高速鐵路運行控制用地震動參數及單臺地震預警技術研究

宋晉東

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080）

中國地震局工程力學研究所2013屆博士論文摘要（Ⅲ）

高速鐵路運行控制用地震動參數及單臺地震預警技術研究

宋晉東

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080）

地震預警是近年來發展起來的防震減災的有效手段之一。中國是一個地震多發國家，同時地震也是一種發生概率較小但對鐵路行車安全危害極大的自然災害，隨著我國鐵路實施了6次大提速和開行高速列車，列車運行速度和列車密度的不斷提高，較小震級的地震對路基、軌道、橋梁等的沖擊都可能導致危害旅客生命安全的重大事故。在這種形勢下，地震時如果能在破壞性地震動到來前提早哪怕是短短的幾十秒甚至幾秒對高速鐵路實施報警和緊急處置，將大大降低旅客生命財產損失的發生概率，因此，對中國高速鐵路來說，迫切需要建設地震預警系統。

本文詳細分析了技術研究和實踐經歷都相對成熟的日本新干線地震監測及預警系統的發展歷程、運行控制用地震動參數以及地震預警關鍵技術研究現狀，以日本新干線地震防災系統相關關鍵技術為基礎，并以強震動觀測數據為依據，針對中國高速鐵路地震預警系統亟待解決的關鍵技術問題，主要圍繞高速鐵路運行控制用地震動參數選取及其標準值確定、高速鐵路單臺地震預警中震源參數快速確定方法兩方面內容作了相關研究，研究內容概述如下：

（1）在日本新干線警報地震計帶通濾波器的基礎上，提出了設計原理更明確、設計方法更簡單、并能用于中國高速鐵路地震動閾值報警的帶通濾波器，給出了該數字帶通濾波器的設計方法及遞歸方程。

（2）利用日本K-net強震觀測數據和中國CSMNC強震觀測數據，統計建立了日本氣象廳計測震度Ijma、儀器烈度標準Is、加速度峰值、譜烈度SI、阿里亞斯烈度Ia、累積絕對速度CAV以及累積能量變化率DE等地震動參數間的關系，分析了各地震動參數間的線性相關性。利用日本東北新干線在3次大地震中高架橋破壞分布的資料以及東北新干線沿線K-net臺站和KiK-net臺站強震動觀測數據，得到了各地震動參數在實際地震破壞中的下限值，給出了各地震動參數與結構破壞變化及結構破壞分布的關系。

（3）依據各地震動參數間的統計關系，轉換得到了與加速度峰值閾值（地震時警報值：40cm／s2，地震后限速值：80cm／s2，地震后停車值：120cm／s2）相對應的其他地震動參數閾值通過地震時警報值的誤報漏報分析和時效性分析震后限速值和停車值的合理性分析結合統計關系中各地震動參數間的相關性以及各地震動參數與新干線高架橋柱破壞變化和破壞分布的關系，提出了中國高速鐵路運行控制用地震動參數的閾值建議值。研究了豎向分量地震動參數用于運行控制的可行性，提出了相應的警報閾值建議值。

（4）在日本單臺利用P波初始階段幅值增長率估算震中距B-Δ方法的基礎上，通過研究B-Δ方法的理論形式，利用中國CSMNC強震觀測數據，驗證了通過線性擬合P波初始階段幅值包絡確定震中距的C-Δ方法，該方法可以在P波觸發后0.5s得到理想的震中距估算結果，并明確了該方法在高頻條件能得到更優的震中距確定結果。此外，針對該方法在實時應用中的缺陷，提出了利用阿里亞斯烈度P波初始階段幅值增長率估算震中距的A-Δ方法，不同估算時間窗的計算結果表明，該方法可以在P波觸發后0.7s給出穩定的震中距估算結果，P波觸發后1.0s得到最佳的震中距估算結果，且有著優異的實時應用前景。

（5）建立了基于中國CSMNC強震觀測數據的地震預警系統中常用的τpmax、τc以及Pd這3種地震波特征參數與震級的比例關系，誤差分析結果表明，Pd得到的震級估算結果最優。分析了全波段各地震動參數與震級的比例關系，結果顯示，全波段平方速度IV2得到的估算震級與實際震級最符合1：1的線性比例關系，且在不同震級范圍的誤差都較小，建立了P波段平方速度IV2P與全波段平方速度IV2的比例關系，并且通過P波段平方速度IV2P與全波段平方速度IV2的比例關系，解釋了現有地震預警震級估算方法在大震級處低估震級的原因，進而提出了一種利用平方速度IV2連續估算震級的方法，該方法可以在P波觸發后5s獲得最佳的震級估算結果。

高速鐵路；地震防災；運行控制用地震動參數；地震預警

（作者電子信箱，宋晉東：iemsjd＠126.com）

U298；P315.9；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2014.05.010