北京市道路系统抗震设防目标研究

朱胜跃，郭淑霞

（北京市市政工程设计研究总院，北京市 100082）

0 前言

城市道路、供水、供能和通讯网络是应对地震等突发灾害时城市的生命线保障系统，其中道路网络最为重要，它不仅是物资运输的通道，又是震害发生时人员疏散、消防系统发挥作用、医疗卫生系统及时救援、派遣营救人员和工程队伍的路线，并且对道路网络任何形式的破坏或干扰都将阻碍在紧急情况下对生命线其它网络的修复。

良好的道路交通抗震防灾系统，应能够承受强烈的地震影响而不遭受严重破坏。由于地震作用的随机性和人类资源的有限性，不可能用无限的资源去实现在强烈地震灾害作用下道路交通不发生破坏。研究道路交通抗震防灾体系，分析北京市道路交通在不同地震水准下的抗震性能要求，提出抗震救灾关键点段分级建设要求和抗震性能目标，确定北京市道路关键点段的抗震设防目标和标准，实现在可接受安全水平上的最小投入。

城市道路抗震防灾能力不仅取决于单体工程的抗震能力，更重要的是道路系统通过抗震设防等级和设防要求的确定、关键环节抗震能力的增强、抗震保障和应急救灾的有效应对，使得综合抗震能力得到保障，达到安全与经济的和谐统一，保障城市道路系统在灾后发挥应有的效能。

1 北京道路交通抗震防灾体系架构

城市抗震防灾规划和建设需要建立应对地震各阶段的紧急处置系统、应急系统和应急预案，其中紧急处置系统对应灾前的临灾预警和紧急处置；应急系统对应灾时的应急响应；应急预案对应灾后的抢险救灾和灾后恢复重建。这些工作需要城市规划、建设和运营管理等多部门通力合作。

道路交通抗震防灾体系的主要组成部分包括：道路交通震害相关基础信息库、道路抗震防灾关键点段数据库以及道路交通抗震防灾应对策略，分别从基础数据、判别技术以及应用价值三个方面构建了北京市道路交通抗震防灾体系。各个层次呈层级递进关系：基础信息数据库是进行关键点段识别的基础，而关键点段的识别是进行应用的前提。

道路交通震害相关基础信息库是城市抗震防灾研究的基础，应建立长期的数据采集、更新机制。该信息库应包含的数据信息有：（1）地震断裂带分布；（2）现状及规划路网结构及功能，应涵盖现状及规划道路等级、道路通行能力、道路红线宽度、道路沿线建筑高度、道路地下管网等；（3）应急疏散场所、救灾指挥及消防站、医疗机构等震后生命救援的主要目标区域；道路抗震防灾关键点段数据库是确定道路交通抗震设防目标的基础。该数据库是利用相关的判别技术，从骨架路网中识别出道路的关键点段，从抗震防灾的角度对这些关键点段进行分级，分别给出不同的抗震设防目标；根据设防目标，确定采用何种抗震水准，制定道路交通抗震防灾应对策略，做到防患于未然，减少重复建设。

以上从理论和技术层面，提出了北京道路交通抗震防灾体系建设，但是道路交通系统在震时是否能够充分发挥其效用，需要各种管理手段的辅助支持。应从人员疏散组织优化、物资运输交通规划、救援通道组织管理等层面提出相关的管理对策，并给出实施建议。

2 北京现状及规划道路网分析

2.1 现状道路网

北京市中心城的现状道路网为环放+方格网型混合式路网结构，骨架路网主要包括二环、三环、四环、放射状快速路联络线和方格网型主干路。除环路外，南北向连通的主要通道有2条，东西向连通的主要通道5条，道路网呈“宽而稀”的特征，道路用地的面积率、人均道路面积尚可，但道路长度、密度较低。北京市二环、三环、四环作为快速路承载着北京市区主要的交通流量，尤其是二环和三环，承担了三环内约50%的交通量，环路之间缺乏有效的快速路联络线，连接快速路的高等级疏散道路资源匮乏。从路网结构来看，东西向具有良好的震时交通疏散条件，南北向道路更为薄弱。

北京市对外交通的主要通道有：京港澳高速（京石高速）、京开高速、京津塘高速、京哈高速、京沈高速、机场高速、京承高速、京藏高速、京沪高速、京福路等，部分过境交通利用五环、六环路实现过境功能。当地震发生时，对外联络通道是灾后救援资源进驻、人员对外转移的重要联络线，因此保障对外联络通道的抗震防灾性能，对震后的抗灾能力起到至关重要的作用。中心城东部、南部具有良好的震时疏散条件；西部、北部山区，在地震发生时，容易产生泥石流等次生灾害，不适宜人员的震后疏散。

2.2 规划道路网

北京市规划路网重在增加环路之间的快速联络线，完善快速路系统，并且提高了主干路在路网中的比例，对城市干道间距进行了调整。到2020年北京市中心区道路网密度将达到4.4 km/km2，中心城道路系统仍保持方格网与环路、放射线相结合的布局，增加东部、南部道路网密度，形成以高速公路和快速路为骨架、配置合理的道路网系统。除此之外，北京市公路网总里程将达到2.2万km，公路网系统由国道、市道、县道和乡道组成，与城市道路交接在五环路上。其中国道由3条主干线和8条国道组成，市道由五环路、16条放射线、20条联络线组成。

3 城市道路抗震关键点段识别

在确定关键点段识别影响因素基础上，分析北京市路网现状和规划的拓扑结构、北京市地震关键目标区域分布以及地震不同阶段的道路功能需求，在以上分析的基础上，提出路网重要点段识别方法和路网薄弱点段识别方法，最终确定路网关键点段（见图1）。

图1 关键点段识别研究思路

3.1 关键点段识别影响因素

在抗震防灾体系中，从保障疏散、救援通道的连通性角度出发，影响这种连通可靠性的基本因素有：地质及次生灾害因素、路网本身的拓扑结构、关键目标的分布以及地震对道路功能的需求。

在地震发生时，地质因素将会带来直接地震灾害或次生灾害，在进行关键点段识别时，地质因素不容忽略。主要的地质因素有：道路是否处在断裂带上、关键点段是否在地质灾害易发区和次生灾害因素。地质灾害易发区主要指北京远郊区县泥石流、滑坡等地质灾害发生概率较高的区域。次生灾害因素主要有地下燃气管线和加油站等因素，尤其是老城区，为震时次生灾害易发区。

路网本身的拓扑结构以及通行能力，决定了地震防灾的救援潜力，对路网结构的整体认识是路网关键点段确定的基础。从整体上分析北京市现状以及规划路网的基本拓扑结构，从定性的角度评价北京市路网的抗震防灾潜力和可能的制约影响。

有效的疏散、救援措施和行动，可以及时挽救生命、最大程度地降低地震灾害的损失。保障地震中各关键目标的正常运转，是地震灾害等紧急条件下不可忽视的关键环节。分析北京市避震疏散场所、抗震物资储备点、各供电、供水和供气系统、抗震指挥系统、消防站及医疗机构等抗震救援保障系统、城市交通指挥调度中心等关键目标的分布，进而确定保障这些关键目标点连通性的条件。

地震各个阶段对道路功能的需求是不同的，地震中对道路功能的需求为迅速地进行人员疏散、在有限的时间内将人员转移至避震疏散场所，这个阶段主要是对城市内部道路疏散的需求；地震后主要是人员的转移、救援物资的进入、防地震次生灾害（火灾、瘟疫等）救援等，这期间，主要是对城市对外交通通道的需求。梳理地震不同阶段道路的功能需求，是明确路网重要、薄弱点段识别的关键。

3.2 路网重要、薄弱点段识别

需要说明的是，路网的重要点段是从道路功能层次来确定的点段，而薄弱点段是从道路拓扑结构来确定的点段，这两者具有本质区别。一般而言，城市干道是城市路网的重要点段，但是从连通性角度而言，整个城市震后道路交通系统在地震中是否能及时、有效地发挥作用，不能只考虑系统中的小单元，而要考虑是否有连通路径，一个节点或者路段功能的丧失，将导致整条路径的失效，这些点段就是路网的薄弱点段。因此，城市路网重要、薄弱的点段都是路网的关键点段，关键点段与道路等级无关。

3.2.1 路网薄弱点段判别

地震灾害中，薄弱点段一旦断开，路网的连通可靠性就无从保障。路网连通可靠性除了道路网本身拓扑结构的影响外，沿线建筑高度、沿线设施、地下管线、地下构筑物等也是地震时影响道路连通性的关键因素。从路网连通可靠性的角度，结合考虑道路沿线建筑、地下管线等因素，提出路网薄弱点段的识别原则和方法，识别重要路径上的薄弱点段。

第一层判别规则：路网结点连接数。是否有两条以上路段与结点相连，通过该条判断原则，将所有的点段集合分为两类：一类进入第二层判别规则，进行筛选；另一类直接剔除。但是，跨河桥和跨铁路桥梁作为有效节点，进入第二层次判别规则。

第二层判别规则：考虑替代路径。在第一层筛选的基础上，打断节点进行测试。因为在地震灾害发生时，局部的薄弱点段对剩余路网功能的影响至关重要，其价值主要体现在事件发生后影响的后果上。因此，如果有符合替代路径条件的路段或节点存在，能够保证剩余路网的整体功能，则不作为薄弱点段考虑。替代路径的判别规则包括两个步骤：第一步考察平行方向上800～1 200 m（《城市道路设计规范》中主干路交叉口间距）范围内是否存在替代路径；第二步甄别替代路径等级。如果替代路径为主干路等级以上的道路，或者是密集的次干路、支路网络，则认为该路段存在可替代路径，为非薄弱点段；如果周边道路等级较低且平行路网稀疏，则该点段集合为第二层次判定的薄弱点段集合。

第三层判别规则：实地勘查、分析。在两层筛选原则的基础上，根据实地考察结果、专家咨询，最终确定路网的薄弱点段。

依据上述原则，共筛选出路网薄弱路段25条，路网薄弱节点（桥梁）51座（略）。

北京市南侧和东侧为平原区，是良好的震后疏散带，北侧和西侧为山区，一旦地震发生，将成为次生灾害多发区。根据北京市市域地理条件，中心城东部和南部虽然拥有良好的地震疏散地理优势，但是从路网结构来说，薄弱点段较多，在抗震救灾中并不具有优势。

3.2.2 路网重要点段判别

根据地震不同阶段的道路功能需求，路网重要点段主要反映在道路等级、道路通行能力、道路负荷度、与关键目标连接道路的连通度上。

基于抗震关键目标区域的重要点段识别是从路网功能角度出发，从路网点段集合中筛选出重要点段。首先对抗震关键目标区域进行界定：（1）避难用地：面积规模较大的市级、区级公园绿地、各类体育场及大学校区；（2）大型居住区：规模较大、成片区的居住区；（3）商业金融区：规模较大、成片区的商业金融用地；（4）医疗用地：市级主要的医疗机构；（5）消防站等。上述5类关键目标区域，从救灾目的来说，（1）为震后逃生的临时聚集地；（2）和（3）为人流密集、需要进行人员疏散的地区；（4）是震后提供专业医疗服务、救死扶伤人员的地区；（5）是震后救灾的主要力量所在地。无论其承载的功能如何，这些地区都是抗震救灾的关键目标区域。

对于以上五类区域，应保障在多方向上具有进出的道路通道，提供四通八达的路网结构，确保震后能够快速疏散人群，并且有连通的道路能够保障医疗救援和震后救灾。

4.3 路网关键点段的确定

路网点段关系见图2。

图2 路网点段关系图

集合A—路网中所有点段的集合；

集合B－路网中“薄弱点段”的集合，即路网中无替代路径，在地震中一旦断裂，影响路网整体连通性的节点或路段；

集合C－路网中“重要点段”的集合，即路网中与抗震救援关键目标区域相连的路段以及连接多条重要路段的节点。

集合D—路网中的一级关键点段，即路网中“既薄弱又关键”的点段。

一般而言，集合D即代表了路网中的关键点段，但地震灾害有别于其他灾害。由于城市人口密集且分布较广，另外地震持续时间短，造成的灾害后果严重，因此，地震中道路的连通性至关重要。将地震断裂带的分布作为最终筛选原则，位于地震断裂带上的关键点段如果有替代路径，则不作为抗震防灾的关键点段，如果无替代路径，则必须作为一级关键点段，进行重点加固处理。

对应地震灾害的路网关键点段的定义为：综合考虑地震断裂带分布因素，路网中无替代路径的薄弱点段以及与抗震关键目标区域连接的重要点段的合集，即在排除地震断裂带影响因素基础上的集合B与集合C的合集。

4 城市道路系统抗震类别判定及设防目标

针对北京市骨架路网，按上述方法筛选出关键路段66个，关键节点83个，其中关键节点的分布位置为：四环26处，三环18处，二环23处，环路联络线及跨河、跨铁路桥梁16处。由于受既有条件所限，针对这些关键点段不可能也没必要采取统一的抗震设防水准和加固方法，因此，需要对这些关键点段进行进一步的分类。

关键点段在城市抗震防灾中的作用不同，因此对其抗震性能要求也不尽相同。按照抗震防灾需求，抗震防灾通道包括城市内部的疏散通道以及城市对外的救援保障通道。其中城市对外救援保障通道包括：物资运送通道、救护交通系统等。地震等级可以按照震级、地震震害程度进行划分。具体的分类标准与桥梁抗震设计的分类标准一致。分析不同等级地震情况下所造成的救援需求，根据城市规模确定需要救援的人数、救援的规模、救援通道的需求等。根据抗震救灾通道供需能力的分析，可以确定不同等级地震情况下，抗震救灾通道供给是否满足需求，其供需匹配关系如何，作为关键点段类别划分的依据。

根据需求，将路网关键点段分为两个级别。第一级别为：路网中既薄弱又重要的点段；第二级别为：路网中的薄弱点段或者重要点段。四环路内，第一级别关键点段包括26个关键节点，11条关键路段；第二级别关键点段包括63个关键节点，56条关键路段（见图3）。

《城乡规划和抗震设计规范》对于城市整体抗震防灾建设的目标进行了规定：（1）当遭受多遇地震影响时，城市功能正常，建设工程一般不发生破坏；（2）当遭受相当于本地区地震基本烈度的地震影响时，城市生命线系统和重要设施基本正常，一般建设工程可能发生破坏但基本不影响城市整体功能，重要工矿企业能很快恢复生产或运营；（3）当遭受罕遇地震影响时，城市功能基本不瘫痪，要害系统、生命线系统和重要工程设施不遭受严重破坏，无重大人员伤亡，不发生严重的次生灾害。

我国城市道路桥梁抗震设计仍按照《公路工程抗震设计规范》进行。该规范经过了三个阶段，最初一版为1978年的《公路工程抗震设计规范》，之后为1989年的《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89），以及2008年的《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）。北京市已建城市立交桥梁多建于二十世纪七、八十年代，根据北京市路网关键点段的分级结果，结合北京市防灾减灾规划、地震灾害的破坏性等，从工程建设角度，分析北京市道路交通在不同地震水准下的抗震性能要求，提出抗震救灾关键点段分级建设要求和抗震性能目标，确定北京市道路关键点段的抗震设防目标和标准。不同等级关键点段采用的抗震设防目标见表1。

表1 不同等级关键点段对应的抗震设防目标

5 典型通道节点分析

针对北京市主骨架路网的关键点段分级情况，选取第一级别关键点段中建设年代较早，对路网影响较大的典型节点（桥梁）和通道进行影响分析，着重分析一旦节点损毁、通道交通中断，对整个网络或局部区域抗震防灾产生的影响。

选择的典型关键点段有：德胜门桥节点及北二环路、德外大街通道；建国门桥节点及东二环路、长安街通道；玉蜓桥节点及南二环路、蒲黄榆路通道；三元桥节点及东北三环、机场路、京顺路通道；丽泽桥节点及西南三环、丰北路通道；六里桥节点及西三环、京港澳高速通道等。针对上述六座桥梁节点及连通的道路，分别从桥梁基本情况、区域防灾目标点分布、节点及通道损毁影响分析三方面来展开，上述关键点段地震中一旦损毁，对周边区域的抗震防灾影响较大，均需提高设防标准，基于文章篇幅，详细分析略。

6 小结

城市道路交通系统抗震防灾是一个复杂的工程，对于生命线系统的识别非常重要，应建立健全北京市抗震防灾体系数据库系统：包括路网的基础信息资料、道路桥梁的基础资料以及地震断裂带、道路沿线建筑、地下管线分布等基础信息。在信息资料的基础上，动态识别城市抗震防灾生命线。北京市北侧和西侧为山区，一旦地震发生，将成为次生灾害多发区，而南侧和东侧具有良好的震后疏散带。但是，从道路网结构来看，中心城区西、北部道路网较密，南部相对稀疏，这种地形和道路现状对抗震防灾工作提出了更高的挑战。

限于基础资料的缺乏，本研究尚未考虑道路地下管网的影响，也未对中心城区地震次生灾害进行影响分析，希望在后续的研究中进行补充。

[1]北京市已建桥梁抗震能力及相关设计技术研究[Z].北京市市政工程设计研究总院,2010.

[2]北京城市总体规划(2004-2020)[R].北京市城市规划设计研究院,2003.

[3]仇保兴.“地震后重建家园指导手册4”城乡规划和抗震设计规范汇编[S].中国建筑工业出版社,2008.