Прогноз реакции Северомуйского тоннеля на сильные землетрясения

Автор:
Евгений Черных
Кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Института земной коры Сибирского отделения РАН
Владимир Чечельницкий
Кандидат геолого-минералогических наук, заместитель директора Байкальского филиала ФИЦ Единая геофизическая служба РАН

Северомуйский тоннель располагается в пределах Верхнеангарско-Муйской перемычки в зоне с уровнем сейсмичности 9 баллов и более с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями. Сейсмоопасная для тоннеля площадь составляет около 10 тыс.км2 (рис.1).

На этой территории зарегистрированы землетрясения интенсивностью до 10 баллов. Кроме того, выявлен ряд палеосейсмоструктур 9-11 балльных землетрясений. Слабых и умеренных землетрясений в районе Северомуйского тоннеля около ежегодно регистрируется от нескольких сотен до 1,5 тысяч, а вместе с роями землетрясений более 2000 в год. Вся трасса Северомуйского тоннеля находится в зоне возможного возникновения остаточных сейсмотектонических деформаций. Для тоннелей особенно опасны остаточные деформации по разрывам и определяющим их трещинам. При землетрясении в 9 баллов смещения по вертикали в эпицентральной зоне могут достигать 1-2 м, при 10-балльных – до 6-7 м [1].

Параметры сейсмических колебаний грунта на конкретной площадке определяются большим количеством факторов, основными из которых являются: 1) энергия, механизм, глубина очага землетрясения и направление разрыва; 2) эпицентральное расстояние и строение геологической среды по трассе очаг – пункт наблюдения; 3) местные инженерно-геологические условия. Поэтому инструментальные записи местных, относительно слабых землетрясений, могут являться основой для оценки параметров колебаний при сильном землетрясении, а также использоваться для моделирования сильных воздействий с учетом региональных сейсмогеологических условий. Достоверность прогноза, таким образом, зависит от наличия априорной информации по землетрясениям с различными энергетическими классами и эпицентральными расстояниями относительно исследуемой площадки. В работе [2] был выполнен прогноз динамических характеристик сильных землетрясений относительно сейсмостанции «Северомуйск», расположенной в районе восточного портала Северомуйского тоннеля. Сделаны прогнозные оценки максимальных амплитуд ускорений грунта и получен набор инструментально-расчетных акселерограмм по записям сейсмостанции «Северомуйск», результаты которых, можно было с определенной степенью достоверности распространить на Северомуйский тоннель.

В 2014 г. в Муяканском хребте в 25 км к юго-востоку от Восточного портала Северомуйского тоннеля появилась новая крупная сейсмическая активизация, которая во второй половине апреля началась слабыми толчками с К_Р<9.7. Начиная с 23 мая возросло число слабых землетрясений (N=23 с К_Р=5.6–10.4 в течение трёх с половиной часов), предваряющих главный толчок активизации в 19^h42^m с К_Р=14.3 Мw=5.4. За период 01.01.2014–31.05.2015 гг. в районе Муяканской активизации было зарегистрировано уже 225 землетрясений с К_Р≥10 [3]. Заметим, что примерно столько же толчков произошло за 45 предшествующих лет для всего Северо-Муйского района.

Байкальскому филиалу Геофизической службы удалось развернуть временную сеть из 6 сейсмостанций, три из которых были установлены непосредственно в Северомуйском тоннеле и в обходных тоннелях на бетонных основаниях. За относительно небольшой период регистрации были получены записи землетрясений с очагами близкими к Северомуйскому тоннелю. Для анализа были выбраны записи землетрясений Кp = 9,6 ÷ 13,3, выполненные одновременно на дневной поверхности и в тоннеле (таблица 1).

Необходимо отметить, что при относительно точном определении затухания сейсмических колебаний, по общим и региональным законам они получаются обычно сильно сглаженными и для прогноза предпочтительны закономерности затухания, выявленные в пределах конкретных сейсмогенерирущих зон. При этом для прогноза интенсивности динамического воздействия обычно рассматриваются зависимости затухания пиковых ускорений грунта от расстояния и энергетического класса землетрясений.

По результатам статистической обработки записей сильных землетрясений произошедших за инструментальный период наблюдений и с учетом данных полученных временными станциями получены аналитические выражения, определяющие затухание сейсмических колебаний непосредственно в районе Северомуйского тоннеля.

lg Aа= 0.37K-1.55lgR-1.15 (1)

где Аа – амплитуда ускорений в см/с2, К – энергетический класс землетрясения, R – эпицентральное расстояние в км. (Коэффициент корреляции r = 0.85 , стандартная ошибка = 0.20).

Для инженерных сооружений важным параметром наряду с ускорением является виброскорость, позволяющая прогнозировать остаточные деформации [4]. По результатам статистической обработки получена следующая зависимость виброскорости от расстояния и энергетического класса землетрясения.

lgVв= 0.39K-0.98lgR-3.33 (2)

где Vв– амплитуда виброскорости в см/с, К – энергетический класс землетрясения, R – эпицентральное расстояние в км. (Коэффициент корреляции r = 0.68 , стандартная ошибка = 0.19 ).

В таблице 2 представлены прогнозные оценки максимальных амплитуд ускорений и виброскоростей грунта, рассчитанных по формулам 1 и 2.

По данным комплексных сейсмогеологических исследований проведенных Институтом земной коры СО РАН в районе Северомуйского тоннеля потенциал наиболее опасных зон возможных очагов (ВОЗ) оценивается величиной М=7,5-7,6 [5]. Исходя из этих оценок и полученных по результатам статистической обработки зависимостей 1 и 2 можно прогнозировать, что для землетрясения с М = 7.6 (Кp = 16,7), значения максимальной амплитуды колебаний грунта не превысят 550 см/с2 по ускорению и 54 см/с по виброскорости с вероятностью Р=0,84, что соответствует 8,4-8,7 баллам по шкале MSK-64.

Известно, что зависимости уровня ускорений колебаний от магнитуд носят экспоненциальный характер с некоторым насыщением в области больших магнитуд. По результатам анализа мирового банка данных Ф.Ф. Аптикаевым была предложена следующая аппроксимация зависимостей:

Lg Амах = 0,28 М – 0,8 lgr + 1.7 при Амах 160 см/с2 (3),

На рис. 2 приведены наши прогнозные оценки максимальной амплитуды ускорений при сильных землетрясениях при R=50 км и прогнозные оценки по формуле (3) Аптикаева. Результаты похожи, но всегда лучше пользоваться региональными данными.

Значения амплитуд, представленные в таблице 1, могут рассматриваться как реперные для привязки по уровню при построении синтетических акселерограмм сильного землетрясения. При расчете прогнозных акселерограмм возникают трудности, связанные с тем, что выбор или расчет исходной акселерограммы заведомо не может быть однозначным. Проявление землетрясения в конкретной локальной зоне, как и всякий многопараметрический отклик, определяется набором свойств, характеризующих очаг и трассу, в которой распространяется сейсмический сигнал, а также строение и состав грунтов находящихся в основаниях сооружений. Особые трудности создает наличие нескольких зон ВОЗ (зоны возможных очагов землетрясений), физико-механические свойства пород в очаге, определяющих вероятность возникновения землетрясений импульсного характера или землетрясений с относительно медленным нарастанием и спадом интенсивности колебаний, зависимость проявления землетрясений на поверхности от типа подвижки в очаге. Поэтому каждую зону ВОЗ можно описать только некоторыми средними сейсмическими характеристиками: акселерограммами, велосиграммами или сейсмограммами. В практике инженерных изысканий и при прогнозировании сейсмической опасности сооружений наибольшее применение получили акселерограммы.

В настоящее время разработаны и применяются различные методы построения прогнозных акселерограмм [6]. В данной работе применялся полуэмпирический метод, который является наиболее практичным при определении параметров сильных сейсмических воздействий по записям относительно слабых землетрясений [7, 8]. По спектру землетрясения с небольшой магнитудой из ближайших зон ВОЗ, можно с помощью преобразования Фурье рассчитать акселерограмму максимально возможного землетрясения для данной площадки. Такая акселерограмма будет лучше отражать региональные условия образования и распространения сейсмических волн, а также влияние конкретных грунтовых условий площадки, на которой расположено сооружение.

По записям землетрясений определяется закономерность приращения спектральной амплитуды от энергетического класса, что позволяет экстраполировать среднюю оценку спектра слабого землетрясения в сторону больших энергий, то есть сделать среднею оценку S(f) сильного землетрясения с Кi при известном S(f) от слабого события с К0:

lgS(f,K) = lgS(f,K0) + Bк(f)*(Ki – K0) (4)

где Вк(f) – функция, определяющая скорость изменение спектра с магнитудой.

В основу расчетов положены спектры землетрясений, записанных стационарной станцией «Северомуйск» и временными станциями за период январь-апрель 2015, установленными непосредственно на Северомуйском тоннеле. По результатам обработки получена следующая зависимость изменения спектра ускорений от энергии по горизонтальной компоненте (рис. 2, формула 5).

BK(lg f) = [(0,470,02) – (0,130,04)]*lg f (5)
( r=0.86, =0.05)

Полученные выше описанным способом расчетно-экспериментальные акселерограммы для Северомуйского тоннеля приведены на рис 4. Из приведенных акселерограмм следует, что при землетрясении с магнитудой 7,6 и очагом находящимся на расстоянии 30 км от тоннеля максимальная амплитуда ускорений грунта на дневной поверхности будет составлять 538 см/с2, а в основании тоннеля 341 см/с2. Сейсмический эффект на дневной поверхности составит 8,7 баллов, а внутри тоннеля 8 баллов по шкале MSK-64.

Основной максимум в спектрах колебаний грунта на дневной поверхности и в основании тоннеля приходится на 1,5-2,5 Гц (рис. 5).

Отношение спектров есть не что иное, как амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) грунтовой толщи находящейся между основанием тоннеля и дневной поверхностью,

U(f)=А1(f) /А0(f), (6)
где А1(f) – спектр колебаний грунта на дневной поверхности.
А0(f) – спектр колебаний в основании тоннеля.

Эту же характеристику можно определить расчетными методами, если имеются геомеханические параметры грунтового разреза. В данной работе сделаны расчеты методом тонкослоистых сред (МТС), где исходными данными для расчетов являются физико-механические параметры грунтового разреза (скорости продольных и поперечных волн, значения объемной плотности, коэффициенты затухания для продольных и поперечных волн в слоях, составляющих разрез) [9]. На рис. 6, приведены амплитудно-частотные характеристики рассчитанные методом МТС и определенные по формуле 6 через спектры записей землетрясений записанных на дневной поверхности и внутри тоннеля.

Сравнивая результаты расчетного и экспериментального определения амплитудно-частотных характеристик грунтовой толщи перекрывающей тоннель можно отметить неплохую сходимость в определении амплитуды (Uмах=3.5) и частоты (fмах=2.6 Гц) основного максимума. В тоже время, на расчетной АЧХ отсутствуют локальные максимумы наблюдаемые на характеристике, полученной экспериментально: 4-7, 11-13, 17-19 Гц. Такое расхождение можно объяснить недостаточной детальностью грунтового разреза принятого в расчетной модели, но позволяющей, тем не менее, корректно оценивать резонансные характеристики необходимые для прогноза сейсмической опасности тоннелей.

Выводы:

1. Исходя из потенциала наиболее опасной зоны ВОЗ для Северомуйского тоннеля сделан прогноз значений максимальных амплитуд колебаний грунта по ускорению 550 см/с2, по виброскорости 54 см/с, что соответствует 8,4-8,7 баллам по шкале MSK-64.
2. Расчетно-экспериментальные акселерограммы для Северомуйского тоннеля показывают, что при землетрясении с магнитудой 7,6 и очагом находящимся на расстоянии 30 км от тоннеля максимальная амплитуда ускорений грунта на дневной поверхности будет составлять 538 см/с2, а в основании тоннеля 341 см/с2. Сейсмический эффект на дневной поверхности составит 8,7 баллов, а внутри тоннеля 8,0 баллов по шкале MSK-64.
3. Получены экспериментальные и расчетные амплитудно-частотные характеристики, определяющие резонансные особенности грунтовой толщи перекрывающей тоннель.

Литература

1. Демьянович М.Г., Солоненко В.П. Инженерно-сейсмогеологические условия районов Северомуйского и Кодарского туннелей. Инженерная геодинамика и геологическая среда. Новосибирск: Наука. 1989. С. 90-96.
2. Семенов Р.М., Ключевский А.В., Черных Е.Н. Количественная оценка динамических параметров землетрясений для построения геомеханической модели Северомуйского тоннеля.//Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2011.-№2(30)-С.156-169.
3. Гилёва Н.А., Кобелева Е.А., Масальский О.К. Сейсмическая активизация 2014 – 2015 гг. в Муяканском хребте вблизи Северомуйского тоннеля трассы БАМ // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Материалы Десятой Международной сейсмологической школы. Геофизическая служба РАН, Республиканский центр сейсмологической службы при Национальной академии наук Азербайджана. 2015. С. 96-100.
4. Черных Е.Н., Басов А.Д., Семенов Р.М. Деформационные процессы на Северомуйском тоннеле //Современные технологии. Системный анализ. Моделирование.-2012.-№2 (34).-С.71-79.
5. Семенов Р.М., Смекалин О.П. Оценка сейсмоопасности Северо-Муйского района. //Современные технологии. Системный анализ. Моделирование.-2005.-№4 (8).-С.114-119.
6. РБ 006-98. Определение исходных сейсмических колебаний грунта для проектных основ. -М.: 1999, 36 с.
7. Дренов А.Ф., Джурик В.И., Серебряников С.П. Расчет акселерограмм сильных землетрясений для г. Иркутска из различных зон ВОЗ. //Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2012,, №5, с. 64-67.
8. Павленов В.А., Чечельницкий В.В., Масленикова Г.Н. Применение метода случайных колебаний для прогноза вероятностного спектра реакции линейных систем.//Сейсмичность Байкальского рифта. Прогностические аспекты. Новосибирск Наука, 1990. С.123-130.
9. Ратникова Л.И. Методы расчета сейсмических волн в тонкослоистых средах. – М.:Мир, 1973. – 124с.

Евгений Черных

Связаться Евгений Черных

Старший научный сотрудник Института земной коры Сибирского отделения РАН