2022年日本福島7.4級地震災害特征

張升，李兆焱，張思宇，袁曉銘

（1.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；2.河北省地震災害防御與風險評價重點實驗室，河北 三河 065201；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

北 京 時 間2022年3月16日22時34分（當 地 時 間3月16日23時34分），日本本州東岸近海發生6.0級地震；2 min后，日本本州東岸近海（北緯37.65度，東經141.95度）發生7.4級地震。兩次震中接近，距離陸地約80 km，距離東京約291 km。宮城縣、福島縣和東京等地震感明顯。本次7.4級地震被認為是2021年2月13日福島縣外海地震（M7.3級）的余震之一［1］。本次地震中共有3人死亡，245人受傷，其中重傷者28人［2］。文中搜集、整理、分析了此次7.4級地震的震害信息，給出了震害嚴重地區地震動的主要特征，具體分析了建筑物破壞、生命線破壞、場地破壞特征，討論了美國地質調查局給出的震害預測方法的不足。震害區10多年來經歷了2005年8月宮城縣海域地震、2011年東北地區太平洋海域地震、2021年2月福島縣海域地震等多次地震后，特別是2011年“311福島地震”，建筑物、生命線系統、場地等得到了不斷加固，這也是本次大地震震害較輕的原因，可以用“幸存者偏差”理論加以解釋［3］。

1 地震動強度及烈度

本次地震最大烈度9.3度，最大峰值加速度出現在MYGH07（川崎）臺，EW分量達到1 233 Gal。地震儀器烈度高烈度區域主要集中在福島縣和宮城縣，見圖1［4］，這一地區也是本次地震震害集中的地區。

圖1 日本本州東岸近海7.4級地震儀器地震烈度分布圖Fig.1 Seismic intensity distribution map of M7.4 seismic instrument off the east coast of Honshu，Japan

2 震害分布和主要特征

7.0～8.0級地震屬于大震范疇，對比發生在人口稠密區域的7級左右地震：2013年同為7.0級的雅安地震也造成193人死亡，導致房屋倒塌7.24萬余棟［5］；2021年海地7.3級地震，造成2 200多人死亡，大量房屋倒塌，國家宣布一個月緊急狀態［6］。我們關注到海地近十年來發生過多起破壞地震，都造成了大量的人員傷亡，建筑物破壞。海地震害大，一方面與其處在北美洲板塊和加勒比海板塊斷層附近大震頻發有關；更重要的一方面，海地建筑以磚混結構為主，貧民區結構未加入抗震設計，抗震性能差，海地屬于不發達國家醫療水平、衛生條件、救援能力都比較差。

對比此次福島7.4級地震，地震導致3人死亡，震害相較人口密集的大地震區域較輕微。

震害主要表現在：建筑物破壞，生命線破壞，場地液化破壞。

同時，地震造成了關東地區大范圍停電，其中東京首都圈有200多萬人口遭受停電影響，見圖2［7］，3 h后供電才得以恢復。本次逆沖型地震雖然引起了海嘯，但由于震源有較深的57 km，所以未引起較大波高，最大波高發生在宮城縣的石卷港，高約30 cm。此外還發生了一些類似火災的較小次生災害。

圖2 東京江東區遭受停電影響Fig.2 Affection of power outage in Kangdong District of Tokyo

2.1 建筑物破壞

建筑破壞主要集中在日本福島縣和宮城縣2個行政區內，地震造成房屋受損10 414例，其中全損64例，半損582例，輕微損壞9 768例，以非結構構件破壞為主。建筑破壞基本集中在2個行政區內：宮城縣3 642例，福島縣6 763例［8］。

本次地震造成的建筑物破壞有如下特征：

（1）易損性結構破壞表現在自重較大的木結構、鋼筋/磚混結構建筑，如：國見町一棟多年無人居住的二層木屋屋頂倒塌，見圖3（a）［9］，分析原因為年久失修且缺少抗剪結構；鹿島區一棟建筑物的下部墻體傾斜，見圖3（d）［10］。

圖3 福島縣建筑物破壞Fig.3 Destruction of buildings in Fukushima Prefecture

（2）非結構構件的破壞是此次地震震害的重要表現形式，如：新地町一棟大型建筑物的外壁脫落，見圖3（b）［10］；相馬市一家量販店的玻璃破碎，見圖3（c）［10］；山元町一棟房屋的卷簾門落下，見圖4（a）［10］；山元町一個庭院內圍墻倒塌，見圖4（b）［10］；藏王町一棟房屋內天花板脫落，見圖4（d）［11］，非結構構件種類繁多且功能各異，動力響應特性和薄弱點相差較大。受強震影響，位于日本宮城縣仙臺市仙臺城遺址的“伊達政宗騎馬像”發生傾斜，導致馬蹄部分斷裂。雕像在此前數次大地震后均完好無損，見圖4（e）［11］，但在此次地震中受剪切力導致馬蹄破壞、銅像傾斜，見圖4（f）［10］，考慮是多次地震累積損傷的結果。

圖4 宮城縣建筑物破壞Fig.4 Destruction of buildings in Miyagi Prefecture

2.2 生命線破壞

鐵路、公路以及橋梁的破壞大多集中在新干線沿線以及河流阿武隈川沿途，震損不是十分嚴重。

2.2.1 橋梁破壞

本次地震造成了大量的橋梁破壞，且有如下特征：

（1）分布比較有規律，基本集中在福島縣的河流阿武隈川沿途以及福島縣和宮城縣相連的新干線沿線，這些地區也是此次地震儀器烈度最高的地區。

（2）破壞形式基本為以下3種：支承破壞、中層梁破壞以及橋墩開裂受損。日本新干線高架橋出現了橋墩墩底的混凝土壓潰和橫系梁的開裂震害，2021年2月14日發生的日本本州東岸近海7.1級地震引起的震害，2次震害相比本次破壞更為突出［12］。分析是由于之前地震破壞造成的累積損傷導致，雖然在上次震后對橫系梁進行了加固，但是并未對橋梁橋墩做相應加固，因此橫系梁只是輕微開裂，橋墩混凝土直接壓潰。

典型橋梁破壞如下：

（1）河流阿武隈川沿途［13－14］：月之輪橋北側橋臺護欄受損，鋼筋外露，見圖5（a）；伊達舊橋支承破壞，見圖5（b）；大正橋周圍有一根柱子倒地，見圖5（c）；昭和大橋支撐銷釘脫落，見圖5（d）；伊達崎橋伸縮裝置錯位，見圖5（e）；梁川橋梁端的橡膠軸承中出現裂紋，見圖5（f）。

圖5 阿武隈川沿途破壞橋梁Fig.5 Damaged bridges along the Abukumagawa river

（2）東北新干線沿線［13－14］：伊達站周邊橫梁開裂，見圖6（a）；桑折站橋墩頂部混凝土脫落，軸向鋼筋彎曲，見圖6（b）；國見町橫梁混凝土脫落，見圖6（c）；齊川橋墩底部混凝土脫落，軸向鋼筋彎曲，見圖6（d）；大平中層梁斷裂，見圖6（e）；白石藏王站高架橋橫梁開裂，見圖6（f）。

圖6 新干線沿線橋梁Fig.6 Damaged bridges along the Shinkansen

2.2.2 公路破壞

本次地震造成的公路破壞特征為：以路面龜裂和扭曲為主要破壞形式。福島縣等地公路路面發生了龜裂和扭曲，部分地區道路交通臨時封閉。最大的破壞出現在東北高速公路宮城縣與福島縣之間下行路段。

由于地震的影響，東北高速公路宮城縣與福島縣之間下行路段出現約50 m長的裂縫，裂縫寬度在30 cm至50 cm之間，深度約10 cm，見圖7［15］。從宮城縣白石交流道到與福島縣交界的10多個地方的路面出現裂縫和路面隆起。

圖7 東北高速公路路面裂縫Fig.7 Pavement cracks of the Northeast Expressway

2.2.3 鐵路破壞

本次地震鐵路破壞特征少，都與橋梁破壞相關。地震造成福島、宮城以及東京等多地鐵路和地下交通臨時中斷［16］，最嚴重的破壞導致了東北新干線脫軌，見圖8［17］，造成列車車廂出現傾側。脫軌原因主要是：該區域橋梁因地震導致出現了高架橋中層梁斷裂的現象，橋面產生變形位移，進一步導致鐵軌變形，最終造成列車脫軌。

圖8 東北新干線脫軌Fig.8 Derailment of the Northeast Shinkansen

2.3 場地破壞（液化）

若松等［18］對震后各地進行勘測，確認了宮城縣亙理町荒濱地區和新小橋地區在此次地震中發生了砂土液化。荒濱地區在1978年宮城縣沖地震，2005年8月宮城縣海域地震，2011年東北地區太平洋海域地震，2021年2月福島縣海域地震均發生了砂土液化，這次的地震是該地區第5次震后發生砂土液化。而新小橋地區則是發生了繼2011年、2021年后的第3次震后砂土液化。該地區的3次地震引起的砂土液化均導致住宅發生損害。

一般認為，地基由于歷次砂土液化的發生和經年效應而逐漸收緊，經歷的液化次數越多越難發生液化。但是，荒濱地區和新小橋地區在同一地點分別反復發生了5次、3次砂土液化，綜合其地理位置，考慮原因為：該地區為沿海地區，雖然發生數次砂土液化排出了大量的孔隙水，但是附近的海水一直在源源不斷的補充地下水位，因此雖然經歷數次砂土液化，該區域依然還會出現液化現象。這也說明了，同一區域液化發生具有可重復性。

宮城縣亙理町荒濱的液化照片如圖9［19］所示。

圖9 亙理町荒濱的液化Fig.9 Liquefaction of the barren shores of Gengli town

3 目前震害預測方法

震后，日本防災研究所和美國地質調查局在短時間內發布了各自的震害預測結果。

日本防災研究所的NIED－CRS系統認為2～50棟建筑物的完全損壞將在大片區域頻繁分布，同時少數區域將出現50～100棟建筑物的完全損壞［20］，合計有103～104棟建筑物完全損壞。相比調查報告中給出的合計64棟建筑物完全損壞的實際震害情況有2個數量級的差距，該系統顯著高估了此次地震造成的建筑物破壞數量和程度。

美國地質調查局的PAGER系統給出的災害預警，如圖10所示［21］，估計地震造成大范圍滑坡和巨大面積的砂土液化現象，實際上收集到底資料中只有宮城縣亙理町荒濱地區和新小橋地區發生砂土液化，也嚴重高估了震害。

圖10 美國PAGER系統給出的震害估計（單位：km2）Fig.10 Earthquake damage estimation evaluation from the PAGER sytem，USA（Unit：km2）

費一凡等［22］在對2021年2月23日發生在日本福島縣東部海域的7.3級地震進行研究時，同樣也發現了NIED－CRS預測方法和PAGER預測方法過高的估計了震害，并提出了RED－ACT系統作為優化方法。

4 結論

通過收集、對比和分析震后的實地勘察數據，大體得出以下結論：

（1）地震動周期在0.5～1.0之間比較強，較大部分建筑物的自振頻率高，且抗震設防標準高，由于該地區地震頻發，建筑物、生命線系統、場地得到了不斷維修和加固，所以本次地震雖然震級高，但是造成的破壞反而很小。

（2）此次地震福島縣和宮城縣發生的建筑物破壞約占破壞總數的98%，而完全破壞的建筑物僅占破壞總數的約0.6%。數據表明，建筑物分布比較集中而且破壞程度不嚴重；同時，非結構構件的破壞是此次地震中建筑的重要震害特征。

（3）不管是鐵路、公路還是橋梁的破壞，震級大破壞小是此次地震生命線破壞的一個重要特征。此外，大多數破壞發生在福島縣和宮城縣相連的新干線沿線以及福島縣的河流阿武隈川沿途。

（4）此次地震導致的典型液化場地比較特殊：荒濱地區和新小橋地區在多次地震作用下在同地點反復出現了多次砂土液化現象，說明同一場地地震液化具有可重復性。

（5）NIED－CRS系統、PAGER系統過高的估計了此次地震震害，不利于震害評估和災害救援，未來需要完善和發展更加合理的地震災害預測方法。

致謝：中國地震局工程力學研究所地震應急隊員收集了大量的震害資料并快速給出了儀器地震烈度分布圖；日本埼玉大學的黨紀、李欣等老師對地震現場進行細致勘察，提供地震現場震害資料，在此一并表示衷心的感謝！