城市道路路面塌陷成因初探

杨彩侠

(北京中路安捷工程技术咨询有限公司，北京 100078)

0 引言

随着城市道路建设的快速发展，由于各种原因所致的路面塌陷也时有发生。北京、深圳、武汉等大中城市均发生过路面塌陷事件。道路地下空洞隐蔽性强，不易察觉，其造成的路面塌陷突发性强、经济损失巨大，难以规避。本文着重探讨城市道路下伏空洞的成因机理，为路面塌陷的预防和治理提供借鉴与依据。

1 路面塌陷特点

路面塌陷具有突发性、隐蔽性，其形成原因均在地下，情况复杂，不易被探明。作者对2007年～2010年发生在北京市区内的路基空洞、路面塌陷情况进行了统计研究，对路面的塌陷特点进行分析。

1.1 塌陷的深度分布

从图1中可以看出路面塌陷的深度从0m～1m呈上升趋势，大于1 m的呈下降趋势。塌陷深度为0.5 m～1.5 m的最多，占全部的93%，基本没有塌陷深度在3 m以上的。

图1 北京市道路塌陷深度分布图

1.2 塌陷时间分布

晚春、初夏和冬季，路基普遍比较稳定，路面塌陷主要集中在春季冻融期间、雨季中后期直至入冬前。此外，路面塌陷事故多次发生于夜间，由于工地施工的渣土多在夜间运输，渣土运输车辆载重较大，车身较重，路面在重车作用下易发生塌陷。

1.3 周围环境特点

从图2可以看出，北京市道路塌陷周围都存在着管线、地下工程施工和其他因素。从2007年～2010年发生路面塌陷地段存在管线和地下工程施工的次数基本保持不变，但其他因素呈上升趋势。

2 成因分析

2.1 先前空洞的影响

如道路下部有早期人防或其他地下工程形成的空洞，在路面下存在天然土洞或动物洞穴等，上部覆盖有一定厚度的土层，当上部车辆通过或机械的振动，会对附近的岩体产生扰动进而破坏岩土体结构，甚至会造成塌陷;另外来自地下水位改变和水流产生的水、气作用力以及岩土体的自重作用，可使地下空间充填物迁移，又可使上覆盖层及管道、空洞产生一系列复杂的受力状态，使其稳定性受到破坏。当路面的荷载超过空洞空间盖层及隐伏土洞的允许强度时，将引起空洞顶部坍塌或土洞发展，进而也会形成塌陷。

图2 北京市道路塌陷周围环境因素分布图

2.2 地下水移动的影响

地下水在路基中不论呈液态或气态移动，均遵循由高压处往低压处，由高温处往低温处，由高含水量处往低含水量处移动的规律。其移动方式及其路径主要是:1)天然条件下，地下水在毛细管力的作用下将沿土壤中的细小孔隙上升产生渗透;2)路基土对地下水的竖向抽吸。由于这两种水的移动，导致了路基顶面当量回弹模量的降低。不同的地下水位对应不同的路基顶面当量回弹模量，地下水变位导致的路基土回弹模量变化，将使路面各结构层在荷载作用下的应力、应变发生相应的变化，当路基受水的影响产生各种不可恢复形变而导致路基标高、边坡坡度、形状的改变，也会造成土体位移和路基以下及路基土体疏松、空洞，反映到路面，即为结构层开裂、不均匀沉降、路面塌陷。

2.3 地下水位变化的影响

各种工程建设，如建筑基坑、地铁车站的施工、地下水的开采等大量抽排地下水，会降低甚至反复升降这些大型工程附近的地下水位。此外影响地下水位的因素还包括降雨和土的渗透系数。地下水位的高低变化不仅与降雨量的大小有关，还与降雨的持续时间以及降雨强度有关。这些活动导致地下水动力条件改变，造成路面塌陷区及邻区土体的机械潜蚀和负压吸蚀，导致路基以下部分土颗粒被地下水带走，如果地下水抽取过多，储水层上部为松散地层，土层中存在地下水运动的通道，则造成松散底层底部物质的快速流失形成空洞，也会造成局部路面塌陷。

2.4 冻融的影响

在我国北方寒冷地区，冬季寒冷时，路基土自上而下发生冻结。由于水的特性，地下水分由于受到毛细作用和温度的影响，逐渐自下而上由非冻结区向冻结区移动并聚积。由于冻结地区内进入额外的水造成此处体积增大，并将上层土壤向上挤压造成不均匀的变形，甚至鼓胀。到了春季气温回升，路基冻土开始解冻，土基饮食大量液态水，因路面传热较快，路面下冻土层首先融化，但因路面层的覆盖而蒸发不掉，其下部又尚未解冻，两侧路肩的土层，化冻较缓慢，不能排除，故使路基土层中湿度加大，承载力降低，再加之行车作用的挤压，路面变形破坏，挤出泥浆，路基下面就会出现小的空洞，引起路基和路面的破坏。

2.5 施工质量的影响

路基及回填土的压实，目的在于提高其强度和稳定性，降低路基的透水性和减少因冰冻而引起的不均匀变形，从而保证路面具有足够的抵抗车辆荷载作用的力学强度和稳定性能，提高道路的使用年限。实践证明，由于路基压实质量未达到要求就急于铺筑路面，结果是开放交通后在自然因素和车辆荷载作用下，路基产生沉陷变形而导致路面结构破坏。

2.6 地下水管渗漏的影响

雨水、污水管道大多设计在道路中心线基层下面，承担着雨、污水的排放。由于地质土层的变化，或者由于在地下管线开挖施工过程中，路基土回填、碾压不实，或施工封堵注浆不达标等，常会引起路基发生不均匀沉降。埋置于路基下面的管道均为脆性材料，当受到较大变形应力后发生脆裂，导致水管渗漏。由于地下水管的渗漏形成水流，如果渗流部位的岩土层透水性好，细小的颗粒物会随着水流先被带走，剩下较大的颗粒物，随着更多的土颗粒被水流带走，就会形成小的空洞，导致土体疏松。由于水的不断冲刷和路面各种车辆振动荷载的共同作用，空洞不断被流动的水流侵蚀，破裂的管道周围的水土流失越来越多，便形成更大的空洞，最终引起路面的塌陷。

2.7 车辆超载超限的影响

经济的发展，使得交通量大幅度增加，汽车超载也越来越严重。以天津市为例，各条道路8 t以上的车辆普遍存在超载现象，平均超载车辆达全部重车的38.9%，最大超载为额定荷载的170%左右。

在道路基层同种模量下，各指标均呈线性增加。随基层模量的增加，在同种荷载作用下路表弯沉、底基层拉应力、路基顶面压应变都相应减小，面层层底拉应力与基层层底拉应力均有所增加，说明基层模量的增加对减小基层层底的拉应力不利，基层模量增加导致基层层底拉应力增大，特别是在超载车作用下，基层层底拉应力将快速增加，导致基层开裂，进而导致沥青路面自下而上的开裂，沥青路面就会破坏，在超载作用下这种破坏更加明显。路基路面的长时间过载对其结构造成了严重的破坏，在某些特殊的路段也极易造成路面的塌陷。

2.8 地下工程的施工影响

在大量地铁和其他地下隧道工程的建设施工中，若存在违规施工或者设计中对地质条件掌握不足就极易造成路面塌陷。随着地铁建设的发展，互穿、交叉等大空间、复杂结构形式大量涌现，结合盾构、浅埋暗挖等多种施工方法都对上部道路带来了较大的安全隐患。另外，地铁车站的开挖也会对地下管线的安全造成影响，极易造成管线的破坏，从而引起管内水的外漏，对地基会造成严重的冲刷和侵蚀，导致路基塌陷，形成连锁反应。

在地下工程施工过程中，盾构机的始发和接收是盾构法施工过程中易发生地面塌陷的两个阶段。在盾构机的始发过程中，设备处于试掘进阶段，常存在一些机械液压、电器和自动控制等故障，这些故障也会直接或间接影响开挖面的稳定性。土压平衡盾构机在有些地层中比较难控制开挖面的稳定性，碴土难以获得较好的流动性，在土舱中不易形成土压，在掘进过程中会增大刀盘扭矩，增加千斤顶的推力，从而加剧了刀盘对周围土体的扰动。但是通过向刀盘前方注入泡沫可以改良碴土，从而降低砾砂土层的内摩擦阻力，使碴土产生较好的流动性和塑性，且能在土舱中建立土压。若泡沫系统的发泡效果不好，土体改良效果不理想，开挖过程中很难建立土压，且刀盘扭矩和推力均较大，导致在开挖过程中造成了地层损失，在刀盘附近形成了土拱。砾砂土层中形成的土拱自稳能力本身就较差，经刀盘长时间的不断扰动，土拱的拱线不断上移，最后在自重力的作用下会突然发生破坏，在地面上形成塌陷。

3 结语

随着经济和各类建设的快速发展，路面塌陷灾害的发生次数日趋增多，引起此灾害的原因多种多样，但总结起来主要分为两大类:自然原因和人为原因。

1)自然原因主要包括:先前空洞的影响、地下水移动的影响、地下水位变化的影响、冻融的影响。2)人为原因主要包括:施工质量的影响、地下水管渗漏影响、车辆超载超限的影响、地下工程的施工影响。路面塌陷的形成原因日趋复杂化，常常是各种因素综合作用的结果。提高道路、管线和地下工程的施工质量，尽量减小路面的沉降，并及时探测发现塌陷隐患，才能有效地避免此类灾害的发生。

［1］孟 岩，郭林泉，谈至明.路面载重车辆的荷载特征［J］.公路交通科技，2007(4):1-6.

［2］宋谷长，叶远春，刘庆仁.北京市城市道路塌陷成因及对策分析［J］.城市道桥与防洪，2011(8):250-252.

［3］戴长寿.南京中山南路路面塌陷原因浅析［J］.江苏地质，1990(3):47-48.

［4］黄永强.高速公路路基沉降及路面动力特性研究［D］.长沙:中南大学博士论文，2010.

［5］罗林峰.水对路基路面稳定性的影响和控制方法研究［D］.昆明:昆明理工大学硕士论文，2008.

［6］于超敏.路基路面结构的动力特性试验研究［J］.公路交通科技，2010(3):50-53.

［7］姚祖康.道路路基和路面工程［M］.北京:人民交通出版社，1994.