地震是一种严重威胁高铁行车安全的自然灾害，在高铁建设时必须充分考虑其在地震带运行时的风险^[1]。目前我国已经建设的京津、京沪、京石武高铁地震监控系统^[2-3]，是在高铁沿线地震动峰值0.1 g(1 g=980 cm ·s^-2)及以上地区以约20 km的间隔在变电所内布设地震监测台站，当监测到的地震加速度值超过40 cm ·s^-2时即向终端发出地震报警，由铁路部门根据报警监测台的数量综合判断是否需要控车。该报警方式易于操作，且误报率低。

1 兰新高铁甘青段地震监控系统

兰新高速铁路全长1 776 km，其中甘肃、青海境内约1 000 km。根据中国地震动参数区划图(GB 18306-2001)^[4]，沿线区域对应的地震动峰值加速度分区为0.1 g以上，有必要在沿线建立地震监控系统。

在58个变电所内建设了地震监测台站。每个台站包括近高铁和远高铁2个监测点，两个点之间距离大于40 m，以避免非地震事件干扰导致的地震误报。每个监测点安装1台加速度传感器，2个监测点的传感器通过电缆将数据传输给机房内地震防灾机柜上的监控系统。当2个监测点的加速度都超过40 cm ·s^-2时，即向监控终端发出报警信号。变电所内的地震监台站布设如图 1所示。

2 系统强震动记录特征

兰新高铁甘青段地震监控系统于2014年底正式运行。运行期间，监测到2016-01-21青海门源6.4级地震，距离震中最近的门源牵引变电所和AT所12监测台成功发出地震报警。当峰值超过20 cm ·s^-2时启动数据记录。此次地震中，系统共有4个台站记录了强震数据，共8组传感器，见表 1。门源牵引变电所监测台记录的最大峰值加速度(PGA)达157.26 cm ·s^-2，最大峰值速度(PGV)达7.36 cm ·s^-1，对应的仪器烈度为6.5度。图 2为高铁沿线近场4个台站的加速度及速度时程，其中UD1、NS1、EW1和UD2、NS2、EW2分别代表台站内近高铁和远高铁监测点的垂直向、南北向和东西向记录。

从表 1看出，距离震中最近的门源牵引变电所监测台站的近、远高铁监测点水平向峰值加速度值有明显差距，峰值速度差别较小，仪器烈度值一致。这可能与变电所内复杂的局部场地条件有关。由于整个变电所是建设在回填土上的，通过开挖回填土的方式虽然能够减少场地条件的影响，但并不能完全消除。由此次地震的相关参数看，门源牵引变电所和AT所12远近高铁监测点记录到的峰值加速度受场地条件影响较大，AT所16和AT所11影响较小。处理4个监测台站的记录表明，同一个监测台站的远、近高铁监测点的峰值速度相差不大，尤其是仪器烈度值基本一致。这说明在高铁变电所现有场地条件下，峰值加速度值受场地条件的影响明显大于峰值速度和仪器烈度。远、近高铁监测点计算的仪器烈度值差异很小，因此将仪器烈度值作为高铁地震监控系统的报警参数，相比峰值加速度参数更加稳健。

3 监测台站场地对谱比值的影响

地震动主要受震源、传播路径和场地条件影响。对于相距约40 m的2个监测点来说，几十km外发生的地震可认为震源和传播路径是一致的，因此峰值加速度的差异主要来源于场地条件的差别。我国高铁地震监测台站设置在沿线变电所内, 地表为回填土，为减少场地条件对地震波的放大作用，一般采取开挖基坑至老土层再安装加速度传感器。实际操作中，施工人员多凭经验来判断是否到达老土层，场地缺少剪切波速资料，难以定量判断场地类别。李恒^[5]采用全球范围128次地震共3 235组强震记录, 计算其加速度垂直与水平分量反应谱的比值特征，表明场地越硬，长周期段谱比越大，短周期段则相反。据此，可以通过谱比来判断远、近高铁地震监测点场地土的坚硬程度。

分别计算4个监测台站近、远监测点的谱比(场地垂直向与水平向反应谱之比)，如图 3所示。从图 3(a)看出，门源牵引变电所短周期(< 0.2 s)近高铁监测点的谱比曲线高于远高铁监测点，而在长周期(>3 s)近高铁点低于远高铁点，表明远高铁点的场地土较近高铁点要坚硬。从图 3(b)看出，AT所12短周期近高铁点的谱比曲线低于远高铁点，而长周期近高铁高于远高铁，表明近高铁监测点的场地土较远高铁要坚硬。由于门源牵引变电所和AT所12距离震中30 km以上，所对应的强震动以高频为主，因此较硬的场地放大效应较明显。AT所16和AT所11距离震中50 km以上，传播过来的地震波高频分量减少，近高铁和远高铁监测点的谱比曲线相差并不明显(如图 3(c)和(d))，说明场地条件相差不大，因此远近高铁监测点实测的峰值加速度差别不大。

4 台站附近高架桥震害评估

高铁地震监控系统监测台站均距高铁线路很近，可以通过计算反应谱在震后迅速对附近高铁桥梁进行震害评估。

分别计算门源6.4级地震中超过高铁地震监控系统报警阈值的2个台站(门源牵引变电所和AT所12)在阻尼比为5%的地震加速度反应谱，并与《GB 50111-2006铁路工程抗震设计规范》^[6]中的高铁桥梁设计反应谱进行比较。如图 4所示(纵坐标为重力加速度g的倍数)，门源牵引变电所反应谱的卓越周期在0.1~0.35 s之间，AT所12在0.1~0.2 s之间。其中，门源牵引变电所远高铁监测点计算的反应谱在周期为0.067~0.18 s时超越设计反应谱，AT所12近高铁和远高铁点计算的反应谱在周期为0.152~0.237 s时超越设计反应谱。由于缺少变电所附近高架桥的自振周期资料，以陈令坤^[7]的计算结果为参考，前6阶自振频率为1.594~4.774 Hz，即自振周期为0.209~0.627 s。因此，可以初步评估AT所12附近此类高架桥在地震中可能受到损坏，而门源牵引变电所超出设计反应谱对应的周期不在此类桥梁自振周期范围之内。地震监测台站附近不同自振周期的其他建筑物也可采用类似方法进行震害评估。

5 结语

1) 鉴于目前我国将高铁地震监控系统台站布设在变电所内，基于峰值加速度的双传感器报警方法很难完全排除场地条件的影响，可能会出现远近两个地震监测点峰值加速度差异较大的情况。用仪器烈度值作为报警参数可以减轻场地条件的影响。

2) 通过比较远近高铁监测点的加速度反应谱比，可以判断场地的坚硬程度，解释局部复杂场地条件对峰值加速度的影响。

3) 通过高铁地震监测台站计算的加速度反应谱与设计反应谱进行比较，可以初步判断台站附近不同类型桥梁的损失情况，用于震后快速震害分析预测。