張升，李兆焱，張思宇，袁曉銘

（1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所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；2.河北省地震災(zāi)害防御與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201；3.地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080）

引言

北 京 時(shí) 間2022年3月16日22時(shí)34分（當(dāng) 地 時(shí) 間3月16日23時(shí)34分），日本本州東岸近海發(fā)生6.0級(jí)地震；2 min后，日本本州東岸近海（北緯37.65度，東經(jīng)141.95度）發(fā)生7.4級(jí)地震。兩次震中接近，距離陸地約80 km，距離東京約291 km。宮城縣、福島縣和東京等地震感明顯。本次7.4級(jí)地震被認(rèn)為是2021年2月13日福島縣外海地震（M7.3級(jí)）的余震之一［1］。本次地震中共有3人死亡，245人受傷，其中重傷者28人［2］。文中搜集、整理、分析了此次7.4級(jí)地震的震害信息，給出了震害嚴(yán)重地區(qū)地震動(dòng)的主要特征，具體分析了建筑物破壞、生命線破壞、場(chǎng)地破壞特征，討論了美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局給出的震害預(yù)測(cè)方法的不足。震害區(qū)10多年來(lái)經(jīng)歷了2005年8月宮城縣海域地震、2011年?yáng)|北地區(qū)太平洋海域地震、2021年2月福島縣海域地震等多次地震后，特別是2011年“311福島地震”，建筑物、生命線系統(tǒng)、場(chǎng)地等得到了不斷加固，這也是本次大地震震害較輕的原因，可以用“幸存者偏差”理論加以解釋［3］。

1 地震動(dòng)強(qiáng)度及烈度

本次地震最大烈度9.3度，最大峰值加速度出現(xiàn)在MYGH07（川崎）臺(tái)，EW分量達(dá)到1 233 Gal。地震儀器烈度高烈度區(qū)域主要集中在福島縣和宮城縣，見(jiàn)圖1［4］，這一地區(qū)也是本次地震震害集中的地區(qū)。

圖1 日本本州東岸近海7.4級(jí)地震儀器地震烈度分布圖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級(jí)地震屬于大震范疇，對(duì)比發(fā)生在人口稠密區(qū)域的7級(jí)左右地震：2013年同為7.0級(jí)的雅安地震也造成193人死亡，導(dǎo)致房屋倒塌7.24萬(wàn)余棟［5］；2021年海地7.3級(jí)地震，造成2 200多人死亡，大量房屋倒塌，國(guó)家宣布一個(gè)月緊急狀態(tài)［6］。我們關(guān)注到海地近十年來(lái)發(fā)生過(guò)多起破壞地震，都造成了大量的人員傷亡，建筑物破壞。海地震害大，一方面與其處在北美洲板塊和加勒比海板塊斷層附近大震頻發(fā)有關(guān)；更重要的一方面，海地建筑以磚混結(jié)構(gòu)為主，貧民區(qū)結(jié)構(gòu)未加入抗震設(shè)計(jì)，抗震性能差，海地屬于不發(fā)達(dá)國(guó)家醫(yī)療水平、衛(wèi)生條件、救援能力都比較差。

對(duì)比此次福島7.4級(jí)地震，地震導(dǎo)致3人死亡，震害相較人口密集的大地震區(qū)域較輕微。

震害主要表現(xiàn)在：建筑物破壞，生命線破壞，場(chǎng)地液化破壞。

同時(shí)，地震造成了關(guān)東地區(qū)大范圍停電，其中東京首都圈有200多萬(wàn)人口遭受停電影響，見(jiàn)圖2［7］，3 h后供電才得以恢復(fù)。本次逆沖型地震雖然引起了海嘯，但由于震源有較深的57 km，所以未引起較大波高，最大波高發(fā)生在宮城縣的石卷港，高約30 cm。此外還發(fā)生了一些類似火災(zāi)的較小次生災(zāi)害。

圖2 東京江東區(qū)遭受停電影響Fig.2 Affection of power outage in Kangdong District of Tokyo

2.1 建筑物破壞

建筑破壞主要集中在日本福島縣和宮城縣2個(gè)行政區(qū)內(nèi)，地震造成房屋受損10 414例，其中全損64例，半損582例，輕微損壞9 768例，以非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞為主。建筑破壞基本集中在2個(gè)行政區(qū)內(nèi)：宮城縣3 642例，福島縣6 763例［8］。

本次地震造成的建筑物破壞有如下特征：

（1）易損性結(jié)構(gòu)破壞表現(xiàn)在自重較大的木結(jié)構(gòu)、鋼筋/磚混結(jié)構(gòu)建筑，如：國(guó)見(jiàn)町一棟多年無(wú)人居住的二層木屋屋頂?shù)顾?jiàn)圖3（a）［9］，分析原因?yàn)槟昃檬耷胰鄙倏辜艚Y(jié)構(gòu)；鹿島區(qū)一棟建筑物的下部墻體傾斜，見(jiàn)圖3（d）［10］。

圖3 福島縣建筑物破壞Fig.3 Destruction of buildings in Fukushima Prefecture

（2）非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞是此次地震震害的重要表現(xiàn)形式，如：新地町一棟大型建筑物的外壁脫落，見(jiàn)圖3（b）［10］；相馬市一家量販店的玻璃破碎，見(jiàn)圖3（c）［10］；山元町一棟房屋的卷簾門(mén)落下，見(jiàn)圖4（a）［10］；山元町一個(gè)庭院內(nèi)圍墻倒塌，見(jiàn)圖4（b）［10］；藏王町一棟房屋內(nèi)天花板脫落，見(jiàn)圖4（d）［11］，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件種類繁多且功能各異，動(dòng)力響應(yīng)特性和薄弱點(diǎn)相差較大。受強(qiáng)震影響，位于日本宮城縣仙臺(tái)市仙臺(tái)城遺址的“伊達(dá)政宗騎馬像”發(fā)生傾斜，導(dǎo)致馬蹄部分?jǐn)嗔?。雕像在此前?shù)次大地震后均完好無(wú)損，見(jiàn)圖4（e）［11］，但在此次地震中受剪切力導(dǎo)致馬蹄破壞、銅像傾斜，見(jiàn)圖4（f）［10］，考慮是多次地震累積損傷的結(jié)果。

圖4 宮城縣建筑物破壞Fig.4 Destruction of buildings in Miyagi Prefecture

2.2 生命線破壞

鐵路、公路以及橋梁的破壞大多集中在新干線沿線以及河流阿武隈川沿途，震損不是十分嚴(yán)重。

2.2.1 橋梁破壞

本次地震造成了大量的橋梁破壞，且有如下特征：

（1）分布比較有規(guī)律，基本集中在福島縣的河流阿武隈川沿途以及福島縣和宮城縣相連的新干線沿線，這些地區(qū)也是此次地震儀器烈度最高的地區(qū)。

（2）破壞形式基本為以下3種：支承破壞、中層梁破壞以及橋墩開(kāi)裂受損。日本新干線高架橋出現(xiàn)了橋墩墩底的混凝土壓潰和橫系梁的開(kāi)裂震害，2021年2月14日發(fā)生的日本本州東岸近海7.1級(jí)地震引起的震害，2次震害相比本次破壞更為突出［12］。分析是由于之前地震破壞造成的累積損傷導(dǎo)致，雖然在上次震后對(duì)橫系梁進(jìn)行了加固，但是并未對(duì)橋梁橋墩做相應(yīng)加固，因此橫系梁只是輕微開(kāi)裂，橋墩混凝土直接壓潰。

典型橋梁破壞如下：

（1）河流阿武隈川沿途［13－14］：月之輪橋北側(cè)橋臺(tái)護(hù)欄受損，鋼筋外露，見(jiàn)圖5（a）；伊達(dá)舊橋支承破壞，見(jiàn)圖5（b）；大正橋周圍有一根柱子倒地，見(jiàn)圖5（c）；昭和大橋支撐銷釘脫落，見(jiàn)圖5（d）；伊達(dá)崎橋伸縮裝置錯(cuò)位，見(jiàn)圖5（e）；梁川橋梁端的橡膠軸承中出現(xiàn)裂紋，見(jiàn)圖5（f）。

圖5 阿武隈川沿途破壞橋梁Fig.5 Damaged bridges along the Abukumagawa river

（2）東北新干線沿線［13－14］：伊達(dá)站周邊橫梁開(kāi)裂，見(jiàn)圖6（a）；桑折站橋墩頂部混凝土脫落，軸向鋼筋彎曲，見(jiàn)圖6（b）；國(guó)見(jiàn)町橫梁混凝土脫落，見(jiàn)圖6（c）；齊川橋墩底部混凝土脫落，軸向鋼筋彎曲，見(jiàn)圖6（d）；大平中層梁斷裂，見(jiàn)圖6（e）；白石藏王站高架橋橫梁開(kāi)裂，見(jiàn)圖6（f）。

圖6 新干線沿線橋梁Fig.6 Damaged bridges along the Shinkansen

2.2.2 公路破壞

本次地震造成的公路破壞特征為：以路面龜裂和扭曲為主要破壞形式。福島縣等地公路路面發(fā)生了龜裂和扭曲，部分地區(qū)道路交通臨時(shí)封閉。最大的破壞出現(xiàn)在東北高速公路宮城縣與福島縣之間下行路段。

由于地震的影響，東北高速公路宮城縣與福島縣之間下行路段出現(xiàn)約50 m長(zhǎng)的裂縫，裂縫寬度在30 cm至50 cm之間，深度約10 cm，見(jiàn)圖7［15］。從宮城縣白石交流道到與福島縣交界的10多個(gè)地方的路面出現(xiàn)裂縫和路面隆起。

圖7 東北高速公路路面裂縫Fig.7 Pavement cracks of the Northeast Expressway

2.2.3 鐵路破壞

本次地震鐵路破壞特征少，都與橋梁破壞相關(guān)。地震造成福島、宮城以及東京等多地鐵路和地下交通臨時(shí)中斷［16］，最嚴(yán)重的破壞導(dǎo)致了東北新干線脫軌，見(jiàn)圖8［17］，造成列車車廂出現(xiàn)傾側(cè)。脫軌原因主要是：該區(qū)域橋梁因地震導(dǎo)致出現(xiàn)了高架橋中層梁斷裂的現(xiàn)象，橋面產(chǎn)生變形位移，進(jìn)一步導(dǎo)致鐵軌變形，最終造成列車脫軌。

圖8 東北新干線脫軌Fig.8 Derailment of the Northeast Shinkansen

2.3 場(chǎng)地破壞（液化）

若松等［18］對(duì)震后各地進(jìn)行勘測(cè)，確認(rèn)了宮城縣亙理町荒濱地區(qū)和新小橋地區(qū)在此次地震中發(fā)生了砂土液化?；臑I地區(qū)在1978年宮城縣沖地震，2005年8月宮城縣海域地震，2011年?yáng)|北地區(qū)太平洋海域地震，2021年2月福島縣海域地震均發(fā)生了砂土液化，這次的地震是該地區(qū)第5次震后發(fā)生砂土液化。而新小橋地區(qū)則是發(fā)生了繼2011年、2021年后的第3次震后砂土液化。該地區(qū)的3次地震引起的砂土液化均導(dǎo)致住宅發(fā)生損害。

一般認(rèn)為，地基由于歷次砂土液化的發(fā)生和經(jīng)年效應(yīng)而逐漸收緊，經(jīng)歷的液化次數(shù)越多越難發(fā)生液化。但是，荒濱地區(qū)和新小橋地區(qū)在同一地點(diǎn)分別反復(fù)發(fā)生了5次、3次砂土液化，綜合其地理位置，考慮原因?yàn)椋涸摰貐^(qū)為沿海地區(qū)，雖然發(fā)生數(shù)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斷的補(bǔ)充地下水位，因此雖然經(jīng)歷數(shù)次砂土液化，該區(qū)域依然還會(huì)出現(xiàn)液化現(xiàn)象。這也說(shuō)明了，同一區(qū)域液化發(fā)生具有可重復(fù)性。

宮城縣亙理町荒濱的液化照片如圖9［19］所示。

圖9 亙理町荒濱的液化Fig.9 Liquefaction of the barren shores of Gengli town

3 目前震害預(yù)測(cè)方法

震后，日本防災(zāi)研究所和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在短時(shí)間內(nèi)發(fā)布了各自的震害預(yù)測(cè)結(jié)果。

日本防災(zāi)研究所的NIED－CRS系統(tǒng)認(rèn)為2～50棟建筑物的完全損壞將在大片區(qū)域頻繁分布，同時(shí)少數(shù)區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)50～100棟建筑物的完全損壞［20］，合計(jì)有103～104棟建筑物完全損壞。相比調(diào)查報(bào)告中給出的合計(jì)64棟建筑物完全損壞的實(shí)際震害情況有2個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，該系統(tǒng)顯著高估了此次地震造成的建筑物破壞數(shù)量和程度。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的PAGER系統(tǒng)給出的災(zāi)害預(yù)警，如圖10所示［21］，估計(jì)地震造成大范圍滑坡和巨大面積的砂土液化現(xiàn)象，實(shí)際上收集到底資料中只有宮城縣亙理町荒濱地區(qū)和新小橋地區(qū)發(fā)生砂土液化，也嚴(yán)重高估了震害。

圖10 美國(guó)PAGER系統(tǒng)給出的震害估計(jì)（單位：km2）Fig.10 Earthquake damage estimation evaluation from the PAGER sytem，USA（Unit：km2）

費(fèi)一凡等［22］在對(duì)2021年2月23日發(fā)生在日本福島縣東部海域的7.3級(jí)地震進(jìn)行研究時(shí)，同樣也發(fā)現(xiàn)了NIED－CRS預(yù)測(cè)方法和PAGER預(yù)測(cè)方法過(guò)高的估計(jì)了震害，并提出了RED－ACT系統(tǒng)作為優(yōu)化方法。

4 結(jié)論

通過(guò)收集、對(duì)比和分析震后的實(shí)地勘察數(shù)據(jù)，大體得出以下結(jié)論：

（1）地震動(dòng)周期在0.5～1.0之間比較強(qiáng)，較大部分建筑物的自振頻率高，且抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)高，由于該地區(qū)地震頻發(fā)，建筑物、生命線系統(tǒng)、場(chǎng)地得到了不斷維修和加固，所以本次地震雖然震級(jí)高，但是造成的破壞反而很小。

（2）此次地震福島縣和宮城縣發(fā)生的建筑物破壞約占破壞總數(shù)的98%，而完全破壞的建筑物僅占破壞總數(shù)的約0.6%。數(shù)據(jù)表明，建筑物分布比較集中而且破壞程度不嚴(yán)重；同時(shí)，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞是此次地震中建筑的重要震害特征。

（3）不管是鐵路、公路還是橋梁的破壞，震級(jí)大破壞小是此次地震生命線破壞的一個(gè)重要特征。此外，大多數(shù)破壞發(fā)生在福島縣和宮城縣相連的新干線沿線以及福島縣的河流阿武隈川沿途。

（4）此次地震導(dǎo)致的典型液化場(chǎng)地比較特殊：荒濱地區(qū)和新小橋地區(qū)在多次地震作用下在同地點(diǎn)反復(fù)出現(xiàn)了多次砂土液化現(xiàn)象，說(shuō)明同一場(chǎng)地地震液化具有可重復(fù)性。

（5）NIED－CRS系統(tǒng)、PAGER系統(tǒng)過(guò)高的估計(jì)了此次地震震害，不利于震害評(píng)估和災(zāi)害救援，未來(lái)需要完善和發(fā)展更加合理的地震災(zāi)害預(yù)測(cè)方法。

致謝：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所地震應(yīng)急隊(duì)員收集了大量的震害資料并快速給出了儀器地震烈度分布圖；日本埼玉大學(xué)的黨紀(jì)、李欣等老師對(duì)地震現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行細(xì)致勘察，提供地震現(xiàn)場(chǎng)震害資料，在此一并表示衷心的感謝！