汶川地震極重災區通信基站典型震害及原因分析*

劉愛文, 廈珊, 呂紅山, 陳鯤, 徐偉進

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

1971年美國San Fernando地震后，人們開始重視通信系統的抗震研究。通信設施與一般建筑物相比，其抗震設計有自身的特點。首先通信設施遭受破壞后，不僅通信部門本身遭受損失，而且會造成間接損失及嚴重的社會影響。往往其間接損失遠大于通信部門本身的損失。另外，通信設施是以網絡系統的形式發揮其功能的，而網絡系統是由各個部件組成的，每一部件的破壞都會對系統的正常運行帶來一定的影響。通信設備安裝在建筑物內，它的抗震特性不僅與地震動特性有關，而且與建筑結構及通信設備的動力特性有關[1]。1975年美國Duke提出了通信系統（無線電和電報、電話）所應具有的可靠性等級。日本NTT在電信技術委員會下設立了抗震對策特別委員會，對保證通信網的可靠性和災害應急恢復體制進行研究。通過大型振動臺實驗對交換機機箱等通信設備進行模擬振動試驗，了解其動力反應特性，確定了通信設備抗震的基本方針和目標：發生震度為5度的地震，必須局限于彈性范圍以內；發生震度為6度的地震，可以允許塑性變形，但不得出現破壞。但是，即使日本對通信系統安全性很重視，在1995年的阪神大地震中，日本關西地區，尤其是神戶市的通信系統仍受到極大的損壞，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射塔停止使用。

隨著移動通信業務的快速發展，我國各地興建了大量的移動通信設施。2008年5月12日14時28分04秒發生的汶川8.0級地震是我國通信系統遭受破壞最嚴重的一次地震。汶川地震震中位于四川省汶川縣映秀鎮（北緯31.0°，東經103.4°），除黑龍江、吉林、新疆外，中國其他省市均有不同程度的震感，甚至泰國曼谷、越南河內、菲律賓、日本等地均有震感。地震造成了巨大的災害，包括山體的滑坡、崩塌、河道堰塞等自然環境的破壞，更造成大量建筑物和包括通信工程在內的結構物倒塌損毀以及人員的嚴重傷亡，是建國以來破壞性最強、波及范圍最大的一次地震[2]。汶川大地震發生后，災區大量的移動通信基站受損或者因斷電、傳輸中斷等原因退出服務。極重災區的通信服務中斷以及道路不通暢還曾一度成為抗震救災的關鍵難題。本文在現場科學考察的基礎上，對汶川地震極重災區通信基站的典型震害現象進行了總結分析，以期為今后如何提高通信基站的抗震能力提供參考。

1 汶川地震的極重災區及震害特點

汶川特大地震發生后，有關部門綜合考慮因地震及地質災害造成的死亡和失蹤人員、倒塌房屋、轉移安置人員的數量和比例，以及地震烈度和地質災害危險度等因素，將這次地震的災區分為極重災區、重災區和一般災區3類。災區總面積約50萬平方千米，其中極重災區共10個縣（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個極重災區縣市均在本次地震的發震斷層龍門山斷裂附近。龍門山斷裂是我國南北地震帶上較著名的活動斷裂。該斷裂帶歷史上發生過1933年疊溪7.5級地震、1976年松潘—平武兩次7.2級地震、1879年武都8級地震，以及多次6級地震。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）發生斷層錯動，形成了2條走向北東，長約240km的北川－映秀破裂帶和長約90km的漢旺－白鹿破裂帶，以及1條長約6km，連接兩條北東向地表破裂帶西段的北西向小魚洞地表破裂帶。映秀和北川地區地表破裂位錯較大，斷裂帶上垂直最大錯距為6.2m，水平最大錯距為4.9m。地表破裂帶所經之處，所有的山脊水系和工程結構均被錯斷損壞。

汶川地震極震區的最高烈度達到Ⅺ度。Ⅺ度區的面積約2419km2，以四川省汶川縣映秀鎮和北川縣縣城為兩個中心呈長條狀分布。根據震區強震臺網獲得的強震加速度記錄，獲得最大峰值加速度（PGA）記錄的是汶川縣臥龍臺，該臺站距離震中距約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，臺站距離發震斷層約10km[3]。

除了地表破裂和強地震動，汶川地震還在極震區觸發大規模滑坡、崩塌、滾石及泥石流、堰塞湖、砂土液化、地裂縫，極大地加重了災害破壞的程度，也造成了搶險救災的極度困難。地震造成的次生山地災害崩塌、滾石和滑坡1萬多處，在四川省境內就有7100多處。形成大量堰塞湖，大、小堰塞湖多達104個。這些堰塞湖又構成嚴重的次生水災威脅，著名的有唐家山堰塞湖。斷層錯動、滑坡和崩塌掩埋、滾石砸擊直接摧毀房屋、交通、通信、電力等基礎設施，是本次地震極重災區破壞嚴重的主要原因之一。

2 極重災區通信基站典型震害

移動通信基站的構成主要包括通信鐵塔、天饋系統（天線、饋線）、通信機房、主設備（BTS）、配套設施設備（接地系統、電源系統、防雷設施、傳輸設備、傳輸線路、空調、走線架、照明、監控設施、防火設施）等。通信設備主要分架式、臺式、自立式設備。通信機房的主要結構形式有鋼筋混凝土框架結構、磚混結構及彩鋼板房等。按照機房與通信鐵塔的位置關系可以分為塔外機房、塔內機房，或者稱為獨立鐵塔、屋頂鐵塔。

汶川地震發生后，作者參與了此次地震的科學考察工作，調查范圍重點在于此次地震的極重災區，為期約3個月。根據現場震害調查的結果，地震對移動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、通信設備的破壞、通信光纜的破壞以及外部電力供應的中斷。按導致通信基站受損和服務功能中斷的外因來分，因為斷電導致通信功能喪失的基站數目最多，其次是因為滾石或者滑坡等砸斷光纜導致通信中斷，再其次是強地震動導致的通信建筑破壞，通信設備的破壞也多是因為建筑的倒塌而破壞。

另外，個別基站還出現了由于蓄電池等設備短路起火引起的次生災害。汶川羌鋒基站、阿壩師專基站等多個基站由于機房內設備短路發生火災，基站被完全燒毀。

2.1 滑坡和滾石等地質災害對通信基站的影響

如前文所述，此次汶川地震一個突出的震害特點是地震誘發的次生地質災害范圍廣，規模大，破壞力強，特別是地震烈度在Ⅸ度以上的極重災區表現尤為明顯。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模的山體滑坡破壞，是光纜遭受破壞導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，震后山體發生嚴重滑坡，基站機房及其內的通信設備隨山體一起滑塌，僅剩鐵塔。

北川太洪基站位于北川縣陳家壩鄉馬鞍村，屬于高山基站，鐵塔高度約50m，為當地約1000余人提供移動通信服務。汶川地震發生后，基站所在山體出現大面積滑塌，太洪基站鐵塔和基站機房與滑塌體一起從山頂滾落，所有設備損壞，無法提供通信服務。

除了山體滑坡，地震引起的巨大滾石也對一些基站造成了嚴重破壞。例如汶川縣的板橋基站被山上滾落的巨石砸穿，基站內的全部設備被損毀，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房和設備只是輕微受損。

2.2 地形效應對通信基站的影響

基于通信覆蓋范圍的需要，基站經常選擇在山頂等高處建設。多次強震觀測記錄表明：相對于山腳，山頂的峰值加速度會明顯放大，并且山頂的地震動在場地卓越周期附近放大最顯著；地震動絕對持時從山腳、山腰到山頂也依次增長，此即地形效應。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，而山腳的多數農房則只是輕微受損。如圖1所示，汶川草坡基站位于海拔1877m高的山脊，震后山脊兩側的山體均出現嚴重滑坡，乃至機房的地基懸空。地震還導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 鞭梢效應對通信鐵塔的影響

鞭梢效應是指在地震作用下，高層建筑或其它建（構）筑物頂部細長突出部分振幅劇烈增大的現象。當建筑物受地震作用時，它頂部的細長突出部分由于質量和剛度比較小，在每一個來回的轉折瞬間，形成較大的速度，產生較大的位移, 類似鞭梢的運動規律，因此被稱為鞭梢效應。

汶川地震發生后，綿竹市區破壞較為嚴重，地震烈度達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的廣場周圍、老政府、軍分區、民政局等重要區域，全天話務量約780Erl，忙時話務量約為150Erl。地震時該基站鞭梢效應顯著，重達4t的基站鐵塔攔腰折斷，倒落地面，造成綿竹中心城區的通信受到嚴重影響。

圖1 汶川草坡基站地震前后對比照片

圖2 青川縣城1號站震后鐵塔彎折（左）、機房開裂（右）

若以建筑物一層地面的加速度為基準，根據日本通信建筑物的結構臺陣觀測結果， 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，屋頂鐵塔最高處的加速度峰值可以達到地面的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號基站的破壞則同時存在著地形效應與鞭梢效應疊加的現象。該基站建于1996年，占地面積100m2，基站機房為二層磚混結構，合計72m2，建于青川縣城西側一山脊上（高約150m），主要服務于青川縣城城區的通信。汶川地震造成青川縣城區建筑物破壞嚴重，烈度達X度。青川1號基站的鐵塔屬于房頂塔，塔高約30m，在地震中鞭梢效應顯著。如圖2所示，震后鐵塔在第1個平臺處彎折，鐵塔的劇烈晃動同時導致2層的鋼筋混凝土機房底層填充墻出現嚴重的剪切裂縫，4根混凝土柱腳明顯裂縫。機房內通信設備變形移位，空調外機脫落。該基站最后被拆除重建。

假如基站選址較好，其實按照規范設計建造的通信基站抗震能力也是足夠強的。例如位于江油市含增鎮鎮政府院內的含增基站，屬于塔下一層鋼筋混土機房，房頂鐵塔高約40m，如圖3所示。該基站位于較平坦的一類場地，無地形放大效應。汶川地震發生后，江油市烈度被評為Ⅷ度。恰好在該基站旁邊10m處即建有一強震觀測臺，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

根據汶川地震現場調查的結果，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、通信設備的破壞、通信光纜的破壞以及外部電力供應的中斷。由于震后電力系統一般都難以快速恢復，因此斷電對基站通信功能的影響最為常見。其次是因為滾石或者滑坡等砸斷光纜而導致的通信中斷。發生在龍門山區的大范圍、大規模和強破壞力的地質災害對通信基站造成了嚴重的威脅；再加上地形效應的影響，位于山頂的通信基站同時遭受了超強地震動作用。對比分析青川1號基站與江油含增基站在此次地震中的表現，為了避免同時出現鞭梢效應和地形效應疊加的不利情況，建議在山頂不宜建設屋頂鐵塔式的基站。為了避免出現嚴重的鞭梢效應，在平原地區多層建筑的屋頂鐵塔高度不宜過高。當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地條件上也具有較強的抗震能力。

[1] 仲圯. 通信設備安裝抗震設計中的若干問題[J]. 郵電設計技術，1994(7):19-29.

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

[3] 李小軍，周正華，于海英，溫瑞智. 汶川8.0級地震強震動觀測及記錄初步分析[A]. 2008年汶川地震建筑震害分析與重建研討會論文集[C]. 北京：中國建筑工業出版社, 2008.

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