我國文物建筑受列車微振動影響研究現況及關鍵問題分析

馬 蒙，劉維寧

（北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044）

隨著城市軌道交通的大規模建設，列車運行引起的環境振動成為國內外學者們近年來持續關注的問題。其中，微振動對古建筑、有價值的文物建筑造成的影響及其預測和控制成為該領域一個研究重點和難點。我國對文物建筑微振動控制研究始于上世紀80年代末，對焦枝鐵路復線建設中隧道施工爆破震動、列車運行振動等環境問題開展的研究[1]。周家漢[2]通過測試既有鐵路列車振動傳播規律和“比例距離”預測京滬高速列車振動，以確保高速列車振動環境下蘇州虎丘塔的安全。賈穎絢等[3]研究了北京站-北京西站直徑線對沿線三處文物保護單位振動影響。針對西安地鐵運行對沿線古建筑振動影響，文獻[4-7] 開展了系統的測試、預測及控制研究。根據對國家文物局官網公示的統計，近10年來對北京、南京、合肥、廣州、烏魯木齊、南昌、鄭州、西安等城市軌道交通建設涉及文物保護方案的批復中，幾乎都涉及到列車運行振動影響、預測及控制問題。由此可見，目前列車振動問題已受到文物保護工作者的高度重視，該問題能否被恰當解決已成為某些城市制約軌道交通建設的瓶頸因素，正確處理振動環境下文物保護和軌道交通建設之間的矛盾顯得尤為必要。

1 文物建筑防交通振動研究進展

1.1 控制標準

文物建筑的損壞包括結構性破壞和建筑性損傷2個層次。結構破壞與結構安全性直接相關，包括建筑承重構件的破壞，可引發結構整體或局部坍塌、破壞的損傷；而建筑損傷與建筑完整性直接相關，通常不會對結構安全造成影響，但可能出現墻體開裂等影響建筑美觀和使用的損傷。

速度峰值是常見的作為建筑結構振動控制標準的物理量。通常認為當速度峰值小于10 mm/s時，是可以滿足普通結構安全性要求的，而對于古舊建筑，限值會更嚴一些。例如，德國標準中給出“對振動特別敏感的建筑物和具有一定保護等級的歷史性古建筑物”在1 Hz～100 Hz內非連續性振動限值為3 mm/s～10 mm/s[8]；瑞士標準中給出：對古舊建筑防交通振動的限值為3 mm/s～5 mm/s，對于處于大流量交通環境下維修不良的古建筑可進一步將限值提高至2 mm/s[9]。我國學者楊先健等較早研究古建筑振動標準，根據地基土剪切波速、文物保護級別等因素給出古建筑振動標準的建議值約為1.8 mm/s[10]，1988年頒布的行業標準《機械工業環境保護設計規定》部分采納了上述建議，給出有嚴重開裂及風蝕的古建筑允許振動值為1.8 mm/s～3.0 mm/s[11]。國標GB/T50452-2008首次考慮了建筑完整性要求給出的振動限值介于0.10 mm/s～0.75 mm/s[12]。國標GB50868-2013針對未核定為文物保護單位的不可移動且具有歷史、藝術、科學價值，需要保護的古建筑、遺址、墓葬、石窟寺、石刻、壁畫、近現代史跡和代表性建筑等，給出的建筑頂層振動限值為2.5 mm/s、建筑基礎處振動限值為1.0 mm/s～3.0 mm/s[13]。至此，基本形成了涵蓋我國各類文物建筑的振動標準體系。

1.2 研究方法及控制措施

我國針對古建筑防列車振動影響的研究是伴隨著預測評價技術與理念的發展、控制措施技術發展進行的。早期的基于測試的研究[1-2]盡管沒有系統考慮文物建筑本身的自振特性，但直接基于實測的評價預測在振動量級判別上仍具有極高的可行性。隨著計算機的普及，有限元技術逐漸廣泛用于古建筑微振動預測中。其中，地層-結構模型經歷了從二維簡化分析[14]至復雜三維分析[6,15]的發展過程。另一方面，測試研究在評價古建筑現況振動和結構動力特性中起到了積極的作用[7,16]，并用于對模型的驗證與校核[5,17]，提高了數值預測精度。然而從交通振動影響研究角度來看，目前國內針對文物建筑自身振動特性和承受振動大小的能力（即“承振能力”）的研究仍相對薄弱，體現在：其一，榫卯節點動力特性合理模擬方法研究較少；其二，微振動預測準確性評價方法研究較少；其三，除彈性波速外，其余古建筑無損檢測方法未能廣泛引入到古建筑動力特性現況及承振能力評價中。

軌道交通振動控制包括振源減振、傳播路徑隔振和敏感目標隔振3方面。當不具備線路變更條件時，國內目前大多采用設計浮置板軌道的振源減振措施來解決振動對古建筑影響問題。從降低古建筑振動敏感度角度分析，實現環境振動控制可采用降低振動激擾強度和提高振動敏感目標承振能力2類手段[18]，并應樹立綜合減振的理念。以西安地鐵通過鐘樓案例為例，綜合采用了優化線路、降低車速、設計浮置板軌道等多種降低激擾強度的方式，采用加強對鐘樓結構的養護維修等提高承振能力的手段，并在鐘樓周邊施加隔離排樁，既可加固地基、提高鐘樓承振能力，也能在一定程度上降低路面交通振動。

1.3 存在的問題

在古建筑防交通微振動方面，盡管我國從保護意識、研究方法、控制措施等多方面都取得了長足的進步，但交通微振動控制歸根到底只是文物建筑保護中的一個環節，如果僅將其視作是一類技術問題，而忽略了保護文物建筑這一最基本出發點，有時則會出現本末倒置的情況。近年來，一些城市在地鐵線路規劃、建設施工、環境影響評價等環節上，一方面過度強調古建筑微振動控制，另一方面卻仍有大量的文物建筑因工程建設遭到不同程度破壞。綜合媒體報道可知，廣州黃家祠、天津楊以德舊居和DD大樓舊址等文物建筑均因地鐵建設而發生破壞或拆除。

與之形成鮮明對比的是，大批列入文物保護單位名錄的建筑，即使是近年來重建的、或根本不需要考慮建筑完整性破壞而進行微振動控制的文物建筑，當地鐵設計從其附近通過時也投入大量精力進行所謂的微振動預測和研究，并大量采用浮置板軌道，造成巨大的人力財力的投入和浪費。一方面，如何在工程建設中保護有價值的文物建筑免遭破壞，需要對現行文物法規完善和對工程建設加以規范；另一方面，如何正確理解和合理處理交通微振動引起的文物保護問題，則是擺在工程技術人員和文物保護學者面前的課題。

2 振動控制在文物建筑保護中的地位

無論是文物建筑保護的自身需求，還是人們對文物保護認識的過程，都體現著文物保護具有不同層次的要求。

從國際文物保護文件的發展歷程來看，1931年的《雅典憲章》中強調了在城市發展過程中，對有價值的古建筑應妥善保存不能加以破壞；1964年的《威尼斯憲章》確立了建筑遺產保護的理念和修復原則，并被國際上廣為接受；2005年的《西安宣言》進一步強調了對歷史建筑、古遺址的環境變化必須加以保護，包括視野、空氣污染、噪聲等。通過上述分析，本文進一步提出文物建筑的保護至少可以分為3個遞進的層次（圖1）。

圖1 文物建筑保護層次“金字塔”

首先是對文物建筑及其價值的認可，這是保存文物建筑不被拆除的前提，也是文物保護的基礎。這種認可不但要體現在法律法規層面，更與一個國家、社會的公眾認知水平有關。只有不可移動文物自身的存在保留，才談得上修繕的理念與方法。其次，是對文物建筑的保護和修繕，這是確保文物建筑自身及其能持續存留的基礎。最后，是文物建筑健康狀態的長久保持和環境質量的改善，這是對文物保護的最高要求。這一點一方面體現在文物建筑與周邊建筑環境、文化環境的協調和可持續發展，避免文化歷史信息的消亡和文物價值的平庸化；另一方面則體現在文物建筑防止空氣濕度、酸堿性、噪聲振動等自然及人為因素引起的環境改變。后者是上世紀70年代后，環境問題為學者關注后所逐漸被認識和提出的對文物長久保存和可持續發展的更高層次的要求。

不難看出，交通微振動保護處于文物建筑保護“金字塔”的頂層，屬于文物保護的最高層次要求。只有滿足了前兩個層次的保護需求，才具備討論最高層次保護的基礎。城市區域內古建筑由于保護措施得當、保護經費相對充足、社會監督力度大等因素，基本上實現了前兩個保護層次的要求，因此一定程度上具備了討論第三個層次的基礎。對于新建城市軌道交通線路，當有可能改變文物建筑環境時，需要重新評估各級保護層次的要求。目前部分城市在同一條新建軌道交通線路中，對待不同文物出現截然不同的態度：部分建筑在第三個層次上予以保護，而另一部分建筑卻對第一個層次的價值予以否認，并實施拆除或所謂的“遷建”、“重建”等。應對上述問題，固然需要立法的完善，而在技術層面上，更應建設一套完備的工程建設文物風險評價系統，在法律和技術規范上對文物建筑加以保護。

在具備前兩個保護層次的基礎后，是否有必要對所有文物建筑進行微振動保護，是否對所有文物建筑進行相同力度的微振動保護，這便涉及到從振動控制角度給出文物建筑保護范圍和等級界定。

3 需要進行交通微振動控制文物建筑范圍及等級界定

3.1 既有微振動研究對文物建筑范圍和等級劃分的考慮因素

表1總結了國內既有研究中對考慮微振動文物建筑范圍和等級的界定。分析可以發現，文獻[10] 和[11] 對考慮微振動建筑的界定范圍為：對振動敏感的有價值建筑或會受到振動潛在影響的文物建筑；而文獻[12] 和[13] 的考慮范圍則涵蓋了所有古建筑和歷史建筑。

表1總結的研究中涉及4類確定振動限值的影響因素：

（1）建筑物類型。將建筑結構振動按不同類型從宏觀上進行劃分，這種劃分綜合考慮了建筑重要性程度、建筑對振動敏感程度等因素。這也是被德國、英國、瑞士、美國標準所采用因素。

（2）地基和結構中的彈性波速。這兩者是與建筑結構承振能力密切相關的影響因素，能較客觀地反映了既有建筑結構的脆弱性程度和在同等振動激勵下結構安全性和完整性退化的可能性大小。

（3）振源頻率或對建筑激擾頻率。這可以看作是建筑物產生共振的可能性，是對振動標準的一種修正因素。通常，結構自振頻率較低，因此當振源頻率或建筑接受到的激擾頻率較高時，可以對振動標準加以放寬。這種做法也是德國、英國、荷蘭、瑞典等國家標準中的普遍做法。

（4）古建筑保護等級。這是頗具中國特色的考慮因素。根據我國《文物保護法》的規定，對于不可移動文物設立國家級、省級和市縣級文物保護單位。對文物建筑實施這一等級劃分一定程度上反映了它們的重要性程度、稀有程度以及如果出現損傷產生的社會輿論大小等因素。但與上述3類影響因素相比，該類因素更偏重于社會意義而非技術意義。

表1 文物建筑微振動保護的考慮因素

3.2 交通微振動對文物建筑價值的影響

就所有建筑結構而言，其破壞包括結構破壞和建筑損傷兩個層次。結構破壞與建筑安全性相對應，是一切結構都應避免的；而建筑損傷與建筑完整性相對應，完整性缺失如果直接影響到文物建筑的價值則應避免。

大量的研究表明，振動速度在10 mm/s以下時，不會構成對一般建筑結構的安全性影響；對于有特殊價值的歷史建筑，國外研究和標準的制定表明，當振動速度控制在2 mm/s～3 mm/s以下時，建筑結構的安全性也可以得到有效保障。我國國標[12]中古建筑振動控制限值的制定是基于古建筑完整性給出的[19]。對北京地鐵環境影響測試的統計表明：地鐵引起的地面振動和建筑物振動不會超過1 mm/s[18]，也即是說，對“地鐵振動影響文物建筑”這一命題的研究，是在考慮建筑完整性層面上進行的。因此，從防列車振動角度來看，文物建筑容許振動限值的確定應在確保建筑完整性層面上，考慮分析振動產生破壞對文物價值的影響程度。

根據對《文物保護法》的解讀，文物價值至少包括歷史價值、科學價值和藝術價值等3個方面。換言之，對一個不可移動文物系統而言，如果自然因素和人為因素引起的文物改變不影響上述3個價值的缺失，則可以認為文物建筑的價值沒有受到影響。以振動引起微裂縫擴展這一影響為例，如果裂縫是出現在有價值的壁畫、泥塑、彩繪上時，毫無疑問建筑的藝術價值和科學價值等會受到直接影響。若建筑木構件、磚石構件出現裂縫或損傷，則應根據這些構件的特殊性、做工和稀有程度對其損壞風險加以估計。但值得注意的是，不同文物建筑所承載的價值是有所側重的。某些遺址類和近現代建筑所承載的價值側重于歷史價值，這些價值主要依賴文物建筑存在的宏觀意義，與建筑結構本身的細微退化關系較小；而某些代表性古建筑（如磚石古塔、早期木構建筑、重要壁畫、有文字信息圖案信息的遺存建筑構件等），其價值則依賴于建筑營造的歷史性、科學性和藝術性等，這些建筑構件和元素的微觀變化直接影響其價值和信息的缺失。這兩者間，微振動顯然對前一類建筑影響較小，而對后一類建筑影響較大。

3.3 文物建筑微振動控制等級的合理劃分

當受微振動影響的文物建筑范圍確定后，對微振動控制等級的合理劃分重點是確定建筑物承振能力等級，同時兼顧其他因素。如3.1小節所述，既有研究中，承振能力的確定主要依賴于對彈性波在結構中傳播速度加以檢測。無損檢測手段是更好地了解結構健康狀況、評估其性能的最佳手段，也是劃分微振動控制等級的合理依據。

除此之外，另2類影響因素可以作為控制等級劃分的修正因素。其一為頻率信息；其二是文物建筑的價值。通過3.2小節分析可知，不同文物建筑類型具有不同的微振動敏感性，而文物建筑的微振動敏感性并不完全等同于古建筑保護等級，采用文物保護等級作為微振動控制等級劃分的直接依據是不合適的，這是因為：

（1）文物保護等級的劃定既包含了宏觀元素的價值，也包含了微觀元素的價值，前者對微振動是不敏感的；

（2）文物保護等級的劃定是動態的，區縣級、省市級和國家級文物保護單位通常是逐級遞報的，而文物建筑的承振能力短時間內相對穩定，利用短期內可變指標評價穩定變量是不合適的；

（3）由于中國傳統古建筑群落在平面布局上有其特殊價值，為維持建筑群落的整體價值，部分毀壞的建筑個體容許重建并同樣受全國重點文物保護單位劃定保護范圍所保護。重建建筑的微振動敏感性則大大降低，需要有區別地對待。

由此可見，文物建筑價值對微振動的敏感性是與振動控制等級直接相關的影響因素，這一因素只是古建筑保護等級中很細微的一個環節，需要將這一因素從古建筑保護等級中剝離出來。

4 文物維護和修繕對承振能力的影響

文物建筑的承振能力不是一成不變的。在自然因素和人為因素影響下，構件損壞、疲勞極限降低等都會引起承振能力的下降。而對文物建筑的維護和修繕對承振能力有著積極的影響。

圖2為文物建筑承振能力隨時間降低示意圖。

圖2 文物建筑承振能力降低示意圖

沒有突發性自然災害或人為影響時，建筑的承振能力在很長一段時間內緩慢降低，這一過程通常不會出現與建筑安全性相關的結構性損傷，但有可能出現與建筑完整性相關的損傷。當完整性損傷累積到一定程度時，會發生向結構性損傷轉化的趨勢。這一趨勢通常會有足夠的先期征兆，但一旦累積達到結構性損傷的閾值后，會直接威脅建筑安全，其承振能力也急速降低。如果建筑長期處在振動環境下，有可能出現疲勞積累，引發結構性損傷提前發生，即承振能力下降曲線的拐點提前，或急速下降段斜率增大。當不考慮維護加固因素時，合理承振能力的確定應該大于曲線拐點時間對應的承振能力。為了避免振動對建筑影響，則需要振動環境下曲線與自然狀態下曲線的緩慢下降段盡可能重合，從而給出的振動標準也非常嚴格。

而文物建筑通常都會在曲線出現拐點之前選擇恰當的維護時機進行加固。如圖3所示。

圖3 維護加固對文物建筑承振能力的影響

完成加固后，可以瞬時提高建筑結構的承振能力，之后曲線在新的承振能力峰值點進行新一輪的衰減。如果維護加固能定期進行，則承振能力曲線不應該降低至拐點。當考慮上述因素后，則可以在維護周期范圍內確定合理的承振能力。

對文物建筑的科學修復是文物保護重要環節。西方保存石構建筑殘缺、殘敗狀態的保護方法并不適用于我國傳統木構建筑。羅哲文先生就文物保護與修繕問題發表了一系列文章[20-22]，對廓清我國文物界在古建修繕問題上的爭論、奠定中國特色古建筑保護修繕理論起到了重要的作用。之后形成的《曲阜宣言》[23]中指出：對于損壞了的文物古建筑，只要按照原形制、原材料、原結構、原工藝進行認真修復、科學復原，依然具有科學價值、藝術價值和歷史價值。而在修復過程中，盡管任何一種修復措施都會不同程度造成保護對象信息的損傷、破碎和丟失，但如果損傷、破碎和丟失的只是次要的、價值一般的信息，而通過修復恢復再現的信息則是重要的、值得突出的、在他處難以獲得的，這樣的修復是值得做的、應該做的[24]。根據日本的古建維修經驗，木結構建筑在通常的保護措施下，很難保存250年以上，在自然氣溫中，即使其他條件都很理想，30年看來也是一個極限[25]。古建筑的定期維修和保養是客觀存在的事實，因此承振能力在此過程中的恢復也應得到客觀認可。實施文物建筑微振動保護，應充分理解、借鑒我國古建筑保護和修繕的既有理論成果，建立科學的文物建筑損傷與振動強度的關系，并應充分考慮建筑維護和修繕對承振能力的積極影響，由此制定合理可行的容許振動標準。

5 不同交通振源對文物建筑影響比較

城市區域文物建筑除可能受到臨近軌道交通振動影響外，臨近路面交通車輛振動影響亦不能忽視。通常人們會認為，地鐵引起的振動較路面交通大。然而，近年來國內對比測試研究結果卻與之相反。

圖4為鐘樓臺基頂部監測的全天候環境振動速度時程曲線。

圖4 西安鐘樓臺基環境振動監測結果[28]

地鐵列車在鐘樓區段停運時間約為晚11:40至次日晨6:30，但監測并未在上述停運和起運時間點觀察到有明顯的振動增加趨勢；相反，振動增加趨勢與路面交通車流密切相關，晨6:30之前的車輛早高峰引起振動增加體現得尤為明顯。當然，上述結果與地鐵采用了浮置板軌道減振和降速運行有關。文獻[26] 的測試結果表明：無論采用非減振的普通無砟軌道還是浮置板軌道，在距離地鐵隧道中心線一定范圍內，公交車引起的振動影響要強于地鐵列車。意大利曾為保護歷史遺址免受路面交通振動影響，在公路上制作了橡膠軸支撐的混凝土格柵，但測試表明，該措施無論在時域還是頻域上都沒有起到很好的隔振作用[27]。

由此可見，由于地鐵振動的可控性以及路面交通振動的激勵頻率更有可能與文物建筑固有頻率重疊，因此文物建筑微振動控制不能忽視路面交通振動影響。

6 結論與展望

（1）微振動控制是文物建筑保護的最高層次要求，只有滿足基本層次保護的文物建筑才談得上微振動保護。微振動控制應隸屬于整個城市交通建設運營周期內對文物建筑的保護工作。建議建設一套完備的工程建設文物風險評價系統，統籌規劃城市交通建設運營周期內的文物建筑保護問題。

（2）振動對文物建筑的影響包括安全性和完整性兩個層次。城市軌道交通振動不足以直接引發與安全性相關的結構破壞；而需要考慮與建筑完整性相關的建筑損傷并非適用于所有文物建筑，只有當建筑構件完整性損壞造成重要文物價值損傷和信息缺失時，才有必要進行完整性層次的微振動控制。

（3）文物建筑容許振動標準應選取與承振能力直接相關的評價指標作為主要考慮因素，同時兼顧頻率因素和與建筑完整性直接相關文物價值信息。建議建立考慮文物建筑價值對微振動敏感性的評價方式，同時兼顧古建筑保護等級。

（4）維修對提高建筑承振能力起到積極的作用。應當充分認識到維護修繕對我國傳統木構建筑的重要性，振動標準的制定應與文物修繕周期結合起來。

（5）相比較地鐵振動，路面交通振動對文物建筑影響更大、控制難度更高。文物建筑微振動控制不能單純強調軌道交通的減振措施，更要與減少路面交通車流、增大建筑與公路的保護距離等措施結合起來。