劉愛(ài)文, 廈珊, 呂紅山, 陳鯤, 徐偉進(jìn)

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081)

1971年美國(guó)San Fernando地震后，人們開(kāi)始重視通信系統(tǒng)的抗震研究。通信設(shè)施與一般建筑物相比，其抗震設(shè)計(jì)有自身的特點(diǎn)。首先通信設(shè)施遭受破壞后，不僅通信部門本身遭受損失，而且會(huì)造成間接損失及嚴(yán)重的社會(huì)影響。往往其間接損失遠(yuǎn)大于通信部門本身的損失。另外，通信設(shè)施是以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的形式發(fā)揮其功能的，而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由各個(gè)部件組成的，每一部件的破壞都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)一定的影響。通信設(shè)備安裝在建筑物內(nèi)，它的抗震特性不僅與地震動(dòng)特性有關(guān)，而且與建筑結(jié)構(gòu)及通信設(shè)備的動(dòng)力特性有關(guān)[1]。1975年美國(guó)Duke提出了通信系統(tǒng)（無(wú)線電和電報(bào)、電話）所應(yīng)具有的可靠性等級(jí)。日本NTT在電信技術(shù)委員會(huì)下設(shè)立了抗震對(duì)策特別委員會(huì)，對(duì)保證通信網(wǎng)的可靠性和災(zāi)害應(yīng)急恢復(fù)體制進(jìn)行研究。通過(guò)大型振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)對(duì)交換機(jī)機(jī)箱等通信設(shè)備進(jìn)行模擬振動(dòng)試驗(yàn)，了解其動(dòng)力反應(yīng)特性，確定了通信設(shè)備抗震的基本方針和目標(biāo)：發(fā)生震度為5度的地震，必須局限于彈性范圍以內(nèi)；發(fā)生震度為6度的地震，可以允許塑性變形，但不得出現(xiàn)破壞。但是，即使日本對(duì)通信系統(tǒng)安全性很重視，在1995年的阪神大地震中，日本關(guān)西地區(qū)，尤其是神戶市的通信系統(tǒng)仍受到極大的損壞，包括200多公里的地下管路、2600處人孔、335km的架空電纜與3處建筑物受損而致其發(fā)射塔停止使用。

隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，我國(guó)各地興建了大量的移動(dòng)通信設(shè)施。2008年5月12日14時(shí)28分04秒發(fā)生的汶川8.0級(jí)地震是我國(guó)通信系統(tǒng)遭受破壞最嚴(yán)重的一次地震。汶川地震震中位于四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)（北緯31.0°，東經(jīng)103.4°），除黑龍江、吉林、新疆外，中國(guó)其他省市均有不同程度的震感，甚至泰國(guó)曼谷、越南河內(nèi)、菲律賓、日本等地均有震感。地震造成了巨大的災(zāi)害，包括山體的滑坡、崩塌、河道堰塞等自然環(huán)境的破壞，更造成大量建筑物和包括通信工程在內(nèi)的結(jié)構(gòu)物倒塌損毀以及人員的嚴(yán)重傷亡，是建國(guó)以來(lái)破壞性最強(qiáng)、波及范圍最大的一次地震[2]。汶川大地震發(fā)生后，災(zāi)區(qū)大量的移動(dòng)通信基站受損或者因斷電、傳輸中斷等原因退出服務(wù)。極重災(zāi)區(qū)的通信服務(wù)中斷以及道路不通暢還曾一度成為抗震救災(zāi)的關(guān)鍵難題。本文在現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)考察的基礎(chǔ)上，對(duì)汶川地震極重災(zāi)區(qū)通信基站的典型震害現(xiàn)象進(jìn)行了總結(jié)分析，以期為今后如何提高通信基站的抗震能力提供參考。

1 汶川地震的極重災(zāi)區(qū)及震害特點(diǎn)

汶川特大地震發(fā)生后，有關(guān)部門綜合考慮因地震及地質(zhì)災(zāi)害造成的死亡和失蹤人員、倒塌房屋、轉(zhuǎn)移安置人員的數(shù)量和比例，以及地震烈度和地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)度等因素，將這次地震的災(zāi)區(qū)分為極重災(zāi)區(qū)、重災(zāi)區(qū)和一般災(zāi)區(qū)3類。災(zāi)區(qū)總面積約50萬(wàn)平方千米，其中極重災(zāi)區(qū)共10個(gè)縣（市），分別是四川省汶川縣、北川縣、綿竹市、什邡市、青川縣、茂縣、安縣、都江堰市、平武縣、彭州市。

上述的10個(gè)極重災(zāi)區(qū)縣市均在本次地震的發(fā)震斷層龍門山斷裂附近。龍門山斷裂是我國(guó)南北地震帶上較著名的活動(dòng)斷裂。該斷裂帶歷史上發(fā)生過(guò)1933年疊溪7.5級(jí)地震、1976年松潘—平武兩次7.2級(jí)地震、1879年武都8級(jí)地震，以及多次6級(jí)地震。龍門山斷裂帶主要包括中央斷裂、前山斷裂和后山斷裂等3條子斷裂。汶川地震是一次兼具右旋走滑的逆斷層型破裂事件，主要是中央斷裂（北川－映秀斷裂）和前山斷裂（江油－灌縣斷裂）發(fā)生斷層錯(cuò)動(dòng)，形成了2條走向北東，長(zhǎng)約240km的北川－映秀破裂帶和長(zhǎng)約90km的漢旺－白鹿破裂帶，以及1條長(zhǎng)約6km，連接兩條北東向地表破裂帶西段的北西向小魚(yú)洞地表破裂帶。映秀和北川地區(qū)地表破裂位錯(cuò)較大，斷裂帶上垂直最大錯(cuò)距為6.2m，水平最大錯(cuò)距為4.9m。地表破裂帶所經(jīng)之處，所有的山脊水系和工程結(jié)構(gòu)均被錯(cuò)斷損壞。

汶川地震極震區(qū)的最高烈度達(dá)到Ⅺ度。Ⅺ度區(qū)的面積約2419km2，以四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)和北川縣縣城為兩個(gè)中心呈長(zhǎng)條狀分布。根據(jù)震區(qū)強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)獲得的強(qiáng)震加速度記錄，獲得最大峰值加速度（PGA）記錄的是汶川縣臥龍臺(tái)，該臺(tái)站距離震中距約19km，其東西（EW）方向、南北（NS）方向和豎直（UD）方向的峰值加速度記錄分別為957.8gal、658.1gal和948.4gal；其次是綿竹縣的清平臺(tái)記錄，其EW方向、NS方向和UD方向的峰值加速度分別為824.3gal、802.5gal和622.9gal，臺(tái)站距離發(fā)震斷層約10km[3]。

除了地表破裂和強(qiáng)地震動(dòng)，汶川地震還在極震區(qū)觸發(fā)大規(guī)模滑坡、崩塌、滾石及泥石流、堰塞湖、砂土液化、地裂縫，極大地加重了災(zāi)害破壞的程度，也造成了搶險(xiǎn)救災(zāi)的極度困難。地震造成的次生山地災(zāi)害崩塌、滾石和滑坡1萬(wàn)多處，在四川省境內(nèi)就有7100多處。形成大量堰塞湖，大、小堰塞湖多達(dá)104個(gè)。這些堰塞湖又構(gòu)成嚴(yán)重的次生水災(zāi)威脅，著名的有唐家山堰塞湖。斷層錯(cuò)動(dòng)、滑坡和崩塌掩埋、滾石砸擊直接摧毀房屋、交通、通信、電力等基礎(chǔ)設(shè)施，是本次地震極重災(zāi)區(qū)破壞嚴(yán)重的主要原因之一。

2 極重災(zāi)區(qū)通信基站典型震害

移動(dòng)通信基站的構(gòu)成主要包括通信鐵塔、天饋系統(tǒng)（天線、饋線）、通信機(jī)房、主設(shè)備（BTS）、配套設(shè)施設(shè)備（接地系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、防雷設(shè)施、傳輸設(shè)備、傳輸線路、空調(diào)、走線架、照明、監(jiān)控設(shè)施、防火設(shè)施）等。通信設(shè)備主要分架式、臺(tái)式、自立式設(shè)備。通信機(jī)房的主要結(jié)構(gòu)形式有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)及彩鋼板房等。按照機(jī)房與通信鐵塔的位置關(guān)系可以分為塔外機(jī)房、塔內(nèi)機(jī)房，或者稱為獨(dú)立鐵塔、屋頂鐵塔。

汶川地震發(fā)生后，作者參與了此次地震的科學(xué)考察工作，調(diào)查范圍重點(diǎn)在于此次地震的極重災(zāi)區(qū)，為期約3個(gè)月。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查的結(jié)果，地震對(duì)移動(dòng)通信基站的直接影響主要包括通信鐵塔的破壞、通信建筑的破壞、通信設(shè)備的破壞、通信光纜的破壞以及外部電力供應(yīng)的中斷。按導(dǎo)致通信基站受損和服務(wù)功能中斷的外因來(lái)分，因?yàn)閿嚯妼?dǎo)致通信功能喪失的基站數(shù)目最多，其次是因?yàn)闈L石或者滑坡等砸斷光纜導(dǎo)致通信中斷，再其次是強(qiáng)地震動(dòng)導(dǎo)致的通信建筑破壞，通信設(shè)備的破壞也多是因?yàn)榻ㄖ牡顾茐摹?/p>

另外，個(gè)別基站還出現(xiàn)了由于蓄電池等設(shè)備短路起火引起的次生災(zāi)害。汶川羌鋒基站、阿壩師專基站等多個(gè)基站由于機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備短路發(fā)生火災(zāi)，基站被完全燒毀。

2.1 滑坡和滾石等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)通信基站的影響

如前文所述，此次汶川地震一個(gè)突出的震害特點(diǎn)是地震誘發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害范圍廣，規(guī)模大，破壞力強(qiáng)，特別是地震烈度在Ⅸ度以上的極重災(zāi)區(qū)表現(xiàn)尤為明顯。汶川縣城在震后3天與外界通信中斷就是由于汶川至都江堰的干線光纜遭受了超大規(guī)模的山體滑坡破壞，是光纜遭受破壞導(dǎo)致大面積基站通信中斷的典型例子。

汶川03基站于2003年10月建成，主要覆蓋汶川縣城、阿壩師專和國(guó)道213線，覆蓋人口1000余人，屬大配置重要基站。該基站位于半山坡，震后山體發(fā)生嚴(yán)重滑坡，基站機(jī)房及其內(nèi)的通信設(shè)備隨山體一起滑塌，僅剩鐵塔。

北川太洪基站位于北川縣陳家壩鄉(xiāng)馬鞍村，屬于高山基站，鐵塔高度約50m，為當(dāng)?shù)丶s1000余人提供移動(dòng)通信服務(wù)。汶川地震發(fā)生后，基站所在山體出現(xiàn)大面積滑塌，太洪基站鐵塔和基站機(jī)房與滑塌體一起從山頂滾落，所有設(shè)備損壞，無(wú)法提供通信服務(wù)。

除了山體滑坡，地震引起的巨大滾石也對(duì)一些基站造成了嚴(yán)重破壞。例如汶川縣的板橋基站被山上滾落的巨石砸穿，基站內(nèi)的全部設(shè)備被損毀，通信中斷。汶川縣的玉龍基站的鐵塔底部被崩塌巨石砸中，鐵塔歪倒；而未被滾石擊中的機(jī)房和設(shè)備只是輕微受損。

2.2 地形效應(yīng)對(duì)通信基站的影響

基于通信覆蓋范圍的需要，基站經(jīng)常選擇在山頂?shù)雀咛幗ㄔO(shè)。多次強(qiáng)震觀測(cè)記錄表明：相對(duì)于山腳，山頂?shù)姆逯导铀俣葧?huì)明顯放大，并且山頂?shù)牡卣饎?dòng)在場(chǎng)地卓越周期附近放大最顯著；地震動(dòng)絕對(duì)持時(shí)從山腳、山腰到山頂也依次增長(zhǎng)，此即地形效應(yīng)。例如茂縣土門基站位于山脊，震后基站圍墻全部被震倒，鐵塔上的接收天線被震落，而山腳的多數(shù)農(nóng)房則只是輕微受損。如圖1所示，汶川草坡基站位于海拔1877m高的山脊，震后山脊兩側(cè)的山體均出現(xiàn)嚴(yán)重滑坡，乃至機(jī)房的地基懸空。地震還導(dǎo)致汶川草坡基站的供電中斷，變壓器震落，圍墻全部被震倒，電桿歪斜。該基站唯有鐵塔矗立未倒。

2.3 鞭梢效應(yīng)對(duì)通信鐵塔的影響

鞭梢效應(yīng)是指在地震作用下，高層建筑或其它建（構(gòu)）筑物頂部細(xì)長(zhǎng)突出部分振幅劇烈增大的現(xiàn)象。當(dāng)建筑物受地震作用時(shí)，它頂部的細(xì)長(zhǎng)突出部分由于質(zhì)量和剛度比較小，在每一個(gè)來(lái)回的轉(zhuǎn)折瞬間，形成較大的速度，產(chǎn)生較大的位移, 類似鞭梢的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此被稱為鞭梢效應(yīng)。

汶川地震發(fā)生后，綿竹市區(qū)破壞較為嚴(yán)重，地震烈度達(dá)Ⅸ度。綿竹中心基站建于一座4層樓樓頂，塔高約30m，要覆蓋綿竹中心城區(qū)的廣場(chǎng)周圍、老政府、軍分區(qū)、民政局等重要區(qū)域，全天話務(wù)量約780Erl，忙時(shí)話務(wù)量約為150Erl。地震時(shí)該基站鞭梢效應(yīng)顯著，重達(dá)4t的基站鐵塔攔腰折斷，倒落地面，造成綿竹中心城區(qū)的通信受到嚴(yán)重影響。

圖1 汶川草坡基站地震前后對(duì)比照片

圖2 青川縣城1號(hào)站震后鐵塔彎折（左）、機(jī)房開(kāi)裂（右）

若以建筑物一層地面的加速度為基準(zhǔn)，根據(jù)日本通信建筑物的結(jié)構(gòu)臺(tái)陣觀測(cè)結(jié)果， 建筑物各層的加速度增大率的情況大約為：中央層1.5～2倍，最上層為2.5～3倍左右，屋頂為3～4倍左右[4]。再加上鞭梢效應(yīng)，屋頂鐵塔最高處的加速度峰值可以達(dá)到地面的10倍以上。這是汶川地震中很多樓頂塔受損的主要原因。

而青川1號(hào)基站的破壞則同時(shí)存在著地形效應(yīng)與鞭梢效應(yīng)疊加的現(xiàn)象。該基站建于1996年，占地面積100m2，基站機(jī)房為二層磚混結(jié)構(gòu)，合計(jì)72m2，建于青川縣城西側(cè)一山脊上（高約150m），主要服務(wù)于青川縣城城區(qū)的通信。汶川地震造成青川縣城區(qū)建筑物破壞嚴(yán)重，烈度達(dá)X度。青川1號(hào)基站的鐵塔屬于房頂塔，塔高約30m，在地震中鞭梢效應(yīng)顯著。如圖2所示，震后鐵塔在第1個(gè)平臺(tái)處彎折，鐵塔的劇烈晃動(dòng)同時(shí)導(dǎo)致2層的鋼筋混凝土機(jī)房底層填充墻出現(xiàn)嚴(yán)重的剪切裂縫，4根混凝土柱腳明顯裂縫。機(jī)房?jī)?nèi)通信設(shè)備變形移位，空調(diào)外機(jī)脫落。該基站最后被拆除重建。

假如基站選址較好，其實(shí)按照規(guī)范設(shè)計(jì)建造的通信基站抗震能力也是足夠強(qiáng)的。例如位于江油市含增鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府院內(nèi)的含增基站，屬于塔下一層鋼筋混土機(jī)房，房頂鐵塔高約40m，如圖3所示。該基站位于較平坦的一類場(chǎng)地，無(wú)地形放大效應(yīng)。汶川地震發(fā)生后，江油市烈度被評(píng)為Ⅷ度。恰好在該基站旁邊10m處即建有一強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)，記錄到的東西方向、南北方向和豎向方向的峰值加速度分別為350.1gal、519.5gal和444.3gal。該基站震后保持基本完好。

3 小結(jié)

根據(jù)汶川地震現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果，通信基站的主要破壞類型包括通信鐵塔的破壞、通信建筑的破壞、通信設(shè)備的破壞、通信光纜的破壞以及外部電力供應(yīng)的中斷。由于震后電力系統(tǒng)一般都難以快速恢復(fù)，因此斷電對(duì)基站通信功能的影響最為常見(jiàn)。其次是因?yàn)闈L石或者滑坡等砸斷光纜而導(dǎo)致的通信中斷。發(fā)生在龍門山區(qū)的大范圍、大規(guī)模和強(qiáng)破壞力的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)通信基站造成了嚴(yán)重的威脅；再加上地形效應(yīng)的影響，位于山頂?shù)耐ㄐ呕就瑫r(shí)遭受了超強(qiáng)地震動(dòng)作用。對(duì)比分析青川1號(hào)基站與江油含增基站在此次地震中的表現(xiàn)，為了避免同時(shí)出現(xiàn)鞭梢效應(yīng)和地形效應(yīng)疊加的不利情況，建議在山頂不宜建設(shè)屋頂鐵塔式的基站。為了避免出現(xiàn)嚴(yán)重的鞭梢效應(yīng)，在平原地區(qū)多層建筑的屋頂鐵塔高度不宜過(guò)高。當(dāng)然江油含增基站也表明，1～2層鋼筋混土建筑的屋頂鐵塔在較好的場(chǎng)地條件上也具有較強(qiáng)的抗震能力。

[1] 仲圯. 通信設(shè)備安裝抗震設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，1994(7):19-29.

[2] 袁一凡. 四川汶川8.0級(jí)地震損失評(píng)估[J]. 地震工程與工程振動(dòng)，2008，28(5)：10-19.

[3] 李小軍，周正華，于海英，溫瑞智. 汶川8.0級(jí)地震強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)及記錄初步分析[A]. 2008年汶川地震建筑震害分析與重建研討會(huì)論文集[C]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2008.

[4] 仲圯. 日本通信設(shè)備地震作用計(jì)算[J]. 工程地震，1991，(4):33-35．