鐵山港跨海特大橋地震安全性評價研究

歐展良 李曉明 莫天健 龐貽鴻

摘要：文章結(jié)合鐵山港跨海特大橋工程實例，通過開展橋梁近場區(qū)地震地質(zhì)、工程地質(zhì)等相關(guān)勘測，研究地震危險性概率和設計地震動參數(shù)，并對工程場地地質(zhì)災害進行了評價。研究成果為橋梁工程抗震設計提供了參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：跨海特大橋;工程地質(zhì);地震安全性評價;地震動參數(shù)

0 引言

鐵山港跨海特大橋位于廣西北海市合浦縣境內(nèi)，橋梁跨越鐵山港海灣，總長4279m。根據(jù)場地工程地質(zhì)勘察報告[1]及中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[2]，橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，反應譜特征周期為0.35s，地震基本烈度為Ⅵ度。但該橋梁工程為對社會有重大價值或者有重大影響的工程，其設計地震動參數(shù)由地震安全性評價專門確定。本次研究成果可為類似橋梁場地地震安全性評價提供參考[3][4]。

1 場地工程地質(zhì)條件

工程場地地貌類型屬海積漫灘地貌，海面相對較窄，為海積砂泥質(zhì)淺海岸地帶。坡面向海中傾斜，坡度較緩，潮間帶寬約2.0km。高潮水面寬度可達4.2km，低潮時僅1.3km，海灣最深約11.0m。

工程場地覆蓋層主要由第四系填土、淤泥質(zhì)砂土、細砂、粗砂、礫砂、黏土等組成，其中填土、淤泥質(zhì)砂土、細砂、粗砂層土質(zhì)相對較軟;礫砂、黏土層土質(zhì)較均勻，厚度為0.4～53.5m;下伏基巖為礫巖（K2a）及灰?guī)r（C1ds），礫巖屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類;灰?guī)r屬較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ類。

工程場地地表水為鐵山港海灣，潮汐特征屬非正規(guī)全日潮，漲潮歷時15h，退潮歷時10h，主槽東側(cè)最大落潮流速為0.82m/s，多年平均潮差為2.45m;地下水類型為松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水及碳酸鹽巖裂隙溶洞水，接受大氣降水及潮汐運動海水補給，水量中等。

2 近場區(qū)域地震構(gòu)造評價

近場區(qū)是指以本橋梁中心樁號為中心，半徑25km范圍的區(qū)域。本文收集整理了近場區(qū)相關(guān)地震地質(zhì)等資料，結(jié)合歷史和現(xiàn)代地震活動，綜合評價了近場區(qū)地震構(gòu)造環(huán)境。

2.1 地震活動性

近場區(qū)自公元1507年有地震記載至今，沒有M≥4.7級地震記錄。自有地震資料觀測以來，近場區(qū)記錄了51次M≥1.0的地震，最大的地震是2001-08-10北部灣M3.4級地震。工程場地自有歷史資料記載以來共遭受多次4級以上歷史地震影響，最大影響烈度為Ⅵ度。

2.2 地震構(gòu)造評價

區(qū)域位于華南加里東褶皺系的粵西隆起區(qū)西緣及其與欽州華力西褶皺帶的交接地帶。新構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為大面積間歇性升降運動、斷裂和斷塊差異運動、新近紀和第四紀火山活動。區(qū)域斷裂按走向可分為北東向、西北向、北東東向和東西向4組，這些斷裂帶對地震、地貌、新生代盆地或火山活動均有控制作用。區(qū)域內(nèi)最大的地震為瓊山7.5級地震。綜上所述，區(qū)域具備發(fā)生7.5級地震的發(fā)震構(gòu)造條件。

近場區(qū)跨越了六萬大山斷塊隆起區(qū)和云開大山斷塊隆起區(qū)，新構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為總體向南掀斜抬升和大面積間歇性升降運動。北東向的合浦—北流斷裂帶兩條組成斷裂對新生代地層分布有一定控制作用，其余斷裂的活動性較弱。近場區(qū)最大地震記錄為六萬大山斷塊隆起區(qū)6.75級地震。綜上所述，近場區(qū)具備發(fā)生6.0級地震的發(fā)震構(gòu)造條件。

2.3 場地土體剪切波速測定及結(jié)果分析

剪切波速是劃分場地類別的關(guān)鍵性依據(jù)，同時也是確定地震動參數(shù)的重要指標。本場地土層剪切波速測試采用單孔檢層法。工作原理是在場地鉆孔內(nèi)設置速度拾波裝置，通過沖擊振動法來拾取鉆孔內(nèi)波速傳播數(shù)據(jù)，通過公式計算分析場地剪切波速。

以測試結(jié)果分析，在場地范圍內(nèi)選擇了8個能反映和控制橋梁場地巖土層結(jié)構(gòu)特征的工程地震鉆孔，結(jié)合鉆孔取樣、拾震器接收數(shù)據(jù)及工程地質(zhì)條件分析，得出鉆孔的平均剪切波速和覆蓋土層厚度。經(jīng)過計算分析，工程場地土層剪切波速范圍為125.0～270.8m/s，覆蓋土層厚度為1.9～17.3m。綜合判定工程場地土層屬于中軟土，場地類別為Ⅱ類（詳見表1）。

3 地震危險性概率分析

地震危險概率分析方法主要考慮了地震活動的空間時間不均勻性，將基本思路和計算方法總結(jié)為以下幾個方面：

（1）由地震活動空間時間不均勻性、未來100年的地震活動水平和地震危險空間的相對分布概率，來確定地震統(tǒng)計單元。

（2）分別設定地震帶地震震級的上限和下限以及未來地震的年平均發(fā)生率，計算今后地震的概率，同時地震活動性遵從修正的震級頻度關(guān)系。

（3）依據(jù)潛在震源區(qū)內(nèi)部地震活動的一致性，列出空間分布函數(shù)，用來反映各震級規(guī)模地震在各潛在震源區(qū)上分布的空間不均勻性，進而劃分潛在震源區(qū);然后根據(jù)分段泊松分布模型和全概率公式，計算影響到場點地震動參數(shù)值超越給定值的年超越概率;最后假設多個地震帶對工程場地位置有潛在影響，綜合所有地震統(tǒng)計區(qū)的影響得出地震危險性概率[5][6]。

根據(jù)上述分析方法計算，分別得到場地50年超越概率為63%、10%、2%和100年超越概率為63%、10%、5%、2%的基巖水平向峰值加速度和加速度反應譜，計算結(jié)果列于表2。基巖地震動峰值加速度（A）與超越概率（P）關(guān)系曲線繪于圖2，基巖水平加速度反應譜繪于圖3。

[HT5"H][JZ]圖3 場地50年、100年不同超越概率基巖水平[JZ]加速度反應譜曲線圖[KH-*1]

4 場地設計地震動參數(shù)的確定

（1）根據(jù)上述地震危險性概率分析方法，以基巖加速度反應譜和峰值為目標，用數(shù)值模擬的方法合成地震動時程，作為場地土層地震動力反應分析的地震動輸入值;（2）根據(jù)工程場地地震活動性確定場地數(shù)值模型;（3）通過數(shù)值模型，計算在基巖底部地震波傳播的反應情況，分別得出不同地震波輸入時對應的場地地震反應信息;（4）綜合評價得出場地數(shù)值模型下的地震動時程、加速度反應譜及地震動參數(shù)[5]。

根據(jù)地震安全性評價報告，橋梁場地設計地震動加速度反應譜取為：

根據(jù)式（3）[4]，結(jié)合地震危險性概率分析方法計算出的地震動加速度反應譜（阻尼比0.05）結(jié)果，得到相應的擬合曲線，作為工程場地地面處水平向設計地震動加速度反應譜曲線。在確定設計地震動峰值加速度時，考慮地震動峰值加速度和加速度放大系數(shù)反應譜平臺值，綜合確定工程場地50年超越概率63%、10%、2%和100年超越概率63%、10%、5%、2%水平向設計地震動參數(shù)（阻尼比0.05），見下頁表3，相應的設計地震動反應譜繪于圖4。

通過研究成果對地震安全性進行評價：工程場地遭遇50年超越概率2%，100年超越概率10%、5%、2%的地震作用時，地面峰值加速度分別為0.156g、0.113g、0.145g、0.197g，反應譜特征周期分別為0.45s、0.40s、0.45s、0.50s，相應的地震基本烈度為Ⅶ度。故本橋梁工程應按地震基本烈度為Ⅶ度進行抗震措施設計。

5 場地地震地質(zhì)災害評價

工程場地主要由填土、淤泥質(zhì)砂土、細砂、中粗砂、黏土、礫巖、灰?guī)r等地層組成。當工程場地遭遇地震烈度達Ⅶ度地震作用時，對未來地震地質(zhì)災害進行評價如下：

5.1 砂土液化

采用標準貫入試驗判別法對工程場地可能產(chǎn)生砂土液化的淤泥質(zhì)砂土、細砂、粗砂層進行砂土液化判別[7]（如表4所示）。結(jié)果表明：當遭遇地震烈度達Ⅶ度地震作用時，場地內(nèi)淤泥質(zhì)砂土、細砂和粗砂層為可液化土層，淤泥質(zhì)砂土、細砂層液化等級多為中等級別，粗砂層多為不液化，少數(shù)為中等級別?？梢夯翆訉雍褫^小，埋深較淺，建議橋梁建設采用嵌巖樁基礎，避免因地震砂土液化對橋梁造成破壞。

5.2 軟土震陷

工程場地內(nèi)淤泥質(zhì)砂土多呈松散狀，土質(zhì)較軟，分布較廣泛。根據(jù)勘察報告，該層土體為軟土。其不良影響主要表現(xiàn)在土體結(jié)構(gòu)疏松、含水量大，具有低強度、高壓縮性、觸變性、流變性等特征。當遭遇地震烈度達Ⅶ度地震作用時，具備軟土震陷的條件。建議橋梁建設采用嵌巖樁基礎，防止軟土震陷對橋梁造成破壞。

5.3 巖溶塌陷

根據(jù)勘察報告，工程場地鉆孔遇洞率為29.73%，洞徑為0.20～12.40m，線巖溶率為8.48%。溶洞多為黏性土及砂土充填，部分無充填或呈半邊巖，巖溶中等發(fā)育。當遭遇地震烈度達Ⅶ度地震作用時，具備了產(chǎn)生巖溶塌陷的地震和地質(zhì)條件。建議橋梁建設采用嵌巖樁基礎，防止巖溶塌陷對橋梁產(chǎn)生破壞。

5.4 斷層地表錯動

根據(jù)場地工程地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合附近場區(qū)地震地質(zhì)構(gòu)造研究成果，工程場地及其附近沒有活動斷層通過。因此，本工程場地可不考慮斷層地表錯動影響。

6 結(jié)語

本文通過具體實例的研究分析，對跨海特大型橋梁的抗震設計，應根據(jù)橋梁所處的場地地質(zhì)環(huán)境、地震地質(zhì)，結(jié)合場地巖土體剪切波速測試，通過理論計算分析，從地震危險性概率分析著手研究，獲得適合于本橋梁的各種地震動數(shù)據(jù)，為橋梁的抗震設計提供基本地震動參數(shù)，并對工程場地未來地震地質(zhì)災害進行了評價。安全可靠的地震動參數(shù)設計，為橋梁的抗震安全提供基本保障。

參考文獻：

[1]蘭海高速欽州至北海段改擴建工程兩階段施工圖設計鐵山港跨海特大橋工程地質(zhì)勘察說明[R].南寧：廣西交通科學研究院有限公司，2019.

[2]GB18306-2015，中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[S].

[3]GB17741-2005，工程場地地震安全性評價[S].

[4]蘭海高速欽州至北海段改擴建工程兩階段施工圖設計鐵山港跨海大橋工程場地地震安全性評價報告[R].南寧：廣西工程防震研究院，2019.

[5]史紅[XC珺-1.TIF].工程場地地震安全性評價研究[D].西安：西安建筑科技大學，2017.

[6]陳 鯤.針對大地震設防的地震動參數(shù)確定方法研究[D].北京：中國地震局地球物理研究所，2013.

[7]JTG/TB02-01-2008，公路橋梁抗震設計細則[S].