2022年青海門源6.9級地震交通系統震害與啟示

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研究所地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080；3.地震災害防治應急管理部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080）

引言

2022 年1 月8 日1 時45 分在我國青海省海北州門源縣發生了6.9 級地震，震源深度10 km。此后又多次發生余震，截止到3月7日共發生了3級以上余震9次，如表1所示。該地震是發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 個市州6 個區縣32 個鄉鎮，甘肅省3 個市6 個區縣29 個鄉鎮以及中牧山丹馬場、大黃山林場受到波及。1 月12 日，應急管理部發布青海門源6.9 級地震烈度圖［1］。最高烈度為Ⅸ度，Ⅵ度區及以上面積約23 417 km2，其中青海省Ⅵ度區及以上面積約13 723 km2，甘肅省Ⅵ度區及以上面積約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度區內，鐵路橋主梁嚴重移位、傾斜，鐵軌嚴重扭曲、局部錯斷，公路路面多處出現裂縫，可見基巖裂縫、錯動，山體崩塌。Ⅷ度區多數框架結構房屋出現裂縫，少數磚混結構房屋出現嚴重破壞，干硬路面多處開裂。Ⅶ度區少數磚混結構房屋中等破壞，少數磚木結構房屋嚴重破壞，屋內吊頂掉落，松軟土地上地裂縫較多。Ⅵ度區少數磚混結構房屋輕微破壞，少數磚木結構房屋中等破壞，少數家具和物品移位，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生。1986年8月26日在門源縣北祁連山東段主峰冷龍嶺山區發生了一次6.4級地震［2］，震源深度約14 km。由于地震發生在祁連山區，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。根據國家地震局蘭州地震研究所（1987 年）的現場考察結果，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Ⅷ度。據當地牧民反映，地震時冷龍嶺主峰附近發生了嚴重雪崩，珠峰溝腦塵土飛揚，伴有隆隆巨響。Ⅶ度區的幾個破壞點主要表現為陡峭的山崖處有巨石滾落、基巖崩塌。牧民站立不住，并見規模較大的地裂縫，長約數10 m，裂縫方向嚴格受地形的控制，推測Ⅶ度區等震線長軸不足40 km。外圍的青海門源和北側的甘肅武威皇城地區個別院墻倒塌，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 日又發生過一次6.4 級地震，地震烈度圖參見文獻［3］。地震極震區烈度達Ⅷ度，等震線長軸總體呈北西西走向，Ⅵ度及以上區域總面積約14 660 km2，其中，青海省內面積約8 550 km2，甘肅省內面積約6 110 km2。Ⅷ度區為無人區，Ⅶ度區僅個別居民點，震害主要體現在Ⅵ度區域內。交通系統震害主要體現在門源縣12個鄉鎮39處橋梁開裂，4處公路路基受損，直接經濟損失約1 990萬元。

比較近來2次地震的烈度圖，我們能夠發現雖然2次地震均發震于冷龍嶺斷裂，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，震害情況相差還是比較大的。其原因大體有3 點：第一，震級不同。此次地震震級比2016 年地震大，能量釋放大，震動更強烈，震害重。第二，地表開裂情況不同。2016年地震沒有產生明顯的地表破裂，這次地震初步發現約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，震動強烈，受損嚴重。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進行分析，然后分別圍繞鐵路系統和公路系統在此次地震中的震害特點，從統計角度分析震害狀況與結構形式的關系，最后討論此次地震對我國高原地區交通結構抗震的經驗與啟示。

1 強震觀測與地震動特點分析

地震后收到甘肅省地震局強震臺記錄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，計算儀器地震烈度8.3 度。震中、強震臺的位置如圖1。

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

（1）C0028臺地震動特點

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。加速度時程及相應的反應譜如圖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。根據經驗大體推斷地震卓越方向接近135°或315°；卓越周期0.1～0.5 s。這個位置應該是主要受冷龍嶺斷裂的影響。

圖2 門源地震C0028臺強震動加速度時程及反應譜Fig.2 The acceleration time history and response spectrum of C0028 records in Menyuan earthquake

（2）C0029臺地震動特點

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。加速度時程及相應的反應譜如圖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。根據經驗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，有待進一步分析。

圖3 門源地震C0029臺強震動加速度時程及反應譜Fig.3 The acceleration time history and response spectrum of C0029 records in Menyuan earthquake

2 鐵路系統的震害及統計分析

2.1 鐵路橋梁和隧道的震害特點

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

（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度設防區，設計PGA=0.2 g。地震中硫磺溝大橋部分主梁出現側向移位及偏轉，支座出現脫空，擋塊被撞壞，軌道板出現側移，軌道有斷裂。其震害現象及主要破壞機理如圖4 所示。橋址位于8 度設防區，距此次震中約7 km，實際地震烈度為9度。從地表開裂位置看，該橋應在發震走滑斷層破碎帶上，屬跨斷層橋梁。南側6 跨主要震害特點是逐跨側傾，北側2 跨則表現為整體側移。從震害現象推斷，該橋的南側6 跨主梁在強震作用下，出現橫橋向滑移，將固定支座和擋塊撞壞，然后進入反向搖擺狀態，側翻卡于2個支座墊石之間。造成這一震害現象的原因，應該與支座的布置情況和地震動方向性相關聯。北側2 跨則是橫橋向滑移，撞壞固定支座和擋塊后，沒有進入搖擺狀態，僅是水平滑移。支座、擋塊和軌道系統等約束連接構件雖受到沖擊破壞，但也發揮了防止落梁的作用。

圖4 門源地震中硫磺溝大橋的0#～6#墩主梁側翻現象及破壞機理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了較明顯的震害。大梁隧道因有處于斷層破碎帶的區段，隧道襯砌結構出現錯位、斷裂，部分斷面隧道結構坍塌。祁連山隧道震害相對要輕一些，但也出現了隧道襯砌廣泛出現明顯裂縫，大塊襯砌或圍巖材料脫落。兩座隧道的洞口處震害并不嚴重，主要的震害表現是混凝土洞口有細微裂縫，軌道系統因連接的橋梁主梁側翻滑移而移位。

2.2 鐵路系統震害的統計分析

文中考慮以蘭新高鐵為研究對象，以應急管理部發布的地震烈度圖為烈度劃分的依據，來進行震害統計的分析。因為鐵路系統的震害影響往往是以區間來體現的，文中假設某一震害破壞對其所在區間里程都具有影響。表2為整理出的蘭新客專不同烈度區下的震害影響區域里程統計。

若采用震害影響里程與蘭新客專的總運營里程之比作為震害率，Ⅵ度區、Ⅶ度區、Ⅷ度區和Ⅸ度區的震害率分別為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 種烈度的區段。根據調查數據分析，Ⅸ度區內有1 座橋梁、2 座隧道；Ⅷ度區內有12 座橋梁、2 座隧道；Ⅶ度區內有7 座橋、3 座隧道。根據震害的程度，參照汶川地震公路震害調查的方法［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、嚴重損傷和毀壞5 個震害等級。門源地震中鐵路系統橋梁和隧道的震害情況與烈度區的關系如圖5 所示。可以看出，此次地震無論是橋梁還是隧道嚴重損傷以上的震害在Ⅸ度區。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；長隧道嚴重損傷以上較明顯。這些都是與跨斷層、近斷層地震的影響緊密相關的。

圖5 門源地震中鐵路系統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域里程統計Table 2 The mileage statistics of earthquake damage affected area of Lanxin Railway in Menyuan earthquake

3 公路系統的震害及統計分析

3.1 公路、橋梁和隧道的震害特點

（1）公路震害

公路的主要震害表現，一是傍山路段出現塌方，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#橋墩出現擋塊開裂、支座移位和橫隔板開裂等震害現象，如圖8 所示。該橋震害的原因可能是因為相鄰跨剛度變化較大。在橫橋向上，擋塊受到主梁碰撞出現破壞，同時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 標段，部分橋梁出現縱向擋塊開裂、支座偏移和蓋梁系梁開裂；9標段，大梁河大橋0#臺橋板側滑，東溝大橋擋塊損傷。在建的橋梁大多下部結構基本完成，如圖9 所示。已進行上部結構架設的數量不大，尚未形成頭重腳輕的結構體系，慣性力對單純的下部結構影響并不明顯。這與此前我們研究的在建橋梁易損性［7］規律相符。

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、初支出現環向和縱向裂縫。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 公路系統震害的統計分析

通過仔細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度及以上區穿過。

（1）高速公路

震區內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象。這應該與這些高速公路都處于Ⅵ度及以下區有關。

（2）國道干線

國道G227 貫穿Ⅸ度、Ⅷ度、Ⅶ度和Ⅵ度區，主要震害表現：一是傍山路段塌方，如K150+600、K156+300至K159+500 處出現了嚴重塌方的情況；二是路面裂縫，如K151+650、K151+709 等處裂縫寬度達2 cm，K151+700 處裂縫寬度達10 cm，出現錯臺高達6 cm。根據橋梁的規模大小［8］，G227 上橋梁在各烈度區的分布情況如圖11所示。可以看出，在高烈度區多為小橋，中橋數量不多，更無大橋。這也許是公路橋梁此次地震中震害小的一個原因。根據以往的震害經驗，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重。

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

（3）省道干線與農村公路

從青海省海北州內主要省道和鄉道來看，省道公路總長54 km，震害影響3.3 km；鄉道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計Table 3 The affected mileage statistics during the Haibei state Maduo earthquake

4 對高原交通系統抗震的認識與啟示

通過對門源地震中交通系統的震害調查可以看出，近斷層跨斷層交通結構震害較嚴重。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重，集中在Ⅸ度區斷層破碎帶附近。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的嚴重破壞。其他Ⅸ度區內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的。

Ⅷ度區的震害主要表現是橋墩損傷、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度區見到的震害現象，此次地震中卻并不顯著。這與不同形式的橋梁在震區的分布情況有關。值得注意的是在Ⅵ度區的香卡特大橋出現的震害。公路隧道未受大的影響，但個別在建隧道有損傷。在建橋梁震害符合已有研究認識，即下部結構易損性小，在建梁式橋震害多體現在上部結構的架設階段。

5 結論

通過對門源地震中鐵路系統與公路系統震害的統計分析，我們可以得到如下結論：

此次地震由于烈度分布鐵路系統比公路系統震害嚴重，無論是橋梁還是隧道嚴重損傷以上的震害在Ⅸ度區，這說明跨斷層、近斷層地震對交通系統震害影響很大。另外，結構形式不同，震害表現也不一樣，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，長隧道嚴重損傷以上較明顯，大橋的震害要明顯比中小橋嚴重。由此可見，在高烈度區有條件時應多采用中小橋、中短隧道，無法實現時，應有針對性地采取相應抗震措施。生命線工程建設前期應采取必要措施主動避讓活動斷層、運用合理結構形式提高結構的穩定性是有效減輕地震災害損失的關鍵。