实施常规化地下空洞探测，预防城市道路塌陷事故

李 强

(雷迪有限公司，上海200051)

一、城市道路塌陷事故频发

近年来，各城市道路塌陷事件频繁发生。根据不完全统计，北京、大连、哈尔滨、深圳、广州、南京、合肥、长沙、南宁、太原等近年来都出现过城区道路塌陷事件，轻则影响交通，重则造成死伤，造成生命财产的重大损失。

以北京市为例，据统计，2007年发生道路塌陷事件54起，2008年发生道路塌陷事件94起，2009年发生道路塌陷事件129起，道路塌陷事件呈逐年递增趋势。由于道路车流、人流稠密，更由于塌陷的发生在时间、地点、规模和影响方面的不确定性，势必对道路交通和人民生命财产形成不可预计的安全隐忧，解决道路塌陷问题已经刻不容缓。

二、道路塌陷的成因

道路塌陷主要是由地下空洞造成的。形成地下空洞的成因主要为超采地下水、采空区、道路覆土不实、施工扰动和地下管道泄漏等几个方面。

1.超采地下水形成地下空洞

由于地下水、油气、地热等开采活动造成的深层地下水过量开采，地下水收支平衡遭到破坏，地下水位持续下降，形成地下水降落漏斗(向下凹陷的、形似漏斗状的承压含水层)。地下水降落漏斗破坏了承压含水层上方的覆盖层土体的原始受力状态，造成覆盖层潜蚀，从而产生大范围、大面积的地下空洞。位于地下水降落漏斗区内的城市，多发地下空洞、道路塌陷等灾害。

全国已形成区域地下水降落漏斗100多个，面积达15×104km2，华北平原已经形成了跨冀、京、津、鲁的区域地下水降落漏斗，有近7×104km2的地下水水位低于海平面。全国有46个城市由于超采地下水而发生了地面沉降:上海市、天津市、太原市的沉降中心累计最大沉降量超过2 m，天津塘沽个别点最大沉降量已达3.1m;由于过量开采地下水，河北平原、陕西西安、山西大同和江苏苏锡常等地区已经发生地裂缝，对城市基础设施建设构成严重威胁;西安市形成了7处比较大的水位漏斗区，出现了11条较大的地裂缝;河北省的平原区目前已发现地裂缝482条，影响到7个市近70个县。

2.煤矿采空区形成地下空洞

在山西、陕西、唐山等主要煤产区，长期高强度的煤炭开采使地下矿体层形成巨大的地下空洞，出现大范围的采空区。采空区不仅会导致地下水枯竭、生态环境恶化，还会使房屋受损、道路塌陷。山西全省15×104km2的土地，采空区近3×104km2，其中大同、吕梁等地已出现了多个不宜居住的村庄。邻近煤矿矿区的城市，由于采空区和地下水降落漏斗的双重作用，更易形成地下空洞、出现道路塌陷灾害。

3.岩溶形成地下空洞

在岩溶发育地区，地下水位的季节性及临时性(降雨)变化，岩溶水位下降，岩溶上方覆土层土体失稳，形成空洞。

4.施工扰动形成地下空洞

地铁、电力/热力/排水管沟、防空洞、地下建筑等大型地下工程施工多采用盾构、顶管、浅埋暗挖等作业方法，造成作业区周围及上部土层的剧烈扰动，地下水渗出并带走大量泥沙，水土流失，道路下方土层脱空，从而形成地下空洞，甚至在施工过程中直接导致道路坍塌。此外，在地下工程施工中抽排水也会导致水土流失、破坏土层原有平衡状态，形成地下空洞。

近年来，全国多个城市掀起大规模修建地铁风潮，南京、广州、北京、武汉、南宁、深圳等地在地铁修建过程中均出现过多次道路塌陷事故。

5.路基回填不实形成地下空洞

在道路或地下管线(铺设、修复)施工后，施工单位偷工减料、违反工序、违规操作，在回填时夯实和碾压的程度不够，造成道路路基土体松散、不够稳定，在外力作用下易发生路面沉降和地下空洞现象。不实填土在遇到车辆震动加强和强降雨时，由于路面承载力不够，以及雨水侵蚀作用加剧水土流失，容易形成地下空洞和道路塌陷。

根据北京市的统计，道路塌陷事件多发于车行道上，仅少数发生在人行道上，表明道路载荷对道路路基稳定性有较大影响。另外，道路塌陷事件多发于雨季，北京市多发于7—8月主汛期，降雨对道路路基稳定性也有较大影响。如图1所示。

图1 北京市路面塌陷年内时间分布图

6.地下管线泄漏形成地下空洞

排水、给水、热力、燃气等地下管线因长久遭受腐蚀及承压不均易出现断裂、穿孔等故障，发生管线泄漏，泄漏的水流或气流不断冲刷周围土层，带走周围泥沙，在漏点附近形成地下空洞。这种情况下，往往伴生地下管线悬空以致断裂现象，发生地下管线运行故障。

在几类地下管线中，尤其值得重视的是排水管道，由于排水管道是自流管道，一般对管段接口、管材和安装质量要求不高，在地面载荷加大和其周围水土流失的条件下，容易出现接口错位、塌陷等故障，泥沙灌入排水管道，引发周围土层移位，形成空洞。据日本国土交通省国土技术政策综合研究所于2012年发表的调查报告显示，全日本范围内，每年因排水管道等原因引发的道路塌陷事件，约有4000件，东京大约每年有1000起左右;由排水管道泄漏引起的地下空洞占全部空洞的40%～60%，其余的则多是地铁等大型地下设施施工造成的地下空洞。

2006年1月3日，北京东三环路京广桥东南角辅路污水管线发生漏水事故，导致三环路南向北方向部分主辅路塌陷，成为著名的道路塌陷事件(如图2所示)。

图2

2012年8月9日—17日，哈尔滨9天时间发生的7起道路塌陷事件中，有3起是由于8日一场急雨引起排水管线泄漏所致，强降雨造成土质沉降，致使老旧的排污管线断裂，最终导致地面塌陷。

2013年5月20日深圳龙岗区横岗街道红棉二路华茂工业园发生的道路塌陷事件，形成长12 m、宽6 m、深3～4 m的近椭圆形塌陷坑，事故原因为:地下排水暗渠由于年久老化造成管体坍塌道路坍塌，上方土体落入暗渠，形成空洞，最终发生道路塌陷。

供水管道的长期泄漏也会产生地下空洞。2013年3月26日，由于给水管道长时间漏水形成地下空洞，深圳福田区景洲大厦小区发生道路塌陷事件，一名小区保安坠入坑中，不幸身亡。

热力管道漏水引发的道路安全事故在北方时有发生。2012年4月1日，北京北礼士路物华大厦附近，由于热力管道泄漏，形成地下空洞，最终导致1人死亡。

三、道路塌陷的治理对策

2012年下半年以来，随着城市发展和地下市政设施建设项目增多，城市地下空洞和道路塌陷数量有所增加，成为影响城市公共安全的因素之一，备受社会关注。

2012年9月13日，北京市市委常委会召开专门会议研究治理城市道路塌陷问题。会议要求，要下决心建设好地下管网管理信息系统，加强对地下管线规划建设、运行维护、应急防灾的精细化管理，努力减少管线隐患引发道路问题;要结合城市网格化管理，组织专门力量，改进技术装备，对市政公用管线和道路设施进行常态巡查，探索开展重点道路地下空洞探测工作，提早发现问题，及时进行处置;要加强地下工程的施工管理，督促建设单位规范施工行为，减少施工对土基扰动的影响，减少因施工降水引发的道路安全隐患;要继续完善应急机制，强化部门间协同配合，确保道路塌陷事件得到快速有效的处置，杜绝恶性事故发生。

1.实施常规化的地下空洞探测和填补，减少道路塌陷事故

从地下空洞的成因可见，地下空洞的形成难以预防，完全杜绝地下空洞更是不现实。可行的解决方案是:未雨绸缪，实施常规化的地下空洞探测和填补工作，在地下空洞形成道路塌陷之前，通过检测已经形成的及正在扩大中的地下空洞并及时填补和修复地下空洞，来减少道路塌陷事件的发生、降低道路塌陷事件的损失。

20世纪80年代，日本东京也曾多发由地下空洞引发的地面塌陷事故。经过1987年银座道路塌陷事件后，日本政府认为“不调查地下空洞状况，就无法解决地面塌陷问题”。1990年，日本开始使用探地雷达探测技术在全国范围内进行地下空洞探测普查，进行道路养护管理。在东京，全部道路每5年用探地雷达巡检一回，重要道路则每年检测;排水管道管理部门也会同时检查排水管道状态，及时向道路管理部门提出维修意见。如发现地下空洞异常，道路管理部门将按照地下空洞的大小和危险程度实施加固工程，在发生塌陷前完成地下空洞的填补和修复。1990年前，东京每年发生大规模道路塌陷事件次数多达20～25次，但近年来却每年仅有1～2起大规模道路塌陷事件，使用探地雷达探测技术进行道路养护成效显著。

近年来，国内各个城市对地下空洞和道路塌陷问题的重视程度越来越高，纷纷开展了常规化、制度化的地下空洞检测。北京市自2008年以来开始利用探地雷达技术探测三环道路的地下空洞，至今已经形成巡检制度，有计划地普查市区全部道路，已经取得明显成效;太原市自2012年12月也展开使用探地雷达探测技术在主要道路上普查地下空洞。随着地下水降落漏斗的日益恶化，大范围的地下空洞探测已经刻不容缓。

2.实施常规化的排水管道病害检测和修复，消除地下空洞隐患

由排水管道病害引起的地下空洞占全部空洞的40%以上，是道路塌陷的重要成因。实施常规化的排水管道病害检测并及时修复较大的排水管道结构性缺陷，避免形成地下空洞，是消除地下空洞隐患的有效手段。

排水管道的结构性缺陷包括裂痕、裂缝、接头松脱、接头错位、管身断裂、穿孔、坍塌、破损、砂浆脱落、变形、砖块上下移位、砖块遗失等，是造成管道周围水土流失、形成空洞的主要原因。

CCTV管道内窥摄像检测、QS管道内窥镜检测、声纳探测是目前国际上用于管道状况检测最为先进和有效的手段。管道分析评估主要依据CCTV或声纳检测设备所拍摄的视频录像或断面扫描图像，对管道状况进行评价，最终得出管道总体状况，为管道的日常养护及可能的修复工作提供依据。之后利用翻转法等非开挖修复技术对排水管道结构性缺陷进行修复。

3.实施常规化的给水/热力管道漏水检测，

消除地下空洞隐患

给水管道/热力管道的漏水现象具有经常性和长期性的特点，漏水检测绝非一日之功，期望依靠一次检测解决漏损问题是不现实的，只有通过长期的经常性的检测才能有效地降低漏损。声波法通过探测压力管道漏水产生的声音或振动来定位漏点，具有非破坏性和非侵入性，是目前最常用最简便的漏水探测方法。一般采用由面到线再到点的检测方法，首先分区检漏发现漏损大的区域，再确定漏水发生管段，最后进行分精确定位锁定漏点。

4.加强施工质量管理和中间控制，减少道路塌陷事故

应加强地铁、电力/热力/排水管沟、防空洞、地下建筑等大型地下工程的施工管理，规范施工行为，减少施工对土基扰动的影响，在施工抽排水过程中注意保持周围土体的水土平衡，减少因施工降水引发的地面塌陷和地面沉降，注意防范强降水引发的水土流失灾害，注意石灰岩、软土分布区发生地面塌陷和地面沉降。

应加强道路或地下管线(铺设、修复)施工管理，规范施工行为，在回填时严格规范进行夯实和碾压，避免形成地下空洞和道路塌陷。

四、探地雷达在探测地下空洞中的应用

探地雷达(ground penetrating radar，GPR)是中浅层目标体的有效探测设备，采用电磁波方法探测具有电性差异的两种地下介质的分界面。GPR探测利用反射、速度测距、层析成像3种基本方法:发射天线在地面以宽频带短脉冲的形式向地下发射高频电磁波，入射波在存在介电性差异的两种介质的分界面(地层界面或目的体)产生反射波，接收天线可接收记录反射波的波形、振幅及到达时刻(双程走时)，并以雷达图像的方式显示探测结果;根据测量的双程走时和波速计算出目标体深度;连续测量剖面各点的反射波，形成雷达图像。如图3所示。

图3

探地雷达以反射波波形的形式来反映地下目标体的特征。目标体与周围土壤介质有足够的电性差异(导电性及介电性)，就会产生反射波。不同形状的目标体的反射波形具有不同的特征。由于空气的介电常数为1，周围土壤的介电常数约为9，地下空洞与周围土壤的介电常数差异明显，能够在两者交界面处产生明显的反射波，因此探地雷达能够有效探测出地下空洞。

地下空洞的波形特征表现为:本应连续的地层同相反射波组出现中断、不连续现象;由于内充空气，空洞中的反射波强度变弱，甚至脱空部分的反射波组消失;空洞与周围地层的反射波组特征差异明显(如图4所示)。

图4

2013年4月，笔者所在单位在北方某市进行了地下空洞的探测试验，地下空洞的典型数据如图5所示。

图5

实践证明，在合适的条件(空洞周围的土壤较为干燥且均匀，地表较为平坦)下，探地雷达能够有效地探测出地下空洞的分布范围和深度，探地雷达探测地下空洞是行之有效的方法;一般地，探地雷达适用于探测洞顶埋深在3 m之内的浅层地下空洞，最大洞顶埋深不超过5 m，深层地下空洞需采用其他物探方法探测。

五、结束语

主动性地实施常规化的排水等管道的病害检测和修复以消除地下空洞隐患、实施常规化的地下空洞探测和填补以减少道路塌陷事故，是目前在人力可控范围内治理道路塌陷有效、可行的方法。

［1］宋谷长，叶远春，刘庆仁.北京市城市道路塌陷成因及对策分析［J］.城市道桥与防洪，2011(8):250-252.

［2］程久龙，胡克峰，王玉和，等.探地雷达探测地下采空区的研究［J］.岩土力学，2004，25(Z1):79-82.