成都市城市道路塌陷成因及快速探測(cè)方法

謝小國(guó)， 張 偉， 羅 兵， 孫 東，王 強(qiáng)， 劉偉祖， 楊 濤

(1.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610081； 2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，四川 成都 610081； 3.四川省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610081)

0 引言

隨著城市建設(shè)與發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，城市地面塌陷逐漸呈現(xiàn)高發(fā)、頻發(fā)趨勢(shì)，給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全及公共基礎(chǔ)設(shè)施帶來了重大損失，嚴(yán)重影響城市的運(yùn)維安全與城市形象。2021年“7·20”河南鄭州特大暴雨后，城市主干道、人行道等均出現(xiàn)了大小不一的塌陷，市內(nèi)路面發(fā)現(xiàn)塌陷2 057處，最大面積達(dá)60 m2，深11 m； 2020年“1.13”西寧路面塌陷事故造成10人死亡、17人受傷； 2018年“2·7 ”佛山路面塌陷事故造成11人死亡、8人受傷、1人失聯(lián)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5 000萬元以上。據(jù)《全國(guó)地下管線事故統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告(2019年10月—2020年9月)》[1]，該期內(nèi)全國(guó)報(bào)告的路面塌陷事故共229起，傷亡人數(shù)達(dá)98人，相較于上一期(2018年10月—2019年9月)發(fā)生的114起增長(zhǎng)了100.88%，相較于2014—2018年報(bào)告的506起，路面塌陷事故呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)[1-2]。2019年10月—2020年9月四川省境內(nèi)多個(gè)城市發(fā)生了路面塌陷事故，如2020年宜賓路面塌陷有21輛車掉落坑洞； 2018年“10.7”達(dá)州路面塌陷事故造成4人死亡、1人受傷。

城市道路地面塌陷往往具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性、隱蔽性、突發(fā)性和危害性的特點(diǎn)[3]，因此建立城市道路地面塌陷防治機(jī)制的需求越發(fā)迫切。城市道路地面塌陷的防治離不開快速判識(shí)地下病害體的類型與特征，地球物理勘探方法在城市復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境勘探中具有綠色、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，并且隨著理論方法與儀器設(shè)備的不斷進(jìn)步，探測(cè)精度也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。《JGJ/T 437—2018城市地下病害體綜合探測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]提出了通用性廣、適用性強(qiáng)的地下病害體探測(cè)方法，包括探地雷達(dá)、高密度電阻率法、瞬態(tài)面波法、微動(dòng)勘探法、地震映像法、瞬變電磁法等。

不同探測(cè)方法有著不同的應(yīng)用條件，胡曉娟[5]和王潔[6]利用高密度電法對(duì)開挖地鐵導(dǎo)致的地面塌陷和城市地下巖溶塌陷區(qū)分別進(jìn)行了探測(cè)，確定了地下空洞的分布位置及范圍； 張偉等[7]采用多道瞬態(tài)面波與微動(dòng)法對(duì)柳城縣巖溶塌陷區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，獲取了覆蓋層結(jié)構(gòu)與厚度的分布特征； 張銀松等[8]采用高密度電法對(duì)重慶市中梁山地區(qū)隱伏塌陷區(qū)進(jìn)行了較好的圈定。探地雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于城市道路塌陷探測(cè)，對(duì)地下5 m以淺的地層探測(cè)具有精度高、效率快的優(yōu)勢(shì)[9-11]。結(jié)合引起道路塌陷的地下病害體類型、發(fā)育特征、埋深等特點(diǎn)，相對(duì)于其它探測(cè)方法，車載三維探地雷達(dá)具有快速、直觀、綠色、無損、分辨率高、探測(cè)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)定量解釋[12-13]。

為更好地提升城市道路塌陷處治能力，響應(yīng)《成都市中心城區(qū)路面塌陷應(yīng)急處置管理辦法》，本文針對(duì)成都市的特定地層結(jié)構(gòu)與人類工程活動(dòng)，提出了城市道路塌陷隱患快速探測(cè)方法。

1 研究區(qū)概況

成都市位于岷江沖積扇中前部，淺表地層主要為第四系沖積層，巖土體包括填土、粉質(zhì)黏土和砂礫卵石層，地下水位一般在地下2～3 m。受目前成都市的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、地下空間快速開發(fā)以及強(qiáng)烈的人類活動(dòng)影響，結(jié)合成都市淺表第四系沖積層填土、粉質(zhì)黏土和砂礫卵石層等巖土體性質(zhì)以及較淺的地下水位條件，地下穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，城市道路病害隱患增加，市區(qū)及周邊區(qū)縣均出現(xiàn)了多起道路塌陷等事故，給城市運(yùn)營(yíng)安全帶來挑戰(zhàn)，如2021年9月1日成都西三環(huán)附近道路出現(xiàn)明顯塌陷，初步分析為降雨等綜合因素導(dǎo)致地下水沖刷帶走地下細(xì)粒物質(zhì)造成地下空洞，再受重型貨車碾壓破壞形成塌陷(圖1)。

(a) 地面塌陷 (b) 地層結(jié)構(gòu)

2 道路塌陷成因分析

地面塌陷主要分為自然塌陷和人為塌陷，又可以分為巖溶塌陷、采空塌陷、黃土濕陷以及工程塌陷[14]。根據(jù)新聞報(bào)道及文獻(xiàn)資料分析，成都市城市道路塌陷事故大多與特殊的地層結(jié)構(gòu)、多雨的氣候以及復(fù)雜的工程建設(shè)活動(dòng)有關(guān)[15-18]。

2.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

成都復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是誘發(fā)地面塌陷的先決條件。成都市區(qū)位于川西平原岷江流域，地下水豐富且埋深淺，第四系砂卵礫石分布廣泛，厚度、粒徑、含砂量及抗壓強(qiáng)度變化大，離散性強(qiáng)，巖土體空隙率大。具體表現(xiàn)為卵石含量一般大于50%，分選性較差，大多充填細(xì)砂、中砂，且存在透鏡體砂層，地層滲透系數(shù)高、透水性極強(qiáng)[19-20]。工程地質(zhì)條件總體表現(xiàn)為地層簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。受到降雨、工程活動(dòng)、管線事故等影響，砂卵石土體發(fā)生剝離，形成空隙并逐步發(fā)展成為空洞。

2.2 地下水

豐富、活躍的地下水是造成地面塌陷的重要因素。根據(jù)從國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心收集的成都市2011年1月—2021年7月氣象數(shù)據(jù)，下雨天數(shù)達(dá)到1 266 d，占統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)的36.5%，年降雨量約1 000 mm，其中每年的6—9月為雨季[21]。由于成都市位于岷江水系流域，降雨和水源補(bǔ)給量大，導(dǎo)致砂卵石層含水量高，多呈飽和土體，因此受水流和工程活動(dòng)等影響，粉砂、細(xì)砂等細(xì)粒物質(zhì)隨地下水流動(dòng)而被帶走，潛蝕作用破壞土體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致地下疏松、空洞等病害體發(fā)生。特別是每年7—8月暴雨時(shí)期，土體飽和度提高，非飽和土層抗剪強(qiáng)度明顯降低，巖土體結(jié)構(gòu)更易受到破壞，加速塌陷病害的發(fā)育[22]。如2021年5月27日大邑、崇州兩地發(fā)生地面塌陷，原因是當(dāng)?shù)卮罅砍槿〉叵滤?，致使?xì)粒物質(zhì)被帶走，砂卵石被排擠，從而引發(fā)地面塌陷。

2.3 工程活動(dòng)

復(fù)雜的工程活動(dòng)增大了地面塌陷的隱患。隨著成都市城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，城市道路、市政管線、建(構(gòu))筑等的不斷發(fā)展，越來越頻繁且劇烈的人類活動(dòng)與工程建設(shè)增大了道路塌陷隱患。

地下管線破損引起的滲流是造成道路塌陷的最主要因素之一。地下管線及附屬設(shè)施，特別是排水管道老化、破裂，進(jìn)而受到雨污水、地表水、地下水的影響，沖刷掏空砂土層，引發(fā)地面塌陷[23]。如2014年武侯區(qū)水漣裊銅小區(qū)由于污水管破裂，外泄污水沖刷基坑護(hù)壁樁間土，導(dǎo)致小區(qū)停車點(diǎn)發(fā)生垮塌。

地下工程施工破壞地下結(jié)構(gòu)是加快道路塌陷的主要因素之一，基坑開挖、軌道隧道盾構(gòu)施工、管道頂進(jìn)等工程在極大利用地下空間的同時(shí)破壞了地層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致地下砂土層變形或位移，地下疏松體不斷發(fā)育，降低了路面抗壓能力，從而發(fā)生沉降或垮塌[24-25]。如2020年地鐵六號(hào)線星民站施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的地面塌陷。

道路荷載過大會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)被破壞。機(jī)動(dòng)車輛，特別是大型貨運(yùn)汽車行駛以及大型、重型堆填物增大了道路的荷載，針對(duì)早期道路情況設(shè)計(jì)的荷載已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)在道路使用的需要，造成路面承載力不足，從而導(dǎo)致路面沉降和塌陷[26]?；娱_挖降低了道路側(cè)向承載力，也是造成地面開裂下沉和塌陷的原因之一。如2020年雙安東巷路面塌陷的原因是路基填土不密實(shí)，貨車載重過大而壓塌路面。

3 探測(cè)方法與體系

3.1 探測(cè)方法選擇

《JGJ/T 437—2018城市地下病害體綜合探測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]中提出了多種適用的地球物理探測(cè)方法，不同方法具有不同的適用性(表1)。

表1 不同探測(cè)方法適用性分析

研究表明，98%以上的地面塌陷事故發(fā)生在地面5 m以淺的范圍內(nèi)，85%以上發(fā)生在市政道路、住宅小區(qū)和商業(yè)街區(qū)，60%以上發(fā)生在市政道路上[27]。地面塌陷隱患探測(cè)要體現(xiàn)出時(shí)效性和緊迫性，特定的探測(cè)條件對(duì)選擇合適的探測(cè)方法具有重要的指導(dǎo)作用。探地雷達(dá)法與其他探測(cè)方法相比，受城市人類活動(dòng)的干擾較小，探測(cè)效率高，對(duì)淺部的分辨率較高，操作簡(jiǎn)單，適用于淺表層地下病害的探測(cè)，尤其是三維車載探地雷達(dá)具有檢測(cè)速度快、探測(cè)范圍廣、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在城市道路塌陷中應(yīng)用廣泛[28-30]。

3.2 探測(cè)體系建立

基于城市道路塌陷產(chǎn)生的公共危害、社會(huì)影響及財(cái)產(chǎn)損失等的特殊性，需要對(duì)道路進(jìn)行“快速、準(zhǔn)確、綠色”的探測(cè)，因此建立該類病害探測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。結(jié)合研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)、人文活動(dòng)、探測(cè)方法等特點(diǎn)，建立了城市道路塌陷“探測(cè)-解譯-驗(yàn)證-評(píng)估-成果”5步探測(cè)體系，具體分析如圖2所示。

圖2 城市道路塌陷隱患快速探測(cè)體系

3.2.1 探測(cè)

以問題為導(dǎo)向，以快速、綠色為原則。根據(jù)儀器性能及采樣分辨率需求，一般單臺(tái)設(shè)備采集效率可達(dá)到15 km/h，可實(shí)現(xiàn)對(duì)道路的快速探測(cè)。同時(shí)由于是車載式探測(cè)，不涉及臨時(shí)占道、交通影響和人類活動(dòng)等限制條件，具有低噪的特點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保的探測(cè)方法(圖3(a))。

對(duì)城市道路塌陷隱患普查的工作方法以車載三維探地雷達(dá)為主，該方法可快速實(shí)現(xiàn)疑似地下病害體的定位與檢測(cè)，采用二維探地雷達(dá)精確定位地下病害體，排除地下管線、地下構(gòu)筑物、地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常等非地下病害的異常，利用鉆探、釬探或挖探等方式直觀、準(zhǔn)確地獲取地下病害體的埋深、凈空等空間信息。

工作內(nèi)容為利用車載三維探地雷達(dá)快捷高效的特點(diǎn)開展普查工作，探測(cè)對(duì)象為城市道路，發(fā)現(xiàn)異常后進(jìn)行異常篩查。首先利用收集的各類資料，排除因其他管線、過街通道、老舊人防工程等產(chǎn)生的假異常，然后采用二維探地雷達(dá)確定異常，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選擇鉆探、釬探或者挖探進(jìn)行驗(yàn)證工作，同時(shí)采用內(nèi)窺鏡等對(duì)地下病害體的空間展布、形態(tài)等進(jìn)行評(píng)估，應(yīng)用相關(guān)規(guī)范對(duì)地下病害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

工作手段包括資料收集(已有地下管線資料、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)資料和歷史病害信息等)、二維和三維探地雷達(dá)探測(cè)，在有條件的區(qū)域?qū)嵤┿@探驗(yàn)證。

探測(cè)的成果主要為地下病害的坐標(biāo)、體積、垂直車道長(zhǎng)度與平行車道長(zhǎng)度、面積、凈空(空洞和脫空)、與地下管線關(guān)系、周邊環(huán)境條件、病害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、病害成因及處置建議等。

(a) 三維探地雷達(dá)探測(cè) (b) 數(shù)據(jù)處理與解譯

(c) 異常體復(fù)測(cè)與驗(yàn)證 (d) 調(diào)查與評(píng)估

3.2.2 解譯

解譯工作的最大難點(diǎn)在于“去偽存真、減少多解性”。一般步驟包括數(shù)據(jù)處理、異常目標(biāo)體提取、干擾異常判識(shí)及病害體初判等4步，單臺(tái)軟件解譯效率超過20 km/d(圖3(b))。其中數(shù)據(jù)處理包括圖像顯示、預(yù)處理、處理、解釋處理等過程； 異常目標(biāo)的提取是對(duì)異于地層信號(hào)的判讀與拾取，獲得異常體的分布情況； 干擾異常判識(shí)是對(duì)非病害體進(jìn)行剔除，對(duì)疑似病害體進(jìn)行分析，減少驗(yàn)證工作量，提高工作效率； 病害體初判是根據(jù)雷達(dá)的不同形態(tài)、振幅、相位與頻譜的差異，識(shí)別出空洞、脫空、疏松、富水體等病害體，提高驗(yàn)證的準(zhǔn)確性。

3.2.3 驗(yàn)證

驗(yàn)證工作一般包括異常體定位、二維探地雷達(dá)復(fù)測(cè)、病害體現(xiàn)場(chǎng)判識(shí)、鉆孔及內(nèi)窺鏡驗(yàn)證等過程。異常體定位采用RTK對(duì)解譯的疑似病害體坐標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放點(diǎn)，為二維探地雷達(dá)復(fù)測(cè)指定位置； 二維探地雷達(dá)復(fù)測(cè)一般采用高于三維探地雷達(dá)探測(cè)頻率的天線對(duì)異常體進(jìn)行多方位探測(cè)； 分析圖譜特征，剔除管線(涵)、地下構(gòu)(建)筑物等非病害影響，精確定位病害體分布特征； 采用便攜鉆機(jī)鉆孔，參考內(nèi)窺鏡影像驗(yàn)證病害體(圖3(c))。

3.2.4 評(píng)估

評(píng)估工作的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確定級(jí)。以單個(gè)病害體為評(píng)價(jià)對(duì)象，調(diào)查病害體影響范圍內(nèi)的病害體規(guī)模、鄰近設(shè)施、環(huán)境因素等情況，建立風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性評(píng)價(jià)指標(biāo)及劃分等級(jí)，并結(jié)合地下病害體范圍、建(構(gòu))筑分布、人員密集程度、財(cái)產(chǎn)密度、社會(huì)影響等指標(biāo)確定風(fēng)險(xiǎn)后果評(píng)價(jià)指標(biāo)及劃分等級(jí)，綜合風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性與風(fēng)險(xiǎn)后果劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并制訂相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策(圖3(d))。

3.2.5 成果與信息化

成果集成與綜合研究要突出機(jī)理分析，信息化管理要注重維護(hù)與更新。以道路為單元，編制道路病害探測(cè)成果報(bào)告； 以測(cè)區(qū)為區(qū)域，編制區(qū)域病害探測(cè)成果報(bào)告，系統(tǒng)分析病害的成因、類型及分布規(guī)律，為信息化管理與防治提供支撐； 以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)，建立病害體空間信息和屬性信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、編輯、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、動(dòng)態(tài)更新等功能[31]。

3.2.6 成果應(yīng)用

成都市城市道路塌陷隱患檢測(cè)成果主要為工程治理提供依據(jù)，消除隱患，建立隱患數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)道路塌陷隱患進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理和監(jiān)測(cè)，服務(wù)于城市道路的防災(zāi)減災(zāi)，為市政設(shè)施安全運(yùn)行與道路安全提供保障。

3.3 典型異常體特征

根據(jù)《JGJ/T 437—2018城市地下病害體綜合探測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]及實(shí)際探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，典型異常體包括病害體和非病害體，其中病害體包括空洞、脫空、疏松和富水體，非病害體包括管線、井蓋、井室和層位等，非病害體異常往往影響病害體的判識(shí)[32]。常見異常體的典型三維探地雷達(dá)圖譜特征見表2。

表2 常見異常體典型三維雷達(dá)圖譜特征

(續(xù)表)

4 應(yīng)用效果分析

以成都市青羊區(qū)某道路為例，該道路周圍分布了大型商場(chǎng)、居民小區(qū)、商業(yè)街道、火車站以及重點(diǎn)企事業(yè)單位等，道路經(jīng)多次翻新維護(hù)，地下管線復(fù)雜，淺部主要為道路路面、填土、砂卵礫石，地下水位較淺，且地鐵運(yùn)營(yíng)多年，淺層擾動(dòng)較大。為更好地排查道路塌陷隱患，采用IDS生產(chǎn)的Stream-X三維探地雷達(dá)(中心頻率200 MHz，15通道，掃描寬度1.8 m，GPS定位，512個(gè)采樣點(diǎn)，采樣時(shí)窗120 ns，道間距0.099 m)，對(duì)城市道路5 m以淺地層進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)解譯、復(fù)測(cè)、驗(yàn)證，共發(fā)現(xiàn)22處病害異常，其中空洞14處，脫空2處，嚴(yán)重疏松3處，一般疏松3處(表3)。

表3 探測(cè)道路地下病害體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

根據(jù)《JGJ/T 437—2018城市地下病害體綜合探測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]開展風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性與風(fēng)險(xiǎn)后果評(píng)價(jià)，采用指標(biāo)體系法，劃分了地下病害體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。由表3可以看出，該道路具有明顯的風(fēng)險(xiǎn)隱患，其中V級(jí)風(fēng)險(xiǎn)7處，凈空0.65～1.37 m，面積4.56 m2(2.4 m×1.9 m)～34.65 m2(6.3 m×5.5 m)，體積4.4～31 m3，風(fēng)險(xiǎn)極高，需禁止使用，工程處理； IV級(jí)風(fēng)險(xiǎn)7處，最大面積3.8 m×3.5 m，風(fēng)險(xiǎn)較高，需限制使用，工程處理，處理前進(jìn)行定期巡視和探測(cè)； III級(jí)風(fēng)險(xiǎn)2處，風(fēng)險(xiǎn)一般，需限制使用，工程處理，處理前進(jìn)行定期巡視和探測(cè)； II級(jí)風(fēng)險(xiǎn)3處，風(fēng)險(xiǎn)較低，需定期巡視和探測(cè)； I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)3處，風(fēng)險(xiǎn)很低，需定期巡視和探測(cè)。探測(cè)道路典型空洞特征見表4。

表4 探測(cè)道路典型空洞特征分析

5 結(jié)論

(1)成都市具有復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、自然地理環(huán)境以及頻繁的人類工程活動(dòng)，城市道路病害現(xiàn)象日益加重，通過建立 “探測(cè)-解譯-驗(yàn)證-評(píng)估-成果與信息化” 的城市道路塌陷隱患快速探測(cè)體系，有助于提升城市安全運(yùn)營(yíng)能力。

(2)應(yīng)用結(jié)果表明，車載三維探地雷達(dá)適用于城市道路塌陷應(yīng)急搶險(xiǎn)、汛期道路隱患排查、重大工程施工地面沉降監(jiān)測(cè)、重大社會(huì)活動(dòng)前期道路安全檢查等工作。