第四部分-地下工程战争灾害防护

地下工程战争灾害防护苗胜军北京科技大学土木工程系内容提要现代战争灾害特点与防护原则核武器冲击波对地下工事孔口的作用土中应力波及其作用在地下结构上的荷载地下人防工程防护措施与设备一、现代战争灾害特点与防护原则现代战争造成地下工程灾害的主要武器各国民防建设概况地下工程战争灾害防护原则1.现代战争造成地下工程灾害的主要武器钻地弹核武器1.1钻地弹钻地弹——又叫“深侵彻炸弹”或“掩体粉碎机”。钻地弹头主要由一个预侵彻弹头（或称先导弹头）和一个主侵彻弹头（或称后继弹头）组成，能够遁地而行，可穿透深达30多米的地下土层、厚达6米多的地下岩石或钢筋混凝土。深侵彻原理：预侵彻弹头爆炸→射束流→迅速撕开目标表面形成洞口→主侵彻弹头立即进入目标内部→继续侵彻→延时爆炸。钻地弹载体——巡航导弹弹体、航空炸弹弹体及火箭等充当，以使弹头获得足够的速度。常规钻地弹——“杰达姆”（JDAM）联合制导攻击武器、“三军通用防区外攻击导弹”（TSSAM）、“扩孔器”钻地弹、“带矛者”钻地弹等。核钻地弹——B61-11核航弹。中国驻南使馆遭袭案：北京时间1999年5月8日凌晨5时45分，美军公然袭击中国驻南使馆，就是一架B-2A隐身战略轰炸机一次投了6颗908千克重的GBU-31JDAM制导炸弹，从不同方位击中我驻南使馆建筑物的不同部位并穿入内部和地下爆炸，使我驻南使馆遭到严重破坏，制造了导致3名中国新闻工作者死亡、近30人受伤的惊世血案。1.2核武器核弹——对一定深度内的地下工程有毁灭性的打击。载体——洲际弹道导弹（美国“民兵Ⅲ”洲际导弹）。2.各国民防建设概况前苏联美国西欧日本、西德新加坡中国2.1前苏联前苏联民防高度发达战时70％居民可进入地下避难莫斯科地铁可容纳350万人地下兵工厂、飞机库2.2美国核武器垄断时代，不重视民防建设，强调战时疏散核垄断打破后，开始加强民防建设，建立许多战时指挥中心2.3西欧西欧民防十分重视瑞士、瑞典、法国、挪威、芬兰等国家均十分重视民防建设瑞典战时全数人口可进入地下瑞士建设高抗力岩洞，1976年建成容量2万人岩洞2.4日本、西德日本、西德——非常重视西德民房都有两层地下室，平战转换很容易2.5新加坡新加坡——非常重视地铁作防空设计：连续墙1.2m厚，最深55m，顶板2～3m厚，内衬0.4m厚，出入口有大型坚固的防护门、密闭门2.4中国古代宋辽边关“地下长城”现代建国初期～60年代69年珍宝岛战争，中苏对立80年代90年代现在建国初期～60年代•1953年11月，国家召开了第一次全国人民防空会议，提出人防建设方针：“长期准备、重点建设”。•总结朝鲜战争教训，十分重视常规武器防护，在全国各地修建许多高抗力的地下工事，沿用苏联标准。•1958年9月，国务院批示，市、区、县人防委撤销，人防工程建设基本停止。•1962年国民党蒋介石叫嚣反攻大陆，东南沿海形势紧张，恢复市、区、县人防委。69年珍宝岛战争，中苏对立•“深挖洞、广积粮、不称霸”•1978年10月，国家召开第三次全国人民防空会议，提出人防建设方针：全面规划，突出重点，平战结合，质量第一80年代•强调平战结合，人防工程与城建结合。•86年原则：“人防工程建设和城市建设相结合”。90年代•“十六字”方针：“长期坚持，平战结合，全面规划，重点建设”。•实际情况——松懈！民宅设防几乎没有，不设者交罚款了之。当前•例如：上海市吸引中外投资，联合开发地下空间，加速人防建设发展。3.地下工程战争灾害防护原则“十六字”方针：长期坚持，平战结合，全面规划，重点建设。设计原则1）人防工程按防护等级设计2）主要针对核爆炸冲击波的防护原则3）不考虑常规武器袭击4）钻地弹未考虑3.1人防工程按防护等级设计由于袭击的不确定性，人防工程按重要性划分等级，按等级进行设计、施工。表1人防工程防护等级（1972年）级别12344B56抗力(kg/cm2)241263210.5127火箭、250磅穿甲弹常规武器。厦门会议决议不考虑常规武器。注：4B级1982年增设。3.2主要针对核爆炸冲击波的防护原则1）出入口应避开建筑倒塌范围，孔口建筑采用破坏后易于清理的轻型结构；2）设置两个以上出入口，朝向不同，相隔一定距离；3）按冲击波和压缩波的动力作用设计结构，尽量利用上覆土层的防护能力；4）出入口设置防爆门、高抗力的密闭装置。二、核武器核武器爆炸原理核武器的杀伤破坏作用其他武器的破坏效应核武器爆炸的空气冲击波1.核武器爆炸原理利用原子核裂变反应（原子弹）或聚变反应（氢弹）时释放的巨大能量起杀伤作用的武器，称为核武器。第一代：原子弹第二代：氢弹第三代：中子弹、核电磁脉冲弹（EMP）、冲击波弹、核钻地弹、增强X射线弹、核激励X射线激光器发展中的第四代：金属氢武器、反物质武器、核同质异能素武器1.1原子弹铀(U235)或钚(Pu239)的原子核在中子的轰击下，分裂为两块质量相当的较轻元素（核裂变），同时放出2~3个中子，并释放能量。放出的中子又轰击铀或钚的原子核，产生链式反应。整个反应在百万分之一秒内完成，释放巨大能量。临界质量：裂变材料质量小于临界质量时，受到中子冲击时不会产生核裂变，因为材料体积小，中子碰不到原子核，或者被铀核反射，也可能被吸收并以γ射线辐射出去，也可能被杂质吸收。铀235和钚239的临界质量分别为52和10kg。原子弹起爆方法：内爆式、枪式。1.2氢弹氢的同位素氘和氚在高温（几百万摄氏度）和高压（数百万个大气压）下聚合成为氦（核聚变）。氢弹原料是氘化锂。氢弹靠原子弹爆炸的高温（3000万度）和高压触发，没有原子弹就没有氢弹。氢弹的威力是原子弹的4倍。1.3核武器的当量核武器的爆炸威力用爆炸威力相当的TNT重量表示，称为“当量”。广岛原子弹(U)1.25万吨TNT当量，长崎(Pu)2.2万吨。1kg铀235=2万吨TNT1kg（氘、氚）=8万吨TNT氢弹的威力是原子弹的4倍小型中型大型超大型2万吨2～10万吨10～50万吨50万吨2.核武器的杀伤破坏作用核武器的爆炸方式——爆炸方式不同，杀伤力大不一样。核武器的杀伤破坏作用因素——五毒俱全2.1核武器的爆炸方式爆炸方式：空爆（空中爆炸）地爆（地面、水面爆炸）地下爆炸（地下、水下）核爆炸的方式一般按“比高”大小来区分。比高——核弹实际爆炸高度与核弹当量立方根之比，即式中：n—比高；H—距离地面的实际爆炸高度，m；Q—当量，千吨。2.1核武器的爆炸方式比高与爆炸方式：n爆炸方式2万吨高度/m10万吨高度/m破坏力60地爆163278极强60~120低空163~326278~557强120~200中空326~543557~928较低200~250高空543~679928~1160小250超高空6791160用于破坏太空目标2.2核武器的杀伤破坏作用因素核武器破坏效应：在核武器爆炸时及爆炸后，会相应地产生五种杀伤破坏因素，即热辐射、空气冲击波、早期核辐射、放射性沾染和核电磁脉冲。冲击波核电磁脉冲放射性沾染早期核辐射热辐射核武器冲击波伤（blastinjuries）直接冲击伤•超压和负压和直接作用：单纯的超压和负压作用一般不造成体表损伤，主要伤及心、肺、胃肠道、膀胱、听器等含气体或液体的脏器•动压的抛掷和撞击作用：人体受冲击波的冲力作用后，获得加速度，发生位移或被抛掷，在移动和降落过程中，与地面或其它物体碰撞而发生各种损伤。如肝、脾破裂，软组织撕裂，颅脑损伤，骨折，脱臼，甚至肢体离散。•岩土中的压缩波：一部分能量传入地下而在地层内形成岩（土）中冲击波，破坏岩土中的防护工程和其他地下工程。间接冲击伤：由于冲击波的作用，使各种工事，建筑物倒塌，产生大量高速飞射物，间接地使人员产生的各种损伤。核爆炸所释放的能量约有50%~60%形成了冲击波。空气冲击波是对人员和防护工程主要的破坏杀伤因素。光（热）辐射伤光冲量——火球在整个发光期间与光线传播方向垂直的单位面积上的热量，单位：卡/平方厘米。光辐射能量约占总能量的35%。光辐射可引起体表皮肤、粘膜等烧伤，称为直接烧伤或光辐射烧伤。在光辐射作用下，建筑物、工事和服装等着火引起人体烧伤，称为间接烧伤或火焰烧伤。五官，特别是眼睛损伤严重。早期核辐射伤早期核辐射主要是由爆炸最初十几秒钟内放出的α射线、射线、γ射线和中子流。早期核辐射（γ射线和中子）特点：穿透力强、引起放射性损伤、传播时发生散射、中子会造成其他物质发生感生放射性、作用时间很短。当人体受到一定的剂量照射后，可能引起急性放射病，也可能发生小剂量外照射生物效应。核辐射的度量单位称为“戈瑞”（Gy）。放射性污染伤外照射损伤人员在严重沾染区停留，受到γ射线外照射剂量＞1Gy（戈瑞）时，可引起外照射急性放射病。内照射损伤落下灰通过各种途径进入体内，当体内放射性核素达到一定的沉积量时，可引起内照射损伤。β射线皮肤损伤落下灰直接接触皮肤，当剂量＞5Gy时，可引起β射线皮肤损伤。核电磁脉冲核爆炸时伴随有电磁脉冲发射。另外，早期核辐射和光辐射也会引起空气电离使大气电离性质发生变化。电磁脉冲的成分大部分是能量位于无线电频谱内的电磁波。这种电磁波，作用半径可达几千千米。对人员没有直接的杀伤作用，但能消除计算机上贮存的信息，使自动控制系统失灵，家用电器受到干扰和破坏。直接地冲击是指核爆炸由爆心处直接耦合入地层内的能量所产生的初始应力波引起的地冲击。对于完全封闭的地下核爆炸，它是实际存在的唯一的地冲击形式；对于空中核爆炸一般不存在直接引起的地冲击；对于触地爆或近地爆，直接引起的地冲击是爆心下地冲击的主要形式。冲击与振动由直接地冲击或空气冲击波沿地面传播产生的地运动，有时虽然没有造成结构破坏，但可使结构产生振动。当振动参数值超过人员或设备可以耐受的允许限度时，会造成人员伤亡和设备损坏。核武器实战演习——在核爆炸中心地带进行实战演习•美国在1951-1956年间进行了8次核弹实兵演习•苏军敢死队在1954年和1956年进行了两次演习原子弹、氢弹与中子弹的杀伤破坏因素比例冲击波光（热）辐射早期核辐射放射性污染原子弹氢弹50％35％5％10％中子弹34％24％40％2％中子弹——增强辐射的特殊氢弹。以高能中子为主要杀伤因素，相对减弱冲击波和光热辐射效应。中子弹不破坏物体，只杀伤生命。中子穿透力强（30cm厚钢板），可杀死坦克中人员而坦克无损。200m内生命当场毙命，800m内生命5分钟内失去战斗力，两天内死亡。常规武器破坏效应：人防工程抵御的常规武器主要指航空炸弹（简称炸弹或航弹）。根据破坏作用的不同，炸弹可分为普通爆破弹、混凝土爆破弹、穿甲弹和半穿甲弹。炸弹的大小一般按“口径”分级，所谓口径是指炸弹的名义重量，如250公斤炸弹、500磅炸弹等。常规武器破坏作用▪整体破坏作用▪局部破坏作用一般防空地下室不考虑抗炸弹直接命中。3.其他武器的破坏效应生化武器破坏效应：化学武器是指利用化学毒剂达到杀伤人员、毁坏植物为目的的兵器。化学武器的典型毒剂是沙林和V.X.。生物武器是依靠各种致病性微生物（细菌、立克次体、衣原体和病毒等）以及用细菌所产生的毒素来达到杀伤人员和牲畜的武器，其施放手段与化学武器相似。化学武器特性剧毒性多样性流动性持续性局限性生物武器特性致病性传染性迟缓性局限性城市次生灾害：主要是指由战争引起的全城性质的间接灾害，如城市大火、有毒气体严重泄露、房屋大范围倒塌等。局部破坏效应冲击局部作用常规武器的破坏作用及防护对策冲击局部破坏现象爆炸局部作用整体破坏作用炮弹命中简支梁时的局部破坏作用和整体破坏作用接地冲击与感生地冲击地下工程对常规武器的防护技术武器命中目标对防护结构直接冲击或近距离（包括接触）爆炸时，结构响应大体可以分为两个阶段，即前期的应力波效应阶段和后期的结构整体振动效应阶段。4.核武器爆炸的空气冲击波核爆炸的空气冲击波地面