城市道路災害防控技術體系的構想研究

孫振鋒，劉傳新

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017)

0 前 言

2018年2月佛山市季華西路發生路面塌陷，造成11人死亡，8人受傷，同年10月四川達州發生路面塌陷，4名路人死亡；2019年8月杭州地鐵施工連續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……

數字觸目驚心，事故頻發不斷。近幾年來，城市道路災害幾乎到了每天發生一起的地步，凸顯我國逐步進入城市災害爆發的高峰期。從上述災害案例可以看出，從沿海到內陸邊遠地區，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害發生威脅，造成嚴重的生命財產損失和社會影響。

1 災害類型及成因

依據《地質災害分類分級標準(試行)》(T/CAGHP 001-2018)，可以將地質災害分為滑坡、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災害主要為地面塌陷、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、坑洞的一種地質現象。

從某些地區統計的城市路面塌陷資料看，引發城市道路地面塌陷的原因可以分為自然地質類與人文建設性破壞類，具有多發性、群發性、危害性、隱蔽性、突發性、復雜性等特征。

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

②人文建設破壞類，主要原因是工程質量欠佳、基坑施工、地鐵施工、管線施工以及地下設施在運行過程中的結構破損而引發路面塌陷，多與地下水流活動有關。

(2)地面沉降：因自然或人為因素產生的具有一定規模和分布規律的地表標高降低的地質現象，具有區域易發性、時間累進性、過程漸變性、成因復雜性、難以逆轉性等特點。在其形成初期不大能夠引起足夠的重視和警覺，逐漸形成一定的規模后影響范圍較廣，表現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模的宏觀地表破裂現象，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，災害性常常呈現季節性變化。

針對城市地裂縫的發育機理，主要形成三種成因論觀點：構造成因論、水成因論和綜合成因論。

①構造成因論：新構造活動是導致地裂縫產生的直接控制因素，其他為間接控制因素。

②水成因論：過量抽取深部地下水導致大面積地面沉降而引發地表地裂縫。

③綜合成因論：地裂縫是多種因素疊加作用產生的結果。主導因素如新構造運動是地裂縫孕育、發展和活動的根本性因素；誘發因素主要有降水、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育程度，如地質、水體等。

2 災害防控體系構建

依據現有的技術手段和標準規范，構建的城市道路災害防控體系共分為五大部分：調查研究、探測技術、評估診斷、病害處治以及監測預警。

2.1 調查研究

基于蘇交科“巖土環境與地下工程智能監測與大數據中心”，InSAR數據可以為探測技術的開展提供城市地面沉降的基礎數據和信息分享，便于有針對性的進行資料收集，評估城市道路運營健康情況。

基礎資料調查研究包括下列內容。

(1)地面沉降范圍內的道路、地下管線、給排水設施等施工設計資料；

(2)地面沉降區地形圖和測量控制資料；

(3)地面沉降區已有的巖土工程、水文地質、物探調查資料；

(4)地面沉降范圍內已發生過的病害體記錄及病害體修復的施工設計資料。

此外，通過開展現場踏勘工作，深入了解調查區域內地形地貌、周邊環境、物探干擾源及其他典型情況，進一步核實已收集基礎資料的完備性和可靠性，評估進行物理探測工作的作業風險，保障后續任務順利完成。

2.2 探測技術

城市道路被硬化路面覆蓋以及勘探經費、交通運輸等客觀條件的限制，不宜進行大規模的鉆孔、坑槽開挖等常規地質勘探工作。因此，主要還是采用地球物理方法進行道路災害的探測，即通過測量和研究地質目標體與周圍介質的物理特征參數(如密度、彈性、磁性、電性等)差異，實現地質災害體的識別與診斷，主要方法有：探地雷達法、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)探地雷達法

探地雷達采用高頻電磁波，通過向地面以下發射入射波，接收并記錄來自目標介質內部或介質分界面上的反射波或透射波，分析介電常數變化或幾何形狀變化而產生相位、回波能量以及波形變化情況，從而推斷出地下介質結構異常及分布范圍。該檢測技術探測精度比傳統檢測方法高，且又是連續性掃描，特別是三維掃描技術的不斷提升應用，可精細地反映出地下空洞、裂縫發育情況。

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

(2)高密度電法

此檢測方法基于不同介質間的電性差異，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，已被廣泛應用于巖溶區覆蓋層結構和厚度探測、溶洞探測及其他地質構造探測，具有淺層橫向分辨率高、成本低等特點。

但，城市中電網密布、路面硬化等諸多干擾因素的存在，嚴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據精度。

(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、探測深度大的優點，對于城市地下空間探測具有極大的應用價值。

但其仍存在較多的約束條件：城市是建筑物集中、人口密集的區域，基于安全等因素考慮不能使用爆炸性震源，產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域無法開展工作。

(4)綜合探測技術

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，取長補短的綜合探測技術是未來城市道路災害探測工作的方向。

探測方法的選擇應考慮以下因素：工作任務；作業條件；目標異常體類型；目標異常的特性；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 城市道路災害探測方法一覽表

2.3 評估診斷

根據道路探測結果，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果驗證，結合現場調查資料進而評估災害風險等級，有利于后期開展針對性病害處治。

(1)風險可能性評估

風險發生可能性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權重，可取0.4～0.6；PA為地下病害體屬性指標；WB為臨近設施指標權重，可取0.3～0.4；PB為臨近設施指標；WC為環境因素指標權重，可取0.1～0.2；PC為環境因素指標。

(2)風險后果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權重，可取0.3～0.4；C1為地下病害體范圍指標；W2為設施危險性指標權重，可取0.2～0.3；C2為設施危險性指標；W3為人員密集程度指標權重，可取0.15～0.25；C3為人員密集程度指標；W4為財產密集程度指標權重，可取0.05～0.15；C4為財產密集程度指標；W5為社會影響指標權重，可取0.05～0.15；C5為社會影響指標。

(3)根據風險可能性P與風險后果C矩陣判定結果，將評估診斷風險等級劃分為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)強夯法：采用較大的沖擊對土體強力夯實；

(4)灌注法：適用于強化洞內充填物、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行加固；

(5)深基礎法：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、深井和墩式基礎等基礎型式。

(6)控制抽排水強度法：合理控制抽排水的強度，是減少塌陷產生的一個途徑。

2.5 監測預警

(1)已顯現城市道路災害的監測預警(預防災害二次發生，從以往統計資料看，道路塌陷災害存在同處多次發生的重復性)；

可以依據《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB 50911-2013)中周邊環境監測方法，對巖土體和周邊建筑物的變形進行監測；對于已經開裂的地面或建筑物結構通過設置監測點位，采用人工或者自動化監測方式進行加密觀測，及時反饋報警。

(2)隱伏城市道路災害監測預警(主要監測隱伏地質構造活動、地下空洞、地下水位、地面沉降等)。

①區域地面沉降監測技術

a.精密水準測量：成果可靠、高精度，但效率低、勞動強度大；

b.GPS測量：設備昂貴，難以實現大規模布網監測；

c.InSAR技術：具有大范圍、快速監測優勢，是前兩者方法的有效補充，也是目前處于熱門研究應用的監測技術手段。

②地面沉降分層、水平位移動態監測

a.土體水平位移可以SAA陣列式測斜儀進行自動化監測；

b.土層分層沉降可以采用多點位移計進行自動化監測。

③地下水位動態監測

孔隙水壓力的變化是土體運動的前兆，可以根據監測目的、土層的滲透性和監測時間的長短，選用封閉或開口方式埋設孔隙水壓力計進行自動化監測。

④地下管線動態監測

依據《城鎮供水管網漏水探測技術規程》(CJJ 159-2011)制定適宜的監測手段；方法有：流量法、壓力法、噪音法、聽音法、管道內窺法(CCTV)、氣體追蹤法、地表溫度測量法等。

2.6 小結

綜上，城市道路災害防控技術可采用方案體系：InSAR調查+探地雷達(5 m范圍內，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長期監測+自動化監測。

相互配合，取長補短，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、疏港一路與江平路交叉路口西側發生沉降變形，前期采用注漿加固以確保道路正常使用，為檢查處治效果，對上述兩處工點進行探查，以查明區域內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雷達法對地下周邊區域進行探測，相隔一周分別完成高密度面波法和地質雷達法的現場數據采集作業。通過對原始數據的波形處理、頻散分析和反演分析，以及進行圖像的解釋，獲取檢測區域的缺陷信息。

(1)高密度面波法探測典型結果示例

檢測區域范圍內，測線1～3 m，深度2～3 m，剪切波速度較周邊區域較低，判斷為地基土疏松，其他區域正常，未發現空洞區域。

圖1 高密度面波法探測結果圖

(2)地質雷達探測典型結果示例

檢測區域范圍內，測線2.5～4.5 m，深度3～6 m和7.5～10 m，電磁波反射強烈，判斷為局部地基土疏松，其他區域正常，未發現空洞區域。

圖2 地質雷達探測結果圖

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

圖3 測區1探測情況示意圖

圖4 測區2探測情況示意圖

根據上述探測結果，對目前仍然存在較大面積的疏松或不密實區域，建議繼續采取加固處治措施；同時，建議加強與政府部門和交警部門溝通和協調工作，做好道路缺陷區域的現場交通管制，控制重載車輛上路，建議在適當位置放置限重、限速標志等交通標識，提醒過往車輛注意減速慢行、切忌超載；對于缺陷嚴重、沉降變形較大的路面，建議開挖大修處治。

4 結 語

(1)隨著城市道路災害的加劇，國家和地方相繼出臺了一些政策舉措。黨的十九大提出構建以“城市群為主體”城鎮協調發展格局和建設“交通強國”的戰略目標，為新時代我國建設安全、綠色、高效的城市道路設施服務體系帶來新的歷史機遇。

(2)從國家戰略，到地方政策法規，再到行業標準規范，城市道路災害防控技術勢在必行。政策法規與技術標準的頒布，為促進城市道路健康運營、增強城市綜合承載能力、提高城市道路運行效率及防災減災能力提供了有力保障。

(3)目前的城市給排水管線鋪設施工，往往采用砂石墊層，地層導水性強，因此與水有關的管線滲漏問題、管線脫空沉降問題需要特別關注，需要借助物理探測技術進行評估診斷，從而有效的保障路面結構安全和健康運營。

(4)為保證探測數據的連續性和采集的穩定性，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進行分段探測。

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

(6)根據車載雷達普查結果，分析劃出道路地下病害體顯著發育區域，再采用二維探地雷達(手推或人為拖拽)或其他物理探測方法進行詳細探查，進一步明確地下病害體的類型、位置、規模、產狀等特征。