2022年日本福岛7.4级地震灾害特征

张升，李兆焱，张思宇，袁晓铭

（1.中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；2.河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室，河北 三河 065201；3.地震灾害防治应急管理部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080）

引言

北 京 时 间2022年3月16日22时34分（当 地 时 间3月16日23时34分），日本本州东岸近海发生6.0级地震；2 min后，日本本州东岸近海（北纬37.65度，东经141.95度）发生7.4级地震。两次震中接近，距离陆地约80 km，距离东京约291 km。宫城县、福岛县和东京等地震感明显。本次7.4级地震被认为是2021年2月13日福岛县外海地震（M7.3级）的余震之一［1］。本次地震中共有3人死亡，245人受伤，其中重伤者28人［2］。文中搜集、整理、分析了此次7.4级地震的震害信息，给出了震害严重地区地震动的主要特征，具体分析了建筑物破坏、生命线破坏、场地破坏特征，讨论了美国地质调查局给出的震害预测方法的不足。震害区10多年来经历了2005年8月宫城县海域地震、2011年东北地区太平洋海域地震、2021年2月福岛县海域地震等多次地震后，特别是2011年“311福岛地震”，建筑物、生命线系统、场地等得到了不断加固，这也是本次大地震震害较轻的原因，可以用“幸存者偏差”理论加以解释［3］。

1 地震动强度及烈度

本次地震最大烈度9.3度，最大峰值加速度出现在MYGH07（川崎）台，EW分量达到1 233 Gal。地震仪器烈度高烈度区域主要集中在福岛县和宫城县，见图1［4］，这一地区也是本次地震震害集中的地区。

图1 日本本州东岸近海7.4级地震仪器地震烈度分布图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级地震属于大震范畴，对比发生在人口稠密区域的7级左右地震：2013年同为7.0级的雅安地震也造成193人死亡，导致房屋倒塌7.24万余栋［5］；2021年海地7.3级地震，造成2 200多人死亡，大量房屋倒塌，国家宣布一个月紧急状态［6］。我们关注到海地近十年来发生过多起破坏地震，都造成了大量的人员伤亡，建筑物破坏。海地震害大，一方面与其处在北美洲板块和加勒比海板块断层附近大震频发有关；更重要的一方面，海地建筑以砖混结构为主，贫民区结构未加入抗震设计，抗震性能差，海地属于不发达国家医疗水平、卫生条件、救援能力都比较差。

对比此次福岛7.4级地震，地震导致3人死亡，震害相较人口密集的大地震区域较轻微。

震害主要表现在：建筑物破坏，生命线破坏，场地液化破坏。

同时，地震造成了关东地区大范围停电，其中东京首都圈有200多万人口遭受停电影响，见图2［7］，3 h后供电才得以恢复。本次逆冲型地震虽然引起了海啸，但由于震源有较深的57 km，所以未引起较大波高，最大波高发生在宫城县的石卷港，高约30 cm。此外还发生了一些类似火灾的较小次生灾害。

图2 东京江东区遭受停电影响Fig.2 Affection of power outage in Kangdong District of Tokyo

2.1 建筑物破坏

建筑破坏主要集中在日本福岛县和宫城县2个行政区内，地震造成房屋受损10 414例，其中全损64例，半损582例，轻微损坏9 768例，以非结构构件破坏为主。建筑破坏基本集中在2个行政区内：宫城县3 642例，福岛县6 763例［8］。

本次地震造成的建筑物破坏有如下特征：

（1）易损性结构破坏表现在自重较大的木结构、钢筋/砖混结构建筑，如：国见町一栋多年无人居住的二层木屋屋顶倒塌，见图3（a）［9］，分析原因为年久失修且缺少抗剪结构；鹿岛区一栋建筑物的下部墙体倾斜，见图3（d）［10］。

图3 福岛县建筑物破坏Fig.3 Destruction of buildings in Fukushima Prefecture

（2）非结构构件的破坏是此次地震震害的重要表现形式，如：新地町一栋大型建筑物的外壁脱落，见图3（b）［10］；相马市一家量贩店的玻璃破碎，见图3（c）［10］；山元町一栋房屋的卷帘门落下，见图4（a）［10］；山元町一个庭院内围墙倒塌，见图4（b）［10］；藏王町一栋房屋内天花板脱落，见图4（d）［11］，非结构构件种类繁多且功能各异，动力响应特性和薄弱点相差较大。受强震影响，位于日本宫城县仙台市仙台城遗址的“伊达政宗骑马像”发生倾斜，导致马蹄部分断裂。雕像在此前数次大地震后均完好无损，见图4（e）［11］，但在此次地震中受剪切力导致马蹄破坏、铜像倾斜，见图4（f）［10］，考虑是多次地震累积损伤的结果。

图4 宫城县建筑物破坏Fig.4 Destruction of buildings in Miyagi Prefecture

2.2 生命线破坏

铁路、公路以及桥梁的破坏大多集中在新干线沿线以及河流阿武隈川沿途，震损不是十分严重。

2.2.1 桥梁破坏

本次地震造成了大量的桥梁破坏，且有如下特征：

（1）分布比较有规律，基本集中在福岛县的河流阿武隈川沿途以及福岛县和宫城县相连的新干线沿线，这些地区也是此次地震仪器烈度最高的地区。

（2）破坏形式基本为以下3种：支承破坏、中层梁破坏以及桥墩开裂受损。日本新干线高架桥出现了桥墩墩底的混凝土压溃和横系梁的开裂震害，2021年2月14日发生的日本本州东岸近海7.1级地震引起的震害，2次震害相比本次破坏更为突出［12］。分析是由于之前地震破坏造成的累积损伤导致，虽然在上次震后对横系梁进行了加固，但是并未对桥梁桥墩做相应加固，因此横系梁只是轻微开裂，桥墩混凝土直接压溃。

典型桥梁破坏如下：

（1）河流阿武隈川沿途［13－14］：月之轮桥北侧桥台护栏受损，钢筋外露，见图5（a）；伊达旧桥支承破坏，见图5（b）；大正桥周围有一根柱子倒地，见图5（c）；昭和大桥支撑销钉脱落，见图5（d）；伊达崎桥伸缩装置错位，见图5（e）；梁川桥梁端的橡胶轴承中出现裂纹，见图5（f）。

图5 阿武隈川沿途破坏桥梁Fig.5 Damaged bridges along the Abukumagawa river

（2）东北新干线沿线［13－14］：伊达站周边横梁开裂，见图6（a）；桑折站桥墩顶部混凝土脱落，轴向钢筋弯曲，见图6（b）；国见町横梁混凝土脱落，见图6（c）；齐川桥墩底部混凝土脱落，轴向钢筋弯曲，见图6（d）；大平中层梁断裂，见图6（e）；白石藏王站高架桥横梁开裂，见图6（f）。

图6 新干线沿线桥梁Fig.6 Damaged bridges along the Shinkansen

2.2.2 公路破坏

本次地震造成的公路破坏特征为：以路面龟裂和扭曲为主要破坏形式。福岛县等地公路路面发生了龟裂和扭曲，部分地区道路交通临时封闭。最大的破坏出现在东北高速公路宫城县与福岛县之间下行路段。

由于地震的影响，东北高速公路宫城县与福岛县之间下行路段出现约50 m长的裂缝，裂缝宽度在30 cm至50 cm之间，深度约10 cm，见图7［15］。从宫城县白石交流道到与福岛县交界的10多个地方的路面出现裂缝和路面隆起。

图7 东北高速公路路面裂缝Fig.7 Pavement cracks of the Northeast Expressway

2.2.3 铁路破坏

本次地震铁路破坏特征少，都与桥梁破坏相关。地震造成福岛、宫城以及东京等多地铁路和地下交通临时中断［16］，最严重的破坏导致了东北新干线脱轨，见图8［17］，造成列车车厢出现倾侧。脱轨原因主要是：该区域桥梁因地震导致出现了高架桥中层梁断裂的现象，桥面产生变形位移，进一步导致铁轨变形，最终造成列车脱轨。

图8 东北新干线脱轨Fig.8 Derailment of the Northeast Shinkansen

2.3 场地破坏（液化）

若松等［18］对震后各地进行勘测，确认了宫城县亘理町荒滨地区和新小桥地区在此次地震中发生了砂土液化。荒滨地区在1978年宫城县冲地震，2005年8月宫城县海域地震，2011年东北地区太平洋海域地震，2021年2月福岛县海域地震均发生了砂土液化，这次的地震是该地区第5次震后发生砂土液化。而新小桥地区则是发生了继2011年、2021年后的第3次震后砂土液化。该地区的3次地震引起的砂土液化均导致住宅发生损害。

一般认为，地基由于历次砂土液化的发生和经年效应而逐渐收紧，经历的液化次数越多越难发生液化。但是，荒滨地区和新小桥地区在同一地点分别反复发生了5次、3次砂土液化，综合其地理位置，考虑原因为：该地区为沿海地区，虽然发生数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断的补充地下水位，因此虽然经历数次砂土液化，该区域依然还会出现液化现象。这也说明了，同一区域液化发生具有可重复性。

宫城县亘理町荒滨的液化照片如图9［19］所示。

图9 亘理町荒滨的液化Fig.9 Liquefaction of the barren shores of Gengli town

3 目前震害预测方法

震后，日本防灾研究所和美国地质调查局在短时间内发布了各自的震害预测结果。

日本防灾研究所的NIED－CRS系统认为2～50栋建筑物的完全损坏将在大片区域频繁分布，同时少数区域将出现50～100栋建筑物的完全损坏［20］，合计有103～104栋建筑物完全损坏。相比调查报告中给出的合计64栋建筑物完全损坏的实际震害情况有2个数量级的差距，该系统显著高估了此次地震造成的建筑物破坏数量和程度。

美国地质调查局的PAGER系统给出的灾害预警，如图10所示［21］，估计地震造成大范围滑坡和巨大面积的砂土液化现象，实际上收集到底资料中只有宫城县亘理町荒滨地区和新小桥地区发生砂土液化，也严重高估了震害。

图10 美国PAGER系统给出的震害估计（单位：km2）Fig.10 Earthquake damage estimation evaluation from the PAGER sytem，USA（Unit：km2）

费一凡等［22］在对2021年2月23日发生在日本福岛县东部海域的7.3级地震进行研究时，同样也发现了NIED－CRS预测方法和PAGER预测方法过高的估计了震害，并提出了RED－ACT系统作为优化方法。

4 结论

通过收集、对比和分析震后的实地勘察数据，大体得出以下结论：

（1）地震动周期在0.5～1.0之间比较强，较大部分建筑物的自振频率高，且抗震设防标准高，由于该地区地震频发，建筑物、生命线系统、场地得到了不断维修和加固，所以本次地震虽然震级高，但是造成的破坏反而很小。

（2）此次地震福岛县和宫城县发生的建筑物破坏约占破坏总数的98%，而完全破坏的建筑物仅占破坏总数的约0.6%。数据表明，建筑物分布比较集中而且破坏程度不严重；同时，非结构构件的破坏是此次地震中建筑的重要震害特征。

（3）不管是铁路、公路还是桥梁的破坏，震级大破坏小是此次地震生命线破坏的一个重要特征。此外，大多数破坏发生在福岛县和宫城县相连的新干线沿线以及福岛县的河流阿武隈川沿途。

（4）此次地震导致的典型液化场地比较特殊：荒滨地区和新小桥地区在多次地震作用下在同地点反复出现了多次砂土液化现象，说明同一场地地震液化具有可重复性。

（5）NIED－CRS系统、PAGER系统过高的估计了此次地震震害，不利于震害评估和灾害救援，未来需要完善和发展更加合理的地震灾害预测方法。

致谢：中国地震局工程力学研究所地震应急队员收集了大量的震害资料并快速给出了仪器地震烈度分布图；日本埼玉大学的党纪、李欣等老师对地震现场进行细致勘察，提供地震现场震害资料，在此一并表示衷心的感谢！