01 前言

      通過對城市道路塌陷歷史事件的回顧和分析，總結(jié)城市道路塌陷事故成因可概括為以下四個方面：一是施工擾動，包括深基坑施工、地鐵施工擾動、施工降水、地下管線施工等；二是管線因素，包括地下管線及檢查井老化滲漏、斷裂坍塌；暗渠、管溝蓋板斷裂、墻體坍塌滲漏；人防等設(shè)施老化等；三是水文地質(zhì)條件，包括地面不均勻沉降、城市內(nèi)澇、濕陷性黃土與地下水波動、軟土地基、溶洞、古墓垮塌、斷裂破碎帶等；四是道路荷載，機(jī)動車保有量快速增長、道路改擴(kuò)建導(dǎo)致非機(jī)動車道變機(jī)動車道、施工占壓等。城市道路塌陷災(zāi)害的現(xiàn)場調(diào)查表明，一般城市道路的塌陷災(zāi)害與城市地下管線直接相關(guān)并在空間上緊密伴生，城市道路塌陷事故與地下管線事故相伴相生，如影隨形！

02 城市道路塌陷事故為什么反復(fù)發(fā)生

     （1）城市地下管線與城市道路相伴相生，如同魚水關(guān)系（圖1）。城市道路作為地下管線載體，兩者相互依存，相互影響，無論誰發(fā)生病害均會給對方造成不利影響。地下管線一般處于道路結(jié)構(gòu)層下，當(dāng)?shù)缆烦休d力不足、路基失穩(wěn)、沉降、位移、塌陷可以引發(fā)或加劇管線病害。反之，地下管線病害，例如：帶水帶壓管線跑冒滴漏；雨污水管線發(fā)生破損、暗渠化河道老化；管道溝蓋板斷裂、檢查井滲漏等都會導(dǎo)致路基土體流失，形成疏松、富水、空洞等情況。  

圖1 城市道路示意圖

    （2）城市道路地下空洞探測，車載探地雷達(dá)探測因其快速高效是目前城市道路地下空洞探測的首 選方法，能夠發(fā)現(xiàn)埋藏深度較淺，有一定規(guī)模的地下空洞體，對于大型社會活動前道路安全保障意義重大。受城市道路復(fù)雜地球物理條件的影響，探地雷達(dá)有效探測深度和分辨率具有一定局限性，對埋藏較深、規(guī)模較小，或是導(dǎo)致地下空洞體形成的其他病害（如地下管道病害、地下空間設(shè)施病害）在發(fā)育初期難以發(fā)現(xiàn)。在檢測周期之間，在各類施工擾動、道路荷載和水位升降、流動等多種因素影響下，這些病害不斷發(fā)育、發(fā)展，積累到一定程度就會再次發(fā)生道路塌陷。

03 城市道路病害對地下管線的影響

      道路結(jié)構(gòu)可簡單分為路基和路面。路面分為剛性路面和柔性路面兩大類，前者以水泥混凝土路面為代表，后者以瀝青路面為代表。路基的斷面型式有路堤路基（圖2）、路塹（圖3）、半填半挖路基（圖4），從材料方面路基可分為土路基、石路基、土石路基三種。    

圖2 路堤

圖3 路塹

圖4 半填半挖

3.1道路結(jié)構(gòu)層作用及病害成因分析  


3.1.1道路結(jié)構(gòu)層作用  


    （1）面層是直接同行車和大氣相接觸的層位，承受行車荷載引起的豎向力、水平力和沖擊力的作用，同時又受降水的侵蝕作用和溫度變化的影響，因此面層應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、剛度、耐磨、不透水和高低溫穩(wěn)定性，并且其表面層還應(yīng)具有良好的平整度和粗糙度。    


    （2）基層是介于面層和墊層之間的層位，基層是路面結(jié)構(gòu)中的承重層，主要承受車輛荷載的豎向力，并把由面層下傳的應(yīng)力擴(kuò)散到墊層和路基?；鶎討?yīng)具有足夠的抗沖刷能力、較大的剛度，抗變形能力強(qiáng)且堅實、平整、整體性好。同時，基層還應(yīng)有足夠的水穩(wěn)定性，以防止?jié)褴涀冃危瑢?dǎo)致面層損壞。 


    （3）墊層的作用為改善土基的濕度和溫度狀況，保證基層的強(qiáng)度穩(wěn)定性和抗凍脹能力，擴(kuò)散由基層傳來的荷載應(yīng)力，以減小路基所產(chǎn)生的不均勻變形，在路基濕度、溫度狀況不良時設(shè)置。


3.1.2道路病害成因  

    （1）當(dāng)車輛荷載作用在路面上，使路面結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，如果路面結(jié)構(gòu)整體或某一結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度或抗變形能力不足以抵抗這些應(yīng)力和應(yīng)變時，面層便出現(xiàn)開裂或變形。同時，面層暴露在大氣中，受到溫度和濕度的周期性影響，會出現(xiàn)老化，加劇面層開裂或變形。面層開裂、變形可致使路面的使用功能逐漸喪失，面層開裂透水還會影響路基含水量，導(dǎo)致路基富水和土體流失。


    （2）車輛超載、拉鏈馬路對基層、墊層的整體性影響大，導(dǎo)致基層、墊層整體性和承載力不降低，引發(fā)或加劇面層變形開裂、路基不均勻沉降。


    （3）城市道路路基多為土路基。土可分為砂性土、粘性土和粉性土。砂性土、粉性土易于水土流失，形成地下疏松、水囊或空洞；粘性土易產(chǎn)生塑性變形和不均勻沉降。當(dāng)發(fā)生面層透水、基層和墊層整體性降低、地下水位變化、管道破損等，均會導(dǎo)致或加劇路基富水、疏松、沉降或土體流失。    


3.2路基病害對地下管線的影響  

      一般城市道路路基以土路基為主，地下管線基本埋設(shè)在土基范圍內(nèi)。面層、基層、墊層病害可引發(fā)或加劇路基病害，路基病害直接作用于地下管線，直接引發(fā)地下管線病害或加劇地下管線病害發(fā)展。


3.2.1路基沉降偏移  


      路堤路基、路塹路基易發(fā)生下沉，路基下沉力量巨大，尤其是路基不均勻沉陷，將引起管道縱向偏移、豎向偏移。半填半挖路基還易發(fā)生滑坡，滑坡會導(dǎo)致管道側(cè)向偏移。管道偏移包括縱向偏移、豎向偏移、橫向偏移，最常見的是上述三種偏移的復(fù)合，稱為復(fù)合偏移。沉降和偏移將引起管道縱向、橫向受拉，當(dāng)拉應(yīng)力、剪切應(yīng)力超過管體強(qiáng)度，便使管道發(fā)生脫節(jié)、錯口、斷裂。   


3.2.2路基疏松富水  


      管道埋設(shè)路基土壤中，理想狀態(tài)下管道與周邊土壤共同作用形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)承載來自于土壤自重、路面荷載的作用力——管土作用。當(dāng)路基土體疏松、富水、土體流失形成空洞體或土質(zhì)太差、水位變化等，均會導(dǎo)致管道周邊支撐不足、不均勻，管土作用部分或全部失效，進(jìn)而導(dǎo)致管道變形、開裂等。    

04 地下管線病害對道路的影響

4.1地下管線病害成因  


4.1.1管道本體  


    （1）鋼管、普通鑄鐵管、砼管在污水等環(huán)境下易腐蝕穿孔、管體強(qiáng)度降低；給排水塑料管線，尤其是排水波紋管強(qiáng)度不高，易變形；陶瓷管、石棉管受沖擊易碎裂。


    （2）承插式管道易產(chǎn)生接口材料脫落、脫節(jié)、錯口，對排水管道企口、平口連接尤為明顯。對于焊接、法蘭連接，連接處也是管道的薄弱環(huán)節(jié)。


4.1.2管溝  

      管溝多為磚石砌筑，砌筑砂漿強(qiáng)度不高，一般無外抹面，易產(chǎn)生滲漏。蓋板多為預(yù)制板，整體性較差、強(qiáng)度不高、接縫處易產(chǎn)生滲漏，遇重載荷蓋板易斷裂。


4.1.3檢查井  

      檢查井多為磚石砌筑，病害成因復(fù)雜。一方面，砌縫砂漿強(qiáng)度不高，一般無外抹面，易產(chǎn)生滲漏，檢查井內(nèi)抹面易于腐蝕、脫落；另一方面檢查井受車輛荷載沖擊、檢查井與路面差異沉降易發(fā)生檢查井沉陷以及井周路面破損。通過參考文獻(xiàn)和現(xiàn)場調(diào)查可知，檢查井井周路面破損多發(fā)生在井周 500 mm 范圍內(nèi)（圖5）。  

圖5 井周破損

    （1）差異沉降的原因是由于井砌體本身與井周路面路基、井周路面路基與周邊道路路面路基抗壓強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)性能指標(biāo)不協(xié)調(diào)（圖6）。

圖6 井周結(jié)構(gòu)

    （2）檢查井受汽車荷載沖擊受力分析見圖7 ，汽車荷載作用位置見圖 8 。車輛荷載由 -1 250 mm 位置駛?cè)?，?X 軸方向向前行駛，到達(dá)1 250 mm 位置，車輛荷載移動過程中不同位置應(yīng)力會發(fā)生變化。

圖7 受力分析點(diǎn)位置圖

圖8 汽車荷載作用位置示意圖

      車輛荷載從進(jìn)入檢查井周邊到離開的過程中，砌體井身上不同點(diǎn)（ A 、 B 、 C ）的壓應(yīng)力先由小變大，然后又由大變小，當(dāng)車輛荷載作用在井座中心位置時， C 點(diǎn)還出現(xiàn)了小幅的拉應(yīng)力（圖9）。

圖9 不同汽車荷載位置時井身砌體壓應(yīng)力圖

      車輛荷載從進(jìn)入檢查井周邊到離開的過程中，砌體身上不同點(diǎn)（ A 、 B 、 C ），砌體邊緣道路面層中豎向分布的不同點(diǎn)（ D 、 E 、 F ）的剪應(yīng)力變化見圖 10 ，不同點(diǎn)都經(jīng)歷了 2 次反復(fù)剪切的作用。

作用位置時砌體井身剪應(yīng)力圖

    （3）由于砌塊之間砂漿材料的抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度，在車輛荷載的循環(huán)作用下，砂漿材料極易破碎，導(dǎo)致井座下沉，所以砌體井身的破壞將優(yōu)先于瀝青混凝土面層發(fā)生。井座下砌體井身發(fā)生破壞后，井圈周圍的瀝青混凝土面層將成為一個懸臂結(jié)構(gòu)，在車輛荷載的作用下，懸臂結(jié)構(gòu)的瀝青混凝土面層將出現(xiàn)裂縫，裂縫一般沿井周呈圓形或者放射狀。井周路面破損與檢查井沉陷相互影響和伴隨，但絕大多數(shù)情況下，井周路面破損的發(fā)生多是由于檢查井自身沉陷引起的后期病害表現(xiàn)形式。


4.2地下管線與檢查井病害對道路的影響  


    （1）含水管道出現(xiàn)腐蝕穿孔、變形開裂、接口材料脫落、脫節(jié)、錯口會導(dǎo)致管道周邊路基富水，土體強(qiáng)度降低，水流還會沖刷、淘蝕管道周邊土體。


    （2）檢查井產(chǎn)生滲漏、井周路面破損和沉陷之后，井座與路面結(jié)合處、井體與管道結(jié)合處、井體砌縫等成為薄弱環(huán)節(jié)。雨水、噴淋水、綠化水等通過路面裂縫滲入地基和檢查井，管道水、地下水隨水位變化通過井體裂縫流入流出檢查井，浸泡、淘蝕檢查井周邊路基土體。


    （3）排水自流管道、各類管溝與檢查井出現(xiàn)破損、滲漏，為水土流失提供了通道和空間，導(dǎo)致或加劇路基、路面病害，長期發(fā)展就會形成導(dǎo)致道路塌陷的地下空洞體。

05 地下管線施工與道路病害的關(guān)系

5.1地下管線開挖施工  


    （1）地下管線開挖施工又稱為拉鏈馬路，其成因主要有三方面：一方面是由于條塊管理，市政道路設(shè)施、各類地下管線分屬不同管理部門或權(quán)屬，設(shè)計、施工、管理運(yùn)營維護(hù)難以協(xié)調(diào)統(tǒng)一；另一方面，道路設(shè)計使用年限、不同管線使用年限不同，維修改建周期不同；還有就是隨著城市快速發(fā)展，原有道路或某些地下管線等基礎(chǔ)設(shè)施不能滿足需求需要擴(kuò)建。    

    （2）現(xiàn)狀道路新建、改建、擴(kuò)建地下管線開挖施工，是“拉鏈馬路”的主要原因。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，城市道路開槽應(yīng)采用坡度開挖，這是因為坡度開挖道路恢復(fù)后面層、基層、墊層與原路基部分重合，可以分散路面荷載。但受作業(yè)空間限制，一般均采用直槽開挖，直槽開挖對周邊路基擾動大、回填壓實較困難，道路恢復(fù)后的面層、墊層、基層與原路基完全獨(dú)立，更易導(dǎo)致新老路基結(jié)合部產(chǎn)生差異沉降。

5.2地下管線非開挖施工  


    （1）地下管線非開挖施工過程中的擾動會造成土體應(yīng)力重新分布和位移，若土體中含有地下水，還會引起地下水排出，土體顆粒從新排列，如采用頂管施工還會引起前方土體隆起。另外，非開挖施工孔洞直徑大于管道直徑，導(dǎo)致土體損失，如施工不當(dāng)還會發(fā)生冒頂，形成大小不等的疏松、空洞。

    （2）施工后，受擾動和損失的土體會發(fā)生再固結(jié)而引起地面沉降或道路塌陷。

    （3）非開挖施工沉降程度與土體、地下水損失大小，頂進(jìn)過程中注漿壓力大小，管徑大小、埋深以及施工結(jié)束后是否進(jìn)行了注漿回填有關(guān)。

5.3檢查井施工  


      現(xiàn)狀道路新建、改建地下管線檢查井施工，受開挖作業(yè)空間限制，井周回填壓實較困難，道路恢復(fù)后的檢查井周邊路面、路基抗壓強(qiáng)度與井體、原有道路均有差異，極易產(chǎn)生差異沉降。    

06 典型城市道路塌陷事故成因統(tǒng)計

6.1鄭州市  


據(jù)鄭州市市政工程管理處統(tǒng)計，2013至2018年鄭州市道路塌陷的成因包括污水管道結(jié)構(gòu)性缺陷、雨水管道結(jié)構(gòu)性缺陷、供水管線漏水、管溝蓋板斷裂、人防巷道損毀和路基不實，其中管線因素為主要成因，具體見表1：            

鄭州市道路塌陷成因統(tǒng)計表         表1

6.2深圳市  

據(jù)深圳市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心統(tǒng)計，2013年至2017年深圳市道路塌陷成因包括管道、暗渠化河道、地鐵施工、深基坑施工、軟土路基沉降、地下空洞、工程質(zhì)量和其他不明因素，其中管道與暗渠化河道為主要成因，具體見表2：

07 總結(jié)

    （1）單一的面層承載力不足、透水，基礎(chǔ)與墊層穩(wěn)定性不足，路基回填不實等，一般不會發(fā)生大面積、大深度的突然塌陷與惡性事故。當(dāng)城市道路下埋設(shè)有暗渠化河道、自流排水、磚石砌筑檢查井、各類管線溝、人防、隧道等有一定規(guī)模的地下空間體，這些空間體結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，在各類擾動作用，尤其是流水沖刷淘蝕下易形成大規(guī)模道路地下空洞體。城市道路塌陷預(yù)防檢測應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上述地下空間體與通道周邊道路。就城市一般道路而言，自流排水系統(tǒng)與道路塌陷的相關(guān)度最高，是導(dǎo)致道路塌陷的主要成因，抓住了排水問題就抓住了道路塌陷問題的關(guān)鍵。


     （2）一般情況下，車載雷達(dá)地毯式探測可以發(fā)現(xiàn)潛伏于地下埋深不超過3米的已經(jīng)形成一定規(guī)模的空洞體、疏松體、富水體或脫空。對已經(jīng)形成塌陷苗頭地下病害體能夠及時發(fā)現(xiàn)，具有重要意義。然而，形成有現(xiàn)實塌陷隱患的病害體是一個由小到大、不斷積累、由量變到質(zhì)變的過程，探地雷達(dá)對于埋深較大、規(guī)模較小的地下病害體，或者引發(fā)這些病害的管道病害難以發(fā)現(xiàn)。因而，采取綜合方法，將道路病害檢測技術(shù)與管道檢測技術(shù)相結(jié)合，可以互為補(bǔ)充、相互驗證，既可以提高資料解釋的準(zhǔn)確性，也可以更早的發(fā)現(xiàn)誘發(fā)道路塌陷的管道隱患，進(jìn)而采取措施將這些隱患消滅在萌芽中。


     （3）北京市自2012年開展全市地下管線消隱和道路大修五年滾動計劃項目。其目的是實現(xiàn)地下管線隱患排查消隱與道路大修工程同步實施，工作內(nèi)容包括管線單位建立五年的結(jié)構(gòu)性隱患排查信息數(shù)據(jù)、道路部門建立五年的道路大修數(shù)據(jù)庫，通過進(jìn)一步落實“管路互隨”理念，動態(tài)提升“管”“路”施工計劃匹配率，促進(jìn)地下管線消隱工程與道路大修工程同步實施，逐步減少反復(fù)開挖道路的“馬路拉鏈”、減少“馬路拉鏈”施工互害。通過該項工作的實施，全市百公里地下管線事故由2011年的8.70起下降至2016年的1.55起；2014年以來，共有66條道路大修與77項地下管線消隱工程同步實施，減少了路面反復(fù)開挖的“馬路拉鏈”現(xiàn)象。2012年以來，地下管線自身結(jié)構(gòu)性隱患事故數(shù)量下降了69%，由地下管線結(jié)構(gòu)性缺陷引發(fā)的道路塌陷同步大幅減少。


    （4）城市道路與地下管線管理是一典型的復(fù)雜系統(tǒng)工程、社會工程、科技工程，但長期以來呈現(xiàn)出碎片化的狀態(tài)。北京市的經(jīng)驗表明，樹立政府部門、管線權(quán)屬單位間的“合作治理”理念，系統(tǒng)分析城市道路病害與地下管線病害產(chǎn)生的原因、城市道路病害與地下管線病害的關(guān)系，系統(tǒng)的分析城市道路病害檢測技術(shù)與地下管線病害檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)與互補(bǔ)關(guān)系，統(tǒng)籌道路病害與地下管線病害隱患排查，統(tǒng)籌城市道路病害與地下管線病害治理，可有效降低道路塌陷事故與地下管線事故。


       管路互隨、路管互隨，保障城市安全運(yùn)行，保障人民群眾生命和財產(chǎn)的安全！



來源：中科管道

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