铁山港跨海特大桥地震安全性评价研究

欧展良 李晓明 莫天健 庞贻鸿

摘要：文章结合铁山港跨海特大桥工程实例，通过开展桥梁近场区地震地质、工程地质等相关勘测，研究地震危险性概率和设计地震动参数，并对工程场地地质灾害进行了评价。研究成果为桥梁工程抗震设计提供了参考数据。

关键词：跨海特大桥;工程地质;地震安全性评价;地震动参数

0 引言

铁山港跨海特大桥位于广西北海市合浦县境内，桥梁跨越铁山港海湾，总长4279m。根据场地工程地质勘察报告[1]及中国地震动参数区划图[2]，桥址区地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期为0.35s，地震基本烈度为Ⅵ度。但该桥梁工程为对社会有重大价值或者有重大影响的工程，其设计地震动参数由地震安全性评价专门确定。本次研究成果可为类似桥梁场地地震安全性评价提供参考[3][4]。

1 场地工程地质条件

工程场地地貌类型属海积漫滩地貌，海面相对较窄，为海积砂泥质浅海岸地带。坡面向海中倾斜，坡度较缓，潮间带宽约2.0km。高潮水面宽度可达4.2km，低潮时仅1.3km，海湾最深约11.0m。

工程场地覆盖层主要由第四系填土、淤泥质砂土、细砂、粗砂、砾砂、黏土等组成，其中填土、淤泥质砂土、细砂、粗砂层土质相对较软;砾砂、黏土层土质较均匀，厚度为0.4～53.5m;下伏基岩为砾岩（K2a）及灰岩（C1ds），砾岩属软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ类;灰岩属较硬岩，岩体基本质量等级为Ⅳ类。

工程场地地表水为铁山港海湾，潮汐特征属非正规全日潮，涨潮历时15h，退潮历时10h，主槽东侧最大落潮流速为0.82m/s，多年平均潮差为2.45m;地下水类型为松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙水及碳酸盐岩裂隙溶洞水，接受大气降水及潮汐运动海水补给，水量中等。

2 近场区域地震构造评价

近场区是指以本桥梁中心桩号为中心，半径25km范围的区域。本文收集整理了近场区相关地震地质等资料，结合历史和现代地震活动，综合评价了近场区地震构造环境。

2.1 地震活动性

近场区自公元1507年有地震记载至今，没有M≥4.7级地震记录。自有地震资料观测以来，近场区记录了51次M≥1.0的地震，最大的地震是2001-08-10北部湾M3.4级地震。工程场地自有历史资料记载以来共遭受多次4级以上历史地震影响，最大影响烈度为Ⅵ度。

2.2 地震构造评价

区域位于华南加里东褶皱系的粤西隆起区西缘及其与钦州华力西褶皱带的交接地带。新构造运动主要表现为大面积间歇性升降运动、断裂和断块差异运动、新近纪和第四纪火山活动。区域断裂按走向可分为北东向、西北向、北东东向和东西向4组，这些断裂带对地震、地貌、新生代盆地或火山活动均有控制作用。区域内最大的地震为琼山7.5级地震。综上所述，区域具备发生7.5级地震的发震构造条件。

近场区跨越了六万大山断块隆起区和云开大山断块隆起区，新构造运动主要表现为总体向南掀斜抬升和大面积间歇性升降运动。北东向的合浦—北流断裂带两条组成断裂对新生代地层分布有一定控制作用，其余断裂的活动性较弱。近场区最大地震记录为六万大山断块隆起区6.75级地震。综上所述，近场区具备发生6.0级地震的发震构造条件。

2.3 场地土体剪切波速测定及结果分析

剪切波速是划分场地类别的关键性依据，同时也是确定地震动参数的重要指标。本场地土层剪切波速测试采用单孔检层法。工作原理是在场地钻孔内设置速度拾波装置，通过冲击振动法来拾取钻孔内波速传播数据，通过公式计算分析场地剪切波速。

以测试结果分析，在场地范围内选择了8个能反映和控制桥梁场地岩土层结构特征的工程地震钻孔，结合钻孔取样、拾震器接收数据及工程地质条件分析，得出钻孔的平均剪切波速和覆盖土层厚度。经过计算分析，工程场地土层剪切波速范围为125.0～270.8m/s，覆盖土层厚度为1.9～17.3m。综合判定工程场地土层属于中软土，场地类别为Ⅱ类（详见表1）。

3 地震危险性概率分析

地震危险概率分析方法主要考虑了地震活动的空间时间不均匀性，将基本思路和计算方法总结为以下几个方面：

（1）由地震活动空间时间不均匀性、未来100年的地震活动水平和地震危险空间的相对分布概率，来确定地震统计单元。

（2）分别设定地震带地震震级的上限和下限以及未来地震的年平均发生率，计算今后地震的概率，同时地震活动性遵从修正的震级频度关系。

（3）依据潜在震源区内部地震活动的一致性，列出空间分布函数，用来反映各震级规模地震在各潜在震源区上分布的空间不均匀性，进而划分潜在震源区;然后根据分段泊松分布模型和全概率公式，计算影响到场点地震动參数值超越给定值的年超越概率;最后假设多个地震带对工程场地位置有潜在影响，综合所有地震统计区的影响得出地震危险性概率[5][6]。

根据上述分析方法计算，分别得到场地50年超越概率为63%、10%、2%和100年超越概率为63%、10%、5%、2%的基岩水平向峰值加速度和加速度反应谱，计算结果列于表2。基岩地震动峰值加速度（A）与超越概率（P）关系曲线绘于图2，基岩水平加速度反应谱绘于图3。

[HT5"H][JZ]图3 场地50年、100年不同超越概率基岩水平[JZ]加速度反应谱曲线图[KH-*1]

4 场地设计地震动参数的确定

（1）根据上述地震危险性概率分析方法，以基岩加速度反应谱和峰值为目标，用数值模拟的方法合成地震动时程，作为场地土层地震动力反应分析的地震动输入值;（2）根据工程场地地震活动性确定场地数值模型;（3）通过数值模型，计算在基岩底部地震波传播的反应情况，分别得出不同地震波输入时对应的场地地震反应信息;（4）综合评价得出场地数值模型下的地震动时程、加速度反应谱及地震动参数[5]。

根据地震安全性评价报告，桥梁场地设计地震动加速度反应谱取为：

根据式（3）[4]，结合地震危险性概率分析方法计算出的地震动加速度反应谱（阻尼比0.05）结果，得到相应的拟合曲线，作为工程场地地面处水平向设计地震动加速度反应谱曲线。在确定设计地震动峰值加速度时，考虑地震动峰值加速度和加速度放大系数反应谱平台值，综合确定工程场地50年超越概率63%、10%、2%和100年超越概率63%、10%、5%、2%水平向设计地震动参数（阻尼比0.05），见下页表3，相应的设计地震动反应谱绘于图4。

通过研究成果对地震安全性进行评价：工程场地遭遇50年超越概率2%，100年超越概率10%、5%、2%的地震作用时，地面峰值加速度分别为0.156g、0.113g、0.145g、0.197g，反应谱特征周期分别为0.45s、0.40s、0.45s、0.50s，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。故本桥梁工程应按地震基本烈度为Ⅶ度进行抗震措施设计。

5 场地地震地质灾害评价

工程场地主要由填土、淤泥质砂土、细砂、中粗砂、黏土、砾岩、灰岩等地层组成。当工程场地遭遇地震烈度达Ⅶ度地震作用时，对未来地震地质灾害进行评价如下：

5.1 砂土液化

采用标准贯入试验判别法对工程场地可能产生砂土液化的淤泥质砂土、细砂、粗砂层进行砂土液化判别[7]（如表4所示）。结果表明：当遭遇地震烈度达Ⅶ度地震作用时，场地内淤泥质砂土、细砂和粗砂层为可液化土层，淤泥质砂土、细砂层液化等级多为中等级别，粗砂层多为不液化，少数为中等级别。可液化土层层厚较小，埋深较浅，建议桥梁建设采用嵌岩桩基础，避免因地震砂土液化对桥梁造成破坏。

5.2 软土震陷

工程场地内淤泥质砂土多呈松散状，土质较软，分布较广泛。根据勘察报告，该层土体为软土。其不良影响主要表现在土体结构疏松、含水量大，具有低强度、高压缩性、触变性、流变性等特征。当遭遇地震烈度达Ⅶ度地震作用时，具备软土震陷的条件。建议桥梁建设采用嵌岩桩基础，防止软土震陷对桥梁造成破坏。

5.3 岩溶塌陷

根据勘察报告，工程场地钻孔遇洞率为29.73%，洞径为0.20～12.40m，线岩溶率为8.48%。溶洞多为黏性土及砂土充填，部分无充填或呈半边岩，岩溶中等发育。当遭遇地震烈度达Ⅶ度地震作用时，具备了产生岩溶塌陷的地震和地质条件。建议桥梁建设采用嵌岩桩基础，防止岩溶塌陷对桥梁产生破坏。

5.4 断层地表错动

根据场地工程地质调查，结合附近场区地震地质构造研究成果，工程场地及其附近没有活动断层通过。因此，本工程场地可不考虑断层地表错动影响。

6 结语

本文通过具体实例的研究分析，对跨海特大型桥梁的抗震设计，应根据桥梁所处的场地地质环境、地震地质，结合场地岩土体剪切波速测试，通过理论计算分析，从地震危险性概率分析着手研究，获得适合于本桥梁的各种地震动数据，为桥梁的抗震设计提供基本地震动参数，并对工程场地未来地震地质灾害进行了评价。安全可靠的地震动参数设计，为桥梁的抗震安全提供基本保障。

参考文献：

[1]兰海高速钦州至北海段改扩建工程两阶段施工图设计铁山港跨海特大桥工程地质勘察说明[R].南宁：广西交通科学研究院有限公司，2019.

[2]GB18306-2015，中国地震动参数区划图[S].

[3]GB17741-2005，工程場地地震安全性评价[S].

[4]兰海高速钦州至北海段改扩建工程两阶段施工图设计铁山港跨海大桥工程场地地震安全性评价报告[R].南宁：广西工程防震研究院，2019.

[5]史红[XC珺-1.TIF].工程场地地震安全性评价研究[D].西安：西安建筑科技大学，2017.

[6]陈 鲲.针对大地震设防的地震动参数确定方法研究[D].北京：中国地震局地球物理研究所，2013.

[7]JTG/TB02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S].