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爆破振动控制与文物保护

2016-03-15 责任编辑:崔玮娜

周家汉

(中国科学院力学研究所,北京,100190)

摘要:爆破作业的有害效应之一是爆破振动,矿山爆破、城市地铁隧道开挖爆破振动、建筑物拆除塌落振动都有可能影响附近的文物安全,本文介绍了文物建筑物的特点和保护要求,讨论了有关文物的振动控制标准,用典型实例说明只要采取有效的减振措施,严格控制爆破振动,可以避免爆破作业对文物的损害;要遵循“为文物让道,保护文物为先”的原则,保护好文物,远离文物,是我们爆破工程师的职责。

关键词:爆破;振动;文物保护

 

振动对文物影响问题的提出

振动是自然界常见的一种物理现象,现代社会发展的生产活动和现代人们的生活活动都在产生振动。一方面人们在利用振动作用的功效,同时又在受到振动的损害。振动冲击强夯加固地基,锤击破碎石料,这些作业在达到一定的施工目的的同时,又可能危及相邻近建筑物的安全和影响人们的正常生活。《中华人民共和国环境保护法》明确定义振动是一种公害。因此防止振动造成损害是许多工程建设设计和施工中要关心的重要问题。

爆破作业的有害效应之一是爆破振动对周围环境的影响;矿山爆破一次起爆装药量较大,如果周边一定距离内有文物就要严格控制爆破规模;有的城市轨道交通建设要进行地下隧道开挖爆破,爆破振动可能影响沿线的文物,还有居民住房的安全。当然,轨道交通运行振动影响也应予于重视。   

我国历史悠久,文物建筑或古迹较多。为保护文物艺术宝库,国家于1982年颁布了《文物保护法》。对于我国许多重要的古建筑、名胜古迹,国家先后确定了一批同家级或省级重点文物保护单位。随着国家经济建设的发展,一些现代社会活动对文物保护的负面影响也相应出现。

古建筑物或是重要的文物古迹,特别是古塔类建筑物由于它们的建筑年代久远,有的数百年,有的上千年,甚至更长,经历了无数自然灾害的袭击或人为的伤害,都存在着不同程度的损害和破坏。它们的现状难以用现代力学给予准确的描述和评价。一方面我们从古代建筑看到了我们祖先聪睿的智慧、高超的建筑艺术和施工质量,同时又不得不承认当时认知的局限性、有限的生产能力和材料品种,或是结构设计不合理,使得有的建筑物基础承载能力不够,不少建筑就难以保存到现在。由于累积的损害,严重降低了它们抵抗自然灾害和现代社会活动带来的干扰的能力,因此,专门研究确定它们可以承受的振动安全控制值是十分必要的。

20年代80年代初,洛阳市想在龙门石窟东边3km处建设一个年产120万吨的石灰石矿山(如图l所示)。矿山建没和生产都要进行爆破作业,爆破时总有一部分炸药的能量引起爆破区附近地面的振动,尽管3km外的爆破在龙门石窟区产生的振动量值很小,但是这样大小的振动若长期地存在,就会对早已遭受风水剥蚀的石窟文物的保护极为不利。为了保护龙门石窟文物,即使是具有很高品位的矿山资源,我们也只能选择保护好文物,放弃矿山开采。

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同样,为了保护好龙门石窟文物,铁路也要让道。在修建焦枝铁路复线确定洛阳龙门段选线方案时,当时任国务院副总理的邹家华同志曾指示说,铁路要建设,文物要保护。铁路列车运行振动是存在的:铁路振动有多大,铁路要外移,移多远合适要进行科学论证。1992年在国家计委评价焦枝铁路复线选线方案时,提出以龙门石窟区的地脉动为标准,让焦枝铁路复线东移700m,为龙门石窟在2000年一次申报世界文化遗产成功奠定了必要的基础条件。

2爆破振动对文物的影响

矿山爆破或是沟槽爆破等各种土石方开挖爆破,或是建筑物拆除爆破,爆破时,炸药爆破除了破坏介质,还有部分能量经地面传播产生振动,要通过人为的措施阻止它的产生是困难的,但控制一次爆破的装药量,采用延迟爆破技术等手段,减小地面振动的强度,可以使它不致引起相邻建筑物和文物的损坏。大量测量数据和工程实践说明,振动造成建筑物、结构物受损程度与地面振动速度的大小相关性最好。若以地面质点振动速度v描述振动强度,计算地面质点振动速度可采用下式计算:

v=K(R/Q1/3)a    (1)

式中,K、a为衰减常数。K主要反映了炸药性质、装药结构和药包布置的空间分布影响,a决定于地震波传播途径的地质构造和介质性质。Q为一段延迟起爆的总药量,R为观测点至药包布置中心的距离,实际工程中多数不是一个药包:建筑物拆除爆破采用的是小药量装药。每个药包量小,但药包个数多,它们分散在不同楼层和不同部位的梁柱,炸药爆破有较多能量散失在空气中,所以炸药的爆破作用经过建筑物基础后引起的地面振动比矿山爆破、基础拆除爆破引起的振动强度要低,衰减要快,振动速度衰减常数K要小。不过,这时要重视建筑物解体塌落造成的振动。

《爆破安全规程》(GB 6722一2003)规定了不同建(构)筑物的爆破振动安全允许标准(见表1)。区别于《爆破安全规程》(GB 6722一1986),我们在搜集整理了各国对文物遗迹提出的振动控制标准的基础上,给出了我国一般古建筑与古迹的振动速度控制标准。

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武汉市轨道交通二号线宝通寺站Ⅲ、Ⅳ号出人口采用爆破法掘进,地面上方为城市交通主干道,车流量大,道旁有古建筑群。宝通寺是武汉市唯一的皇家寺院,至今已有1600余年历史,在建筑上彰显皇家气派。文物古迹有宋朝古钟、寿云石刻摩崖、古石刻须弥座、明朝石狮,还有大量清朝藏经等佛教文物珍品。寺内有黄龙泉、白龙泉.乳泉等诸多名泉。山上还有古岳飞松及古烽遗痕等名胜古迹。为防止隧道掘进爆破对文物的损害,必须严格控制爆破振动影响。

重庆渝中连接隧道工程是贯通连接“重庆两江大桥”(千厮门嘉陵江大桥和东水门长江大桥)的关键,如图2所示。为了不影响地面交通,两座大桥间只有采用隧道连接。隧道设计为双向四车道,时速40km。隧道上方为渝中区主要商业中心,地面地下建构筑物密集分布。隧道上方有文物单位罗汉寺,隧顶距罗汉寺最近处仅18.9m。罗汉寺始建于宋朝治平年间(1064~1067年),原名治平寺元明废圮,清乾隆十七年(1752年)重建。清光绪十一年(1885年),治平寺住持降法和尚修建了五百罗汉堂,遂改称罗汉寺。抗日战争时,罗汉寺被日军飞机炸毁,1945年佛教界予以修复。1983年罗汉寺被列为汉族地区全国重点寺院,1984年罗汉寺重修罗汉堂,重塑五百罗汉像。罗汉寺拥有大量藏经、文物和字画。在门前,有明朝启三年(1623年)石碑一通,刻“两湖古迹”四字。门内通道两旁石壁名“古佛岩”,长20余米,上有不少佛像浮雕,是市级文物保护单位。爆破设计采用了最安全的开挖顺序,最大分段药量控制小于1.2kg,实测罗汉寺地区最大振速为0.15cm/s,施工期间爆破振动控制在《爆破安全规程》(GB 6722—2003)规定的一般古建筑与古迹的安全允许振速范围内。

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建筑物爆破拆除塌落撞击地面造成的振动随着高大建筑物拆除工程的增多已引起人们的广泛关注和重视。拆除爆破小程实践表明,建筑物拆除时塌落振动往往比爆破振动大。有的建筑物拆除工程临近地段有古建筑文物需要保护,如果不能准确预测评估塌落振动对文物的影响,可能会影响爆破拆除方案能否实施,无锡曾经有一高楼需要爆破拆除,由于临近的有要保护的阿炳纪念馆,爆破拆除方案经不同方案比选后放弃,阿炳故居是国务院批准公布的国家级文物保护单位。

3文物保护的要求

振动是一种公害,有报道说,在捷克一个繁忙的公路、轨道交通线附近,有一座古教堂因振动而产生裂缝,裂缝不断扩大导致古教堂倒塌。

在北京,亦有多处文物受地铁运营列车振动的影响,有墙体开裂、损坏的现象。,据有关媒体报道,国家文物局公布了全国人大常委会执法检查组关于检查《中华人民共和国文物保护法》实施情况的报告,近30年来全国消失的4万多处不可移动文物中,有一半以上毁于各类建设活动。北京有报道说戒台寺古建筑和佛像遭遇周边采石场爆破振动受损害,导致古建筑墙体开裂,诱发和加剧已有裂缝的扩展。对此种情况,人们痛心地说道,文物消失多毁于“建”!

众所周知,我国把可移动的和不可移动的一切历史文化遗存都称为文物。其中,可移动的文物,一般称为文化财产;不可移动的文物,一般称为文化遗产。对具有历史价值、文化价值、科学价值的历史遗留物采取的一系列防止其受到损害的措施,这个过程叫做文物保护。《中华人民共和国文物保护法》对此作了明确的规定,相关条文摘录如下:(1)各级人民政府应当重视文物保护,正确处理经济建设、社会发展与文物保护的关系,确保文物安全。(第九条)(2)文物是不可再生的文化资源。国家加强文物保护的宣传教育,增强全民文物保护的意识,鼓励文物保护的科学研究,提高文物保护的科学技术水平。(第十一条)(3)文物保护单位的保护范围内不得进行其他建设工程或者爆破、钻探、挖掘等作业。在全国重点文物保护单位的保护范围内进行其他建设工程或者爆破、钻探、挖掘等作业的,必须经省、自治区、直辖市人民政府批准,在批准前应当征得国务院文物行政部门同意。(第十七条)

这里,我们要了解一下古建筑物的特点:(1)古建筑年代久远,有的数百年,上千年,甚至更长;(2)经历了无数自然灾害的袭击或人为的伤害;(3)存在着不同程度的损害和破坏。在过去的岁月里,特别是冷兵器时代,没有现代业、交通的影响,文物建筑物周边的环境振动是很小的,尽管天然地震无法避免,所以它们能保存至今,成为我们的文化遗产。然而,现代社会对古建筑文物的干扰很多,而振动是最常见、影响最多的干扰。这类伤害的逐渐累积,严重降低了它们抵抗现代工业、交通干扰的能力。鉴于古建承受振动干扰能力降低,原则上我们要尽量控制人为震源的产生和强度,在无法避免产生时要尽量控制人为震源的强度(特别是现代交通产生的振动)。因此,我们希望它们远离需要保护的文物建筑。对古建筑的振动安全标准原则上应是以回避现代社会活动的干扰影响确定一个保护范围,依据科学分析给出有足够安全性的约束值。

4关于振动控制标准和说明

振动对地面建筑物的影响程度用地震烈度表示,描述工程建筑物的损坏或破坏程度、地表的变化状况。地面振动强度用地面质点振动速度表示。关于地震烈度和振动速度(量级)与对地而建筑物的影响情况,引用相关标准和文件要求列于表2中。

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从表2中我们看到,当地面振动速度为20mm/s时,其振动强度相当于地震烈度5°,振动可能造成一般民房产生新的细小裂缝,产生裂缝是人们不能接受的。因此,多数国家(包括我国)把振动速度2mm/s定为民房的振动控制标准。振动速度为2mm/s,是一般人稍加注意可以感觉到的振动(也叫“可感振动”),其振动强度相当于地震烈度1°~2°。我们很难接受这样的标准,就是让文物古建筑处在可感的振动环境状态下,特别是全国重点文物保护单位(注意:原机械委部频标准《机械工业环境保护设计规定》(JB 16—1988)对于古建筑严重开裂及风蚀者,控制振动速度v=1.8mm/s(10~30Hz))。因此我们说,再低一个量级,即振动速度为0.2mm/s,定为国家级文物建筑的控制标准,不算苛刻或是要求过分。只有这样,才能让国家级文物古建筑处于一个安静的环境中。

2008年我国颁布实施了专门针对古建筑保护的《古建筑防工业振动规范》(GB/T50452—2008),以避免交通车辆、动力设备、工程施工等工业振源引起的地面振动对古建筑结构的有害影响,表3是该规范对不同类文物古建筑砖结构的容许振动速度。

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一般而言,古建筑的振动安全标准原则上应是回避现代社会活动的干扰影响,其振动安全控制的最高标准就是环境振动的本底大小。换言之,对古建筑的振动控制的最佳状态应是原生环境的状态。

5焦枝铁路复线龙门隧道爆破设计施工

洛阳龙门石窟(如图3所示)是我国宝贵的历史文化遗产,是国务院1956年颁布的全国重点文物保护单位。焦枝铁路既有线在洛阳龙门石窟区文物保护区内通过,对石窟文物保护不利。为避免列车振动对龙门石窟区文物影响,国家有关部门根据列车运行振动对石窟文物影响确定了复线外移距离。新线隧道开挖爆破的振动影响需要实地监测和严格控制,我们知道,隧道开挖爆破振动一般要大于列车运行的振动,然而其作用时间相比之下要短得多。

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隧道开挖采用钻爆法施工。该项工程施工是在《古建筑防工业振动规范》(GB/T 50452—2008)颁布之前,为此,中国国际工程咨询公司专项组织专家研究过石窟的振动安全阈值。我国地球物理学家傅承义、爆炸力学家郑哲敏和有关专家对研究报告的结果给予了充分肯定。认为选取在爆破时石窟区“无感”作为安全标准是合适的。国家文物局发文要求龙门石窟区焦枝复线隧道开挖施工,爆破振动到龙门各点的振动速度低于0.4mm/s的振动安全阈值。这项研究工作不仅为龙门地区矿山建设提供了科学依据,而且为龙门石窟保护区的确定提供了数据,同时对于我国其他石窟的安全问题也有重要的参考价值。

龙门隧道复线开挖爆破设计方案采取分段微差减振控制爆破和接力式起爆网路,控制最大段用药量,周边眼采用不耦合间隔装药形式。在隧道期间监测数据表明反馈的结果,在新龙门隧道开挖施工过程中,开挖爆破引起的四个控制测点的最大速度值均未超过安全阈值0.4mm/s,最大值仅为0.02mm/s。爆破振动传到龙门石窟各测点的振动速度小于0.4mm/s。当地洛阳市地震台(一类监测基准台)也进行了长期跟踪监督测量。

6 宁波育王岭隧道开挖爆破对阿育王寺庙的影响

宁波轨道交通l号线二期工程育王岭隧道位于阿育王寺庙文物保护区二级建筑控制地带,局部线路在一级建筑控制地带内,根据国家文物保护法相关条文规定,需要对阿育王寺保护区的影响进行评估论证。

阿育王寺是我国禅宗名刹,由于寺内珍藏着一座名闻天下的佛祖舍利宝塔而享誉中外佛教界,也是国内现存的唯一以印度阿育王命名的千年古刹。阿育王寺1983年被国务院确定为汉族地区佛教全国重点寺院,2006年6月被国务院公布为第六批全国审点文物保护单位。阿育王寺内现存建筑大都为明、清时期重建、重修,很多建筑外墙为土坯垒成,梁柱为木结构。

隧道全长约1260m,为单洞双线结构,断面轮廓约11.8m×9.8m。育王岭山体以含角砾晶屑熔结凝灰岩为主,岩石坚硬、节理裂隙发育,轨道线穿山隧道拟采用钻爆法进行开挖施工,隧道进口距离国家级文物保护单位阿育王寺核心保护范围最近处大约98.6m,隧道向出口方向施工逐渐偏离阿育王寺(如图4所示)。为减少爆破对阿育王寺建筑物的振动影响,采用了“短进尺、弱爆破、强支护、快封闭”施工方法。

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中国铁道科学院铁建所参照类似工程招宝山隧道的爆破振动衰减规律,考虑到阿育王寺和隧道的相对位置和其间的地质地形条件,爆破设计选取掏槽爆破振动速度衰减参数。他们选用其衰减速度中选取掏槽爆破的衰减系数K=140和衰减指数a=1.6作为爆破设计计算参数。

根据爆破安全规程规定,阿育王寺应按古建筑物类确定振动速度控制标准,并取最严格的标准,隧道采用浅扎爆破方法,其爆破振动波频率范围40~100Hz考虑,参照以上标准,阿育王寺的爆破振动安全允许标准取为爆破振动速度峰值小于0.3cm/s。根据实测洞口爆破产生的最大振动,调整爆破设计参数,随着隧道向前掘进爆破掌子面逐渐远离阿育王寺保护区,可以控制阿育王寺内需要保护的国家级文物建筑的爆破振动小于0.15cm/s,确保国家级文物阿育王寺的安全。

7保护戒台寺周边矿山应禁止

戒台寺位于北京门头沟区的马鞍山簏,始建于隋代开皇年间(581~600年),距今已有1400多年的历史。寺内建有全国最大的佛教戒坛,位居全国三大戒坛(另为福建泉州开元寺、浙江杭州昭庆寺)之首,以“戒坛、奇松、古洞”著称。戒台寺是全国重点文物保护单位,已被列入我国申报世界文化遗产的后备名录。

千佛阁位于戒台寺大雄宝殿后面的台基之上,始建于辽代咸雍年间,原是寺中最宏伟的建筑。千佛阁宽2lm,进深24m,为三重檐楼阁式木结构建筑,其殿顶采用了古建筑最高等级的“大五脊庑殿式”,阁内供有卢舍那铜质佛像和1680尊小佛像,是名副其实的千佛阁。史料记载,历史上官方对戒台寺的保护一直很严格,至今仍存于戒台寺中的就有明宪宗朱见深所撰《敕谕碑》、清康熙帝所撰《万寿寺戒坛碑》、民国总统徐世昌撰《戒台寺碑》以及其他名流所立的《戒台寺禁矿碑》。这些碑文一律明令禁止在戒台寺周边凿山采石,挖掘煤窑,毁坏林木,并规定对上述行为采取严厉的惩罚办法。

曾经有监测研究报告《北京市建材化工厂采石爆破对戒台寺建筑物影响评价》中指出,“采石场爆破对戒台寺古建筑墙体开裂有诱发和加剧裂缝扩展的影响”,“长达40年的爆破、累积效应不可忽视”。但是随着年代推移,采石与保护的矛盾仍不断出现。我们呼吁,为保护戒台寺,严格执行《古建筑防工业振动规范》(GB/T 50452—2008),戒台寺周边矿山应禁止爆破采石作业。

8结语

文物建筑、文化遗产是前人给我们后人留下的宝贵遗产,是全民族、全人类的共同财富。它们不但属于今天,更属于未来。因此,将它们真实、完整地流传下去,是我们义不容辞的职责。

保护好文物,人人有责。我们必须提高全民族的爱护、保护文物的意识,保护好文化遗产,为子孙后代造福。在现代化建设和文物保护要兼顾时,应当遵循“为文物让道,保护文物为先”的原则,保护好文物,离文物远点。

参考文献

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摘自《中国爆破新进展》