2022年青海門源6.9級地震交通系統(tǒng)震害與啟示

蔡麗雯，黃 勇，何 靜，尹明超

（1.青海省地震局，青海西寧 810001；2.中國地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080；3.地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080）

引言

2022 年1 月8 日1 時(shí)45 分在我國青海省海北州門源縣發(fā)生了6.9 級地震，震源深度10 km。此后又多次發(fā)生余震，截止到3月7日共發(fā)生了3級以上余震9次，如表1所示。該地震是發(fā)生在冷龍嶺斷裂帶的一次左旋走滑型地震。此次地震共造成青海省3 個(gè)市州6 個(gè)區(qū)縣32 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，甘肅省3 個(gè)市6 個(gè)區(qū)縣29 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及中牧山丹馬場、大黃山林場受到波及。1 月12 日，應(yīng)急管理部發(fā)布青海門源6.9 級地震烈度圖［1］。最高烈度為Ⅸ度，Ⅵ度區(qū)及以上面積約23 417 km2，其中青海?、龆葏^(qū)及以上面積約13 723 km2，甘肅省Ⅵ度區(qū)及以上面積約9 694 km2，等震線長軸呈北西西走向，長軸約200 km，短軸約153 km。Ⅸ度區(qū)內(nèi)，鐵路橋主梁嚴(yán)重移位、傾斜，鐵軌嚴(yán)重扭曲、局部錯(cuò)斷，公路路面多處出現(xiàn)裂縫，可見基巖裂縫、錯(cuò)動，山體崩塌。Ⅷ度區(qū)多數(shù)框架結(jié)構(gòu)房屋出現(xiàn)裂縫，少數(shù)磚混結(jié)構(gòu)房屋出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，干硬路面多處開裂。Ⅶ度區(qū)少數(shù)磚混結(jié)構(gòu)房屋中等破壞，少數(shù)磚木結(jié)構(gòu)房屋嚴(yán)重破壞，屋內(nèi)吊頂?shù)袈?，松軟土地上地裂縫較多。Ⅵ度區(qū)少數(shù)磚混結(jié)構(gòu)房屋輕微破壞，少數(shù)磚木結(jié)構(gòu)房屋中等破壞，少數(shù)家具和物品移位，高壓線路跳閘。

表1 門源地震序列列表Table 1 The Menyuan earthquake sequence list

值得注意的是，門源歷史上多有地震發(fā)生。1986年8月26日在門源縣北祁連山東段主峰冷龍嶺山區(qū)發(fā)生了一次6.4級地震［2］，震源深度約14 km。由于地震發(fā)生在祁連山區(qū)，無明顯房屋破壞或人員傷亡，但是有感范圍較大，在蘭州、銀川、金昌、張掖和西寧等地均有感。根據(jù)國家地震局蘭州地震研究所（1987 年）的現(xiàn)場考察結(jié)果，確定地震的宏觀震中位于冷龍嶺主峰一帶，推測震中烈度達(dá)Ⅷ度。據(jù)當(dāng)?shù)啬撩穹从?，地震時(shí)冷龍嶺主峰附近發(fā)生了嚴(yán)重雪崩，珠峰溝腦塵土飛揚(yáng)，伴有隆隆巨響。Ⅶ度區(qū)的幾個(gè)破壞點(diǎn)主要表現(xiàn)為陡峭的山崖處有巨石滾落、基巖崩塌。牧民站立不住，并見規(guī)模較大的地裂縫，長約數(shù)10 m，裂縫方向嚴(yán)格受地形的控制，推測Ⅶ度區(qū)等震線長軸不足40 km。外圍的青海門源和北側(cè)的甘肅武威皇城地區(qū)個(gè)別院墻倒塌，簡單木架土墻房屋輕微裂縫，屋瓦掉落，窯洞崩壞。

門源在2016 年1 月26 日又發(fā)生過一次6.4 級地震，地震烈度圖參見文獻(xiàn)［3］。地震極震區(qū)烈度達(dá)Ⅷ度，等震線長軸總體呈北西西走向，Ⅵ度及以上區(qū)域總面積約14 660 km2，其中，青海省內(nèi)面積約8 550 km2，甘肅省內(nèi)面積約6 110 km2。Ⅷ度區(qū)為無人區(qū)，Ⅶ度區(qū)僅個(gè)別居民點(diǎn)，震害主要體現(xiàn)在Ⅵ度區(qū)域內(nèi)。交通系統(tǒng)震害主要體現(xiàn)在門源縣12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)39處橋梁開裂，4處公路路基受損，直接經(jīng)濟(jì)損失約1 990萬元。

比較近來2次地震的烈度圖，我們能夠發(fā)現(xiàn)雖然2次地震均發(fā)震于冷龍嶺斷裂，但2016年地震震中相對靠東，此次地震震中相對靠西，處于拖萊山斷裂與冷龍嶺斷裂交叉點(diǎn)，震害情況相差還是比較大的。其原因大體有3 點(diǎn)：第一，震級不同。此次地震震級比2016 年地震大，能量釋放大，震動更強(qiáng)烈，震害重。第二，地表開裂情況不同。2016年地震沒有產(chǎn)生明顯的地表破裂，這次地震初步發(fā)現(xiàn)約22 km地表破裂，且破裂穿過蘭新高鐵大梁隧道出口，受斷層直接錯(cuò)動造成的破壞大，連接大梁隧道和祁連隧道的橋距離地表破裂很近，震動強(qiáng)烈，受損嚴(yán)重。第三，震中位置不同。2016 年地震的震中位置更靠近冷龍嶺山脊，無人區(qū)較多，而此次地震相對靠近山前，距離門源縣城相對較近，故造成的震害影響更大。

文中擬首先針對2022 年1 月8 日門源地震震中附近地震動的特點(diǎn)進(jìn)行分析，然后分別圍繞鐵路系統(tǒng)和公路系統(tǒng)在此次地震中的震害特點(diǎn)，從統(tǒng)計(jì)角度分析震害狀況與結(jié)構(gòu)形式的關(guān)系，最后討論此次地震對我國高原地區(qū)交通結(jié)構(gòu)抗震的經(jīng)驗(yàn)與啟示。

1 強(qiáng)震觀測與地震動特點(diǎn)分析

地震后收到甘肅省地震局強(qiáng)震臺記錄1 組，烈度臺記錄26 組，青海省地震局烈度臺記錄53 組。其中C0028 臺震中距7.8 km，最大加速度峰值為456.9 cm/s2，計(jì)算儀器地震烈度8.2度。C0029 震中距13.7 km，最大加速度峰值為210.8 cm/s2，計(jì)算儀器地震烈度8.3 度。震中、強(qiáng)震臺的位置如圖1。

圖1 門源地震震中、強(qiáng)震臺位置及烈度圖Fig.1 Schematic diagram of intensity distribution，epicenter，seismogenic faults，bridge sites and surrounding stations

（1）C0028臺地震動特點(diǎn)

C0028 臺震中距7.8 km，東西、南北、垂直向加速度峰值分別為-456.9 cm/s2、445.0 cm/s2、355.3 cm/s2，東西、南北、垂直向速度峰值分別為27.6 cm/s、23.4 cm/s、12.0 cm/s。加速度時(shí)程及相應(yīng)的反應(yīng)譜如圖2所示。我們可以看出水平雙向地震動峰值較為接近，且存在2次地震動，水平雙向地震動的卓越周期并不一致。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)大體推斷地震卓越方向接近135°或315°；卓越周期0.1～0.5 s。這個(gè)位置應(yīng)該是主要受冷龍嶺斷裂的影響。

圖2 門源地震C0028臺強(qiáng)震動加速度時(shí)程及反應(yīng)譜Fig.2 The acceleration time history and response spectrum of C0028 records in Menyuan earthquake

（2）C0029臺地震動特點(diǎn)

C0029 震中距13.7 km，東西、南北、垂直向加速度峰值分別為210.8 cm/s2、-144.1 cm/s2、132.7 cm/s2，東西、南北、垂直向速度峰值分別為-32.6 cm/s、16.6 cm/s、7.6 cm/s。加速度時(shí)程及相應(yīng)的反應(yīng)譜如圖3 所示。我們可以看出水平雙向地震動峰值并不接近，東西向與南北向峰值比，加速度接近1.5 倍，速度接近2 倍；水平雙向地震動的卓越周期卻很一致；2次地震并不明顯。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)大體推斷卓越方向接近150°或330°；卓越周期0.6 s。是否有冷龍嶺斷裂和拖萊山斷裂的共同影響，有待進(jìn)一步分析。

圖3 門源地震C0029臺強(qiáng)震動加速度時(shí)程及反應(yīng)譜Fig.3 The acceleration time history and response spectrum of C0029 records in Menyuan earthquake

2 鐵路系統(tǒng)的震害及統(tǒng)計(jì)分析

2.1 鐵路橋梁和隧道的震害特點(diǎn)

此次地震導(dǎo)致蘭新客專（又稱蘭新鐵路第二雙線）浩門南站至山丹馬場站區(qū)間硫磺溝大橋和大梁隧道、祁連山隧道受損嚴(yán)重。橋梁的嚴(yán)重震害主要表現(xiàn)為：主梁側(cè)翻滑移、支座和擋塊破壞、軌道系統(tǒng)扭曲、電桿傾斜。隧道的嚴(yán)重震害則表現(xiàn)為：隧道坍塌、襯砌開裂錯(cuò)位和軌道系統(tǒng)扭曲。蘭新客專的其他橋梁有橋墩出現(xiàn)裂縫、支座錨固件脫落和軌枕混凝土開裂等震害現(xiàn)象。

（1）硫磺溝大橋

硫磺溝大橋是8 跨32 m 雙線簡支箱梁橋，橋面寬12 m，總長272.77 m。連接祁連山隧道與大梁隧道。橋址位于8度設(shè)防區(qū)，設(shè)計(jì)PGA=0.2 g。地震中硫磺溝大橋部分主梁出現(xiàn)側(cè)向移位及偏轉(zhuǎn)，支座出現(xiàn)脫空，擋塊被撞壞，軌道板出現(xiàn)側(cè)移，軌道有斷裂。其震害現(xiàn)象及主要破壞機(jī)理如圖4 所示。橋址位于8 度設(shè)防區(qū)，距此次震中約7 km，實(shí)際地震烈度為9度。從地表開裂位置看，該橋應(yīng)在發(fā)震走滑斷層破碎帶上，屬跨斷層橋梁。南側(cè)6 跨主要震害特點(diǎn)是逐跨側(cè)傾，北側(cè)2 跨則表現(xiàn)為整體側(cè)移。從震害現(xiàn)象推斷，該橋的南側(cè)6 跨主梁在強(qiáng)震作用下，出現(xiàn)橫橋向滑移，將固定支座和擋塊撞壞，然后進(jìn)入反向搖擺狀態(tài)，側(cè)翻卡于2個(gè)支座墊石之間。造成這一震害現(xiàn)象的原因，應(yīng)該與支座的布置情況和地震動方向性相關(guān)聯(lián)。北側(cè)2 跨則是橫橋向滑移，撞壞固定支座和擋塊后，沒有進(jìn)入搖擺狀態(tài)，僅是水平滑移。支座、擋塊和軌道系統(tǒng)等約束連接構(gòu)件雖受到?jīng)_擊破壞，但也發(fā)揮了防止落梁的作用。

圖4 門源地震中硫磺溝大橋的0#～6#墩主梁側(cè)翻現(xiàn)象及破壞機(jī)理Fig.4 The rollover phenomenon and damage mechanism of main girders at 0#～6# piers of the Liu Huanggou Bridge in Menyuan earthquake

（2）大梁隧道和祁連山隧道

門源地震中蘭新客專的大梁隧道和祁連山隧道也出現(xiàn)了較明顯的震害。大梁隧道因有處于斷層破碎帶的區(qū)段，隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)錯(cuò)位、斷裂，部分?jǐn)嗝嫠淼澜Y(jié)構(gòu)坍塌。祁連山隧道震害相對要輕一些，但也出現(xiàn)了隧道襯砌廣泛出現(xiàn)明顯裂縫，大塊襯砌或圍巖材料脫落。兩座隧道的洞口處震害并不嚴(yán)重，主要的震害表現(xiàn)是混凝土洞口有細(xì)微裂縫，軌道系統(tǒng)因連接的橋梁主梁側(cè)翻滑移而移位。

2.2 鐵路系統(tǒng)震害的統(tǒng)計(jì)分析

文中考慮以蘭新高鐵為研究對象，以應(yīng)急管理部發(fā)布的地震烈度圖為烈度劃分的依據(jù)，來進(jìn)行震害統(tǒng)計(jì)的分析。因?yàn)殍F路系統(tǒng)的震害影響往往是以區(qū)間來體現(xiàn)的，文中假設(shè)某一震害破壞對其所在區(qū)間里程都具有影響。表2為整理出的蘭新客專不同烈度區(qū)下的震害影響區(qū)域里程統(tǒng)計(jì)。

若采用震害影響里程與蘭新客專的總運(yùn)營里程之比作為震害率，Ⅵ度區(qū)、Ⅶ度區(qū)、Ⅷ度區(qū)和Ⅸ度區(qū)的震害率分別為5.77%、2.46%、1.74%和0.39%。從表2 可以看出，震害主要集中在浩門南站至山丹馬場站一段，包含了Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度3 種烈度的區(qū)段。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)分析，Ⅸ度區(qū)內(nèi)有1 座橋梁、2 座隧道；Ⅷ度區(qū)內(nèi)有12 座橋梁、2 座隧道；Ⅶ度區(qū)內(nèi)有7 座橋、3 座隧道。根據(jù)震害的程度，參照汶川地震公路震害調(diào)查的方法［4-5］，可以將橋梁和隧道的震害劃分為完好、輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷和毀壞5 個(gè)震害等級。門源地震中鐵路系統(tǒng)橋梁和隧道的震害情況與烈度區(qū)的關(guān)系如圖5 所示?？梢钥闯?，此次地震無論是橋梁還是隧道嚴(yán)重?fù)p傷以上的震害在Ⅸ度區(qū)。我國鐵路隧道按長度分類［6］，一般分為特長隧道、長隧道、中隧道和短隧道。門源地震中鐵路不同類型橋梁和隧道的震害情況如圖6 所示。可以看出，此次地震中鐵路橋梁多跨簡支梁橋震害較明顯，其他類型橋梁基本沒有大的損傷；長隧道嚴(yán)重?fù)p傷以上較明顯。這些都是與跨斷層、近斷層地震的影響緊密相關(guān)的。

圖5 門源地震中鐵路系統(tǒng)橋梁和隧道的震害情況Fig.5 Earthquake damage of bridges and tunnels in railway system in Menyuan earthquake

圖6 門源地震中鐵路不同類型橋梁和隧道的震害情況Fig.6 Earthquake damage of different types of railway bridges and tunnels in Menyuan earthquake

表2 蘭新客專門源地震震害影響區(qū)域里程統(tǒng)計(jì)Table 2 The mileage statistics of earthquake damage affected area of Lanxin Railway in Menyuan earthquake

3 公路系統(tǒng)的震害及統(tǒng)計(jì)分析

3.1 公路、橋梁和隧道的震害特點(diǎn)

（1）公路震害

公路的主要震害表現(xiàn)，一是傍山路段出現(xiàn)塌方，如圖7（a）所示；二是路面裂縫，如圖7（b）所示。

圖7 門源地震中公路的典型震害Fig.7 Typical damage of highway in Menyuan earthquake

（2）橋梁震害

克大高速上的香卡特大橋，1#橋墩出現(xiàn)擋塊開裂、支座移位和橫隔板開裂等震害現(xiàn)象，如圖8 所示。該橋震害的原因可能是因?yàn)橄噜徔鐒偠茸兓^大。在橫橋向上，擋塊受到主梁碰撞出現(xiàn)破壞，同時(shí)支座也因此變化較大；在順橋向上，主梁在地震作用下的位移，使得橫隔梁與順橋向限位擋塊碰撞，出現(xiàn)橫隔梁混凝土開裂。

圖8 門源地震中公路的典型震害Fig.8 Typical damage of the Xiangka super large bridge，a highway bridge，in Menyuan earthquake

扁門公路在建橋梁8 標(biāo)段，部分橋梁出現(xiàn)縱向擋塊開裂、支座偏移和蓋梁系梁開裂；9標(biāo)段，大梁河大橋0#臺橋板側(cè)滑，東溝大橋擋塊損傷。在建的橋梁大多下部結(jié)構(gòu)基本完成，如圖9 所示。已進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)架設(shè)的數(shù)量不大，尚未形成頭重腳輕的結(jié)構(gòu)體系，慣性力對單純的下部結(jié)構(gòu)影響并不明顯。這與此前我們研究的在建橋梁易損性［7］規(guī)律相符。

圖9 門源地震中在建橋梁震后狀況Fig.9 Post-earthquake status of bridges under construction in Menyuan Earthquake

（3）隧道震害

已建好的隧道沒有出現(xiàn)明顯的震害（如圖10），在建的隧道則有部分震害損傷。扁門公路景陽嶺隧道，二襯、仰拱、初支出現(xiàn)環(huán)向和縱向裂縫。駐地房屋，地坪隆起開裂、門窗破損和吊頂脫落。寧克公路祁連山2#隧道，右洞掌子面局部脫落、初支面4裂縫。

圖10 門源地震中公路隧道震后狀況Fig.10 Post-earthquake status of highway tunnel in Menyuan earthquake

3.2 公路系統(tǒng)震害的統(tǒng)計(jì)分析

通過仔細(xì)分析此次地震的烈度分布（圖1），我們可以看出有G227、S302、S301、S204 和S105 在Ⅵ度及以上區(qū)穿過。

（1）高速公路

震區(qū)內(nèi)高速公路主要有克大高速、寧大高速、湟西一級和西互高速4條，共約3 934 km，橋梁2 620座、隧道166座。除了克大高速上的香卡特大橋有一些震害外，其他橋梁、隧道和道路皆無明顯震害現(xiàn)象。這應(yīng)該與這些高速公路都處于Ⅵ度及以下區(qū)有關(guān)。

（2）國道干線

國道G227 貫穿Ⅸ度、Ⅷ度、Ⅶ度和Ⅵ度區(qū)，主要震害表現(xiàn)：一是傍山路段塌方，如K150+600、K156+300至K159+500 處出現(xiàn)了嚴(yán)重塌方的情況；二是路面裂縫，如K151+650、K151+709 等處裂縫寬度達(dá)2 cm，K151+700 處裂縫寬度達(dá)10 cm，出現(xiàn)錯(cuò)臺高達(dá)6 cm。根據(jù)橋梁的規(guī)模大?。?］，G227 上橋梁在各烈度區(qū)的分布情況如圖11所示?？梢钥闯?，在高烈度區(qū)多為小橋，中橋數(shù)量不多，更無大橋。這也許是公路橋梁此次地震中震害小的一個(gè)原因。根據(jù)以往的震害經(jīng)驗(yàn)，如汶川地震［4］和東日本大地震［9］，大橋的震害要明顯比中小橋嚴(yán)重。

圖11 G227上橋梁在各烈度區(qū)分布情況Fig.11 Distribution of bridges on G227 in various intensity areas

（3）省道干線與農(nóng)村公路

從青海省海北州內(nèi)主要省道和鄉(xiāng)道來看，省道公路總長54 km，震害影響3.3 km；鄉(xiāng)道1 796 km，震害損傷8 km。各縣橋梁與涵洞震害情況如表3所示。

表3 海北州門源地震震害影響公路里程統(tǒng)計(jì)Table 3 The affected mileage statistics during the Haibei state Maduo earthquake

4 對高原交通系統(tǒng)抗震的認(rèn)識與啟示

通過對門源地震中交通系統(tǒng)的震害調(diào)查可以看出，近斷層跨斷層交通結(jié)構(gòu)震害較嚴(yán)重。此次地震蘭新客專的硫磺溝大橋以及大梁隧道、祁連山隧道震害最嚴(yán)重，集中在Ⅸ度區(qū)斷層破碎帶附近。硫磺溝大橋是我國高鐵第一次真正意義上的橋梁震害；大梁隧道跨斷層震害也是我國高鐵隧道第一次出現(xiàn)的嚴(yán)重破壞。其他Ⅸ度區(qū)內(nèi)的震害主要是傍山公路路段的塌方和路面開裂。公路工程在此次地震中震害不嚴(yán)重，主要原因可能是近斷層公路橋梁不多，且多為簡支的小橋；隧道若非跨斷層抗震能力還是比較強(qiáng)的。

Ⅷ度區(qū)的震害主要表現(xiàn)是橋墩損傷、支座破壞和軌枕破壞等，但擋塊開裂、橋臺損傷、主梁移位、伸縮縫碰撞震害及路基拱起等以往常常在Ⅷ度區(qū)見到的震害現(xiàn)象，此次地震中卻并不顯著。這與不同形式的橋梁在震區(qū)的分布情況有關(guān)。值得注意的是在Ⅵ度區(qū)的香卡特大橋出現(xiàn)的震害。公路隧道未受大的影響，但個(gè)別在建隧道有損傷。在建橋梁震害符合已有研究認(rèn)識，即下部結(jié)構(gòu)易損性小，在建梁式橋震害多體現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)的架設(shè)階段。

5 結(jié)論

通過對門源地震中鐵路系統(tǒng)與公路系統(tǒng)震害的統(tǒng)計(jì)分析，我們可以得到如下結(jié)論：

此次地震由于烈度分布鐵路系統(tǒng)比公路系統(tǒng)震害嚴(yán)重，無論是橋梁還是隧道嚴(yán)重?fù)p傷以上的震害在Ⅸ度區(qū)，這說明跨斷層、近斷層地震對交通系統(tǒng)震害影響很大。另外，結(jié)構(gòu)形式不同，震害表現(xiàn)也不一樣，鐵路橋梁多跨簡支梁橋震害較明顯，其他類型橋梁基本沒有大的損傷，長隧道嚴(yán)重?fù)p傷以上較明顯，大橋的震害要明顯比中小橋嚴(yán)重。由此可見，在高烈度區(qū)有條件時(shí)應(yīng)多采用中小橋、中短隧道，無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)有針對性地采取相應(yīng)抗震措施。生命線工程建設(shè)前期應(yīng)采取必要措施主動避讓活動斷層、運(yùn)用合理結(jié)構(gòu)形式提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是有效減輕地震災(zāi)害損失的關(guān)鍵。