通信系統(tǒng)震害與減災(zāi)對(duì)策

朱曉煒，肖 遙，張艷國，李 俏，張 麗

（1. 中國移動(dòng)通信集團(tuán)內(nèi)蒙古有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2. 遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；3. 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司賓縣分公司，黑龍江 賓縣 150400）

0 引言

盡管與電力、交通和天然氣等其他生命線系統(tǒng)相比，地震中通信系統(tǒng)表現(xiàn)得更具韌性，但許多重大地震的震害調(diào)查表明，大地震對(duì)于通信系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)生了不容忽視的影響[1-5]。作為生命線系統(tǒng)的重要部分，通信系統(tǒng)在震后災(zāi)情傳遞、應(yīng)急救援和社會(huì)維穩(wěn)方面發(fā)揮著重要作用，因此需要對(duì)通信系統(tǒng)的震害特征與減災(zāi)對(duì)策展開研究。

許多學(xué)者對(duì)于通信系統(tǒng)的震害特征和地震易損性展開了研究。在震害特征方面，劉愛文等總結(jié)了魯?shù)榈卣鹬薪煌ā⑼ㄐ藕碗娏θ惿€工程的震害特點(diǎn)，對(duì)2001 至2011 年10 年間通信系統(tǒng)的地震災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[4，6]；劉金龍等先后對(duì)蘆山7.0 級(jí)地震和尼泊爾8.1 級(jí)地震中通信系統(tǒng)的震害進(jìn)行了調(diào)查研究[3，5]；呂紅山指出滑坡、崩塌和滾石等地震地質(zhì)災(zāi)害是汶川地震中通信系統(tǒng)發(fā)生特別重大破壞的主要原因[1]；陸鳴等基于汶川地震中都江堰市移動(dòng)通信系統(tǒng)的震害調(diào)查，總結(jié)了通信系統(tǒng)建筑物和移動(dòng)通訊設(shè)備的震害特征，并提出了減輕震害的應(yīng)對(duì)措施[2]。在地震易損性方面，臧戰(zhàn)勝等對(duì)通信基站地震破壞等級(jí)劃分進(jìn)行了研究[7]；李桂容等介紹了室內(nèi)通信設(shè)備的抗震性能分析方法[8]；張競等對(duì)珠江三角洲通信系統(tǒng)建筑物震害開展了預(yù)測[9]；毛晨曦等對(duì)典型通信鐵塔的抗震性能和地震易損性進(jìn)行了研究[10]。以上研究在震害特征方面多聚焦于某一次地震事件，在地震易損性方面則是對(duì)通信系統(tǒng)中的某一類承災(zāi)體展開研究。本文通過介紹幾個(gè)地震中通信系統(tǒng)的震害表現(xiàn)、破壞成因與震害特征，分析地震中通信系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，歸納通訊系統(tǒng)各類承災(zāi)體的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，最后對(duì)通信系統(tǒng)的防震減災(zāi)對(duì)策給出建議。

1 震害表現(xiàn)、成因與震害特征

震害調(diào)查表明，地震中通信系統(tǒng)的承災(zāi)體主要包括辦公/生產(chǎn)建筑及設(shè)備、基站機(jī)房及設(shè)備、信號(hào)發(fā)射塔和光纜四類設(shè)施（圖1）。歸納總結(jié)汶川、蘆山和魯?shù)槿未蟮卣鹬猩鲜鏊念愅ㄓ嵲O(shè)施的震害表現(xiàn)、成因與震害特征如下：

圖1 地震災(zāi)害中的通信系統(tǒng)承災(zāi)體Fig.1 Hazard-affected bodies of communications systems in earthquake disaster

（1） 辦公/生產(chǎn)建筑及設(shè)備。辦公/生產(chǎn)建筑主要指辦公樓和放置核心設(shè)備的生產(chǎn)樓，包括縣一級(jí)的綜合樓，其破壞主要發(fā)生在Ⅷ度及以上區(qū)域。對(duì)于多層框架結(jié)構(gòu)，在Ⅷ度和Ⅸ度區(qū)主體承重結(jié)構(gòu)通常不會(huì)發(fā)生明顯破壞，破壞汶川、蘆山和魯?shù)榈卣鹬卸急憩F(xiàn)出山區(qū)內(nèi)高山基站破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象?；緳C(jī)房震害主要表現(xiàn)為墻體破壞，通常為墻體斜裂縫或X 型剪切裂縫、個(gè)別山頂基站表現(xiàn)為墻體底部水平錯(cuò)斷裂縫，部分基站機(jī)房被滑坡或落石砸毀。由于大量通訊基站機(jī)房采用租用方式，高烈度區(qū)內(nèi)一些租用的老舊砌體建筑常發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞，在汶川地震中都江堰市靈巖山索道移動(dòng)通信基站租用的2 層磚砌體結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞，局部墻體倒塌，2 層屋蓋局部坍塌，部分通訊設(shè)備被砸毀?；驹O(shè)備震害一般較輕，多數(shù)表現(xiàn)為機(jī)柜、蓄電池等設(shè)施的滑移和傾覆，少部分因強(qiáng)震動(dòng)造成的短路被燒毀，極少數(shù)被毀壞的基站設(shè)備是因地震地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重破壞容納設(shè)備的機(jī)房引起的。更多地發(fā)生在填充墻和吊頂?shù)确浅兄亟Y(jié)構(gòu)，在更高的烈度區(qū)才會(huì)發(fā)生主體結(jié)構(gòu)破壞。蘆山地震中位于Ⅷ度區(qū)內(nèi)蘆山縣移動(dòng)公司大樓填充墻及吊頂破壞嚴(yán)重，砸毀部分設(shè)備。汶川地震中，位于Ⅺ度的北川移動(dòng)公司大樓，低層發(fā)生嚴(yán)重破壞，構(gòu)造柱被彎曲錯(cuò)斷，部分機(jī)柜傾覆倒塌，損失慘重，如圖2 所示。對(duì)于多層砌體結(jié)構(gòu)，通常破壞程度更重，表現(xiàn)為低層承重墻出現(xiàn)貫通性裂縫或坍塌，魯?shù)榈卣鹬形挥冖葏^(qū)內(nèi)的龍頭山郵電所5 層大樓發(fā)生了底層坍塌，從5層變?yōu)? 層。

（2）基站機(jī)房及設(shè)備。在大地震中，通信基站的震害主要集中在地震地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。

圖2 汶川地震中北川移動(dòng)通信公司破壞情況Fig.2 The destruction of Beichuan mobile communication company in Wenchuan earthquake

（3）信號(hào)發(fā)射塔。信號(hào)發(fā)射塔由塔身和塔基組成，通常塔身采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的全鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，塔基較為堅(jiān)實(shí)，在幾次大地震中發(fā)射塔的震害表現(xiàn)較輕。塔身一般無明顯損傷，在Ⅷ度和Ⅸ度區(qū)僅部分山頂基站鐵塔的尖端部分發(fā)生彎折破壞，不影響鐵塔功能。在汶川地震中，位于Ⅺ度的北川移動(dòng)公司信號(hào)發(fā)射塔過于貼近辦公/生產(chǎn)建筑，與樓體發(fā)生相互碰撞造成了塔體嚴(yán)重破壞，如圖2 所示。塔基可能受到地震地質(zhì)災(zāi)害的影響，由于三次地震都發(fā)生在山區(qū)，還沒有發(fā)現(xiàn)砂土液化和軟土震陷造成塔基破壞的案例。安置在屋頂?shù)男盘?hào)發(fā)射天線通常不會(huì)發(fā)生破壞，除非是受到屋頂破壞的影響。

（4）光纜。幾次大地震中通信光纜都表現(xiàn)出了嚴(yán)重的破壞情況。這主要由地震引發(fā)的山體滑坡、崩塌和滾石等地質(zhì)災(zāi)害造成，少部分通信光纜被倒塌構(gòu)筑物砸毀。汶川地震中，阿壩州基站與交換中心相連的基干線路主要沿公路鋪設(shè)且均為架空線路，受到地震地質(zhì)災(zāi)害的嚴(yán)重破壞，造成了系統(tǒng)長時(shí)間、大面積的功能喪失。

總的來說，通信系統(tǒng)的震害特征主要表現(xiàn)為建筑物的結(jié)構(gòu)破壞、通訊設(shè)備的非結(jié)構(gòu)損傷以及基站和光纜的次生地質(zhì)災(zāi)害破壞，其中，結(jié)構(gòu)破壞和次生地質(zhì)災(zāi)害破壞是造成通信系統(tǒng)震害的主因，而地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的基站和光纜構(gòu)成了地震災(zāi)害中通信系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

2 地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法簡介

地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是通信系統(tǒng)防震減災(zāi)的基礎(chǔ)工作之一，其目的是給出可能發(fā)生的不同級(jí)別地震災(zāi)害對(duì)通信系統(tǒng)承災(zāi)體的破壞和影響。由于通信系統(tǒng)承災(zāi)體的屬性不同，評(píng)估的主要工作內(nèi)容一般可分為：建/構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)地震易損性評(píng)估、設(shè)備地震易損性評(píng)估和場地地震安全性評(píng)價(jià)三個(gè)主要方面。

建/構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)地震易損性評(píng)估包括對(duì)通信系統(tǒng)的多層辦公/生產(chǎn)建筑、單層的基站機(jī)房和信號(hào)發(fā)射塔進(jìn)行地震易損性分析，在大地震易發(fā)區(qū)對(duì)于多層辦公/生產(chǎn)建筑應(yīng)當(dāng)逐幢進(jìn)行分析，對(duì)于單層的基站機(jī)房和信號(hào)發(fā)射塔可按類進(jìn)行分析，宜采用Pushover 法或更能夠體現(xiàn)結(jié)構(gòu)地震真實(shí)反應(yīng)的增量動(dòng)力法。張競等對(duì)珠江三角洲通信系統(tǒng)建筑物的震害預(yù)測成果[9]與毛晨曦等對(duì)典型通信鐵塔的抗震性能和地震易損性的研究成果[10]可以被借鑒和采用，典型通信鐵塔的地震易損性曲線如圖3 所示。

圖3 典型通信鐵塔的地震易損性曲線Fig.3 Seismic fragility curves of the three typical communication towers

設(shè)備地震易損性評(píng)估常采用基于抗滑移和抗傾覆能力的評(píng)估方法，也可參考供電設(shè)備的震害預(yù)測采用震害統(tǒng)計(jì)分析、理論計(jì)算分析和基于設(shè)備振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)發(fā)展易損性曲線的實(shí)驗(yàn)—理論分析方法。大地震中通訊設(shè)備的震害調(diào)查表明設(shè)備破壞主要表現(xiàn)為設(shè)備的滑移和傾覆，因此采用基于抗滑移和抗傾覆能力的簡化評(píng)估方法即可較好的滿足防震減災(zāi)需求。對(duì)于放置在非底層樓面上的通訊設(shè)備，樓面設(shè)備的水平地震作用可按式（1）簡化考慮：

式中：FH為水平地震作用；G 為設(shè)備重量；K1為設(shè)備所在樓層反應(yīng)系數(shù)；K2為設(shè)備對(duì)樓面的反應(yīng)系數(shù)，按圖4 取值；K3為設(shè)備重要度系數(shù)，按表1 取值；α 為地震影響系數(shù)。確定設(shè)備的水平地震作用后可針對(duì)設(shè)備的不同約束形式，如頂部有支撐底部固定，頂部無支撐底部固定和浮放等，構(gòu)建力學(xué)簡化模型進(jìn)行計(jì)算。

圖4 設(shè)備對(duì)樓面的反應(yīng)系數(shù)Fig.4 Response coefficient of equipment to floor

表1 設(shè)備重要度系數(shù)K3

場地地震安全性評(píng)價(jià)主要給出場地地震動(dòng)影響場與地震地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)。地震動(dòng)影響場被用于為建/構(gòu)筑物和設(shè)備的地震易損性評(píng)估提供需要考慮的地震作用標(biāo)度，如圖2 中的地震加速度峰值和式（1）中的地震影響系數(shù)α 均來自地震動(dòng)影響場評(píng)價(jià)結(jié)果。地震地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)通常被用于確定不利場地分布，大地震易發(fā)區(qū)的地震地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)結(jié)果一般體現(xiàn)為不同地震強(qiáng)度作用下滑坡、崩塌、砂土液化和軟土震陷等地震地質(zhì)災(zāi)害分布區(qū)劃圖，便于通信部門和企業(yè)了解不利地段分布信息采取避讓措施或防范對(duì)策。

3 防震減災(zāi)對(duì)策淺議

地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)主要由地震危險(xiǎn)性、承災(zāi)體的結(jié)構(gòu)易損性和暴露性三部分組成。當(dāng)前技術(shù)條件下，對(duì)危險(xiǎn)地段的避讓和提高承災(zāi)體抗震性能是減輕地震災(zāi)害損失的主要策略。為了有效減輕大地震易發(fā)區(qū)通信系統(tǒng)的地震災(zāi)害損失，可以采取以下措施：

（1）注意地震危險(xiǎn)和場地條件的影響。積極從地震部門獲取不同時(shí)間尺度的地震危險(xiǎn)預(yù)測信息和地震地質(zhì)災(zāi)害分布信息。對(duì)于大地震易發(fā)區(qū)對(duì)重要建筑所在場地開展斷層探查和地震地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)工作。在通訊基站建設(shè)和光纜布設(shè)的過程中需要重視對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地段的避讓，如對(duì)建設(shè)高山基站和加密平原基站進(jìn)行合理取舍、信號(hào)發(fā)射塔避開砂土液化和軟土震陷隱患點(diǎn)。對(duì)于確實(shí)無法避開不利地段的應(yīng)采取合適的防范措施，如為了避免滑坡和落石破壞光纜對(duì)于危險(xiǎn)地段采取光纜埋地。

（2） 加強(qiáng)建筑抗震能力。在地震易發(fā)區(qū)，對(duì)于多層建筑盡量選擇框架、框剪等抗震結(jié)構(gòu)形式，避免選擇砌體結(jié)構(gòu)，保持結(jié)構(gòu)的平、立面規(guī)整。選擇機(jī)房時(shí)宜選擇中、高層，但不應(yīng)選擇異常突出的頂層房間。對(duì)于特別重要的建筑如大區(qū)中心和省中心的通信樞紐樓，宜開展工程場地地震安全性評(píng)價(jià)工作，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果采取相應(yīng)的設(shè)防措施。對(duì)于單層建筑，如基站機(jī)房和匯聚機(jī)房，不宜租用老舊民房，建設(shè)時(shí)應(yīng)注意材料質(zhì)量，宜采取一定的構(gòu)造措施。

（3）重視設(shè)備的非結(jié)構(gòu)破壞。不宜選擇靠近外填充墻的房間作為機(jī)房，設(shè)備盡量平行且靠近內(nèi)墻擺放，立柜盡可能并排立放，設(shè)備基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)予以固定。蓄電池應(yīng)放入角鐵框架內(nèi)，如需擱置在專門的臺(tái)階上，則應(yīng)予以足夠強(qiáng)度的固定，防止震時(shí)滑落。機(jī)房棚頂不宜設(shè)計(jì)吊頂，不宜有水管穿過，防止地震中因吊頂?shù)浜退芷茐穆┧斐傻脑O(shè)備損壞。屋頂發(fā)射天線應(yīng)遠(yuǎn)離突出物體，如小房屋、女兒墻等。纜線豎向延伸時(shí)應(yīng)沿柱體向上延伸而不依附墻體，爬墻、穿墻和橫向跨越空間時(shí)應(yīng)使用固定鐵架維護(hù)走線安全。信號(hào)發(fā)射塔宜與多層建筑保持一定距離，地震時(shí)發(fā)生相互碰撞加重震害。

（4）探索通信系統(tǒng)地震保險(xiǎn)投資。地震保險(xiǎn)是地震災(zāi)害損失的有效經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償模式，宜對(duì)轄區(qū)內(nèi)的通信系統(tǒng)開展地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與隱患排查工作，根據(jù)評(píng)估結(jié)果設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)牡卣鸨ｋU(xiǎn)投資，降低企業(yè)的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

4 總結(jié)

本文總結(jié)了汶川、蘆山和魯?shù)槿未蟮卣鹬型ㄐ畔到y(tǒng)承災(zāi)體的震害表現(xiàn)、成因與震害特征，指出結(jié)構(gòu)破壞和次生地質(zhì)災(zāi)害破壞是造成通信系統(tǒng)震害的主因，而地震地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)范圍內(nèi)的基站和光纜是通信系統(tǒng)的震害薄弱環(huán)節(jié)。系統(tǒng)地介紹了通信系統(tǒng)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的三個(gè)主要方面，即建/構(gòu)筑物地震易損性評(píng)估、設(shè)備地震易損性評(píng)估和場地地震安全性評(píng)價(jià)。立足當(dāng)前技術(shù)條件，建議對(duì)大地震易發(fā)區(qū)通信系統(tǒng)通過實(shí)施地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與隱患排查工作，加強(qiáng)承災(zāi)體抗震性能建設(shè)與投資地震保險(xiǎn)來有效降低通信系統(tǒng)的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。