影响救援现场安全的建筑倒塌扰动因素分析

步 兵 王巍巍

1 引言

本文的研究以小环境（局部废墟建筑物的环境）为背景，包括展开实际救援操作的局部废墟作业面和建立救援通道的内部环境两个方面。从分析影响被困者和救援者安全角度出发，总结实践中安全员和救援队员时常关心的内部结构问题，重点讨论建筑倒塌状况现场评估的细节分析过程与经验案例教训。

2 发展现状分析

联合国、美国、日本、欧盟等主要国际组织、发达国家和地区都已建立了大规模联合搜救与协调的技术体系和平台。联合国搜救咨询团（INSARAG）制定了城市搜救指南，对重中轻型搜救队伍进行了分级和测评，明确规定安全评估的整体步骤与优选树分析过程，并在各国的救援队测评中一致遵循此方法为基本评估准则，此外，世界各国也都根据本国法律、建筑规范和建筑物特点等因素细化调整安全评估的相关内容，美国FEMA逐步建成了支撑国家、现场和各级应急行动中心的技术系统，并定期更新其技术文档，对突发事件应急救援与协调指挥进行了规范和标准化要求；德国联邦技术救援署（THW）通过模块化的组织架构、程序化的管理模式、规范化的培训体系为德国境内的应急救援工作提供了坚实保障。

党和国家历来高度重视应急救援能力的建设和提升，习总书记在历次抗震救灾中要求，要把抢救人员放在第一位，尽最大努力减少人员伤亡。灾难发生时，救人始终是强调的第一要务。汶川地震、玉树地震、芦山地震和鲁甸地震以及舟曲滑坡泥石流等重特大灾害应急救援表明，目前我国应对重特大地震灾害的现场应急处置能力仍存在明显不足，为此，基于现场救援行动中的实践经验与建筑物倒塌状况的理论分析存在进一步提升的空间。

3 地震救援现场安全影响因素分类

影响救援者和被困者安全的具体因素抽象分为环境类因素和人的因素两大类，其中环境类因素具体包括大环境和小环境；人的因素具体包括救援者和被困者，如图1所示。大环境是指灾区整体环境，即自然环境（余震、地质、天气）和人为压力来源（围观群众、媒体记者、风俗习惯）；小环境是指局部废墟环境（或叫救援通道环境），其影响主要因素包括建筑物材料、救援过程中潜在的触发灾害、建筑物倒塌状况和分析救援通道的定位。救援中队长如何判断救援通道以及随时修正、应对操作过程中的变化是检验救援能力的核心价值体现。

图1 实践案例中的救援队员现场安全评估影响因素及分析思路图

4 建筑倒塌扰动因素

救援现场队员最关心的问题就是建筑物的倒塌状况，具体表现在三个方面：被困人员上方物体的重量、被困人员周围废墟的承重支点位置及位移和被困人员周围废墟裂缝处或破损处开裂情况。其最终核心问题就是从不同方向建立废墟通道的效果分析，它是了解废墟材料和倒塌状况后最终要归结出的解决办法。

4.1 评估被困人员上方物体的重量

造成废墟结构二次倒塌的直接原因是废墟本身的自重超过了下部支撑能力，诱因主要是余震、破拆扰动、结构破坏等。现场判断被困人员所处环境上方物体的重量，具有两个实际意义：第一，对救援设备提出了能力标准的底线。设备的能力水平与应用极限是客观的，在救援现场装备的能力技术水平对救援的效果起到至关重要的作用。第二，对救援技术能力提出了最低要求。在中国国际救援队历次的救灾案例中，经验丰富、技术娴熟的队员在现场总是起到至关重要的作用，在事后的调研总结中发现，由于队员对自身能力有预判，同时在平时的训练、培训、救灾实战中处理过类似的情况，有一定的实战经验积累，因此才敢在关键时刻做到心中有底，其余队员对其信任度会相对较高。对救灾现场的被困人员上方物体重量的评估，在多次的救灾行动中形成了一套国家队员内部的经验评估方法，如下图2所示。

现场评估的依据主要是体积和密度两项，体积是根据实际目测或丈量，而密度根据经验或查询可得到，判断的标的物以水为准，1立方米的水体积的重量为1吨，而水密度为1。所以，在现场只需要将被困人员上方物体按照1M×1M的大小分块，其物体密度是水密度的多少倍，就被1M高度除以多少，从而得到该物体1吨重量的大小，再按原先分块累加起来，最终得到整体的估算重量。由此在现场安排部署具备相应能力的人员数量、调配相应能力的救援设备等。

4.2 评估被困人员周围废墟承重支点变化

倒塌过程中承重支点（下面简称“支点”）的变化主要有三种形式：支点旋转、支点位移和支点增加，其中前两种支点的数量不变，后一种数量发生变化。从倒塌的规模来看，普遍遵循一个规律，即随着倒塌规模的增加，支点的旋转、位移和数量都相应增加，同时，随着支点数量的增加，倒塌的废墟稳定性也相应增加，在救援队内部对此种情况有一种经验叫法，称作“倒塌后的稳定结构”。

图2 救援队员估算现场废墟重量的方法示意图

安全评估中对支点的评估主要集中在上述三种情况，但是在对支点变化进行分析评估前需要首先,找出所有承重支点。特别要声明，承重支点不一定处于与水平面近似平行的位置，有可能垂直。在实际观察中发现，承重支点的作用就是保持重心的稳定，因此，承重支点往往和现场的接触点概念相吻合，从另外层面讲，找出承重支点首先要找到所有被困人员上方物体的接触点，然后逐一排除个接触点，因为，有些接触点（隐性接触点）发生改变（废墟清除）不会影响到上方物体的重心，最后，找出影响到物体重心的接触点（显性接触点），我们称其为承重支点。此过程流程思路如图3所示。

4.2.1 承重支点的旋转

该情况多发生在废墟结构轻微变化的阶段，由于重心的偏移，使得物体沿着支点为中心发生旋转，有时旋转的角度过大，会造成位移。并不是所有废墟物体都会发生沿着重心支点的旋转，有时只会出现单一位移的状况。因为支点的旋转是废墟倒塌或位移的临界状态，期间如果有强力的干预措施（周围物体阻挡、人为支撑等）会终止进一步倒塌的过程。在救灾现场，处理承重支点的旋转与处理承重支点的位移方法相同，都是进行人为加固或支撑处理。

图3 分析现场局部废墟承重支点思路图

4.2.2 承重支点的位移

它是废墟结构变化最普遍的形式，具体来讲支点的位移体现在两个物体平面接触点的滑动位移。现场救援主要的观测支点位移的手段包括：大面积废墟的经纬仪定点观测、局部小废墟的标的物时段观测对比、局部结构的重力平衡物应急警示等方法。人为加固支撑承重支点的方法主要是利用制式垫木、建筑木材、工程塑料等进行“十字交叉法”支护（这里的“十字交叉法”不同于专业救援技术中的“井字交叉法”，实践证明交叉的横竖材质的数量不局限于两根，主要以保持每一层支撑面的稳定性，根据实际需要可以增加数量，只需保证相互交叉、接触面没有镂空、受力均匀、支护材质尽量保持一致的准则，支撑效果就会比较良好，现场情况往往是各种交叉支护的变形结构），对于更狭小空间的承重支点支护有时利用就便木材制作成木楔进行支撑。这里在实践支撑中总结如下经验：队员对于支撑概念的理解不能局限在技术步骤和接触点周围物体的加固支护上，必须要有一个宏观的支撑概念，即支撑的是上方物体（以破裂为边界）的重心，整个诠释被支撑物体后对受力接触点（承重支点）的关键性依次排序，进行不同程度的重点加固。而局部的点的加固一定是建立在整体支撑加固的前提下才能发挥作用，否则，局部受力点加固的再充分，也无法阻挡废墟整体的变形和位移趋势。

4.2.3 承重支点的增加

废墟发生位移或二次坍塌后，重新形成另一种稳定状态，现场在对比前后废墟的承重支点时发现，通常情况下，由于新的接触点（承重支点）的介入，使得物体又回到相对稳定的状态，受力点更加均匀分散。在实际的现场案例中，安全员对废墟的承重支点观察必须是反复的，不仅要对已经明确的重要支点进行重点监控，还要对发生余震后或破拆救援的扰动中，实时发现由于局部废墟缓慢的位移变化形成的新的接触点（承重支点）。然而现场经验告诉我们，由于工作强度大，救援人员的注意力非常集中，对于现场的新的变化（特别是废墟的缓慢位移）敏感度较低，往往是到临界状态或者废墟发生明显的剧烈变化时，才会使得救援人员注意到废墟新的结构特点。

4.3 评估被困人员周围废墟裂缝处或已破损处状况

救援通道在建立过程中，必须时刻观察局部废墟周围及其内部的裂缝或破损处的状况，因为这些位置是极易发生二次断裂或破损加剧的部位，总结现场应对处置破损处的过程主要分为三个步骤：标识、加固和观察。

4.3.1标识

标识出救援通道周围环境的破损开裂处，常用的现场工具有喷漆等涂料，标识的目的在于：明确局部废墟结构破损的位置；根据结构专家的评估，分析出破损位置的破坏程度的优先级别；以破损位置为边界，大致确定出被困人员的上方物体大小和区域。

4.3.2 加固

对重要位置进行加固，关键问题是在现场什么位置算是重要位置？一方面通过结构专家的评估和建议来确定位置；另一方面根据队员多次实战的现场经验来操作。前者在历次救援行动中发现，每支救援队未必会配有结构专家进行实时的前方指导，在实际的操作中更多的是依靠后者提到的队员的实战经验，来确定加固的重要位置。后期在经验交流中队员普遍认为，破损或裂缝处主要是结构断开的形式，现场的二次倒塌发现一般是沿着破损处继续开裂和扩大，假设破损或裂缝处完全断开后局部废墟的重心变化和结构连接的形式变化趋势，是判断加固位置和方式的主要依据，而这种趋势判断的能力主要是来源于专业方面的积累和经验。

4.3.3 观察

对破损位置的开裂程度进行反复观察，因为，一次剧烈的变化之前，总会有如开裂角度、位移、重心偏移等微小的变化，多次的对比就会发现在剧烈变化之前会有一个能量积累过程，准确捕捉到这种变化是及时调整救援过程避免发生事故的关键，这里必须说明由于救援操作、余震、地质等复杂的现场环境因素，导致上述微小变化（能量积累）的过程无法停止，通常会出现两种处置应对后的情况：第一，在准确判断加固的关键位置后，随着变化的能量积累，不断在该位置进行阶段性的重复加固和补救，直至将废墟内的被困人员救出或救援行动终止并撤出为止，如在汶川救援案例中开始阶段对某局部废墟进行简易的木材支撑加固，后来余震不断导致废墟变化，在该位置又进行液压装备的机械支撑，再后来长时间的降雨使得废墟又发生重心偏移，最后用大型挖掘机进行吊臂的临时加固等；第二，由于在关键位置的加固比较全面，使得能量积累到一定程度后，沿着其它破损位置（标识步骤中破坏优先程度较低的位置）开始破裂（释放能量），或者在起初没有破损位置，但比加固后重要位置薄弱的地方发生破裂。如在某次救援行动中，对局部废墟进行平面支撑，将空间内的四角用液压支撑装置固定后，在余震的扰动和上方堆积物重量增加的情况下，中心位置发生局部的开裂等。

5 结语

局部废墟救援中的小环境因素评估分为建筑材料因素、倒塌扰动因素和救援通道选取三个角度，本文重点分析其中的建筑倒塌扰动因素，并将安全评估人员历次救援中的实践经验与救援队员的实施效果相结合，提炼总结出倒塌废墟重量估算、废墟支撑点显性与隐性的排查、破裂脆性点的评估等多种细节评估的模式，为今后专业救援技术和安全评估的进一步研究提供了实践依据与案例支持。