汶川地震极重灾区通信基站典型震害及原因分析*

刘爱文, 厦珊, 吕红山, 陈鲲, 徐伟进

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081)

1971年美国San Fernando地震后，人们开始重视通信系统的抗震研究。通信设施与一般建筑物相比，其抗震设计有自身的特点。首先通信设施遭受破坏后，不仅通信部门本身遭受损失，而且会造成间接损失及严重的社会影响。往往其间接损失远大于通信部门本身的损失。另外，通信设施是以网络系统的形式发挥其功能的，而网络系统是由各个部件组成的，每一部件的破坏都会对系统的正常运行带来一定的影响。通信设备安装在建筑物内，它的抗震特性不仅与地震动特性有关，而且与建筑结构及通信设备的动力特性有关[1]。1975年美国Duke提出了通信系统（无线电和电报、电话）所应具有的可靠性等级。日本NTT在电信技术委员会下设立了抗震对策特别委员会，对保证通信网的可靠性和灾害应急恢复体制进行研究。通过大型振动台实验对交换机机箱等通信设备进行模拟振动试验，了解其动力反应特性，确定了通信设备抗震的基本方针和目标：发生震度为5度的地震，必须局限于弹性范围以内；发生震度为6度的地震，可以允许塑性变形，但不得出现破坏。但是，即使日本对通信系统安全性很重视，在1995年的阪神大地震中，日本关西地区，尤其是神户市的通信系统仍受到极大的损坏，包括200多公里的地下管路、2600处人孔、335km的架空电缆与3处建筑物受损而致其发射塔停止使用。

随着移动通信业务的快速发展，我国各地兴建了大量的移动通信设施。2008年5月12日14时28分04秒发生的汶川8.0级地震是我国通信系统遭受破坏最严重的一次地震。汶川地震震中位于四川省汶川县映秀镇（北纬31.0°，东经103.4°），除黑龙江、吉林、新疆外，中国其他省市均有不同程度的震感，甚至泰国曼谷、越南河内、菲律宾、日本等地均有震感。地震造成了巨大的灾害，包括山体的滑坡、崩塌、河道堰塞等自然环境的破坏，更造成大量建筑物和包括通信工程在内的结构物倒塌损毁以及人员的严重伤亡，是建国以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震[2]。汶川大地震发生后，灾区大量的移动通信基站受损或者因断电、传输中断等原因退出服务。极重灾区的通信服务中断以及道路不通畅还曾一度成为抗震救灾的关键难题。本文在现场科学考察的基础上，对汶川地震极重灾区通信基站的典型震害现象进行了总结分析，以期为今后如何提高通信基站的抗震能力提供参考。

1 汶川地震的极重灾区及震害特点

汶川特大地震发生后，有关部门综合考虑因地震及地质灾害造成的死亡和失踪人员、倒塌房屋、转移安置人员的数量和比例，以及地震烈度和地质灾害危险度等因素，将这次地震的灾区分为极重灾区、重灾区和一般灾区3类。灾区总面积约50万平方千米，其中极重灾区共10个县（市），分别是四川省汶川县、北川县、绵竹市、什邡市、青川县、茂县、安县、都江堰市、平武县、彭州市。

上述的10个极重灾区县市均在本次地震的发震断层龙门山断裂附近。龙门山断裂是我国南北地震带上较著名的活动断裂。该断裂带历史上发生过1933年叠溪7.5级地震、1976年松潘—平武两次7.2级地震、1879年武都8级地震，以及多次6级地震。龙门山断裂带主要包括中央断裂、前山断裂和后山断裂等3条子断裂。汶川地震是一次兼具右旋走滑的逆断层型破裂事件，主要是中央断裂（北川－映秀断裂）和前山断裂（江油－灌县断裂）发生断层错动，形成了2条走向北东，长约240km的北川－映秀破裂带和长约90km的汉旺－白鹿破裂带，以及1条长约6km，连接两条北东向地表破裂带西段的北西向小鱼洞地表破裂带。映秀和北川地区地表破裂位错较大，断裂带上垂直最大错距为6.2m，水平最大错距为4.9m。地表破裂带所经之处，所有的山脊水系和工程结构均被错断损坏。

汶川地震极震区的最高烈度达到Ⅺ度。Ⅺ度区的面积约2419km2，以四川省汶川县映秀镇和北川县县城为两个中心呈长条状分布。根据震区强震台网获得的强震加速度记录，获得最大峰值加速度（PGA）记录的是汶川县卧龙台，该台站距离震中距约19km，其东西（EW）方向、南北（NS）方向和竖直（UD）方向的峰值加速度记录分别为957.8gal、658.1gal和948.4gal；其次是绵竹县的清平台记录，其EW方向、NS方向和UD方向的峰值加速度分别为824.3gal、802.5gal和622.9gal，台站距离发震断层约10km[3]。

除了地表破裂和强地震动，汶川地震还在极震区触发大规模滑坡、崩塌、滚石及泥石流、堰塞湖、砂土液化、地裂缝，极大地加重了灾害破坏的程度，也造成了抢险救灾的极度困难。地震造成的次生山地灾害崩塌、滚石和滑坡1万多处，在四川省境内就有7100多处。形成大量堰塞湖，大、小堰塞湖多达104个。这些堰塞湖又构成严重的次生水灾威胁，著名的有唐家山堰塞湖。断层错动、滑坡和崩塌掩埋、滚石砸击直接摧毁房屋、交通、通信、电力等基础设施，是本次地震极重灾区破坏严重的主要原因之一。

2 极重灾区通信基站典型震害

移动通信基站的构成主要包括通信铁塔、天馈系统（天线、馈线）、通信机房、主设备（BTS）、配套设施设备（接地系统、电源系统、防雷设施、传输设备、传输线路、空调、走线架、照明、监控设施、防火设施）等。通信设备主要分架式、台式、自立式设备。通信机房的主要结构形式有钢筋混凝土框架结构、砖混结构及彩钢板房等。按照机房与通信铁塔的位置关系可以分为塔外机房、塔内机房，或者称为独立铁塔、屋顶铁塔。

汶川地震发生后，作者参与了此次地震的科学考察工作，调查范围重点在于此次地震的极重灾区，为期约3个月。根据现场震害调查的结果，地震对移动通信基站的直接影响主要包括通信铁塔的破坏、通信建筑的破坏、通信设备的破坏、通信光缆的破坏以及外部电力供应的中断。按导致通信基站受损和服务功能中断的外因来分，因为断电导致通信功能丧失的基站数目最多，其次是因为滚石或者滑坡等砸断光缆导致通信中断，再其次是强地震动导致的通信建筑破坏，通信设备的破坏也多是因为建筑的倒塌而破坏。

另外，个别基站还出现了由于蓄电池等设备短路起火引起的次生灾害。汶川羌锋基站、阿坝师专基站等多个基站由于机房内设备短路发生火灾，基站被完全烧毁。

2.1 滑坡和滚石等地质灾害对通信基站的影响

如前文所述，此次汶川地震一个突出的震害特点是地震诱发的次生地质灾害范围广，规模大，破坏力强，特别是地震烈度在Ⅸ度以上的极重灾区表现尤为明显。汶川县城在震后3天与外界通信中断就是由于汶川至都江堰的干线光缆遭受了超大规模的山体滑坡破坏，是光缆遭受破坏导致大面积基站通信中断的典型例子。

汶川03基站于2003年10月建成，主要覆盖汶川县城、阿坝师专和国道213线，覆盖人口1000余人，属大配置重要基站。该基站位于半山坡，震后山体发生严重滑坡，基站机房及其内的通信设备随山体一起滑塌，仅剩铁塔。

北川太洪基站位于北川县陈家坝乡马鞍村，属于高山基站，铁塔高度约50m，为当地约1000余人提供移动通信服务。汶川地震发生后，基站所在山体出现大面积滑塌，太洪基站铁塔和基站机房与滑塌体一起从山顶滚落，所有设备损坏，无法提供通信服务。

除了山体滑坡，地震引起的巨大滚石也对一些基站造成了严重破坏。例如汶川县的板桥基站被山上滚落的巨石砸穿，基站内的全部设备被损毁，通信中断。汶川县的玉龙基站的铁塔底部被崩塌巨石砸中，铁塔歪倒；而未被滚石击中的机房和设备只是轻微受损。

2.2 地形效应对通信基站的影响

基于通信覆盖范围的需要，基站经常选择在山顶等高处建设。多次强震观测记录表明：相对于山脚，山顶的峰值加速度会明显放大，并且山顶的地震动在场地卓越周期附近放大最显著；地震动绝对持时从山脚、山腰到山顶也依次增长，此即地形效应。例如茂县土门基站位于山脊，震后基站围墙全部被震倒，铁塔上的接收天线被震落，而山脚的多数农房则只是轻微受损。如图1所示，汶川草坡基站位于海拔1877m高的山脊，震后山脊两侧的山体均出现严重滑坡，乃至机房的地基悬空。地震还导致汶川草坡基站的供电中断，变压器震落，围墙全部被震倒，电杆歪斜。该基站唯有铁塔矗立未倒。

2.3 鞭梢效应对通信铁塔的影响

鞭梢效应是指在地震作用下，高层建筑或其它建（构）筑物顶部细长突出部分振幅剧烈增大的现象。当建筑物受地震作用时，它顶部的细长突出部分由于质量和刚度比较小，在每一个来回的转折瞬间，形成较大的速度，产生较大的位移, 类似鞭梢的运动规律，因此被称为鞭梢效应。

汶川地震发生后，绵竹市区破坏较为严重，地震烈度达Ⅸ度。绵竹中心基站建于一座4层楼楼顶，塔高约30m，要覆盖绵竹中心城区的广场周围、老政府、军分区、民政局等重要区域，全天话务量约780Erl，忙时话务量约为150Erl。地震时该基站鞭梢效应显著，重达4t的基站铁塔拦腰折断，倒落地面，造成绵竹中心城区的通信受到严重影响。

图1 汶川草坡基站地震前后对比照片

图2 青川县城1号站震后铁塔弯折（左）、机房开裂（右）

若以建筑物一层地面的加速度为基准，根据日本通信建筑物的结构台阵观测结果， 建筑物各层的加速度增大率的情况大约为：中央层1.5～2倍，最上层为2.5～3倍左右，屋顶为3～4倍左右[4]。再加上鞭梢效应，屋顶铁塔最高处的加速度峰值可以达到地面的10倍以上。这是汶川地震中很多楼顶塔受损的主要原因。

而青川1号基站的破坏则同时存在着地形效应与鞭梢效应叠加的现象。该基站建于1996年，占地面积100m2，基站机房为二层砖混结构，合计72m2，建于青川县城西侧一山脊上（高约150m），主要服务于青川县城城区的通信。汶川地震造成青川县城区建筑物破坏严重，烈度达X度。青川1号基站的铁塔属于房顶塔，塔高约30m，在地震中鞭梢效应显著。如图2所示，震后铁塔在第1个平台处弯折，铁塔的剧烈晃动同时导致2层的钢筋混凝土机房底层填充墙出现严重的剪切裂缝，4根混凝土柱脚明显裂缝。机房内通信设备变形移位，空调外机脱落。该基站最后被拆除重建。

假如基站选址较好，其实按照规范设计建造的通信基站抗震能力也是足够强的。例如位于江油市含增镇镇政府院内的含增基站，属于塔下一层钢筋混土机房，房顶铁塔高约40m，如图3所示。该基站位于较平坦的一类场地，无地形放大效应。汶川地震发生后，江油市烈度被评为Ⅷ度。恰好在该基站旁边10m处即建有一强震观测台，记录到的东西方向、南北方向和竖向方向的峰值加速度分别为350.1gal、519.5gal和444.3gal。该基站震后保持基本完好。

3 小结

根据汶川地震现场调查的结果，通信基站的主要破坏类型包括通信铁塔的破坏、通信建筑的破坏、通信设备的破坏、通信光缆的破坏以及外部电力供应的中断。由于震后电力系统一般都难以快速恢复，因此断电对基站通信功能的影响最为常见。其次是因为滚石或者滑坡等砸断光缆而导致的通信中断。发生在龙门山区的大范围、大规模和强破坏力的地质灾害对通信基站造成了严重的威胁；再加上地形效应的影响，位于山顶的通信基站同时遭受了超强地震动作用。对比分析青川1号基站与江油含增基站在此次地震中的表现，为了避免同时出现鞭梢效应和地形效应叠加的不利情况，建议在山顶不宜建设屋顶铁塔式的基站。为了避免出现严重的鞭梢效应，在平原地区多层建筑的屋顶铁塔高度不宜过高。当然江油含增基站也表明，1～2层钢筋混土建筑的屋顶铁塔在较好的场地条件上也具有较强的抗震能力。

[1] 仲圯. 通信设备安装抗震设计中的若干问题[J]. 邮电设计技术，1994(7):19-29.

[2] 袁一凡. 四川汶川8.0级地震损失评估[J]. 地震工程与工程振动，2008，28(5)：10-19.

[3] 李小军，周正华，于海英，温瑞智. 汶川8.0级地震强震动观测及记录初步分析[A]. 2008年汶川地震建筑震害分析与重建研讨会论文集[C]. 北京：中国建筑工业出版社, 2008.

[4] 仲圯. 日本通信设备地震作用计算[J]. 工程地震，1991，(4):33-35．