智慧城管視域下城市道路監(jiān)測預警系統(tǒng)研究

姚赫男,章建高,王 毅,王驍舟

(1.浙江建設職業(yè)技術學院,浙江 杭州 310000;2.浙江興紅建設工程檢測有限公司,浙江 杭州 310000;3.杭州巨安科技有限公司,浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著城市建設規(guī)模的不斷擴大,城市人口的不斷增加,城市道路的地上部分呈現(xiàn)交通量激增、車道受載增大,地下部分呈現(xiàn)市政管線繁雜、軌道交通密集的特點。 由此導致城市道路出現(xiàn)脫空、空洞、疏松體、富水體等地下病害體,主要表現(xiàn)為道路沉降、裂縫、車轍深,甚至塌陷等。 城市道路塌陷問題已出現(xiàn)集中爆發(fā)的高峰期,災害遍布全國各大省市,對人民的生命財產安全造成了極大威脅。

1 城市道路塌陷現(xiàn)狀

近年來,國內道路塌陷事故頻發(fā),由此引發(fā)的車輛損毀、人員傷亡事件帶來了惡劣的社會影響,也引起了業(yè)內的廣泛關注。 2020 年1—12 月,全國共發(fā)生路面塌陷事故263 起,死亡23 人,受傷48 人,事故數(shù)量同比增長了148.11%。 從每個月的事故發(fā)生情況來看,2020 年8 月的事故數(shù)量最多,共37 起,占路面塌陷事故總數(shù)的14.07%(見圖1)。 從道路塌陷事故發(fā)生的省市分布來看,2020 全年共發(fā)生20 次以上塌陷事故的省份有廣東省(25 次)、陜西省(23 次)、河南省(22次)、河北省(21 次)(詳見表1)[1]。

表1 全國部分省份路面塌陷事故情況

圖1 2020 年各月份全國道路塌陷事故數(shù)量

早在2003 年國務院發(fā)布的《地質災害防治條例》中,就將地面塌陷與崩塌、滑坡、泥石流、地裂縫、地面沉降等一同納入地質災害的范疇。 2018 年,中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布行業(yè)標準《城市地下病害體綜合探測與風險評估技術標準》[2],對城市地下病害體綜合探測與風險評估工作進行了規(guī)范和統(tǒng)一,全國各省市也相繼出臺了道路塌陷防治及預警工作要求。

2 城市道路塌陷的成因機理分析

2.1 不良地質條件

我國地質水文條件復雜多變,不同城市也有著不同的地質基礎。 以杭州市為例,杭州市位于錢塘江下游,屬于杭嘉湖平原的西南部,地形地貌復雜。 第四紀以來古氣候變化劇烈,加之新構造運動的影響,使得杭州第四紀沉積成因類型繁多,厚度變化大,沉積物發(fā)生多次堆積和侵蝕交替,土質以沙層粉土為主,地下水豐富。 地形上具有豎向土層硬軟交替、多層組合、厚度變化大等特征。 同時受古苕溪、古錢塘江改道影響,市區(qū)平原存在多條古河道,物質較細且承載力低,容易發(fā)生沉降和塌陷。

2.2 不良地質作用

地下水土流失加劇形成地下空洞和松散發(fā)育帶,回填土路基處受變形沉降帶影響,加之道路交通的局部荷載量過大使土體固結沉降,若施工時路基強度不足,極易誘發(fā)沉降、塌陷等地質災害。 此外,地下管道老化造成的滲漏和破裂現(xiàn)象也加劇了地下水土流失,導致土層疏松、形成空洞。

2.3 誘發(fā)因素

不良地質條件和作用為道路塌陷帶來了隱患,但最終形成的后果還存在以下誘發(fā)因素:

(1)強降雨。

受我國主要氣候條件的影響,降水量主要集中于夏季即7—9 月,且極易發(fā)生極端降水事件。 從圖1 來看,全國道路塌陷發(fā)生也集中于7—9 月。 隨著城市人口規(guī)模的擴大,城市市政基礎設施的建設往往滯后于城市化進程,遇到極端天氣時,極易形成內澇。 大量雨水在道路上淤積浸泡,使土壤含水量增加,加劇土質疏松和空洞,從而形成塌陷。

(2)施工不當。

建筑物的基礎施工、地鐵盾構、地下管線施工等都會對土體形成干擾,失去原有平衡,出現(xiàn)位移或變形。如果施工時不慎損壞原有管道,造成透水、泄漏等極易釀成事故。 如果施工時對周圍土層加固措施不足,或回填時密度不夠都可能會引起地面塌陷。

3 城市道路塌陷的主要監(jiān)測手段

目前城市道路塌陷比較成熟的監(jiān)測手段是雷達檢測技術,并且已經形成了《道路塌陷隱患雷達檢測技術導則》和《道路塌陷隱患雷達檢測技術規(guī)范》。 該技術主要包括檢測設備和數(shù)據(jù)分析軟件兩部分,檢測設備以多通道探地雷達、高精度定位設備和攝影測量設備作為主要數(shù)據(jù)采集設備,需要采集雷達圖像、地理坐標、地理空間影像、街景數(shù)據(jù)等。 數(shù)據(jù)分析軟件部分可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、融合、解譯、可視化等功能[3]。

數(shù)據(jù)采集工作需要牽引車牽引采集設備來完成,而牽引車的速度有一定限制且范圍有限,因此檢測的精度較高但效率相對較低。 雷達檢測技術在重大會議、活動的安全保障方面可以發(fā)揮重要作用,但是無法在道路塌陷之前做出預警。

4 城市道路監(jiān)測預警系統(tǒng)

當前,道路安全檢測與評估的新設備和新技術日益成熟,特別是物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧城市建設中的快速應用和發(fā)展,客觀上倒逼道路監(jiān)測系統(tǒng)研究的進一步深入。 用物聯(lián)網(wǎng)思維去思考城市道路塌陷的預測預警方法和有效解決方案,能夠做到早發(fā)現(xiàn)、早預防、早排查、早處理,最大程度上避免道路塌陷事故發(fā)生。

4.1 城市道路塌陷預警監(jiān)測裝置

城市道路塌陷預警監(jiān)測裝置[4]通過下沉塊自然下落過程中帶動連接繩下落,再通過第二位移傳感器將連接繩的下落長度轉換成電信號之后向外部發(fā)出,從而了解地陷情況。 通過蓋板下降帶動升降塊下移,再通過第一位移傳感器將升降塊位移長度轉化成電信號發(fā)出,從而了解到地面下沉情況。 最終根據(jù)地面下沉的數(shù)值來觸發(fā)不同級別的預警,結合GIS 同步呈現(xiàn)數(shù)據(jù),并在云平臺進行數(shù)據(jù)存儲。

4.2 城市道路監(jiān)測預警系統(tǒng)架構

城市道路監(jiān)測預警系統(tǒng)由基礎層、物理設備層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)應用層組成(見圖2),應用終端包括手機、電視、PC、大屏、一體機等多種載體,適用于政府公共管理、智慧城市建設等多種應用場景,也可以為精細化道路檢測企業(yè)提供數(shù)據(jù)支持,更可以為社會公眾安全提供保障。

圖2 智慧城管視域下城市道路監(jiān)測預警系統(tǒng)架構

4.3 城市道路監(jiān)測預警系統(tǒng)應用終端

以應用終端的智能大屏為例,城市道路監(jiān)測預警系統(tǒng)可視化平臺可實時顯示物理設備層的設備狀態(tài)和信息(見圖3),如有預警信息出現(xiàn),則會在地圖上顯示出具體的位置信息和預警詳情。 同時,根據(jù)中臺海量數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析,在可視化平臺上同步呈現(xiàn)歷史預警數(shù)據(jù)、歷史預警事件的處理情況以及對未來塌陷的預測和塌陷等級劃分等。 除了智能大屏之外,也可將以上功能開發(fā)為移動端、PC 端等不同版本,為智慧城管帶來更多的應用場景。

圖3 城市道路監(jiān)測預警系統(tǒng)可視化平臺

4.4 城市道路塌陷預警流程

城市道路塌陷預警系統(tǒng)首先要完成基礎層的基礎數(shù)據(jù)庫搭建、信息交換平臺等基礎設施建設工作。 基礎數(shù)據(jù)庫包括城市土壤、水文、氣候、高程、地下管線等重要信息,在此基礎上,根據(jù)已有的道路塌陷事故數(shù)據(jù),結合數(shù)據(jù)庫的模擬,計算出城市道路的風險系數(shù),進而在重點監(jiān)測的區(qū)域布置預警監(jiān)測裝置。 當裝置發(fā)生位移預警時,可在多個終端進行同步提示,工作人員可以立即進行人工實地驗證,根據(jù)現(xiàn)場情況進行處理,并根據(jù)需要進行周邊道路的物探診斷和道路巡查,以排除隱患。 每一次正確預警的基礎數(shù)據(jù)信息都會在后臺的基礎數(shù)據(jù)庫進行留存,在未來進一步指導風險系數(shù)模擬和預警值的設置。 整體的道路塌陷監(jiān)測預警閉環(huán)系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 道路塌陷監(jiān)測預警閉環(huán)系統(tǒng)

5 結語

隨著城市化進程和城市建設的飛速發(fā)展,城市道路塌陷問題已經成為威脅人們生命財產安全的一大隱患。 城市的安全保障是城市精細化治理的關鍵環(huán)節(jié),也是智慧城管發(fā)展到更高階段的要求。 借助于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、GIS 技術的應用,城市道路的監(jiān)測更應該從“打補丁”向“治未病”轉變。 相關管理部門應該盡快建立起多維化、立體化的公共安全網(wǎng)絡和應急管理體系,從應急向預防轉變,增強風險意識,盡可能從源頭上減少風險、消除隱患。 推動城市道路安全工作的信息化、標準化、規(guī)范化,預防道路塌陷事故的發(fā)生。