京沪高速铁路地震预警系统的方案及关键参数研究

京沪高速铁路地震预警系统的方案及关键参数研究

刘　林　讲师　阎贵平　教授辛学忠　高级工程师

(北方交通大学土建学院)(铁道部科技司)

学科分类与代码:62011030

【摘　要】　京沪高速铁路及沿线区域跨越4个主要的地震带,带内地震活动活跃,地震是对高速列车行车安全危害最大的自然灾害。在对京沪高速铁路及沿线区域地震危险性调查的基础上,对地震预警系统的构成、监测设备的设置方案及报警模式等一些关键问题进行了研究。通过对京沪高速铁路各类典型构筑物的大量的地震响应统计分析,给出了机械式地震仪的预警水平,并提出了适于P波检测的M-R判别标准,为京沪高速铁路安全监控系统中地震预警系统的建设提供理论依据。

【关键词】　地震预警系统　安全监控系统　高速铁路

Study on Schemes and Key Parameters of Seismic

Alarm System for Beijing-Shanghai Express Railway

Liu Lin,Lecturer　Yan G uiping,Prof.

(School of Civil Engineering,Northern Jiaotong University)

Xin Xuezhong,Senior E ngineer

(Department of Science&Technology,Ministry of Railway)

Abstract:　Beijing-Shanghai express railway and its neighboring areas span over four major seismic belts,in which the occurrence of earthquake is rather active.Earthquake is the most serious disaster regarding to the safety and stability of the running express trains.Based on the seismic hazard investi2 gation to the related areas,some key issues are studied such as the frame of the seismic alarm system, the layout scheme of the monitoring device and the alarm patterns.By a lot of statistical analysis of seismic responses of various typical structures,the alarm threshold of mechanical-driven seismometer

is derived,and M-R criterion to P wave detection is put forward.All these will serve as reliable theo2 retical support in the construction of the seismic alarm system for safety monitoring of Beijing-Shang2 hai express railway.

K ey w ords:　Seismic alarm system　Safety monitoring system　Express railway

1　前　言

高速铁路安全技术是现代高新技术的集中体现,建立高速铁路安全监控系统是世界各国在修建高速铁路时亟待解决的关键技术问题之一。对自然灾害的监测和防范应成为安全监控系统的主要功能。就拟建的京沪高速铁路而言,应着重考虑对风、雨(洪水)、轨温、崩塌和落石(物)、地震等自然灾害进行监测[1]。在影响京沪高速铁路运行安全的自然灾害中,地震是一种发生概率相对较小,但危害性最大的特殊灾害。在20世纪,我国是地震灾情最严重的国家,全球3次毁灭性地震有两次发生在我国,即1920年宁夏海原地震(8.5级,死亡20余万人)和

第12卷第4期2002年8月

中国安全科学学报

China Safety Science Journal

Vol.12No.4

Aug.2002

1976年河北唐山地震(7.8级,死亡24.2万人,经济

损失达100亿元,当时约合50亿美元)。20世纪的

地震灾情仅次于我国的日本,已在高速铁路的安全监控系统的研究开发和实际应用方面具有许多鲜明

的特点并取得大量成功的经验。拟建的京沪高速铁路沿线穿越了4条较大的地震构造带,历史上发生的可能危及高速铁路的地震约有20次,其中,20世纪以来的危险性地震竟达7次。就内陆地震而言,京沪沿线区域的发震频度要高于日本,因此,如何借鉴日本新干线地震预警系统的经验,开发适于京沪高速铁路线路、构筑物特点并反映历史震灾情况及未来发震趋势的高速铁路地震预警系统,是十分必要的。

2　京沪高速铁路地震危险性分析[2]

京沪高速铁路沿线及周围地区是我国地震多发区,主要的地震带有4个:

(1)北京至济南属华北平原地震带,该带内地震活动比较频繁,历史上记录到震级M ≥5.0级的地震约100次,曾发生过1679年三河平谷8级地震、1966年邢台7.2级地震和1976年唐山7.8级地震。经预测,该地震带在2005年12月前的发震概率为:M5.0～5.9的地震约68%,M6.0～6.9的地震约56%,M7.0～7.9的地震约19%;

(2)济南至滁州属郯城—营口地震带,该带是中国东北大陆区一条强烈的地震活动带,历史上记录到震级M ≥5.0级的地震约45次,曾发生过我国东部地区最大的一次地震,即1668年的莒县郯城间8.5级地震、1969年渤海7.4级地震及1973年海城7.3级地震。经预测,该地震带在2005年12月前的发震概率为:M5.0～5.9的地震约41%,M6.0～6.9的地震约63%,M7.0～7.9的地震约16%;

(3)滁州至苏州属河淮地震带,该带地震活动强度

不大,历史上记录到震级M ≥5.0级的地震约42次,最大一次地震为1624年扬州6.5级地震。经预测,该地震带在2005年12月前的发震概率为:M5.0～5.9的地震约81%,M6.0～6.9的地震约55%;

(4)苏州至上海属长江下游—南黄海地震带,该带属中强地震带,历史上记录到震级M ≥5.0级的地震约49次,最大一次地震为1846年南黄海7.0级地震。经预测,该地震带在2005年12月前的

发震概率为:M5.0～5.9的地震约73%,M6.0～6.9的地震约30%,M7.0～7.9的地震约38%。

3　地震监测设备的设置方案

根据日本新干线地震监测系统的建设经验及我国京沪高速铁路沿线的地震环境状况,建议采用以下3种方案设置地震监测设备:

1)方案一:根据《中国地震动参数区划图》(G B18306—2001),在京沪高速铁路设防地震动峰值加速度大于等于0.1g (g 为重力加速度)的线路区段的变电所内设置地震监测设备。监测设备有两种,一种是机械式的加速度报警仪,当该地震仪检测到地震动水平加速度超过预警水平时,会自动发出警报;另一种是电子式的地震仪,该地震仪能显示监测点的地震加速度波形,可进一步判断发出警报的可靠性。

2)方案二:在方案一的基础上,将显示用的地震仪增加P 波检测的功能。

3)方案三:在方案一、二的基础上,根据《中国

及邻区地震震中分布图》

(1990版),在距高速线路400km 范围内的潜在震源位置附近设置P 波检测

仪(不妨称为特定地点的P 波检测仪)。

方案一,能有效地防止高速列车冲入地震危险线路区段,另外,电子式的地震仪能积累沿线地区的地震动资料,对于高速铁路沿线高烈度区构筑物的抗震设计及地震防灾研究具有重要的价值,但方案一的不足之处在于:

(1)倘若大震发生,从警报的发出到主震袭击线路的时间间隔太短,因此留给高速列车减速的时间太少,即所谓的报警过迟的问题;

(2)不必要的报警可能较多,即所谓的多余反应的问题。就日本新干线的经验而言,其预警水平定为40伽(加速度单位,即cm/s 2),地震仪检测到超过40伽的地震平均每年发生5次,而超过40伽的地震

每10次仅有1次发展到具有危害性的80伽以上。方案二,利用地震波P 波与S 波的走时差,能提供比方案一更多的富余时间,使得列车在主震袭击线路前有更多的时间减速。值得注意的是,这种带P 波检测的电子式地震仪仅对震源在距线路40～150km 范围内的地震发挥效用,因为对于震源距线路不超过40km 的地震,P 波与S 波的走时差小于4s ,而检测P 波并判断是否需要发出警报需4s 时

间,故P 波检测无任何效用。另外,对于震源距线路超过150km 的地震,因震源距离P 波检测点太远而很难检测到P 波。检测P 波可分析出地震震级

・

67・中国安全科学学报China Safety Science Journal

第12卷

2002年