城市道路地面塌陷隱患識別方法研究

范 玨

上海市地礦工程勘察院（上海市水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊） 上海 200072

隨著城市化建設進程的不斷推進，城市道路地面塌陷已成為當前突出的問題。據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局最新統(tǒng)計，2000年以來，國內(nèi)已有90多個城市發(fā)生地面塌陷災害共計1 500起[1]。另據(jù)不完全統(tǒng)計，上海市地面塌陷案例自2003年起共發(fā)生96起。這類事件給城市運行安全帶來了新的難題，并造成了人民生命財產(chǎn)的重大損失。

2020年1月19日，青海省西寧市南大街長城醫(yī)院前發(fā)生地面塌陷，一輛行駛的公交車陷入其中，事故造成10人死亡，17人受傷。

2019年8月28日，杭州地鐵5號線寶善橋站—建國北路站聯(lián)絡通道施工時發(fā)生滲漏水，造成路面坍塌，附近公交車站變形明顯。

2018年2月7日，佛山地鐵2號線綠島湖—湖涌盾構(gòu)區(qū)間工地突發(fā)透水，導致隧道管片變形及破損，引發(fā)佛山市禪城區(qū)季華西路一環(huán)橋底東往西方向路面發(fā)生長逾30 m的路段塌陷，造成11人死亡，8人受傷，1人失聯(lián)。

城市地面塌陷會造成交通中斷、地表建筑坍塌，并危及過往行人、車輛的安全，造成嚴重的生命財產(chǎn)損失和惡劣的社會影響。因此，運用高效、快速的識別方法提前識別地面塌陷隱患，提前給出預警，減少和避免地面塌陷事故的發(fā)生，已成為當前迫切需要。

1 地面塌陷的形成原因

塌陷是指地表巖層、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種地質(zhì)現(xiàn)象。根據(jù)筆者查閱的資料[2-3]和近年來參加上海市突發(fā)性地質(zhì)災害隱患勘查與防控項目所獲得的相關(guān)案例，經(jīng)統(tǒng)計分析，其發(fā)生原因一般可歸結(jié)為內(nèi)在原因和外在因素，但在多數(shù)情況下，是二者共同作用的結(jié)果。

1.1 內(nèi)在原因

不良地質(zhì)條件是地面塌陷形成的內(nèi)在原因。城市道路下方可能存在軟土、較厚的填土、天然溶洞以及部分廢棄的防空洞等，洞穴和復雜地基是形成各類地面塌陷隱患的基礎條件。

另外，由于水的動力（滲流）作用，在流動過程中潛蝕路基土體，使路基土體松散，形成空洞，繼而引發(fā)地面塌陷。

1.2 外在因素

1）地下管道結(jié)構(gòu)缺陷。城市地下管線是城市運營的生命線，城市路面下方有不同種類的管線，如排水管、供水管、污水管等。由于年代久遠、材質(zhì)老化，管道可能存在變形、破裂，接口損壞、錯位等情況。管道發(fā)生滲漏后，帶走周邊土顆粒，發(fā)生流砂現(xiàn)象，形成空洞，在地面車輛等荷載的作用下，路面發(fā)生變形失穩(wěn)，直至地面塌陷。

2）基坑和地下隧道施工等影響。隨著城市建設力度的不斷加大以及對土地資源的節(jié)約集約需要，導致地下空間的開發(fā)利用也在不斷增加。在基坑開挖、降水時，卸荷會引起坑底土體產(chǎn)生以向上為主的位移，同時也引起圍護墻在兩側(cè)壓力差的作用下產(chǎn)生水平向位移，繼而引起墻外側(cè)土體的位移，并引發(fā)周邊局部地面沉降和地面塌陷。地下隧道施工時，由于應力傳遞和變形，上覆土層狀態(tài)發(fā)生變化，若沒有采取支護措施或支護強度不夠，就容易出現(xiàn)地層失穩(wěn)，從而引發(fā)地面塌陷[4]。另外，完成地下結(jié)構(gòu)施工后將進行上部結(jié)構(gòu)土建施工，受基坑施工引起周邊土體松弛的后續(xù)變形、承壓水減壓后周邊土體固結(jié)、上部建筑荷載逐漸增加等綜合因素影響，也會引發(fā)地面塌陷。

3）其他因素。降雨量的多少、地表水系的發(fā)育情況、路面車流量及超載情況等也會對地面塌陷的發(fā)生造成一定的影響。

2 地面塌陷隱患識別方法

地面塌陷的形成是由多種因素共同作用下的結(jié)果。地面塌陷隱患存在隱蔽性、突發(fā)性、群發(fā)性和復發(fā)性等特點[5]。為預防和減少災害的發(fā)生，需對隱患進行提前識別，及早發(fā)現(xiàn)塌陷隱患區(qū)域，研究掌握隱患分布規(guī)律和發(fā)展趨勢，并采取必要的應對措施。

近年來，針對地面塌陷識別方法的研究有很多[6-7]，其中物理探測是一種方便快捷的方法[8]，然而單一的物探方法容易出現(xiàn)多解現(xiàn)象。筆者與工作團隊結(jié)合上海市突發(fā)性地質(zhì)災害隱患勘查與防控項目，在上海地區(qū)多個地面塌陷案例探測實踐中，通過多種方法相結(jié)合，相互驗證，對地面塌陷開展實際探測識別應用研究，提高探測識別效率，使得探測結(jié)果更準確，對地面塌陷隱患預警和防范具有顯著的指導意義。

2.1 三維激光掃描

三維激光掃描系統(tǒng)是目前國際上先進的、獲取地面空間多目標三維數(shù)據(jù)長距離影像的測量技術(shù)，能夠完整并高精度地重建、掃描實物，快速獲取原始測繪數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用非接觸式測量手段，深入到復雜、危險的現(xiàn)場環(huán)境和空間中進行掃描操作，快速采集沉陷、開裂等隱患特征，獲取隱患區(qū)域逆向三維海量點云數(shù)據(jù)，再進行拼接、刪除、去噪等數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建地面塌陷三維模型及點、線、面、體等各種幾何數(shù)據(jù)，并進行多種后處理工作。

系統(tǒng)可對地面塌陷隱患區(qū)域現(xiàn)場實現(xiàn)海量三維激光掃描點云的快速實時拼接、建模，對道路及周邊環(huán)境進行變形分析，結(jié)合多次掃描成果，繪制整個變形區(qū)域的多次二維沉降等值線圖，直觀判斷數(shù)據(jù)變化趨勢，評估地面塌陷隱患的發(fā)展態(tài)勢。

2.2 探地雷達

探地雷達是一種無損探測技術(shù)。根據(jù)地下介質(zhì)的電性差異，利用天線向地下發(fā)射電磁脈沖，并接收由地下不同介質(zhì)界面的反射波，通過分析反射波的特征和路徑時間，可以分析判斷地面塌陷范圍、埋深和地下土體類型等。

隨著科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新，探地雷達也不斷地從單通道到多通道、二維到三維、人工拖拽到車載方式進行轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的探地雷達為二維雷達，雷達天線沿著測線x軸移動時，會產(chǎn)生一系列一維數(shù)據(jù)，構(gòu)成二維數(shù)據(jù)集，接收信號幅度用圖像描述時即為二維圖像。二維雷達設備輕便、技術(shù)成熟、圖像直觀、分辨率高，主要針對隱患區(qū)域進行詳細探測。

三維地質(zhì)雷達是近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù)，可以設置多通道同時采集數(shù)據(jù)，可搭載車輛進行高密度、快速探測，適應性強，抗干擾能力強，具有較高的探測精度和分辨率。

三維車載雷達數(shù)據(jù)采集快速、工作效率高，探測時滿足一定的車載速度要求，基本不影響道路交通，適用于城市道路地面塌陷隱患普查工作。

2.3 管道潛望鏡

“窺無憂”管道潛望鏡是一種管道快速檢測設備。它通過可調(diào)節(jié)長度的手柄將高放大倍數(shù)的攝像頭放入人井或隱蔽空間，快速檢測管道堵塞、變形、錯位等狀況，掌握管道缺陷位置，分析隱患成因，為物探圖像解析提供指導，適用于不同管徑及作業(yè)條件下的管道缺陷檢測。

3 工程實踐案例

3.1 案例1

2018年7月，在上海某路段開展巡查工作時，發(fā)現(xiàn)該處有直徑約15 cm的地面塌陷點。為查明塌陷隱患的范圍、地下影響深度等，結(jié)合道路情況、周邊地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)條件，決定選用探測效率較高的二維地質(zhì)雷達進行探測，在塌陷點附近區(qū)域布設東西向地質(zhì)雷達測線8條，每條測線長50 m。測線布置如圖1所示。

圖1 地面塌陷點現(xiàn)場測線布置示意

經(jīng)二維地質(zhì)雷達探測，在塌陷點附近共發(fā)現(xiàn)地面塌陷隱患5處（圖2、圖3是塌陷點下方處的雷達圖像）。

圖2 LD1-1地質(zhì)雷達探測成果

圖3 LD1-2 地質(zhì)雷達探測成果

圖2中測線LD1地質(zhì)雷達圖像在水平位置4.0～14.5 m處的電磁波同相軸明顯起伏，水平位置2.0～11.0 m、深度3.4 m處的電磁波出現(xiàn)明顯的強反射，推測可能存在地下空洞，其中一處正好是地面塌陷的位置，現(xiàn)場塌陷的直徑約20 cm。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、勘察，該路段下埋設有φ300 mm的雨水管，經(jīng)管道潛望鏡探測，發(fā)現(xiàn)塌陷點對應位置下方的雨水管已經(jīng)破損（圖4），推測空洞是由于管道破損滲水造成水土流失而形成的。管道潛望鏡的成果佐證了二維雷達的探測結(jié)果，使探測成果更具參考意義。

圖4 φ300 mm雨水管破損照片

通過地質(zhì)雷達與管道潛望鏡相結(jié)合，可以有效識別地面塌陷的范圍、位置和深度，查明管道破損或脫節(jié)情況，相互驗證成果的準確性，可以為相關(guān)單位后續(xù)開展城市路面和管道修復工作提供有效依據(jù)。

3.2 案例2

2020年10月，在上海市靜安區(qū)某路段開展地面塌陷隱患巡查工作時，發(fā)現(xiàn)路面出現(xiàn)局部凹陷。經(jīng)對此處地質(zhì)條件進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該處②3層淺部砂層土發(fā)育較厚且滲透系數(shù)較大，加上近日降水量較大引起管道排水量增大，使土體流失速度變快，路基承載力急劇下降，路面凹陷程度不斷變大，若不及時采取相應措施，極易發(fā)生地面塌陷。結(jié)合現(xiàn)場情況和調(diào)查結(jié)果，決定采用多種手段相結(jié)合，對隱患進行排查、識別。

1）三維激光掃描監(jiān)測。首先采用三維激光掃描儀對此處進行掃描，形成路段曲面模型（圖5），從圖5可見此處路面凹陷量較大。

圖5 路段曲面模型

2）三維探地雷達普查與二維探地雷達詳查。根據(jù)三維激光掃描成果，在隱患區(qū)域適當向外擴大一定區(qū)域，開展了二維探地雷達及三維地質(zhì)雷達探測，共布設三維探地雷達測線9條，二維地質(zhì)雷達測線6條（圖6），探測成果如圖7～圖11所示。通過三維雷達和二維雷達成果圖，可以清晰地看到在凹陷點周圍存在3處隱患點：東側(cè)隱患點1，面積約1.23 m2，深度約0.06 m；西側(cè)隱患點2，面積約2.50 m2，深度約0.24 m；南側(cè)隱患點3，面積約2.36 m2，深度約0.41 m。

圖6 雷達探測平面布置

圖7 三維雷達探測成果一

圖8 三維雷達探測成果二

圖9 三維雷達探測成果三

圖10 二維雷達探測成果一

圖11 二維雷達探測成果二

3）管道潛望鏡檢測。用管道潛望鏡對凹陷點附近管道進行檢測，發(fā)現(xiàn)雨污水管道存在4級破裂，管道變形，管壁材料脫落，滲水嚴重（圖12、圖13）。

圖13 管道坍塌

根據(jù)上述探測結(jié)果，立即與市政管理中心聯(lián)系，建議相關(guān)市政部門盡快設置圍擋，對該處管線進行修復，并加固路基路面，同時在降雨量密集的時段加大對大口徑雨污水管沿線路段的管道巡查力度。

在該案例中，由于在發(fā)現(xiàn)地面塌陷隱患時就通過多種隱患識別手段相結(jié)合的方法，準確掌握了隱患范圍、規(guī)模及發(fā)展趨勢，并及時和道路管理部門取得聯(lián)系，采取了防治措施，因此有效避免了對過往人員和車輛造成的傷害。

4 結(jié)語

1）綜合運用三維激光掃描儀、三維地質(zhì)雷達、二維地質(zhì)雷達、管道潛望鏡等先進設備，相互結(jié)合、相互驗證地進行隱患識別，能快速、準確地查明地面塌陷隱患趨勢、范圍，對城市地面塌陷隱患預警具有指導意義。

2）從地面塌陷發(fā)生因素可看出，根據(jù)地質(zhì)條件科學合理地規(guī)劃城市地下管線，并采取優(yōu)選管材、規(guī)范施工、合理維護、系統(tǒng)監(jiān)控等措施，可降低地面塌陷的發(fā)生概率。

3）城市地面塌陷破壞性大、影響因素復雜，已不再是單個部門的職責，各相關(guān)部門應建立部門聯(lián)動和信息共享機制，實現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，在監(jiān)測單位發(fā)現(xiàn)地面塌陷前期征兆時，及時提出預警，及早防治，避免災害的發(fā)生。