编者按：中国科学院力学研究所研究员周家汉于2014年在中科院“科普论坛”上宣讲了《轨道交通建设与文物保护》报告。该报告经作者整理后又登载于2015年正式出版《科学在这里——“科普论坛”报告选集（第二辑）》中。承蒙作者盛意，本刊在此刊发，以飨读者。

轨道交通建设与文物保护 周家汉

1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，现代社会的生产活动和现代人们的生活活动都在产生振动，如轨道交通运行、爆破、振动冲击强夯加固地基、锤击破碎加工石料等。人们一方面要利用可能产生振动作用的功效，同时又在受到振动的伤害，如乘坐汽车跑的快了，却要遭受汽车颠簸振动的危害。在能高效达到一定施工目的同时，振动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。因此防止震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；轨道交通振动更是一种经常发生在我们身边的振动现象。 我国历史悠久，文物建筑和古迹特别多，为保护文物艺术宝库，国家于1982年就颁布了“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国家级和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，甚至更长的。它们经历了无数自然灾害的袭击或人为的伤害，或多或少都存在着这样那样不同程度的损害和破坏。它们的现状难于用现代力学给于准确的描述和评价。一方面我们从古代建筑看到了我们祖先的睿智、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，不少建筑就难于保存到现在。由于累积的伤害，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。 八十年代初，洛阳市想在龙门石窟东边3公里处建设一个年产120万吨的石灰石矿山。矿山建设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作业地界附近地面的振动，尽管3公里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。龙门石窟文物已存在一千多年了，我们希望他们还能保存下去，一千年，两千年。为了保护龙门石窟文物，即使是具有很高品位的矿山资源，我们也只能优先选择保护好文物，放弃矿山开采。 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。经过实地监测铁路列车运行振动和分析研究，1992年在国家发改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。 因此我们认为，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振动约束值。
2发展轨道交通是解决城市交通拥堵的根本出路

图1 北京地铁拥堵状况

随着经济发展和城市化进程的不断加快，世界各国在不同程度上都出现了城市的交通拥堵问题。近年来，对于中国的诸多大都市而言，交通拥堵已成为困扰政府、困扰市民的一个严重问题。如何解决城市的交通问题呢？人们普遍认同的一种途径是：优先发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统。解决交通拥堵问题的根本出路也在于建设完善的公共交通体系，其中构建比较完整的轨道交通网络是基础。所以，发展轨道交通是北京等大都市的公共交通体系建设的重中之重。因为轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点的特点，而且可以保护环境、节约能源和土地资源。只有中国高速铁路网的建成才能满足春节人们回家团聚的运输高峰需求，只有建设城市轨道交通网才能解决上下班时段的拥堵状况。目前，城市轨道交通已构成北京、上海等城市公交系统的重要组成部分。这点不难用下列数据来说明：2010年9月22日至24日，北京地铁8条运营线路共运送乘客1290万人次，平均425万人次/天；而在22日一天内，日运送乘客达到660万人次。2012年2月25日网上报道，北京城铁每天载客量已超过700万人次。4月30日北京有６条线路每天客运量超过100万人次，其中１号线客运量超过160万人次、２号线超过150万人次、４号线超过120万人次。因此，建设更多的快速轨道交通势在必行。仍以北京为例，2015年北京将建成18条轨道交通线路，构建成总长561公里的路网。届时，北京将超过纽约，成为世界上地铁长度最长的城市。
3 发展轨道交通和文物保护的矛盾 发展城市轨道交通，在中国，并非只是北京几个大城市的需求。有报告统计说，中国已有36个城市上报城市轨道交通建设规划，截至目前（2010年3月），中国已有33个城市正在筹备建设城市轨道交通，其中28个城市的轨道交通建设规划已经获得国务院的批复，包括古都西安、南京等。江苏，现在只有南京开通了地铁，苏州、无锡正在修建地铁，而常州、南通、镇江、扬州、徐州等苏南、苏北的重镇，都在规划未来的地下铁轨。有人这样说，"没有地铁的城市是一个不完整的城市" 然而，轨道交通建设在解决城市交通拥堵问题的同时也带来文物保护等一系列新的环境保护问题。众所周知，北京、西安这些历史文化名城有很多很多的文物建筑和历史遗迹需要保护。因此，规划好城市发展的未来、建设好现代新城、展现好古代文明，是北京、西安等文明古城发展所面对的共同课题，其中一个重要方面是解决好轨道交通建设和文物保护之间的矛盾。

图2 夏家店文化遗址地面开裂状况

有报道说，在捷克一条繁忙的公路、轨道交通线附近，有一座古建筑因振动而产生裂缝，裂缝不断扩大导致古教堂的倒塌。而在北京，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（参见2012年8月12日《北京晨报》）。对此种情况，人们痛心地说到：文物消失多毁于“建”！ 内蒙赤峰二道井子遗址为青铜时代遗址，属于距今４０００至３５００年前的夏家店下层文化。考古发现部落村庄遗址城墙、环壕、院落、房屋等聚落要素，布局井然有序。这一文化是内蒙古最早进入青铜时代的考古学文化遗存，与中原文化存在着密切的联系，在探索中国文明起源与草原文化发展脉络方面，具有不可替代的学术地位。该遗址是迄今为止所发掘保存最为完整的夏家店文化遗址，也是东亚地区保存最好的土质城堡。2009年被中国社会科学院评为“2009年全国六大考古新发现”，被国家文物局评为“2009年全国十大考古新发现”。2009年9月，国家文物局组织专家进行论证，明确将该遗址列为全国重点文物保护单位，并要求高速公路对原方案进行调整，对采取绕行还是隧道下穿方案进行研究和保护措施的分析、论证与评估。专家评审意见认为采用隧洞方案，遗址保护不确定因素多，没有把握，担心多于可靠，建议采用绕道方案。可惜，2010年初，国家有关部门批复原则同意高速公路以隧道下穿方式通过遗址。三年后，笔者在遗址地面看到有伸进手指宽的纵向贯穿性裂缝。 3.1 轨道交通列车振动的特点 我们知道，和地震、爆破作业一样，轨道交通运营总有一部分能量会传递到邻近地层中，导致地面振动，过强的振动将导致文物的损坏。 和地震、爆破等产生的振动相比较，轨道交通导致的振动有如下特点：（1）轨道交通导致的振动作用是长期存在的；（2）轨道交通导致的振动是重复、反复发生的；（3）轨道交通振动是一种微振动，其作用时间很长。尽管人们已采取了多种减震隔振措施，其振动能量仍能导致临近地面的振动，从而形成建筑物的响应振动。此外，在轨道上运行的列车的振动还可能导致（或是加速）地铁轨道周边地层基础的下沉（或者说，不均匀下沉），从而引起地面建筑墙体裂缝，造成局部损坏。不少国家都把振动列为典型公害加以防止和控制。由于轨道列车运行振动的低频分量难于完全消除和控制，地铁列车振动可能带来的干扰已引起了社会各方面的关注和重视。 3.2文物古建筑的特点和保护要求 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。如何保护好文物，《中华人民共和国文物保护法》对此作了明确的规定，其中有关条文要求：（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。（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。（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。 文物古建筑物不同于现代建筑物，它们的受力状况难于检测，难于用现代力学方法给予准确的描述和评价。这是因为:（1）古建筑年代久远，有的数百年，上千年，甚至更长；（2）它们经历了无数自然灾害的袭击或人为的伤害；（3）它们的现状存在着或多或少、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，没有现代工业、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，远点，再远点！ 3.3 文物古建筑振动控制标准 振动对地面建筑物的影响程度用地震烈度表示，烈度说明地面建筑物的损坏或破坏程度、地表的变化状况，还有人的感知程度。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与对地面建筑物的影响情况，引用相关标准和文件要求列表说明如下：
振动速度 状态及说明 200 mm/s 烈度8 多数民房破坏，少数倾倒； 坚固的房屋也有可能倒塌； 20 mm/s 烈度5 室外大多数人都能感觉到震动；抹灰层出现细小裂缝； 为一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物的允许振动值。 2 mm/s 烈度1～2 可感振动； 原机械委部颁标准JB16－88《机械工业环境保护设计规定》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) 0.20 mm/s 《古建筑防工业振动规范》(GB/T 50425-2008)对国家重点文物建筑（砖木结构）的振动控制标准； 0.02 mm/s 苏州虎丘塔地脉动值（0.01～0.03mm/s） 洛阳龙门石窟地脉动值（洛阳地震台监测）、莫高窟石窟地脉动值。
从表中我们看到，当地面振动速度为20 mm/s大小时，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。房屋振动产生裂缝是人们不能接受的，因此，多数国家（我国也是这样）把振动速度为20 mm/s（或是1 in/s）定为民房的振动控制标准。振动速度为2 mm/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2 。我们很难接受这样的标准，就是让文物古建筑长期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：原机械委部颁标准JB16－88《机械工业环境保护设计规定》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《古建筑防工业振动规范》(GB/T 50425-2008)对国家重点文物建筑（砖木结构）的振动控制标准。用振动速度为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在一个安静的环境中。 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。

4 列车运营振动传播规律 高速铁路、城市地铁以其速度快、运能大、安全、舒适等特点已逐渐被人们接受。上世纪90年代，国家规划建设的京沪高速铁路全长1300公里，实施全封闭、全立交式的客运专线。铁路设计时速为300公里，基础设施可满足350公里的时速要求。修建京沪高速铁路将是我国在新世纪前10年投资额度较大的项目之一。在要修建高速铁路的京沪铁路沿线人口密度高，建筑物密集。高速铁路选线需要进行环境综合评价，选线方案的确定及随之而来的动迁任务是一个十分复杂的社会问题和耗资巨大的经济问题。为了能在既有铁路苏州站处建设高速铁路苏州站，京沪高速铁路通过虎丘塔处线路在满足高速列车运行速度要求的条件下将要往北移动200余米，高速铁路将比现在的铁路更靠近虎丘塔。虎丘塔是国家重点文物保护单位，是苏州的标志性建筑物。为了确保虎丘塔在高速铁路建成后不受影响，需要论证高速铁路列车运营振动传播规律，并对虎丘塔的稳定性影响进行评估。 尽管世界上有不少国家修建了高速铁路或是城市轨道交通，但有关高速铁路或地铁列车运行造成的两侧地面振动的资料很少。为此，中国科学院和铁道部设计院共同立项开展了列车运行振动传播规律的研究。研究工作是在对既有线列车运行地面振动测试的基础上，分析列车运行振动传播规律。研究报告提出采用既有线的列车运行振动传播的规律和“比例距离”的方法来预测高速铁路列车运行振动。 4.1 既有铁路列车运营振动的测试 1998年，研究项目曾经对京沪线苏州段和广深线石龙段（含高架桥〕列车运行产生的地面振动进行了测试。测点距离铁路最远点400m，记录了24小时区段的上下行列车（客车、货车）。其时，京沪线客车最大速度为119.5km/h，广深线客车最大速度为199.7km/h。 把在不同测点测得的不同车速、不同车型的列车通过时的振动速度峰值绘在双对数坐标图中，看到距离铁路近的地方，地面振动速度大，随至铁路距离的增加，振动速度减小。当离铁路一定距离以外的地方，地面振动较小。在京沪线苏州段既有线测试时，6号测点距离铁路358m，当不同速度的列车通过时其振动速度最大值无多大变化。说明在一定距离以外的地方，不同列车速度的变化、列车载荷的变化对地面振动强度无明显影响。 货车通过时产生的地面振动大于客车，即使客车运行速度比货车要快，说明列车轴重是影响振动强度的重要因素。机车的重量大于列车车厢的重量，单机车头通过时的振动强度和整趟列车通过时差别不大，只是作用时间短一些。列车在连续高架桥上运行时，列车运行产生的振动能量引起高架桥的振动而被吸收，传至地面的能量减少，桥跨段两侧地面的振动强度比路堤情况下要小。 4.2 列车运营振动传播规律 列车运行时，部分能量将转变成地面的振动。列车运行振动是一个移动性线状振源，铁路振动是一类在观测时间内振幅变化不大的环境振动，一种稳态振动。这里，我们关心的是考察地段的地面振动强度峰值，分析影响地面振动大小的各种影响因素，我们可以用下式表示： v = f（P,V,N, ,E,R,L, , ） 其中: v-地面振动速度 mm/s，P-列车轴动载荷 t/m，V-列车速度 km/h，N-列车车辆数， -地层介质密度g/cm3 ,E-介质的弹性模量Mpa,R-至观察点的距离m，L-车厢长（或轮距）， -地形、地质构造因素系数， -轨道磨擦、路基或桥体的吸收系数。N， , 为无量纲参数。采用无量纲参数进行量纲分析，上式可写成 采用无量纲参数组合，我们可得到下式： 图3 采用比例距离预测高速列车运行振动

影响地面振动强度的主要因素是：列车轴动载荷P，距离R，列车速度V。随着列车载重量的增加，地面振动强度增大，所以，重载货车作用下的路基地面的振动强度大；地面振动速度大小与列车速度有关，列车速度高，对地面振动影响也大；随着距离的增加，振动强度减弱，距离越远振动速度越小，随着至铁路的距离的平方关系而减少。可见距离的远近比列车速度或载重量的大小不同对造成地面振动的影响大。 通过实测数据整理分析，可将v＝f(PV/cER2)改写成 v ＝ K（R/(PV)1/2） R/(PV)1/2称作比例距离Rj，上式可简化成v＝K( Rj) 。 若以比例距离描述振动速度的衰减时，在v －Rj图中，对于普通快速列车（110km/h）的比例距离Rj是原距离坐标R。高速列车的比例距离Rj要比普通快速列车（110km/h）的坐标大((PV)j/(PV)1)1/2倍，即R向右移动((PV)j/(PV)1)1/2。 4.3京沪高速铁路苏州站位确定与虎丘塔保护

图4 京沪高铁线位与苏州虎丘塔的距离

根据对既有线实测的地面振动衰减规律，采用由高速列车速度、列车重量和距离组成的比例距离Rj，我们可以推算京沪高速列车运行时的地面振动速度衰减规律。图3是以广深线上快速列车速度110km/h 的地面振动衰减规律为基础，采用比例距离预测列车速度200km/h的计算值和实测值的比较，其实测地面振动速度值和预测计算值十分接近。 采用比例距离预测高速列车速度为300km/h的地面振动传播规律。为确保虎丘塔处的振动仍和现在的环境振动状况一样，高速铁路选线或是苏州站位的确定需要轨线距离虎丘塔的距离应不小于700m。图4为京沪高铁苏州段至虎丘塔距离位置示意图。

5 北京地铁6号线避绕紫禁城 地铁6号线是经北京中心城区的东西向的主干道。地铁6号线一期将于2013年通车，2012年底试运行。在6号线上运行的列车最高时速将达到100公里，是在市区中运营的速度最快的列车。这是又一条穿越北京旧城的地铁线路。应当说，北京地铁要进旧城，是不可避免的，但是我们一定要做好文物保护。原规划设计的地铁6号线是从阜成门进入内城，经西四站、北海公园站、美术馆东街站向东，在东四和地铁5号线交汇。在北海公园站，6号线将在故宫护城河下经过，地铁隧道距离紫禁城西北角楼仅20m。 在2007年11月23日国家文物局召开的一次评审会上，力学专家从振动控制角度提出意见：根据北京、上海地铁列车运行振动规律，原设计路线在角楼处产生的振动速度将不满足国家标准；合适的振动安全距离应不要小于50m。 图5 北京地铁6号线避绕紫禁城线位修改示意图

因此，专家们给出的评审意见是：（1）北京地铁不进旧城是不现实的，但是一定要做好文物保护。不进皇城是必须坚持的。（2）皇城根下不要动土，否则会影响皇城角楼地基的稳定，要有一个底线。（3）建议做一个北海、故宫段避绕紫禁城的比较方案，从北海下穿行或其它走向。（4）规划设计单位对运行振动对文物建筑的影响，要进行充分科学的论证分析，要从最安全的角度来考虑。

图6 北京地铁2号线和前门的位置

2013年，北京地铁6号线一期工程已建成投入运营，其经过北海公园段便是听取专家评审意见后的修改线路，在从阜成门进入内城的北海段上，将原设置的西四站、北海公园站、美术馆东街站更换为平安里站、北海北站、南锣鼓巷站、中国美术馆站等4个站。换句话