北京市道路系統抗震設防目標研究

朱勝躍，郭淑霞

（北京市市政工程設計研究總院，北京市 100082）

0 前言

城市道路、供水、供能和通訊網絡是應對地震等突發災害時城市的生命線保障系統，其中道路網絡最為重要，它不僅是物資運輸的通道，又是震害發生時人員疏散、消防系統發揮作用、醫療衛生系統及時救援、派遣營救人員和工程隊伍的路線，并且對道路網絡任何形式的破壞或干擾都將阻礙在緊急情況下對生命線其它網絡的修復。

良好的道路交通抗震防災系統，應能夠承受強烈的地震影響而不遭受嚴重破壞。由于地震作用的隨機性和人類資源的有限性，不可能用無限的資源去實現在強烈地震災害作用下道路交通不發生破壞。研究道路交通抗震防災體系，分析北京市道路交通在不同地震水準下的抗震性能要求，提出抗震救災關鍵點段分級建設要求和抗震性能目標，確定北京市道路關鍵點段的抗震設防目標和標準，實現在可接受安全水平上的最小投入。

城市道路抗震防災能力不僅取決于單體工程的抗震能力，更重要的是道路系統通過抗震設防等級和設防要求的確定、關鍵環節抗震能力的增強、抗震保障和應急救災的有效應對，使得綜合抗震能力得到保障，達到安全與經濟的和諧統一，保障城市道路系統在災后發揮應有的效能。

1 北京道路交通抗震防災體系架構

城市抗震防災規劃和建設需要建立應對地震各階段的緊急處置系統、應急系統和應急預案，其中緊急處置系統對應災前的臨災預警和緊急處置；應急系統對應災時的應急響應；應急預案對應災后的搶險救災和災后恢復重建。這些工作需要城市規劃、建設和運營管理等多部門通力合作。

道路交通抗震防災體系的主要組成部分包括：道路交通震害相關基礎信息庫、道路抗震防災關鍵點段數據庫以及道路交通抗震防災應對策略，分別從基礎數據、判別技術以及應用價值三個方面構建了北京市道路交通抗震防災體系。各個層次呈層級遞進關系：基礎信息數據庫是進行關鍵點段識別的基礎，而關鍵點段的識別是進行應用的前提。

道路交通震害相關基礎信息庫是城市抗震防災研究的基礎，應建立長期的數據采集、更新機制。該信息庫應包含的數據信息有：（1）地震斷裂帶分布；（2）現狀及規劃路網結構及功能，應涵蓋現狀及規劃道路等級、道路通行能力、道路紅線寬度、道路沿線建筑高度、道路地下管網等；（3）應急疏散場所、救災指揮及消防站、醫療機構等震后生命救援的主要目標區域；道路抗震防災關鍵點段數據庫是確定道路交通抗震設防目標的基礎。該數據庫是利用相關的判別技術，從骨架路網中識別出道路的關鍵點段，從抗震防災的角度對這些關鍵點段進行分級，分別給出不同的抗震設防目標；根據設防目標，確定采用何種抗震水準，制定道路交通抗震防災應對策略，做到防患于未然，減少重復建設。

以上從理論和技術層面，提出了北京道路交通抗震防災體系建設，但是道路交通系統在震時是否能夠充分發揮其效用，需要各種管理手段的輔助支持。應從人員疏散組織優化、物資運輸交通規劃、救援通道組織管理等層面提出相關的管理對策，并給出實施建議。

2 北京現狀及規劃道路網分析

2.1 現狀道路網

北京市中心城的現狀道路網為環放+方格網型混合式路網結構，骨架路網主要包括二環、三環、四環、放射狀快速路聯絡線和方格網型主干路。除環路外，南北向連通的主要通道有2條，東西向連通的主要通道5條，道路網呈“寬而稀”的特征，道路用地的面積率、人均道路面積尚可，但道路長度、密度較低。北京市二環、三環、四環作為快速路承載著北京市區主要的交通流量，尤其是二環和三環，承擔了三環內約50%的交通量，環路之間缺乏有效的快速路聯絡線，連接快速路的高等級疏散道路資源匱乏。從路網結構來看，東西向具有良好的震時交通疏散條件，南北向道路更為薄弱。

北京市對外交通的主要通道有：京港澳高速（京石高速）、京開高速、京津塘高速、京哈高速、京沈高速、機場高速、京承高速、京藏高速、京滬高速、京福路等，部分過境交通利用五環、六環路實現過境功能。當地震發生時，對外聯絡通道是災后救援資源進駐、人員對外轉移的重要聯絡線，因此保障對外聯絡通道的抗震防災性能，對震后的抗災能力起到至關重要的作用。中心城東部、南部具有良好的震時疏散條件；西部、北部山區，在地震發生時，容易產生泥石流等次生災害，不適宜人員的震后疏散。

2.2 規劃道路網

北京市規劃路網重在增加環路之間的快速聯絡線，完善快速路系統，并且提高了主干路在路網中的比例，對城市干道間距進行了調整。到2020年北京市中心區道路網密度將達到4.4 km/km2，中心城道路系統仍保持方格網與環路、放射線相結合的布局，增加東部、南部道路網密度，形成以高速公路和快速路為骨架、配置合理的道路網系統。除此之外，北京市公路網總里程將達到2.2萬km，公路網系統由國道、市道、縣道和鄉道組成，與城市道路交接在五環路上。其中國道由3條主干線和8條國道組成，市道由五環路、16條放射線、20條聯絡線組成。

3 城市道路抗震關鍵點段識別

在確定關鍵點段識別影響因素基礎上，分析北京市路網現狀和規劃的拓撲結構、北京市地震關鍵目標區域分布以及地震不同階段的道路功能需求，在以上分析的基礎上，提出路網重要點段識別方法和路網薄弱點段識別方法，最終確定路網關鍵點段（見圖1）。

圖1 關鍵點段識別研究思路

3.1 關鍵點段識別影響因素

在抗震防災體系中，從保障疏散、救援通道的連通性角度出發，影響這種連通可靠性的基本因素有：地質及次生災害因素、路網本身的拓撲結構、關鍵目標的分布以及地震對道路功能的需求。

在地震發生時，地質因素將會帶來直接地震災害或次生災害，在進行關鍵點段識別時，地質因素不容忽略。主要的地質因素有：道路是否處在斷裂帶上、關鍵點段是否在地質災害易發區和次生災害因素。地質災害易發區主要指北京遠郊區縣泥石流、滑坡等地質災害發生概率較高的區域。次生災害因素主要有地下燃氣管線和加油站等因素，尤其是老城區，為震時次生災害易發區。

路網本身的拓撲結構以及通行能力，決定了地震防災的救援潛力，對路網結構的整體認識是路網關鍵點段確定的基礎。從整體上分析北京市現狀以及規劃路網的基本拓撲結構，從定性的角度評價北京市路網的抗震防災潛力和可能的制約影響。

有效的疏散、救援措施和行動，可以及時挽救生命、最大程度地降低地震災害的損失。保障地震中各關鍵目標的正常運轉，是地震災害等緊急條件下不可忽視的關鍵環節。分析北京市避震疏散場所、抗震物資儲備點、各供電、供水和供氣系統、抗震指揮系統、消防站及醫療機構等抗震救援保障系統、城市交通指揮調度中心等關鍵目標的分布，進而確定保障這些關鍵目標點連通性的條件。

地震各個階段對道路功能的需求是不同的，地震中對道路功能的需求為迅速地進行人員疏散、在有限的時間內將人員轉移至避震疏散場所，這個階段主要是對城市內部道路疏散的需求；地震后主要是人員的轉移、救援物資的進入、防地震次生災害（火災、瘟疫等）救援等，這期間，主要是對城市對外交通通道的需求。梳理地震不同階段道路的功能需求，是明確路網重要、薄弱點段識別的關鍵。

3.2 路網重要、薄弱點段識別

需要說明的是，路網的重要點段是從道路功能層次來確定的點段，而薄弱點段是從道路拓撲結構來確定的點段，這兩者具有本質區別。一般而言，城市干道是城市路網的重要點段，但是從連通性角度而言，整個城市震后道路交通系統在地震中是否能及時、有效地發揮作用，不能只考慮系統中的小單元，而要考慮是否有連通路徑，一個節點或者路段功能的喪失，將導致整條路徑的失效，這些點段就是路網的薄弱點段。因此，城市路網重要、薄弱的點段都是路網的關鍵點段，關鍵點段與道路等級無關。

3.2.1 路網薄弱點段判別

地震災害中，薄弱點段一旦斷開，路網的連通可靠性就無從保障。路網連通可靠性除了道路網本身拓撲結構的影響外，沿線建筑高度、沿線設施、地下管線、地下構筑物等也是地震時影響道路連通性的關鍵因素。從路網連通可靠性的角度，結合考慮道路沿線建筑、地下管線等因素，提出路網薄弱點段的識別原則和方法，識別重要路徑上的薄弱點段。

第一層判別規則：路網結點連接數。是否有兩條以上路段與結點相連，通過該條判斷原則，將所有的點段集合分為兩類：一類進入第二層判別規則，進行篩選；另一類直接剔除。但是，跨河橋和跨鐵路橋梁作為有效節點，進入第二層次判別規則。

第二層判別規則：考慮替代路徑。在第一層篩選的基礎上，打斷節點進行測試。因為在地震災害發生時，局部的薄弱點段對剩余路網功能的影響至關重要，其價值主要體現在事件發生后影響的后果上。因此，如果有符合替代路徑條件的路段或節點存在，能夠保證剩余路網的整體功能，則不作為薄弱點段考慮。替代路徑的判別規則包括兩個步驟：第一步考察平行方向上800～1 200 m（《城市道路設計規范》中主干路交叉口間距）范圍內是否存在替代路徑；第二步甄別替代路徑等級。如果替代路徑為主干路等級以上的道路，或者是密集的次干路、支路網絡，則認為該路段存在可替代路徑，為非薄弱點段；如果周邊道路等級較低且平行路網稀疏，則該點段集合為第二層次判定的薄弱點段集合。

第三層判別規則：實地勘查、分析。在兩層篩選原則的基礎上，根據實地考察結果、專家咨詢，最終確定路網的薄弱點段。

依據上述原則，共篩選出路網薄弱路段25條，路網薄弱節點（橋梁）51座（略）。

北京市南側和東側為平原區，是良好的震后疏散帶，北側和西側為山區，一旦地震發生，將成為次生災害多發區。根據北京市市域地理條件，中心城東部和南部雖然擁有良好的地震疏散地理優勢，但是從路網結構來說，薄弱點段較多，在抗震救災中并不具有優勢。

3.2.2 路網重要點段判別

根據地震不同階段的道路功能需求，路網重要點段主要反映在道路等級、道路通行能力、道路負荷度、與關鍵目標連接道路的連通度上。

基于抗震關鍵目標區域的重要點段識別是從路網功能角度出發，從路網點段集合中篩選出重要點段。首先對抗震關鍵目標區域進行界定：（1）避難用地：面積規模較大的市級、區級公園綠地、各類體育場及大學校區；（2）大型居住區：規模較大、成片區的居住區；（3）商業金融區：規模較大、成片區的商業金融用地；（4）醫療用地：市級主要的醫療機構；（5）消防站等。上述5類關鍵目標區域，從救災目的來說，（1）為震后逃生的臨時聚集地；（2）和（3）為人流密集、需要進行人員疏散的地區；（4）是震后提供專業醫療服務、救死扶傷人員的地區；（5）是震后救災的主要力量所在地。無論其承載的功能如何，這些地區都是抗震救災的關鍵目標區域。

對于以上五類區域，應保障在多方向上具有進出的道路通道，提供四通八達的路網結構，確保震后能夠快速疏散人群，并且有連通的道路能夠保障醫療救援和震后救災。

4.3 路網關鍵點段的確定

路網點段關系見圖2。

圖2 路網點段關系圖

集合A—路網中所有點段的集合；

集合B－路網中“薄弱點段”的集合，即路網中無替代路徑，在地震中一旦斷裂，影響路網整體連通性的節點或路段；

集合C－路網中“重要點段”的集合，即路網中與抗震救援關鍵目標區域相連的路段以及連接多條重要路段的節點。

集合D—路網中的一級關鍵點段，即路網中“既薄弱又關鍵”的點段。

一般而言，集合D即代表了路網中的關鍵點段，但地震災害有別于其他災害。由于城市人口密集且分布較廣，另外地震持續時間短，造成的災害后果嚴重，因此，地震中道路的連通性至關重要。將地震斷裂帶的分布作為最終篩選原則，位于地震斷裂帶上的關鍵點段如果有替代路徑，則不作為抗震防災的關鍵點段，如果無替代路徑，則必須作為一級關鍵點段，進行重點加固處理。

對應地震災害的路網關鍵點段的定義為：綜合考慮地震斷裂帶分布因素，路網中無替代路徑的薄弱點段以及與抗震關鍵目標區域連接的重要點段的合集，即在排除地震斷裂帶影響因素基礎上的集合B與集合C的合集。

4 城市道路系統抗震類別判定及設防目標

針對北京市骨架路網，按上述方法篩選出關鍵路段66個，關鍵節點83個，其中關鍵節點的分布位置為：四環26處，三環18處，二環23處，環路聯絡線及跨河、跨鐵路橋梁16處。由于受既有條件所限，針對這些關鍵點段不可能也沒必要采取統一的抗震設防水準和加固方法，因此，需要對這些關鍵點段進行進一步的分類。

關鍵點段在城市抗震防災中的作用不同，因此對其抗震性能要求也不盡相同。按照抗震防災需求，抗震防災通道包括城市內部的疏散通道以及城市對外的救援保障通道。其中城市對外救援保障通道包括：物資運送通道、救護交通系統等。地震等級可以按照震級、地震震害程度進行劃分。具體的分類標準與橋梁抗震設計的分類標準一致。分析不同等級地震情況下所造成的救援需求，根據城市規模確定需要救援的人數、救援的規模、救援通道的需求等。根據抗震救災通道供需能力的分析，可以確定不同等級地震情況下，抗震救災通道供給是否滿足需求，其供需匹配關系如何，作為關鍵點段類別劃分的依據。

根據需求，將路網關鍵點段分為兩個級別。第一級別為：路網中既薄弱又重要的點段；第二級別為：路網中的薄弱點段或者重要點段。四環路內，第一級別關鍵點段包括26個關鍵節點，11條關鍵路段；第二級別關鍵點段包括63個關鍵節點，56條關鍵路段（見圖3）。

《城鄉規劃和抗震設計規范》對于城市整體抗震防災建設的目標進行了規定：（1）當遭受多遇地震影響時，城市功能正常，建設工程一般不發生破壞；（2）當遭受相當于本地區地震基本烈度的地震影響時，城市生命線系統和重要設施基本正常，一般建設工程可能發生破壞但基本不影響城市整體功能，重要工礦企業能很快恢復生產或運營；（3）當遭受罕遇地震影響時，城市功能基本不癱瘓，要害系統、生命線系統和重要工程設施不遭受嚴重破壞，無重大人員傷亡，不發生嚴重的次生災害。

我國城市道路橋梁抗震設計仍按照《公路工程抗震設計規范》進行。該規范經過了三個階段，最初一版為1978年的《公路工程抗震設計規范》，之后為1989年的《公路工程抗震設計規范》（JTJ004-89），以及2008年的《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008）。北京市已建城市立交橋梁多建于二十世紀七、八十年代，根據北京市路網關鍵點段的分級結果，結合北京市防災減災規劃、地震災害的破壞性等，從工程建設角度，分析北京市道路交通在不同地震水準下的抗震性能要求，提出抗震救災關鍵點段分級建設要求和抗震性能目標，確定北京市道路關鍵點段的抗震設防目標和標準。不同等級關鍵點段采用的抗震設防目標見表1。

表1 不同等級關鍵點段對應的抗震設防目標

5 典型通道節點分析

針對北京市主骨架路網的關鍵點段分級情況，選取第一級別關鍵點段中建設年代較早，對路網影響較大的典型節點（橋梁）和通道進行影響分析，著重分析一旦節點損毀、通道交通中斷，對整個網絡或局部區域抗震防災產生的影響。

選擇的典型關鍵點段有：德勝門橋節點及北二環路、德外大街通道；建國門橋節點及東二環路、長安街通道；玉蜓橋節點及南二環路、蒲黃榆路通道；三元橋節點及東北三環、機場路、京順路通道；麗澤橋節點及西南三環、豐北路通道；六里橋節點及西三環、京港澳高速通道等。針對上述六座橋梁節點及連通的道路，分別從橋梁基本情況、區域防災目標點分布、節點及通道損毀影響分析三方面來展開，上述關鍵點段地震中一旦損毀，對周邊區域的抗震防災影響較大，均需提高設防標準，基于文章篇幅，詳細分析略。

6 小結

城市道路交通系統抗震防災是一個復雜的工程，對于生命線系統的識別非常重要，應建立健全北京市抗震防災體系數據庫系統：包括路網的基礎信息資料、道路橋梁的基礎資料以及地震斷裂帶、道路沿線建筑、地下管線分布等基礎信息。在信息資料的基礎上，動態識別城市抗震防災生命線。北京市北側和西側為山區，一旦地震發生，將成為次生災害多發區，而南側和東側具有良好的震后疏散帶。但是，從道路網結構來看，中心城區西、北部道路網較密，南部相對稀疏，這種地形和道路現狀對抗震防災工作提出了更高的挑戰。

限于基礎資料的缺乏，本研究尚未考慮道路地下管網的影響，也未對中心城區地震次生災害進行影響分析，希望在后續的研究中進行補充。

[1]北京市已建橋梁抗震能力及相關設計技術研究[Z].北京市市政工程設計研究總院,2010.

[2]北京城市總體規劃(2004-2020)[R].北京市城市規劃設計研究院,2003.

[3]仇保興.“地震后重建家園指導手冊4”城鄉規劃和抗震設計規范匯編[S].中國建筑工業出版社,2008.