城市道路地下病害成因及基于综合探测的工程分类探讨

陈昌彦，肖 敏，贾 辉，苏兆峰，张 辉

(北京市勘察设计研究院有限公司，北京100038)

一、前 言

安全畅通的城市道路和地下工程是城市赖以生存和发展的重要基础和生命线工程，城市道路和地下各类市政设施之间互为载体，彼此相互作用，共同承担城市运行的安全保证。但是随着城市建设快速发展，城市道路塌陷、地下管线断裂失效等突发事件频繁发生，严重影响城市运营安全、人们的正常生活，以及城市的社会政治形象。因此及时、准确、有效查明引发地面塌陷的各类病害风险源的存在及其动态发展，是各级管理者、道路和地下管线工程等产权单位、养护部门等最急需解决的重大技术难题。

目前，在许多城市已采用多种技术方法开展道路地下病害体探测，其中探地雷达技术由于具有效率高、成果直观、解释过程简单等优点被广泛应用。但由于目前没有成熟的专门适用于城市道路地下病害体探测的规范标准，尤其没有适用于城市道路地下病害体探测的病害体工程分类方案，各探测单位无法统一定义病害体分类及其对工程安全的影响，因此其对各种病害体的分级和解释结果无法进行有效对比，甚至不能正确识别和区分地下真异常和干扰源，而错误解释地下隐患体的发育情况常常得出错误结论，使道路维修、养护和管理单位无法使用、对比各单位的探测成果，为病害隐患体防治带来较大困难。

因此开展基于道路地下病害体探测的工程分类研究是有效开展地下病害体探测的基础和前提，也是亟待解决的重要技术难题之一。

二、城市道路塌陷突发事件特征分析

1.城市道路塌陷的统计特征

根据北京市道路养护单位、新闻媒体和文献资料的报道和统计，对近10年北京市发生的数百次典型城市道路塌陷突发事件的统计分析表明，城市道路地下病害体的形成是一个长期、多因素综合作用的结果，且呈动态变化。

(1)塌陷的规模

根据道路塌陷及其影响范围统计(如图1所示)，大部分塌陷范围以1～10 m2为主，约占总数的61.29%;其次是小于 1 m2，约占总数的 20.79%;而大于10 m2的塌陷坑相对较少，但是引起的社会影响和城市安全确是巨大的。

图1 北京市城市道路塌陷面积统计

从主要城市中发生的道路塌陷及其影响范围分析，一般发生在主路区域的地面塌陷规模都远大于辅路区域。在机动车道上，大量车辆长期、反复对路面施压、振动，致使路面下方脱空等病害隐患体逐渐加大，形成较大范围的道路塌陷;而人行步道上的塌陷主要是由于路基、地砖下方回填土不均匀、不密实造成的;部分位于绿化带边缘区域因长期浇水致使其下方土体流失形成空洞或严重松散体，进而发展为空洞等。

(2)塌陷发生的时间分布

根据对北京市近10年城市道路塌陷发生时间统计，道路塌陷事故多发生在雨季(6月—8月)，其比例占总数的50.82%;春夏交替(3月—5月)期间占23.61%;旱季(9月—11月)期间占16.72%;冬施期(12月—2月)约为8.85%。超过半数的城市道路塌陷发生在雨季，说明水的作用是导致道路路基下部各类病害体发生、发展的重要因素。大气降雨入渗导致道路下方土层冲刷和侵蚀，破坏路基土的工程性质，尤其对于较厚填土区、较松散砂类土为主区域，因动水作用而流失，极易形成空洞，因此水的作用对道路地下病害隐患体的形成具有重要的影响。

北京7.21特大暴雨后，至8月中旬，短短20多天，北京主城区就发生了近百起路面塌陷事件，超过北京同期发生比例约2/3。暴雨带来的地下隐患并非随着降雨结束而降低，而是存在一个较长的潜伏期。

春夏交替的3月至5月，温度变化较大，冻土逐渐融化，土体之间的固结应力由大变小，致密的土层变得松软，尤其在路基富水区域，容易发生路基土弱化效应，从而形成路基的过度变形甚至形成脱空，发生沉陷突发事件。

(3)道路塌陷的空间位置分布

据不完全统计，北京近10年的城市道路塌陷空间分布表现为，36%的道路塌陷发生在机动车道，31%发生在步道，21%发生在非机动车道，12%发生在混合道路。根据2009年对北京市某条城市主干道的地下病害隐患体探测统计(如图2所示)，共探测出65处各类地下病害隐患，其中66% 分布于道路的主路区域，其余分布于辅路。而在主路区域，则大部分分布于地下管线区和地下各类构筑物分布区域，而对于无地下工程区域的病害隐患体则仅占30%左右;对于辅路区域的地下病害隐患的分布统计也反映了类似特点，尤其对于无地下工程区域的地下病害隐患体小于10%。

统计结果表明，地下工程的存在及其施工作用、周边环境变化与道路地下病害具有较为密切联系。

2.城市道路塌陷突发灾害发生特点

城市道路路面塌陷突发灾害典型特征表现为突发性强、空间随机、分散分布等。

图2 某城市主干道地下病害隐患体分布统计示意图

由于城市道路的路面结构与路基地质结构具有差异性变形推脱特征，且受特殊的工程地质、水文地质、地下施工、地下综合管网健康状况及交通荷载等综合作用影响，其突发地面塌陷的风险源和风险因素常具有多重性、模糊性和不确定性特点，致使城市道路塌陷突发灾害风险时空分布具有明显的随机性分布、突发性、灾害后果严重等典型特征。

三、道路地下病害隐患形成的主控因素

根据北京及其他城市发生的道路塌陷事件成因的统计分析，以及对地下空洞和道路塌陷机理数值模拟研究，对于非采空区和岩溶区影响的城市道路地下空洞等病害体形成的主控因素可概括为土体组成、水文作用、工程扰动、环境干扰等四大类，以及自然因素和人为因素两大主因，而根据道路的规划、建设和运营等不同阶段，其作用影响又具有明显的差异，有关各主控因素影响特征见表1。

1.不良地质条件和不良地质作用

不良地质条件和地质作用是形成地下空洞等病害体的物质基础，对其影响和认识是道路规划、勘察设计和建设阶段的重要任务，对其认识和处理不当将可能对道路后期运营阶段病害体形成奠定物质基础。

城市道路下方可能存在软土、较厚的填土、历代城市建设期间遗留的河湖沟坑，以及部分废弃的防空洞等，洞穴和复杂地基则是形成各类路基病害隐患的有利条件。另外，长时期的干旱或过度开采地下水导致地下水位大幅度下降，粘性土或回填土与粗颗粒土接触面处，在动水作用下造成土体流失，形成空洞，使得地表承载力不足，导致路面塌陷。

表1 道路地下病害的致灾、控灾因素分析

2.水文作用

水是影响道路地下病害体形成和发展的重要因素，水的作用可分动水作用和静水作用两大类效应。其中水的静力作用主要表现为弱化路基土体的工程性质、降低其承载力和抗变形能力，从而形成空洞、疏松、水囊等各类病害体。

水动力作用则是路基土体中产生病害体的罪魁祸首，动水来源主要包括自然和人工降水、地下水变化、带水管线渗漏、赋水构筑物渗漏、水囊或局部滞水体的排泄、下水管道堵塞或不畅、大气集中降水和渗流、绿化灌溉用水等。由于水的动力作用，在流动过程中潜蚀、掏蚀路基土体，使路基土体松散、形成管道和空洞等，在其他因素作用下将不断发展扩大，直至形成具有规模的地下空洞，引发地面地面塌陷。

3.工程施工作用扰动

工程施工扰动影响可分为路基土体施工质量、地下管线等工程多次地面开挖施工扰动、地下工程施工扰动及工程施工质量不良等几个方面。

建设阶段路基土体施工质量控制和后期地面开挖工程土体、回填工程质量不良是导致路基土体组成和结构变化，甚至恶化的主因。

道路运营过程中由于地下管线及其他地下建构筑物开挖、回填，多次拉链式施工对道路路基土体叠加扰动，周边回填土不密实等，在路基土体中形成不同规模和程度的松散异常，在雨水冲刷和外部荷载作用下，回填土下沉变形，形成了城市道路地下病害风险源。

地下工程开挖施工扰动影响是形成道路路面以下各类病害隐患的重要风险源之一，且其影响范围远大于地面工程施工扰动影响，其沿线道路将是近期关注的重点目标对象。

4.周边外界作用

周边外界作用包括上部荷载和周围荷载作用，其中上部荷载作用主要表现为长期的车辆超载作用，周围荷载则表现为地下既有管线等构筑物失效、带水管线渗漏、地面不均沉降导致地下管线等失效、局部淤积水囊或上层滞水体破裂等作用影响。而后面几种周边环境作用都与水动力作用密切相关。

5.地下既有建构筑物失效

城市道路路面结构下布设了众多地下建构筑物、地下管线、地下过街通道、地铁等，地下工程在运行过程中对城市道路路基稳定性产生一定的影响。地下建构筑物中比较典型的是管线，包括排水、污水、热力、燃气、通信、电力等管线。目前管线施工主要采用明挖和暗挖两种形式，然后对开挖的管道周边进行回填、注浆等，以对管线进行加固。但由于管线施工回填土不密实，成分较复杂，且多为房渣土，使得管线周边土体和原有土层不能成为统一的载体，管线周边受力不均匀，往往形成管线一部分受力集中。特别是带水管线，长时期受力不均，致使管线破坏形成渗漏，土体流失。另外，地下管线长期处在复杂的地下环境中，经长久腐蚀容易形成穿孔、断裂等渗漏现象，特别是污水管线长时期受到有毒气体和污水的腐蚀，形成跑冒滴漏。地下管线的渗漏对道路路基冲刷，带走周边土体，加上地下施工扰动、外部荷载作用等综合因素影响，造成管线周边形成不同程度的富水区、疏松区，甚至空洞。

6.既有水囊、滞水体、空洞

老城区地下常发育一些水囊体、局部滞水体等潜在空洞或废弃的早期人防等空洞体，上部荷载的长期振动或地下环境的变化，导致水体消失形成空洞，并因积水的动力作用扩大其影响范围，或者废弃的地下空洞体发生塌落破坏，破坏其上部岩土体结构，洞体塌落至地面引发地面塌陷。

综上所述，控制道路地下病害体发生发展的大部分因素都是由于人为作用所致，其中既有技术因素，也有管理方面的因素，各因素并非是单一作用，而是彼此之间相互影响，综合作用导致道路地下土体介质形成各类病害隐患，最终表现为明显空洞，引发道路地面塌陷突发事件。因此加强工程规划、建设、运营阶段的工程管理工作是控制道路工程安全重要保证。

四、道路地下病害探测的工程分类及地球物理场特征

1.道路地下病害探测的工程分类

引发地面塌陷等地下病害体的成因和分类是正确认识各类地下病害体工程影响、开展有效探测、监控及防治的重要依据。目前关于病害隐患的分类和成因虽然讨论较多，但都缺乏与岩土工程、水文地质条件与城市道路运行环境相结合的、适用于无损探测的病害体工程分类。

根据道路地下病害体的控灾、致灾因素及其发展过程，并结合地下病害体无损探测技术特点，将城市道路地下病害体综合划分为路面下脱空、路基下空洞、疏松、水囊、富水等5类，其中根据疏松、水囊、富水等病害体的发展程度又可细分为严重、中等和轻微3种。

(1)路面下脱空病害

城市道路大部分为沥青路面，沥青道路脱空机理与水泥混凝土路面板脱空相似，常常是面板与基础之间产生空隙，属于路面的结构性破坏，造成板底脱空的原因是内因和外因共同作用的结果。在雨季，渗入的雨水将在板下形成积水;在行车荷载的反复作用下，积水与基层材料中的细粒材料形成泥浆，并沿面板接缝缝隙处喷溅，进一步加剧板下的脱空。当脱空发展到一定规模，尤其垂向上空洞过大，就可能导致道路结构面断裂、地面塌陷;但此类病害体常常造成的危害有限，主要是影响道路路面层结构的安全和完整性，且容易通过探地雷达等技术检测出来。

(2)路基空洞病害

地下空洞是指发育在城市道路路基正常地层条件下的脱空区域，其与路面下脱空不同的是埋深较大、影响范围广，具有隐伏性、突发性、不确定性等特点。

根据空洞形态可分为方形或似方形空洞、球形或似球形空洞，不同形状的空洞对探地雷达探测和工程解释识别具有较大影响，在解释过程中应给予特别重视。

空洞病害体的规模及内部充填物状况对道路工程安全具有不同程度的影响，一般情况下空洞病害体都不同程度地充填各种物质，一般充填有上部土体塌落物、冲水等，其稳定状态有较大差别。因此在道路地下病害体的探测中，如果能够较为清楚地探测到地下空洞病害体及内部的充填状况，将对有效管理道路工程和病害体处置具有重要的工程意义。

(3)疏松病害

疏松病害体多是在道路建设阶段或运营阶段多次开挖施工中不合理地回填，导体密实度降低。根据其密实度的差异及对城市道路运行安全的影响程度可以分为严重疏松、中等疏松和轻微疏松。对于严重疏松病害体在水及荷载作用下有可能会发展为空洞病害体，由于病害体的不断发展演化，在特定条件下，三者相互演变，最终可能形成空洞。疏松病害体通常具有高压缩性、低强度、孔隙大、渗透性好等特点，在外界振动荷载和动水作用下，易形成不同规模的脱空区，进而形成空洞或道路路基的变形，并最终发展演化到空洞等病害体，因此及时检测发现不同程度的疏松病害体并进行安全风险评估，对预防道路地下空洞的形成具有重要意义。

(4)富水异常病害

在外界动水作用下，尤其是带水地下管线经常会发生渗漏，或者在管线、管井构筑物内由于长期地面水的入渗聚集，可能会由于路基回填土体组成的差异形成局部富水软弱异常体，弱化土体工程特性，导致土体疏松或流失，形成局部空洞等，因此在道路地下病害体探测中，及时探测和发现富水异常病害体，对预防道路地下空洞形成和发展、确保道路工程安全具有重要意义。

富水病害体常具有低强度、流塑性强、孔隙度大等特点，形成路基下部重要的病害风险源。当富水病害体中的固体成分均被冲蚀后，即形成水囊，可视为充水空洞。

根据富水病害体的含水量程度及对土体的弱化程度，可以分为严重富水病害体和中等富水病害体。一般情况，富水病害体的危害较疏松病害体更严重，易发展为严重疏松病害或空洞病害。

(5)水囊病害

水囊多发育在带水管线或局部积水丰富的土中的局部滞水体，可表现为充水的空洞病害体。地表动水或管线渗漏，形成局部空洞且洞壁相对隔水、洞内充水，但一旦水囊中水体流失，就会逐渐发生空洞塌落且发展迅速，最终危及道路工程安全。水囊病害体一旦破坏，就会快速发展为空洞，危及道路工程安全。在工程探测中可以将其视为充水的空洞病害体。

2.各类病害体的地球物理特性

应用工程物探技术探测地下各类病害体，应先了解各类病害体的地球物理特性，合理选择有效的探测技术方法。

(1)脱空、空洞病害的地球物理特征

脱空、空洞的充填物为空气，其物性差异主要体现在以下几个方面:

1)电阻率差异:路基中的空洞可视为高阻体，电阻率远远大于周边土体。

2)弹性差异:空洞病害与周边土体的密度差异明显，且空气不能传递剪切波，空洞与周边土体存在明显的弹性差异。

3)相对介电常数差异:空气的相对介电常数通常取为1，土体的相对介电常数为6～40不等，含水量越大，土体的相对介电常数越大，故空洞的相对介电常数差异明显。

(2)疏松病害的地球物理特征

在土体与疏松体含水量变化不大的情况下，疏松病害的物性特征常表现为相对低阻异常、低速和低介电常数异常特征，且疏松程度越高，其差异越大，但一般不超过空洞的异常强度。

(3)富水病害的地球物理特征

富水病害的物性差异主要表现为低电阻异常、高介电常数异常特征，且含水率越高，其与周边土体的差异就越明显。

(4)水囊病害体的地球物理特征

水囊病害体可概括为充水的空洞，其性质介于空洞和富水病害体之间，不再细述。

道路路基中各类病害体在电阻率、介电常数、密实度等方面具有明显的物理力学差异，为选择探地雷达、高密度电法、弹性波探测方法等无损探测技术提供了物质基础和应用前提，在对探测成果的分析和工程解释识别阶段应充分重视这些工程和地球物理特性的差异。

五、结论和讨论

1)城市道路地面塌陷突发灾害是地下水文工程地质活动和人类工程作用综合产物，其形成具有明显的时空突发性、随机分布特点，规模变化大，空间分布与地下工程活动密切相关。

2)根据道路地下病害体形成的控制因素及发展特点，将城市道路地下病害体综合划分为路面下脱空、路基下空洞、疏松、水囊、富水等5类病害体病害体;其中根据疏松、水囊、富水等病害体的发展程度又可细分为严重、中等和轻微3种，每类灾害体都具有与其相适应的工程特征和特点工程地球物理场特征，为选择相应的地球物理探测方法和相应的工程解释及探测结果对比提供统一的依据。

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