城市道路地下病害成因及基于綜合探測的工程分類探討

陳昌彥，肖 敏，賈 輝，蘇兆峰，張 輝

(北京市勘察設(shè)計研究院有限公司，北京100038)

一、前 言

安全暢通的城市道路和地下工程是城市賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)和生命線工程，城市道路和地下各類市政設(shè)施之間互為載體，彼此相互作用，共同承擔城市運行的安全保證。但是隨著城市建設(shè)快速發(fā)展，城市道路塌陷、地下管線斷裂失效等突發(fā)事件頻繁發(fā)生，嚴重影響城市運營安全、人們的正常生活，以及城市的社會政治形象。因此及時、準確、有效查明引發(fā)地面塌陷的各類病害風險源的存在及其動態(tài)發(fā)展，是各級管理者、道路和地下管線工程等產(chǎn)權(quán)單位、養(yǎng)護部門等最急需解決的重大技術(shù)難題。

目前，在許多城市已采用多種技術(shù)方法開展道路地下病害體探測，其中探地雷達技術(shù)由于具有效率高、成果直觀、解釋過程簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。但由于目前沒有成熟的專門適用于城市道路地下病害體探測的規(guī)范標準，尤其沒有適用于城市道路地下病害體探測的病害體工程分類方案，各探測單位無法統(tǒng)一定義病害體分類及其對工程安全的影響，因此其對各種病害體的分級和解釋結(jié)果無法進行有效對比，甚至不能正確識別和區(qū)分地下真異常和干擾源，而錯誤解釋地下隱患體的發(fā)育情況常常得出錯誤結(jié)論，使道路維修、養(yǎng)護和管理單位無法使用、對比各單位的探測成果，為病害隱患體防治帶來較大困難。

因此開展基于道路地下病害體探測的工程分類研究是有效開展地下病害體探測的基礎(chǔ)和前提，也是亟待解決的重要技術(shù)難題之一。

二、城市道路塌陷突發(fā)事件特征分析

1.城市道路塌陷的統(tǒng)計特征

根據(jù)北京市道路養(yǎng)護單位、新聞媒體和文獻資料的報道和統(tǒng)計，對近10年北京市發(fā)生的數(shù)百次典型城市道路塌陷突發(fā)事件的統(tǒng)計分析表明，城市道路地下病害體的形成是一個長期、多因素綜合作用的結(jié)果，且呈動態(tài)變化。

(1)塌陷的規(guī)模

根據(jù)道路塌陷及其影響范圍統(tǒng)計(如圖1所示)，大部分塌陷范圍以1～10 m2為主，約占總數(shù)的61.29%;其次是小于 1 m2，約占總數(shù)的 20.79%;而大于10 m2的塌陷坑相對較少，但是引起的社會影響和城市安全確是巨大的。

圖1 北京市城市道路塌陷面積統(tǒng)計

從主要城市中發(fā)生的道路塌陷及其影響范圍分析，一般發(fā)生在主路區(qū)域的地面塌陷規(guī)模都遠大于輔路區(qū)域。在機動車道上，大量車輛長期、反復對路面施壓、振動，致使路面下方脫空等病害隱患體逐漸加大，形成較大范圍的道路塌陷;而人行步道上的塌陷主要是由于路基、地磚下方回填土不均勻、不密實造成的;部分位于綠化帶邊緣區(qū)域因長期澆水致使其下方土體流失形成空洞或嚴重松散體，進而發(fā)展為空洞等。

(2)塌陷發(fā)生的時間分布

根據(jù)對北京市近10年城市道路塌陷發(fā)生時間統(tǒng)計，道路塌陷事故多發(fā)生在雨季(6月—8月)，其比例占總數(shù)的50.82%;春夏交替(3月—5月)期間占23.61%;旱季(9月—11月)期間占16.72%;冬施期(12月—2月)約為8.85%。超過半數(shù)的城市道路塌陷發(fā)生在雨季，說明水的作用是導致道路路基下部各類病害體發(fā)生、發(fā)展的重要因素。大氣降雨入滲導致道路下方土層沖刷和侵蝕，破壞路基土的工程性質(zhì)，尤其對于較厚填土區(qū)、較松散砂類土為主區(qū)域，因動水作用而流失，極易形成空洞，因此水的作用對道路地下病害隱患體的形成具有重要的影響。

北京7.21特大暴雨后，至8月中旬，短短20多天，北京主城區(qū)就發(fā)生了近百起路面塌陷事件，超過北京同期發(fā)生比例約2/3。暴雨帶來的地下隱患并非隨著降雨結(jié)束而降低，而是存在一個較長的潛伏期。

春夏交替的3月至5月，溫度變化較大，凍土逐漸融化，土體之間的固結(jié)應(yīng)力由大變小，致密的土層變得松軟，尤其在路基富水區(qū)域，容易發(fā)生路基土弱化效應(yīng)，從而形成路基的過度變形甚至形成脫空，發(fā)生沉陷突發(fā)事件。

(3)道路塌陷的空間位置分布

據(jù)不完全統(tǒng)計，北京近10年的城市道路塌陷空間分布表現(xiàn)為，36%的道路塌陷發(fā)生在機動車道，31%發(fā)生在步道，21%發(fā)生在非機動車道，12%發(fā)生在混合道路。根據(jù)2009年對北京市某條城市主干道的地下病害隱患體探測統(tǒng)計(如圖2所示)，共探測出65處各類地下病害隱患，其中66% 分布于道路的主路區(qū)域，其余分布于輔路。而在主路區(qū)域，則大部分分布于地下管線區(qū)和地下各類構(gòu)筑物分布區(qū)域，而對于無地下工程區(qū)域的病害隱患體則僅占30%左右;對于輔路區(qū)域的地下病害隱患的分布統(tǒng)計也反映了類似特點，尤其對于無地下工程區(qū)域的地下病害隱患體小于10%。

統(tǒng)計結(jié)果表明，地下工程的存在及其施工作用、周邊環(huán)境變化與道路地下病害具有較為密切聯(lián)系。

2.城市道路塌陷突發(fā)災(zāi)害發(fā)生特點

城市道路路面塌陷突發(fā)災(zāi)害典型特征表現(xiàn)為突發(fā)性強、空間隨機、分散分布等。

圖2 某城市主干道地下病害隱患體分布統(tǒng)計示意圖

由于城市道路的路面結(jié)構(gòu)與路基地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有差異性變形推脫特征，且受特殊的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地下施工、地下綜合管網(wǎng)健康狀況及交通荷載等綜合作用影響，其突發(fā)地面塌陷的風險源和風險因素常具有多重性、模糊性和不確定性特點，致使城市道路塌陷突發(fā)災(zāi)害風險時空分布具有明顯的隨機性分布、突發(fā)性、災(zāi)害后果嚴重等典型特征。

三、道路地下病害隱患形成的主控因素

根據(jù)北京及其他城市發(fā)生的道路塌陷事件成因的統(tǒng)計分析，以及對地下空洞和道路塌陷機理數(shù)值模擬研究，對于非采空區(qū)和巖溶區(qū)影響的城市道路地下空洞等病害體形成的主控因素可概括為土體組成、水文作用、工程擾動、環(huán)境干擾等四大類，以及自然因素和人為因素兩大主因，而根據(jù)道路的規(guī)劃、建設(shè)和運營等不同階段，其作用影響又具有明顯的差異，有關(guān)各主控因素影響特征見表1。

1.不良地質(zhì)條件和不良地質(zhì)作用

不良地質(zhì)條件和地質(zhì)作用是形成地下空洞等病害體的物質(zhì)基礎(chǔ)，對其影響和認識是道路規(guī)劃、勘察設(shè)計和建設(shè)階段的重要任務(wù)，對其認識和處理不當將可能對道路后期運營階段病害體形成奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

城市道路下方可能存在軟土、較厚的填土、歷代城市建設(shè)期間遺留的河湖溝坑，以及部分廢棄的防空洞等，洞穴和復雜地基則是形成各類路基病害隱患的有利條件。另外，長時期的干旱或過度開采地下水導致地下水位大幅度下降，粘性土或回填土與粗顆粒土接觸面處，在動水作用下造成土體流失，形成空洞，使得地表承載力不足，導致路面塌陷。

表1 道路地下病害的致災(zāi)、控災(zāi)因素分析

2.水文作用

水是影響道路地下病害體形成和發(fā)展的重要因素，水的作用可分動水作用和靜水作用兩大類效應(yīng)。其中水的靜力作用主要表現(xiàn)為弱化路基土體的工程性質(zhì)、降低其承載力和抗變形能力，從而形成空洞、疏松、水囊等各類病害體。

水動力作用則是路基土體中產(chǎn)生病害體的罪魁禍首，動水來源主要包括自然和人工降水、地下水變化、帶水管線滲漏、賦水構(gòu)筑物滲漏、水囊或局部滯水體的排泄、下水管道堵塞或不暢、大氣集中降水和滲流、綠化灌溉用水等。由于水的動力作用，在流動過程中潛蝕、掏蝕路基土體，使路基土體松散、形成管道和空洞等，在其他因素作用下將不斷發(fā)展擴大，直至形成具有規(guī)模的地下空洞，引發(fā)地面地面塌陷。

3.工程施工作用擾動

工程施工擾動影響可分為路基土體施工質(zhì)量、地下管線等工程多次地面開挖施工擾動、地下工程施工擾動及工程施工質(zhì)量不良等幾個方面。

建設(shè)階段路基土體施工質(zhì)量控制和后期地面開挖工程土體、回填工程質(zhì)量不良是導致路基土體組成和結(jié)構(gòu)變化，甚至惡化的主因。

道路運營過程中由于地下管線及其他地下建構(gòu)筑物開挖、回填，多次拉鏈式施工對道路路基土體疊加擾動，周邊回填土不密實等，在路基土體中形成不同規(guī)模和程度的松散異常，在雨水沖刷和外部荷載作用下，回填土下沉變形，形成了城市道路地下病害風險源。

地下工程開挖施工擾動影響是形成道路路面以下各類病害隱患的重要風險源之一，且其影響范圍遠大于地面工程施工擾動影響，其沿線道路將是近期關(guān)注的重點目標對象。

4.周邊外界作用

周邊外界作用包括上部荷載和周圍荷載作用，其中上部荷載作用主要表現(xiàn)為長期的車輛超載作用，周圍荷載則表現(xiàn)為地下既有管線等構(gòu)筑物失效、帶水管線滲漏、地面不均沉降導致地下管線等失效、局部淤積水囊或上層滯水體破裂等作用影響。而后面幾種周邊環(huán)境作用都與水動力作用密切相關(guān)。

5.地下既有建構(gòu)筑物失效

城市道路路面結(jié)構(gòu)下布設(shè)了眾多地下建構(gòu)筑物、地下管線、地下過街通道、地鐵等，地下工程在運行過程中對城市道路路基穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。地下建構(gòu)筑物中比較典型的是管線，包括排水、污水、熱力、燃氣、通信、電力等管線。目前管線施工主要采用明挖和暗挖兩種形式，然后對開挖的管道周邊進行回填、注漿等，以對管線進行加固。但由于管線施工回填土不密實，成分較復雜，且多為房渣土，使得管線周邊土體和原有土層不能成為統(tǒng)一的載體，管線周邊受力不均勻，往往形成管線一部分受力集中。特別是帶水管線，長時期受力不均，致使管線破壞形成滲漏，土體流失。另外，地下管線長期處在復雜的地下環(huán)境中，經(jīng)長久腐蝕容易形成穿孔、斷裂等滲漏現(xiàn)象，特別是污水管線長時期受到有毒氣體和污水的腐蝕，形成跑冒滴漏。地下管線的滲漏對道路路基沖刷，帶走周邊土體，加上地下施工擾動、外部荷載作用等綜合因素影響，造成管線周邊形成不同程度的富水區(qū)、疏松區(qū)，甚至空洞。

6.既有水囊、滯水體、空洞

老城區(qū)地下常發(fā)育一些水囊體、局部滯水體等潛在空洞或廢棄的早期人防等空洞體，上部荷載的長期振動或地下環(huán)境的變化，導致水體消失形成空洞，并因積水的動力作用擴大其影響范圍，或者廢棄的地下空洞體發(fā)生塌落破壞，破壞其上部巖土體結(jié)構(gòu)，洞體塌落至地面引發(fā)地面塌陷。

綜上所述，控制道路地下病害體發(fā)生發(fā)展的大部分因素都是由于人為作用所致，其中既有技術(shù)因素，也有管理方面的因素，各因素并非是單一作用，而是彼此之間相互影響，綜合作用導致道路地下土體介質(zhì)形成各類病害隱患，最終表現(xiàn)為明顯空洞，引發(fā)道路地面塌陷突發(fā)事件。因此加強工程規(guī)劃、建設(shè)、運營階段的工程管理工作是控制道路工程安全重要保證。

四、道路地下病害探測的工程分類及地球物理場特征

1.道路地下病害探測的工程分類

引發(fā)地面塌陷等地下病害體的成因和分類是正確認識各類地下病害體工程影響、開展有效探測、監(jiān)控及防治的重要依據(jù)。目前關(guān)于病害隱患的分類和成因雖然討論較多，但都缺乏與巖土工程、水文地質(zhì)條件與城市道路運行環(huán)境相結(jié)合的、適用于無損探測的病害體工程分類。

根據(jù)道路地下病害體的控災(zāi)、致災(zāi)因素及其發(fā)展過程，并結(jié)合地下病害體無損探測技術(shù)特點，將城市道路地下病害體綜合劃分為路面下脫空、路基下空洞、疏松、水囊、富水等5類，其中根據(jù)疏松、水囊、富水等病害體的發(fā)展程度又可細分為嚴重、中等和輕微3種。

(1)路面下脫空病害

城市道路大部分為瀝青路面，瀝青道路脫空機理與水泥混凝土路面板脫空相似，常常是面板與基礎(chǔ)之間產(chǎn)生空隙，屬于路面的結(jié)構(gòu)性破壞，造成板底脫空的原因是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果。在雨季，滲入的雨水將在板下形成積水;在行車荷載的反復作用下，積水與基層材料中的細粒材料形成泥漿，并沿面板接縫縫隙處噴濺，進一步加劇板下的脫空。當脫空發(fā)展到一定規(guī)模，尤其垂向上空洞過大，就可能導致道路結(jié)構(gòu)面斷裂、地面塌陷;但此類病害體常常造成的危害有限，主要是影響道路路面層結(jié)構(gòu)的安全和完整性，且容易通過探地雷達等技術(shù)檢測出來。

(2)路基空洞病害

地下空洞是指發(fā)育在城市道路路基正常地層條件下的脫空區(qū)域，其與路面下脫空不同的是埋深較大、影響范圍廣，具有隱伏性、突發(fā)性、不確定性等特點。

根據(jù)空洞形態(tài)可分為方形或似方形空洞、球形或似球形空洞，不同形狀的空洞對探地雷達探測和工程解釋識別具有較大影響，在解釋過程中應(yīng)給予特別重視。

空洞病害體的規(guī)模及內(nèi)部充填物狀況對道路工程安全具有不同程度的影響，一般情況下空洞病害體都不同程度地充填各種物質(zhì)，一般充填有上部土體塌落物、沖水等，其穩(wěn)定狀態(tài)有較大差別。因此在道路地下病害體的探測中，如果能夠較為清楚地探測到地下空洞病害體及內(nèi)部的充填狀況，將對有效管理道路工程和病害體處置具有重要的工程意義。

(3)疏松病害

疏松病害體多是在道路建設(shè)階段或運營階段多次開挖施工中不合理地回填，導體密實度降低。根據(jù)其密實度的差異及對城市道路運行安全的影響程度可以分為嚴重疏松、中等疏松和輕微疏松。對于嚴重疏松病害體在水及荷載作用下有可能會發(fā)展為空洞病害體，由于病害體的不斷發(fā)展演化，在特定條件下，三者相互演變，最終可能形成空洞。疏松病害體通常具有高壓縮性、低強度、孔隙大、滲透性好等特點，在外界振動荷載和動水作用下，易形成不同規(guī)模的脫空區(qū)，進而形成空洞或道路路基的變形，并最終發(fā)展演化到空洞等病害體，因此及時檢測發(fā)現(xiàn)不同程度的疏松病害體并進行安全風險評估，對預防道路地下空洞的形成具有重要意義。

(4)富水異常病害

在外界動水作用下，尤其是帶水地下管線經(jīng)常會發(fā)生滲漏，或者在管線、管井構(gòu)筑物內(nèi)由于長期地面水的入滲聚集，可能會由于路基回填土體組成的差異形成局部富水軟弱異常體，弱化土體工程特性，導致土體疏松或流失，形成局部空洞等，因此在道路地下病害體探測中，及時探測和發(fā)現(xiàn)富水異常病害體，對預防道路地下空洞形成和發(fā)展、確保道路工程安全具有重要意義。

富水病害體常具有低強度、流塑性強、孔隙度大等特點，形成路基下部重要的病害風險源。當富水病害體中的固體成分均被沖蝕后，即形成水囊，可視為充水空洞。

根據(jù)富水病害體的含水量程度及對土體的弱化程度，可以分為嚴重富水病害體和中等富水病害體。一般情況，富水病害體的危害較疏松病害體更嚴重，易發(fā)展為嚴重疏松病害或空洞病害。

(5)水囊病害

水囊多發(fā)育在帶水管線或局部積水豐富的土中的局部滯水體，可表現(xiàn)為充水的空洞病害體。地表動水或管線滲漏，形成局部空洞且洞壁相對隔水、洞內(nèi)充水，但一旦水囊中水體流失，就會逐漸發(fā)生空洞塌落且發(fā)展迅速，最終危及道路工程安全。水囊病害體一旦破壞，就會快速發(fā)展為空洞，危及道路工程安全。在工程探測中可以將其視為充水的空洞病害體。

2.各類病害體的地球物理特性

應(yīng)用工程物探技術(shù)探測地下各類病害體，應(yīng)先了解各類病害體的地球物理特性，合理選擇有效的探測技術(shù)方法。

(1)脫空、空洞病害的地球物理特征

脫空、空洞的充填物為空氣，其物性差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)電阻率差異:路基中的空洞可視為高阻體，電阻率遠遠大于周邊土體。

2)彈性差異:空洞病害與周邊土體的密度差異明顯，且空氣不能傳遞剪切波，空洞與周邊土體存在明顯的彈性差異。

3)相對介電常數(shù)差異:空氣的相對介電常數(shù)通常取為1，土體的相對介電常數(shù)為6～40不等，含水量越大，土體的相對介電常數(shù)越大，故空洞的相對介電常數(shù)差異明顯。

(2)疏松病害的地球物理特征

在土體與疏松體含水量變化不大的情況下，疏松病害的物性特征常表現(xiàn)為相對低阻異常、低速和低介電常數(shù)異常特征，且疏松程度越高，其差異越大，但一般不超過空洞的異常強度。

(3)富水病害的地球物理特征

富水病害的物性差異主要表現(xiàn)為低電阻異常、高介電常數(shù)異常特征，且含水率越高，其與周邊土體的差異就越明顯。

(4)水囊病害體的地球物理特征

水囊病害體可概括為充水的空洞，其性質(zhì)介于空洞和富水病害體之間，不再細述。

道路路基中各類病害體在電阻率、介電常數(shù)、密實度等方面具有明顯的物理力學差異，為選擇探地雷達、高密度電法、彈性波探測方法等無損探測技術(shù)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和應(yīng)用前提，在對探測成果的分析和工程解釋識別階段應(yīng)充分重視這些工程和地球物理特性的差異。

五、結(jié)論和討論

1)城市道路地面塌陷突發(fā)災(zāi)害是地下水文工程地質(zhì)活動和人類工程作用綜合產(chǎn)物，其形成具有明顯的時空突發(fā)性、隨機分布特點，規(guī)模變化大，空間分布與地下工程活動密切相關(guān)。

2)根據(jù)道路地下病害體形成的控制因素及發(fā)展特點，將城市道路地下病害體綜合劃分為路面下脫空、路基下空洞、疏松、水囊、富水等5類病害體病害體;其中根據(jù)疏松、水囊、富水等病害體的發(fā)展程度又可細分為嚴重、中等和輕微3種，每類災(zāi)害體都具有與其相適應(yīng)的工程特征和特點工程地球物理場特征，為選擇相應(yīng)的地球物理探測方法和相應(yīng)的工程解釋及探測結(jié)果對比提供統(tǒng)一的依據(jù)。

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