宋晉東，教聰聰，李山有，侯寶瑞

(1.中國(guó)地震局 工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱　150080；2.中國(guó)地震局 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱　150080)

地震是一種發(fā)生概率小但對(duì)鐵路行車安全危害性極大的突發(fā)性自然災(zāi)害，特別是當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到200 km·h-1以上時(shí)，地震對(duì)路基、橋梁、隧道、軌道等結(jié)構(gòu)的沖擊都可能在極短時(shí)間內(nèi)造成十分嚴(yán)重的損失和人員傷亡。在這種形勢(shì)下，對(duì)高速鐵路而言，如果能在破壞性地震動(dòng)到來前提早哪怕是短短的幾十秒甚至幾秒實(shí)施地震緊急處置，將大大降低旅客生命財(cái)產(chǎn)損失的發(fā)生概率，因此，建設(shè)地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)高速鐵路來說是一項(xiàng)非常有效的防震減災(zāi)手段[1-2]。

高速鐵路的緊急處置主要分為兩種，即報(bào)警與預(yù)警。報(bào)警，指的是高速鐵路沿線地震計(jì)觀測(cè)到的地震加速度[用PGA(cm·s-2)表示，定義為0.05～5.00 Hz帶通濾波后水平向地震加速度合成記錄的峰值[3]]超過給定的閾值時(shí)發(fā)布緊急處置信息。預(yù)警，指的是利用高速鐵路沿線地震計(jì)觀測(cè)到的地震波初期信息，快速估計(jì)地震震源參數(shù)，并預(yù)測(cè)地震對(duì)鐵路沿線的影響，搶在破壞性地震波到達(dá)之前發(fā)布緊急處置信息[4]。在高速鐵路地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，報(bào)警、預(yù)警均實(shí)現(xiàn)三級(jí)地震警報(bào)，由低到高分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)，相應(yīng)的實(shí)測(cè)或預(yù)測(cè)PGA閾值分別為40，80，120 cm·s-2[5]。

在高速鐵路地震緊急處置中，報(bào)警的優(yōu)點(diǎn)是緊急處置較為準(zhǔn)確，但由于報(bào)警時(shí)破壞性地震波已經(jīng)到來，缺點(diǎn)是獲得的緊急處置時(shí)間不足。預(yù)警的優(yōu)點(diǎn)是相比較報(bào)警可以獲得較多的緊急處置時(shí)間，而預(yù)警僅僅利用了少量臺(tái)地震P波到來后的初期信息，缺點(diǎn)是震級(jí)與震中位置的估計(jì)結(jié)果不準(zhǔn)確。對(duì)于高速鐵路的地震緊急處置來說，時(shí)效性與有效性是反映該系統(tǒng)防震減災(zāi)效果的主要指標(biāo)。提高系統(tǒng)的時(shí)效性，意味著提高緊急處置可用時(shí)間；提高系統(tǒng)的有效性，意味著提高緊急處置的準(zhǔn)確率、降低誤報(bào)與漏報(bào)。尋求時(shí)效性與有效性之間的平衡性是高速鐵路地震緊急處置亟待解決的一項(xiàng)技術(shù)問題。

本文以既滿足高速鐵路地震緊急處置的時(shí)效性又滿足其有效性要求為目標(biāo)，借鑒ZOLLO等[6]利用地震P波的卓越周期τc(s)閾值和最大豎向位移Pd(cm)閾值預(yù)測(cè)地震波速度峰值PGV的思路，采用日本K-net強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中的地震數(shù)據(jù)，提出利用地震P波信息判斷地震時(shí)是否達(dá)到Ⅰ級(jí)地震警報(bào)(PGA是否達(dá)到閾值40 cm·s-2)的方法，即研究基于地震P波雙參數(shù)閾值的高速鐵路Ⅰ級(jí)地震警報(bào)的預(yù)測(cè)方法。

1　地震數(shù)據(jù)的選取及處理

基于以下原則從日本K-net強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)[7]中選取地震數(shù)據(jù)：

(1)時(shí)間為自2007年10月至2015年10月；

(2)發(fā)生于陸地的地震，因?yàn)槲覈?guó)的地震多發(fā)生于陸地；

(3)震源深度為10 km以內(nèi)的地震，因?yàn)槲覈?guó)大部分地區(qū)發(fā)生的是淺源地震，同時(shí)，在震級(jí)相同的情況下，淺源地震會(huì)比深源地震造成更大的破壞性；

(4)震級(jí)為3.0～8.0；對(duì)于震級(jí)為3.0～5.0的地震震中距取0～100 km；震級(jí)為5.0～8.0的地震震中距取0～200 km；

(5)選取P波觸發(fā)后3 s內(nèi)的速度幅值大于0.05 cm·s-1作為信噪比的選取標(biāo)準(zhǔn)篩選數(shù)據(jù)，因?yàn)棣觕的計(jì)算結(jié)果受地震記錄的信噪比影響很大，即τc的計(jì)算需要選取滿足一定信噪比要求的記錄。

基于上述原則共篩選出1 258次地震、5 439組(16 317條)強(qiáng)震數(shù)據(jù)。其中地震震中及臺(tái)站的分布如圖1所示(圖中空心圓的直徑與震級(jí)成正比)。震級(jí)與震中距及記錄數(shù)量的分布如圖2所示。

對(duì)選取的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：

(1) 采用馬強(qiáng)等[8]的方法進(jìn)行地震P波到時(shí)自動(dòng)識(shí)別，并且為確保其準(zhǔn)確性，對(duì)識(shí)別的地震P波到時(shí)進(jìn)行人工校正與處理；

(2) 對(duì)加速度記錄積分1次得到速度記錄，對(duì)速度記錄積分1次得到位移記錄，對(duì)積分后的記錄作0.075 Hz巴特沃斯高通濾波，以消除積分后的低頻漂移現(xiàn)象；

(3) 將水平向加速度進(jìn)行0.05～5.00 Hz帶通濾波，然后進(jìn)行矢量合成。

以我的感觀，展館前一部分從商朝開始采礦的礦坑和春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期采礦的幾個(gè)礦坑，更具震撼力。凝神一看，就能感受得到古時(shí)礦工們采礦的艱難及技術(shù)的專業(yè)性。古時(shí)的那些礦工們?yōu)榫蛉°~礦石，開鑿了豎井、平巷與盲井，并用木質(zhì)框架支護(hù)，采用了提升、通風(fēng)、排水等技術(shù)，使用轆轤提升礦石及汲出地下水。這些高超的采礦工藝技術(shù)誕生于四千年前，我們不能不為先民的創(chuàng)造能力感到自豪。

圖1　選取的地震震中及K-net臺(tái)站分布

圖2　震級(jí)與震中距及記錄數(shù)量的分布

2　預(yù)測(cè)方程及閾值的確定

利用選取的地震數(shù)據(jù)，建立τc與震級(jí)M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系、PGA與Pd的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系；以線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系作為預(yù)測(cè)方程，確定震級(jí)M=6對(duì)應(yīng)的τc閾值，以及PGA=40 cm·s-2對(duì)應(yīng)的Pd閾值。

2.1　τc與M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系及τc閾值的確定

NAKAMURA[9]提出了一種利用地震P波觸發(fā)后初期頻率信息快速估算震級(jí)的方法，該方法被應(yīng)用于日本新干線UrEDAS地震預(yù)警系統(tǒng)；ALLEN等[10]將此方法運(yùn)用于美國(guó)南加州的地震預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試。KANAMORI[11]在NAKAMURA[9]的基礎(chǔ)上，提出了采用τc估算M的方法，即通過建立τc與M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系估算M，且τc的計(jì)算公式為

(1)

其中，

(2)

圖3　地震P波觸發(fā)后1，2，3 s時(shí)間窗下τc與M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系

2.2　Pd與PGA的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系及Pd閾值的確定

WU等[12]分析統(tǒng)計(jì)關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，Pd與PGV存在很高的線性相關(guān)性，因此Pd可以用來快速估計(jì)修正默卡利烈度IMM，進(jìn)而可以快速評(píng)判地震的破壞。ZOLLO等[6]基于上述結(jié)論，將Pd作為利用地震P波信息預(yù)測(cè)PGV的另一個(gè)參數(shù)，并通過Pd與PGV的統(tǒng)計(jì)關(guān)系得到烈度Ⅶ對(duì)應(yīng)的Pd閾值，以此來判斷地震是否具有破壞性。

圖4　地震P波觸發(fā)后1，2，3 s時(shí)間窗下Pd與PGA的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系

3　預(yù)測(cè)方法

圖5　高速鐵路Ⅰ級(jí)地震警報(bào)的4等級(jí)預(yù)測(cè)方法

表1高速鐵路Ⅰ級(jí)地震警報(bào)的4等級(jí)預(yù)測(cè)方法中各預(yù)測(cè)等級(jí)的定義

預(yù)測(cè)等級(jí)實(shí)測(cè)值與閾值比較相應(yīng)的警報(bào)含義3τci實(shí)測(cè)值≥τci閾值，且Pdi實(shí)測(cè)值≥Pdi閾值Ⅰ級(jí)地震警報(bào)，大震、近震2τci實(shí)測(cè)值<τci閾值，且Pdi實(shí)測(cè)值>Pdi閾值無警報(bào)，小震、近震1τci實(shí)測(cè)值>τci閾值，且Pdi實(shí)測(cè)值

4　地震實(shí)例應(yīng)用

2016年4月14日21時(shí)26分(日本標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)，日本熊本縣熊本地方發(fā)生Mj6.5(Mw6.2)級(jí)地震，震源深度11 km，利用該地震數(shù)據(jù)分析本文方法的有效性和時(shí)效性。九州新干線1列6節(jié)車廂編組的新干線800系電力動(dòng)車組(時(shí)速80 km·h-1)從熊本站開往熊本綜合車輛所的回廠過程中發(fā)生脫軌，脫軌地點(diǎn)距離熊本站南側(cè)1.3 km，距離震中約14 km。

日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所(NIED)布設(shè)的K-net強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中，有10個(gè)臺(tái)站位于九州新干線沿線，如圖6所示，其中5個(gè)臺(tái)站的實(shí)測(cè)PGA值超過了40 cm·s-2，分別為FKO011(62.7 cm·s-2)，KMM003(76.3 cm·s-2)，KMM006(521.1 cm·s-2)，KMM008(290.7 cm·s-2)，KMM012(156.8 cm·s-2)，即這5個(gè)K-net臺(tái)站都至少達(dá)到了Ⅰ級(jí)地震警報(bào)的等級(jí)。列車脫軌的位置位于KMM006臺(tái)站與KMM008臺(tái)站之間，這2個(gè)臺(tái)站記錄到的PGA值在九州新干線沿線10個(gè)K-net臺(tái)站中分別為最大和次最大。

圖62016年4月14日熊本6.5級(jí)(Mj)地震九州新干線沿線K-net臺(tái)站分布

4.1　有效性

在地震P波觸發(fā)后1，2，3 s時(shí)間窗下，計(jì)算九州新干線沿線10個(gè)K-net臺(tái)站的τc和Pd值；將該計(jì)算值與本文提出的預(yù)測(cè)等級(jí)方法模型中的τc閾值和Pd閾值進(jìn)行對(duì)比，從而確定各個(gè)臺(tái)站是否會(huì)達(dá)到40 cm·s-2的Ⅰ級(jí)地震警報(bào)；并與臺(tái)站的實(shí)測(cè)PGA進(jìn)行比較，分析預(yù)測(cè)結(jié)果的有效性。

Ⅰ級(jí)地震警報(bào)預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所士，圖7中，實(shí)心方框表示實(shí)測(cè)PGA小于40 cm·s-2，空心方框表示實(shí)測(cè)PGA大于40 cm·s-2，叉形表示預(yù)測(cè)PGA大于40 cm·s-2。由圖7可知：地震P波觸發(fā)后1，2，3 s這3種時(shí)間窗的預(yù)測(cè)結(jié)果一致，表明在熊本地震的震例中，本文方法在P波觸發(fā)后不受計(jì)算時(shí)間窗的影響，1 s的預(yù)測(cè)結(jié)果就可以趨于準(zhǔn)確和穩(wěn)定；實(shí)測(cè)PGA值大于40 cm·s-2的5個(gè)臺(tái)站，本文方法全部預(yù)測(cè)出其PGA值大于40 cm·s-2；實(shí)測(cè)PGA值小于40 cm·s-2的5個(gè)臺(tái)站，本文方法預(yù)測(cè)出其中4個(gè)臺(tái)站的PGA值小于40 cm·s-2，KGS012臺(tái)站預(yù)測(cè)出大于40 cm·s-2，因此KGS012臺(tái)站屬于誤報(bào)。我們推測(cè)誤報(bào)可能的原因是：KGS012臺(tái)站周邊的場(chǎng)地條件導(dǎo)致了τc和Pd計(jì)算值都超過了事先確定的閾值，雖然KGS012臺(tái)站距離震中位置和脫軌位置最遠(yuǎn)，離震中最近的KMM006臺(tái)站也可以迅速做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，誤報(bào)在此次地震中所帶來的影響會(huì)相對(duì)較小，但是在高速鐵路緊急處置中保證警報(bào)的準(zhǔn)確性尤為重要。因此，優(yōu)化本文方法，降低誤報(bào)與漏報(bào)幾率是下一步工作需要重點(diǎn)考慮的問題。

圖7　　　　2016年4月14日熊本6.5級(jí)(Mj)地震Ⅰ級(jí)地震警報(bào)預(yù)測(cè)結(jié)果

需要注意的是，預(yù)測(cè)等級(jí)2也可以表征PGA預(yù)測(cè)值大于40 cm·s-2，但其代表小震級(jí)事件，由于地震震級(jí)越大所造成的地震破壞也可能隨之增大，故本文從預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的角度考慮，選取了預(yù)測(cè)等級(jí)3作為達(dá)到Ⅰ級(jí)地震警報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)。但是，對(duì)于預(yù)測(cè)等級(jí)2是否可以作為預(yù)測(cè)達(dá)到Ⅰ級(jí)地震警報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)，還值得進(jìn)一步分析并開展下一步研究工作。

4.2　時(shí)效性

在時(shí)效性分析中，主要分析在地震P波觸發(fā)后多長(zhǎng)時(shí)間窗內(nèi)可以預(yù)測(cè)出PGA將會(huì)超過40 cm·s-2，并將這個(gè)時(shí)刻與九州新干線脫軌時(shí)刻、氣象廳緊急地震速報(bào)時(shí)刻放在同一個(gè)絕對(duì)時(shí)間軸下，進(jìn)行先后順序?qū)Ρ取?/p>

選取KMM006臺(tái)站進(jìn)行時(shí)效性分析，因?yàn)樵撆_(tái)站距離震中位置最近，且在熊本地震中獲得最大PGA值。圖8(a)顯示了豎向未濾波加速度記錄，記錄的起始時(shí)間為2016年4月14日21時(shí)26分21 s，圖8(b)以PGA時(shí)程為基礎(chǔ)，并在34～43 s范圍內(nèi)進(jìn)行細(xì)部放大。

由圖8(b)可知，KMM006臺(tái)站的地震P波到時(shí)點(diǎn)為36.66 s，依據(jù)有效性分析結(jié)果，地震P波觸發(fā)后1 s即37.66 s可判斷出此次地震在KMM006臺(tái)站將會(huì)達(dá)到40 cm·s-2。KMM006臺(tái)站實(shí)測(cè)達(dá)到40 cm·s-2的時(shí)刻為38.8 s，依據(jù)中村豊[13]推測(cè)，九州新干線的脫軌列車司機(jī)在40.5 s時(shí)感受到了強(qiáng)烈震動(dòng)而選擇手動(dòng)剎車，大約在41.0 s列車開始脫軌。日本氣象廳緊急地震速報(bào)在42.5s時(shí)發(fā)出[14]。因此，本文方法可以在脫軌前3.34 s預(yù)測(cè)出Ⅰ級(jí)地震警報(bào)，且警報(bào)預(yù)測(cè)時(shí)刻比氣象廳緊急地震速報(bào)提前4.84 s。

圖8　2016年4月14日熊本6.5級(jí)(Mj)地震中KMM006臺(tái)站Ⅰ級(jí)地震警報(bào)的預(yù)測(cè)時(shí)刻

5　結(jié)　論

(1)本文利用日本K-net強(qiáng)震數(shù)據(jù)，提出了一種基于P波τc閾值和Pd閾值預(yù)測(cè)高速鐵路Ⅰ級(jí)地震警報(bào)(PGA=40 cm·s-2)的方法。

(2)基于2016年4月14日熊本6.5級(jí)(Mj)地震九州新干線沿線K-net臺(tái)站強(qiáng)震數(shù)據(jù)，采用本文方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以在距離震中最近的KMM006臺(tái)站P波觸發(fā)后1 s準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出Ⅰ級(jí)地震警報(bào)，預(yù)測(cè)出Ⅰ級(jí)地震警報(bào)的時(shí)刻較九州新干線脫軌時(shí)刻和氣象廳緊急地震速報(bào)發(fā)布時(shí)刻分別提前了3.34和4.84 s，這表明本文方法可以滿足高速鐵路地震緊急處置時(shí)效性與有效性的要求；在P波觸發(fā)后1，2，3 s時(shí)間窗的預(yù)測(cè)結(jié)果一致，表明本文方法在P波觸發(fā)后不受時(shí)間窗大小的影響，1 s時(shí)間窗的預(yù)測(cè)結(jié)果就可以趨于準(zhǔn)確和穩(wěn)定；但距離震中最遠(yuǎn)端臺(tái)站出現(xiàn)了誤報(bào)現(xiàn)象，因此，優(yōu)化本文方法，降低誤報(bào)與漏報(bào)幾率是下一步工作需要重點(diǎn)考慮的問題。

(3)預(yù)測(cè)等級(jí)2是否可以作為預(yù)測(cè)達(dá)到Ⅰ級(jí)地震警報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)，值得進(jìn)一步研究分析。

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