實施常規(guī)化地下空洞探測，預(yù)防城市道路塌陷事故

李 強(qiáng)

(雷迪有限公司，上海200051)

一、城市道路塌陷事故頻發(fā)

近年來，各城市道路塌陷事件頻繁發(fā)生。根據(jù)不完全統(tǒng)計，北京、大連、哈爾濱、深圳、廣州、南京、合肥、長沙、南寧、太原等近年來都出現(xiàn)過城區(qū)道路塌陷事件，輕則影響交通，重則造成死傷，造成生命財產(chǎn)的重大損失。

以北京市為例，據(jù)統(tǒng)計，2007年發(fā)生道路塌陷事件54起，2008年發(fā)生道路塌陷事件94起，2009年發(fā)生道路塌陷事件129起，道路塌陷事件呈逐年遞增趨勢。由于道路車流、人流稠密，更由于塌陷的發(fā)生在時間、地點、規(guī)模和影響方面的不確定性，勢必對道路交通和人民生命財產(chǎn)形成不可預(yù)計的安全隱憂，解決道路塌陷問題已經(jīng)刻不容緩。

二、道路塌陷的成因

道路塌陷主要是由地下空洞造成的。形成地下空洞的成因主要為超采地下水、采空區(qū)、道路覆土不實、施工擾動和地下管道泄漏等幾個方面。

1.超采地下水形成地下空洞

由于地下水、油氣、地?zé)岬乳_采活動造成的深層地下水過量開采，地下水收支平衡遭到破壞，地下水位持續(xù)下降，形成地下水降落漏斗(向下凹陷的、形似漏斗狀的承壓含水層)。地下水降落漏斗破壞了承壓含水層上方的覆蓋層土體的原始受力狀態(tài)，造成覆蓋層潛蝕，從而產(chǎn)生大范圍、大面積的地下空洞。位于地下水降落漏斗區(qū)內(nèi)的城市，多發(fā)地下空洞、道路塌陷等災(zāi)害。

全國已形成區(qū)域地下水降落漏斗100多個，面積達(dá)15×104km2，華北平原已經(jīng)形成了跨冀、京、津、魯?shù)膮^(qū)域地下水降落漏斗，有近7×104km2的地下水水位低于海平面。全國有46個城市由于超采地下水而發(fā)生了地面沉降:上海市、天津市、太原市的沉降中心累計最大沉降量超過2 m，天津塘沽個別點最大沉降量已達(dá)3.1m;由于過量開采地下水，河北平原、陜西西安、山西大同和江蘇蘇錫常等地區(qū)已經(jīng)發(fā)生地裂縫，對城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)成嚴(yán)重威脅;西安市形成了7處比較大的水位漏斗區(qū)，出現(xiàn)了11條較大的地裂縫;河北省的平原區(qū)目前已發(fā)現(xiàn)地裂縫482條，影響到7個市近70個縣。

2.煤礦采空區(qū)形成地下空洞

在山西、陜西、唐山等主要煤產(chǎn)區(qū)，長期高強(qiáng)度的煤炭開采使地下礦體層形成巨大的地下空洞，出現(xiàn)大范圍的采空區(qū)。采空區(qū)不僅會導(dǎo)致地下水枯竭、生態(tài)環(huán)境惡化，還會使房屋受損、道路塌陷。山西全省15×104km2的土地，采空區(qū)近3×104km2，其中大同、呂梁等地已出現(xiàn)了多個不宜居住的村莊。鄰近煤礦礦區(qū)的城市，由于采空區(qū)和地下水降落漏斗的雙重作用，更易形成地下空洞、出現(xiàn)道路塌陷災(zāi)害。

3.巖溶形成地下空洞

在巖溶發(fā)育地區(qū)，地下水位的季節(jié)性及臨時性(降雨)變化，巖溶水位下降，巖溶上方覆土層土體失穩(wěn)，形成空洞。

4.施工擾動形成地下空洞

地鐵、電力/熱力/排水管溝、防空洞、地下建筑等大型地下工程施工多采用盾構(gòu)、頂管、淺埋暗挖等作業(yè)方法，造成作業(yè)區(qū)周圍及上部土層的劇烈擾動，地下水滲出并帶走大量泥沙，水土流失，道路下方土層脫空，從而形成地下空洞，甚至在施工過程中直接導(dǎo)致道路坍塌。此外，在地下工程施工中抽排水也會導(dǎo)致水土流失、破壞土層原有平衡狀態(tài)，形成地下空洞。

近年來，全國多個城市掀起大規(guī)模修建地鐵風(fēng)潮，南京、廣州、北京、武漢、南寧、深圳等地在地鐵修建過程中均出現(xiàn)過多次道路塌陷事故。

5.路基回填不實形成地下空洞

在道路或地下管線(鋪設(shè)、修復(fù))施工后，施工單位偷工減料、違反工序、違規(guī)操作，在回填時夯實和碾壓的程度不夠，造成道路路基土體松散、不夠穩(wěn)定，在外力作用下易發(fā)生路面沉降和地下空洞現(xiàn)象。不實填土在遇到車輛震動加強(qiáng)和強(qiáng)降雨時，由于路面承載力不夠，以及雨水侵蝕作用加劇水土流失，容易形成地下空洞和道路塌陷。

根據(jù)北京市的統(tǒng)計，道路塌陷事件多發(fā)于車行道上，僅少數(shù)發(fā)生在人行道上，表明道路載荷對道路路基穩(wěn)定性有較大影響。另外，道路塌陷事件多發(fā)于雨季，北京市多發(fā)于7—8月主汛期，降雨對道路路基穩(wěn)定性也有較大影響。如圖1所示。

圖1 北京市路面塌陷年內(nèi)時間分布圖

6.地下管線泄漏形成地下空洞

排水、給水、熱力、燃?xì)獾鹊叵鹿芫€因長久遭受腐蝕及承壓不均易出現(xiàn)斷裂、穿孔等故障，發(fā)生管線泄漏，泄漏的水流或氣流不斷沖刷周圍土層，帶走周圍泥沙，在漏點附近形成地下空洞。這種情況下，往往伴生地下管線懸空以致斷裂現(xiàn)象，發(fā)生地下管線運(yùn)行故障。

在幾類地下管線中，尤其值得重視的是排水管道，由于排水管道是自流管道，一般對管段接口、管材和安裝質(zhì)量要求不高，在地面載荷加大和其周圍水土流失的條件下，容易出現(xiàn)接口錯位、塌陷等故障，泥沙灌入排水管道，引發(fā)周圍土層移位，形成空洞。據(jù)日本國土交通省國土技術(shù)政策綜合研究所于2012年發(fā)表的調(diào)查報告顯示，全日本范圍內(nèi)，每年因排水管道等原因引發(fā)的道路塌陷事件，約有4000件，東京大約每年有1000起左右;由排水管道泄漏引起的地下空洞占全部空洞的40%～60%，其余的則多是地鐵等大型地下設(shè)施施工造成的地下空洞。

2006年1月3日，北京東三環(huán)路京廣橋東南角輔路污水管線發(fā)生漏水事故，導(dǎo)致三環(huán)路南向北方向部分主輔路塌陷，成為著名的道路塌陷事件(如圖2所示)。

圖2

2012年8月9日—17日，哈爾濱9天時間發(fā)生的7起道路塌陷事件中，有3起是由于8日一場急雨引起排水管線泄漏所致，強(qiáng)降雨造成土質(zhì)沉降，致使老舊的排污管線斷裂，最終導(dǎo)致地面塌陷。

2013年5月20日深圳龍崗區(qū)橫崗街道紅棉二路華茂工業(yè)園發(fā)生的道路塌陷事件，形成長12 m、寬6 m、深3～4 m的近橢圓形塌陷坑，事故原因為:地下排水暗渠由于年久老化造成管體坍塌道路坍塌，上方土體落入暗渠，形成空洞，最終發(fā)生道路塌陷。

供水管道的長期泄漏也會產(chǎn)生地下空洞。2013年3月26日，由于給水管道長時間漏水形成地下空洞，深圳福田區(qū)景洲大廈小區(qū)發(fā)生道路塌陷事件，一名小區(qū)保安墜入坑中，不幸身亡。

熱力管道漏水引發(fā)的道路安全事故在北方時有發(fā)生。2012年4月1日，北京北禮士路物華大廈附近，由于熱力管道泄漏，形成地下空洞，最終導(dǎo)致1人死亡。

三、道路塌陷的治理對策

2012年下半年以來，隨著城市發(fā)展和地下市政設(shè)施建設(shè)項目增多，城市地下空洞和道路塌陷數(shù)量有所增加，成為影響城市公共安全的因素之一，備受社會關(guān)注。

2012年9月13日，北京市市委常委會召開專門會議研究治理城市道路塌陷問題。會議要求，要下決心建設(shè)好地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)，加強(qiáng)對地下管線規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、應(yīng)急防災(zāi)的精細(xì)化管理，努力減少管線隱患引發(fā)道路問題;要結(jié)合城市網(wǎng)格化管理，組織專門力量，改進(jìn)技術(shù)裝備，對市政公用管線和道路設(shè)施進(jìn)行常態(tài)巡查，探索開展重點道路地下空洞探測工作，提早發(fā)現(xiàn)問題，及時進(jìn)行處置;要加強(qiáng)地下工程的施工管理，督促建設(shè)單位規(guī)范施工行為，減少施工對土基擾動的影響，減少因施工降水引發(fā)的道路安全隱患;要繼續(xù)完善應(yīng)急機(jī)制，強(qiáng)化部門間協(xié)同配合，確保道路塌陷事件得到快速有效的處置，杜絕惡性事故發(fā)生。

1.實施常規(guī)化的地下空洞探測和填補(bǔ)，減少道路塌陷事故

從地下空洞的成因可見，地下空洞的形成難以預(yù)防，完全杜絕地下空洞更是不現(xiàn)實?？尚械慕鉀Q方案是:未雨綢繆，實施常規(guī)化的地下空洞探測和填補(bǔ)工作，在地下空洞形成道路塌陷之前，通過檢測已經(jīng)形成的及正在擴(kuò)大中的地下空洞并及時填補(bǔ)和修復(fù)地下空洞，來減少道路塌陷事件的發(fā)生、降低道路塌陷事件的損失。

20世紀(jì)80年代，日本東京也曾多發(fā)由地下空洞引發(fā)的地面塌陷事故。經(jīng)過1987年銀座道路塌陷事件后，日本政府認(rèn)為“不調(diào)查地下空洞狀況，就無法解決地面塌陷問題”。1990年，日本開始使用探地雷達(dá)探測技術(shù)在全國范圍內(nèi)進(jìn)行地下空洞探測普查，進(jìn)行道路養(yǎng)護(hù)管理。在東京，全部道路每5年用探地雷達(dá)巡檢一回，重要道路則每年檢測;排水管道管理部門也會同時檢查排水管道狀態(tài)，及時向道路管理部門提出維修意見。如發(fā)現(xiàn)地下空洞異常，道路管理部門將按照地下空洞的大小和危險程度實施加固工程，在發(fā)生塌陷前完成地下空洞的填補(bǔ)和修復(fù)。1990年前，東京每年發(fā)生大規(guī)模道路塌陷事件次數(shù)多達(dá)20～25次，但近年來卻每年僅有1～2起大規(guī)模道路塌陷事件，使用探地雷達(dá)探測技術(shù)進(jìn)行道路養(yǎng)護(hù)成效顯著。

近年來，國內(nèi)各個城市對地下空洞和道路塌陷問題的重視程度越來越高，紛紛開展了常規(guī)化、制度化的地下空洞檢測。北京市自2008年以來開始利用探地雷達(dá)技術(shù)探測三環(huán)道路的地下空洞，至今已經(jīng)形成巡檢制度，有計劃地普查市區(qū)全部道路，已經(jīng)取得明顯成效;太原市自2012年12月也展開使用探地雷達(dá)探測技術(shù)在主要道路上普查地下空洞。隨著地下水降落漏斗的日益惡化，大范圍的地下空洞探測已經(jīng)刻不容緩。

2.實施常規(guī)化的排水管道病害檢測和修復(fù)，消除地下空洞隱患

由排水管道病害引起的地下空洞占全部空洞的40%以上，是道路塌陷的重要成因。實施常規(guī)化的排水管道病害檢測并及時修復(fù)較大的排水管道結(jié)構(gòu)性缺陷，避免形成地下空洞，是消除地下空洞隱患的有效手段。

排水管道的結(jié)構(gòu)性缺陷包括裂痕、裂縫、接頭松脫、接頭錯位、管身斷裂、穿孔、坍塌、破損、砂漿脫落、變形、磚塊上下移位、磚塊遺失等，是造成管道周圍水土流失、形成空洞的主要原因。

CCTV管道內(nèi)窺攝像檢測、QS管道內(nèi)窺鏡檢測、聲納探測是目前國際上用于管道狀況檢測最為先進(jìn)和有效的手段。管道分析評估主要依據(jù)CCTV或聲納檢測設(shè)備所拍攝的視頻錄像或斷面掃描圖像，對管道狀況進(jìn)行評價，最終得出管道總體狀況，為管道的日常養(yǎng)護(hù)及可能的修復(fù)工作提供依據(jù)。之后利用翻轉(zhuǎn)法等非開挖修復(fù)技術(shù)對排水管道結(jié)構(gòu)性缺陷進(jìn)行修復(fù)。

3.實施常規(guī)化的給水/熱力管道漏水檢測，

消除地下空洞隱患

給水管道/熱力管道的漏水現(xiàn)象具有經(jīng)常性和長期性的特點，漏水檢測絕非一日之功，期望依靠一次檢測解決漏損問題是不現(xiàn)實的，只有通過長期的經(jīng)常性的檢測才能有效地降低漏損。聲波法通過探測壓力管道漏水產(chǎn)生的聲音或振動來定位漏點，具有非破壞性和非侵入性，是目前最常用最簡便的漏水探測方法。一般采用由面到線再到點的檢測方法，首先分區(qū)檢漏發(fā)現(xiàn)漏損大的區(qū)域，再確定漏水發(fā)生管段，最后進(jìn)行分精確定位鎖定漏點。

4.加強(qiáng)施工質(zhì)量管理和中間控制，減少道路塌陷事故

應(yīng)加強(qiáng)地鐵、電力/熱力/排水管溝、防空洞、地下建筑等大型地下工程的施工管理，規(guī)范施工行為，減少施工對土基擾動的影響，在施工抽排水過程中注意保持周圍土體的水土平衡，減少因施工降水引發(fā)的地面塌陷和地面沉降，注意防范強(qiáng)降水引發(fā)的水土流失災(zāi)害，注意石灰?guī)r、軟土分布區(qū)發(fā)生地面塌陷和地面沉降。

應(yīng)加強(qiáng)道路或地下管線(鋪設(shè)、修復(fù))施工管理，規(guī)范施工行為，在回填時嚴(yán)格規(guī)范進(jìn)行夯實和碾壓，避免形成地下空洞和道路塌陷。

四、探地雷達(dá)在探測地下空洞中的應(yīng)用

探地雷達(dá)(ground penetrating radar，GPR)是中淺層目標(biāo)體的有效探測設(shè)備，采用電磁波方法探測具有電性差異的兩種地下介質(zhì)的分界面。GPR探測利用反射、速度測距、層析成像3種基本方法:發(fā)射天線在地面以寬頻帶短脈沖的形式向地下發(fā)射高頻電磁波，入射波在存在介電性差異的兩種介質(zhì)的分界面(地層界面或目的體)產(chǎn)生反射波，接收天線可接收記錄反射波的波形、振幅及到達(dá)時刻(雙程走時)，并以雷達(dá)圖像的方式顯示探測結(jié)果;根據(jù)測量的雙程走時和波速計算出目標(biāo)體深度;連續(xù)測量剖面各點的反射波，形成雷達(dá)圖像。如圖3所示。

圖3

探地雷達(dá)以反射波波形的形式來反映地下目標(biāo)體的特征。目標(biāo)體與周圍土壤介質(zhì)有足夠的電性差異(導(dǎo)電性及介電性)，就會產(chǎn)生反射波。不同形狀的目標(biāo)體的反射波形具有不同的特征。由于空氣的介電常數(shù)為1，周圍土壤的介電常數(shù)約為9，地下空洞與周圍土壤的介電常數(shù)差異明顯，能夠在兩者交界面處產(chǎn)生明顯的反射波，因此探地雷達(dá)能夠有效探測出地下空洞。

地下空洞的波形特征表現(xiàn)為:本應(yīng)連續(xù)的地層同相反射波組出現(xiàn)中斷、不連續(xù)現(xiàn)象;由于內(nèi)充空氣，空洞中的反射波強(qiáng)度變?nèi)?，甚至脫空部分的反射波組消失;空洞與周圍地層的反射波組特征差異明顯(如圖4所示)。

圖4

2013年4月，筆者所在單位在北方某市進(jìn)行了地下空洞的探測試驗，地下空洞的典型數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5

實踐證明，在合適的條件(空洞周圍的土壤較為干燥且均勻，地表較為平坦)下，探地雷達(dá)能夠有效地探測出地下空洞的分布范圍和深度，探地雷達(dá)探測地下空洞是行之有效的方法;一般地，探地雷達(dá)適用于探測洞頂埋深在3 m之內(nèi)的淺層地下空洞，最大洞頂埋深不超過5 m，深層地下空洞需采用其他物探方法探測。

五、結(jié)束語

主動性地實施常規(guī)化的排水等管道的病害檢測和修復(fù)以消除地下空洞隱患、實施常規(guī)化的地下空洞探測和填補(bǔ)以減少道路塌陷事故，是目前在人力可控范圍內(nèi)治理道路塌陷有效、可行的方法。

［1］宋谷長，葉遠(yuǎn)春，劉慶仁.北京市城市道路塌陷成因及對策分析［J］.城市道橋與防洪，2011(8):250-252.

［2］程久龍，胡克峰，王玉和，等.探地雷達(dá)探測地下采空區(qū)的研究［J］.巖土力學(xué)，2004，25(Z1):79-82.