動(dòng)列為典型公害加以防止和控制。由于軌道列車運(yùn)行振動(dòng)的低頻分量難于完全消除和控制，地鐵列車振動(dòng)可能帶來(lái)的干擾已引起了社會(huì)各方面的關(guān)注和重視。 3.2文物古建筑的特點(diǎn)和保護(hù)要求 眾所周知，我國(guó)把可移動(dòng)的和不可移動(dòng)的一切歷史文化遺存都稱為文物。其中，可移動(dòng)的文物，一般稱為文化財(cái)產(chǎn)；不可移動(dòng)的文物，一般稱為文化遺產(chǎn)。對(duì)具有歷史價(jià)值、文化價(jià)值、科學(xué)價(jià)值的歷史遺留物采取的一系列防止其受到損害的措施，這個(gè)過(guò)程叫做文物保護(hù)。如何保護(hù)好文物，《中華人民共和國(guó)文物保護(hù)法》對(duì)此作了明確的規(guī)定，其中有關(guān)條文要求：（1）各級(jí)人民政府應(yīng)當(dāng)重視文物保護(hù)，正確處理經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展與文物保護(hù)的關(guān)系，確保文物安全。（2）文物是不可再生的文化資源。國(guó)家加強(qiáng)文物保護(hù)的宣傳教育，增強(qiáng)全民文物保護(hù)的意識(shí)，鼓勵(lì)文物保護(hù)的科學(xué)研究，提高文物保護(hù)的科學(xué)技術(shù)水平。（3）文物保護(hù)單位的保護(hù)范圍內(nèi)不得進(jìn)行其他建設(shè)工程或者爆破、鉆探、挖掘等作業(yè)。在全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位的保護(hù)范圍內(nèi)進(jìn)行其他建設(shè)工程或者爆破、鉆探、挖掘等作業(yè)的，必須經(jīng)省、自治區(qū)、直轄市人民政府批準(zhǔn)，在批準(zhǔn)前應(yīng)當(dāng)征得國(guó)務(wù)院文物行政部門同意。 文物古建筑物不同于現(xiàn)代建筑物，它們的受力狀況難于檢測(cè)，難于用現(xiàn)代力學(xué)方法給予準(zhǔn)確的描述和評(píng)價(jià)。這是因?yàn)?（1）古建筑年代久遠(yuǎn)，有的數(shù)百年，上千年，甚至更長(zhǎng)；（2）它們經(jīng)歷了無(wú)數(shù)自然災(zāi)害的襲擊或人為的傷害；（3）它們的現(xiàn)狀存在著或多或少、不同程度的損害和破壞。在過(guò)去的歲月里，特別是冷兵器時(shí)代，沒(méi)有現(xiàn)代工業(yè)、交通的影響，文物建筑物周邊的環(huán)境振動(dòng)是很小的，盡管天然地震無(wú)法避免。所以它們能保存至今，成為我們的文化遺產(chǎn)。然而，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)古建筑文物的干擾很多，而振動(dòng)是最常見(jiàn)、影響最多的干擾。這類傷害的逐漸累積，嚴(yán)重降低了它們抵抗現(xiàn)代工業(yè)、交通干擾的能力；鑒于古建承受振動(dòng)干擾能力降低，原則上我們要盡量控制人為震源的產(chǎn)生和強(qiáng)度，在無(wú)法避免產(chǎn)生時(shí)要盡量控制人為震源的強(qiáng)度，特別是現(xiàn)代交通產(chǎn)生的振動(dòng)。因此，我們希望它們遠(yuǎn)離需要保護(hù)的文物建筑，遠(yuǎn)點(diǎn)，再遠(yuǎn)點(diǎn)！ 3.3 文物古建筑振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn) 振動(dòng)對(duì)地面建筑物的影響程度用地震烈度表示，烈度說(shuō)明地面建筑物的損壞或破壞程度、地表的變化狀況，還有人的感知程度。地面振動(dòng)強(qiáng)度用地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度表示。關(guān)于地震烈度和振動(dòng)速度與對(duì)地面建筑物的影響情況，引用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文件要求列表說(shuō)明如下：
振動(dòng)速度 狀態(tài)及說(shuō)明 200 mm/s 烈度8 多數(shù)民房破壞，少數(shù)傾倒； 堅(jiān)固的房屋也有可能倒塌； 20 mm/s 烈度5 室外大多數(shù)人都能感覺(jué)到震動(dòng)；抹灰層出現(xiàn)細(xì)小裂縫； 為一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物的允許振動(dòng)值。 2 mm/s 烈度1～2 可感振動(dòng)； 原機(jī)械委部頒標(biāo)準(zhǔn)JB16－88《機(jī)械工業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)定》對(duì)于古建筑嚴(yán)重開(kāi)裂及風(fēng)蝕者，控制振動(dòng)速度V=1.8mm/s(10-30Hz) 0.20 mm/s 《古建筑防工業(yè)振動(dòng)規(guī)范》(GB/T 50425-2008)對(duì)國(guó)家重點(diǎn)文物建筑（磚木結(jié)構(gòu)）的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)； 0.02 mm/s 蘇州虎丘塔地脈動(dòng)值（0.01～0.03mm/s） 洛陽(yáng)龍門石窟地脈動(dòng)值（洛陽(yáng)地震臺(tái)監(jiān)測(cè)）、莫高窟石窟地脈動(dòng)值。
從表中我們看到，當(dāng)?shù)孛嬲駝?dòng)速度為20 mm/s大小時(shí)，其振動(dòng)強(qiáng)度相當(dāng)于地震烈度5 ，振動(dòng)可能造成一般民房產(chǎn)生新的細(xì)小裂縫。房屋振動(dòng)產(chǎn)生裂縫是人們不能接受的，因此，多數(shù)國(guó)家（我國(guó)也是這樣）把振動(dòng)速度為20 mm/s（或是1 in/s）定為民房的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。振動(dòng)速度為2 mm/s，是一般人稍加注意可以感覺(jué)到的振動(dòng)（也叫“可感振動(dòng)”），其振動(dòng)強(qiáng)度相當(dāng)于地震烈度2 。我們很難接受這樣的標(biāo)準(zhǔn)，就是讓文物古建筑長(zhǎng)期處在可感的振動(dòng)環(huán)境狀態(tài)下，特別是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位（注意：原機(jī)械委部頒標(biāo)準(zhǔn)JB16－88《機(jī)械工業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)定》對(duì)于古建筑嚴(yán)重開(kāi)裂及風(fēng)蝕者，控制振動(dòng)速度V=1.8mm/s(10-30Hz)）。因此我們說(shuō)，再低一個(gè)量級(jí)，即《古建筑防工業(yè)振動(dòng)規(guī)范》(GB/T 50425-2008)對(duì)國(guó)家重點(diǎn)文物建筑（磚木結(jié)構(gòu)）的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。用振動(dòng)速度為0.2mm/s,定為國(guó)家級(jí)文物建筑的控制標(biāo)準(zhǔn)，不算苛刻或是要求過(guò)分。只有這樣，才能讓國(guó)家級(jí)文物古建筑處在一個(gè)安靜的環(huán)境中。 一般而言，古建筑的振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)原則上應(yīng)是回避現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)的干擾影響，其振動(dòng)安全控制的最高標(biāo)準(zhǔn)就是環(huán)境振動(dòng)的本底大小。換言之，對(duì)古建筑的振動(dòng)控制的最佳狀態(tài)應(yīng)是原生環(huán)境的狀態(tài)。

4 列車運(yùn)營(yíng)振動(dòng)傳播規(guī)律 高速鐵路、城市地鐵以其速度快、運(yùn)能大、安全、舒適等特點(diǎn)已逐漸被人們接受。上世紀(jì)90年代，國(guó)家規(guī)劃建設(shè)的京滬高速鐵路全長(zhǎng)1300公里，實(shí)施全封閉、全立交式的客運(yùn)專線。鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為300公里，基礎(chǔ)設(shè)施可滿足350公里的時(shí)速要求。修建京滬高速鐵路將是我國(guó)在新世紀(jì)前10年投資額度較大的項(xiàng)目之一。在要修建高速鐵路的京滬鐵路沿線人口密度高，建筑物密集。高速鐵路選線需要進(jìn)行環(huán)境綜合評(píng)價(jià)，選線方案的確定及隨之而來(lái)的動(dòng)遷任務(wù)是一個(gè)十分復(fù)雜的社會(huì)問(wèn)題和耗資巨大的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。為了能在既有鐵路蘇州站處建設(shè)高速鐵路蘇州站，京滬高速鐵路通過(guò)虎丘塔處線路在滿足高速列車運(yùn)行速度要求的條件下將要往北移動(dòng)200余米，高速鐵路將比現(xiàn)在的鐵路更靠近虎丘塔?；⑶鹚菄?guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位，是蘇州的標(biāo)志性建筑物。為了確?；⑶鹚诟咚勹F路建成后不受影響，需要論證高速鐵路列車運(yùn)營(yíng)振動(dòng)傳播規(guī)律，并對(duì)虎丘塔的穩(wěn)定性影響進(jìn)行評(píng)估。 盡管世界上有不少國(guó)家修建了高速鐵路或是城市軌道交通，但有關(guān)高速鐵路或地鐵列車運(yùn)行造成的兩側(cè)地面振動(dòng)的資料很少。為此，中國(guó)科學(xué)院和鐵道部設(shè)計(jì)院共同立項(xiàng)開(kāi)展了列車運(yùn)行振動(dòng)傳播規(guī)律的研究。研究工作是在對(duì)既有線列車運(yùn)行地面振動(dòng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，分析列車運(yùn)行振動(dòng)傳播規(guī)律。研究報(bào)告提出采用既有線的列車運(yùn)行振動(dòng)傳播的規(guī)律和“比例距離”的方法來(lái)預(yù)測(cè)高速鐵路列車運(yùn)行振動(dòng)。 4.1 既有鐵路列車運(yùn)營(yíng)振動(dòng)的測(cè)試 1998年，研究項(xiàng)目曾經(jīng)對(duì)京滬線蘇州段和廣深線石龍段（含高架橋〕列車運(yùn)行產(chǎn)生的地面振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)點(diǎn)距離鐵路最遠(yuǎn)點(diǎn)400m，記錄了24小時(shí)區(qū)段的上下行列車（客車、貨車）。其時(shí)，京滬線客車最大速度為119.5km/h，廣深線客車最大速度為199.7km/h。 把在不同測(cè)點(diǎn)測(cè)得的不同車速、不同車型的列車通過(guò)時(shí)的振動(dòng)速度峰值繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中，看到距離鐵路近的地方，地面振動(dòng)速度大，隨至鐵路距離的增加，振動(dòng)速度減小。當(dāng)離鐵路一定距離以外的地方，地面振動(dòng)較小。在京滬線蘇州段既有線測(cè)試時(shí)，6號(hào)測(cè)點(diǎn)距離鐵路358m，當(dāng)不同速度的列車通過(guò)時(shí)其振動(dòng)速度最大值無(wú)多大變化。說(shuō)明在一定距離以外的地方，不同列車速度的變化、列車載荷的變化對(duì)地面振動(dòng)強(qiáng)度無(wú)明顯影響。 貨車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的地面振動(dòng)大于客車，即使客車運(yùn)行速度比貨車要快，說(shuō)明列車軸重是影響振動(dòng)強(qiáng)度的重要因素。機(jī)車的重量大于列車車廂的重量，單機(jī)車頭通過(guò)時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度和整趟列車通過(guò)時(shí)差別不大，只是作用時(shí)間短一些。列車在連續(xù)高架橋上運(yùn)行時(shí)，列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)能量引起高架橋的振動(dòng)而被吸收，傳至地面的能量減少，橋跨段兩側(cè)地面的振動(dòng)強(qiáng)度比路堤情況下要小。 4.2 列車運(yùn)營(yíng)振動(dòng)傳播規(guī)律 列車運(yùn)行時(shí)，部分能量將轉(zhuǎn)變成地面的振動(dòng)。列車運(yùn)行振動(dòng)是一個(gè)移動(dòng)性線狀振源，鐵路振動(dòng)是一類在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)振幅變化不大的環(huán)境振動(dòng)，一種穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。這里，我們關(guān)心的是考察地段的地面振動(dòng)強(qiáng)度峰值，分析影響地面振動(dòng)大小的各種影響因素，我們可以用下式表示： v = f（P,V,N, ,E,R,L, , ） 其中: v-地面振動(dòng)速度 mm/s，P-列車軸動(dòng)載荷 t/m，V-列車速度 km/h，N-列車車輛數(shù)， -地層介質(zhì)密度g/cm3 ,E-介質(zhì)的彈性模量Mpa,R-至觀察點(diǎn)的距離m，L-車廂長(zhǎng)（或輪距）， -地形、地質(zhì)構(gòu)造因素系數(shù)， -軌道磨擦、路基或橋體的吸收系數(shù)。N， , 為無(wú)量綱參數(shù)。采用無(wú)量綱參數(shù)進(jìn)行量綱分析，上式可寫成 采用無(wú)量綱參數(shù)組合，我們可得到下式： 圖3 采用比例距離預(yù)測(cè)高速列車運(yùn)行振動(dòng)

影響地面振動(dòng)強(qiáng)度的主要因素是：列車軸動(dòng)載荷P，距離R，列車速度V。隨著列車載重量的增加，地面振動(dòng)強(qiáng)度增大，所以，重載貨車作用下的路基地面的振動(dòng)強(qiáng)度大；地面振動(dòng)速度大小與列車速度有關(guān)，列車速度高，對(duì)地面振動(dòng)影響也大；隨著距離的增加，振動(dòng)強(qiáng)度減弱，距離越遠(yuǎn)振動(dòng)速度越小，隨著至鐵路的距離的平方關(guān)系而減少?？梢?jiàn)距離的遠(yuǎn)近比列車速度或載重量的大小不同對(duì)造成地面振動(dòng)的影響大。 通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析，可將v＝f(PV/cER2)改寫成 v ＝ K（R/(PV)1/2） R/(PV)1/2稱作比例距離Rj，上式可簡(jiǎn)化成v＝K( Rj) 。 若以比例距離描述振動(dòng)速度的衰減時(shí)，在v －Rj圖中，對(duì)于普通快速列車（110km/h）的比例距離Rj是原距離坐標(biāo)R。高速列車的比例距離Rj要比普通快速列車（110km/h）的坐標(biāo)大((PV)j/(PV)1)1/2倍，即R向右移動(dòng)((PV)j/(PV)1)1/2。 4.3京滬高速鐵路蘇州站位確定與虎丘塔保護(hù)

圖4 京滬高鐵線位與蘇州虎丘塔的距離

根據(jù)對(duì)既有線實(shí)測(cè)的地面振動(dòng)衰減規(guī)律，采用由高速列車速度、列車重量和距離組成的比例距離Rj，我們可以推算京滬高速列車運(yùn)行時(shí)的地面振動(dòng)速度衰減規(guī)律。圖3是以廣深線上快速列車速度110km/h 的地面振動(dòng)衰減規(guī)律為基礎(chǔ)，采用比例距離預(yù)測(cè)列車速度200km/h的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的比較，其實(shí)測(cè)地面振動(dòng)速度值和預(yù)測(cè)計(jì)算值十分接近。 采用比例距離預(yù)測(cè)高速列車速度為300km/h的地面振動(dòng)傳播規(guī)律。為確?；⑶鹚幍恼駝?dòng)仍和現(xiàn)在的環(huán)境振動(dòng)狀況一樣，高速鐵路選線或是蘇州站位的確定需要軌線距離虎丘塔的距離應(yīng)不小于700m。圖4為京滬高鐵蘇州段至虎丘塔距離位置示意圖。

5 北京地鐵6號(hào)線避繞紫禁城 地鐵6號(hào)線是經(jīng)北京中心城區(qū)的東西向的主干道。地鐵6號(hào)線一期將于2013年通車，2012年底試運(yùn)行。在6號(hào)線上運(yùn)行的列車最高時(shí)速將達(dá)到100公里，是在市區(qū)中運(yùn)營(yíng)的速度最快的列車。這是又一條穿越北京舊城的地鐵線路。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，北京地鐵要進(jìn)舊城，是不可避免的，但是我們一定要做好文物保護(hù)。原規(guī)劃設(shè)計(jì)的地鐵6號(hào)線是從阜成門進(jìn)入內(nèi)城，經(jīng)西四站、北海公園站、美術(shù)館東街站向東，在東四和地鐵5號(hào)線交匯。在北海公園站，6號(hào)線將在故宮護(hù)城河下經(jīng)過(guò)，地鐵隧道距離紫禁城西北角樓僅20m。 在2007年11月23日國(guó)家文物局召開(kāi)的一次評(píng)審會(huì)上，力學(xué)專家從振動(dòng)控制角度提出意見(jiàn)：根據(jù)北京、上海地鐵列車運(yùn)行振動(dòng)規(guī)律，原設(shè)計(jì)路線在角樓處產(chǎn)生的振動(dòng)速度將不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；合適的振動(dòng)安全距離應(yīng)不要小于50m。 圖5 北京地鐵6號(hào)線避繞紫禁城線位修改示意圖

因此，專家們給出的評(píng)審意見(jiàn)是：（1）北京地鐵不進(jìn)舊城是不現(xiàn)實(shí)的，但是一定要做好文物保護(hù)。不進(jìn)皇城是必須堅(jiān)持的。（2）皇城根下不要?jiǎng)油?，否則會(huì)影響皇城角樓地基的穩(wěn)定，要有一個(gè)底線。（3）建議做一個(gè)北海、故宮段避繞紫禁城的比較方案，從北海下穿行或其它走向。（4）規(guī)劃設(shè)計(jì)單位對(duì)運(yùn)行振動(dòng)對(duì)文物建筑的影響，要進(jìn)行充分科學(xué)的論證分析，要從最安全的角度來(lái)考慮。

圖6 北京地鐵2號(hào)線和前門的位置

2013年，北京地鐵6號(hào)線一期工程已建成投入運(yùn)營(yíng)，其經(jīng)過(guò)北海公園段便是聽(tīng)取專家評(píng)審意見(jiàn)后的修改線路，在從阜成門進(jìn)入內(nèi)城的北海段上，將原設(shè)置的西四站、北海公園站、美術(shù)館東街站更換為平安里站、北海北站、南鑼鼓巷站、中國(guó)美術(shù)館站等4個(gè)站。換句話