基于譜比法的高鐵地震臺站場地分類初探

黃 俊， 陳志高， 楊 江, 夏界寧

(1.中國地震局地震研究所 地震預警湖北省重點實驗室,武漢 430071; 2.武漢地震科學儀器研究院有限公司, 武漢 430071)

地震對正在高速運行的列車危害極大，可能導致列車脫軌，危及乘客安全。密集分布的高鐵線路難以避讓高烈度區，為減輕地震災害，我國在高鐵沿線基本地震動峰值加速度超過0.1g(1g=981 cm/s2)的區段以20 km左右的間隔布設地震臺站[1]，建設地震監控系統用于監測強震動對高鐵的影響并發出地震報警。目前包括京津、京滬、京石武、大西、蘭新等高鐵線路均布設有地震監控系統，其中蘭新高鐵地震監控系統在2016年門源6.4級地震中發出報警信號并記錄到破壞性地震數據[2]。

高鐵地震監測臺站是離高鐵線路最近的臺站，在地震中不僅能為高鐵提供報警信號，其強震記錄還可用于高鐵地震預警、快速震害評估、地震動衰減關系、列車應急處置范圍、不同場地條件下高鐵地震報警閾值設計以及高鐵結構抗震設計等多個領域的科學研究和工程應用，這些工作都需要臺站的場地類別這一基礎信息。根據我國建筑抗震設計規范，需要根據土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度來進行場地類別劃分[3]，而高鐵地震監測臺站建臺時未做過專門的場地分類，這限制了強震數據的使用范圍，因此對既有高鐵地震臺站進行場地分類具有其極重要的意義。

對于一般場地，豎直向地震動在水平地震動放大的頻段上沒有顯著的放大效應，因此水平向和豎向地震動的傅里葉譜比可以體現場地卓越周期和放大效應，基于場地的這種特性，隨著強震數據的積累，國內外學者開始廣泛的研究基于強震記錄的水平/豎向(H/V)的譜比場地分類法。譜比法最早由日本學者Nakamura[4]提出，并采用地表測點地脈動的水平分量與垂直分量的傅里葉譜比來計算場地的特征周期從而進行場地分類；隨后，Zhao等[5]發現采用阻尼比為5%的水平與垂直向速度反應譜來替代傅里葉譜比，能夠有效地克服因傅里葉譜尖峰帶平滑方法的不同導致場地類別的不確定性，并根據KiK-net臺網記錄總結出4類場地類別的速度反應譜比經驗曲線，驗證了同一場地的速度反應譜比曲線與震級、震源距和震源深度的關系不大。Ji等[6]通過日本KiK-net臺站鉆孔資料，按照我國抗震規范將場地分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，再利用KiK-net臺站的強震記錄，統計這三類場地的H/V速度反應譜標準譜比曲線，最后使用我國強震臺網觀測數據，計算單個強震臺的H/V譜比曲線，并匹配標準譜比曲線，完成了臺站場地分類。由于目前我國高鐵強震記錄匱乏，尚未開展基于譜比法的高鐵場地分類研究。

本文在前人研究成果的基礎上，利用2016發生的門源6.4級地震高鐵地震臺站記錄的主余震強震數據為分析對象，進行臺站的非線性土層效應評估和基于H/V譜比法的高鐵地震臺站場地分類，并討論了高鐵近遠監測點加速度峰值差異的原因。

1 蘭新高鐵地震監控系統介紹和地震的基本情況

1.1 高鐵地震監控系統介紹

蘭新高鐵地震監控系統每個地震臺站包括近高鐵和遠高鐵2個地震監測點，2個監測點直線距離大于40 m，每個監測點內各布設有一臺加速度傳感器。當2個加速度傳感器同時監測到超40 cm/s2的地震動時，系統發出單臺站地震報警信號。高鐵地震臺站布設示意圖如圖1所示。

1.2 地震的基本情況介紹

2016年1月21日青海門源發生6.4級地震，蘭新高鐵地震監控系統發出了地震報警并記錄了主震數據，隨后當天又發生了3.6級和 2.7級余震，系統也記錄到了余震數據，3次地震的基本信息如表1所示。

圖1 高鐵地震監測臺站布設示意圖Fig.1 High-speed railway earthquake monitoring stations layout diagram

表1 青海門源6.4級地震主余震蘭新高鐵地震監測臺站強震記錄參數

2 場地非線性反應評估

2.1 場地非線性反應評估方法介紹

國內外經驗表明，強震作用下，土層的非線性反應會導致場地的強震記錄比理論線性模擬結果要小很多。目前國際上主要采用DNL指標(Degree of Nonlinear Site Response)來評估場地的非線性程度[7-8]，DNL指標代表強震與弱震H/V譜比曲線在0.5～20 Hz的差異，通過強震和弱震下的譜比曲線面積差異來衡量場地的非線性程度，其的計算公式為

(1)

式中：Rstrong為強震在頻率點fi的 H/V譜比;Rweak為弱震在頻率點fi平均譜比,參與計算的頻率點范圍為0.5～20 Hz,N1和N2分別對應于0.5 Hz和20 Hz的頻點序號。為避免人工截取S波和加窗平滑方法不同導致的誤差，本文采用5%阻尼比下的速度反應譜來計算H/V譜比[9]。

2.2 數據篩選

由于高鐵地震臺站的2個監測點相距40 m左右，近遠2個監測點均布設在同一原狀土層界面，因此可假設2個監測點的場地類別一致，近遠高鐵監測點強震記錄均可用于判斷場地類別。一般認為當地表強震動記錄峰值達到100 cm/s2以上時，土層會發生非線性反應[10]。姚鑫鑫等[11]評估汶川地震強余震場地的非線性反應，結果表明當PGA>100 cm/s2時，可認為場地發生顯著的非線性反應，在主震中PGA較大的臺站，當PGA>50 cm/s2時，也顯示出場地的非線性反應。Rubinstein等[12]通過分析加州帕克菲爾德地區的中小地震后，發現在峰值加速度大于35 cm/s2時也可能出現非線性反應。謹慎起見，根據表1所示，篩選門源主余震中每個臺站峰值加速度大于35 cm/s2的記錄計算強震譜比曲線，小于35 cm/s2的記錄計算弱震的平均譜比曲線，代入式(1)計算DNL指標。AT所16臺和AT所11臺的峰值加速度計算均未超過35 cm/s2,因此不考慮土層非線性反應。

2.3 土層非線性評估結果

利用強震記錄計算的高鐵臺站非線性指標DNL值如表2所示。目前認為峰值小于100 cm/s2的臺站DNL值在2～3，超過100 cm/s2的臺站DNL值普遍大于3。門源變電所臺和AT所12臺的DNL值均在3以下，表明2個臺站的近遠高鐵監測點場地未發生顯著的場地非線性反應。Noguchi and Sasatani利用日本KiK-net和K-net臺網數據進行場地非線性反應評估時也遇到類似的情況，即峰值較大的臺站計算出的DNL值小于3，他們認為是場地相對較堅硬的原因。門源變電所臺站近遠監測點3.6級余震記錄計算的DNL值分別為3.17和5.44，表明2個監測點場地發生顯著的非線性反應。

表2 臺站非線性場地反應程度表

3 基于H/V譜比法的高鐵地震臺站場地分類

3.1 基于H/V譜比法確定場地條件的方法介紹

本文計算4個高鐵臺站3次地震的5%阻尼比下的速度反應譜，并根據Ji等總結的中國強震臺站經驗場地分類方法來對高鐵地震臺站進行場地分類，3類場地的H/V速度反應譜標準譜比曲線如圖2所示，場地分類流程圖步驟如圖3所示。計算步驟歸納為

步驟1 對三分向強震記錄在0.25～25 Hz頻帶內使用四階巴特沃斯濾波器濾波；

步驟2 計算濾波后的三分向強震記錄在5%阻尼比下的速度反應譜；

步驟3 利用式(2)計算譜比值H/V,式中EW,NS和UD分別為步驟2中計算得到的東西、南北和豎直方向記錄在5%阻尼比下的速度反應譜值；

(2)

步驟4 將同一個臺站多次地震得到的譜比值H/V平均，得到臺站的平均譜比曲線；

步驟5 統計測點譜比曲線的峰值P和卓越周期Tg，并分別計算與我國Ⅱ類和Ⅲ類場地標準譜比曲線的譜形匹配指標SI(Ⅱ)和SI(Ⅲ)，見式(3)，式中：n為所取的周期點個數；di為第i個周期處測點譜比曲線與我國Ⅱ類或Ⅲ類場地的經驗標準譜比曲線值的差。SI值越大，代表與經驗標準譜比曲線越接近，取SI值大者對應的場地分類結果。

(3)

步驟6 對SI值進行0.05顯著水平下的Sperman 秩相關系數校驗，即當SI值大于0.460時，才接受場地分類結果，否則認為場地不可用本方法分類。

圖2 中國三類場地標準譜比曲線Fig.2 Mean HVSR curves for three site classes defined in the Chinese seismic code

圖3 中國強震臺站經驗場地分類流程圖Fig.3 Flowchart of proposed empirical site classification scheme for national strong motion observation network system station

3.2 強震數據篩選

一般認為當土層發生引起譜比卓越周期和幅值變化的非線性反應時，會導致場地誤判。根據上文的臺站場地非線性反應分析，僅門源變電所臺站近遠高鐵監測點在3.6級地震中場地發生顯著的非線性反應，故在進行場地分類時剔除這2個記錄。高鐵地震臺站2個監測點距離約40 m，可假定2個監測點的場地類別一致，可共同計算臺站平均譜比曲線。篩選后門源變電所臺站有4組強震記錄，AT所12臺站有6組強震記錄，AT所12臺站和AT所16臺站各有2組強震記錄用于場地分類計算。

3.3 場地分類結果

利用上文方法對臺站進行分類，4個高鐵地震臺站的譜比曲線如圖4所示，場地分類結果如表3所示。從圖4中可以看出，門源變電所臺站的平均譜比峰值主要分布在0.16～0.42 s，AT所12臺站的平均譜比曲線峰值主要分布在0.17～0.22 s，2個臺站的卓越周期都處于Ⅱ類場地0.15～0.45 s的統計范圍之內，且譜形匹配指標SI值較高，表現出顯著的Ⅱ類場地譜比曲線特征。AT所11臺站的平均譜比曲線表現出明顯“雙峰現象”，即在場地卓越周期出現第1個波峰，然后在0.9 s處出現第2個波峰，這是Ⅲ類場地標準譜比曲線的顯著特征，譜形匹配指標SI計算結果也表明AT所11臺站的平均譜比曲線與Ⅲ類場地標準譜比曲線更加相似。AT所16臺站近遠高鐵的譜比曲線與平均譜比曲線幾乎重合，說明AT所16臺站的近遠2個監測點場地條件十分相似，由于其卓越周期小于0.15 s且譜比峰值小于4，按照經驗場地分類方法直接劃分為Ⅰ類硬土場地。

圖4 臺站平均譜比曲線Fig.4 Station average spectral ratio curves

表3 臺站場地分類結果

4 高鐵地震臺站近遠高鐵監測點場地條件評估

4.1 高鐵地震臺站監測點場地條件分析

地震動主要受震源(震源破裂過程)、傳播路徑(波在地殼中的傳播過程)和場地條件的影響。高鐵地震臺站內的2個監測點距離約40 m，相對幾十公里以外的地震來說，可認為震源和傳播路徑一致，影響高鐵地震觀測值的主要因素為場地條件的差異。我國在制定高鐵地震臺站建設方案時，已經考慮到盡量減小2個監測點場地條件差異，因此在2個監測點開挖基坑至老土層，保證2個監測點處于同一土層界面上，如圖1所示。臺站建設在高鐵沿線變電所內，場地平坦，對于相距約40 m的2個監測點來說可以認為地形條件一致。綜合分析得出，高鐵地震臺站2個監測點的場地條件比較類似，但高鐵的這種基于經驗的建臺方案并未得到定量數據的驗證。

4.2 高鐵地震臺站近遠高鐵監測點場地類別相似性分析

前文介紹的譜形匹配指標SI可以表征2個譜比曲線的相似程度，SI值越大，代表2個譜比曲線越接近。本文利用式(2)分別計算4個臺站近遠高鐵監測點在門源6.4級主余震作用下的譜比曲線，并利用式(3)計算近遠高鐵監測點譜比曲線的譜形匹配指標SI。近遠高鐵監測點譜形匹配指標SI值計算結果如表4所示。4個臺站的近遠高鐵監測點譜比曲線在3次地震中表現出良好的相似性，SI值均高于0.7，遠高于0.460，通過了0.05顯著水平下的Sperman 秩相關系數校驗，表明高鐵地震臺站近遠高鐵監測點的譜比曲線具有高度相似性，而臺站譜比曲線與場地類別密切相關，因此2個監測點場地條件較為相似。

表4 近遠高鐵監測點譜形匹配指標SI計算結果表

4.3 高鐵地震臺站近遠高鐵監測點場地類型相似性驗證

門源變電所臺站和AT所12臺站都記錄到3次地震數據，將2個臺站的近遠高鐵監測點分別計算平均譜比曲線并采用我國強震臺站經驗場地分類方法進行場地劃分，2個臺站近遠高鐵監測點的譜比曲線如圖5所示，場地分類結果如表5所示。從平均譜比曲線來看，門源變電所臺站和AT所12臺站的近遠高鐵監測點譜比曲線形狀相似，且與標準譜比曲線的譜型匹配指標較高，都超過了0.7，其近遠高鐵監測點都劃為同一場地類別，表明了我國高鐵地震臺站建設方案的合理性。

圖5 高鐵地震臺站近遠高鐵監測點平均譜比曲線Fig.5 Near and far monitoring points average spectral ratio curves of high-speed railway seismic station

表5 高鐵地震臺站近遠高鐵監測點場地分類結果

4.4 高鐵地震臺站近遠高鐵監測點峰值差異分析

譜形匹配結果表明門源變電所臺站和AT所12臺站近遠高鐵監測點場地類型一致，但在門源6.4級主震中門源變電所臺站和AT所12臺站記錄的近遠高鐵監測點峰值加速度仍有明顯的差別，而AT所16臺站和AT所11臺站記錄的峰值加速度差別不大。這可能是由于強震作用下場地非線性反應引起的，場地非線性會導致土體發生塑性變形，剪切模量減小，阻尼比增大，地震動記錄比線性理論模擬得到的地震動小。上文計算的臺站場地非線性指標表明，雖然門源變電所臺和AT所12臺站在門源6.4級主震中未發生顯著的非線性反應，但計算的DNL參數表明門源變電所近高鐵監測點場地的非線性程度高于遠高鐵監測點，AT所12臺站遠高鐵監測點場地的非線性程度高于近高鐵監測點。統計結果表明，對于某些較硬的場地，雖然記錄的峰值加速度值較高，但得到較低的DNL值，表明較軟場地比較硬場地更容易出現場地非線性反應，從而導致記錄的加速度峰值偏小。因此認為在門源6.4級強震動作用下，門源變電所臺站和AT所12臺站雖然沒有發生顯著的場地非線性反應，但門源變電所近高鐵監測點和AT所12臺站遠高鐵監測點的場地非線性反應程度相比另外一個監測點要嚴重，從而導致峰值加速度偏小，表明土層場地劃分為同一場地類別仍有軟硬差別，這將導致臺站在強震動作用下的記錄差異。而AT所16臺站和AT所11臺站由于記錄到的峰值加速度值較小，不會引起場地土層的非線性反應，因此近遠高鐵監測點記錄的峰值加速度值相差不大。

5 結 論

本文采用2016年蘭新高鐵地震監控系統臺站記錄到的門源6.4級主余震強震數據，計算了4個高鐵地震臺站5%阻尼比下H/V速度反應譜比曲線，分析了4個臺站的場地非線性反應程度，采用中國強震臺站經驗場地分類方法，利用譜比曲線的卓越周期、峰值和譜形匹配指標3個參數完成了對4個高鐵地震臺站的場地分類。比較了同一個高鐵地震臺站在3個地震作用下近遠高鐵2個監測點的譜比曲線，確定二者譜比曲線的相似性，完成了高鐵臺站近遠高鐵監測點場地條件評估。本文的研究工作對于我國高鐵地震監控系統的建設和強震數據的應用具有重要的參考價值，主要表現在。

(1)我國所有運行的高鐵地震監控系統均未滿8年，強震記錄十分匱乏。本文在進行譜比法場地分類時，利用場地非線性指標DNL來篩選用于場地分類的強震數據，既保留了峰值加速度較大卻沒有發生顯著非線性場地反應的記錄，也剔除了峰值加速度較小但產生非線性反應的記錄，這種數據篩選方法可以最大程度的利用有限的高鐵強震數據進行場地分類，保證譜比曲線能夠體現場地的平均特性。

(2)本文利用中國強震臺站經驗場地分類方法完成了高鐵地震臺站的場地分類，在我國高鐵臺站場地資料缺失的情況下，可先利用強震記錄的譜比曲線完成場地分類，并利用場地分類信息開展高鐵沿線區域地震動衰減關系研究、加速度和烈度分布圖繪制以及結構抗震等研究。

(3)本文對于我國高鐵地震臺站近遠高鐵監測點的布臺方式合理性進行了驗證，通過門源6.4級主余震強震數據證明了4個高鐵臺站近遠2個監測點的譜比曲線的相似性，分別對門源變電所臺站和AT所12臺站近遠高鐵監測點進行場地分類，結果表明場地類型一致，驗證了現行高鐵地震臺站建設方法的合理性，有利于我國高鐵地震臺站建臺方案的推廣應用。雙監測點場地條件相似性評估方法也可用于現有高鐵地震臺站的場地條件評價。

(4)本文對同一場地類型下高鐵近遠2個監測點的加速度峰值差異進行了分析，發現門源變電所臺站和AT所12臺站的近遠高鐵監測點的峰值差異較大，而AT所16臺站和AT所11臺站峰值差異小，這可能是同一場地類別的土層仍有軟硬差異導致的，較軟的場地在強地震動作用下非線性程度更高，導致強震動記錄偏小。AT所16臺站和AT所11臺站由于記錄到的峰值加速度值較小，未發生場地非線性反應，因此峰值加速度差異較小。