震后典型建筑物倒塌分類及救援特點分析

劉晶晶 寧寶坤 呂瑞瑞 胡 杰

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震后典型建筑物倒塌分類及救援特點分析

劉晶晶 寧寶坤 呂瑞瑞 胡 杰

（中國地震應急搜救中心，北京 100049）

震后建筑物倒塌造成人員埋壓，快速的搜索與營救是有效減少傷亡的重要途徑之一。本文通過研究震后典型建筑物倒塌類型，從建筑物垂直和水平破壞角度出發，提出一套三級分類體系，并對每類倒塌建筑物的受力及生存空間進行討論。同時結合大量文獻及汶川地震救援案例資料，重點分析總結各類建筑物救援時的路線選擇、救援通道建立、被困人員施救等技術特點。

地震災害 建筑物 倒塌類型 救援

引言

地震雖屬小概率事件，但其釋放的能量巨大，其中破壞性地震可使地表建筑物（構筑物）的表層裝飾裝修、內部空間，甚至建筑結構發生改變，產生裂縫、剝落、傾斜，甚至是坍塌。特別是發生在城市、經濟發達地區，或人口與建筑物密集地區的破壞性地震，不僅對群眾生命財產造成威脅，還給經濟及社會發展帶來重創。

根據地震現場建筑物破壞等級劃分（中華人民共和國國家標準，2012），其中基本完好、輕微破壞，以及部分中等破壞的建筑物，雖然存在不同程度的損壞，但主體結構未遭破壞，對人員造成的損害有限，而嚴重破壞及毀壞等級的建筑物則完全喪失功能，形成局部甚至整體的傾斜或塌落。震后倒塌建筑物是造成人員埋壓的主要原因，建筑物破壞面積與人員傷亡也存在一定關系（吳新燕等，2014），汶川地震中90%以上人員傷亡是由建筑物倒塌所致，因此倒塌建筑物是搜索與救援工作的重點與難點。在不同類型的倒塌建筑物中進行救援其過程極其復雜，對埋壓人員的搜索定位、救援方案的制定、營救方法與技術也存在差異，特別是一些深層埋壓，救援時間普遍超過6小時，甚至達24小時以上，這對被埋壓人員的存活率是極大考驗。通過對建筑物倒塌進行分類，掌握生存空間的特點及規律，可為人員埋壓位置判識提供依據，同時通過案例研究及時總結不同類型的救援技術要點，可有效縮短救援時間，提高救援效率。

1 國內外研究綜述

1.1 建筑物倒塌及生存空間類型

國外針對震后建筑物倒塌的分類方式研究較早。加拿大公共安全及應急準備部門將建筑物倒塌分為V型、傾斜支撐型和夾層型（OCIPEP，2002）；美國消防協會將建筑物倒塌分為斜靠式、V型、懸臂式、餅型和A型1；國際搜索與救援咨詢團（International Search and Rescue Advisory Group）根據生存空間將建筑物倒塌分為傾斜型、懸臂型、餡餅型、V型和A型。

我國于21世紀初借鑒國外相關成果開始了研究工作，顧建華（2003a）根據倒塌空間將建筑物分為傾斜支撐型、懸臂型、V型和夾層型，后又細分為地板斜靠型、斜靠懸臂型、V型、坍塌型、翻轉型和復合型（顧建華，2003b）；郭紅梅（2008）將建筑物倒塌分為傾斜支撐型、懸臂型、V型、夾層型、翻轉型和復合型；趙國存等（2010）根據生存空間在廢墟中的深度和位置，將建筑物分為墻體局部坍塌型、墻體大部分坍塌型、樓板一端塌落型、懸臂梁型、V字塌落型和層疊塌落型；翁旭然（2015）根據建筑物倒塌及救援方式差異，將倒塌方式分為完全倒塌型、薄弱層倒塌型和局部倒塌型；董寧（2016）將倒塌方式分為間夾型、V型和單斜型。一些學者根據引發建筑物倒塌的因素將倒塌分為8類，即傾向型、懸臂型、V型、薄餅型、幕落型、連鎖反應型、內向/外向型和90度型；公安消防系統根據救援工作特點，將建筑物倒塌分為傾斜坍塌、平降坍塌和V字型坍塌。 另有部分學者討論了倒塌建筑物局部生存空間的類型：陳維鋒等（2008）將建筑物倒塌空間分為傾斜支撐型、懸臂型、V型和夾層型；蒲茂民（2008）將汶川地震深層埋壓空間分為整體坍塌無規則型、夾層型、△型和V字型；張光俊（2009）將建筑物倒塌空間分為單斜式、V型式、多層間夾式和無規則式；李亦綱等（2010）將建筑物倒塌空間分為V型、懸臂型、傾斜支撐型、夾層型和復合型。

1.2 埋壓人員救援技術

埋壓人員救援是震后應急救援的核心任務。目前，應急救援領域的發展以及大震巨災的頻繁發生，促使國內地震專業救援隊伍建設規模日益壯大，救援技術得到不斷實踐與創新。近年來，國內也開展了一些研究性工作，主要包括救援方案與策略、救援現場組織管理、營救實操技術等。

在救援方案與策略方面，丁顯孔（2008）總結了挖掘破拆5項基本流程，即劃定挖掘破拆范圍、打通救援通道、選擇裝備器材、挖掘救生隧道，以及挖掘破拆的注意事項等；范茂魁等（2009）將被困人員營救分成5大環節，即人員定位、心理安撫、生命補給、挖掘通道、安全保障；趙國存等（2010）總結了現場搜索營救策略，即信息收集與評估、廢墟表層營救、重點生存空間的人員搜索營救、救援過程中的破拆與支撐；宋述義（2015）提出了救援方案的5個等級，即救援通道和緊急撤離路線選擇、結構穩定性評估和加固、破拆器材和破拆方法、醫療救援及意外情況應對；董寧（2016）結合人員被困的深度總結了實施救援的幾大環節：一是快速評估，二是淺層搜索救援，三是中層犬救援，四是深層儀器定位救援，五是合理支撐。

在救援現場組織管理方面，楊建民等（2004）提出了地震現場的救援程序、措施及組織指揮的要點；馬占全（2008）認為消防部隊開展地震救援的行動特點包括接警出動、迅速抵達、指揮人員到位、組織后勤保障、協調救援行動；張光俊（2009）提出了地震坍塌建筑物事故的4項處置程序，即人員裝備的調集，成立現場臨時指揮部，信息收集、警戒與人員疏散，危險源的控制與消除；何衛成（2014）將救援行動分為3大部分進行管理，主要包括專業營救知識與技能的使用、救援現場的安全管控以及現場各項輔助保障。

在營救實操技術方面，畢興權（2008）總結了清除壓埋物、打洞挖井、開孔輸氧、心理安撫等4項營救技術；蒲茂民（2008）討論了深層生存空間內人員的營救方法，即逐層清理法、挖掘通道法和綜合法；馬占全（2008）提出營救的4個步驟，即輸送空氣、擴孔鉆縫、打洞聯通和掘進開挖；周雪昂等（2009）等介紹了目前常用的6種營救技術，即擴孔掘進、防護固定、機械起吊、生命保障、醫療救護和心理救助；鄭春生（2010）提出了保障救援開展的10項實用技術，即搜救定位、安全支撐、吊井下挖、上挖鏟石、豎井橫挖、氣墊支撐、瓦礫移除、繩索救援、科學喂食、傷員搬運；王存亮（2011）提出了保障救援的4大方面，包括搜救定位、安全支撐、瓦礫移除、氣墊撐頂；何衛成（2014）梳理了6種營救方法，包括擴孔掘進、打洞挖井、防護固定、機械輔助、生命保障、心理安撫；宋宮儒（2016）討論了生命探測、遠程醫療、機器人、工業內窺鏡、遙感技術在救援實施中的應用。同時還有部分學者通過地震巨災救援案例來闡述營救技術，特別是汶川地震中位于極震區Ⅺ度區內的北川縣城，90%以上建構筑物嚴重破壞或倒塌（李小軍等，2008），為開展案例分析與總結提供了大量基礎性資料，如鄧民憲（2008）總結了汶川地震曲山鎮幼兒園及北川縣交通局2名埋壓人員的救援過程，強調了開辟救援通道及支撐防護的方法，以及在嚴重倒塌建筑物中進行救援的關鍵技術；吳鐵生（2010）總結了汶川地震中北川老城區、曲山小學、北川中學的救援過程，討論了關鍵技術環節；馮志澤（2013）圍繞破壞情況、人員分布、結構安全評估、救援方案制定、以及救援實施過程與應注意的問題，總結了汶川地震中3個救援案例，著重強調了在完全倒塌建筑物或狹小空間內的救援技術特點。

2 地震導致的建筑物倒塌類型

從字面上理解建筑物的倒塌，應包含“倒”和“塌”兩種現象，缺少一種則不符合地震現場實際情況。絕大多數現有的分類研究將分析重點放在了建筑物垂直方向上的坍塌，結合坍塌后的生存空間結構進行分類，如V型、A型和餅型等，然而對建筑物水平方向上的傾倒、傾斜現象則少有關注。為體現建筑物倒塌結構特點，展示建筑物損毀程度，區分救援方法與技術的運用，本文結合生存空間的構成，對建筑物倒塌類型進行了再劃分，將建筑物倒塌分為傾斜型、塌落型，以及復合型。

2.1 傾斜型

建筑物發生角度翻轉，自身長度與寬度改變較少，即未發生坍塌。建筑物因縱墻柱、地基等承重構件某一側受力失效產生斷裂，無法起到支撐作用，出現向前或向后倒下的形態，形成一定傾斜角度，甚至是90度平鋪于地面。或由于地震力作用，建筑物形成左右傾斜或拉伸變形，邊長發生偏移，與垂直線存在一定夾角。傾斜型可分為左右傾斜型和前后傾斜型，每個類型又包括局部傾斜和整體傾斜。傾斜型建筑物易對周邊建筑物造成影響，形成連鎖反應。

2.2 塌落型

建筑物發生垂直位移改變，平行位錯較少。建筑物因地基、某一樓層墻柱或局部支撐受力失效等，出現局部或整體的平行下降，發生坍塌，可分為局部塌落型和完全塌落型。局部塌落根據生存空間不同又分為斜靠型、V字型、懸臂型和夾層型。完全塌落較為普遍的分類是V字型、A字型和餅型。通常多層建筑易形成塌落型，包括具有大開間的底商及多開窗洞的多層砌體建筑。RC結構的高層建筑物完全塌落較少，可能出現局部或部分樓層的塌落。

2.3 復合型

建筑物存在傾斜和塌落兩種破壞。二者可能同時出現，也可能由于其中一項破壞程度過大，導致出現另一項新的破壞。如前后傾斜建筑物，當傾斜角過大時靠近中間及底層位置可能出現折斷，或底部受到過大擠壓而坍塌。左右傾斜建筑物易出現底層受力不均衡坍塌，同時可伴隨一定的扭轉角度。

3 典型倒塌建筑物埋壓人員的救援技術

3.1 倒塌建筑物的生存空間

震時人員埋壓過程復雜多變，不僅與發震時間、地震能量、建筑物結構有關，也與室內的房屋格局、裝飾裝修以及物品陳設位置有關，甚至與人員活動過程、活動習慣有關。復雜的外部及內部因素，導致震后搜救被困人員異常困難。基于生存空間的建筑物倒塌分類不僅為現場救援提供了埋壓人員的定位參考，同時還可針對不同生存空間結構特點、埋壓位置（見表1）制定科學、有效的營救方案及方法，贏得救援時間，從根本上提升救援效率。

表1 不同建筑物倒塌類型及其生存空間

續表

續表

3.2 救援路線的選擇

倒塌建筑物救援路線在方案制定時應優先考慮，并嚴格遵循安全、合理、可行的原則（宋述義，2015），充分考慮時間成本、距離成本、技術難易程度、操作安全性等問題。

3.2.1 傾斜型建筑物的救援路線

由于傾斜型建筑物完整性較高，傾斜角度不大，救援路線可選擇外部和內部救援兩種方式。外部救援一般采用從建筑物屋頂利用繩索下滑抵達被困地點，以及從相鄰建筑物屋頂或適當位置，利用繩索或拉梯抵達被困地點，后經破拆門窗進行人員營救。也可利用重型起吊機吊臂或挖掘機工作斗靠近被困者實施營救；內部救援可從大樓底部門洞、外部走廊或樓頂天窗等進入建筑物內實施營救。

3.2.2 塌落型建筑物的救援路線

塌落型建筑物是救援的重中之重。表層、淺層的埋壓程度低，部分身體外露，埋壓結構可通過目視判別，救援路線較為簡單；中深層人員埋壓的救援路線相對復雜，梳理汶川地震現場救援案例，發現多采用縱向挖掘、橫向挖掘、縱井橫挖、橫孔縱挖等方式。縱向挖掘適用于建筑物倒塌嚴重甚至完全倒塌，支撐空隙少，人員深埋等情況，整體耗時長，但相對安全性高，如2010年海地地震，多采用縱向挖掘路線救援；橫向挖掘一般適合建筑物支撐多、空隙多的情況，救援耗時短，但易破壞支撐受力，造成二次坍塌，需進行必要的支撐加固；縱井橫挖與橫孔縱挖多用于建筑物倒塌程度嚴重、人員垂直與橫向深埋且較難定位等情況。具體救援路線選擇應根據建筑物倒塌結構、人員埋壓位置等進行判別，見表2。

表2 塌落型建筑物的救援路線

續表

3.2.3 復合型建筑物的救援路線

復合型建筑物同時具備傾斜及塌落兩種破壞，其結構極不穩定，因此一般不單獨采用橫向掘進方式，多采用縱向破拆及縱井橫挖方式進入建筑物。如汶川地震北川移動分公司辦公大樓為5層，地震導致1—2層層疊坍塌，3層以上大幅度傾斜。采用近距離縱向打開通道，后橫向掘進方式救援。

3.3 救援技術特點

倒塌建筑物救援技術主要包括破拆、切割、支撐、繩索、頂升、搬運、牽引等，在救援方案全過程，即路線選擇、救援通道建立、被困者施救等環節，應根據實際情況選擇合適的操作。

3.3.1 傾斜型建筑物

傾斜型建筑物雖未坍塌，但主體傾斜，結構受損，存在倒塌風險，應先由結構專家進行安全評估，進行支撐防護后實施救援。通過對建筑物高度、傾斜角度、受力情況等進行綜合分析，選擇合適的支撐點，使用頂桿、立柱、枕木等支撐物進行支護，也可使用樹干、門板、衣帽架、倒塌房屋的木質梁柱等就便器材，條件允許可使用起重機吊臂進行支撐。支撐的方法主要包括臨時支撐、墻角支撐、水平支撐、空間支撐、T型支撐、橫向支撐等。一般采取從樓頂或鄰近建筑物進入實施救援，且為防止加劇傾斜程度，避免結構失穩，應從建筑物傾斜和支撐的反方向進入。經手動破拆清理埋壓物后，根據被困者身體狀況，選擇通過垂直升降或轉運系統將被困者送至安全地帶。

3.3.2 塌落型建筑物

針對塌落型建筑物，一般通過打孔擴孔、頂升支撐、破拆切割、移除搬運等一系列作業，挖掘救援通道，救出被困人員，在確保安全且條件允許情況下可配合大型設備進行救援。

局部塌落中的斜靠型主要支撐點為斜靠墻體，因此該墻體不能作為工作面進行任何破拆作業，一般從斜靠墻體的兩側水平向內打孔挖掘，或利用坍塌過程中形成的孔洞擴張挖掘。挖掘前應用方木、頂升設備進行局部支撐，接近被困者后應使用手動工具或徒手作業。斜靠型建筑物的救援關鍵應為支撐和加固，應重視支撐柱的功能，且注意被支撐構件的整體性，也可配合使用機械起吊進行支撐。V字型建筑物內有多個受力支撐點，存在較多三角空間（V字中間和兩側）。埋壓點位于V字內部時，生存空間位于V字最底部，可使用大型起吊設備對上部整塊或組合構件進行移除，然后打孔挖掘救援通道，打孔作業時不要破壞V字兩側構件導致受力改變。埋壓點位于V字外部時，應支撐加固受力薄弱處，后水平擴孔挖掘救援通道。需要注意的是在移除構件或破拆時盡量不要破壞承重墻。懸臂型建筑物一般為縱墻樓面坍塌，主體結構基本完好，可進入建筑物內部進行救援，或利用重型機械吊臂或工作斗接近埋壓點進行挖掘營救。夾層型建筑物整體平降坍塌，多采用破拆屋頂或夾層上下樓板挖掘救援通道，也可直接對夾層進行橫向破拆。但由于夾層高度有限，作業環境狹窄，機械操作難以實施，且夾層內必然存在支撐物，若支撐物阻擋被困人員，需要進行大量頂升與支撐，并對阻擋物進行手動破拆。同時可充分利用固體熱脹冷縮特性（范茂魁等，2009），對鋼筋水泥構件進行冷熱交替處理，改變其硬度和韌性，提高破拆效果。

完全坍塌中V字型與A字型不同于局部塌落，需要進行的整體性支撐多于局部支撐，條件允許的情況下應使用起重機、挖掘機等重型機械進行配合，且兩種類型結構不穩定，救援過程應留少量人員在廢墟上部作業，且應使用小型工具和人工挖掘方式。相比V型，A型倒塌構件層層羅列，層層受力，暫時形成堆砌形態，所以結構更不穩定，同時也容易形成孔隙。鉆井或打孔時應充分利用這些孔隙，同時作業面要少，作業幅度要小。餅型坍塌的倒塌形態規則，結構穩定，廢墟較為平坦，容易形成下挖工作面。多層坍塌且人員深埋時，可用層層剝離的方法，將破拆與移除工作相結合，移除方法主要有人工搬運、管道滾動、牽拉拖拽（王存亮，2011），破拆一層移除一層。若坍塌物為大型且完整的板、柱、條、管構件，可使用重型機械移除。靠近被困人員時需將破拆物少量多次地移出救援通道。當建筑物基礎下沉或被困者位于底層時，可使用開鑿隧道的方式接近被困者。

3.3.3 復合型建筑物

復合型建筑物因傾斜與坍落同時存在，因此同樣需先支撐后挖掘。挖掘多采用打孔或擴孔方式，根據埋壓人員位置，在其上方或下方位置進行破拆、切割等。采用縱井橫挖或橫孔縱挖時，通道路線為“L”型，其中拐點位置應選擇結構穩定處，拐點角度不應過小，且盡量選擇內部已有孔隙處，必要時可形成多孔聯通。

4 結論

地震災害特別是破壞性地震導致建筑物倒塌，人員遭不同程度埋壓，并處于相對穩定的生存空間。掌握各類倒塌建筑物生存空間的特點，開展救援技術研究，可大大提升搜索排查效率及救援的精準度，增大埋壓人員的存活率。本文在前人關于建筑物倒塌類型、生存空間類型研究的基礎上，結合汶川地震建筑物倒塌特點，提出了震后典型建筑物倒塌的三級分類體系：一級分類主要根據建筑物的水平和垂直位移，將建筑物倒塌分為傾斜型、塌落型、復合型；二級分類主要根據建筑物倒塌方向和損毀區域，將傾斜型分為左右傾斜和前后傾斜，塌落型分為局部塌落和完全塌落；三級分類主要根據建筑物倒塌形態和生存空間結構特點，同時借鑒國內外流行的分類理論，對二級類型進行再劃分為斜靠型、懸臂型、V型、A型、夾層型、餅型等。此外，近年來由于嚴峻的震情災情形勢、國家“以人為本”的地震救援新要求以及新型建筑材料的研發，救援技術面臨從基礎性、全面性、固有性逐步向精細化、專業化、機動化轉變。對此，本文在總結當前救援技術的同時，通過汶川地震救援實例，開展了針對三級分類體系的建筑物受力情況、生存空間分布、結構穩定性、人員存活率的梳理與歸納，著重對救援路線的選擇、作業面選取、救援通道建立、營救關鍵技術等進行討論。近年來大量數據顯示，塌落型是主要的建筑物倒塌類型，也是造成人員深層埋壓與傷亡的主要原因，針對塌落型建筑物的救援技術已成為提升應急救援綜合能力的突破口。本文著重對塌落型建筑物分類進行細化，同時就具體救援技術展開論述，下一步將就該內容進行深入研究。

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Classification of Typical Building Collapse and Analysis of Rescue Characteristics after the Earthquake

Liu Jingjing, Ning Baokun, Lv Ruirui and Hu Jie

(National Earthquake Response Support Service, Beijing 100049, China)

After the earthquake, the collapsed buildings have always caused people buried, thus rapid search and rescue have become one of the most important ways to reduce casualties effectively. Through the research of typical building collapse after the earthquake, from the perspective of vertical and horizontal building destructions, we have put forward a set of three-level classification system, and discussed each variety of collapsed building stress and living space. At the same time, combined with a large number of documents and rescue cases of the Wenchuan earthquake, for all kinds of buildings we focus on analyzing and summarizing the rescue route selection, channel establishment, rescue techniques for personnel trapped.

Earthquake Disaster；Buildings；Collapse Types；Rescue

2016-08-11

劉晶晶，女，生于1982年。碩士，工程師。主要從事國際強震巨災信息保障、國內災情速報工作。 E-mail：ninglu_2005@163.com

1 http://www.thepxteam.org/PDFs/NFPA_1670.pdf

劉晶晶，寧寶坤，呂瑞瑞，胡杰，2017．震后典型建筑物倒塌分類及救援特點分析．震災防御技術，12（1）：220—229． doi：10.11899/zzfy20170123