天津高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)海泰小區(qū)路面塌陷成因*

毛小平　吳沖龍　師學(xué)明

天津高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)海泰小區(qū)路面塌陷成因*

毛小平①吳沖龍②師學(xué)明②

( ①中國地質(zhì)大學(xué)( 北京) 北京100083)

( ②中國地質(zhì)大學(xué)( 武漢) 武漢430074)

摘要路面坍陷是威脅城市安全運行的重要隱患。天津高新技術(shù)園區(qū)海泰區(qū)段路面塌陷、地下暗穴空洞和污水管滲漏三者之間，存在著密切的聯(lián)系。作者通過現(xiàn)場勘查、地質(zhì)雷達(dá)探測、管線機(jī)器人內(nèi)窺探視技術(shù)、工程鉆探、三維地質(zhì)建模等綜合方法研究其塌陷成因機(jī)理。研究表明，其成因機(jī)理在沿海地區(qū)具有代表性和典型性，即脆弱的自然(地質(zhì))系統(tǒng)與人工(工程)系統(tǒng)在多種因素復(fù)合控制下的相互作用，管線埋設(shè)于軟土層中，由于自然沉降和后期壓實作用，導(dǎo)致軟土層垂向和側(cè)向差異遷移，引起拼接而成的污水管線在接觸部位產(chǎn)生縫隙、破損，使高于管線的地下水向管內(nèi)滲漏，土層因顆粒物質(zhì)流失而形成空洞，進(jìn)而導(dǎo)致路面塌陷。據(jù)此，提出管線埋設(shè)前和塌陷后所采取的治理措施，重點在于防止因管線破損而造成地下水和管線內(nèi)的排泄水產(chǎn)生交換，避免管線外轉(zhuǎn)的土層顆粒流失。

關(guān)鍵詞路面塌陷排水管線第四紀(jì)沉積物地質(zhì)災(zāi)害

0引言

近年來，我國各大城市均陸續(xù)有塌陷情況，且情況越來越嚴(yán)重，甚至同一地點多次塌陷，給城市交通、地面建筑、地下設(shè)施造成破壞，甚至帶來人員傷亡，已成為城市的一大地質(zhì)災(zāi)害。僅以2012年為例，全國共發(fā)生城市較大規(guī)模地陷37起，其中北京城區(qū)7月～8月共發(fā)生10起，僅7月28日一天內(nèi)，就出現(xiàn)3起。在哈爾濱市區(qū)，則在8天中發(fā)生了7起。

在天津市西部的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園，海泰發(fā)展三、四道及海泰東路發(fā)生過多起類似的道路路面塌陷現(xiàn)象 (圖1)。根據(jù)已有資料和現(xiàn)場踏勘，塌陷均發(fā)育在道路路面上，其中，海泰東路塌陷最為嚴(yán)重，雖經(jīng)多次治理塌陷卻仍在周期性地繼續(xù)。海泰東路南北長約1.2km，由南向北有兩條地下管線，中間是綠化帶，其中，雨水管線埋深約4～9m，而污水管線埋深約5～10m。主管的污水由南自向北流，在北部抽排出。東西向的海泰發(fā)展三道和海泰發(fā)展四道，也分別埋設(shè)有污水管與雨水管，污水由西向東自流至海泰東路與主管線匯合。自2003年管線埋設(shè)竣工后，每隔2年地表塌陷一次，最近則縮短至1年半。相關(guān)單位進(jìn)行了勘測研究，排除了施工質(zhì)量的問題和污水排放的腐蝕問題，至今大大小小塌陷共發(fā)生了4次，塌陷深度約0.5m，且塌陷總是發(fā)生在污水管線薄弱處，即管線接頭處。

圖1　天津市海泰三道東側(cè)塌陷地表位置及現(xiàn)場照片F(xiàn)ig. 1　Location of collapse and photos on the east side of Haitai road 3#, Tianjing．

為了有效地開展城市路面塌陷的防治，需要對其成因機(jī)制進(jìn)行深入的研究。前人曾根據(jù)自己所接觸的實際情況，對此進(jìn)行過許多有益的研究并做出解釋。例如：

張寶相等(2004)研究了寧夏銀川市西夏區(qū)地表塌陷，認(rèn)為地下動水是土體產(chǎn)生滲透破壞的罪魁禍?zhǔn)?，水力梯度越大，動水力越大，越易發(fā)生滲流破壞，并據(jù)此提出了主動預(yù)防和被動處理兩種措施。吳鐵鈞(1998)發(fā)現(xiàn)，很多海邊城市所發(fā)生的地面沉降，均與大范圍超采地下水有關(guān)。他認(rèn)為，是城市地下水的損失，導(dǎo)致地層沉降的發(fā)生。索傳郿等(2005)、常方強(qiáng)等(2009)也認(rèn)為，是地下水損失導(dǎo)致城市地面沉降，而地面差異沉降引起局部地面蹋陷。在不同位置，地下水的損失程度不一樣，沉降量也不一樣。較大的沉降量將導(dǎo)致地下管線間接頭處接合不緊密，進(jìn)而引起局部蹋陷。杜俊等(2011)研究了蘭州金屬文件柜廠西圍墻段連續(xù)多次發(fā)生塌陷事故后，認(rèn)為存在著3個誘因，(1)塌陷區(qū)地下的防空洞，在連續(xù)不斷的車輛行駛震動下誘發(fā)了冒頂； (2)部分區(qū)段地層含水量增高，導(dǎo)致具有自重濕陷性的黃土狀粉土強(qiáng)度的降低； (3)塌陷區(qū)位于給排水管道通過的地方。究竟哪個原因是主要因素，沒有具體說明。黃文勝(2010)分析了武漢市黃家湖污水收集系統(tǒng)上方的道路塌陷原因，認(rèn)為是施工超載的重載車輛較多，污水管道周圍的土層長期受到這些車載的震動影響，導(dǎo)致土層強(qiáng)度因產(chǎn)生液化而降低，造成污水管道變形和不均勻沉降。此外，也有一些研究者和媒體把近年來出現(xiàn)的路面塌陷，籠統(tǒng)地歸咎于城市化步伐加快而致地下水損失量過大，或者歸咎于地下管道施工質(zhì)量等。

應(yīng)當(dāng)指出，所有這些研究成果，都在一定程度上揭示了研究區(qū)的路面塌陷的成因機(jī)理，符合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況。但當(dāng)利用這些研究成果，來解釋天津市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)海泰小區(qū)路面塌陷成因時，感到與實際情況還存在一定的距離。

為了尋找防治、減災(zāi)辦法和防治依據(jù)，該高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園主管部門設(shè)立專項開展了探測與研究。作者通過現(xiàn)場勘查、地質(zhì)雷達(dá)探測、工程鉆探等綜合方法，系統(tǒng)調(diào)查了研究區(qū)內(nèi)地層發(fā)育情況、地面塌陷的規(guī)模、分布范圍和影響深度。在此基礎(chǔ)上，采用三維可視化地質(zhì)信息技術(shù)對路面塌陷產(chǎn)生的地質(zhì)背景和機(jī)理進(jìn)行分析，取得了一些新的認(rèn)識。

1研究區(qū)路面塌陷分布與污水管的關(guān)系

據(jù)前言所述，研究區(qū)路面塌陷的空間分布與污水管的滲漏現(xiàn)象之間，存在著顯著的對應(yīng)關(guān)系。分析兩者之間的成因聯(lián)系，是揭示路面塌陷原因和分布規(guī)律的重要途徑。

1.1研究區(qū)路面塌陷的空間分布

圖2　研究區(qū)地理位置圖Fig. 2　Location map of the study area圓圈內(nèi)為發(fā)生路面塌陷的區(qū)域，右上圖為路面坍陷的現(xiàn)場照片

研究區(qū)的路面塌陷集中發(fā)生在海泰發(fā)展三道、四道和五道的東段，以及海泰東路中-北段 (圖2)。塌陷坑均位于道路邊緣和近邊緣處的排水管上方。

在本次研究中采用了地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)(茹瑞典等， 1996)。探測結(jié)果表明，在路面塌陷多發(fā)地段的地下土層中出現(xiàn)較多的空洞。

(1)雷達(dá)波異常分布于海泰發(fā)展三道、四道和五道的中-東段，以及海泰東路中-北段兩側(cè)的地下，經(jīng)局部開挖試驗并與實際塌陷對比證實為土層空洞群。

(2)這些空洞群通常發(fā)育于污水管的上方，有的已經(jīng)塌陷，有的還未塌陷。塌陷處的空洞底部都直達(dá)污水管的破損處，表明其形成與污水管有聯(lián)系。

(3)在海泰發(fā)展一路、海泰發(fā)展二道、大棚區(qū)，以及發(fā)展三道、四道和五道的西段都未發(fā)生路面塌陷，也無土層空洞異常。

研究區(qū)的地下排水管包括雨水管和污水管兩類。這些管線分別沿著柏油馬路兩側(cè)平行鋪設(shè)。其中，發(fā)展二道、三道、四道和五道的雨水管和污水管均由西向東降低，呈緩傾斜狀匯入海泰東路的總管中，坡度多為1.28‰～0.75‰ (表1)。 而海泰一路和海泰東路的雨水管和污水管均由南向北傾斜流入泵站，坡度變化于2.0‰～0.6‰。

表1　研究區(qū)管線鋪設(shè)狀況(天津市地質(zhì)工程勘察院， 2008a，b)

1.2研究區(qū)污水管的破損和滲漏狀況

圖3　天津市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園海泰段污水管線的滲漏情況Fig. 3　Leakage of sewage in Haitai section of Tianjin high-tech industry parka.管頂滲漏；b.管側(cè)滲漏；c.管底滲漏；d.管壁裂縫；e.管內(nèi)結(jié)垢；f.管內(nèi)結(jié)垢

利用機(jī)器人內(nèi)窺探視技術(shù)，對排水管線進(jìn)行了檢查。通過檢查發(fā)現(xiàn)，這里的雨水管未發(fā)現(xiàn)破損和滲漏現(xiàn)象，而污水管線存在多處破損和滲漏現(xiàn)象，特別是在發(fā)展三道、四道和海泰東路的塌陷處最為嚴(yán)重。滲漏一般發(fā)生在污水管的接頭處，有管頂滲漏 (圖3a)，管側(cè)滲漏 (圖3b)，管頂、管側(cè)同時滲漏，還有管底滲漏 (圖3c，從水底向水面上冒泡)等多種形式，也常見污水管的側(cè)壁出現(xiàn)裂縫 (圖3d)。同時，還在多處見到因發(fā)生物理化學(xué)作用，而在管壁上結(jié)垢的情況 (圖3e，圖3f)。在污水管的漏水處(管線接頭和裂縫處)，向管內(nèi)涌入的地下水流通常攜帶有大量的細(xì)粒泥沙。相應(yīng)地，該處的水管兩側(cè)和上方土體中，均形成了規(guī)模較大的暗穴空洞，不少地方伴隨有地表路面塌陷。

由此可見，路面塌陷與污水管破損、地下水滲漏、地下暗穴空洞之間，存在著密切的成因聯(lián)系。

2研究區(qū)的第四系沉積物及其結(jié)構(gòu)模型

第四系是研究區(qū)路面塌陷、地下空洞發(fā)育和污水管滲漏的載體，分析其沉積物的組成與結(jié)構(gòu)特征，是認(rèn)識研究區(qū)路面塌陷成因的基礎(chǔ)。

2.1研究區(qū)的巖土分層與沉積相特征

研究區(qū)位于海河三角洲平原上。這里地勢平坦，全新世以來曾發(fā)生過兩次海平面下降和一次海平面上升，海河三角洲隨之發(fā)生兩次進(jìn)積和一次退積，導(dǎo)致陸相沉積層與海相沉積層交替出現(xiàn)。全新世沉積物按形成年代和沉積相可分為5層，每一層可按亞相和力學(xué)性質(zhì)劃分為幾個分層 (表2)。粉質(zhì)黏土層屬于軟塑土層，而粉土層屬于可塑土層。兩者的壓縮變形和側(cè)向流變性都很強(qiáng)，海相比陸相更強(qiáng)。閆滿存等(2000)、徐浩峰等(2007)研究了這種軟土的流變性。

表2　研究區(qū)第四系全新統(tǒng)層序特征綜合表Table2　Sequence characteristic table of the quaternary Holocene of the study area標(biāo)準(zhǔn)地層層序據(jù)鉆孔實際資料匯總并歸納出來，劃分和編號依據(jù)《巖土工程技術(shù)規(guī)范》(DB29-20-2000)和《天津市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程》(DB/T29-191-2009)

2.2研究區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建立

基于工程地質(zhì)勘查資料、測地雷達(dá)探測和巖土力學(xué)測試資料，可以進(jìn)行三維可視化地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模(吳沖龍等， 2003)。通過該三維地質(zhì)模型，能夠透視各地層單元的空間形態(tài)和排水管線的分布，揭示出影響滲漏狀況的地質(zhì)因素。

研究區(qū)三維地質(zhì)模型的構(gòu)建，采用了QuantyView三維可視化地質(zhì)信息系統(tǒng)平臺。從圖4 中看到，在發(fā)生地面塌陷的海泰發(fā)展三道、四道和五道的東段，以及海泰東路中-北段兩側(cè)，各套地層的厚度均有顯著變化。特別是全新統(tǒng)頂部的填土層(1a和1b)和中組海相沉積層(6a、6b和6c)，不僅厚度大，而且變化顯著。

以污水管為例，研究區(qū)污水管的埋設(shè)深度為3.0～7.0m，其位置主要是在第一層下部人工素填土(1b)、第二層陸相粉質(zhì)黏土(4a)，以及粉土與粉質(zhì)黏土互層(4b)內(nèi) (表1)。通過沉積相分析得知：該陸相粉質(zhì)黏土層為三角洲平原沉積物，而陸相粉土夾層為分流河道沉積物； 陸相沉積層之下的海相粉土層(6a和6c)為三角洲前緣沉積物，而粉質(zhì)黏土層(6b)為前三角洲和三角洲間灣沉積物。研究區(qū)排水管的破損、滲漏和地下空洞的形成，顯然與淺部人工素填土層、陸相沉積土層及海相沉積土層的結(jié)構(gòu)特征、變形特征和空間組構(gòu)特征有關(guān)。

圖4　研究區(qū)三維地質(zhì)模型層間拆分的側(cè)視圖Fig. 4　Split side view between layers the 3D geological model of the study area橢圓圈為經(jīng)常發(fā)生路面塌陷的區(qū)域

3地下空洞和路面塌陷的成因機(jī)制分析

已知的城市路面塌陷的原因有動水滲流作用(王建平等， 1995； 張寶相等， 2004)、重車震動致土層液化(黃文勝， 2010)、給排水管道滲漏(杜俊等， 2011)、地層中水頭差增大而使水力梯度達(dá)到臨危梯度時會出現(xiàn)流砂現(xiàn)象并引起地面塌陷(史玉金， 2011)等。本區(qū)路面塌陷情況較為復(fù)雜，是在多種因素復(fù)合控制下人工(工程)系統(tǒng)與自然(地質(zhì))系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。

3.1管線埋設(shè)處的土質(zhì)與水勢特征

如前所述，研究區(qū)的路面坍陷下方總伴隨有污水管的破損、滲漏和潛穴空洞的形成。這種情況的出現(xiàn)，與污水管埋設(shè)層位的土質(zhì)及水勢特征有關(guān)。為了直觀地考察各條道路的管線埋設(shè)狀況及其所在地層的層位，分析管線與土層之間相互作用機(jī)理，研究中把管線探測數(shù)據(jù)嵌入三維地質(zhì)模型中，形成一個可視化的綜合三維模型。

3.1.1頻發(fā)路面塌陷的道路下方污水管埋設(shè)層位的土質(zhì)及水勢特征

下面以發(fā)展四道中-東段和海泰東路中-北段污水管為例加以說明。

圖5　沿著海泰四道及海泰東路剖切的研究區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(尺寸： 1414m×1030m×25.8m)Fig. 5　The 3D geological structure model of the study area clipped along Haitai four road and Haitai east road(size： 1414m×1030m×25.8m)

圖6　海泰四道地質(zhì)剖面圖(剖面長度1097m，最大深度25.8m，圖例同上)Fig. 6　The geological profile of Haitai four road(the length of profile is 1097m, the maximum depth is 25.8m, legends ditto)

圖7　海泰東路地質(zhì)剖面圖(剖面長度897m，最大深度21.6m，圖例同上)Fig. 7　The geological profile of Haitai east road(the length of profile is 897m, the maximum depth is 21.6m, legends ditto)

從圖5～圖7 中可以看出，海泰四道的污水管線從中段開始進(jìn)入素填土層(1b)內(nèi)，東段則完全位于素填土層(1b)內(nèi)，路面塌陷均發(fā)生于污水管上方。海泰東路中段的污水管埋設(shè)在素填土層(1b)和全新統(tǒng)上組陸相沖積層上部的粉質(zhì)黏土(4a)內(nèi)，路面塌陷也都發(fā)生于污水管的上方。值得指出的是，在這兩條道路的路面塌陷處， 1b、4a和6b等粉質(zhì)黏土層都具有較大的厚度(≥2.0m)，而且這3個層位的土質(zhì)都屬于壓縮變形模量、塑性指數(shù)和液性指數(shù)較大的軟塑土 (表2)，在力的作用下極易發(fā)生垂向和橫向變形，雷達(dá)信號出現(xiàn)空洞異常。

海泰發(fā)展三道和海泰發(fā)展五道的情況與此相似。此外，頻繁發(fā)生路面塌陷的路段，都是污水管線埋深較大且與潛水面垂向落差≥2.5m地方，因而是地下水水勢較大處。

圖8　沿著海泰發(fā)展二道及大棚區(qū)剖切的研究區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(模型尺寸： 1259m×1014m×20.9m)Fig. 8　The 3D geological structure model of the study area clipped along Haitai development two road and greenhouse area(size： 1259m×1014m×20.9m)

3.1.2未見路面塌陷的道路下方排水管埋設(shè)層位的土質(zhì)與水勢特征

在發(fā)展三道、發(fā)展四道和發(fā)展五道的西段，以及海泰發(fā)展一道、海泰發(fā)展二道、海泰一路和大棚區(qū)，都沒有出現(xiàn)過路面塌陷。以海泰發(fā)展二道為例，污水管線基本上位于雜填土(1a)層內(nèi) (圖8)，其下伏素填土(1b)和陸相沖積層粉質(zhì)黏土(4a)厚度比較薄，是垂向和橫向變形相對較小的地方。海泰發(fā)展一道、海泰一路和大棚區(qū)，以及發(fā)展三道、四道和五道的西段，均與海泰發(fā)展二道相同。這些地方的污水管線埋深小，與潛水面落差也小，地下水水勢相對較小，因而也是垂向和橫向滲流作用較弱的地方。

3.2地下污水管線發(fā)生破損的原因

研究區(qū)路面塌陷與其下方因污水管線破損和滲漏造成的土層空洞密切相關(guān)，而污水管線的破損和滲漏可能起因于路面載荷造成的土層差異壓實和側(cè)向遷移。

3.2.1差異壓實與垂向變形

土層受到垂向載荷的作用，將會發(fā)生垂向變形。垂向載荷主要是以過往車輛為主的路面載荷，其次是土層和地下水重力。Hyodoetal.(1988)曾通過現(xiàn)場動力試驗確定，低路堤地基內(nèi)由卡車引起的垂向應(yīng)力大約是其自身凈重的4～5倍。黎冰等(2005)針對沿海高速公路的情況，應(yīng)用Boussinesq解和分層總和法分析了車輛動荷載的影響深度，得出在不超載情況下車輛動荷載的影響深度大約在6.0～8.0m范圍內(nèi)，而在超載情況下其影響深度大約在6.0～14.0m范圍內(nèi)。本研究區(qū)第四系的地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀況與此相似，且排水管線均埋設(shè)于4～7m深度范圍內(nèi)，顯然也會受到路面載荷的影響。在這些垂向載荷的作用下，土層會因為泥、沙質(zhì)含量和孔隙度的差異而出現(xiàn)不同的垂向變形量，即泥質(zhì)含量較高的層位壓縮程度較高，而沙質(zhì)含量較高的層位壓縮程度較低。

污水管的理想受力模式，是管體本身均勻承受上方垂向載荷，而管體下方的土體均勻地分擔(dān)管體上方垂向載荷和管內(nèi)污水的重量。由于污水管線所在土層類型和結(jié)構(gòu)不均勻、壓縮變形模量變化較大，在路面荷載下產(chǎn)生的不均勻壓縮變形，將引起水管管體受力不均勻，甚至出現(xiàn)排水管兩端支點或中部集中受力。當(dāng)某處的集中力超過污水管管體或接縫處的抗壓、抗彎、抗扭強(qiáng)度時，管體或接縫處將會發(fā)生破裂。從管線受力方面的考慮，我國劃定的沉降極限，一般是3cm對管線不會造成影響，趙文等(2009)認(rèn)為地面沉降5～8cm范圍之內(nèi)，地下管線處于安全狀態(tài)。周冬妮等(2014)研究了江蘇常熟邊灘整治工程，和天津的地質(zhì)情況類似，在軟土層中埋設(shè)管線，實測管線接頭拉裂漏水處縱向沉降量達(dá)20cm，通過模擬計算得出沉降量最大可達(dá)到40～50cm。

3.2.2側(cè)向遷移與橫向變形

差異沉降是土層垂向運動，而側(cè)向遷移則是土層水平運動。側(cè)向遷移可能出現(xiàn)在很多情況下，其主要原因是在垂向載荷作用下，受壓縮的土層依泊松比發(fā)生側(cè)向流動變形(柏松平， 2008)。采樣測試結(jié)果證明，研究區(qū)素填土(1b)和全新統(tǒng)上組陸相粉質(zhì)黏土和粉土(4a和4b)的液性指數(shù)，大多處于0.75～1.00，均屬于軟塑土，泊松比比較大。當(dāng)土層受到垂向重壓后，極易產(chǎn)生側(cè)向遷移，推動管線發(fā)生側(cè)彎變形。圖9 為道路與管線埋設(shè)位置關(guān)系平面示意圖，顯示了污水管線所在深度上的軟塑土側(cè)向遷移，可能引起污水管側(cè)彎變形和破裂。由于本研究區(qū)的污水管線基本上都埋設(shè)在路邊，其接頭處的松動和拉裂主要應(yīng)與側(cè)向遷移有關(guān)。

圖9　軟塑土側(cè)向遷移可能引起污水管側(cè)彎變形和破裂示意Fig. 9　Relation of road and pipeline

研究區(qū)的雨水管管徑為1.5～2.0m、管壁厚度為10～12cm，而污水管線管徑為0.5～0.7m，管壁厚度為5～6cm。后者的管徑僅有前者的1/3，而厚度僅有前者的1/2。這可能是在上述垂向載荷和側(cè)向遷移作用下，污水管比雨水管更易于變形、破裂和滲漏的原因。

3.3地下空洞和路面塌陷的成因機(jī)制分析

研究區(qū)內(nèi)的潛水面穩(wěn)定靜止埋深在1.50～4.20m(海拔2.00～-0.70m)，由西向東逐步降低； 潛水面多處于人工填土層的雜填土分層(1a)中，少量處于人工填土層的素填土分層(1b)中。污水管埋設(shè)位置在海拔-1.30～-3.40m(表1，圖5～圖8)，與潛水面之間通常有2.0～5.0m的落差。由于污水管中的污水水面與潛水面之間存在落差，一旦污水管出現(xiàn)破損，或者接口和下水井井壁出現(xiàn)縫隙，地下水將會在水勢驅(qū)動下，通過破損處或者縫隙向污水管內(nèi)滲漏 (圖10)。

圖10　地下水入滲污水管示意圖Fig. 10　The diagram the ground water infiltrate into sewage pipe

當(dāng)污水管周圍的土層為粉土層時，因其顆粒稍粗(φ=0.075～0.005mm)、黏性較低且疏松，極易被地下滲流帶入污水管內(nèi)。滲流的長時間作用將對松散的粉土顆粒產(chǎn)生機(jī)械淋蝕和化學(xué)溶蝕，帶走其中的固體顆粒和化學(xué)物質(zhì)，導(dǎo)致管線接頭處和破損處的土層中產(chǎn)生暗穴空洞。在這種情況下，滲流將會轉(zhuǎn)變?yōu)闈摿?，對粉土層的掏蝕作用將轉(zhuǎn)變成沖刷作用。隨著水力梯度增大，水動力增強(qiáng)，沖蝕力加大，洞頂逐漸崩塌，暗穴空洞隨之快速向上擴(kuò)大，經(jīng)過長年累月的發(fā)展，最終將釀成地面塌陷。

根據(jù)實地調(diào)研，天津市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)海泰東路污水管泵站的水泵損壞嚴(yán)重，便是因為污水中含有大量的粉砂粒。這種情況反過來證實，當(dāng)?shù)叵滤蛭鬯軆?nèi)滲漏時，確實帶來了大量的粉土級固體顆粒，并由泵站的水泵排出。

4結(jié)論及對治理措施的建議

研究區(qū)路面塌陷可看城市人工(工程)系統(tǒng)與城市自然(地質(zhì))系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，查明其形成機(jī)制和控制因素是尋找有效治理方法的基礎(chǔ)。通過物探、鉆探、現(xiàn)場勘察、三維地質(zhì)建模以及水文與工程地質(zhì)分析，其形成機(jī)制和過程如下：

在路面車輛載荷作用下，各道路下方的全新世沉積層發(fā)生不均勻的垂向和側(cè)向變形，并且在1b、4a和6b厚度較大而管溝基礎(chǔ)沒有混凝土澆鑄的路段，可能產(chǎn)生最大的變形量，造成了直徑較小且管壁較薄的污水管發(fā)生垂向或側(cè)向彎曲，進(jìn)而導(dǎo)致污水管線接縫處縫隙增大或者管壁破裂。在水勢作用下，地下水將沿著裂隙向污水管內(nèi)發(fā)生垂向和橫向滲漏，水勢越大則滲漏越強(qiáng)烈。滲漏的地下水流可帶走大量的粉土，使得污水管周圍的土體被逐步掏空(張咸恭， 1993)。于是，滲流轉(zhuǎn)變?yōu)闈摿?，對粉土層的掏蝕作用將轉(zhuǎn)變成沖刷作用。隨著水力梯度增大，水動力增強(qiáng)，沖蝕力加大，洞頂逐漸崩塌，暗穴空洞隨之快速向上擴(kuò)大，造成土層的垂向承載力不斷下降。一旦土層的承載力下降到臨界點以下時，路面塌陷便不可避免地突然發(fā)生了。

顯然，當(dāng)污水管埋設(shè)處是厚層素填土層，而其下有厚層，最易產(chǎn)生接口松動和管壁破損、斷裂，從而導(dǎo)致滲漏、土層空洞和路面塌陷。

針對上述土層空洞和路面塌陷的成因機(jī)制，提出如下防治建議：

(1)研究區(qū)的污水管管徑較小、管壁較薄、與潛水面構(gòu)成的落差較大，在塌陷處或潛在塌陷處的基礎(chǔ)處理應(yīng)全面采用灌漿法。特別是下方存在厚層(≥2.0m)陸相或海相粉質(zhì)黏土層時，除了基礎(chǔ)采用灌漿法進(jìn)行處理之外，還應(yīng)采用厚壁水泥管以增加強(qiáng)度。

(2)研究區(qū)的雨水管管徑大、管壁厚、與潛水面的落差較小。可在在塌陷處或潛在塌陷處，進(jìn)行局部灌漿法修補(bǔ)，其他可采用層圈狀的砂層與黏土層進(jìn)行充填包裹。

(3)土層的力學(xué)特征取決于其土質(zhì)特征，而土質(zhì)特征取決于其沉積相和沉積微相的空間分布。為了開展區(qū)域性的工程地質(zhì)條件評價和潛在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測，有必要事先在高新區(qū)范圍內(nèi)，甚至整個濱海新區(qū)范圍內(nèi)開展精細(xì)的全新統(tǒng)古沉積相和沉積環(huán)境分析。然后，根據(jù)其沉積微相及相關(guān)特征，進(jìn)行工程設(shè)計并制定防護(hù)、減災(zāi)方案。

天津高新技術(shù)園區(qū)海泰小區(qū)的路面塌陷成因，在沿海地區(qū)具有代表性和典型性。在這種地區(qū)開展城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，應(yīng)當(dāng)給予高度重視。

致謝本文研究得到天津市高新技術(shù)園的領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員的支持和幫助、天津市地質(zhì)工程勘察院提供了寶貴的勘察資料、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)劉飛教授在水文地質(zhì)方面提供了幫助，在此深表謝意。

參考文獻(xiàn)

BoSP. 2008.ResearchoninducingmechanismandcountermeasuresforgeologicalhazardsforhighwayprojectsingeologicallycomplicatedareasinYunnan[D].Kunming：KunmingUniversityofScienceandTechnology．

ChangFQ，JiaYG. 2009.SafetyanalysisofshorepipelineinducedbyunevensettlementatsubaqueousoftheYellowRiver[J].PeriodicalofOceanUniversityofChina, 39(2)： 281～284．

DuJ，HeLP，XiangLJ. 2011.StudyonthegasdrainagetechnologyoutburstcoalseamcutthroughbythenorthreturnairroadwayintheShaqucoalmine[J].West-ChinaExplorationEngineering，5(3)： 92～94．

HuangWS. 2010.CauseAnalysisofacollapsedroadandtheintroductionofrepairingsewagepipelines[J].Water&WastewaterEngineering，36(11)： 110～112．

HyodoM，YasuharaK. 1988.Analyticalprocedureforevaluatingporewaterpressureanddeformationofsaturatedclaygroundsubjectedtotrafficloads//Proceedingsofthe6thInternationalConferenceonNumericalMethodsinGeomechanics.Rotterdam,Balkema: 653～658.

LiB，GaoYF，WeiDX，etal. 2005.Researchoninfluentialdepthofvehicleloadsanditsinfluencingfactors[J].RockandSoilMechanics， 26(S)： 310～313．

RuRD，ZhangJC，QiXJ. 1996.Studyonapplicationofgroundpenetratingradarsurveytechnique[J].JournalofEngineeringGeology，4(2)： 51～56．

ShiYJ. 2011.AncientriverbeddistributionanditseffectonconstructioninlandareaofShanghai[J].JournalofEngineeringGeology，19(2)： 277～283．

SuoCM，WangDQ，LiuZZ. 2005.LandfractureandsubsidencepreventioninXi’an[J].QuaternarySciences, 25(1)： 23～28．

WangJP，PengHX. 1995.FormationoflandcollapseatXiaojie，Tongling[J].JournalofHohaiUniversity，23(3)： 101～107．

WuCL，NiuRQ，LiuG，etal. 2003.Constructionaimandsolutionoftheurbangeologicalinformationsystem[J].GeologicalScienceandTechnologyInformation，22(3)： 67～72．

WuTJ，JinDX. 1998.ElementarydescriptionofcontrolmeasuresonlandsubsidencepreventionanditseffectivenessinTianjincity[J].TheChineseJournalofGeologicalHazardandControl, 9(2)： 6～12．

XuHF，YingHW，ZhuXR. 2007.Finiteelementanalysisoftime-effectondeepexcavationsinsoftclay[J].JournalofEngineeringGeology15(1)： 92～97．

YanMC，LiHM，WangGQ. 2000.Quantitativeassessmentofgeological-environmentalqualityofthelandalongGuangdongCoast[J].JournalofEngineeringGeology，8(4)： 416～425．

ZhangBX，ZhouJG，CuiZZ. 2004.Causeandpreventionofurbanroadtosubside[J].NingxiaEngineeringTechnology，3(4)： 381～382．

ZhangXG. 1993.Theactionofgroundwaterontheengineeringprojectsandtheirenvironments[J].JournalofEngineeringGeology，1(1)： 1～6．

ZhaoW，SunHX，LiuLJ，etal. 2009.Studyonburiedpipelinedeformationanddamagebyexperimentandmonitoring[J].JournalofHefeiUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)，32(10)： 1485～1489．

ZhouDN，ChangQ. 2014.Discussionondeformationcalculationofpre-existedundergroundpipelineinembankmentandhydraulicfillconstruction：acasestudyoftidalreclamationprojectinChangshucity，JiangsuProvince[J].YangtzeRiver，45(15)： 59～62．

柏松平. 2008. 云南復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境公路地質(zhì)病害誘發(fā)機(jī)理及其對策研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)．

常方強(qiáng)，賈永剛. 2009. 黃河水下三角洲海底管線差異沉降的安全性分析[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報，39(2)： 281～284.

杜俊，何臘平，項龍江. 2011. 道路塌陷探查與處治方法研究[J]. 西部探礦工程，5(3)： 92～94．

黃文勝. 2010. 某道路塌陷原因分析與污水管道修復(fù)方案介紹[J]. 給水排水，36(11)： 110～112．

黎冰，高玉峰，魏代現(xiàn)，等. 2005. 車輛荷載的影響深度及其影響因素的研究[J]. 巖土力學(xué)，26(增刊)： 310～313．

茹瑞典，張金才，戚筱俊. 1996. 地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)的應(yīng)用研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報， 4(2)： 51～56．

史玉金. 2011. 上海陸域古河道分布及對工程建設(shè)影響研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報， 19(2)： 277～283．

索傳郿，王德潛，劉祖植. 2005. 西安地裂縫地面沉降與防治對策[J]. 第四紀(jì)研究，25(1)： 23～28.

王建平，彭漢興. 1995. 銅陵小街地面塌陷成因探析[J]. 河海大學(xué)學(xué)報，23(3)： 101～107．

吳沖龍，牛瑞卿，劉剛，等. 2003. 城市地質(zhì)信息系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)與解決方案[J]. 地質(zhì)科技情報，22(3)： 67～72．

吳鐵鈞，金東錫. 1998. 天津地面沉降防治措施及效果[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報， 9(2)： 6～12.

徐浩峰，應(yīng)宏偉，朱向榮. 2007. 某軟土深基坑工程時間效應(yīng)有限元分析[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報， 15(1)： 92～97．

閆滿存，李華梅，王光謙. 2000. 廣東沿海陸地地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量定量評價研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報， 8(4)： 416～425．

張寶相，周敬國，崔自治. 2004. 城市道路塌陷原因與防治[J]. 寧夏工程技術(shù)，3(4)： 381～382．

張咸恭. 1993. 地下水對工程和環(huán)境的作用[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報，1(1)： 1～6．

趙文，孫海霞，劉立健，等. 2009. 地下管線變形與破壞的實驗與監(jiān)測研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，32(10)： 1485～1489．

周冬妮，尚欽.2014a.圍灘吹填工程地下既有管線變形計算淺析——以江蘇常熟邊灘整治工程為例[J]. 人民長江，45(15)： 59～62．

IN-SITUINVESTIGATIONONCAUSESOFROADSURFACESINKINGATHAITAIDISTRICTOFTIANJINHI-TECHINDUSTRIALPARK

MAOXiaoping①WUChonglong②SHIXueming②

( ①China University of Geosciences( Beijing) ，Beijing 100083)

( ②China University of Geosciences( Wuhan) ，Wuhan 430074)

AbstractRoad surface sinking is a serious hidden risk for safety travelling in city. There is a close relation among road surface sinking， underground cave and sewage pipe linkage in Haitai District of Tianjin Hi-tech Industrial Park. In this paper， a generation mechanism of road surface sinking is studied through site investigation， geological radar detection， pipeline robot endoscopic detection technology， engineering drilling and 3-dimensional geological modeling. Through study， it is proven that the generation mechanism is representative and typical in coastal area. The weak nature(geological) system interacts with artificial(engineering) system under complex control of multiple factors. The pipeline is buried in safe soil. Its lateral and vertical immigration can occur due to natural settlement and compaction. It can cause crack and damage to sewage pipes at the joints， which further makes the underground water above the pipeline leaking into the pipeline. Then caves are formed due to loss of particles of soil. It finally leads to road surface sinking. Accordingly， treatment measures before burying pipeline and after occurrence of road surface sinking are proposed respectively. The focus is to prevent exchange of underground water and sewage water in the pipeline due to damage of pipeline and to avoid loss of soil particles surrounding the pipeline．

Key wordsRoad surface sinking， Drainage pipeline， The quaternary sediments， Geological disasters

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.017

* 收稿日期：2015-01-05; 收到修改稿日期： 2015-04-20.

基金項目：毛小平(1965-)，男，博士，副教授，主要從事地質(zhì)信息科學(xué)、地質(zhì)工作信息化和地球物理勘探領(lǐng)域的研究與教學(xué)工作. Email：maoxp9@163.com.

第一作者簡介：吳沖龍(1945-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事地質(zhì)礦產(chǎn)信息系統(tǒng)理論與方法、數(shù)字國土工程、地質(zhì)過程模擬等研究. Email：wucl@cug.edu.cn

中圖分類號：P642.26

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A