楊彩俠

(北京中路安捷工程技術咨詢有限公司，北京 100078)

0 引言

隨著城市道路建設的快速發(fā)展，由于各種原因所致的路面塌陷也時有發(fā)生。北京、深圳、武漢等大中城市均發(fā)生過路面塌陷事件。道路地下空洞隱蔽性強，不易察覺，其造成的路面塌陷突發(fā)性強、經濟損失巨大，難以規(guī)避。本文著重探討城市道路下伏空洞的成因機理，為路面塌陷的預防和治理提供借鑒與依據。

1 路面塌陷特點

路面塌陷具有突發(fā)性、隱蔽性，其形成原因均在地下，情況復雜，不易被探明。作者對2007年～2010年發(fā)生在北京市區(qū)內的路基空洞、路面塌陷情況進行了統(tǒng)計研究，對路面的塌陷特點進行分析。

1.1 塌陷的深度分布

從圖1中可以看出路面塌陷的深度從0m～1m呈上升趨勢，大于1 m的呈下降趨勢。塌陷深度為0.5 m～1.5 m的最多，占全部的93%，基本沒有塌陷深度在3 m以上的。

圖1 北京市道路塌陷深度分布圖

1.2 塌陷時間分布

晚春、初夏和冬季，路基普遍比較穩(wěn)定，路面塌陷主要集中在春季凍融期間、雨季中后期直至入冬前。此外，路面塌陷事故多次發(fā)生于夜間，由于工地施工的渣土多在夜間運輸，渣土運輸車輛載重較大，車身較重，路面在重車作用下易發(fā)生塌陷。

1.3 周圍環(huán)境特點

從圖2可以看出，北京市道路塌陷周圍都存在著管線、地下工程施工和其他因素。從2007年～2010年發(fā)生路面塌陷地段存在管線和地下工程施工的次數基本保持不變，但其他因素呈上升趨勢。

2 成因分析

2.1 先前空洞的影響

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動物洞穴等，上部覆蓋有一定厚度的土層，當上部車輛通過或機械的振動，會對附近的巖體產生擾動進而破壞巖土體結構，甚至會造成塌陷;另外來自地下水位改變和水流產生的水、氣作用力以及巖土體的自重作用，可使地下空間充填物遷移，又可使上覆蓋層及管道、空洞產生一系列復雜的受力狀態(tài)，使其穩(wěn)定性受到破壞。當路面的荷載超過空洞空間蓋層及隱伏土洞的允許強度時，將引起空洞頂部坍塌或土洞發(fā)展，進而也會形成塌陷。

圖2 北京市道路塌陷周圍環(huán)境因素分布圖

2.2 地下水移動的影響

地下水在路基中不論呈液態(tài)或氣態(tài)移動，均遵循由高壓處往低壓處，由高溫處往低溫處，由高含水量處往低含水量處移動的規(guī)律。其移動方式及其路徑主要是:1)天然條件下，地下水在毛細管力的作用下將沿土壤中的細小孔隙上升產生滲透;2)路基土對地下水的豎向抽吸。由于這兩種水的移動，導致了路基頂面當量回彈模量的降低。不同的地下水位對應不同的路基頂面當量回彈模量，地下水變位導致的路基土回彈模量變化，將使路面各結構層在荷載作用下的應力、應變發(fā)生相應的變化，當路基受水的影響產生各種不可恢復形變而導致路基標高、邊坡坡度、形狀的改變，也會造成土體位移和路基以下及路基土體疏松、空洞，反映到路面，即為結構層開裂、不均勻沉降、路面塌陷。

2.3 地下水位變化的影響

各種工程建設，如建筑基坑、地鐵車站的施工、地下水的開采等大量抽排地下水，會降低甚至反復升降這些大型工程附近的地下水位。此外影響地下水位的因素還包括降雨和土的滲透系數。地下水位的高低變化不僅與降雨量的大小有關，還與降雨的持續(xù)時間以及降雨強度有關。這些活動導致地下水動力條件改變，造成路面塌陷區(qū)及鄰區(qū)土體的機械潛蝕和負壓吸蝕，導致路基以下部分土顆粒被地下水帶走，如果地下水抽取過多，儲水層上部為松散地層，土層中存在地下水運動的通道，則造成松散底層底部物質的快速流失形成空洞，也會造成局部路面塌陷。

2.4 凍融的影響

在我國北方寒冷地區(qū)，冬季寒冷時，路基土自上而下發(fā)生凍結。由于水的特性，地下水分由于受到毛細作用和溫度的影響，逐漸自下而上由非凍結區(qū)向凍結區(qū)移動并聚積。由于凍結地區(qū)內進入額外的水造成此處體積增大，并將上層土壤向上擠壓造成不均勻的變形，甚至鼓脹。到了春季氣溫回升，路基凍土開始解凍，土基飲食大量液態(tài)水，因路面?zhèn)鳠彷^快，路面下凍土層首先融化，但因路面層的覆蓋而蒸發(fā)不掉，其下部又尚未解凍，兩側路肩的土層，化凍較緩慢，不能排除，故使路基土層中濕度加大，承載力降低，再加之行車作用的擠壓，路面變形破壞，擠出泥漿，路基下面就會出現小的空洞，引起路基和路面的破壞。

2.5 施工質量的影響

路基及回填土的壓實，目的在于提高其強度和穩(wěn)定性，降低路基的透水性和減少因冰凍而引起的不均勻變形，從而保證路面具有足夠的抵抗車輛荷載作用的力學強度和穩(wěn)定性能，提高道路的使用年限。實踐證明，由于路基壓實質量未達到要求就急于鋪筑路面，結果是開放交通后在自然因素和車輛荷載作用下，路基產生沉陷變形而導致路面結構破壞。

2.6 地下水管滲漏的影響

雨水、污水管道大多設計在道路中心線基層下面，承擔著雨、污水的排放。由于地質土層的變化，或者由于在地下管線開挖施工過程中，路基土回填、碾壓不實，或施工封堵注漿不達標等，常會引起路基發(fā)生不均勻沉降。埋置于路基下面的管道均為脆性材料，當受到較大變形應力后發(fā)生脆裂，導致水管滲漏。由于地下水管的滲漏形成水流，如果滲流部位的巖土層透水性好，細小的顆粒物會隨著水流先被帶走，剩下較大的顆粒物，隨著更多的土顆粒被水流帶走，就會形成小的空洞，導致土體疏松。由于水的不斷沖刷和路面各種車輛振動荷載的共同作用，空洞不斷被流動的水流侵蝕，破裂的管道周圍的水土流失越來越多，便形成更大的空洞，最終引起路面的塌陷。

2.7 車輛超載超限的影響

經濟的發(fā)展，使得交通量大幅度增加，汽車超載也越來越嚴重。以天津市為例，各條道路8 t以上的車輛普遍存在超載現象，平均超載車輛達全部重車的38.9%，最大超載為額定荷載的170%左右。

在道路基層同種模量下，各指標均呈線性增加。隨基層模量的增加，在同種荷載作用下路表彎沉、底基層拉應力、路基頂面壓應變都相應減小，面層層底拉應力與基層層底拉應力均有所增加，說明基層模量的增加對減小基層層底的拉應力不利，基層模量增加導致基層層底拉應力增大，特別是在超載車作用下，基層層底拉應力將快速增加，導致基層開裂，進而導致瀝青路面自下而上的開裂，瀝青路面就會破壞，在超載作用下這種破壞更加明顯。路基路面的長時間過載對其結構造成了嚴重的破壞，在某些特殊的路段也極易造成路面的塌陷。

2.8 地下工程的施工影響

在大量地鐵和其他地下隧道工程的建設施工中，若存在違規(guī)施工或者設計中對地質條件掌握不足就極易造成路面塌陷。隨著地鐵建設的發(fā)展，互穿、交叉等大空間、復雜結構形式大量涌現，結合盾構、淺埋暗挖等多種施工方法都對上部道路帶來了較大的安全隱患。另外，地鐵車站的開挖也會對地下管線的安全造成影響，極易造成管線的破壞，從而引起管內水的外漏，對地基會造成嚴重的沖刷和侵蝕，導致路基塌陷，形成連鎖反應。

在地下工程施工過程中，盾構機的始發(fā)和接收是盾構法施工過程中易發(fā)生地面塌陷的兩個階段。在盾構機的始發(fā)過程中，設備處于試掘進階段，常存在一些機械液壓、電器和自動控制等故障，這些故障也會直接或間接影響開挖面的穩(wěn)定性。土壓平衡盾構機在有些地層中比較難控制開挖面的穩(wěn)定性，碴土難以獲得較好的流動性，在土艙中不易形成土壓，在掘進過程中會增大刀盤扭矩，增加千斤頂的推力，從而加劇了刀盤對周圍土體的擾動。但是通過向刀盤前方注入泡沫可以改良碴土，從而降低礫砂土層的內摩擦阻力，使碴土產生較好的流動性和塑性，且能在土艙中建立土壓。若泡沫系統(tǒng)的發(fā)泡效果不好，土體改良效果不理想，開挖過程中很難建立土壓，且刀盤扭矩和推力均較大，導致在開挖過程中造成了地層損失，在刀盤附近形成了土拱。礫砂土層中形成的土拱自穩(wěn)能力本身就較差，經刀盤長時間的不斷擾動，土拱的拱線不斷上移，最后在自重力的作用下會突然發(fā)生破壞，在地面上形成塌陷。

3 結語

隨著經濟和各類建設的快速發(fā)展，路面塌陷災害的發(fā)生次數日趨增多，引起此災害的原因多種多樣，但總結起來主要分為兩大類:自然原因和人為原因。

1)自然原因主要包括:先前空洞的影響、地下水移動的影響、地下水位變化的影響、凍融的影響。2)人為原因主要包括:施工質量的影響、地下水管滲漏影響、車輛超載超限的影響、地下工程的施工影響。路面塌陷的形成原因日趨復雜化，常常是各種因素綜合作用的結果。提高道路、管線和地下工程的施工質量，盡量減小路面的沉降，并及時探測發(fā)現塌陷隱患，才能有效地避免此類災害的發(fā)生。

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