石玉成，王旭东，郭青林，刘 琨，李 舒

（1.兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000；2.中国地震局黄土地震工程开放实验室,甘肃 兰州 730000；3.甘肃省岩土防灾工程技术研究中心,甘肃 兰州 730000；4.敦煌研究院, 甘肃 敦煌 736200)

0 前言

作为世界文化遗产，长城具有极高的历史价值、科学价值和艺术价值。在长期自然环境及人类生产活动的破坏作用下，大量长城遗址已消失在历史长河中。尤其是分布于西北地区的土长城，所保存下来的遗址也已千疮百孔、风化剥蚀及大面积坍塌等十分严重。因此，对长城的科学保护研究已是当务之急。

天祝县城以西残存的汉、明长城，由于缺乏有效的保护措施目前破损严重。拟建的高速公路穿越长城土遗址保护范围之内，车辆振动可能对遗址的保护产生不利影响。根据文物保护需要，需对车辆振动效应进行测试。

车辆或机械振动对文物的影响问题已越来越引起人们的重视。如何科学合理地判定其影响程度并采取必要的防振对策，进行现场实地测试获取数据是非常必要的。本文选取了3个具有代表性的场地，在不同车辆振动条件下,测试各种振源引起的振动破坏效应,以便为交通道路选线、施工或采取相应的保护工程措施提供依据。目前国内外通常以质点速度来衡量环境振动对建筑物、构筑物或文物的影响参量，并以此提出环境振动限值。为了更为全面地反映车辆振动效应，在本次测试中分别进行了速度和加速度的测试，作为综合分析时的参考。

1 测试技术及测试结果

1.1 测试仪器

在工程检测中采用的数字采集仪器应有较宽的频带范围以便使检测对象的特征频率置于观测仪器的幅频特征曲线的线性范围内，同时还要求仪器应有较高的灵敏度和分辨率以保证振动幅值的检测精度。测试仪器采用北京东方振动和噪声技术研究所研制的 INV306D型智能信号自动采集处理分析仪，该测试系统由采集系统（主机）、DLF-6型六路四合一放大器、检波器和计算机三部分组成。仪器性能稳定，准确度高。INV306D型采集主机通过标准 RS-232 联线与计算机实行全自动通讯。采样通道:16道,前置放大10～10 000倍,程控放大16～256倍;采样频率:最低0.001 Hz;采样分析精度:12位A/D,常规幅值误差＜0.1%,频率误差＜0.01%。该仪器可调整预置参数及存贮振动信号, 具有实时图形分析与显示、实时信号处理等功能。根据本次测试工作要求，采用中国地震局工程力学研究所研制的891-2型拾振器，其振动频率的量测范围为0.5～500 Hz，最大量程1.8 m/s。为了得到准确的测试结果，测试前对测试系统进行了系统标定，得到了各通道的幅频特征曲线。

1.2 测试方法及分析处理结果

场地选择要真实反映城墙未来遭遇到的实际振动情况，测点布置及间距根据场地情况和测试需求进行布设。为反映车辆在不同时段内所引起的振动效应，采集记录系统对其进行了全过程的实时跟踪，记录时间足够长。同时，为了完整地描述测点在空间的运动状态，分别测量测点的三个正交分量（径向、切向、垂直）随时间变化的加速度和速度时程。

（1）场地Ⅰ测试结果

场地Ⅰ毗邻一边坡，边坡之上为长城土遗址。测点布置见图 1。车辆振动加速度三分向测试结果列于表1～表3之中，振动速度三分向测试结果见表4～表6。

图1 场地Ⅰ测点布置图Fig.1 Layout of measuring points in site Ⅰ.

表1 场地Ⅰ车辆振动峰值加速度（PGA）测试结果(径向)

表2 场地Ⅰ车辆振动峰值加速度（PGA）测试结果(切向)

表3 场地Ⅰ车辆振动峰值加速度（PGA）测试结果(垂向)

表4 场地Ⅰ车辆振动峰值速度（PGV）测试结果(径向)

表5 场地Ⅰ车辆振动峰值速度（PGV）测试结果(切向)

表6 场地Ⅰ车辆振动峰值速度（PGV）测试结果(垂向)

（2）场地Ⅱ测试结果

场地Ⅱ选择一长城墙体进行测试，在墙体上和墙脚下分别布置两个测点（图2）。车辆振动加速度三分向测试结果列于表7～表9之中，振动速度三分向测试结果见表10～表12。

图2 场地Ⅱ测点布置图Fig.2 Layout of measuring points in site Ⅱ.

表7 场地Ⅱ车辆振动峰值加速度（PGA）测试结果(径向)

表8 场地Ⅱ车辆振动峰值加速度（PGA）测试结果(切向)

表9 场地Ⅱ车辆振动峰值加速度（PGA）测试结果(垂向)

表10 场地Ⅱ车辆振动峰值速度（PGV）测试结果(径向)

表11 场地Ⅱ车辆振动峰值速度（PGV）测试结果(切向)

（3）场地Ⅲ测试结果

场地Ⅲ选择一平坦场地进行测试，场地较为坚硬。测点布置见图 3。车辆振动加速度三分向测试结果列于表13～表15之中，振动速度三分向测试结果见表16～表18。

表12 场地Ⅱ车辆振动峰值速度（PGV）测试结果(垂向)

图3 场地Ⅲ测点布置图Fig.3 Layout of measuring points in site Ⅲ.

表13 场地Ⅲ车辆振动峰值加速度（PGA）测试结果(径向)

表14 场地Ⅲ车辆振动峰值加速度（PGA）测试结果(切向)

表15 场地Ⅲ车辆振动峰值加速度（PGA）测试结果(垂向)

表16 场地Ⅲ车辆振动峰值速度（PGV）测试结果(径向)

表17 场地Ⅲ车辆振动峰值速度（PGV）测试结果(切向)

表18 场地Ⅲ车辆振动峰值速度（PGV）测试结果(垂向)

测试结果表明：

（1）车辆行驶所产生的振动频率一般在10～30 Hz范围内，中低频率成分较为丰富。在场地Ⅰ测得的各测点的振动峰值加速度范围为 0.063～13.889 cm/s2，振动峰值速度范围为 0.002～0.05 cm/s；在场地Ⅱ测得的各测点的振动峰值加速度范围为 0.733～49.217 cm/s2，振动峰值速度范围为0.007～0.201 cm/s；在场地Ⅲ测得的各测点的振动峰值加速度范围为0.004～9.40 cm/s2，振动峰值速度范围为0.002～0.058 cm/s。

（2）车辆振动效应与车辆载重和车速关系很密切，车辆越重、速度越快，振动幅值明显增大。

（3）随着距离的增大，振动幅值总体上呈衰减趋势，尤其当场地条件较为坚硬时衰减更为明显；但当场地较为松软且车辆较重时，在一定范围内振动幅值反而增大。

（4）墙体对振动会产生一定的放大效应，墙体顶部的振动效应要比墙脚明显。

（5）上述3个场地的测试结果表明，振动加速度和速度总体上较小，当车辆会车或连续过车时，振动幅值较大。

2 长城土遗址文物振动防护阈值分析

关于有重要意义的文物振动防护标准问题振动防护标准的确定问题非常复杂，它与岩土建筑文物的结构形式、地基的岩土性质、附属构筑物特征及现状的不同情况等许多因素有关，且应留有一定的安全裕度。德国（DIN4150标准）对作为文物保护的重要遗迹、古建筑和历史性建筑物的爆破振动防护标准为3 mm/s；英国(Ashley)对古建筑和历史纪念物的爆破振动防护标准为7.5 mm/s；葡萄牙(Esfevs)对需特别保护的历史纪念物（均匀的砂石）的环境振动标准为5 mm/s；瑞士（SN460 312）对振动敏感的结构、具有历史意义的纪念性建筑物的环境振动标准为3～5 mm/s；我国的《机械工业环境保护设计规定》(JB11-88)对有保护价值的建筑物和古建筑（针对于文物保护而言），一般情况下速度限值为3～5 mm/s（30～60 Hz）[1-3]。在通常条件下，振动主频率越高，其速度限值越高。鉴于土长城遗址的重要性和抗震现状，峰值速度阈值可确定为1.5 mm/s，其安全性是可以得到保障的。

3 结论和建议

（1）本文的测试方案可较好地反映车辆振动效应的实际情况，其结果可作为设计施工部门进行抗振分析、安全评估和制定振动防护措施的重要依据。

（2）不同场地条件和不同车辆振动条件下，绝大部分测点的振动速度峰值小于1.5 mm/s，对长城文物不会产生影响；但在车辆组合振动条件下，个别测点振动速度峰值较大，达到 2 mm/s，峰值加速度达到49 cm/s2，相当于遭到Ⅴ度地震的袭击，达到了振动公害的控制标准或经验值，对长城文物有一定影响。

（3）需要说明的是，车辆振动源引起的破坏效应常常是非常复杂的，既与振动源（车重、车速等）有关，也与场地条件、建筑物本身抗震能力有关。尽管本次测试结果较小，但若拟建高速公路距离长城遗址较近，且高速公路建成运营后车辆行驶速度提高，仍将对长城文物产生不利影响。

（4）建议在高速公路选线和布局时，考虑与长城土遗址的距离关系。同时，需要特别指出的是，必须高度重视未来施工机械振动对长城的影响问题，目前在高速公路建设中常用的设备有装载机、挖掘机、混凝土搅拌机、强夯机、压路机等大型机械，其中尤以强夯机、压路机振动最为强烈，其振动强度要比本次测试的车辆振动大得多，肯定会对土遗址文物产生严重影响，建议施工单位在穿越长城文物保护区施工时，要采取切实有效的防护措施（如改变传统的施工工艺，开挖减振沟等），确保文物安全。同时，在施工之前应开展详细的试验性测试工作，进一步监测大型施工机械振动效应，确保机械振动对长城文物无明显不利影响。

（5）建议文物管理部门对残存的长城土遗址进行抢救性保护，对城墙基础进行加固，对墙体可考虑采用适当的工程措施予以保护处理，以抵御环境振动和风蚀等灾害的影响。同时，在高速公路建成运营后，建议与交通行政主管部门进行协商出台相关政策，在通过长城遗址保护范围时，车辆限速在60 km/h以内。

[1]陈丙午,林学文,陈雪茜,等.爆破振动对莫高窟的影响[J].敦煌研究文集（上）:125-133，兰州：甘肃民族出版社.

[2]中国工程建设标准化协会建筑振动专业委员会.建筑振动工程手册[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]林宗元.岩土工程勘察设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1996.