2023年土耳其7.8级地震交通系统震害与启示

黄 勇,谢亚晨,田 亮,吴跃祥

(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. 地震灾害防治应急管理部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

据美国地质调查局(USGS)发布,当地时间2023年2月6日凌晨4时17分在土耳其南部与叙利亚接壤地区发生7.8级地震,震中位于北纬37.174°,东经37.032°,震源深度约为17.9 km,最大MMI烈度为XI(11)度。主震沿着一条东北至西南方向延伸的左旋走滑断层破裂。这样的震源机制与之前在东安那托利亚断层和死海过渡断层带附近发生的地震相符。余震的空间分布表明:地震破裂北至Pütürge,南达Antakya,破裂总长度为300多公里,主要地表位移为3～7 m。第一次主震发生约9小时后,当地时间下午1时24分发生第二次主震,震级为7.5级,震中位于北纬38.024°,东经37.203°,震源深度4 km,地震MMI烈度X(10)度。第二次主震沿着Çardak-Sürgü断层段发生,该断层为一条东西走向左旋走滑断层。据美国地质调查局(USGS)测定的两次地震的MMI烈度(如图1)可以看出[1-2]:地震烈度基本上围绕两个断层向外递减。主震后又多次发生余震,截至2023年2月18日,震源距离200 km范围内共发生7451次余震,震级超过5.0级的余震有433次,加济安泰普省附近的赛普勒斯、叙利亚、黎巴嫩、以色列和约旦均有震感,表1展示了2023年2月6日至2月28日5级以上的地震序列[3]。

表1 土耳其地震序列列表(时间为安卡拉时间)Table 1 Turkey earthquake sequence list

图1 土耳其地震烈度分布图(基于美国地质调查局网站的地图制作,底图无修改)Fig. 1 Seismic intensity map of Turkey earthquake (Based on the map production of USGS, the base map is not modified)

这两次地震发生在安纳托利亚板块、阿拉伯板块和非洲板块的交界处附近[4]。东安纳托利亚断层是一条700 km(430英里)长的东北-西南走向左旋断层,并且是安纳托利亚和阿拉伯板块之间的边界。阿拉伯板块以相对安纳托利亚板块大约10～11 mm/年的速度向东北移动。该断层发生过多次大地震,如1789年7.2级地震、1795年7.0级地震、1872年7.2级地震、1874年7.1级地震、1875年6.7级地震、1893年7.1级地震和2020年6.8级地震。地震活跃的Palu和东部的Pütürge段发生6.8～7.0级地震的重现期约为150年,西部的Pazarck和Amanos段发生7.0～7.4级地震的重现期分别为237～772年和414～917年[5-6]。

此次地震造成了重大人员和财产损失,在土耳其受灾最严重的10个省份,至少有42 310人死亡,108 068人受伤,超过400万栋建筑受到影响,大约34.5万套公寓被毁,多条铁路和高速公路被破坏而中断,多个机场受损关闭,部分港口发生震害,电力和天然气管网受损中断,许多历史遗迹受到重大破坏。这是至少一世纪以来该地区最强的地震,与1939年埃尔津詹地震并列土耳其有记录以来规模最大的地震。

本文首先针对2023年2月6日土耳其地震较大的地震动的特点进行分析,讨论其与断层的关系。然后分别围绕铁路系统、公路系统以及航空和港口在此次地震中的震害特点,讨论地震动和断层对这些交通基础设施的影响,从统计角度分析震害分布状况,最后讨论此次地震对交通结构抗震的经验与启示。

1 强震观测与地震动特点分析

据土耳其灾害和应急管理局AFAD测定,在距离震中436 km的范围内,共有280个强震台站成功记录了2023年2月6日4时17分(当地时间)的第一次主震,在距离震中445 km范围内有244个强震台站记录了2月6日13时24分(当地时间)的第二次主震。第一次主震中最大的PGA记录为3129台站记录,其EW、NS和UD三个分量分别为1205.870 cm/s2、1347.185 cm/s2和709.749 cm/s2。第二次主震中最大的PGA记录为4612台站记录,其EW、NS、UD三个分量分别为520.662 cm/s2、627.184 cm/s2、430.195 cm/s2。

根据AFAD测定的地震记录和美国地质调查局(USGS)分析出的断层分布[7],两次地震中强震记录台站和断层的空间位置及各台站PGA的大小情况如图2所示。可以看出:台站记录中的PGA较大的(超过300 cm/s2)的台站基本都在近断层区域,且沿断层分布。北边的断层为沿东西走向的左旋走滑断层, 南边的断层为沿东北-西南方向延伸的左旋走滑断层。第一次主震的台站记录中PGA的三个分量都有从东北向西南逐渐变大的趋势,且在断层的西南端的安塔基亚附近有最大的PGA记录。记录第二次主震的强震台站位于北边断层的两端。下面分别对第一次主震的断层中部、西南部、东北部及第二次主震选取一个台站记录进行分析。

图2 强震动记录台站及断层空间位置图(基于美国地质调查局网站的地图制作,底图无修改)Fig. 2 Schematic diagram of the location of strong motion stations and faults(Based on the map production of USGS, the base map is not modified.)

1)2718台站第一次主震记录地震动特点

2718台站距离断层仅1.70 km,距离震中48.3 km,台站和断层空间位置如图3所示。加速度时程及相应的反应谱如图4所示,其中的6、7、8、9度罕遇地震设计谱是我国规范中给出的,后文均为如此。全方位反应谱如图5所示[8]。其中加速度反应谱EW分量在周期0.3 s表现卓越,NS分量在周期0.5 s和1.0 s表现卓越,UD分量在周期0.35 s和0.5 s表现卓越,且都超过了9度罕遇地震的设计反应谱。全方位加速度反应谱显示其在垂直于断层方向卓越,图6中垂直于断层方向的速度时程出现双向长周期脉冲,这些显示出地震动方向性效应。在此台站附近有多条交通线穿过断层,并出现了较为严重的震害。如图3所示,台站北部的一条铁路在断层处沿断层运动走向发生横向错动,这主要是受近断层地震滑冲效应的影响。

图3 2718台站和断层空间位置图及台站附近铁路震害图(基于美国地质调查局网站的地图制作,底图无修改)Fig. 3 Schematic diagram of the location of 2718 strong motion station and faults and the picture of earthquake damage of the railway near 2718 station (Based on the map production of USGS, the base map is not modified)

图4 第一次主震2718台强震动加速度时程及反应谱Fig. 4 Acceleration time history and response spectrum of 2718 records in the first mainshock

图5 第一次主震2718台强震动全方位反应谱Fig. 5 Omnidirectional response spectrum of earthquake motion recorded at 2718 station in the first mainshock

图6 平行和垂直于断层方向的速度时程图Fig. 6 Velocity time-histories parallel to and perpendicular to the fault

2)3141台站第一次主震记录地震动特点

3141台站位于断层西南部,该处断层如图7所示。地震动加速度时程及相应的反应谱如图8所示,全方位反应谱如图9所示。加速度反应谱EW分量在周期0.15 s表现卓越, NS分量在周期0.30 s表现卓越,UD分量在周期0.15 s卓越,且均超过了我国规范中9度罕遇地震的设计反应谱。加速度全方位反应谱显示卓越方向约为70°,速度全方位反应谱显示卓越方向约为60°和20°。此台站靠近断层,位于Ⅹ度烈度区内,记录到的PGA较大。台站周围区域交通线繁多,交通系统出现了严重震害,如图7所示。地震发生时在这一部分区域发生土壤液化,对交通线造成严重影响。位于断层处的Hatay机场出现跑道断裂隆起和地面下沉情况。Hatay-Reyhanl公路和Hatay-Krkhan公路出现路面开裂、路基塌陷,公路也因此关闭。

图7 3141台站和断层空间位置图及台站附近公路与机场震害图(基于美国地质调查局网站的地图制作,底图无修改)Fig. 7 Schematic diagram of the location of 3141strong motion station and faults and the picture of earthquake damage of the road and airport near 3141 station (Based on the map production of USGS, the base map is not modified)

图8 第一次主震3141台强震动加速度时程及反应谱Fig. 8 Acceleration time history and response spectrum of 3141 records in the first mainshock

图9 第一次主震3141台强震动全方位反应谱Fig. 9 Omnidirectional response spectrum of earthquake motion recorded at 3141 station in the first mainshock

3)4615台站第一次主震记录地震动特点

4615台站距离震中13.83 km,距离断层1.28 km,台站和断层空间位置如图10所示。地震动加速度时程及相应的反应谱如图11所示,全方位反应谱如图12所示。加速度反应谱EW分量在周期0.4 s和0.6 s表现卓越,NS分量在周期0.35 s和0.80 s表现卓越,NS分量在周期0.25 s表现卓越,且超过了我国9度罕遇地震的设计反应谱。加速度全方位反应谱显示卓越方向约为50°,速度全方位反应谱显示卓越方向约为60°,基本与断层走向一致,近断层地震动滑冲效应显著。此台站位于Ⅹ度烈度区内,且区域内出现土壤液化,周围交通系统震害严重,如图10所示。受左旋断层影响,Gaziantep-Kahramanmara公路在Kapçam附近与断层相交处出现横向偏移,偏移量达到3.6 m,而且断裂处西侧公路出现超过250 m长的贯通路堤与路面的纵向裂缝,开裂方向与断层运动方向平行,反映出近断层地震动的滑冲效应。在Tevekkelli附近的公路和Narli附近的铁路在断层处同样也出现横向偏移。

图10 4615台站和断层空间位置图及台站附近公路、铁路震害图(基于美国地质调查局网站的地图制作,底图无修改)Fig. 10 Schematic diagram of the location of 4615 strong motion station and fault and the picture of earthquake damage of the road and railway near 4615 station (Based on the map production of USGS, the base map is not modified)

图11 第一次主震4615台强震动加速度时程及反应谱Fig. 11 Acceleration time history and response spectrum of 4615 records in the first mainshock

图12 第一次主震4615台强震动全方位反应谱Fig. 12 Omnidirectional response spectrum of earthquake motion recorded at 4615 station in the first mainshock

4)4612台站第二次主震地震动特点

4612台站距离震中66.68 km,距离断层2.49 km,台站和断层空间位置见图13。地震动加速度时程及相应的反应谱如图14所示,全方位反应谱如图15所示。加速度反应谱EW分量在周期0.45 s、0.9 s和1.45 s表现卓越,EW分量在周期0.65 s和1.5 s表现卓越,且均超过了我国规范中9度罕遇地震的设计反应谱, UD分量在周期1.2 s卓越,超过了7度罕遇地震的设计反应谱。加速度全方位反应谱显示卓越方向约为22°和60°,分别与断层的两个分支走向一致,速度全方位反应谱显示卓越方向约为60°,与南部的断层分支走向一致,近断层地震动滑冲效应显著。

图13 4612台站和断层空间位置图(基于美国地质调查局网站的地图制作,底图无修改)Fig. 13 Schematic diagram of the location of 4612 strong motion station and faults (Based on the map production of USGS, the base map is not modified)

图14 第二次地震4612台强震动加速度时程及反应谱Fig. 14 Acceleration time history and response spectrum of 4612 records in the second mainshock

图15 第二次地震4612台强震动全方位反应谱Fig. 15 Omnidirectional response spectrum of earthquake motion recorded at 4612 station in the second mainshock

2 铁路系统的震害及统计分析

2.1 铁路系统的震害特点

土耳其主要铁路线总长达12532 km,其中包括754 km的高速铁路,铁路线通过了总长达200.407 km的804个隧道。此次地震中,土耳其中部地区共1275 km的铁路线受到地震的严重影响,包括446座桥梁、6161个涵洞和175个隧道,部分铁路段的铁轨被扭曲和损坏。此外也有火车侧翻,落石等震害发生。而为铁路线供应电力的10个变电站因地震影响停止运行,使得3条主要铁路线震后停运关闭[9]。

1)桥梁与隧道震害

此次地震中的铁路桥梁,除了Malatya省跨越Firat河的一座长2030 m的钢桁架大桥-Euphrates铁路大桥在震后进行检修以及Nurdagi附近正在施工的一座铁路跨线桥出现落梁外,并没有其他铁路桥梁严重破坏的报道。部分铁路桥上铁轨发生变形。而对于铁路隧道而言,大多数震害并不十分严重,多为洞口的衬砌脱落、洞口移位或洞口处出现山体滑坡。最严重的铁路隧道震害出现在Adiyaman省Golbasi附近的Ozan村。一条修建于20世纪40年代的石砌隧道出现了严重的垮塌。以上震害如图16所示。

图16 铁路桥和铁路隧道震害典型案例Fig. 16 Pictures of railway bridge and railway tunnel damage

2)线路震害(落石、路基坍塌及钢轨变形)

Fevzipasa火车站附近有岩石从山上脱落,落在铁轨上,除直接影响线路通行之外,还对轨道造成破坏。在Narli附近铁路路基出现了多处坍塌。如图17所示。

图17 落石及路基坍塌Fig. 17 Pictures of rockfall and subgrade collapse

多处与断层相交的铁路轨道出现横向弯曲偏移,如图18所示,这主要受近断层地震滑冲效应影响。ekeroba附近的铁轨靠近4632台站,如图19所示。该台站全方位反应谱见图20,加速度全方位反应谱显示卓越方向约为55°,速度全方位反应谱显示卓越方向约为55°,基本上与断层走向一致,近断层地震动滑冲效应显著,铁轨受到了此方向上断层运动的冲击,导致铁轨在断层处横向扭曲变形。

图18 铁轨横向扭曲震害图片Fig. 18 Pictures of transverse distortion of railway damage

图19 第一次地震4632台站和断层位置及铁轨扭曲震害图(基于美国地质调查局网站的地图制作,底图无修改)Fig. 19 Schematic diagram of the location of 4632 strong motion station and fault and the picture of distortion of railway damage y near 4632 station (Based on the map production of USGS, the base map is not modified)

图20 第一次地震4632台强震动全方位反应谱Fig. 20 Omnidirectional response spectrum of earthquake motion recorded at 4632 station in the first mainshock

3)列车侧翻

Gaziantep省Fevzipasa车站有停放的列车发生侧翻。如图21所示,其中对比明显的是:此处有两条线路经过,西侧主线与东西走向约呈65度,东侧支线与东西走向约呈45度。地震中,只有东侧线路上的列车发生侧翻。由于火车车厢与铁轨接触面积小,横向摩擦力有限,且铁轨对车轮产生高度较小的横向约束。火车受到足够大且垂直于车身的低频冲击作用,就极其容易发生侧翻事故[9]。观察图22中侧翻发生地点最近的2709台站处的全方位反应谱,速度反应谱卓越方向尤为明显,卓越方向为135°。此卓越方向与侧翻列车停放方向垂直。很明显,侧翻列车在轨道上受到了侧向冲击。

图22 第一次地震2709台站强震动全方位反应谱Fig. 22 Omnidirectional response spectrum of earthquake motion recorded at 2709 station in the first mainshock

2.2 铁路系统震害的统计分析

第一次主震导致Kopruagzi-Kahramanmaras、Narli-Malatya、Fevzipasa-Narli和Narli-Gaziantep的铁路段关闭,Malatya-Cetinkaya、Malatya-Yolcati、Ulukisla-Adana、Adana-Mersin、Adana-Toprakkale、Yolcati-Diyarbakir、Yolcati-Elazig、Elazig-Tatvan等铁路段应急开放或控制开放,其他震区内的铁路正常开放。本文以USGS提供的地震MMI烈度图为依据,来进行震害统计的分析。需要说明的是因为铁路系统的震害影响往往是以站与站的区间来体现的,本文假设某一地震破坏对其所在区间里程都具有影响。调查结果显示:Malatya-Cetinkaya、Malatya-Yolcati和Adana-Mersin、Adana-Toprakkale这四段应急开放或控制开放的铁路中,Malatya-Cetinkaya,Malatya-Yolcati及Adana-Toprakkale在两次地震中有少部分位于MMI烈度Ⅶ度区,其他路段位于Ⅶ度以下烈度区;Adana-Mersin路段在两次地震中均全部处于Ⅶ度以下烈度区。Ulukisla-Yenice、Yolcati-Diyarbakir、Yolcati-Elazig和Elazig-Tatvan这些开放的路段,在两次地震中均处于Ⅵ度及Ⅵ度以下烈度区。对两次地震各烈度区内铁路通行情况进行了数据汇总,结果如图23所示。可以看出:高烈度区处于关闭状态的线路占比大,两次地震的Ⅷ度区、Ⅸ度区和Ⅹ度区内的铁路,均处于关闭状态。

图23 各烈度区铁路通行情况统计图Fig. 23 Statistical chart of railway traffic in each intensity area

2.3 铁路停运里程和恢复时间

震后,土耳其国家铁路运营总局对遭受地震破坏的结构和设施进行了维修加固。根据震害地区铁路停运里程和恢复时间的情况,可以得到从地震发生到修复重新运营的铁路停运里程和恢复时间的关系曲线图,在此基础上针对铁路的功能损失情况,作出功能损失曲线图,如图24所示,图中曲线表示铁路可运营路段占比随时间变化情况。

图24 铁路停运里程和恢复时间以及铁路功能损失统计图Fig. 24 Statistical chart of railway outage mileage,recovery time and function recovery

2.4 铁路线与断层交叉点的统计

在铁路震害特点介绍中可知:受滑冲效应影响铁路在与断层相交处可能会发生铁轨横向扭曲,此次土耳其地震中这种震害出现很多。为明确这种震害可能的规模大小,根据USGS测定的断层位置,统计出铁路线与断层的交叉点数目如图25所示。

图25 各省铁路线与断层交叉点统计图Fig. 25 Statistical chart of intersection of railway and fault in earthquakes

3 公路系统的震害及统计分析

3.1 公路系统的震害特点

土耳其的公路系统分为高速公路、国道、省道及其他道路三大类。震区涉及到的高速公路有O-52和O-53,国道有D825、D360和D400等。

1)公路震害

公路的震害主要包括路面和路基的震害。路面的震害主要表现在路面出现开裂如图26(a)、破碎和隆起如图26(b)等现象。路基的震害包括路基本体震害、支挡结构震害以及路基边坡的震害。此次地震中路基本体震害表现为路基塌陷如图26(c)、路基错断如图26(d)和路基边坡破坏等典型的震害。此外如Hatay机场路发生了液化导致的路基失稳,Kahramanmara-Adyaman Highway发生山体滑坡阻挡道路。

2)桥梁震害

根据中东科技大学的报道[10],在灾区有1 000多座桥梁。只有15座桥梁受到地震影响,大约50%的桥梁在地震发生后一天内通车。此次地震中桥梁的震害主要包括:支座移动坠落如图27(a),伸缩缝破损如图27(b),桥台附近土壤液化引起桥台破坏如图27(c)、桥墩损伤如图27(d)和主梁混凝土剥落如图27(e)。此外,在Adyaman-Çelikhan-Sürgü道路上的一座Balkburnu桥在震中损毁[11]。

图27 典型公路桥梁震害Fig. 27 Road bridge earthquake damage

以Hatay体育馆附近的一座5跨20 m简支梁桥为例[12],通过Midas模拟得出桥梁的一阶振型为顺桥向的摆动,一阶周期为0.85 s。该桥附近3124台站记录的第一次主震地震动加速度全方位反应谱如图28(c)所示,卓越周期为1 s左右,地震卓越周期与桥梁一阶周期相近,震动强烈,同时断层在附近通过,液化风险很大,两岸桥台有向河心侧向流动的倾向。桥位信息、模型、地震反应谱和震害如图28所示。

图28 桥位信息、模型、地震反应谱和震害Fig. 28 Bridge location information, models, seismic response spectra and seismic damage

3)隧道震害

公路隧道震害情况:大部分隧道表现良好,只出现了轻微破坏如衬砌的混凝土剥落,在洞口处有轻微的破坏。如Erkenek tunnel隧道发生了混凝土剥落,如图29所示。

图29 隧道震害Fig. 29 Tunnel earthquake damage

图30 各烈度区公路通行情况统计图Fig. 30 Statistical chart of roads traffic in each intensity area

图31 公路停运里程和恢复时间以及公路功能损失统计图Fig. 31 Statistical chart of roads outage mileage,recovery time and function recovery

3.2 公路系统震害的统计分析

通过分析7.8级地震烈度图,国道D360、D825和国道O52穿越了Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度和Ⅹ度5个烈度区,在土耳其公路中穿越Ⅵ度及以上的总长度为3611.9 km。而在7.5级地震中,穿越Ⅵ度及以上的公路总长度为1254.3 km。根据统计,在此次地震中受影响总里程约为289 km。具体情况如图30-31所示。

由公路震害特点介绍可知:近断层和跨断层的交通线在地震中破坏较为严重,多出现道路横向错动和路基纵向开裂震害。为明确这些震害可能的规模大小,根据USGS测定的断层位置,统计出公路线与断层的交叉点数目如图32所示。由图可见:高速公路和国道这些高等级公路与断层相交较少,省道及其他道路与断层交叉点数目众多。

图32 地震中公路线与断层交叉点统计图Fig. 32 Statistical chart of intersection of roads and fault in earthquakes

4 航空与港口的震害

1)机场震害

震中地区共有12座机场,其中有一座位于Ⅹ度烈度区,一座位于Ⅶ度烈度区,四座位于Ⅵ度烈度区,两座位于Ⅴ烈度区,四座位于Ⅳ度烈度区。位于Ⅹ度烈度区的Hatay机场在地震中跑道严重受损,地面断裂隆起,机场候机楼周围发生地面沉降,如图33所示。kahramanmara和Hatay机场由于受损而关闭了空中交通。kahramanmara、Gaziantep和Hatay机场由于破坏而关闭。Gaziantep机场和Malatya机场在地震发生时天花板掉落。

图33 Hatay机场破坏图片Fig. 33 Pictures of damage at Hatay Airport

2)港口震害

此次地震震中位于距海边约90 km处内陆,但仍对沿海港口造成了不小的损坏,港口震害主要集中于土耳其西南部Hatay省的沿海港口。港口发生的震害有地面下沉、海水倒灌、地面破裂、设施受损以及火灾等次生灾害,如图34所示。skenderun港口沿海结构和码头的破坏情况,港口地面出现开裂和下沉,这是由地震引起的土壤液化导致的。地震发生几天后,skenderun港口的后侧和东侧出现了相当大的积水,实地调查发现其原因是该区域下沉后,满月期间的涨潮海水逐渐侵入沉降区,又由于地表排水系统崩溃,海水无法排出,故形成大片积水。当地时间2月6日17:00工业城市skenderun一港口发生大火,如图34(b)所示,港口被迫关闭,许多船只被迫转向。

图34 港口震害图片Fig. 34 Pictures of port damage

5 结论与启示

通过对土耳其地震中交通系统的震害调查可以看出:此次土耳其地震强度较大,交通系统震害较多,近断层效应显著。断层附近的台站记录强度都很大,多数地震记录的加速度反应谱都超过了我国规范中9度罕遇地震的设计反应谱。第一次主震记录的PGA的大小在空间上分布不均匀,沿断层向西南方向增大,在断层西南端附近有最大的PGA记录;第二次主震的台站记录较小。近断层地震动的特征表现明显,由此造成的震害也比较突出。地震引发的土壤液化比较严重,大量震害与之相关。铁路系统震害主要为铁轨扭曲、铁轨落石以及列车侧翻等,受近断层效应影响较大。这也提醒我们铁路系统地震设防中应当充分考虑近断层效应的影响。铁路沿线陡坡应注意采用浆砌片石等加固,防止落石。土耳其中部地区共有1275 km的铁路线受到地震的影响,高烈度区被关闭的线路占比大,两次地震的Ⅷ度区、Ⅸ度区和Ⅹ度区内的铁路均被关闭。公路系统中道路、桥梁和隧道均发生了不同程度的破坏,如路面错动、破裂和塌陷,桥梁支座移动、梁台碰撞,隧道衬砌混凝土剥落等,对当地的交通造成了一定影响,但不是特别严重。在此次地震中公路受影响总里程约为284 km,在Ⅵ度及以上地区公路有7.8%受到影响。 机场和港口的震害较轻,机场出现了跑道破裂和地面沉陷震害,港口出现了地面下沉、路面开裂及次生灾害火灾。本文所采用的全方位反应谱分析方法在一定程度上可以反映近场地震的特征,但因忽略了周围环境等因素的影响,在实际情况下会影响精度。