鄭州市極端暴雨災(zāi)后交通工程隱患應(yīng)急檢測(cè)分析

涂善波，郭士明，耿青松，呂阿談

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

2021年7月17—20日，鄭州遭受超紀(jì)錄的特大暴雨，3日降水量達(dá)617.1 mm，其中小時(shí)降雨、單日降雨均已突破自1951年鄭州建站以來(lái)的歷史記錄。此次極端暴雨造成市政道路損毀2 730處，干線公路損毀1 190處。極端暴雨災(zāi)后，通水、通電、排水、淤泥垃圾清理是恢復(fù)、重建中最緊迫的任務(wù)。但是，由于暴雨導(dǎo)致的道路塌陷、地鐵隧道受損等城市交通工程隱患成為災(zāi)后重建工作的最大障礙。7月21日當(dāng)天，鄭州市出現(xiàn)了88處地面塌陷，5 d后增加到2 057處，部分主干道出現(xiàn)了大面積塌陷；鄭州市地鐵全線網(wǎng)停運(yùn)，多個(gè)車(chē)站和區(qū)間存在不同程度的浸水，供電、通訊等設(shè)備受損。

暴雨過(guò)后，已經(jīng)發(fā)生的坍塌和空洞等災(zāi)害可以立即采取工程措施進(jìn)行修復(fù)加固，而由于極端暴雨引發(fā)的道路脫空、路基空洞、富水異常、隧道變形滲水等潛在病害危害更大。這些潛在的病害較為隱蔽，往往表面變形較小，但底部已形成局部空洞，在外部擾動(dòng)作用下會(huì)突然塌陷，難以防范，這類(lèi)交通工程隱患已成為威脅城市災(zāi)后重建安全的重大隱患之一。如不采取措施探明隱患位置，極易造成更多的次生災(zāi)害，嚴(yán)重影響災(zāi)后重建工作的進(jìn)度。因此，在短時(shí)間內(nèi)查明這些潛在病害，為災(zāi)后重建工程加固處理提供技術(shù)支撐，具有非常重要的意義。

本文通過(guò)對(duì)暴雨災(zāi)后鄭州市道路、地鐵隧道等交通工程應(yīng)急隱患檢測(cè)方法、技術(shù)及應(yīng)用效果的分析，將多種物探檢測(cè)、監(jiān)測(cè)方法相結(jié)合，解決了快速探測(cè)城市道路淺部病害與深部隱患、檢測(cè)隧道外部變形與管片壁后病害的難題，為暴雨災(zāi)后交通工程隱患檢測(cè)提供了一套行之有效的解決思路。

1 隱患類(lèi)別及檢測(cè)思路

1.1 隱患類(lèi)別

鄭州市區(qū)位于河南省中西部黃土丘陵與東部黃河沖洪積平原的交接地帶，區(qū)內(nèi)地勢(shì)西南高東北低，地貌總體形態(tài)特征屬平原地區(qū)。張金萍等[1]利用1963—2012年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)鄭州市變化環(huán)境下的降雨-徑流關(guān)系分析表明，鄭州市年降水量無(wú)明顯變化趨勢(shì)?！?·20”特大暴雨在鄭州市歷史上極為罕見(jiàn)，鄭州市地層結(jié)構(gòu)以洪沖積土為主，大量水流快速?zèng)_刷基底土體，造成土體流失，進(jìn)而形成滲漏通道、空洞等隱患[2]。根據(jù)受該次暴雨影響的交通工程特點(diǎn)及隱患成因，將潛在地質(zhì)隱患分為以下3類(lèi):

a.道路基底脫空及空洞。由于暴雨的滲入、浸泡、沖刷，造成道路基底土體流失，從而誘發(fā)地層變形、沉降，在外部車(chē)輛振動(dòng)等干擾作用下，隱患將快速發(fā)展、連通，形成具有體積規(guī)模的地下空洞。該類(lèi)由于極端暴雨造成的道路基底脫空及空洞病害與道路長(zhǎng)期運(yùn)行累積形成的緩慢變形塌陷不同，往往在短時(shí)間內(nèi)急劇變形塌陷[3]。此外，鄭州市過(guò)去長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)采地下水導(dǎo)致地下水位大幅度下降，黏性土或回填土與粗顆粒土接觸部位，在極端暴雨形成的動(dòng)水作用下也會(huì)造成大量的土體流失，形成空洞，使得地表承載力不足，最終導(dǎo)致地面塌陷。

b.地下結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)病害。城市地下管線都埋設(shè)在道路下方，大量復(fù)雜交織的地下管線等地下結(jié)構(gòu)與道路基底土體結(jié)合處是薄弱區(qū)。由于施工擾動(dòng)的影響，以及回填土不密實(shí)、成分復(fù)雜等因素，地下結(jié)構(gòu)的周邊土體和原有地層不能形成密實(shí)的統(tǒng)一體，會(huì)造成地下結(jié)構(gòu)周邊受力不均勻。在極端暴雨作用下，雨水沿薄弱部位滲漏，極易造成土體流失，形成空洞等地質(zhì)隱患。

c.隧道變形滲水病害。鄭州市地鐵隧道段主要采用盾構(gòu)施工技術(shù)，隧道管片與土體之間有約15 cm的回填灌漿層，可以保證地鐵隧道與周?chē)馏w緊密接觸，對(duì)隧道防滲起著重要的作用。極端暴雨造成雨水倒灌入隧道內(nèi)，甚至有列車(chē)受洪水沖擊脫軌，在極大的沖擊作用下，可能會(huì)造成隧道變形、防滲功能破壞等隱患。

1.2 檢測(cè)思路

目前對(duì)交通工程隱患的檢測(cè)主要有探地雷達(dá)法[4-5]、瑞雷面波法[6]、拖曳式瞬變電磁法[7]、地震映像法[8]等物理探測(cè)方法，以及近年來(lái)發(fā)展迅速的三維激光掃描[9]、GB-InSAR技術(shù)[10]等測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)，如表1所示，表中D為深度。各種方法均有其適用特點(diǎn)，需要根據(jù)隱患類(lèi)型進(jìn)行選擇。

表1 交通工程隱患檢測(cè)主要方法

極端暴雨災(zāi)后重建工作刻不容緩，對(duì)隱患檢測(cè)要求快速、無(wú)損、抗干擾強(qiáng)等。根據(jù)胡聿涵等[11]對(duì)深圳市路面塌陷事故特點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，塌陷深度多數(shù)大于2 m，在2～5 m的分布較為集中，有個(gè)別塌陷深度甚至超過(guò)15m，因此道路檢測(cè)深度要求大于5 m。受暴雨災(zāi)后影響的地鐵隧道需要在極短時(shí)間內(nèi)查明病害情況，為后續(xù)處理及重新開(kāi)通運(yùn)營(yíng)爭(zhēng)取時(shí)間。

存在潛在隱患的交通工程與正常地層之間在地球物理特征方面存在明顯差異，如道路基底脫空及空洞(無(wú)水)主要表現(xiàn)為高電阻率、低介電常數(shù)等異常特征；富水空洞主要表現(xiàn)為低電阻率、高介電常數(shù)等異常特征，且含水率越高，其與周邊土體的差異就越明顯；隧道邊墻脫空及滲水會(huì)形成明顯的介電常數(shù)異常。這些地球物理特性的差異為地球物理檢測(cè)方法提供了理論依據(jù)。

綜上，根據(jù)交通工程隱患的種類(lèi)特點(diǎn)，考慮災(zāi)后重建的特殊要求，以及地球物理特征差異等條件，地球物理方法檢測(cè)、監(jiān)測(cè)方法組合成為交通工程隱患檢測(cè)的首選。

2 檢測(cè)方法與技術(shù)

2.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法是利用超高頻脈沖電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布特征的一種地球物理方法。在進(jìn)行道路檢測(cè)時(shí)，探地雷達(dá)通過(guò)發(fā)射天線向下發(fā)射超高頻短脈沖電磁波，由接收天線接收經(jīng)路基下方地層的反射波，并根據(jù)其回波旅行時(shí)間(又稱雙程走時(shí))幅度與波形資料，經(jīng)過(guò)圖像處理和解譯，以確定道路下方地質(zhì)隱患目標(biāo)體(空洞、管道、埋藏物等)的空間分布特征，包括空間位置結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度等[12-13]。

車(chē)載三維探地雷達(dá)是在二維探地雷達(dá)的基礎(chǔ)上，針對(duì)道路快速檢測(cè)要求等研制出的基于電磁波探測(cè)技術(shù)的三維采集及成像技術(shù)。車(chē)載三維探地雷達(dá)在單位空間內(nèi)排布多個(gè)發(fā)射天線，向被測(cè)物體內(nèi)同時(shí)發(fā)射多束電磁波，同時(shí)通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式，完成對(duì)大面積被測(cè)物體的完全掃描[14]，并最終形成連續(xù)的、全空間的三維成像。車(chē)載三維探地雷達(dá)檢測(cè)原理及現(xiàn)場(chǎng)工作情況見(jiàn)圖1。

圖1 車(chē)載三維探地雷達(dá)檢測(cè)原理及工作實(shí)況Fig.1 Principle and field working diagram of vehicle mounted ground penetrating radar

探地雷達(dá)的探測(cè)深度主要由地層介電常數(shù)決定，暴雨后城市道路路基下伏地層表現(xiàn)為高含水率，介電常數(shù)增大，導(dǎo)致電磁波信號(hào)衰減加快，穿透能力變?nèi)?。?jīng)過(guò)試驗(yàn)，“7·20”特大暴雨災(zāi)后鄭州市區(qū)道路檢測(cè)采用18通道車(chē)載三維探地雷達(dá)，中心頻率為450 MHz，檢測(cè)速度可達(dá)30～40 km/h；隧道邊墻檢測(cè)采用400 MHz二維探地雷達(dá)。

2.2 拖曳式瞬變電磁法

拖曳式瞬變電磁法是一種時(shí)間域電磁感應(yīng)類(lèi)探測(cè)方法，其工作原理是介質(zhì)在一次電流脈沖激發(fā)下產(chǎn)生渦流場(chǎng)，在脈沖的間隔時(shí)間利用不接地回線等方式接收二次感應(yīng)磁場(chǎng)，二次感應(yīng)磁場(chǎng)隨時(shí)間的衰減規(guī)律與地下良導(dǎo)體的導(dǎo)電性、規(guī)模、埋深以及發(fā)射電流的形態(tài)和頻率相關(guān)[15]，對(duì)低電阻率異常較為敏感?！?·20”特大暴雨后鄭州市雨污管網(wǎng)等地下結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)病害多為富水空洞，為拖曳式瞬變電磁法檢測(cè)提供了應(yīng)用條件。

為滿足暴雨災(zāi)后道路交通快速檢測(cè)的要求，拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)采用大電流短關(guān)斷電磁發(fā)射技術(shù)，設(shè)計(jì)了一體化多匝弱耦合線圈以在提高原始數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下盡可能減少檢測(cè)盲區(qū)，并采用跨環(huán)削耦結(jié)構(gòu)最大程度消除了互感問(wèn)題?！?·20”特大暴雨災(zāi)后檢測(cè)采用60 A大電流及43匝發(fā)射線圈，發(fā)射磁矩達(dá)1 650 A·m2，關(guān)斷延時(shí)控制在60 μs，拖曳采樣速度可達(dá)10 km/h，有效探測(cè)深度大于10 m。拖曳式瞬變電磁檢測(cè)原理及現(xiàn)場(chǎng)工作情況見(jiàn)圖2。

圖2 拖曳式瞬變電磁檢測(cè)原理及工作實(shí)況Fig.2 Principle and field working diagram of towed transient electromagnetic detection

拖曳式瞬變電磁法針對(duì)埋深2～30 m的管網(wǎng)由于滲漏造成的地下結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)病害是較為理想的普查手段，但也存在淺部盲區(qū)和信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題，因此與探地雷達(dá)組合，可兼顧淺部隱患與深部病害的檢測(cè)。

2.3 移動(dòng)三維激光掃描

移動(dòng)三維激光掃描是近年來(lái)城市測(cè)量技術(shù)中發(fā)展最快的一項(xiàng)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形檢測(cè)。移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)集成了高精度三維激光掃描儀、高精度慣導(dǎo)、里程計(jì)、激光2D位移傳感器等多種傳感器于一體，在隧道環(huán)境下利用高精度慣導(dǎo)和里程計(jì)進(jìn)行精確定位，可以快速獲取軌道及周?chē)h(huán)境三維點(diǎn)云、里程、廓形等信息，移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成隧道灰度影像成果，實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)滲漏水、裂縫和收斂等病害的快速檢測(cè)[16-17]。移動(dòng)三維激光掃描檢測(cè)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)工作情況見(jiàn)圖3。

圖3 移動(dòng)三維激光掃描檢測(cè)設(shè)備及工作實(shí)況Fig.3 3D laser scanning inspection equipment and field working diagram

3 暴雨影響后的交通工程隱患檢測(cè)成果分析

3.1 道路空洞檢測(cè)

“7·20”特大暴雨后鄭州市主、次干道的結(jié)構(gòu)安全是災(zāi)后重建的重要通行保障，因此做好重點(diǎn)路段的隱患檢測(cè)非常重要。位于鄭州市中心的某道路在暴雨中受災(zāi)嚴(yán)重，部分路面破損，須及時(shí)進(jìn)行隱患檢測(cè)。共布置4條檢測(cè)線，首先采用車(chē)載探地雷達(dá)進(jìn)行快速的大面積檢測(cè)；對(duì)于部分埋藏較深的雨污管網(wǎng)等地下結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)病害隱患，采用拖曳式瞬變電磁法進(jìn)行檢測(cè)。

車(chē)載三維探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果表明，在圖4(a)車(chē)載三維探地雷達(dá)15 ns(深度0.75 m)水平切片圖中，存在一處明顯異常的區(qū)域，從圖4(b)可以看到明顯的雙層雙曲線信號(hào)，分析為道路淺部脫空病害[18]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)打孔驗(yàn)證(圖5)，該處存在較大的雨水沖刷空洞，埋深僅0.75 m，極易在外部擾動(dòng)下發(fā)生坍塌，應(yīng)立即采取處理措施。

圖4 道路病害車(chē)載三維探地雷達(dá)檢測(cè)成果Fig.4 Results of road disease detection with 3D vehicle mounted ground penetrating radar

圖5 車(chē)載三維探地雷達(dá)檢測(cè)成果打孔驗(yàn)證Fig.5 Verification of 3D vehicle mounted ground penetrating radar detection results by punch holes

從圖4可以看出，淺部的脫空等病害異常非常明顯，檢測(cè)效果較好，但由于暴雨災(zāi)后地層含水率較高，深度2 m(40 ns)以下雷達(dá)信號(hào)較差(圖4(b))，無(wú)法判斷下方地層的病害情況。

為查明道路下方深部管線滲漏等可能造成的病害，對(duì)該處路段采用拖曳式瞬變電磁法進(jìn)行隱患檢測(cè)。拖曳式瞬變電磁法檢測(cè)發(fā)射頻率為32 Hz，發(fā)射電流50 A，采樣頻率1.25 MHz，拖曳速度5 km/h。

拖曳式瞬變電磁法檢測(cè)結(jié)果(圖6)表明，4條測(cè)線在150 m、160 m處同一位置均存在低阻異常區(qū)，但在雷達(dá)成果上均無(wú)明顯異常。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，測(cè)線150 m處存在埋深約3.5 m的雨水管線；在測(cè)線160 m處低阻異常區(qū)域較大，為明顯的富水病害，推測(cè)此處可能是暴雨災(zāi)后管線破損滲漏造成的空洞隱患。后通過(guò)查找管線并進(jìn)行QV視頻檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)埋深4.5 m的雨水管道部分管段存在破裂(圖6(b))，與拖曳式瞬變電磁法檢測(cè)結(jié)果相符。

圖6 瞬變電磁檢測(cè)成果及管道破損Fig.6 Transient electromagnetic detection results and pipeline damage diagram

3.2 隧道病害檢測(cè)

鄭州市“7·20”特大暴雨災(zāi)害中，地鐵2號(hào)線多個(gè)車(chē)站和區(qū)間存在不同程度的浸水，抽排水工作完成后，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)間隧道存在滲水等病害。為掌握災(zāi)情對(duì)2號(hào)線隧道的影響程度，及時(shí)了解隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，查明隧道病害，開(kāi)展了隧道變形及隧道管片壁后病害檢測(cè)。

3.2.1 移動(dòng)三維激光掃描檢測(cè)

隧道變形檢測(cè)采用集成了移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)的軌道小車(chē)進(jìn)行作業(yè)，考慮到暴雨后隧道內(nèi)部場(chǎng)地未完全清理等因素，設(shè)定移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)的自身轉(zhuǎn)速為200 r/s。為充分滿足隧道的檢測(cè)精度，采集車(chē)速控制在5 km/h以內(nèi)?！?·20”特大暴雨災(zāi)后檢測(cè)的地鐵區(qū)間在竣工驗(yàn)收時(shí)未進(jìn)行三維激光掃描，隧道初始值以設(shè)計(jì)值為參考，隧道管片收斂值為水平直徑與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)直徑(5.4 m)的差值，其中水平直徑為經(jīng)過(guò)圓心的水平線到環(huán)片兩側(cè)的實(shí)測(cè)真實(shí)距離。

地鐵2號(hào)線某區(qū)間上行線隧道三維檢測(cè)點(diǎn)云及正射影像成果見(jiàn)圖7，隧道收斂、錯(cuò)臺(tái)、滲水等變形檢測(cè)成果見(jiàn)圖8。檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表明，隧道管片水平收斂大于70 mm的有21環(huán)，主要集中于740～790環(huán)；選取錯(cuò)臺(tái)弧長(zhǎng)大于0.7 m進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，上行線錯(cuò)臺(tái)量最大為-27.2 mm，位于398/397環(huán)(89.5°～116.5°)，最大錯(cuò)臺(tái)量大于20 mm的有6處；查明滲水部位12處，多數(shù)分布于630～790環(huán)。對(duì)于滲水嚴(yán)重且變形較大的重點(diǎn)部位，采用探地雷達(dá)進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)。

圖7 隧道三維檢測(cè)點(diǎn)云及正射影像Fig.7 3D point cloud and orthophoto image of tunnel

圖8 隧道變形檢測(cè)成果Fig.8 Detection results of tunnel deformation

3.2.2 探地雷達(dá)檢測(cè)

鄭州市地鐵隧道管片厚度0.3 m，分布有兩層鋼筋網(wǎng)，考慮到鋼筋的電磁屏蔽作用，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)400 MHz天線檢測(cè)管片壁后脫空進(jìn)行了正演模擬，設(shè)計(jì)了含雙層鋼筋介質(zhì)加不含水脫空以及含雙層鋼筋介質(zhì)加含水脫空兩種模型，主要參數(shù)為：不含水脫空(半徑0.25 m)位置為(1.25 m，0.56 m)，相對(duì)介電常數(shù)為1，電導(dǎo)率為0.000 1 s/m，磁導(dǎo)率為1 H/m；含水脫空相對(duì)介電常數(shù)為81，電導(dǎo)率為1 s/m，磁導(dǎo)率為1.0 H/m。正演成果見(jiàn)圖9、圖10。對(duì)于雙層鋼筋的管片壁后不含水脫空，無(wú)法有效地探測(cè)到脫空的響應(yīng)特征(圖9)；對(duì)于雙層鋼筋的管片壁后含水脫空，根據(jù)強(qiáng)反射特征，能夠較有效地識(shí)別管片背后的脫空(圖10)。

圖9 含有雙層鋼筋的管片壁后不含水脫空模型及正演成果Fig.9 Water-free void model behind the segment wall with double-layer steel bars and forward modeling results

三維激光掃描發(fā)現(xiàn)2號(hào)線736環(huán)等變形較大且存在邊墻滲水的病害主要為含水脫空，因此，采用探地雷達(dá)400 Mhz天線檢測(cè)是可行的?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果(圖11)顯示，在隧道736環(huán)左邊墻，高度1.6 m、深度0.45 m左右存在一個(gè)較強(qiáng)的、較雜亂的反射面，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)分析可能此處存在管片壁后注漿層脫空。

4 結(jié) 論

a.探地雷達(dá)作為普及率最高、成果分辨率高的快速無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合目前自動(dòng)化程度較高的車(chē)載三維探地雷達(dá)探測(cè)，對(duì)于淺部的道路脫空隱患具有很好的探測(cè)效果；拖曳式瞬變電磁法作為一種快速道路缺陷檢測(cè)方法，具有抗干擾強(qiáng)、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，有效檢測(cè)深度大于10 m，尤其對(duì)于暴雨災(zāi)后造成的富水空洞的檢測(cè)效果較好。對(duì)于受極端暴雨影響的道路工程，采用車(chē)載三維探地雷達(dá)與拖曳式瞬變電磁法相結(jié)合，檢測(cè)速度快，可以準(zhǔn)確查明脫空、滲漏等隱患。

b.地鐵隧道為地下工程，在極端暴雨造成的隧道外部水土壓力急劇變化的影響下，易造成防水層失效、結(jié)構(gòu)變形等問(wèn)題。利用三維激光掃描技術(shù)快速查明隧道的滲漏水、裂縫和收斂等病害，再結(jié)合探地雷達(dá)對(duì)重點(diǎn)病害進(jìn)行詳查，可快速、有效地查明隧道安全狀況，為地鐵安全運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支撐。

c.采用車(chē)載三維探地雷達(dá)與拖曳式瞬變電磁法相結(jié)合，可有效避免單一方法的局限性，快速查明道路工程的脫空、滲漏等病害；采用三維激光掃描法普查隧道結(jié)構(gòu)病害信息，再利用探地雷達(dá)對(duì)重點(diǎn)病害進(jìn)行詳查，可快速查明隧道工程安全狀況?；诙喾N方法組合的檢測(cè)技術(shù)為今后暴雨災(zāi)后交通工程隱患應(yīng)急檢測(cè)提供了一套行之有效的解決思路。