特長公路隧道場地地震危險性分析

王增運，張建,2，李濤

(1.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，蘭州 730030；2.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070)

隨著“一帶一路”倡議和“西部大開發”戰略的快速推進，越來越多的特長隧道得以在西部地區實施修建。但由于該區域內構造運動強烈，活動斷裂發育，強震多發，未來遭遇地震的危害性較大，因此必須重視該地區工程設施抗震設防研究，而合理的地震危險性分析是做好抗震設防的關鍵基礎之一。

早期地震危險性分析主要是根據歷史地震重演和地質構造外推的準則，利用區域歷史地震活動特征、地震地質構造背景、地震烈度衰減關系等資料，對某一區域內的地震烈度水平進行估計。由于地質構造的復雜以及區域歷史地震資料的缺失，早期分析方法往往會造成較大的隨機誤差。為了更準確研究地震區域的危險性，章在墉等[1]引進了Comell[2]地震危險性概率分析方法，高孟譚[3-4]與時振梁等[5]對該方法進行了改進，使得該方法能夠正確反映中國地震活動的時空異質性，并被廣泛應用于場地地震安全性評價之中[7-8]。Chan等[6]運用時變分析方法對臺灣花蓮地區的地震風險分析進行了研究，考慮了地震間的相互作用以及應力改變的問題，同時加入了地震預測的相關理論研究；蘇立彬等[7]通過地理信息系統(geographic information system，GIS)技術對西藏地區活動構造特征進行了可視化分析，在查閱相關資料和地區史料數據的基礎上，分析了西藏地區的地震易發性和危險性；張龍飛等[8]通過淺層地震勘探，厘定了太原盆地中部潛在的發震斷層情況；胡慶等[9]通過對鄂東襄樊-廣濟斷裂黃州段的地質構造、第四紀活動性、地震活動和現今地殼變形的分析，采用地震構造類比法和矩震級經驗關系，綜合評估了斷裂的未來最大可能發震震級。此外，不少學者通過對潛源區樣本空間、潛在震源模型[10-11]等進行研究，進一步提高了中國地震危險性分析概率(China probabilistic seismic hazard analysis，CPSHA)方法應用于中國地震危險性分析的適用性。

目前關于中國區域地震的危險性分析已經趨于成熟，但有關隧道工程場地地震危險性分析的研究較少，缺少系統全面的危險性分析方法對隧道工程場地的地震衰減關系進行評估，現以柳格高速阿爾金山隧道為工程依托，引用CPSHA法對該隧道工程區域內的地震危險性進行分析，旨在充分估計未來強震對柳格國高敦煌至當金山口公路的影響，最大限度地減輕未來地震可能造成的損失，為工程建設設計單位提供安全可靠、經濟合理的抗震設防標準，研究結果可為同類工程參考。

1 工程概況

柳格高速G3011敦煌至黨金山公路不僅是古“絲綢之路”重要的路線，也是西部大通道西寧至庫爾勒公路的重要組成部分。路線在建阿爾金山隧道自西北向南東向斜穿越當金山和阿爾金山山脈，進口端位于大鄂博頭溝右岸，出口端位于當金山南坡，隧道起訖樁號為YK285+410(ZK285+425)～YK292+962(ZK292+965)，總長7 552 m(7 540 m)，最大埋深530 m，屬于高寒干旱地區雙洞石質特長隧道，隧道位置如圖1所示。

圖1 隧道位置

設計路線采用公路Ⅰ級標準設計，遠場研究區確定以工程場地為中心半徑150 km范圍，近場研究區確定以工程場地為中心半徑25 km的范圍，旨在提供阿爾金隧道工程場地50年超越概率63%、10%、2%風險水平的設計地震動參數，作為工程抗震設防的依據。

2 地震危險性分析

CPSHA方法是針對中國地震活動空間不均勻性的特征，借鑒中國地震區帶劃分、發震構造研究成果，采用地震統計區以及地震統計區劃分的潛在震源區共同反應地震活動的方法[12-13]。地震統計區用以表征地震活動在空間上的大尺度分區、分帶的不均勻性，而潛在震源區用以表征地震區、帶內更小尺度的關聯于具體構造規模、活動性等特征的地震活動不均勻性。

尺度的關聯于具體構造規模、活動性等特征的地震活動不均勻性。其基本步驟如圖2所示。

圖2 基本步驟

在地震統計區內，地震活動的震級分布滿足截斷的指數分布(G-R)關系[14]，特定時段內發生地震次數滿足泊松分布[15]，并且地震活動在不同潛在震源區之間為不均勻分布，而在潛在震源區內部，地震活動則滿足單位面積上的均勻分布，CPSHA方法能夠更加細致地刻畫地震活動時空不均勻性[16]。

2.1 建立潛在震源區模型

在概率地震危險性分析中，潛在震源區模型用以表征關聯于特殊地震構造背景并具有獨立地震活動統計特征的未來地震震源空間分布模型。

在經典方法中，潛在震源區模型就是單一的潛在震源區，它可由斷裂、特殊構造變形帶、地震分布密集區確定，不考慮其內部地震活動可能的不均勻分布。而在CPSHA方法中，潛在震源區模型更加復雜，采用層次型空間分布模型，根據區域地震活動空間分布特征，將潛在震源區模型分為地震統計區和潛在震源區兩個層次，但由于中國的地震活動在地震帶內部不同的段落和部位中小地震活動水平和強度往往表現出分區、分段的差異，同時中強地震活動受到活動斷裂的控制，因此在地震統計區內部，劃分出背景地震活動潛在震源區，再根據斷裂構造和地震活動條帶劃分出構造潛在震源區，三者構成潛在震源區模型，以綜合反映不同尺度區域地震活動分布及其特征，如圖3所示。

圖3 潛在震源區模型

三級潛在震源區模型由地震統計區、背景地震活動潛在震源區(簡稱背景源)和構造潛在震源區(簡稱構造源)構成。三者在空間上構成三級覆蓋，地震統計區位于最底層，背景源覆于其上，構造源覆于背景源之上。

2.1.1 地震構造區的劃分

在地震統計區的基礎上將研究區進一步劃分為三個地震構造區，分別是阿爾金北地震構造區，背景地震5.5級，最大潛在震源7.5級；阿爾金地震構造區，背景地震6.5級，最大潛在震源8.5級；柴達木地震構造區，背景地震6.0級，最大潛在震源7.5級，如圖4所示。

圖4 地震構造區劃分

2.1.2 潛在震源區的劃分

研究區內共劃分13個潛在震源區，其中8.5級潛源1個，8.0級潛源1個，7.5級潛源區4個，7.0級潛源區2個，6.5級潛源區5個。其中1號潛在震源區位于柴達木-阿爾金地震帶的阿爾金北地震構造區，背景源5.5級，2～6號潛在震源區位于阿爾金地震構造區，背景源6.5級；7～13號潛在震源區位于柴達木地震構造區，背景源6.0級，阿爾金隧道工程場地位于5號(7.5級)阿克塞潛在震源區內，距離4號(8.5級)索爾庫里潛在震源區也較近。據此，對隧道工程場地影響較大的主要潛在震源區分別為：4號(8.5級)索爾庫里潛在震源區、5號(7.5級)阿克塞潛在震源區、6號(8.0級)肅北潛在震源區、9號(7.5級)黨河潛在震源區，潛在震源區的分布及震級上限如圖5所示。

圖5 潛在震源區劃分

2.2 地震活動性參數

地震活動性是指地震區域內一定時期的地震活動特性，包括地震的時間、空間分布特點和地震頻度、地震強度的變化。研究地震活動性，主要是根據地震觀測系統測定的(或歷史資料中記載的)地震發生的時間、空間位置(震中距和震源深度)和強度(震級或震中烈度)等基本參數并研究這些參數之間的相互關系。根據前述潛在震源區模型進行地震活動性參數研究，主要分為地震統計區和潛在震源區。

2.2.1 地震統計區

地震統計區的地震活動性參數主要包括：地震統計區震級上限Muz、震級下限M0、地震活動的指數分布系數b值、單位時段內的均值發生率vm0值。地震統計區震級上限Muz在潛在震源區劃分中已經確定，震級下限M0取為4.0級，因此只需求出b值和vm0值即可。

采用新一代全國地震動參數區劃圖編制中確定b值和vm0值的方法，如圖6所示，在不同方案進行統計分析的基礎上，根據地震統計區內實際地震發生率，未來地震活動趨勢分析結果，1970年以來近40年儀器記錄地震資料所反映的中強地震發生次數的分布特點等因素，并基于對未來地震危險性給予合理保守考慮的原則，進行必要的調整。最終確定b值和vm0值。研究區域僅涉及柴達木-阿爾金地震帶，該區域地震記載時間短，部分資料嚴重缺失，因此對于b值和vm0值的調整重點做以下考慮：①M4級以上地震年發生率應大致相當1970年以來地震活動水平；②M5級以上地震年發生率應不低估1920年以來地震活動水平；③較大震級發生率重點考慮1900年以來地震活動情況。

圖6 地震帶擬合曲線

確定地震統計區內部的地震活動性參數為b=0.84，vm0=12，圖6給出了理論計算值與實際統計數據點的比較，可以得到所得的計算參數理論發生率在小震級段，與1970年以來的水平大致相當；在中強震級段較為保守，大致相當1920年以來水平，而在高震級段，不低估1900年以來的大震活動水平，并適當保守。

2.2.2 潛在震源區

潛在震源區地震活動性參數包括震級上限Mu、空間分布函數、地震破裂方向概率分布函數。

(1)震級上限Mu。潛在震源區的震級上限Mu以歷史地震和構造類比為主要依據進行確定，本區域主要潛在震源區的震級上限如圖5所示。

(2)空間分布函數fi。為了不低估高震級地震對場地危險性的影響和充分反映地震活動的時空不均勻性，用按震級檔的空間分布函數來表征各潛在震源區的特征。即地震統計區內第i個潛在震源區Mj震級檔的地震年平均發生率(vi,Mj)可以表示為

(1)

式(1)中：v為地震統計區內震級M≥4地震的年平均發生率；ΔM為震級分檔間隔；Mj為分檔間隔中心對應的震級值；β=bln10；sh(0.5βΔM)為正弦雙曲線函數。

(3)等震線長軸取向分布函數。根據區域地震破壞分布特點，等震線常呈橢圓形，等震線長軸取向對地震危險性起著一定的作用。等震線長軸取向用分布函數f(θ)[式(2)]表示，其概率分布大致分為4種類型：

f(θ)=P1δ(θ1)+P2δ(θ2)f

(2)

式(2)中：P1、P2為取向概率；θ1、θ2為構造走向與正東方向的夾角。

①只有單一走向斷層的震源區，f(θ)=f(θ1)，其中θ1為斷層走向；②有共軛斷層的震源區，f(θ)=0.5δ(θ1)+0.5δ(θ2)，其中θ1、θ2分別為共軛斷層的兩個方向；③對于以一個走向斷層為主，另一個走向斷層為輔的震源區，f(θ)=0.7δ(θ1)+0.3δ(θ2)，其中θ1、θ2分別為主干斷裂與分支斷裂的走向；④對于斷層走向不清的震源區，包括本底地震，則等震線長軸方向在0～100°范圍內均勻分布。

2.3 建立地震動預測模型

地震動預測模型的建立需要借助參考地區的經驗地震動參數衰減關系，運用轉換方法獲得本區的加速度反應譜衰減關系，需要建立參考地區的地震烈度和加速度反應譜衰減關系和本區的地震烈度衰減關系。借鑒前人研究經驗，現以美國西部地區作為參考地區。在地震烈度衰減關系的確定中通常將震源假設為點源，地震烈度衰減取橢圓模型[17]，即

(3)

式(3)中：Ia為橢圓長軸方向的烈度；Ib為短軸方向的烈度；M為面波震級；R為震中距，km；δ為隨機誤差，取0.668。

該衰減關系給出的烈度值為烈度分區的外包線，地震烈度衰減關系如圖7所示。由圖7可知，隨著震中距的增大，長軸方向和短軸方向的地震烈度衰減逐漸加快，這跟阿爾金隧道的場地條件和地質構造條件有關，當震中距超過400 km時，長短軸方向的地震烈度逐漸交匯，說明隨著距離的增大，震源對該地區的影響逐漸減小，即震源遠場區域的影響較小，但不可忽略。

圖7 地震烈度衰減關系曲線

基巖水平加速度峰值和相應反應譜衰減關系用轉換方法得到。俞言祥等[18]在前人研究的基礎上，結合中外強震記錄，得到了美國西部水平向短周期基巖加速度峰值與反應譜衰減關系，即

I=0.514+1.500M-0.006 59R-

2.014lg(R+10)

(4)

基巖水平加速度峰值衰減模型的形式為

lgSa=c1+c2M+c3M2+c4lg[R+c5exp(c6M)]

(5)

式(5)中：Sa為加速度反應譜或峰值加速度，cm/s2；c1、c2、c3、c4、c5、c6為回歸系數。

由于烈度衰減關系中距離常數項系數不一致，并且計算過程中采用了震級飽和的形式，轉換過程中考慮如下兩點：①考慮美國西部烈度衰減是按烈度數據點統計，而中國西部烈度衰減按包絡線這一情況造成的差別；②按數值擬合方式確定衰減系數。

該地區的加速度峰值衰減關系為

(6)

基巖水平加速度峰值的長短軸衰減關系如圖8所示，隨著地震烈度的增加，長短軸的加速度峰值衰減逐漸變緩，在近場區域內，隨著距離的增加，兩者的加速度峰值逐漸接近，在遠場區域內，隨著距離的增加，兩者的加速度峰值逐漸變遠。表1和表2分別為該地區水平向基巖加速度反應譜衰減關系系數。

表2 阿爾金隧道地區水平基巖加速度峰值和反應譜衰減關系系數(短軸)

圖8 基巖水平加速度衰減關系曲線

表1 阿爾金隧道地區水平基巖加速度峰值和反應譜衰減關系系數(長軸)

2.4 計算場點的地震危險性

采用全概率理論，計算各地震統計區內所有潛在震源區發生的地震在場點產生的地震動超越概率，綜合得到場點地震動參數的超越概率曲線，確定場點的地震危險性。依據CPSHA方法的基本步驟和全概率公式可得到基于潛在震源區參數的場點地震動參數A超越給定值a的超越概率為

P(A≥a)=1-

(7)

式(7)中：Nks為第k個地震統計區內潛在震源個數；NM為震級分檔數；Nz為區域內地震統計區數；P[A≥a|Mj,(x,y)]為衰減關系擬合方差導致的隨機不確定性；Aski為第k個地震統計區內的第i個潛在震源區面積；Muzk為第k個地震統計區的震級上限；βk=bkln10；vM0k為M0級以上地震年平均發生次數；fki,Mj為第k個地震統計區內第i個潛在震源區、第Mj震級檔的地震空間分布函數。

阿爾金隧道全長7.6 km，位于阿克塞7.5級潛在震源區，選取阿爾金山隧道進口、中心點和出口作為計算控制點，表3給出了阿爾金隧道場地50年不同超越概率下的基巖水平加速度峰值，圖9給出了不同位置在不同超越概率水平基巖加速度反應譜曲線，圖10給出了各潛在震源區對阿爾金隧道工程場地的危險性貢獻。

表3 阿爾金隧道場地不同超越概率基巖水平峰值加速度

從圖9可以得出，在相同的周期下，阿爾金隧道工程場地在50年超越概率63%、10%、5%的基巖水平加速度峰值反應譜衰減關系呈現先增大后減小的趨勢，且三種超越概率反應譜曲線的起點與終點最終趨于重合，這是由于地震加速度衰減曲線為橢圓模型，而在遠場區域，發震構造對隧道工程場地的影響已經消失。

圖9 基巖水平加速度反應譜

從圖10可以看出，在50年超越概率63%的風險水平下，貢獻最大的潛在震源區為：5號、6號、7號和4號潛在震源區；50年超越概率為10%的風險水平下，貢獻較大的潛在震源區為：5號和6號潛在震源區；50年超越概率為2%的風險水平下，貢獻較大的潛在震源區為：5號潛在震源區，綜上，對于阿爾金隧道工程場地而言，5號潛在震源區具有較大的地震威脅。

圖10 地震危險性貢獻

3 結論

通過CPSHA方法分析了阿爾金隧道工程場地的地震危險性，主要有以下結論。

(1)在概率地震危險性分析中，采用層次型空間分布模型對潛在震源區模型進行劃分，能夠更加細致地刻畫地震活動的時空不均勻性，通過地震統計區、背景源、構造源三者之間在空間上的覆蓋，能夠很好地克服中國的地震活動在地震帶內部不同的段落和部位中表現的分區、分段差異。

(2)在潛在震源區模型中，背景源重點表征構造源以外地震活動的水平，注重給予沒有識別出發震構造的地區以一定的地震危險性背景，反映對發震構造認識的不確定性，對于發震構造較難識別的中等強度地震活動區，背景源的劃分更加重要，目前這類地區中強地震發震構造認識水平的不足，不應忽視其可能的地震危險性。

(3)由于震源特性、應力背景、介質品質因子等地震環境因素的差異，不同地區的地震動衰減關系是不同的，借助外地地震動衰減關系，通過轉換的方法，可以獲得中國不同區域相應的地震動衰減關系，進而應用于中國隧道工程的地震危險性分析。

(4)通過CPSHA方法得到的工程場地地震危險性分析結果，可以作為基巖場地建筑物抗震驗算的依據，也可以作為場地地震動力反應分析的輸入參數。