活動斷層避讓距離確定的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例

魏雷鳴，徐錫偉，李 峰，曹 筠，任俊杰,5，程 佳,5，張憲兵，賈啟超,，陳桂華，吳熙彥

(1.中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029；2.中國地質(zhì)大學(xué) (北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；3.中國地震災(zāi)害防御中心，北京 100029；4.河北省地震局，河北 石家莊 050021；5.應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085)

“與地震及其鏈生災(zāi)害共存”是人類必須面對的客觀現(xiàn)實(shí)。國內(nèi)外已有研究表明，活動斷層是引發(fā)地震及其復(fù)合鏈生災(zāi)害的決定性因素：是高震級潛在地震震源和地震復(fù)合鏈生災(zāi)害源，活動斷層沿線是地震及其復(fù)合鏈生災(zāi)害最嚴(yán)重的區(qū)段；活動斷層同震錯動無堅(jiān)不摧[1-4]?；顒訑鄬拥乇砥屏?錯動的破壞威力巨大，對嚴(yán)重地震地質(zhì)災(zāi)害具有明顯的空間控制作用，但其影響范圍有限，隨著與活動斷層錯動面和變形帶之間距離的增大，破壞力急劇衰減，對建(構(gòu))筑物的危害大幅降低[5-14]。因此，避讓活動斷層可避免活動斷層地表同震破裂和錯動對建(構(gòu))筑物的直接毀壞，防患于未然，是落實(shí)“堅(jiān)持以防為主”防震減災(zāi)戰(zhàn)略決策的科學(xué)行動。美國、日本、新西蘭等活動斷層發(fā)育和多地震國家均采取立法的形式作出明確的避讓規(guī)定，實(shí)現(xiàn)有效降低活動斷層相關(guān)地震災(zāi)害風(fēng)險[15-24]。

我國地處印度板塊、太平洋板塊、菲律賓海板塊與歐亞板塊相互作用的交匯部位，新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，具有發(fā)生破壞性地震能力的活動斷層廣泛分布，歷史上許多人口稠密區(qū)或城市曾遭遇過災(zāi)難性地震的襲擊，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失[25-27]。因此，自2004 年以來在國家發(fā)改委、財政部、科技部和地方政府的資助下，中國地震局聯(lián)合中國科學(xué)院科研院所和教育部高等院校等相關(guān)科研人員，由徐錫偉研究員牽頭負(fù)責(zé)持續(xù)開展了城市活動斷層探測、1∶50 000 活動斷層填圖、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)活動斷層地震危險性評價、中國地震活動斷層探察等項(xiàng)目，起草頒布了 活動斷層探測、活動性鑒定、地震危險性評價和數(shù)據(jù)庫建設(shè)等系列國家和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(https://www.activefault-datacenter.cn/standard_list?_url=%2Fstandard_list&cid=36&page=1)。

近20 年活動斷層探測、活動性鑒定，特別是城市活動斷層探測和1∶50 000 活動斷層填圖，迄今已在華北、南北地震帶和天山等關(guān)鍵地區(qū)完成或接近完成了130 座城市活動斷層探測和141 條活動斷層大比例尺填圖，活動斷層探測技術(shù)、定位精度和活動斷層探測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)日趨完善，探測與填圖成果在我國各級政府土地利用規(guī)劃、城鄉(xiāng)建設(shè)、重大工程選址中得到了初步應(yīng)用，起到了明顯的地震安全效果，為科學(xué)預(yù)防和有效減輕地震災(zāi)害提供了扎實(shí)基礎(chǔ)和前提[9,27-29]。隨著活動斷層探測與填圖資料的不斷增加，活動斷層相關(guān)科學(xué)減災(zāi)和災(zāi)害預(yù)防等應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作，包括活動斷層3D 模型在推動具有物理意義地震監(jiān)測預(yù)測中的應(yīng)用、近斷層強(qiáng)地面運(yùn)動模擬計(jì)算及其地震鏈生災(zāi)害預(yù)測、地面建(構(gòu))筑物跨越活動斷層的抗斷問題等逐漸引起政府部門、社會各界的高度關(guān)注和重視。其中，活動斷層避讓是解決地面建(構(gòu))筑物抗斷問題最核心內(nèi)容和舉措[8,29-35]。2016 年建設(shè)部門新修訂執(zhí)行的GB 50011?2010《建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》4.1.7 條款針對抗震設(shè)防烈度8 度和9 度場地的全新世活動斷層，明確規(guī)定甲類建筑如何避讓需要做專門研究、乙類建筑分別避讓200 和400 m、丙類建筑避讓分別避讓100 和200 m[36]，類似于美國加州“活動斷層管制區(qū)”的概念，但沒有吸收活動斷層地震地表破裂/變形局部化特征和傾滑正斷層/逆斷層明顯的上盤效應(yīng)等最新研究成果[5,8,9,14,20,29,33-35,37-43]。因此，GB 50011? 2010《建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的避讓距離可靠性和合理性值得進(jìn)一步推敲和斟酌，且避讓還需要考慮活動斷層類型和斷層傾向、傾角及其經(jīng)濟(jì)和實(shí)效性。

筆者從活動斷層相關(guān)定義出發(fā)，著重討論活動斷層避讓距離的理論基礎(chǔ)、不同類型建(構(gòu))筑物避讓活動斷層多少距離的一些思考及其應(yīng)用實(shí)例，探索打通活動斷層從探測定位到開拓應(yīng)用的最后“1 公里”，有效解決不同類型建(構(gòu))筑物的抗斷問題：如何避讓和避讓多少？實(shí)際上，活動斷層避讓是一種地震災(zāi)害鏈風(fēng)險源的創(chuàng)新性斷鏈技術(shù)，可以科學(xué)排除或有效減輕活動斷層同震破裂和錯動引起的地震災(zāi)害風(fēng)險，保障國家經(jīng)濟(jì)社會安全、可持續(xù)發(fā)展和“一帶一路”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的地震安全。

1 活動斷層相關(guān)概念與定義

本文原則上采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36072?2018《活動斷層探測》有關(guān)“活動斷層”定義[44]，同時將“地震活動斷層”定義為曾發(fā)生和可能發(fā)生地表破裂型地震的活動斷層[8]。實(shí)際上，由于活動斷層在重大工程場址、核電站選址和城市生命線工程安全性評估等方面的重要性，及其與地震、地質(zhì)災(zāi)害在成因上和空間上的關(guān)聯(lián)性，中外學(xué)者給予了大致相同但又有差異的定義，美國原子能委員會根據(jù)核電站選址需要還提出一個與活動斷層相關(guān)的“能動斷層”概念[8-9,45-47]?；顒訑鄬颖茏尮ぷ魃婕暗揭韵禄顒訑鄬酉嚓P(guān)地震地表破裂帶、活動斷層變形帶、活動斷層管制區(qū)、活動斷層避讓距離基本值等概念以及建(構(gòu))筑物類型等，并試圖與國標(biāo) GB 50223?2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)間的無縫接軌。

1)活動斷層(active fault)

距今120 000 年以來有過活動的斷層，包括晚更新世斷層和全新世斷層[44]。

2)活動斷層變形帶(deformation zone of active fault)

活動斷層主斷層和分支斷層錯動引起的地表變形范圍。由主斷層和多條平行或近平行的分支斷層組成的活動斷層帶,其變形帶包含主斷層和所有分支斷層的變形范圍；主斷層為活動斷層變形帶內(nèi)承擔(dān)主體位移和變形的斷層，分支斷層指主斷層附近承擔(dān)部分位移和變形的斷層。

3)活動斷層變形帶邊界(boundary of active fault deformation zone)

活動斷層變形帶的外包絡(luò)線。

4)活動斷層管制區(qū)(regulatory zone around active fault)

已知活動斷層兩側(cè)工程建設(shè)場址需要開展活動斷層探測和準(zhǔn)確定位的區(qū)帶范圍。

5)避讓距離(setback distance)

建(構(gòu))筑物與活動斷層變形帶邊界之間應(yīng)分隔開的安全距離。

6) 避讓距離基本值(basic value of setback distance for active fault)

建(構(gòu))筑物與近于直立活動斷層變形帶邊界之間應(yīng)分隔開的最小安全距離(D0)。

7) 一般建(構(gòu))筑物(general structure and building)

按設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要求或在一定條件下適度降低要求進(jìn)行抗震設(shè)防的建筑物、構(gòu)筑物和公共基礎(chǔ)設(shè)施，對應(yīng)于GB 50223?2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的丙類和丁類。

8) 特殊建(構(gòu))筑物(particular structure and building)

在使用上有特殊要求、在安全上區(qū)別于一般房屋建筑和公共基礎(chǔ)設(shè)施的特殊工程設(shè)施，或在地震時可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害、事故的建筑物或構(gòu)筑物。按照重要程度分為A、B 和C 三類：

A 類建(構(gòu))筑物為可能引起特大次生災(zāi)害、事故并危及國家安全或產(chǎn)生永久性生態(tài)環(huán)境破壞的建(構(gòu))筑物，如核電廠、國家安全關(guān)鍵設(shè)施等建(構(gòu))筑物。

B 類建(構(gòu))筑物為可能引起重大次生災(zāi)害、事故并造成重大生命財產(chǎn)損失的建(構(gòu))筑物，如生產(chǎn)、測試、存儲易燃易爆等高危產(chǎn)品的建(構(gòu))筑物或Ⅲ級以上水壩等建筑物，對應(yīng)于GB 50223?2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的甲類。

C 類建(構(gòu))筑物為功能不能中斷的機(jī)構(gòu)或設(shè)施所在的建(構(gòu))筑物，如應(yīng)急指揮、生命線工程樞紐、學(xué)校、醫(yī)院等公共建筑物，對應(yīng)于GB 50223?2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的乙類。

2 活動斷層避讓的理論基礎(chǔ)

已有巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和野外觀測顯示，巖石或地層受力發(fā)生新生破裂或新生斷層早期階段主要由分布式雁狀排列的剪切破裂(R)、共軛剪切破裂(R')和張裂縫(T)等組成初始剪切破裂帶，隨著位移量持續(xù)增加，逐漸出現(xiàn)與初始剪切帶整體走向一致的主破裂(P)或現(xiàn)今在地表可見的活動斷層[6,9,47-49]。世界范圍內(nèi)活動斷層古地震研究表明，地表破裂型地震(Ms≧6.5)常常以規(guī)則或不規(guī)則的復(fù)發(fā)間隔在活動斷層的某一段落或多個段落上不斷地復(fù)發(fā)，復(fù)發(fā)間隔介于數(shù)百年至數(shù)千年[25,50-53]，除少數(shù)存在無震蠕滑行為外，進(jìn)一步證實(shí)大多數(shù)活動斷層在其長期的演化過程中一直伴隨著地表破裂型地震的原地復(fù)發(fā)[47,51]。

國內(nèi)外大地震和特大地震現(xiàn)場同震地表破裂帶測量、物理和數(shù)值模擬等研究表明，活動斷層同震地表破裂具有變形/破裂局部化基本特征，其中陡傾角走滑斷層上地震地表破裂帶寬度平均值≦30 m，集中分布在走滑斷層跡線附近(圖1)；正斷層和逆斷層等傾滑斷層上主體地震地表破裂帶寬度平均值≦50 m，具有上盤效應(yīng)，上盤的變形寬度是下盤的2～4 倍[5,8-9,14-17,29-35,38-43,54-55]。逆斷層型地震地表破裂帶的平均寬度值大于走滑型地震地表破裂帶寬度，主要是由傾滑斷層同震破裂的上盤效應(yīng)引起的。

圖1 東昆侖斷裂帶庫賽湖段昆侖山地震純剪切地表破裂局部化特征Fig.1 Localization characteristics of pure-shear surface ruptures caused by the Kunlunshan earthquake (Ms 8.1,2001) along the Kusaihu segment of the Kunlun Fault

活動斷層的幾何結(jié)構(gòu)是復(fù)雜多變的，包括不連續(xù)擠壓或拉分階區(qū)(圖2)、彎曲、分支斷層等，這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)直接控制了地震地表破裂帶的寬度[6,39-43,54]，在地震災(zāi)害預(yù)防過程中需要對這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其附近分支斷層進(jìn)行準(zhǔn)確地探測與定位，以免出現(xiàn)地面建(構(gòu))筑物的抗斷問題。此外，地表破裂型地震期間在活動斷層跡線被不同厚度晚第四紀(jì)松散沉積物覆蓋，會在覆蓋層中發(fā)生由雁狀排列的剪切破裂(R)、共軛剪切破裂(R')和張裂縫(T)等組成的分布式新生破裂或新生斷層，地表破裂寬度相對較寬，2021 年5 月22 日瑪多M7.4 級地震和2022 年1 月8 日門源M6.9 級地震也有類似的新生破裂現(xiàn)象出現(xiàn)，表現(xiàn)為在第四系覆蓋區(qū)寬度較大的分布式新生地表破裂帶[47-49,54-57]。例如，在門源地震形成的長約25 km 的地震地表破裂帶硫磺溝段，震前發(fā)震斷層?冷龍嶺斷裂硫磺溝段被全新世坡洪積礫石層覆蓋，同震期間在上覆坡洪積礫石層中出現(xiàn)了由雁狀排列的張性破裂、張剪切破裂和少量剪切破裂等組成的新生破裂，地表破裂帶最寬達(dá)近百米(圖3)。

圖2 昆侖斷裂帶庫賽湖段左旋走滑破裂帶拉分盆地(92.767°E,35.817°N)附近原地復(fù)發(fā)行為與累積位移分布Fig.2 Sketch map showing the in-situ earthquake recurrence behavior and cumulative displacement near the pull-apart basin(92.767°E,35.817°N) of the sinistral strike-slip rupture zone of the Kunlun fault zone’s Kusaihu segment

圖3 冷龍嶺斷裂帶硫磺溝南側(cè)2022 年門源地震地表破裂分布示意Fig.3 Distribution of surface ruptures arising from the 2022 Menyuan earthquake on the south side of the Liuhuanggou segment of the Lenglongling fault zone

地震極震區(qū)現(xiàn)場地震地表破裂和錯動與建(構(gòu))筑物破壞空間關(guān)系觀測和分析進(jìn)一步表明，建(構(gòu))筑物破壞主要是由于活動斷層同震破裂和錯動對建(構(gòu))筑物設(shè)施和基礎(chǔ)產(chǎn)生的直接剪切或撕裂破壞，如2001 年昆侖山口西M8.1 級地震沿東昆侖斷裂在昆侖山口附近的同震左旋位移達(dá)3.9 m，直接錯斷埋藏在地下的格拉輸油管道，青藏公路斷層通過處地表破裂帶寬近33 m[41,58]；2022 年門源M6.9 級地震期間，在硫磺溝南側(cè)山前冷龍嶺斷裂同震錯動形成了主要由NE 向張剪切破裂呈雁行排列而成寬近百米的地表破裂帶，蘭新鐵路大梁隧道附近地表同震左旋走滑位移約2.8 m，具有一定的逆沖垂直分量[49]；實(shí)地病害調(diào)查表明，大梁隧道在斜跨發(fā)震斷層處發(fā)生斷裂,同震左旋位移約2.8 m，并具有寬約1.1 km 擠壓擠壓變形和約0.9 m 差異升降位移，與地表破裂帶具有相似錯動特征[49,59-60]，而遠(yuǎn)離冷龍嶺斷裂破裂帶主要表現(xiàn)為地震波傳播產(chǎn)生的振動及其誘發(fā)的地基液化等破壞。上述現(xiàn)象反映出，發(fā)震活動斷層的同震地表破裂和錯動直接控制了建(構(gòu))筑物斷裂破壞帶寬度和空間分布范圍[3-5,33,58-65]。因此，活動斷層地震破裂的局部化特征及其對地面建(構(gòu))筑物破壞帶寬度的控制作用為活動斷層避讓奠定了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3 活動斷層避讓的基本要求

3.1 適用范圍

活動斷層避讓適用于一般建(構(gòu))筑物和特殊建(構(gòu))筑物等工程建設(shè)選址、國土利用規(guī)劃和建設(shè)等涉及地表存在活動斷層跡線或近地表探槽開挖、鉆孔探測等能夠揭露到的隱伏活動斷層避讓工作。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括國土規(guī)劃利用部門、工程建設(shè)部門、重大工程和國防工程等選址領(lǐng)域；不適用于必須橫跨活動斷層的管道、鐵路、公路、輸電線路等線狀工程建設(shè)選址，但相關(guān)重要設(shè)施或重點(diǎn)建(構(gòu))筑物不應(yīng)跨活動斷層建設(shè)或坐落在活動斷層上。

3.2 活動斷層定位要求

活動斷層避讓涉及到活動斷層管制區(qū)范圍劃定和在管制區(qū)建設(shè)場址建(構(gòu))筑物避讓活動斷層距離的確定，兩者對活動斷層的定位精度有不同的要求。

3.2.1 管制區(qū)范圍劃定

活動斷層管制區(qū)范圍劃定是政府相關(guān)管理部門有效降低活動斷層斷裂災(zāi)害風(fēng)險的有效措施之一。國際上通常的做法是以探明的活動斷層跡線為中心線劃出一定寬度的帶狀區(qū)域作為工程建設(shè)的管制區(qū)：凡是建設(shè)場址坐落在管制區(qū)內(nèi)的工程，必須開展場址活動斷層精細(xì)調(diào)查和準(zhǔn)確定位，開展建(構(gòu))筑物避讓活動斷層的工作。但在正式開展活動斷層避讓工作之前，國土利用規(guī)劃相關(guān)部門需要依據(jù)一定的原則對已知活動斷層劃定管制區(qū)，有效有序地管理避免管制區(qū)內(nèi)建(構(gòu))筑物跨活動斷層或其分支斷層建設(shè)。根據(jù)美國加利福尼亞州1972 年頒布、1994 年修訂的《阿爾奎斯特?普廖洛地震斷層劃定法案》(Alquist-Priolo Earthquake Fault Zoning Act，以下簡稱“AP 法案”)規(guī)定，美國加州地質(zhì)調(diào)查局在1∶25 000 填圖獲得的地表活動斷層展布和定位精度基礎(chǔ)上，考慮到加州地區(qū)活動斷層大部分為陡傾角走滑斷層的基本事實(shí)，在已填圖的活動斷層跡線兩側(cè)各劃出寬約150 m 的管制區(qū)。

我國活動斷層類型多樣，包括了近于直立走滑斷層、高傾角(≈60°)正斷層和低傾角(≈30°)逆斷層等。因此，也需要依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)確定對做過探測或填圖的活動斷層劃出具有一定寬度的管制區(qū)，明確規(guī)定在管制區(qū)內(nèi)若確需建設(shè)，必須做詳細(xì)的活動斷層探測、鑒定和高精度定位，確定主要活動斷層和可能存在的分支活動斷層的準(zhǔn)確位置，避免新建的建(構(gòu))筑物坐落在活動斷層及其分支斷層上或橫跨活動斷層建設(shè)。

根據(jù)GB 50011?2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定乙類建(構(gòu))筑物在抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度區(qū)避開全新世斷層的最小距離，以及國內(nèi)外大地震現(xiàn)場不同類型地表破裂帶或變形帶寬度的最新研究成果，特別是活動斷層破裂帶或?yàn)?zāi)害帶的上盤效應(yīng)[5,7,9,14,29-30,54-55,60]，擬規(guī)定我國用于工程建設(shè)的傾滑活動斷層(傾角≦60°)管制區(qū)寬度合計(jì)380 m，其中斷層上盤寬度260 m，下盤寬度120 m(圖4)；陡立活動斷層或走滑斷層(傾角＞60°)兩盤寬度均為120 m。這一管制區(qū)寬度涵蓋了活動斷層同震地表主破裂和75%左右分支斷層上可能出現(xiàn)的潛在地表破裂。

圖4 活動逆斷層上不同類型地震地表破裂隨主斷層/主破裂距離(r)頻次直方圖[54]Fig.4 Histogram showing the frequencies of various earthquake surface ruptures along active reverse faults varying with distance from main faults/ruptures (r)[54]

根 據(jù)GB/T 36072?2018《活動斷層探測》、DB/T 53?2013《1∶50 000 活 動斷層填 圖》、DB/T 65?2016《1∶50 000 活動斷層填圖數(shù)據(jù)庫》等國家和地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我國活動斷層填圖、城市活動斷層探測等給出的活動斷層分布圖等主要成果圖件比例尺一般為1∶50 000，定位精度為50～100 m，展示的是活動斷層主跡線，可能會遺漏活動性較弱或呈隱伏狀態(tài)的分支活動斷層，這些圖件是活動斷層管制區(qū)劃定的底圖和依據(jù)。有關(guān)活動斷層填圖和探測成果可查閱地震出版社2016 年出版發(fā)行的《中國及其鄰近地區(qū)地震構(gòu)造圖》[27]，以及活動斷層探察數(shù)據(jù)查詢鏈接：http://activefault-datacenter.cn 或http://www.neotectonics.cn/arcgis/apps/webappviewer/index.html?id=3c0d8234c1dc43e aa0bec3ea03bb00bc。

3.2.2 建設(shè)場址活動斷層定位要求

以避讓為目標(biāo)的活動斷層探測定位需要很高的精度，無論是美國加州政府出資開展的1∶25 000 活動斷層填圖成果，還是我國各級政府資助的1∶50 000活動斷層填圖或城市活動斷層探測成果圖，它們的定位精度都達(dá)不到直接用于活動斷層避讓工作的要求。為此，美國加州地質(zhì)調(diào)查局以1∶25 000 填圖成果為依據(jù)，在活動斷層主要跡線兩側(cè)各劃出寬約150 m 的管制區(qū)，明確規(guī)定凡位于管制區(qū)的工程場址，必須開展以探槽開挖為主的活動斷層定位工作，定位精度需達(dá)到亞米級，真正可以做到新建的建(構(gòu))筑物避開活動斷層地震地表破裂或錯動帶，有效減輕地震災(zāi)害風(fēng)險。

GB/T 36072?2018《活動斷層探測》和配套的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦地表有跡線的活動斷層采用高分辨率遙感調(diào)查、地質(zhì)?地貌填圖和探槽開挖等方法確定活動斷層變形帶邊界位置；考慮到我國新建高層建筑基礎(chǔ)埋深，推薦以淺層地震勘探為主，結(jié)合鉆孔探測等方法確定隱伏活動斷層位置；但對于一般建(構(gòu))筑物推薦利用探槽開挖的方法對建設(shè)場址及其邊界向外50 m 范圍對活動斷層及其分支斷層進(jìn)行高精度定位，定位精度應(yīng)達(dá)到亞米級。在這里值得一提的是，利用探槽開挖方法進(jìn)行場址活動斷層定位不僅有利于確定主體活動斷層及其分支斷層位置，還可以劃定這些活動斷層變形帶或破壞帶邊界[29]，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行避讓可保證新建的建(構(gòu))筑物真正避開可能出現(xiàn)潛在地震破裂或錯動的主體破裂和分支破裂，排除建(構(gòu))筑物同震“斷裂隱患”，真正做到切斷活動斷層錯動災(zāi)害源，解決“抗斷問題”。

4 不同類型建(構(gòu))筑物避讓距離

活動斷層避讓旨在通過避開活動斷層同震破裂和錯動區(qū)域解決構(gòu)(建)筑物的抗斷問題，達(dá)到科學(xué)有效地減輕地震災(zāi)害風(fēng)險的目標(biāo)，是目前世界范圍內(nèi)普遍接受并相繼實(shí)施的一項(xiàng)減災(zāi)預(yù)防措施。1994 年美國北嶺地震后，活動斷層沿線的災(zāi)情尤為嚴(yán)重，加州政府根據(jù)AP 法案，明確規(guī)定了活動斷層兩側(cè)各避讓15 m才能建設(shè)用于人居住或工作的建筑物，這個距離實(shí)際上主要是針對圣安德烈斯斷裂帶在內(nèi)的陡傾角走滑斷層的。

《中華人民共和國防震減災(zāi)法》第六十條和第六十七條規(guī)定地震災(zāi)后恢復(fù)重建規(guī)劃、地震災(zāi)區(qū)內(nèi)需要異地新建的城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村的選址、國家國土利用規(guī)劃、國家各類重大工程和生命線工程選址、設(shè)計(jì)和建設(shè)避開地震活動斷層相關(guān)條款要求。隨著我國城鎮(zhèn)化率的提高，城市規(guī)模越來越大，土地資源越來越稀缺，加上“生命至上”的新理念，國土利用規(guī)劃和建設(shè)等部門對活動斷層避讓提出了更高要求，希望避讓距離更加準(zhǔn)確。下面就場址建(構(gòu))筑物避讓距離基本值(D0)、一般建(構(gòu))筑物和特殊建(構(gòu))筑物的避讓最小距離作簡要討論。

4.1 建(構(gòu))筑物避讓距離基本值(D0)

活動斷層避讓距離基本值(D0) 實(shí)際上是為保證建(構(gòu))筑物在地震期間不受活動斷層同震破裂和錯動而毀壞所需要與活動斷層變形帶/破裂帶邊界之間隔開的最小安全距離，主要是針對斷層面近于直立的走滑斷層和傾滑斷層相對穩(wěn)定的下盤提出來的。在1999 年中國臺灣集集地震、土耳其伊茲米特地震和美國霍克特曼地震等現(xiàn)場觀測到，地震期間沿走滑斷層發(fā)生的地表破裂帶寬度一般不超過30 m，具有破裂局部化特征，地表破裂帶和房屋嚴(yán)重毀壞帶不僅在空間上高度重疊，走滑型地震災(zāi)害還以發(fā)震斷層為中心線兩側(cè)對稱分布[5,8,9,14,19,29,37,43]。2001 年發(fā)生在東昆侖斷裂庫賽湖段的昆侖山口西8.1 級地震形成了由剪切破裂、張剪切破裂、拉張破裂和擠壓鼓包等組合成長約426 km的純剪切破裂帶，單條破裂的寬度一般介于數(shù)米至15 m，也有地表破裂較寬地段，但主要受走滑斷層不連續(xù)幾何結(jié)構(gòu)的控制[41]。綜合國內(nèi)外最近20 年期間發(fā)生的走滑型地震地表破裂帶寬度可知其統(tǒng)計(jì)平均值僅為30 m[8]；包括2008 年汶川地震在內(nèi)發(fā)生在正斷層和逆斷層上的傾滑型地震地表破裂帶寬度統(tǒng)計(jì)平均值不大于50 m，并明顯表現(xiàn)出上盤效應(yīng)，其下盤沿斷層線的地表破裂帶寬度和地面建(構(gòu))筑物毀壞帶寬度較窄一般不超過15 m，而上盤平均值較寬為下盤的2～4倍[5,9,14,29,54-55]。從上述資料可見，走滑斷層兩盤和傾滑斷層下盤地震地表破裂帶寬度與加州政府頒布實(shí)施的AP 法案規(guī)定的活動斷層避讓距離15 m 完全一致，將這一值作為新建建(構(gòu))筑物避讓活動斷層距離的基本值(D0)。

實(shí)際上，無論是走滑斷層，還是傾滑斷層，它們的同震地表破裂帶寬度除統(tǒng)計(jì)平均值反映出局部化特征外，也有比較寬的例外場景，但與活動斷層本身的幾何結(jié)構(gòu)，即與走滑斷層擠壓或拉分階區(qū)(圖2)、彎曲及傾滑斷層上盤效應(yīng)和分支斷層密切相關(guān)。所有這些特征為不同類型建(構(gòu))筑物避讓不同性質(zhì)活動斷層距離的討論奠定了基礎(chǔ)(圖4)。

4.2 一般建(構(gòu))筑物避讓距離

活動斷層包括走滑斷層、正斷層、逆斷層等3 種基本類型，它們具有不同的幾何結(jié)構(gòu)特征?；顒訑鄬颖茏尡举|(zhì)上是避開活動斷層同震破裂和錯動帶，這種同震破裂和錯動帶也稱為斷層破壞帶(fault damage zone)，寬度一般為數(shù)米至數(shù)十米，代表了活動斷層未來同震變形最強(qiáng)烈的范圍、地震主體破裂出露地段和地面建(構(gòu))筑物嚴(yán)重毀壞帶[3-4,33]。因此，利用探槽開挖方法確定活動斷層變形帶邊界及其在建設(shè)場址的展布是活動斷層避讓工作的基礎(chǔ)和前提，所謂的避讓距離指的是建(構(gòu))筑物地基外緣與活動斷層變形帶邊界之間隔開的最小距離。

4.2.1 走滑斷層

考慮到走滑斷層傾角較大，甚至直立，變形帶常常以斷層中心線為界在兩盤對稱分布，走滑斷層附近的一般建(構(gòu))筑物建議最小避讓距離為變形帶邊界向外15 m。實(shí)際上，走滑斷層幾何結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，在許多地段斷層面會向一側(cè)傾斜，即斷層傾角明顯小于90°，類似于傾滑斷層。如果建(構(gòu))筑物位于這些走滑斷層上盤時，可根據(jù)斷層傾角、建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)深度、斷層陡坎高度之間相互關(guān)系(圖5)，按下式計(jì)算避讓距離Du：

圖5 走滑斷層上下盤避讓距離及計(jì)算方法示意Fig.5 Schematic diagrams showing setback distances and their calculation methods for the hanging wall and foot wall of a strike-slip fault

式中：D0為避讓距離基本值，是指無斷層陡坎發(fā)育、斷層傾角接近90 ?時的避讓距離，m，走滑斷層避讓距離基本值D0=15 m；Du為建(構(gòu))筑物在斷層上盤的避讓距離，m；Dd為建(構(gòu))筑物在斷層下盤的避讓距離，m；Hb為建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)深度，m；α為斷層傾角，(?)。

4.2.2 傾滑斷層

傾滑斷層包括正斷層和逆斷層2 種類型，有走滑分量但斷層面有一定傾角的斜滑斷層也可作為傾滑斷層來處理。傾滑斷層的一個顯著特征是同震變形或?yàn)?zāi)害帶具有上盤效應(yīng)：地震地表破裂帶和建(構(gòu))筑物毀壞帶在斷層跡線兩側(cè)常常出現(xiàn)明顯的不對稱性，上盤的寬度是下盤寬度的2～3 倍，甚至可達(dá)到4 倍，實(shí)際上它們與斷層的傾角相關(guān)：正斷層近地表傾角一般在60°左右，上盤寬度一般是下盤的2 倍；典型的逆斷層傾角在30°左右，上盤寬度一般是下盤的3 倍或以上。因此，建議傾滑斷層下盤的避讓距離為15 m，正斷層上盤的避讓距離為30 m，逆斷層上盤為45 m。

當(dāng)建(構(gòu))筑物位于正斷層上盤時，同樣可根據(jù)斷層傾角、建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)深度、斷層陡坎高度等之間相互關(guān)系(圖6)，按下式計(jì)算避讓距離Du：

圖6 正斷層上下盤避讓距離及計(jì)算方法示意Fig.6 Schematic diagrams showing setback distances and their calculation methods for the hanging wall and foot wall of a normal fault

式中：Hf為活動斷層變形帶露頭點(diǎn)高度，m。

當(dāng)建(構(gòu))筑物位于逆斷層上盤時，根據(jù)斷層傾角、建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)深度、斷層陡坎高度之間等相互關(guān)系(圖7)，按下式計(jì)算避讓距離Du：

式中：Hfs為斷層陡坎高，m；Hs為活動斷層變形帶露頭點(diǎn)高度，m。

4.3 特殊建(構(gòu))筑物避讓距離

無論是重要性還是建設(shè)規(guī)模，特殊建(構(gòu))筑物都有別于一般建(構(gòu))筑物，有些還可能引發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害，甚至影響到社會安定和國家興衰。因此，特殊建(構(gòu))筑物避讓工作需要社會各界高度重視。已有地震現(xiàn)場考察表明，地震地表破裂帶一般出現(xiàn)在地震烈度達(dá)到Ⅸ度及以上極震區(qū)，例如2014 年魯?shù)榈卣稹?010 年玉樹地震、2008 年汶川地震、2008 年于田地震、2001 年昆侖山口西地震、1997 年瑪尼地震、1988 年瀾滄?耿馬地震等高震級地震，在Ⅸ度以上極震區(qū)均沿發(fā)震活動斷層產(chǎn)生了同震地表破裂帶[37-39,42,49,56-57,66-67]；國際上類似的研究也表明，沿發(fā)震活動斷層產(chǎn)生地震破裂的地震矩震級約為Mw6.5 級[47]；Ⅷ度及以下地震很少沿其發(fā)震斷層產(chǎn)生有明確構(gòu)造意義的地表破裂帶[67]。

從目前國內(nèi)外已有資料，特別是逆斷層型地震地表破裂出現(xiàn)位置的最新統(tǒng)計(jì)分析可知[29,54,68]，地震破裂主要發(fā)生在發(fā)震主斷層沿線及其上盤(圖8)，集中在斷層下盤寬15～20 m 和上盤寬40～50 m 的帶狀區(qū)域內(nèi)，包含了發(fā)生在發(fā)震斷層或主斷層上的主體破裂和35%左右次級破裂；在主斷層上盤寬約575 m 和下盤寬約265 m 的長條狀范圍內(nèi)發(fā)生的主體破裂和次級破裂約占整體破裂的90%；而幾乎所有主體破裂、次級破裂和觸發(fā)其他斷層產(chǎn)生的地表次生破裂等出現(xiàn)在距主斷層約3 000 m 以內(nèi)(圖8)，3 km 以外很少有構(gòu)造意義的地震地表破裂發(fā)生(圖4)。另外，1999 年中國臺灣集集地震實(shí)際記錄到的近斷層強(qiáng)地面運(yùn)動參數(shù)(峰值加速度PGA、峰值速度PGV、峰值位移PGD)具有明顯的指數(shù)衰減特征：距主斷層3 000 m 內(nèi)峰值加速度、峰值速度和峰值位移等量值大且隨距離增加迅速衰減，3 000 m 之外則趨于正常衰減且量值較小[7]。因此，針對上述最新研究成果，建議針對三類特殊建(構(gòu))筑物采取以下避讓距離：

圖8 地表破裂距離主斷層的累積分布和概率密度函數(shù)分布(據(jù)文獻(xiàn)[54]修改)Fig.8 Cumulative distribution function and probability density function of the distance between surface ruptures and main faults[54]

C 類建(構(gòu))筑物避讓活動斷層距離：兼顧了已有國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50011?2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的乙類建(構(gòu))筑物避讓要求，基于最新研究成果建議傾滑斷層上盤避讓距離為575 m，下盤為265 m(圖8)。這一避讓距離值保證了C 類建筑物不僅避開了發(fā)震斷層的主斷層破裂和錯動，還避開了約90%的次級斷層破裂。

B 類建(構(gòu))筑物避讓活動斷層距離：考慮到此類建(構(gòu))筑物的重要性和已有國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50011?2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，基于最新研究成果建議避讓活動斷層距離為3 000 m，保證場址區(qū)不存在任何分支活動斷層和次級活動斷層，避免地震時出現(xiàn)次級、次生或觸發(fā)破裂。

A 類建(構(gòu))筑物避讓活動斷層距離：由于A 類建(構(gòu))筑物在國家安全方面的極度重要性，對照HAF 101?1991 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的核電廠廠址有關(guān)活動斷層或能動斷層的具體規(guī)定，建議避讓活動斷層的距離為5 000 m，這一距離排除了所有與發(fā)震斷層直接相關(guān)的各種類型地震地表破裂和錯動。

5 國內(nèi)外相關(guān)法律法規(guī)簡介

活動斷層發(fā)育的多地震國家和地區(qū)不僅持續(xù)開展活動斷層探測與填圖工作，還制訂相關(guān)法律法規(guī)規(guī)范活動斷層避讓行動，例如美國加利福尼亞州AP 法案、猶他州斷層地表破裂災(zāi)害評價指南、歐洲結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范(Eurocode 8)、日本活斷層法等均規(guī)定了一般建(構(gòu))筑物避讓活動斷層的最小安全距離，并禁止橫跨活動斷層建設(shè)等具體條款。

5.1 美國加州《AP 地震斷層劃定法案》

美國加利福尼亞州活動斷層眾多，包括最著名的圣安德烈斯斷裂。歷史地震災(zāi)害嚴(yán)重，曾遭受過1906 年舊金山M7.9 級特大地震侵襲。早在1971 年圣費(fèi)爾南多(San Fernando)M6.6 級地震期間，科學(xué)家們就注意到了沿活動斷層分布的嚴(yán)重地震災(zāi)害帶，1972 年加利福尼亞州通過了針對活動斷層的“特別調(diào)查帶”(Special Studies Zones)法案；1994 年北嶺M6.7 級地震進(jìn)一步顯示出活動斷層同震破裂和錯動對地震災(zāi)害空間分布的控制作用，隨即將原有的法案修改為《阿爾奎斯特-普廖洛地震斷層劃定法案》(Alquist-Priolo Earthquake Fault Zoning Act)，目的是防止用于人居住或工作的房屋建筑在地表跡線明顯的活動斷層上，避免活動斷層同震錯動對跨斷層建(構(gòu))筑物的毀滅性破壞。

阿爾奎斯特?普廖洛地震斷層劃定法案規(guī)定：在地基開挖過程中若發(fā)現(xiàn)存在斷層或有跡象存在斷層，須停止地基開挖并委托有資質(zhì)地質(zhì)工程師對斷層進(jìn)行活動性鑒定，若鑒定為活動斷層，則在活動斷層兩側(cè)各15 m 或50 英尺內(nèi)嚴(yán)禁建造供人居住的建(構(gòu))筑物，但獨(dú)戶木架結(jié)構(gòu)或鋼架結(jié)構(gòu)不超過二層樓的住宅，且不屬于4 個或4 個以上單位共同開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施，不受本法案限制。

5.2 美國猶他州斷層地表破裂危害性評價指南

美國猶他州于2003 年通過了《猶他州斷層地表破裂危害性評價指南》(Guidelines for Evaluating Potential Surface Fault Rupture/Land Subsidence Hazards in Utah)。其中，以表格與公式的形式量化地給出了各種類型居住建筑物的避讓距離(表1)。

表1 美國猶他州 IBC 規(guī)范中分類居住建筑避讓距離推薦表與風(fēng)險系數(shù)UTable 1 Setback distance recommendations and risk coefficients (U) for classified residential buildings stipulated in the International Building Code (IBC) used in Utah,U.S.

5.3 中國臺灣地區(qū)《山坡地開發(fā)建筑管理辦法》

臺灣地區(qū)“山坡地開發(fā)建筑管理辦法”第五條第二款規(guī)定：“坡度陡峭者，地質(zhì)結(jié)構(gòu)不良、地層破碎、活動斷層或順向坡有滑動之虞者，河岸侵蝕或向源侵蝕有危及基地安全者，有崩塌或洪患之虞者，均不得開發(fā)建筑”。1999 年集集大地震后，面臨被斷層直接摧毀的建筑物是否重建問題，臺灣地區(qū)“營建署”規(guī)定了永久性禁、限建設(shè)計(jì)原則：活動斷層線明確地區(qū)兩側(cè)各15 m 范圍內(nèi)及部分?jǐn)鄬泳€不明確地區(qū)，不得興建包括學(xué)校、醫(yī)院、警察局、消防救災(zāi)等公共建筑及大型公眾營業(yè)場址，私有建地僅限于二層樓以下建筑。

6 活動斷層避讓法案執(zhí)行實(shí)例

在美國加州、猶他州等活動斷層發(fā)育的多地震地區(qū)，不僅持續(xù)地開展大比例尺活動斷層填圖，還嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)法案或指南規(guī)定，開展活動斷層避讓工作，加州的避讓工作具有很好的代表性。例如，加州某住宅開發(fā)小區(qū)位于加州NNW 向圣安德烈斯斷裂主跡線150 m管制區(qū)內(nèi)(圖9)，在正式建設(shè)之前規(guī)劃部門要求開發(fā)商在場址區(qū)開展以探槽開挖為主要手段確定圣安德烈斯斷裂帶在場址區(qū)主干活動斷層及其分支活動斷層的位置(圖10)，并按照加州AP 法案劃定避讓區(qū)域(圖11)。其中，圣安德烈斯斷裂主干斷層(圖11 中左側(cè)紅色粗線)附近為綠化帶，次級活動斷層沿線避讓范圍為道路和輔助建筑，其他區(qū)域?yàn)樽≌黧w建筑(圖11)。這一場址區(qū)活動斷層避讓工作成為國際活動斷層避讓工作的經(jīng)典例子。

圖9 加州圣安德烈斯斷裂帶管制區(qū)某住宅小區(qū)場址示意Fig.9 Schematic diagram showing a residential community site within the regulatory zone around the San Andreas Fault,California

圖10 加州圣安德烈斯斷裂帶管制區(qū)某住宅小區(qū)場址活動斷層探槽開挖與高精度位置確定示意Fig.10 Schematic diagram showing trenching-based highprecision positioning of the active fault at a residential community site within the regulatory zone around the San Andreas Fault,California

我國隨著大比例尺活動斷層填圖和城市活動斷層探測工作全面展開，有效減輕活動斷層相關(guān)地震地表破裂和錯動災(zāi)害已經(jīng)引起許多地方政府高度重視。在“十·五”銀川市活動斷層探測確定的銀川隱伏活動斷層位置和空間展布的基礎(chǔ)上[28]，于2017 年4 月26 日銀川市人民代表大會第三次常務(wù)委員會審議通過頒布了我國首部關(guān)于地震活動斷層避讓的地方性法規(guī)文件，即《銀川市人民代表大會常務(wù)委員會關(guān)于在銀川市轄區(qū)內(nèi)的活動斷層避讓帶范圍內(nèi)建設(shè)綠化帶的決定》(銀人常發(fā)〔2017〕15 號)，規(guī)定在銀川隱伏斷層兩側(cè)各100 m的避讓范圍內(nèi)“不得新建、改建和擴(kuò)建丙類及以上建(構(gòu))筑物”，限定避讓帶內(nèi)的建設(shè)內(nèi)容為“綠地、公園、植物園和濕地景區(qū)等以及經(jīng)批準(zhǔn)可修建無人居住的運(yùn)動休閑場所和應(yīng)急避難場所等”。文件的出臺為銀川市科學(xué)規(guī)劃、安全發(fā)展、綠色發(fā)展，提升城市品位提供了永久保障，也為全國避讓活動斷層提供了實(shí)例。

近年來，位于郯廬斷裂帶附近江蘇省新沂市、內(nèi)蒙古烏海市等城市，在活動斷層高精度探測與定位基礎(chǔ)上，也都開展了活動斷層避讓的工作，為我國地震災(zāi)害預(yù)防提供了一條科學(xué)有效的途徑。

7 結(jié)語

鑒于活動斷層對嚴(yán)重地震災(zāi)害帶空間分布的明顯控制作用，避讓活動斷層可避免活動斷層地表同震破裂與錯動對地面建(構(gòu))筑物的直接毀壞，地震多發(fā)和活動斷層發(fā)育的發(fā)達(dá)國家或地區(qū)均出臺法律法規(guī)確保避讓措施的落實(shí)。例如，美國加利福尼亞州、猶他州、內(nèi)華達(dá)州等，各州政府是活動斷層避讓法案的頒布者和執(zhí)法法人。實(shí)踐證明活動斷層避讓不僅必要，而且可行、有效，日本、新西蘭、澳大利亞、歐盟等國家和中國臺灣地區(qū)紛紛跟進(jìn)。這是發(fā)達(dá)國家在較高抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)前提下，通過地面建(構(gòu))筑物避開活動斷層這一災(zāi)害源，使得一個7 級左右地震發(fā)生死亡人數(shù)在個位數(shù)的主要原因。

我國活動斷層避讓距離量值不僅考慮了不同類型建(構(gòu))筑物重要性，還汲取了最近大地震特大地震現(xiàn)場考察最新成果，特別是考慮了正斷層和逆斷層等傾滑斷層的上盤效應(yīng)，針對不同類型構(gòu)(建)筑物提出的避讓距離應(yīng)該是國內(nèi)外最科學(xué)合理的，處于國際領(lǐng)先地位，符合《中華人民共和國防震減災(zāi)法》第六十條和第六十七條規(guī)定地震災(zāi)后恢復(fù)重建規(guī)劃、地震災(zāi)區(qū)內(nèi)需要異地新建的城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村的選址、國家國土利用規(guī)劃、國家各類重大工程和生命線工程選址、設(shè)計(jì)和建設(shè)避開地震活動斷層相關(guān)條款要求，建議有關(guān)政府部門盡早盡快頒布并執(zhí)行《活動斷層避讓》國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)有國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 50011?2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 18306?2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》一起嚴(yán)格執(zhí)行，構(gòu)成保障我國地震安全完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。