成都市城市道路塌陷成因及快速探测方法

谢小国， 张 伟， 罗 兵， 孙 东，王 强， 刘伟祖， 杨 涛

(1.四川省华地建设工程有限责任公司，四川 成都 610081； 2.四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心，四川 成都 610081； 3.四川省地质灾害防治工程技术研究中心，四川 成都 610081)

0 引言

随着城市建设与发展进程的不断加快，城市地面塌陷逐渐呈现高发、频发趋势，给人民群众的生命财产安全及公共基础设施带来了重大损失，严重影响城市的运维安全与城市形象。2021年“7·20”河南郑州特大暴雨后，城市主干道、人行道等均出现了大小不一的塌陷，市内路面发现塌陷2 057处，最大面积达60 m2，深11 m； 2020年“1.13”西宁路面塌陷事故造成10人死亡、17人受伤； 2018年“2·7 ”佛山路面塌陷事故造成11人死亡、8人受伤、1人失联，直接经济损失达5 000万元以上。据《全国地下管线事故统计分析报告(2019年10月—2020年9月)》[1]，该期内全国报告的路面塌陷事故共229起，伤亡人数达98人，相较于上一期(2018年10月—2019年9月)发生的114起增长了100.88%，相较于2014—2018年报告的506起，路面塌陷事故呈现明显的增长趋势[1-2]。2019年10月—2020年9月四川省境内多个城市发生了路面塌陷事故，如2020年宜宾路面塌陷有21辆车掉落坑洞； 2018年“10.7”达州路面塌陷事故造成4人死亡、1人受伤。

城市道路地面塌陷往往具有长期性、复杂性、隐蔽性、突发性和危害性的特点[3]，因此建立城市道路地面塌陷防治机制的需求越发迫切。城市道路地面塌陷的防治离不开快速判识地下病害体的类型与特征，地球物理勘探方法在城市复杂地质环境勘探中具有绿色、快速、经济等优势，并且随着理论方法与仪器设备的不断进步，探测精度也取得了长足的发展。《JGJ/T 437—2018城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准》[4]提出了通用性广、适用性强的地下病害体探测方法，包括探地雷达、高密度电阻率法、瞬态面波法、微动勘探法、地震映像法、瞬变电磁法等。

不同探测方法有着不同的应用条件，胡晓娟[5]和王洁[6]利用高密度电法对开挖地铁导致的地面塌陷和城市地下岩溶塌陷区分别进行了探测，确定了地下空洞的分布位置及范围； 张伟等[7]采用多道瞬态面波与微动法对柳城县岩溶塌陷区进行观测，获取了覆盖层结构与厚度的分布特征； 张银松等[8]采用高密度电法对重庆市中梁山地区隐伏塌陷区进行了较好的圈定。探地雷达被广泛应用于城市道路塌陷探测，对地下5 m以浅的地层探测具有精度高、效率快的优势[9-11]。结合引起道路塌陷的地下病害体类型、发育特征、埋深等特点，相对于其它探测方法，车载三维探地雷达具有快速、直观、绿色、无损、分辨率高、探测范围宽等优点，可实现定量解释[12-13]。

为更好地提升城市道路塌陷处治能力，响应《成都市中心城区路面塌陷应急处置管理办法》，本文针对成都市的特定地层结构与人类工程活动，提出了城市道路塌陷隐患快速探测方法。

1 研究区概况

成都市位于岷江冲积扇中前部，浅表地层主要为第四系冲积层，岩土体包括填土、粉质黏土和砂砾卵石层，地下水位一般在地下2～3 m。受目前成都市的城市基础设施建设、地下空间快速开发以及强烈的人类活动影响，结合成都市浅表第四系冲积层填土、粉质黏土和砂砾卵石层等岩土体性质以及较浅的地下水位条件，地下稳定的空间结构受到严重扰动，城市道路病害隐患增加，市区及周边区县均出现了多起道路塌陷等事故，给城市运营安全带来挑战，如2021年9月1日成都西三环附近道路出现明显塌陷，初步分析为降雨等综合因素导致地下水冲刷带走地下细粒物质造成地下空洞，再受重型货车碾压破坏形成塌陷(图1)。

(a) 地面塌陷 (b) 地层结构

2 道路塌陷成因分析

地面塌陷主要分为自然塌陷和人为塌陷，又可以分为岩溶塌陷、采空塌陷、黄土湿陷以及工程塌陷[14]。根据新闻报道及文献资料分析，成都市城市道路塌陷事故大多与特殊的地层结构、多雨的气候以及复杂的工程建设活动有关[15-18]。

2.1 地质结构

成都复杂的地质结构是诱发地面塌陷的先决条件。成都市区位于川西平原岷江流域，地下水丰富且埋深浅，第四系砂卵砾石分布广泛，厚度、粒径、含砂量及抗压强度变化大，离散性强，岩土体空隙率大。具体表现为卵石含量一般大于50%，分选性较差，大多充填细砂、中砂，且存在透镜体砂层，地层渗透系数高、透水性极强[19-20]。工程地质条件总体表现为地层简单、结构复杂。受到降雨、工程活动、管线事故等影响，砂卵石土体发生剥离，形成空隙并逐步发展成为空洞。

2.2 地下水

丰富、活跃的地下水是造成地面塌陷的重要因素。根据从国家气象科学数据中心收集的成都市2011年1月—2021年7月气象数据，下雨天数达到1 266 d，占统计时长的36.5%，年降雨量约1 000 mm，其中每年的6—9月为雨季[21]。由于成都市位于岷江水系流域，降雨和水源补给量大，导致砂卵石层含水量高，多呈饱和土体，因此受水流和工程活动等影响，粉砂、细砂等细粒物质随地下水流动而被带走，潜蚀作用破坏土体结构，导致地下疏松、空洞等病害体发生。特别是每年7—8月暴雨时期，土体饱和度提高，非饱和土层抗剪强度明显降低，岩土体结构更易受到破坏，加速塌陷病害的发育[22]。如2021年5月27日大邑、崇州两地发生地面塌陷，原因是当地大量抽取地下水，致使细粒物质被带走，砂卵石被排挤，从而引发地面塌陷。

2.3 工程活动

复杂的工程活动增大了地面塌陷的隐患。随着成都市城市化建设进程的不断加快，城市道路、市政管线、建(构)筑等的不断发展，越来越频繁且剧烈的人类活动与工程建设增大了道路塌陷隐患。

地下管线破损引起的渗流是造成道路塌陷的最主要因素之一。地下管线及附属设施，特别是排水管道老化、破裂，进而受到雨污水、地表水、地下水的影响，冲刷掏空砂土层，引发地面塌陷[23]。如2014年武侯区水涟袅铜小区由于污水管破裂，外泄污水冲刷基坑护壁桩间土，导致小区停车点发生垮塌。

地下工程施工破坏地下结构是加快道路塌陷的主要因素之一，基坑开挖、轨道隧道盾构施工、管道顶进等工程在极大利用地下空间的同时破坏了地层结构，导致地下砂土层变形或位移，地下疏松体不断发育，降低了路面抗压能力，从而发生沉降或垮塌[24-25]。如2020年地铁六号线星民站施工现场发生的地面塌陷。

道路荷载过大会导致路面结构被破坏。机动车辆，特别是大型货运汽车行驶以及大型、重型堆填物增大了道路的荷载，针对早期道路情况设计的荷载已远远不能满足现在道路使用的需要，造成路面承载力不足，从而导致路面沉降和塌陷[26]。基坑开挖降低了道路侧向承载力，也是造成地面开裂下沉和塌陷的原因之一。如2020年双安东巷路面塌陷的原因是路基填土不密实，货车载重过大而压塌路面。

3 探测方法与体系

3.1 探测方法选择

《JGJ/T 437—2018城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准》[4]中提出了多种适用的地球物理探测方法，不同方法具有不同的适用性(表1)。

表1 不同探测方法适用性分析

研究表明，98%以上的地面塌陷事故发生在地面5 m以浅的范围内，85%以上发生在市政道路、住宅小区和商业街区，60%以上发生在市政道路上[27]。地面塌陷隐患探测要体现出时效性和紧迫性，特定的探测条件对选择合适的探测方法具有重要的指导作用。探地雷达法与其他探测方法相比，受城市人类活动的干扰较小，探测效率高，对浅部的分辨率较高，操作简单，适用于浅表层地下病害的探测，尤其是三维车载探地雷达具有检测速度快、探测范围广、定位准确等优点，在城市道路塌陷中应用广泛[28-30]。

3.2 探测体系建立

基于城市道路塌陷产生的公共危害、社会影响及财产损失等的特殊性，需要对道路进行“快速、准确、绿色”的探测，因此建立该类病害探测系统显得尤为重要。结合研究区地层结构、人文活动、探测方法等特点，建立了城市道路塌陷“探测-解译-验证-评估-成果”5步探测体系，具体分析如图2所示。

图2 城市道路塌陷隐患快速探测体系

3.2.1 探测

以问题为导向，以快速、绿色为原则。根据仪器性能及采样分辨率需求，一般单台设备采集效率可达到15 km/h，可实现对道路的快速探测。同时由于是车载式探测，不涉及临时占道、交通影响和人类活动等限制条件，具有低噪的特点，是一种绿色环保的探测方法(图3(a))。

对城市道路塌陷隐患普查的工作方法以车载三维探地雷达为主，该方法可快速实现疑似地下病害体的定位与检测，采用二维探地雷达精确定位地下病害体，排除地下管线、地下构筑物、地质结构异常等非地下病害的异常，利用钻探、钎探或挖探等方式直观、准确地获取地下病害体的埋深、净空等空间信息。

工作内容为利用车载三维探地雷达快捷高效的特点开展普查工作，探测对象为城市道路，发现异常后进行异常筛查。首先利用收集的各类资料，排除因其他管线、过街通道、老旧人防工程等产生的假异常，然后采用二维探地雷达确定异常，根据现场条件选择钻探、钎探或者挖探进行验证工作，同时采用内窥镜等对地下病害体的空间展布、形态等进行评估，应用相关规范对地下病害进行风险评估。

工作手段包括资料收集(已有地下管线资料、水文地质、工程地质资料和历史病害信息等)、二维和三维探地雷达探测，在有条件的区域实施钻探验证。

探测的成果主要为地下病害的坐标、体积、垂直车道长度与平行车道长度、面积、净空(空洞和脱空)、与地下管线关系、周边环境条件、病害风险等级、病害成因及处置建议等。

(a) 三维探地雷达探测 (b) 数据处理与解译

(c) 异常体复测与验证 (d) 调查与评估

3.2.2 解译

解译工作的最大难点在于“去伪存真、减少多解性”。一般步骤包括数据处理、异常目标体提取、干扰异常判识及病害体初判等4步，单台软件解译效率超过20 km/d(图3(b))。其中数据处理包括图像显示、预处理、处理、解释处理等过程； 异常目标的提取是对异于地层信号的判读与拾取，获得异常体的分布情况； 干扰异常判识是对非病害体进行剔除，对疑似病害体进行分析，减少验证工作量，提高工作效率； 病害体初判是根据雷达的不同形态、振幅、相位与频谱的差异，识别出空洞、脱空、疏松、富水体等病害体，提高验证的准确性。

3.2.3 验证

验证工作一般包括异常体定位、二维探地雷达复测、病害体现场判识、钻孔及内窥镜验证等过程。异常体定位采用RTK对解译的疑似病害体坐标进行现场放点，为二维探地雷达复测指定位置； 二维探地雷达复测一般采用高于三维探地雷达探测频率的天线对异常体进行多方位探测； 分析图谱特征，剔除管线(涵)、地下构(建)筑物等非病害影响，精确定位病害体分布特征； 采用便携钻机钻孔，参考内窥镜影像验证病害体(图3(c))。

3.2.4 评估

评估工作的难点在于准确定级。以单个病害体为评价对象，调查病害体影响范围内的病害体规模、邻近设施、环境因素等情况，建立风险发生可能性评价指标及划分等级，并结合地下病害体范围、建(构)筑分布、人员密集程度、财产密度、社会影响等指标确定风险后果评价指标及划分等级，综合风险发生可能性与风险后果划分风险等级，并制订相应的风险控制对策(图3(d))。

3.2.5 成果与信息化

成果集成与综合研究要突出机理分析，信息化管理要注重维护与更新。以道路为单元，编制道路病害探测成果报告； 以测区为区域，编制区域病害探测成果报告，系统分析病害的成因、类型及分布规律，为信息化管理与防治提供支撑； 以GIS平台为基础，建立病害体空间信息和属性信息，实现数据录入、编辑、查询、统计、分析、动态更新等功能[31]。

3.2.6 成果应用

成都市城市道路塌陷隐患检测成果主要为工程治理提供依据，消除隐患，建立隐患数据库，对道路塌陷隐患进行动态管理和监测，服务于城市道路的防灾减灾，为市政设施安全运行与道路安全提供保障。

3.3 典型异常体特征

根据《JGJ/T 437—2018城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准》[4]及实际探测结果进行分析，典型异常体包括病害体和非病害体，其中病害体包括空洞、脱空、疏松和富水体，非病害体包括管线、井盖、井室和层位等，非病害体异常往往影响病害体的判识[32]。常见异常体的典型三维探地雷达图谱特征见表2。

表2 常见异常体典型三维雷达图谱特征

(续表)

4 应用效果分析

以成都市青羊区某道路为例，该道路周围分布了大型商场、居民小区、商业街道、火车站以及重点企事业单位等，道路经多次翻新维护，地下管线复杂，浅部主要为道路路面、填土、砂卵砾石，地下水位较浅，且地铁运营多年，浅层扰动较大。为更好地排查道路塌陷隐患，采用IDS生产的Stream-X三维探地雷达(中心频率200 MHz，15通道，扫描宽度1.8 m，GPS定位，512个采样点，采样时窗120 ns，道间距0.099 m)，对城市道路5 m以浅地层进行探测，经解译、复测、验证，共发现22处病害异常，其中空洞14处，脱空2处，严重疏松3处，一般疏松3处(表3)。

表3 探测道路地下病害体风险等级划分

根据《JGJ/T 437—2018城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准》[4]开展风险发生可能性与风险后果评价，采用指标体系法，划分了地下病害体风险等级。由表3可以看出，该道路具有明显的风险隐患，其中V级风险7处，净空0.65～1.37 m，面积4.56 m2(2.4 m×1.9 m)～34.65 m2(6.3 m×5.5 m)，体积4.4～31 m3，风险极高，需禁止使用，工程处理； IV级风险7处，最大面积3.8 m×3.5 m，风险较高，需限制使用，工程处理，处理前进行定期巡视和探测； III级风险2处，风险一般，需限制使用，工程处理，处理前进行定期巡视和探测； II级风险3处，风险较低，需定期巡视和探测； I级风险3处，风险很低，需定期巡视和探测。探测道路典型空洞特征见表4。

表4 探测道路典型空洞特征分析

5 结论

(1)成都市具有复杂的地质结构、自然地理环境以及频繁的人类工程活动，城市道路病害现象日益加重，通过建立 “探测-解译-验证-评估-成果与信息化” 的城市道路塌陷隐患快速探测体系，有助于提升城市安全运营能力。

(2)应用结果表明，车载三维探地雷达适用于城市道路塌陷应急抢险、汛期道路隐患排查、重大工程施工地面沉降监测、重大社会活动前期道路安全检查等工作。