天津高新技术产业园区海泰小区路面塌陷成因*

毛小平　吴冲龙　师学明

天津高新技术产业园区海泰小区路面塌陷成因*

毛小平①吴冲龙②师学明②

( ①中国地质大学( 北京) 北京100083)

( ②中国地质大学( 武汉) 武汉430074)

摘要路面坍陷是威胁城市安全运行的重要隐患。天津高新技术园区海泰区段路面塌陷、地下暗穴空洞和污水管渗漏三者之间，存在着密切的联系。作者通过现场勘查、地质雷达探测、管线机器人内窥探视技术、工程钻探、三维地质建模等综合方法研究其塌陷成因机理。研究表明，其成因机理在沿海地区具有代表性和典型性，即脆弱的自然(地质)系统与人工(工程)系统在多种因素复合控制下的相互作用，管线埋设于软土层中，由于自然沉降和后期压实作用，导致软土层垂向和侧向差异迁移，引起拼接而成的污水管线在接触部位产生缝隙、破损，使高于管线的地下水向管内渗漏，土层因颗粒物质流失而形成空洞，进而导致路面塌陷。据此，提出管线埋设前和塌陷后所采取的治理措施，重点在于防止因管线破损而造成地下水和管线内的排泄水产生交换，避免管线外转的土层颗粒流失。

关键词路面塌陷排水管线第四纪沉积物地质灾害

0引言

近年来，我国各大城市均陆续有塌陷情况，且情况越来越严重，甚至同一地点多次塌陷，给城市交通、地面建筑、地下设施造成破坏，甚至带来人员伤亡，已成为城市的一大地质灾害。仅以2012年为例，全国共发生城市较大规模地陷37起，其中北京城区7月～8月共发生10起，仅7月28日一天内，就出现3起。在哈尔滨市区，则在8天中发生了7起。

在天津市西部的高新技术产业园，海泰发展三、四道及海泰东路发生过多起类似的道路路面塌陷现象 (图1)。根据已有资料和现场踏勘，塌陷均发育在道路路面上，其中，海泰东路塌陷最为严重，虽经多次治理塌陷却仍在周期性地继续。海泰东路南北长约1.2km，由南向北有两条地下管线，中间是绿化带，其中，雨水管线埋深约4～9m，而污水管线埋深约5～10m。主管的污水由南自向北流，在北部抽排出。东西向的海泰发展三道和海泰发展四道，也分别埋设有污水管与雨水管，污水由西向东自流至海泰东路与主管线汇合。自2003年管线埋设竣工后，每隔2年地表塌陷一次，最近则缩短至1年半。相关单位进行了勘测研究，排除了施工质量的问题和污水排放的腐蚀问题，至今大大小小塌陷共发生了4次，塌陷深度约0.5m，且塌陷总是发生在污水管线薄弱处，即管线接头处。

图1　天津市海泰三道东侧塌陷地表位置及现场照片Fig. 1　Location of collapse and photos on the east side of Haitai road 3#, Tianjing．

为了有效地开展城市路面塌陷的防治，需要对其成因机制进行深入的研究。前人曾根据自己所接触的实际情况，对此进行过许多有益的研究并做出解释。例如：

张宝相等(2004)研究了宁夏银川市西夏区地表塌陷，认为地下动水是土体产生渗透破坏的罪魁祸首，水力梯度越大，动水力越大，越易发生渗流破坏，并据此提出了主动预防和被动处理两种措施。吴铁钧(1998)发现，很多海边城市所发生的地面沉降，均与大范围超采地下水有关。他认为，是城市地下水的损失，导致地层沉降的发生。索传郿等(2005)、常方强等(2009)也认为，是地下水损失导致城市地面沉降，而地面差异沉降引起局部地面蹋陷。在不同位置，地下水的损失程度不一样，沉降量也不一样。较大的沉降量将导致地下管线间接头处接合不紧密，进而引起局部蹋陷。杜俊等(2011)研究了兰州金属文件柜厂西围墙段连续多次发生塌陷事故后，认为存在着3个诱因，(1)塌陷区地下的防空洞，在连续不断的车辆行驶震动下诱发了冒顶； (2)部分区段地层含水量增高，导致具有自重湿陷性的黄土状粉土强度的降低； (3)塌陷区位于给排水管道通过的地方。究竟哪个原因是主要因素，没有具体说明。黄文胜(2010)分析了武汉市黄家湖污水收集系统上方的道路塌陷原因，认为是施工超载的重载车辆较多，污水管道周围的土层长期受到这些车载的震动影响，导致土层强度因产生液化而降低，造成污水管道变形和不均匀沉降。此外，也有一些研究者和媒体把近年来出现的路面塌陷，笼统地归咎于城市化步伐加快而致地下水损失量过大，或者归咎于地下管道施工质量等。

应当指出，所有这些研究成果，都在一定程度上揭示了研究区的路面塌陷的成因机理，符合当地的实际情况。但当利用这些研究成果，来解释天津市高新技术产业园区海泰小区路面塌陷成因时，感到与实际情况还存在一定的距离。

为了寻找防治、减灾办法和防治依据，该高新技术产业园主管部门设立专项开展了探测与研究。作者通过现场勘查、地质雷达探测、工程钻探等综合方法，系统调查了研究区内地层发育情况、地面塌陷的规模、分布范围和影响深度。在此基础上，采用三维可视化地质信息技术对路面塌陷产生的地质背景和机理进行分析，取得了一些新的认识。

1研究区路面塌陷分布与污水管的关系

据前言所述，研究区路面塌陷的空间分布与污水管的渗漏现象之间，存在着显著的对应关系。分析两者之间的成因联系，是揭示路面塌陷原因和分布规律的重要途径。

1.1研究区路面塌陷的空间分布

图2　研究区地理位置图Fig. 2　Location map of the study area圆圈内为发生路面塌陷的区域，右上图为路面坍陷的现场照片

研究区的路面塌陷集中发生在海泰发展三道、四道和五道的东段，以及海泰东路中-北段 (图2)。塌陷坑均位于道路边缘和近边缘处的排水管上方。

在本次研究中采用了地质雷达探测技术(茹瑞典等， 1996)。探测结果表明，在路面塌陷多发地段的地下土层中出现较多的空洞。

(1)雷达波异常分布于海泰发展三道、四道和五道的中-东段，以及海泰东路中-北段两侧的地下，经局部开挖试验并与实际塌陷对比证实为土层空洞群。

(2)这些空洞群通常发育于污水管的上方，有的已经塌陷，有的还未塌陷。塌陷处的空洞底部都直达污水管的破损处，表明其形成与污水管有联系。

(3)在海泰发展一路、海泰发展二道、大棚区，以及发展三道、四道和五道的西段都未发生路面塌陷，也无土层空洞异常。

研究区的地下排水管包括雨水管和污水管两类。这些管线分别沿着柏油马路两侧平行铺设。其中，发展二道、三道、四道和五道的雨水管和污水管均由西向东降低，呈缓倾斜状汇入海泰东路的总管中，坡度多为1.28‰～0.75‰ (表1)。 而海泰一路和海泰东路的雨水管和污水管均由南向北倾斜流入泵站，坡度变化于2.0‰～0.6‰。

表1　研究区管线铺设状况(天津市地质工程勘察院， 2008a，b)

1.2研究区污水管的破损和渗漏状况

图3　天津市高新技术产业园海泰段污水管线的渗漏情况Fig. 3　Leakage of sewage in Haitai section of Tianjin high-tech industry parka.管顶渗漏；b.管侧渗漏；c.管底渗漏；d.管壁裂缝；e.管内结垢；f.管内结垢

利用机器人内窥探视技术，对排水管线进行了检查。通过检查发现，这里的雨水管未发现破损和渗漏现象，而污水管线存在多处破损和渗漏现象，特别是在发展三道、四道和海泰东路的塌陷处最为严重。渗漏一般发生在污水管的接头处，有管顶渗漏 (图3a)，管侧渗漏 (图3b)，管顶、管侧同时渗漏，还有管底渗漏 (图3c，从水底向水面上冒泡)等多种形式，也常见污水管的侧壁出现裂缝 (图3d)。同时，还在多处见到因发生物理化学作用，而在管壁上结垢的情况 (图3e，图3f)。在污水管的漏水处(管线接头和裂缝处)，向管内涌入的地下水流通常携带有大量的细粒泥沙。相应地，该处的水管两侧和上方土体中，均形成了规模较大的暗穴空洞，不少地方伴随有地表路面塌陷。

由此可见，路面塌陷与污水管破损、地下水渗漏、地下暗穴空洞之间，存在着密切的成因联系。

2研究区的第四系沉积物及其结构模型

第四系是研究区路面塌陷、地下空洞发育和污水管渗漏的载体，分析其沉积物的组成与结构特征，是认识研究区路面塌陷成因的基础。

2.1研究区的岩土分层与沉积相特征

研究区位于海河三角洲平原上。这里地势平坦，全新世以来曾发生过两次海平面下降和一次海平面上升，海河三角洲随之发生两次进积和一次退积，导致陆相沉积层与海相沉积层交替出现。全新世沉积物按形成年代和沉积相可分为5层，每一层可按亚相和力学性质划分为几个分层 (表2)。粉质黏土层属于软塑土层，而粉土层属于可塑土层。两者的压缩变形和侧向流变性都很强，海相比陆相更强。闫满存等(2000)、徐浩峰等(2007)研究了这种软土的流变性。

表2　研究区第四系全新统层序特征综合表Table2　Sequence characteristic table of the quaternary Holocene of the study area标准地层层序据钻孔实际资料汇总并归纳出来，划分和编号依据《岩土工程技术规范》(DB29-20-2000)和《天津市地基土层序划分技术规程》(DB/T29-191-2009)

2.2研究区三维地质结构模型的建立

基于工程地质勘查资料、测地雷达探测和岩土力学测试资料，可以进行三维可视化地质结构建模(吴冲龙等， 2003)。通过该三维地质模型，能够透视各地层单元的空间形态和排水管线的分布，揭示出影响渗漏状况的地质因素。

研究区三维地质模型的构建，采用了QuantyView三维可视化地质信息系统平台。从图4 中看到，在发生地面塌陷的海泰发展三道、四道和五道的东段，以及海泰东路中-北段两侧，各套地层的厚度均有显著变化。特别是全新统顶部的填土层(1a和1b)和中组海相沉积层(6a、6b和6c)，不仅厚度大，而且变化显著。

以污水管为例，研究区污水管的埋设深度为3.0～7.0m，其位置主要是在第一层下部人工素填土(1b)、第二层陆相粉质黏土(4a)，以及粉土与粉质黏土互层(4b)内 (表1)。通过沉积相分析得知：该陆相粉质黏土层为三角洲平原沉积物，而陆相粉土夹层为分流河道沉积物； 陆相沉积层之下的海相粉土层(6a和6c)为三角洲前缘沉积物，而粉质黏土层(6b)为前三角洲和三角洲间湾沉积物。研究区排水管的破损、渗漏和地下空洞的形成，显然与浅部人工素填土层、陆相沉积土层及海相沉积土层的结构特征、变形特征和空间组构特征有关。

图4　研究区三维地质模型层间拆分的侧视图Fig. 4　Split side view between layers the 3D geological model of the study area椭圆圈为经常发生路面塌陷的区域

3地下空洞和路面塌陷的成因机制分析

已知的城市路面塌陷的原因有动水渗流作用(王建平等， 1995； 张宝相等， 2004)、重车震动致土层液化(黄文胜， 2010)、给排水管道渗漏(杜俊等， 2011)、地层中水头差增大而使水力梯度达到临危梯度时会出现流砂现象并引起地面塌陷(史玉金， 2011)等。本区路面塌陷情况较为复杂，是在多种因素复合控制下人工(工程)系统与自然(地质)系统相互作用的结果。

3.1管线埋设处的土质与水势特征

如前所述，研究区的路面坍陷下方总伴随有污水管的破损、渗漏和潜穴空洞的形成。这种情况的出现，与污水管埋设层位的土质及水势特征有关。为了直观地考察各条道路的管线埋设状况及其所在地层的层位，分析管线与土层之间相互作用机理，研究中把管线探测数据嵌入三维地质模型中，形成一个可视化的综合三维模型。

3.1.1频发路面塌陷的道路下方污水管埋设层位的土质及水势特征

下面以发展四道中-东段和海泰东路中-北段污水管为例加以说明。

图5　沿着海泰四道及海泰东路剖切的研究区三维地质结构模型(尺寸： 1414m×1030m×25.8m)Fig. 5　The 3D geological structure model of the study area clipped along Haitai four road and Haitai east road(size： 1414m×1030m×25.8m)

图6　海泰四道地质剖面图(剖面长度1097m，最大深度25.8m，图例同上)Fig. 6　The geological profile of Haitai four road(the length of profile is 1097m, the maximum depth is 25.8m, legends ditto)

图7　海泰东路地质剖面图(剖面长度897m，最大深度21.6m，图例同上)Fig. 7　The geological profile of Haitai east road(the length of profile is 897m, the maximum depth is 21.6m, legends ditto)

从图5～图7 中可以看出，海泰四道的污水管线从中段开始进入素填土层(1b)内，东段则完全位于素填土层(1b)内，路面塌陷均发生于污水管上方。海泰东路中段的污水管埋设在素填土层(1b)和全新统上组陆相冲积层上部的粉质黏土(4a)内，路面塌陷也都发生于污水管的上方。值得指出的是，在这两条道路的路面塌陷处， 1b、4a和6b等粉质黏土层都具有较大的厚度(≥2.0m)，而且这3个层位的土质都属于压缩变形模量、塑性指数和液性指数较大的软塑土 (表2)，在力的作用下极易发生垂向和横向变形，雷达信号出现空洞异常。

海泰发展三道和海泰发展五道的情况与此相似。此外，频繁发生路面塌陷的路段，都是污水管线埋深较大且与潜水面垂向落差≥2.5m地方，因而是地下水水势较大处。

图8　沿着海泰发展二道及大棚区剖切的研究区三维地质结构模型(模型尺寸： 1259m×1014m×20.9m)Fig. 8　The 3D geological structure model of the study area clipped along Haitai development two road and greenhouse area(size： 1259m×1014m×20.9m)

3.1.2未见路面塌陷的道路下方排水管埋设层位的土质与水势特征

在发展三道、发展四道和发展五道的西段，以及海泰发展一道、海泰发展二道、海泰一路和大棚区，都没有出现过路面塌陷。以海泰发展二道为例，污水管线基本上位于杂填土(1a)层内 (图8)，其下伏素填土(1b)和陆相冲积层粉质黏土(4a)厚度比较薄，是垂向和横向变形相对较小的地方。海泰发展一道、海泰一路和大棚区，以及发展三道、四道和五道的西段，均与海泰发展二道相同。这些地方的污水管线埋深小，与潜水面落差也小，地下水水势相对较小，因而也是垂向和横向渗流作用较弱的地方。

3.2地下污水管线发生破损的原因

研究区路面塌陷与其下方因污水管线破损和渗漏造成的土层空洞密切相关，而污水管线的破损和渗漏可能起因于路面载荷造成的土层差异压实和侧向迁移。

3.2.1差异压实与垂向变形

土层受到垂向载荷的作用，将会发生垂向变形。垂向载荷主要是以过往车辆为主的路面载荷，其次是土层和地下水重力。Hyodoetal.(1988)曾通过现场动力试验确定，低路堤地基内由卡车引起的垂向应力大约是其自身净重的4～5倍。黎冰等(2005)针对沿海高速公路的情况，应用Boussinesq解和分层总和法分析了车辆动荷载的影响深度，得出在不超载情况下车辆动荷载的影响深度大约在6.0～8.0m范围内，而在超载情况下其影响深度大约在6.0～14.0m范围内。本研究区第四系的地质结构状况与此相似，且排水管线均埋设于4～7m深度范围内，显然也会受到路面载荷的影响。在这些垂向载荷的作用下，土层会因为泥、沙质含量和孔隙度的差异而出现不同的垂向变形量，即泥质含量较高的层位压缩程度较高，而沙质含量较高的层位压缩程度较低。

污水管的理想受力模式，是管体本身均匀承受上方垂向载荷，而管体下方的土体均匀地分担管体上方垂向载荷和管内污水的重量。由于污水管线所在土层类型和结构不均匀、压缩变形模量变化较大，在路面荷载下产生的不均匀压缩变形，将引起水管管体受力不均匀，甚至出现排水管两端支点或中部集中受力。当某处的集中力超过污水管管体或接缝处的抗压、抗弯、抗扭强度时，管体或接缝处将会发生破裂。从管线受力方面的考虑，我国划定的沉降极限，一般是3cm对管线不会造成影响，赵文等(2009)认为地面沉降5～8cm范围之内，地下管线处于安全状态。周冬妮等(2014)研究了江苏常熟边滩整治工程，和天津的地质情况类似，在软土层中埋设管线，实测管线接头拉裂漏水处纵向沉降量达20cm，通过模拟计算得出沉降量最大可达到40～50cm。

3.2.2侧向迁移与横向变形

差异沉降是土层垂向运动，而侧向迁移则是土层水平运动。侧向迁移可能出现在很多情况下，其主要原因是在垂向载荷作用下，受压缩的土层依泊松比发生侧向流动变形(柏松平， 2008)。采样测试结果证明，研究区素填土(1b)和全新统上组陆相粉质黏土和粉土(4a和4b)的液性指数，大多处于0.75～1.00，均属于软塑土，泊松比比较大。当土层受到垂向重压后，极易产生侧向迁移，推动管线发生侧弯变形。图9 为道路与管线埋设位置关系平面示意图，显示了污水管线所在深度上的软塑土侧向迁移，可能引起污水管侧弯变形和破裂。由于本研究区的污水管线基本上都埋设在路边，其接头处的松动和拉裂主要应与侧向迁移有关。

图9　软塑土侧向迁移可能引起污水管侧弯变形和破裂示意Fig. 9　Relation of road and pipeline

研究区的雨水管管径为1.5～2.0m、管壁厚度为10～12cm，而污水管线管径为0.5～0.7m，管壁厚度为5～6cm。后者的管径仅有前者的1/3，而厚度仅有前者的1/2。这可能是在上述垂向载荷和侧向迁移作用下，污水管比雨水管更易于变形、破裂和渗漏的原因。

3.3地下空洞和路面塌陷的成因机制分析

研究区内的潜水面稳定静止埋深在1.50～4.20m(海拔2.00～-0.70m)，由西向东逐步降低； 潜水面多处于人工填土层的杂填土分层(1a)中，少量处于人工填土层的素填土分层(1b)中。污水管埋设位置在海拔-1.30～-3.40m(表1，图5～图8)，与潜水面之间通常有2.0～5.0m的落差。由于污水管中的污水水面与潜水面之间存在落差，一旦污水管出现破损，或者接口和下水井井壁出现缝隙，地下水将会在水势驱动下，通过破损处或者缝隙向污水管内渗漏 (图10)。

图10　地下水入渗污水管示意图Fig. 10　The diagram the ground water infiltrate into sewage pipe

当污水管周围的土层为粉土层时，因其颗粒稍粗(φ=0.075～0.005mm)、黏性较低且疏松，极易被地下渗流带入污水管内。渗流的长时间作用将对松散的粉土颗粒产生机械淋蚀和化学溶蚀，带走其中的固体颗粒和化学物质，导致管线接头处和破损处的土层中产生暗穴空洞。在这种情况下，渗流将会转变为潜流，对粉土层的掏蚀作用将转变成冲刷作用。随着水力梯度增大，水动力增强，冲蚀力加大，洞顶逐渐崩塌，暗穴空洞随之快速向上扩大，经过长年累月的发展，最终将酿成地面塌陷。

根据实地调研，天津市高新技术产业园区海泰东路污水管泵站的水泵损坏严重，便是因为污水中含有大量的粉砂粒。这种情况反过来证实，当地下水向污水管内渗漏时，确实带来了大量的粉土级固体颗粒，并由泵站的水泵排出。

4结论及对治理措施的建议

研究区路面塌陷可看城市人工(工程)系统与城市自然(地质)系统相互作用的结果，查明其形成机制和控制因素是寻找有效治理方法的基础。通过物探、钻探、现场勘察、三维地质建模以及水文与工程地质分析，其形成机制和过程如下：

在路面车辆载荷作用下，各道路下方的全新世沉积层发生不均匀的垂向和侧向变形，并且在1b、4a和6b厚度较大而管沟基础没有混凝土浇铸的路段，可能产生最大的变形量，造成了直径较小且管壁较薄的污水管发生垂向或侧向弯曲，进而导致污水管线接缝处缝隙增大或者管壁破裂。在水势作用下，地下水将沿着裂隙向污水管内发生垂向和横向渗漏，水势越大则渗漏越强烈。渗漏的地下水流可带走大量的粉土，使得污水管周围的土体被逐步掏空(张咸恭， 1993)。于是，渗流转变为潜流，对粉土层的掏蚀作用将转变成冲刷作用。随着水力梯度增大，水动力增强，冲蚀力加大，洞顶逐渐崩塌，暗穴空洞随之快速向上扩大，造成土层的垂向承载力不断下降。一旦土层的承载力下降到临界点以下时，路面塌陷便不可避免地突然发生了。

显然，当污水管埋设处是厚层素填土层，而其下有厚层，最易产生接口松动和管壁破损、断裂，从而导致渗漏、土层空洞和路面塌陷。

针对上述土层空洞和路面塌陷的成因机制，提出如下防治建议：

(1)研究区的污水管管径较小、管壁较薄、与潜水面构成的落差较大，在塌陷处或潜在塌陷处的基础处理应全面采用灌浆法。特别是下方存在厚层(≥2.0m)陆相或海相粉质黏土层时，除了基础采用灌浆法进行处理之外，还应采用厚壁水泥管以增加强度。

(2)研究区的雨水管管径大、管壁厚、与潜水面的落差较小。可在在塌陷处或潜在塌陷处，进行局部灌浆法修补，其他可采用层圈状的砂层与黏土层进行充填包裹。

(3)土层的力学特征取决于其土质特征，而土质特征取决于其沉积相和沉积微相的空间分布。为了开展区域性的工程地质条件评价和潜在地质灾害预测，有必要事先在高新区范围内，甚至整个滨海新区范围内开展精细的全新统古沉积相和沉积环境分析。然后，根据其沉积微相及相关特征，进行工程设计并制定防护、减灾方案。

天津高新技术园区海泰小区的路面塌陷成因，在沿海地区具有代表性和典型性。在这种地区开展城市基础设施建设，应当给予高度重视。

致谢本文研究得到天津市高新技术园的领导和技术人员的支持和帮助、天津市地质工程勘察院提供了宝贵的勘察资料、中国地质大学(北京)刘飞教授在水文地质方面提供了帮助，在此深表谢意。

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IN-SITUINVESTIGATIONONCAUSESOFROADSURFACESINKINGATHAITAIDISTRICTOFTIANJINHI-TECHINDUSTRIALPARK

MAOXiaoping①WUChonglong②SHIXueming②

( ①China University of Geosciences( Beijing) ，Beijing 100083)

( ②China University of Geosciences( Wuhan) ，Wuhan 430074)

AbstractRoad surface sinking is a serious hidden risk for safety travelling in city. There is a close relation among road surface sinking， underground cave and sewage pipe linkage in Haitai District of Tianjin Hi-tech Industrial Park. In this paper， a generation mechanism of road surface sinking is studied through site investigation， geological radar detection， pipeline robot endoscopic detection technology， engineering drilling and 3-dimensional geological modeling. Through study， it is proven that the generation mechanism is representative and typical in coastal area. The weak nature(geological) system interacts with artificial(engineering) system under complex control of multiple factors. The pipeline is buried in safe soil. Its lateral and vertical immigration can occur due to natural settlement and compaction. It can cause crack and damage to sewage pipes at the joints， which further makes the underground water above the pipeline leaking into the pipeline. Then caves are formed due to loss of particles of soil. It finally leads to road surface sinking. Accordingly， treatment measures before burying pipeline and after occurrence of road surface sinking are proposed respectively. The focus is to prevent exchange of underground water and sewage water in the pipeline due to damage of pipeline and to avoid loss of soil particles surrounding the pipeline．

Key wordsRoad surface sinking， Drainage pipeline， The quaternary sediments， Geological disasters

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.017

* 收稿日期：2015-01-05; 收到修改稿日期： 2015-04-20.

基金项目：毛小平(1965-)，男，博士，副教授，主要从事地质信息科学、地质工作信息化和地球物理勘探领域的研究与教学工作. Email：maoxp9@163.com.

第一作者简介：吴冲龙(1945-)，男，教授，博士生导师，主要从事地质矿产信息系统理论与方法、数字国土工程、地质过程模拟等研究. Email：wucl@cug.edu.cn

中图分类号：P642.26

文献标识码：A