鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設控制地帶文物影響評估

黑龍江省文物保護中心

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鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設控制地帶文物影響評估

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鮮豐隧道 亞溝石刻 爆破 振動 文物影響

鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設控制地帶，隧道采用暗挖法施工，爆破開挖采用數碼電子雷管與普通毫秒雷管組合控制爆破技術施工。爆破振動及列車運行振動會對石刻造成影響，為防止振動對石刻造成破壞，依據國家法律法規及相關規范，在充分研究亞溝石刻所依附山體的地質構造及石刻保存現狀基礎上，結合試驗成果，針對爆破振動、高鐵運行振動及隧道建設運行下亞溝石刻所依附山體的地質安全狀況對石刻造成的影響進行評估，以確保文物安全。

新建哈爾濱至牡丹江鐵路客運專線(以下簡稱哈牡客專)，線路總長度約303千米，共設車站12個，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玉泉鎮境內，進口里程CK62+700，出口里程CK66+560，全長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段穿越了全國重點文物保護單位亞溝石刻的建設控制地帶，穿越長度約900米，隧道距離亞溝石刻本體最近處約290米，最遠處約450米(圖一)。

圖一 鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設控制地帶

一、亞溝石刻簡介及其保存現狀評估

石刻位于黑龍江省哈爾濱市阿城區亞溝鎮以東5千米的石人山南麓崖壁上，距金上京故城14千米。石刻所在山峰坐標東經126°58＇，北緯45°29＇，海拔250.8米，屬張廣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遺存，尤為珍貴。1988年被公布為全國重點文物保護單位。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，武士裝束，頭戴帽，足著皮靴，手執杖，威武雄壯；女像在左側，貴婦形象，頭戴帽，身穿左衽直領長袖衣，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的線條，深約0.3～0.5厘米，雕刻方法類似于宋《營造法式》中的減地平級。

亞溝石刻像近千余年來裸露于自然環境中，久經風雨侵蝕，花崗巖表面已被剝蝕成凹凸狀，刻痕變淺，圖像已模糊。兩幅圖像所在巖石之間已出現約5厘米的裂隙，裂隙中草木植被的根系使巖石松動滑坡，石刻存在著嚴重的安全隱患，振動可能導致石刻所依附的巖體崩塌。

二、文物影響評估

鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設控制地帶，對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的影響；列車運行振動對亞溝石刻的影響；隧道建設運行下亞溝石刻地質安全性對文物造成的影響。

評估依據國家現行的法律法規及相關規范。

(一)隧道穿越亞溝石刻施工期振動的影響評估

根據鮮豐隧道穿越區域各段圍巖分級及與亞溝石刻位置關系，結合《高速鐵路隧道工程施工技術指南》(鐵建設【2010】241號)、《關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知》(鐵建設【2010】120號)的規定，初步得出各段落隧道爆破開挖的基本炸藥量及開挖控制步距。《規程》對一般古建筑和古跡爆破振動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。因為《規程》規定的數據是爆破振動對一般古建筑與古跡的垂向安全允許振速，亞溝石刻是全國重點文物保護單位，石刻本身存在著安全隱患，況且《規程》中規定的數據為理論值，石刻周邊的地質狀況較為復雜，所以應根據現場實測數據進行分析比較，在實測數據的基礎上采用更為保守的指標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挖的炸藥量及開挖控制步距統計表

2014年，我中心委托黑龍江省地震工程研究院進行了現場測試，其核心內容是：“鮮豐隧道經過亞溝石刻建設控制地帶，最近爆破點距離石刻290m左右，如何緩解施工與地震效應(由爆破誘發的一系列負面效應，尤其是爆破作業引起的爆破地震的負面效應)之間的矛盾，保證石刻安全是需要解決的重要技術問題。由于測試的目標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方面，找出工程場地上具有代表性的8個爆破點的爆破地震能量和優勢振動的衰減規律，最終給出在工程設計的炸藥量下通過場地衰減后到達石刻部位的振動符合《規程》規定的數值。由于有損探測會對文物造成負面影響，針對文物保護對象的特殊性，采用了無損探測即錘擊脈沖輸入法。采用邊界測線位移和速度的衰減關系推算整個場地的衰減關系，其原理為找出由近乎垂直的實測邊界路線的衰減系數，找出地震波在這一特定場地的衰減關系，進一步計算沿隧道一線排列的爆破點到石刻位置每條爆破地震波路線上的衰減系數，然后先計算隨距離增大的水平衰減，繼而計算由于爆破點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爆破時的峰值振速經過場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《規程》中規定的允許振速比對，超標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)，修改施工爆破設計參數，直至滿足要求。”①計算結果經多次處置，最后調整完成的參數值見表一。經調整后，鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設控制地帶內不同爆破點到亞溝石刻本體經衰減后峰值速度在≤10Hz、10Hz50 Hz的范圍內南北向、東西向、垂直向均滿足規定(表二)。

由此，爆破施工時如能嚴格執行表二的炸藥用量及開挖步距，施工過程中進行全程監測，制定好嚴格防護措施及合理的施工組織方案，可以保證石刻的安全。

表二 調整炸藥量的石刻部位的峰值速度推算

(二)列車運行振動對亞溝石刻的影響評估

目前專線尚未建成，列車運行時的振動數據無法采集。為此，黑龍江省文物保護中心委托黑龍江省地震工程研究院選擇了地質構造情況類似的且已投入運營的哈大高鐵大連境內段的九里溝隧道和韓家嶺隧道進行了現場測試。執行標準是《古建筑防工業振動技術規范(GB/T 50452-2008)》(下文簡稱《規范》)和《地基動力特性測試標準(GB/T 50269-97)》。由于其中沒有石刻的控制標準，我們選擇與其相近的石窟控制標準作為評估依據，因為石窟與石刻振動的物理本質是一致的，與山體是一體化振動。從振動衰減的角度而言，石刻與石窟相比只是石刻沒有進深，與自然山體更加接近一體化，而石窟有一段進深，兼有一點淺埋隧道的振動特性。可見石刻自振周期比石窟自振周期大，所以選擇石窟的控制標準沒有問題(表三)。

依據《規范》附錄B中公式vr=v0

表三 石窟的容許振動速度[V](mm/s)

從計算衰減結果來看，三個方向上產生的振動經速度衰減后均滿足《規范》中規定的石窟最大容許振動速度要求。計算結果基本表明速度衰減很快，主要原因是速度衰減計算公式中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頻率f0只有5～7Hz，而本次測試的哈大高鐵產生的頻率都在40～50Hz之間，明顯偏大。另外一個原因是地基土的類型，測試場地以松散的礫石土為主，也對振動的衰減影響較大。

表四 BKD-2B-LN2地震計衰減計算結果(九里溝隧道口)

表五 BKD-2B-LN2地震計衰減計算結果(韓家嶺隧道口)

再從列車行駛振動影響下亞溝石刻地質安全性評價角度分析，由于亞溝石刻與鮮豐隧道之間最短波傳播距離達290m，并且二者之間巖石經歷了全風化—強風化—弱風化作用，致使巖體完整性很差、破碎強烈，巖體質量等級為Ⅱ級～Ⅴ級、巖土工程分級為Ⅳ級～Ⅴ級，特別是較多發育的張性—張扭性節理或斷層對振動傳播具有很大的隔振作用，而列車行駛引起環境振動強度較小且在傳播中強度快速衰減，即振動水平傳播超過10m、豎向傳播超過15m便衰減得很微弱，并且因振動主頻帶超過場地特征頻率而不會發生共振現象，列車行駛引起的強度較小的振動傳播290m到達石人山頂的強度將衰減至微乎其微，對石刻的安全性將不會產生任何影響。

(三)隧道建設運行下亞溝石刻地質安全性對文物造成的影響評估

1.隧道、石刻所在區域不存在地震帶、現代活動斷裂帶、高水平地應力帶，因此隧道掘進爆破不觸發地震作用、活斷層運動、高地應力釋放，所以不會導致石刻破壞；在設計爆破1m3巖石用藥量0.31kg～0.45kg條件下，產生的高頻地沖擊振動在傳播中強度快速衰減且無共振現象，沖擊地波到達石人山峭壁的振動效應很小，不會影響石刻的安全。

2.由于隧道位于巖石中、埋深較大且高于地下穩定水位，又因為含水層為張性或張扭性裂隙巖體且不存在高水平地應力，所以不存在承壓水，此外石刻位于花崗巖體上且遠高于地下穩定水位，特別是石刻遠離隧道、遠高于隧道(石刻與隧道之間高差達70米、最近水平距離達290米)，因此隧道掘進爆破作用不可能引起大量涌水而導致地表沉降進而危及石刻安全。石刻雖然處于極端高寒深季節凍融環境，然而因石刻位于石人山山頂而使之遠高于地下穩定水位，并且因當地最大凍深僅191厘米而使得石刻位置的凍結鋒面也遠高于地下穩定水位，二者之間高差(可達70米)遠高于地下水向凍結鋒面遷移補給的高度(不到2.5米)，所以盡管列車高速行駛振動作用能夠使地下未凍水向凍結鋒面的遷移高度有所提高(即使軌道附近的振動強度較大，一般也只能使路基中地下水的遷移補給高度提高20厘米～30厘米)，但是因石刻遠離隧道而使得傳播到達的振動效應微乎其微，故此凍結期不存在豐富的地下水對凍結鋒面的顯著遷移補給。凍結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生融化下滲，所以傳播至石人山頂的微乎其微的行車振動效應顯然不會對石刻原有的凍脹作用產生任何新的影響。

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

三、綜合評估結論

鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設控制地帶，隧道建設、高鐵運行及隧道建設、高鐵運行時石刻所依附山體的地質安全等方面將對石刻造成影響，為了避免這些影響對石刻造成破壞，我們從以下三個方面對石刻的影響做如下評估。

(一)針對隧道建設及施工時爆破振動對石刻造成的影響，依據國家法律法規及相關規范，在充分研究亞溝石刻所依附山體的地質構造及石刻保存現狀基礎上，結合試驗成果，爆破施工時嚴格執行炸藥用量及開挖步距，施工過程中進行全程監測，制定好嚴格防護措施及合理的施工組織方案，可以保證石刻的安全。

(二)針對高鐵運行振動對石刻造成的影響，依據國家法律法規及相關規范，在充分研究亞溝石刻所依附山體的地質構造及石刻保存現狀基礎上，結合試驗成果，參照《古建筑防工業振動技術規范》中規定的石窟最大容許振動速度要求，從計算衰減結果來看，三個方向上產生的振動經速度衰減后均滿足。由此，列車行駛引起的強度較小的振動傳播290m到達石人山頂的強度將衰減至微乎其微，對石刻的安全性將不產生任何影響。

(三)針對隧道建設、高鐵運行時石刻所依附山體的地質安全性方面對石刻造成的影響，在充分研究亞溝石刻所依附山體的地質構造及石刻保存現狀基礎上得出如下結論：1.由于隧道、石刻所在區域不存在地震帶、現代活動斷裂帶、高水平地應力帶，因此隧道掘進爆破不觸發地震作用、活斷層運動、高地應力釋放，所以不會導致石刻破壞；2.隧道掘進爆破作用不可能引起大量涌水而導致地表沉降進而危及石刻安全；3.隧道掘進的爆破振動作用與開通運行的行車振動作用也不會影響石刻原有的凍融安全性。

綜上，針對鮮豐隧道建設掘進爆破地沖擊作用、開通運行的行車振動作用，立足于基礎地質資料、工程勘察資料、專項設計資料及實測數據，注重于區域大地構造、構造地質、動力地質、工程地質、水文地質、巖體結構、凍融作用、地形地貌與爆破施工力學、軌道交通動力學、巖體動力學、波傳原理等多學科交叉融合與多種資料解譯集成的綜合研究手段，對鮮豐隧道穿越亞溝石刻建設控制地帶造成的不利因素做出客觀、科學、合理的評估，依據評估制定具體的解決方案，并在施工過程中進行全程監測，制定好嚴格防護措施及合理的施工組織方案，可以保證亞溝石刻的安全。

執筆：王 劍 張 偉

注 釋：

① 黑龍江省地震工程研究院：《鮮豐隧道爆破作業對亞溝石刻影響的評估》， 2014年8月。

② 黑龍江省地震工程研究院：《鮮豐隧道運營對亞溝石刻振動影響評價》，2014年10月。

〔責任編輯、校對 田索菲〕

王劍，男，1970年生，黑龍江省文物保護中心研究員級高級工程師；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