謝小國， 張 偉， 羅 兵， 孫 東，王 強， 劉偉祖， 楊 濤

(1.四川省華地建設工程有限責任公司，四川 成都 610081； 2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，四川 成都 610081； 3.四川省地質(zhì)災害防治工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610081)

0 引言

隨著城市建設與發(fā)展進程的不斷加快，城市地面塌陷逐漸呈現(xiàn)高發(fā)、頻發(fā)趨勢，給人民群眾的生命財產(chǎn)安全及公共基礎設施帶來了重大損失，嚴重影響城市的運維安全與城市形象。2021年“7·20”河南鄭州特大暴雨后，城市主干道、人行道等均出現(xiàn)了大小不一的塌陷，市內(nèi)路面發(fā)現(xiàn)塌陷2 057處，最大面積達60 m2，深11 m； 2020年“1.13”西寧路面塌陷事故造成10人死亡、17人受傷； 2018年“2·7 ”佛山路面塌陷事故造成11人死亡、8人受傷、1人失聯(lián)，直接經(jīng)濟損失達5 000萬元以上。據(jù)《全國地下管線事故統(tǒng)計分析報告(2019年10月—2020年9月)》[1]，該期內(nèi)全國報告的路面塌陷事故共229起，傷亡人數(shù)達98人，相較于上一期(2018年10月—2019年9月)發(fā)生的114起增長了100.88%，相較于2014—2018年報告的506起，路面塌陷事故呈現(xiàn)明顯的增長趨勢[1-2]。2019年10月—2020年9月四川省境內(nèi)多個城市發(fā)生了路面塌陷事故，如2020年宜賓路面塌陷有21輛車掉落坑洞； 2018年“10.7”達州路面塌陷事故造成4人死亡、1人受傷。

城市道路地面塌陷往往具有長期性、復雜性、隱蔽性、突發(fā)性和危害性的特點[3]，因此建立城市道路地面塌陷防治機制的需求越發(fā)迫切。城市道路地面塌陷的防治離不開快速判識地下病害體的類型與特征，地球物理勘探方法在城市復雜地質(zhì)環(huán)境勘探中具有綠色、快速、經(jīng)濟等優(yōu)勢，并且隨著理論方法與儀器設備的不斷進步，探測精度也取得了長足的發(fā)展?！禞GJ/T 437—2018城市地下病害體綜合探測與風險評估技術(shù)標準》[4]提出了通用性廣、適用性強的地下病害體探測方法，包括探地雷達、高密度電阻率法、瞬態(tài)面波法、微動勘探法、地震映像法、瞬變電磁法等。

不同探測方法有著不同的應用條件，胡曉娟[5]和王潔[6]利用高密度電法對開挖地鐵導致的地面塌陷和城市地下巖溶塌陷區(qū)分別進行了探測，確定了地下空洞的分布位置及范圍； 張偉等[7]采用多道瞬態(tài)面波與微動法對柳城縣巖溶塌陷區(qū)進行觀測，獲取了覆蓋層結(jié)構(gòu)與厚度的分布特征； 張銀松等[8]采用高密度電法對重慶市中梁山地區(qū)隱伏塌陷區(qū)進行了較好的圈定。探地雷達被廣泛應用于城市道路塌陷探測，對地下5 m以淺的地層探測具有精度高、效率快的優(yōu)勢[9-11]。結(jié)合引起道路塌陷的地下病害體類型、發(fā)育特征、埋深等特點，相對于其它探測方法，車載三維探地雷達具有快速、直觀、綠色、無損、分辨率高、探測范圍寬等優(yōu)點，可實現(xiàn)定量解釋[12-13]。

為更好地提升城市道路塌陷處治能力，響應《成都市中心城區(qū)路面塌陷應急處置管理辦法》，本文針對成都市的特定地層結(jié)構(gòu)與人類工程活動，提出了城市道路塌陷隱患快速探測方法。

1 研究區(qū)概況

成都市位于岷江沖積扇中前部，淺表地層主要為第四系沖積層，巖土體包括填土、粉質(zhì)黏土和砂礫卵石層，地下水位一般在地下2～3 m。受目前成都市的城市基礎設施建設、地下空間快速開發(fā)以及強烈的人類活動影響，結(jié)合成都市淺表第四系沖積層填土、粉質(zhì)黏土和砂礫卵石層等巖土體性質(zhì)以及較淺的地下水位條件，地下穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)受到嚴重擾動，城市道路病害隱患增加，市區(qū)及周邊區(qū)縣均出現(xiàn)了多起道路塌陷等事故，給城市運營安全帶來挑戰(zhàn)，如2021年9月1日成都西三環(huán)附近道路出現(xiàn)明顯塌陷，初步分析為降雨等綜合因素導致地下水沖刷帶走地下細粒物質(zhì)造成地下空洞，再受重型貨車碾壓破壞形成塌陷(圖1)。

(a) 地面塌陷 (b) 地層結(jié)構(gòu)

2 道路塌陷成因分析

地面塌陷主要分為自然塌陷和人為塌陷，又可以分為巖溶塌陷、采空塌陷、黃土濕陷以及工程塌陷[14]。根據(jù)新聞報道及文獻資料分析，成都市城市道路塌陷事故大多與特殊的地層結(jié)構(gòu)、多雨的氣候以及復雜的工程建設活動有關(guān)[15-18]。

2.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

成都復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是誘發(fā)地面塌陷的先決條件。成都市區(qū)位于川西平原岷江流域，地下水豐富且埋深淺，第四系砂卵礫石分布廣泛，厚度、粒徑、含砂量及抗壓強度變化大，離散性強，巖土體空隙率大。具體表現(xiàn)為卵石含量一般大于50%，分選性較差，大多充填細砂、中砂，且存在透鏡體砂層，地層滲透系數(shù)高、透水性極強[19-20]。工程地質(zhì)條件總體表現(xiàn)為地層簡單、結(jié)構(gòu)復雜。受到降雨、工程活動、管線事故等影響，砂卵石土體發(fā)生剝離，形成空隙并逐步發(fā)展成為空洞。

2.2 地下水

豐富、活躍的地下水是造成地面塌陷的重要因素。根據(jù)從國家氣象科學數(shù)據(jù)中心收集的成都市2011年1月—2021年7月氣象數(shù)據(jù)，下雨天數(shù)達到1 266 d，占統(tǒng)計時長的36.5%，年降雨量約1 000 mm，其中每年的6—9月為雨季[21]。由于成都市位于岷江水系流域，降雨和水源補給量大，導致砂卵石層含水量高，多呈飽和土體，因此受水流和工程活動等影響，粉砂、細砂等細粒物質(zhì)隨地下水流動而被帶走，潛蝕作用破壞土體結(jié)構(gòu)，導致地下疏松、空洞等病害體發(fā)生。特別是每年7—8月暴雨時期，土體飽和度提高，非飽和土層抗剪強度明顯降低，巖土體結(jié)構(gòu)更易受到破壞，加速塌陷病害的發(fā)育[22]。如2021年5月27日大邑、崇州兩地發(fā)生地面塌陷，原因是當?shù)卮罅砍槿〉叵滤率辜毩Ｎ镔|(zhì)被帶走，砂卵石被排擠，從而引發(fā)地面塌陷。

2.3 工程活動

復雜的工程活動增大了地面塌陷的隱患。隨著成都市城市化建設進程的不斷加快，城市道路、市政管線、建(構(gòu))筑等的不斷發(fā)展，越來越頻繁且劇烈的人類活動與工程建設增大了道路塌陷隱患。

地下管線破損引起的滲流是造成道路塌陷的最主要因素之一。地下管線及附屬設施，特別是排水管道老化、破裂，進而受到雨污水、地表水、地下水的影響，沖刷掏空砂土層，引發(fā)地面塌陷[23]。如2014年武侯區(qū)水漣裊銅小區(qū)由于污水管破裂，外泄污水沖刷基坑護壁樁間土，導致小區(qū)停車點發(fā)生垮塌。

地下工程施工破壞地下結(jié)構(gòu)是加快道路塌陷的主要因素之一，基坑開挖、軌道隧道盾構(gòu)施工、管道頂進等工程在極大利用地下空間的同時破壞了地層結(jié)構(gòu)，導致地下砂土層變形或位移，地下疏松體不斷發(fā)育，降低了路面抗壓能力，從而發(fā)生沉降或垮塌[24-25]。如2020年地鐵六號線星民站施工現(xiàn)場發(fā)生的地面塌陷。

道路荷載過大會導致路面結(jié)構(gòu)被破壞。機動車輛，特別是大型貨運汽車行駛以及大型、重型堆填物增大了道路的荷載，針對早期道路情況設計的荷載已遠遠不能滿足現(xiàn)在道路使用的需要，造成路面承載力不足，從而導致路面沉降和塌陷[26]?；娱_挖降低了道路側(cè)向承載力，也是造成地面開裂下沉和塌陷的原因之一。如2020年雙安東巷路面塌陷的原因是路基填土不密實，貨車載重過大而壓塌路面。

3 探測方法與體系

3.1 探測方法選擇

《JGJ/T 437—2018城市地下病害體綜合探測與風險評估技術(shù)標準》[4]中提出了多種適用的地球物理探測方法，不同方法具有不同的適用性(表1)。

表1 不同探測方法適用性分析

研究表明，98%以上的地面塌陷事故發(fā)生在地面5 m以淺的范圍內(nèi)，85%以上發(fā)生在市政道路、住宅小區(qū)和商業(yè)街區(qū)，60%以上發(fā)生在市政道路上[27]。地面塌陷隱患探測要體現(xiàn)出時效性和緊迫性，特定的探測條件對選擇合適的探測方法具有重要的指導作用。探地雷達法與其他探測方法相比，受城市人類活動的干擾較小，探測效率高，對淺部的分辨率較高，操作簡單，適用于淺表層地下病害的探測，尤其是三維車載探地雷達具有檢測速度快、探測范圍廣、定位準確等優(yōu)點，在城市道路塌陷中應用廣泛[28-30]。

3.2 探測體系建立

基于城市道路塌陷產(chǎn)生的公共危害、社會影響及財產(chǎn)損失等的特殊性，需要對道路進行“快速、準確、綠色”的探測，因此建立該類病害探測系統(tǒng)顯得尤為重要。結(jié)合研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)、人文活動、探測方法等特點，建立了城市道路塌陷“探測-解譯-驗證-評估-成果”5步探測體系，具體分析如圖2所示。

圖2 城市道路塌陷隱患快速探測體系

3.2.1 探測

以問題為導向，以快速、綠色為原則。根據(jù)儀器性能及采樣分辨率需求，一般單臺設備采集效率可達到15 km/h，可實現(xiàn)對道路的快速探測。同時由于是車載式探測，不涉及臨時占道、交通影響和人類活動等限制條件，具有低噪的特點，是一種綠色環(huán)保的探測方法(圖3(a))。

對城市道路塌陷隱患普查的工作方法以車載三維探地雷達為主，該方法可快速實現(xiàn)疑似地下病害體的定位與檢測，采用二維探地雷達精確定位地下病害體，排除地下管線、地下構(gòu)筑物、地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常等非地下病害的異常，利用鉆探、釬探或挖探等方式直觀、準確地獲取地下病害體的埋深、凈空等空間信息。

工作內(nèi)容為利用車載三維探地雷達快捷高效的特點開展普查工作，探測對象為城市道路，發(fā)現(xiàn)異常后進行異常篩查。首先利用收集的各類資料，排除因其他管線、過街通道、老舊人防工程等產(chǎn)生的假異常，然后采用二維探地雷達確定異常，根據(jù)現(xiàn)場條件選擇鉆探、釬探或者挖探進行驗證工作，同時采用內(nèi)窺鏡等對地下病害體的空間展布、形態(tài)等進行評估，應用相關(guān)規(guī)范對地下病害進行風險評估。

工作手段包括資料收集(已有地下管線資料、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)資料和歷史病害信息等)、二維和三維探地雷達探測，在有條件的區(qū)域?qū)嵤┿@探驗證。

探測的成果主要為地下病害的坐標、體積、垂直車道長度與平行車道長度、面積、凈空(空洞和脫空)、與地下管線關(guān)系、周邊環(huán)境條件、病害風險等級、病害成因及處置建議等。

(a) 三維探地雷達探測 (b) 數(shù)據(jù)處理與解譯

(c) 異常體復測與驗證 (d) 調(diào)查與評估

3.2.2 解譯

解譯工作的最大難點在于“去偽存真、減少多解性”。一般步驟包括數(shù)據(jù)處理、異常目標體提取、干擾異常判識及病害體初判等4步，單臺軟件解譯效率超過20 km/d(圖3(b))。其中數(shù)據(jù)處理包括圖像顯示、預處理、處理、解釋處理等過程； 異常目標的提取是對異于地層信號的判讀與拾取，獲得異常體的分布情況； 干擾異常判識是對非病害體進行剔除，對疑似病害體進行分析，減少驗證工作量，提高工作效率； 病害體初判是根據(jù)雷達的不同形態(tài)、振幅、相位與頻譜的差異，識別出空洞、脫空、疏松、富水體等病害體，提高驗證的準確性。

3.2.3 驗證

驗證工作一般包括異常體定位、二維探地雷達復測、病害體現(xiàn)場判識、鉆孔及內(nèi)窺鏡驗證等過程。異常體定位采用RTK對解譯的疑似病害體坐標進行現(xiàn)場放點，為二維探地雷達復測指定位置； 二維探地雷達復測一般采用高于三維探地雷達探測頻率的天線對異常體進行多方位探測； 分析圖譜特征，剔除管線(涵)、地下構(gòu)(建)筑物等非病害影響，精確定位病害體分布特征； 采用便攜鉆機鉆孔，參考內(nèi)窺鏡影像驗證病害體(圖3(c))。

3.2.4 評估

評估工作的難點在于準確定級。以單個病害體為評價對象，調(diào)查病害體影響范圍內(nèi)的病害體規(guī)模、鄰近設施、環(huán)境因素等情況，建立風險發(fā)生可能性評價指標及劃分等級，并結(jié)合地下病害體范圍、建(構(gòu))筑分布、人員密集程度、財產(chǎn)密度、社會影響等指標確定風險后果評價指標及劃分等級，綜合風險發(fā)生可能性與風險后果劃分風險等級，并制訂相應的風險控制對策(圖3(d))。

3.2.5 成果與信息化

成果集成與綜合研究要突出機理分析，信息化管理要注重維護與更新。以道路為單元，編制道路病害探測成果報告； 以測區(qū)為區(qū)域，編制區(qū)域病害探測成果報告，系統(tǒng)分析病害的成因、類型及分布規(guī)律，為信息化管理與防治提供支撐； 以GIS平臺為基礎，建立病害體空間信息和屬性信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、編輯、查詢、統(tǒng)計、分析、動態(tài)更新等功能[31]。

3.2.6 成果應用

成都市城市道路塌陷隱患檢測成果主要為工程治理提供依據(jù)，消除隱患，建立隱患數(shù)據(jù)庫，對道路塌陷隱患進行動態(tài)管理和監(jiān)測，服務于城市道路的防災減災，為市政設施安全運行與道路安全提供保障。

3.3 典型異常體特征

根據(jù)《JGJ/T 437—2018城市地下病害體綜合探測與風險評估技術(shù)標準》[4]及實際探測結(jié)果進行分析，典型異常體包括病害體和非病害體，其中病害體包括空洞、脫空、疏松和富水體，非病害體包括管線、井蓋、井室和層位等，非病害體異常往往影響病害體的判識[32]。常見異常體的典型三維探地雷達圖譜特征見表2。

表2 常見異常體典型三維雷達圖譜特征

(續(xù)表)

4 應用效果分析

以成都市青羊區(qū)某道路為例，該道路周圍分布了大型商場、居民小區(qū)、商業(yè)街道、火車站以及重點企事業(yè)單位等，道路經(jīng)多次翻新維護，地下管線復雜，淺部主要為道路路面、填土、砂卵礫石，地下水位較淺，且地鐵運營多年，淺層擾動較大。為更好地排查道路塌陷隱患，采用IDS生產(chǎn)的Stream-X三維探地雷達(中心頻率200 MHz，15通道，掃描寬度1.8 m，GPS定位，512個采樣點，采樣時窗120 ns，道間距0.099 m)，對城市道路5 m以淺地層進行探測，經(jīng)解譯、復測、驗證，共發(fā)現(xiàn)22處病害異常，其中空洞14處，脫空2處，嚴重疏松3處，一般疏松3處(表3)。

表3 探測道路地下病害體風險等級劃分

根據(jù)《JGJ/T 437—2018城市地下病害體綜合探測與風險評估技術(shù)標準》[4]開展風險發(fā)生可能性與風險后果評價，采用指標體系法，劃分了地下病害體風險等級。由表3可以看出，該道路具有明顯的風險隱患，其中V級風險7處，凈空0.65～1.37 m，面積4.56 m2(2.4 m×1.9 m)～34.65 m2(6.3 m×5.5 m)，體積4.4～31 m3，風險極高，需禁止使用，工程處理； IV級風險7處，最大面積3.8 m×3.5 m，風險較高，需限制使用，工程處理，處理前進行定期巡視和探測； III級風險2處，風險一般，需限制使用，工程處理，處理前進行定期巡視和探測； II級風險3處，風險較低，需定期巡視和探測； I級風險3處，風險很低，需定期巡視和探測。探測道路典型空洞特征見表4。

表4 探測道路典型空洞特征分析

5 結(jié)論

(1)成都市具有復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、自然地理環(huán)境以及頻繁的人類工程活動，城市道路病害現(xiàn)象日益加重，通過建立 “探測-解譯-驗證-評估-成果與信息化” 的城市道路塌陷隱患快速探測體系，有助于提升城市安全運營能力。

(2)應用結(jié)果表明，車載三維探地雷達適用于城市道路塌陷應急搶險、汛期道路隱患排查、重大工程施工地面沉降監(jiān)測、重大社會活動前期道路安全檢查等工作。