城市道路災(zāi)害防控技術(shù)體系的構(gòu)想研究

孫振鋒，劉傳新

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017)

0 前 言

2018年2月佛山市季華西路發(fā)生路面塌陷，造成11人死亡，8人受傷，同年10月四川達(dá)州發(fā)生路面塌陷，4名路人死亡；2019年8月杭州地鐵施工連續(xù)引起兩次大范圍地面塌陷沉降；2020年1月西寧公交車站臺路面塌陷，造成9人遇難，1人失蹤……

數(shù)字觸目驚心，事故頻發(fā)不斷。近幾年來，城市道路災(zāi)害幾乎到了每天發(fā)生一起的地步，凸顯我國逐步進(jìn)入城市災(zāi)害爆發(fā)的高峰期。從上述災(zāi)害案例可以看出，從沿海到內(nèi)陸邊遠(yuǎn)地區(qū)，從一線城市到二、三線中小城市，道路塌陷問題已遍及全國各地，越來越多的城市都面臨著不同程度的道路災(zāi)害發(fā)生威脅，造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失和社會影響。

1 災(zāi)害類型及成因

依據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害分類分級標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(T/CAGHP 001-2018)，可以將地質(zhì)災(zāi)害分為滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地面沉降和地裂縫六類。其中，影響城市道路的地質(zhì)災(zāi)害主要為地面塌陷、地面沉降、地裂縫三類。

(1)地面塌陷：地表淺部巖土體向下陷落，地面形成凹陷、坑洞的一種地質(zhì)現(xiàn)象。

從某些地區(qū)統(tǒng)計的城市路面塌陷資料看，引發(fā)城市道路地面塌陷的原因可以分為自然地質(zhì)類與人文建設(shè)性破壞類，具有多發(fā)性、群發(fā)性、危害性、隱蔽性、突發(fā)性、復(fù)雜性等特征。

①自然地質(zhì)類，以巖溶塌陷為代表，是在地質(zhì)作用下自然形成的，因而是難以避免的。

②人文建設(shè)破壞類，主要原因是工程質(zhì)量欠佳、基坑施工、地鐵施工、管線施工以及地下設(shè)施在運(yùn)行過程中的結(jié)構(gòu)破損而引發(fā)路面塌陷，多與地下水流活動有關(guān)。

(2)地面沉降：因自然或人為因素產(chǎn)生的具有一定規(guī)模和分布規(guī)律的地表標(biāo)高降低的地質(zhì)現(xiàn)象，具有區(qū)域易發(fā)性、時間累進(jìn)性、過程漸變性、成因復(fù)雜性、難以逆轉(zhuǎn)性等特點。在其形成初期不大能夠引起足夠的重視和警覺，逐漸形成一定的規(guī)模后影響范圍較廣，表現(xiàn)最為明顯的為線性工程如城市道路、地鐵等。

表1 地面沉降成因類型

(3)地裂縫：在地面形成的一種具有一定長度和規(guī)模的宏觀地表破裂現(xiàn)象，具有隱伏性、蠕變性、周期性、方向性等特點，其中城市地裂縫由于受人類工程活動條件的影響，災(zāi)害性常常呈現(xiàn)季節(jié)性變化。

針對城市地裂縫的發(fā)育機(jī)理，主要形成三種成因論觀點：構(gòu)造成因論、水成因論和綜合成因論。

①構(gòu)造成因論：新構(gòu)造活動是導(dǎo)致地裂縫產(chǎn)生的直接控制因素，其他為間接控制因素。

②水成因論：過量抽取深部地下水導(dǎo)致大面積地面沉降而引發(fā)地表地裂縫。

③綜合成因論：地裂縫是多種因素疊加作用產(chǎn)生的結(jié)果。主導(dǎo)因素如新構(gòu)造運(yùn)動是地裂縫孕育、發(fā)展和活動的根本性因素；誘發(fā)因素主要有降水、地震等自然因素，以及超采地下水、灌溉等人為因素；影響因素的作用在于影響地裂縫發(fā)育程度，如地質(zhì)、水體等。

2 災(zāi)害防控體系構(gòu)建

依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)手段和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，構(gòu)建的城市道路災(zāi)害防控體系共分為五大部分：調(diào)查研究、探測技術(shù)、評估診斷、病害處治以及監(jiān)測預(yù)警。

2.1 調(diào)查研究

基于蘇交科“巖土環(huán)境與地下工程智能監(jiān)測與大數(shù)據(jù)中心”，InSAR數(shù)據(jù)可以為探測技術(shù)的開展提供城市地面沉降的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息分享，便于有針對性的進(jìn)行資料收集，評估城市道路運(yùn)營健康情況。

基礎(chǔ)資料調(diào)查研究包括下列內(nèi)容。

(1)地面沉降范圍內(nèi)的道路、地下管線、給排水設(shè)施等施工設(shè)計資料；

(2)地面沉降區(qū)地形圖和測量控制資料；

(3)地面沉降區(qū)已有的巖土工程、水文地質(zhì)、物探調(diào)查資料；

(4)地面沉降范圍內(nèi)已發(fā)生過的病害體記錄及病害體修復(fù)的施工設(shè)計資料。

此外，通過開展現(xiàn)場踏勘工作，深入了解調(diào)查區(qū)域內(nèi)地形地貌、周邊環(huán)境、物探干擾源及其他典型情況，進(jìn)一步核實已收集基礎(chǔ)資料的完備性和可靠性，評估進(jìn)行物理探測工作的作業(yè)風(fēng)險，保障后續(xù)任務(wù)順利完成。

2.2 探測技術(shù)

城市道路被硬化路面覆蓋以及勘探經(jīng)費、交通運(yùn)輸?shù)瓤陀^條件的限制，不宜進(jìn)行大規(guī)模的鉆孔、坑槽開挖等常規(guī)地質(zhì)勘探工作。因此，主要還是采用地球物理方法進(jìn)行道路災(zāi)害的探測，即通過測量和研究地質(zhì)目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的物理特征參數(shù)(如密度、彈性、磁性、電性等)差異，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害體的識別與診斷，主要方法有：探地雷達(dá)法、高密度電法、高密度面波法、陸地聲納法及其他淺層地震勘探法。

(1)探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)采用高頻電磁波，通過向地面以下發(fā)射入射波，接收并記錄來自目標(biāo)介質(zhì)內(nèi)部或介質(zhì)分界面上的反射波或透射波，分析介電常數(shù)變化或幾何形狀變化而產(chǎn)生相位、回波能量以及波形變化情況，從而推斷出地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)異常及分布范圍。該檢測技術(shù)探測精度比傳統(tǒng)檢測方法高，且又是連續(xù)性掃描，特別是三維掃描技術(shù)的不斷提升應(yīng)用，可精細(xì)地反映出地下空洞、裂縫發(fā)育情況。

但其缺點在于探測深度相對較淺，無法準(zhǔn)確探查深部病害體。手推式探地雷達(dá)探測深度3～4 m，適合在非機(jī)動車道或綠化帶等不平坦區(qū)域檢測作業(yè)，可以作為道路災(zāi)害詳查階段探測手段，檢測速度相對較慢，一般為2～3 km/h；車載式探地雷達(dá)可實現(xiàn)道路病害快速檢測，檢測車速度達(dá)30 km/h，可以短期內(nèi)完成城市道路災(zāi)害普查工作。

(2)高密度電法

此檢測方法基于不同介質(zhì)間的電性差異，采用仿反射地震勘探的陣列式布極方式實施地表淺部探測。目前，已被廣泛應(yīng)用于巖溶區(qū)覆蓋層結(jié)構(gòu)和厚度探測、溶洞探測及其他地質(zhì)構(gòu)造探測，具有淺層橫向分辨率高、成本低等特點。

但，城市中電網(wǎng)密布、路面硬化等諸多干擾因素的存在，嚴(yán)重限制了高密度電法的野外工作開展，同時由于干擾因素繁多，極大的降低了采集數(shù)據(jù)精度。

(3)淺層地震勘探

淺層地震勘探法方法多樣，基本原理是利用物理彈性反射差異來探測地下構(gòu)造情況，具有高精度、高分辨率，且對場地要求較小、探測深度大的優(yōu)點，對于城市地下空間探測具有極大的應(yīng)用價值。

但其仍存在較多的約束條件：城市是建筑物集中、人口密集的區(qū)域，基于安全等因素考慮不能使用爆炸性震源，產(chǎn)生的地震波不能對周圍建筑物造成損害；此外，受場地外部因素影響，地震方法的檢波器在噪聲較大的區(qū)域無法開展工作。

(4)綜合探測技術(shù)

從上述方法介紹來看，每一種探測方法均存在一定局限性和適用范圍，相互配合，取長補(bǔ)短的綜合探測技術(shù)是未來城市道路災(zāi)害探測工作的方向。

探測方法的選擇應(yīng)考慮以下因素：工作任務(wù)；作業(yè)條件；目標(biāo)異常體類型；目標(biāo)異常的特性；干擾因素種類；以及工作影響因素等。

探測方法分析情況如表2所示。

表2 城市道路災(zāi)害探測方法一覽表

2.3 評估診斷

根據(jù)道路探測結(jié)果，明確地下病害體的類型、埋深等屬性，再選擇鉆探、挖探、釬探等多種方式實施結(jié)果驗證，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查資料進(jìn)而評估災(zāi)害風(fēng)險等級，有利于后期開展針對性病害處治。

(1)風(fēng)險可能性評估

風(fēng)險發(fā)生可能性P按公式(1)計算

P=WAPA+WBPB+WCPC

(1)

WA+WB+WC=1

(2)

式中：WA為地下病害體屬性指標(biāo)權(quán)重，可取0.4～0.6；PA為地下病害體屬性指標(biāo)；WB為臨近設(shè)施指標(biāo)權(quán)重，可取0.3～0.4；PB為臨近設(shè)施指標(biāo)；WC為環(huán)境因素指標(biāo)權(quán)重，可取0.1～0.2；PC為環(huán)境因素指標(biāo)。

(2)風(fēng)險后果C按公式(3)計算：

C=W1C1+W2C2+W3C3+W4C4+W5C5

(3)

(4)

式中：W1為地下病害體范圍指標(biāo)權(quán)重，可取0.3～0.4；C1為地下病害體范圍指標(biāo)；W2為設(shè)施危險性指標(biāo)權(quán)重，可取0.2～0.3；C2為設(shè)施危險性指標(biāo)；W3為人員密集程度指標(biāo)權(quán)重，可取0.15～0.25；C3為人員密集程度指標(biāo)；W4為財產(chǎn)密集程度指標(biāo)權(quán)重，可取0.05～0.15；C4為財產(chǎn)密集程度指標(biāo)；W5為社會影響指標(biāo)權(quán)重，可取0.05～0.15；C5為社會影響指標(biāo)。

(3)根據(jù)風(fēng)險可能性P與風(fēng)險后果C矩陣判定結(jié)果，將評估診斷風(fēng)險等級劃分為Ⅰ(很低)、Ⅱ(較低)、Ⅲ(中等)、Ⅳ(較高)、Ⅴ(極高)5個等級。

2.4 病害處治

秉承“以防為主、防治結(jié)合”原則，常用處治方法有。

(1)填堵法：適用于塌陷坑較淺時的處理，是一種最常見通用的治理措施；

(2)跨越法：適用于塌陷坑較大且回填困難時的處理方法；

(3)強(qiáng)夯法：采用較大的沖擊對土體強(qiáng)力夯實；

(4)灌注法：適用于強(qiáng)化洞內(nèi)充填物、填充洞隙的一種處理方法，能夠起到攔截地下水的作用，將灌注材料通過鉆孔或已有洞口實施灌注進(jìn)行加固；

(5)深基礎(chǔ)法：適用于深度較大且難以跨越時的處理方法，通常采用打入樁、鉆孔灌注樁、深井和墩式基礎(chǔ)等基礎(chǔ)型式。

(6)控制抽排水強(qiáng)度法：合理控制抽排水的強(qiáng)度，是減少塌陷產(chǎn)生的一個途徑。

2.5 監(jiān)測預(yù)警

(1)已顯現(xiàn)城市道路災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警(預(yù)防災(zāi)害二次發(fā)生，從以往統(tǒng)計資料看，道路塌陷災(zāi)害存在同處多次發(fā)生的重復(fù)性)；

可以依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911-2013)中周邊環(huán)境監(jiān)測方法，對巖土體和周邊建筑物的變形進(jìn)行監(jiān)測；對于已經(jīng)開裂的地面或建筑物結(jié)構(gòu)通過設(shè)置監(jiān)測點位，采用人工或者自動化監(jiān)測方式進(jìn)行加密觀測，及時反饋報警。

(2)隱伏城市道路災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警(主要監(jiān)測隱伏地質(zhì)構(gòu)造活動、地下空洞、地下水位、地面沉降等)。

①區(qū)域地面沉降監(jiān)測技術(shù)

a.精密水準(zhǔn)測量：成果可靠、高精度，但效率低、勞動強(qiáng)度大；

b.GPS測量：設(shè)備昂貴，難以實現(xiàn)大規(guī)模布網(wǎng)監(jiān)測；

c.InSAR技術(shù)：具有大范圍、快速監(jiān)測優(yōu)勢，是前兩者方法的有效補(bǔ)充，也是目前處于熱門研究應(yīng)用的監(jiān)測技術(shù)手段。

②地面沉降分層、水平位移動態(tài)監(jiān)測

a.土體水平位移可以SAA陣列式測斜儀進(jìn)行自動化監(jiān)測；

b.土層分層沉降可以采用多點位移計進(jìn)行自動化監(jiān)測。

③地下水位動態(tài)監(jiān)測

孔隙水壓力的變化是土體運(yùn)動的前兆，可以根據(jù)監(jiān)測目的、土層的滲透性和監(jiān)測時間的長短，選用封閉或開口方式埋設(shè)孔隙水壓力計進(jìn)行自動化監(jiān)測。

④地下管線動態(tài)監(jiān)測

依據(jù)《城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏水探測技術(shù)規(guī)程》(CJJ 159-2011)制定適宜的監(jiān)測手段；方法有：流量法、壓力法、噪音法、聽音法、管道內(nèi)窺法(CCTV)、氣體追蹤法、地表溫度測量法等。

2.6 小結(jié)

綜上，城市道路災(zāi)害防控技術(shù)可采用方案體系：InSAR調(diào)查+探地雷達(dá)(5 m范圍內(nèi)，路面坍陷、城市管線滲漏探測需求)+高密度面波法(1～10 m范圍)+淺層地震法(10～50 m范圍)+陸地聲納法(100 m范圍)+鉆孔驗證+InSAR長期監(jiān)測+自動化監(jiān)測。

相互配合，取長補(bǔ)短，探測(普查、詳查)+驗證。

3 探測實施

泰州市疏港一路在下穿公路頂管施工過程中，在疏港一路與高港大道交叉路口北側(cè)、疏港一路與江平路交叉路口西側(cè)發(fā)生沉降變形，前期采用注漿加固以確保道路正常使用，為檢查處治效果，對上述兩處工點進(jìn)行探查，以查明區(qū)域內(nèi)密實情況及注漿效果，保證道路、管線安全。

采用高密度面波法和地質(zhì)雷達(dá)法對地下周邊區(qū)域進(jìn)行探測，相隔一周分別完成高密度面波法和地質(zhì)雷達(dá)法的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集作業(yè)。通過對原始數(shù)據(jù)的波形處理、頻散分析和反演分析，以及進(jìn)行圖像的解釋，獲取檢測區(qū)域的缺陷信息。

(1)高密度面波法探測典型結(jié)果示例

檢測區(qū)域范圍內(nèi)，測線1～3 m，深度2～3 m，剪切波速度較周邊區(qū)域較低，判斷為地基土疏松，其他區(qū)域正常，未發(fā)現(xiàn)空洞區(qū)域。

圖1 高密度面波法探測結(jié)果圖

(2)地質(zhì)雷達(dá)探測典型結(jié)果示例

檢測區(qū)域范圍內(nèi)，測線2.5～4.5 m，深度3～6 m和7.5～10 m，電磁波反射強(qiáng)烈，判斷為局部地基土疏松，其他區(qū)域正常，未發(fā)現(xiàn)空洞區(qū)域。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果圖

(3)通過對2個測區(qū)的綜合檢測，基本明晰了道路下部地基及土層的疏松、不密實等不良地質(zhì)情況。

圖3 測區(qū)1探測情況示意圖

圖4 測區(qū)2探測情況示意圖

根據(jù)上述探測結(jié)果，對目前仍然存在較大面積的疏松或不密實區(qū)域，建議繼續(xù)采取加固處治措施；同時，建議加強(qiáng)與政府部門和交警部門溝通和協(xié)調(diào)工作，做好道路缺陷區(qū)域的現(xiàn)場交通管制，控制重載車輛上路，建議在適當(dāng)位置放置限重、限速標(biāo)志等交通標(biāo)識，提醒過往車輛注意減速慢行、切忌超載；對于缺陷嚴(yán)重、沉降變形較大的路面，建議開挖大修處治。

4 結(jié) 語

(1)隨著城市道路災(zāi)害的加劇，國家和地方相繼出臺了一些政策舉措。黨的十九大提出構(gòu)建以“城市群為主體”城鎮(zhèn)協(xié)調(diào)發(fā)展格局和建設(shè)“交通強(qiáng)國”的戰(zhàn)略目標(biāo)，為新時代我國建設(shè)安全、綠色、高效的城市道路設(shè)施服務(wù)體系帶來新的歷史機(jī)遇。

(2)從國家戰(zhàn)略，到地方政策法規(guī)，再到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，城市道路災(zāi)害防控技術(shù)勢在必行。政策法規(guī)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，為促進(jìn)城市道路健康運(yùn)營、增強(qiáng)城市綜合承載能力、提高城市道路運(yùn)行效率及防災(zāi)減災(zāi)能力提供了有力保障。

(3)目前的城市給排水管線鋪設(shè)施工，往往采用砂石墊層，地層導(dǎo)水性強(qiáng)，因此與水有關(guān)的管線滲漏問題、管線脫空沉降問題需要特別關(guān)注，需要借助物理探測技術(shù)進(jìn)行評估診斷，從而有效的保障路面結(jié)構(gòu)安全和健康運(yùn)營。

(4)為保證探測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和采集的穩(wěn)定性，需要明確各城市道路的起始里程，采取分段分部探測的方式，逐步完成整條道路的探測工作，一般情況下可按500～1 000 m進(jìn)行分段探測。

(5)道路災(zāi)害探測前期可以采用車載式探地雷達(dá)進(jìn)行快速化掃描普查，順行車道方向進(jìn)行探測；使用三維雷達(dá)天線時，同一起點同一終點進(jìn)行探測；使用二維雷達(dá)天線時，可異起點異終點進(jìn)行探測。

(6)根據(jù)車載雷達(dá)普查結(jié)果，分析劃出道路地下病害體顯著發(fā)育區(qū)域，再采用二維探地雷達(dá)(手推或人為拖拽)或其他物理探測方法進(jìn)行詳細(xì)探查，進(jìn)一步明確地下病害體的類型、位置、規(guī)模、產(chǎn)狀等特征。