通信系统震害与减灾对策

朱晓炜，肖 遥，张艳国，李 俏，张 丽

（1. 中国移动通信集团内蒙古有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010；2. 辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；3. 中国联合网络通信有限公司宾县分公司，黑龙江 宾县 150400）

0 引言

尽管与电力、交通和天然气等其他生命线系统相比，地震中通信系统表现得更具韧性，但许多重大地震的震害调查表明，大地震对于通信系统已经产生了不容忽视的影响[1-5]。作为生命线系统的重要部分，通信系统在震后灾情传递、应急救援和社会维稳方面发挥着重要作用，因此需要对通信系统的震害特征与减灾对策展开研究。

许多学者对于通信系统的震害特征和地震易损性展开了研究。在震害特征方面，刘爱文等总结了鲁甸地震中交通、通信和电力三类生命线工程的震害特点，对2001 至2011 年10 年间通信系统的地震灾害直接经济损失进行了统计分析[4，6]；刘金龙等先后对芦山7.0 级地震和尼泊尔8.1 级地震中通信系统的震害进行了调查研究[3，5]；吕红山指出滑坡、崩塌和滚石等地震地质灾害是汶川地震中通信系统发生特别重大破坏的主要原因[1]；陆鸣等基于汶川地震中都江堰市移动通信系统的震害调查，总结了通信系统建筑物和移动通讯设备的震害特征，并提出了减轻震害的应对措施[2]。在地震易损性方面，臧战胜等对通信基站地震破坏等级划分进行了研究[7]；李桂容等介绍了室内通信设备的抗震性能分析方法[8]；张竞等对珠江三角洲通信系统建筑物震害开展了预测[9]；毛晨曦等对典型通信铁塔的抗震性能和地震易损性进行了研究[10]。以上研究在震害特征方面多聚焦于某一次地震事件，在地震易损性方面则是对通信系统中的某一类承灾体展开研究。本文通过介绍几个地震中通信系统的震害表现、破坏成因与震害特征，分析地震中通信系统的薄弱环节，归纳通讯系统各类承灾体的地震灾害风险评估方法，最后对通信系统的防震减灾对策给出建议。

1 震害表现、成因与震害特征

震害调查表明，地震中通信系统的承灾体主要包括办公/生产建筑及设备、基站机房及设备、信号发射塔和光缆四类设施（图1）。归纳总结汶川、芦山和鲁甸三次大地震中上述四类通讯设施的震害表现、成因与震害特征如下：

图1 地震灾害中的通信系统承灾体Fig.1 Hazard-affected bodies of communications systems in earthquake disaster

（1） 办公/生产建筑及设备。办公/生产建筑主要指办公楼和放置核心设备的生产楼，包括县一级的综合楼，其破坏主要发生在Ⅷ度及以上区域。对于多层框架结构，在Ⅷ度和Ⅸ度区主体承重结构通常不会发生明显破坏，破坏汶川、芦山和鲁甸地震中都表现出山区内高山基站破坏严重的现象。基站机房震害主要表现为墙体破坏，通常为墙体斜裂缝或X 型剪切裂缝、个别山顶基站表现为墙体底部水平错断裂缝，部分基站机房被滑坡或落石砸毁。由于大量通讯基站机房采用租用方式，高烈度区内一些租用的老旧砌体建筑常发生较为严重的破坏，在汶川地震中都江堰市灵岩山索道移动通信基站租用的2 层砖砌体结构遭受严重破坏，局部墙体倒塌，2 层屋盖局部坍塌，部分通讯设备被砸毁。基站设备震害一般较轻，多数表现为机柜、蓄电池等设施的滑移和倾覆，少部分因强震动造成的短路被烧毁，极少数被毁坏的基站设备是因地震地质灾害严重破坏容纳设备的机房引起的。更多地发生在填充墙和吊顶等非承重结构，在更高的烈度区才会发生主体结构破坏。芦山地震中位于Ⅷ度区内芦山县移动公司大楼填充墙及吊顶破坏严重，砸毁部分设备。汶川地震中，位于Ⅺ度的北川移动公司大楼，低层发生严重破坏，构造柱被弯曲错断，部分机柜倾覆倒塌，损失惨重，如图2 所示。对于多层砌体结构，通常破坏程度更重，表现为低层承重墙出现贯通性裂缝或坍塌，鲁甸地震中位于Ⅸ度区内的龙头山邮电所5 层大楼发生了底层坍塌，从5层变为4 层。

（2）基站机房及设备。在大地震中，通信基站的震害主要集中在地震地质灾害易发区。

图2 汶川地震中北川移动通信公司破坏情况Fig.2 The destruction of Beichuan mobile communication company in Wenchuan earthquake

（3）信号发射塔。信号发射塔由塔身和塔基组成，通常塔身采用质量轻、强度高的全钢质结构，塔基较为坚实，在几次大地震中发射塔的震害表现较轻。塔身一般无明显损伤，在Ⅷ度和Ⅸ度区仅部分山顶基站铁塔的尖端部分发生弯折破坏，不影响铁塔功能。在汶川地震中，位于Ⅺ度的北川移动公司信号发射塔过于贴近办公/生产建筑，与楼体发生相互碰撞造成了塔体严重破坏，如图2 所示。塔基可能受到地震地质灾害的影响，由于三次地震都发生在山区，还没有发现砂土液化和软土震陷造成塔基破坏的案例。安置在屋顶的信号发射天线通常不会发生破坏，除非是受到屋顶破坏的影响。

（4）光缆。几次大地震中通信光缆都表现出了严重的破坏情况。这主要由地震引发的山体滑坡、崩塌和滚石等地质灾害造成，少部分通信光缆被倒塌构筑物砸毁。汶川地震中，阿坝州基站与交换中心相连的基干线路主要沿公路铺设且均为架空线路，受到地震地质灾害的严重破坏，造成了系统长时间、大面积的功能丧失。

总的来说，通信系统的震害特征主要表现为建筑物的结构破坏、通讯设备的非结构损伤以及基站和光缆的次生地质灾害破坏，其中，结构破坏和次生地质灾害破坏是造成通信系统震害的主因，而地质灾害易发区的基站和光缆构成了地震灾害中通信系统的薄弱环节。

2 地震灾害风险评估方法简介

地震灾害风险评估是通信系统防震减灾的基础工作之一，其目的是给出可能发生的不同级别地震灾害对通信系统承灾体的破坏和影响。由于通信系统承灾体的属性不同，评估的主要工作内容一般可分为：建/构筑物结构地震易损性评估、设备地震易损性评估和场地地震安全性评价三个主要方面。

建/构筑物结构地震易损性评估包括对通信系统的多层办公/生产建筑、单层的基站机房和信号发射塔进行地震易损性分析，在大地震易发区对于多层办公/生产建筑应当逐幢进行分析，对于单层的基站机房和信号发射塔可按类进行分析，宜采用Pushover 法或更能够体现结构地震真实反应的增量动力法。张竞等对珠江三角洲通信系统建筑物的震害预测成果[9]与毛晨曦等对典型通信铁塔的抗震性能和地震易损性的研究成果[10]可以被借鉴和采用，典型通信铁塔的地震易损性曲线如图3 所示。

图3 典型通信铁塔的地震易损性曲线Fig.3 Seismic fragility curves of the three typical communication towers

设备地震易损性评估常采用基于抗滑移和抗倾覆能力的评估方法，也可参考供电设备的震害预测采用震害统计分析、理论计算分析和基于设备振动台试验发展易损性曲线的实验—理论分析方法。大地震中通讯设备的震害调查表明设备破坏主要表现为设备的滑移和倾覆，因此采用基于抗滑移和抗倾覆能力的简化评估方法即可较好的满足防震减灾需求。对于放置在非底层楼面上的通讯设备，楼面设备的水平地震作用可按式（1）简化考虑：

式中：FH为水平地震作用；G 为设备重量；K1为设备所在楼层反应系数；K2为设备对楼面的反应系数，按图4 取值；K3为设备重要度系数，按表1 取值；α 为地震影响系数。确定设备的水平地震作用后可针对设备的不同约束形式，如顶部有支撑底部固定，顶部无支撑底部固定和浮放等，构建力学简化模型进行计算。

图4 设备对楼面的反应系数Fig.4 Response coefficient of equipment to floor

表1 设备重要度系数K3

场地地震安全性评价主要给出场地地震动影响场与地震地质灾害评价。地震动影响场被用于为建/构筑物和设备的地震易损性评估提供需要考虑的地震作用标度，如图2 中的地震加速度峰值和式（1）中的地震影响系数α 均来自地震动影响场评价结果。地震地质灾害评价通常被用于确定不利场地分布，大地震易发区的地震地质灾害评价结果一般体现为不同地震强度作用下滑坡、崩塌、砂土液化和软土震陷等地震地质灾害分布区划图，便于通信部门和企业了解不利地段分布信息采取避让措施或防范对策。

3 防震减灾对策浅议

地震灾害风险主要由地震危险性、承灾体的结构易损性和暴露性三部分组成。当前技术条件下，对危险地段的避让和提高承灾体抗震性能是减轻地震灾害损失的主要策略。为了有效减轻大地震易发区通信系统的地震灾害损失，可以采取以下措施：

（1）注意地震危险和场地条件的影响。积极从地震部门获取不同时间尺度的地震危险预测信息和地震地质灾害分布信息。对于大地震易发区对重要建筑所在场地开展断层探查和地震地质灾害评价工作。在通讯基站建设和光缆布设的过程中需要重视对于地质灾害易发地段的避让，如对建设高山基站和加密平原基站进行合理取舍、信号发射塔避开砂土液化和软土震陷隐患点。对于确实无法避开不利地段的应采取合适的防范措施，如为了避免滑坡和落石破坏光缆对于危险地段采取光缆埋地。

（2） 加强建筑抗震能力。在地震易发区，对于多层建筑尽量选择框架、框剪等抗震结构形式，避免选择砌体结构，保持结构的平、立面规整。选择机房时宜选择中、高层，但不应选择异常突出的顶层房间。对于特别重要的建筑如大区中心和省中心的通信枢纽楼，宜开展工程场地地震安全性评价工作，根据评价结果采取相应的设防措施。对于单层建筑，如基站机房和汇聚机房，不宜租用老旧民房，建设时应注意材料质量，宜采取一定的构造措施。

（3）重视设备的非结构破坏。不宜选择靠近外填充墙的房间作为机房，设备尽量平行且靠近内墙摆放，立柜尽可能并排立放，设备基础应当予以固定。蓄电池应放入角铁框架内，如需搁置在专门的台阶上，则应予以足够强度的固定，防止震时滑落。机房棚顶不宜设计吊顶，不宜有水管穿过，防止地震中因吊顶跌落和水管破坏漏水造成的设备损坏。屋顶发射天线应远离突出物体，如小房屋、女儿墙等。缆线竖向延伸时应沿柱体向上延伸而不依附墙体，爬墙、穿墙和横向跨越空间时应使用固定铁架维护走线安全。信号发射塔宜与多层建筑保持一定距离，地震时发生相互碰撞加重震害。

（4）探索通信系统地震保险投资。地震保险是地震灾害损失的有效经济补偿模式，宜对辖区内的通信系统开展地震风险评估与隐患排查工作，根据评估结果设计适当的地震保险投资，降低企业的地震灾害风险。

4 总结

本文总结了汶川、芦山和鲁甸三次大地震中通信系统承灾体的震害表现、成因与震害特征，指出结构破坏和次生地质灾害破坏是造成通信系统震害的主因，而地震地质灾害易发区范围内的基站和光缆是通信系统的震害薄弱环节。系统地介绍了通信系统地震灾害风险评估方法的三个主要方面，即建/构筑物地震易损性评估、设备地震易损性评估和场地地震安全性评价。立足当前技术条件，建议对大地震易发区通信系统通过实施地震风险评估与隐患排查工作，加强承灾体抗震性能建设与投资地震保险来有效降低通信系统的地震灾害风险。