城市道路地面塌陷隐患识别方法研究

范 珏

上海市地矿工程勘察院（上海市水文地质工程地质队） 上海 200072

随着城市化建设进程的不断推进，城市道路地面塌陷已成为当前突出的问题。据中国地质调查局最新统计，2000年以来，国内已有90多个城市发生地面塌陷灾害共计1 500起[1]。另据不完全统计，上海市地面塌陷案例自2003年起共发生96起。这类事件给城市运行安全带来了新的难题，并造成了人民生命财产的重大损失。

2020年1月19日，青海省西宁市南大街长城医院前发生地面塌陷，一辆行驶的公交车陷入其中，事故造成10人死亡，17人受伤。

2019年8月28日，杭州地铁5号线宝善桥站—建国北路站联络通道施工时发生渗漏水，造成路面坍塌，附近公交车站变形明显。

2018年2月7日，佛山地铁2号线绿岛湖—湖涌盾构区间工地突发透水，导致隧道管片变形及破损，引发佛山市禅城区季华西路一环桥底东往西方向路面发生长逾30 m的路段塌陷，造成11人死亡，8人受伤，1人失联。

城市地面塌陷会造成交通中断、地表建筑坍塌，并危及过往行人、车辆的安全，造成严重的生命财产损失和恶劣的社会影响。因此，运用高效、快速的识别方法提前识别地面塌陷隐患，提前给出预警，减少和避免地面塌陷事故的发生，已成为当前迫切需要。

1 地面塌陷的形成原因

塌陷是指地表岩层、土体在自然或人为因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一种地质现象。根据笔者查阅的资料[2-3]和近年来参加上海市突发性地质灾害隐患勘查与防控项目所获得的相关案例，经统计分析，其发生原因一般可归结为内在原因和外在因素，但在多数情况下，是二者共同作用的结果。

1.1 内在原因

不良地质条件是地面塌陷形成的内在原因。城市道路下方可能存在软土、较厚的填土、天然溶洞以及部分废弃的防空洞等，洞穴和复杂地基是形成各类地面塌陷隐患的基础条件。

另外，由于水的动力（渗流）作用，在流动过程中潜蚀路基土体，使路基土体松散，形成空洞，继而引发地面塌陷。

1.2 外在因素

1）地下管道结构缺陷。城市地下管线是城市运营的生命线，城市路面下方有不同种类的管线，如排水管、供水管、污水管等。由于年代久远、材质老化，管道可能存在变形、破裂，接口损坏、错位等情况。管道发生渗漏后，带走周边土颗粒，发生流砂现象，形成空洞，在地面车辆等荷载的作用下，路面发生变形失稳，直至地面塌陷。

2）基坑和地下隧道施工等影响。随着城市建设力度的不断加大以及对土地资源的节约集约需要，导致地下空间的开发利用也在不断增加。在基坑开挖、降水时，卸荷会引起坑底土体产生以向上为主的位移，同时也引起围护墙在两侧压力差的作用下产生水平向位移，继而引起墙外侧土体的位移，并引发周边局部地面沉降和地面塌陷。地下隧道施工时，由于应力传递和变形，上覆土层状态发生变化，若没有采取支护措施或支护强度不够，就容易出现地层失稳，从而引发地面塌陷[4]。另外，完成地下结构施工后将进行上部结构土建施工，受基坑施工引起周边土体松弛的后续变形、承压水减压后周边土体固结、上部建筑荷载逐渐增加等综合因素影响，也会引发地面塌陷。

3）其他因素。降雨量的多少、地表水系的发育情况、路面车流量及超载情况等也会对地面塌陷的发生造成一定的影响。

2 地面塌陷隐患识别方法

地面塌陷的形成是由多种因素共同作用下的结果。地面塌陷隐患存在隐蔽性、突发性、群发性和复发性等特点[5]。为预防和减少灾害的发生，需对隐患进行提前识别，及早发现塌陷隐患区域，研究掌握隐患分布规律和发展趋势，并采取必要的应对措施。

近年来，针对地面塌陷识别方法的研究有很多[6-7]，其中物理探测是一种方便快捷的方法[8]，然而单一的物探方法容易出现多解现象。笔者与工作团队结合上海市突发性地质灾害隐患勘查与防控项目，在上海地区多个地面塌陷案例探测实践中，通过多种方法相结合，相互验证，对地面塌陷开展实际探测识别应用研究，提高探测识别效率，使得探测结果更准确，对地面塌陷隐患预警和防范具有显著的指导意义。

2.1 三维激光扫描

三维激光扫描系统是目前国际上先进的、获取地面空间多目标三维数据长距离影像的测量技术，能够完整并高精度地重建、扫描实物，快速获取原始测绘数据。系统采用非接触式测量手段，深入到复杂、危险的现场环境和空间中进行扫描操作，快速采集沉陷、开裂等隐患特征，获取隐患区域逆向三维海量点云数据，再进行拼接、删除、去噪等数据处理，构建地面塌陷三维模型及点、线、面、体等各种几何数据，并进行多种后处理工作。

系统可对地面塌陷隐患区域现场实现海量三维激光扫描点云的快速实时拼接、建模，对道路及周边环境进行变形分析，结合多次扫描成果，绘制整个变形区域的多次二维沉降等值线图，直观判断数据变化趋势，评估地面塌陷隐患的发展态势。

2.2 探地雷达

探地雷达是一种无损探测技术。根据地下介质的电性差异，利用天线向地下发射电磁脉冲，并接收由地下不同介质界面的反射波，通过分析反射波的特征和路径时间，可以分析判断地面塌陷范围、埋深和地下土体类型等。

随着科学技术的不断创新，探地雷达也不断地从单通道到多通道、二维到三维、人工拖拽到车载方式进行转变。传统的探地雷达为二维雷达，雷达天线沿着测线x轴移动时，会产生一系列一维数据，构成二维数据集，接收信号幅度用图像描述时即为二维图像。二维雷达设备轻便、技术成熟、图像直观、分辨率高，主要针对隐患区域进行详细探测。

三维地质雷达是近几年发展起来的一项新技术，可以设置多通道同时采集数据，可搭载车辆进行高密度、快速探测，适应性强，抗干扰能力强，具有较高的探测精度和分辨率。

三维车载雷达数据采集快速、工作效率高，探测时满足一定的车载速度要求，基本不影响道路交通，适用于城市道路地面塌陷隐患普查工作。

2.3 管道潜望镜

“窥无忧”管道潜望镜是一种管道快速检测设备。它通过可调节长度的手柄将高放大倍数的摄像头放入人井或隐蔽空间，快速检测管道堵塞、变形、错位等状况，掌握管道缺陷位置，分析隐患成因，为物探图像解析提供指导，适用于不同管径及作业条件下的管道缺陷检测。

3 工程实践案例

3.1 案例1

2018年7月，在上海某路段开展巡查工作时，发现该处有直径约15 cm的地面塌陷点。为查明塌陷隐患的范围、地下影响深度等，结合道路情况、周边地质环境和地质条件，决定选用探测效率较高的二维地质雷达进行探测，在塌陷点附近区域布设东西向地质雷达测线8条，每条测线长50 m。测线布置如图1所示。

图1 地面塌陷点现场测线布置示意

经二维地质雷达探测，在塌陷点附近共发现地面塌陷隐患5处（图2、图3是塌陷点下方处的雷达图像）。

图2 LD1-1地质雷达探测成果

图3 LD1-2 地质雷达探测成果

图2中测线LD1地质雷达图像在水平位置4.0～14.5 m处的电磁波同相轴明显起伏，水平位置2.0～11.0 m、深度3.4 m处的电磁波出现明显的强反射，推测可能存在地下空洞，其中一处正好是地面塌陷的位置，现场塌陷的直径约20 cm。经现场调查、勘察，该路段下埋设有φ300 mm的雨水管，经管道潜望镜探测，发现塌陷点对应位置下方的雨水管已经破损（图4），推测空洞是由于管道破损渗水造成水土流失而形成的。管道潜望镜的成果佐证了二维雷达的探测结果，使探测成果更具参考意义。

图4 φ300 mm雨水管破损照片

通过地质雷达与管道潜望镜相结合，可以有效识别地面塌陷的范围、位置和深度，查明管道破损或脱节情况，相互验证成果的准确性，可以为相关单位后续开展城市路面和管道修复工作提供有效依据。

3.2 案例2

2020年10月，在上海市静安区某路段开展地面塌陷隐患巡查工作时，发现路面出现局部凹陷。经对此处地质条件进行调查，发现该处②3层浅部砂层土发育较厚且渗透系数较大，加上近日降水量较大引起管道排水量增大，使土体流失速度变快，路基承载力急剧下降，路面凹陷程度不断变大，若不及时采取相应措施，极易发生地面塌陷。结合现场情况和调查结果，决定采用多种手段相结合，对隐患进行排查、识别。

1）三维激光扫描监测。首先采用三维激光扫描仪对此处进行扫描，形成路段曲面模型（图5），从图5可见此处路面凹陷量较大。

图5 路段曲面模型

2）三维探地雷达普查与二维探地雷达详查。根据三维激光扫描成果，在隐患区域适当向外扩大一定区域，开展了二维探地雷达及三维地质雷达探测，共布设三维探地雷达测线9条，二维地质雷达测线6条（图6），探测成果如图7～图11所示。通过三维雷达和二维雷达成果图，可以清晰地看到在凹陷点周围存在3处隐患点：东侧隐患点1，面积约1.23 m2，深度约0.06 m；西侧隐患点2，面积约2.50 m2，深度约0.24 m；南侧隐患点3，面积约2.36 m2，深度约0.41 m。

图6 雷达探测平面布置

图7 三维雷达探测成果一

图8 三维雷达探测成果二

图9 三维雷达探测成果三

图10 二维雷达探测成果一

图11 二维雷达探测成果二

3）管道潜望镜检测。用管道潜望镜对凹陷点附近管道进行检测，发现雨污水管道存在4级破裂，管道变形，管壁材料脱落，渗水严重（图12、图13）。

图13 管道坍塌

根据上述探测结果，立即与市政管理中心联系，建议相关市政部门尽快设置围挡，对该处管线进行修复，并加固路基路面，同时在降雨量密集的时段加大对大口径雨污水管沿线路段的管道巡查力度。

在该案例中，由于在发现地面塌陷隐患时就通过多种隐患识别手段相结合的方法，准确掌握了隐患范围、规模及发展趋势，并及时和道路管理部门取得联系，采取了防治措施，因此有效避免了对过往人员和车辆造成的伤害。

4 结语

1）综合运用三维激光扫描仪、三维地质雷达、二维地质雷达、管道潜望镜等先进设备，相互结合、相互验证地进行隐患识别，能快速、准确地查明地面塌陷隐患趋势、范围，对城市地面塌陷隐患预警具有指导意义。

2）从地面塌陷发生因素可看出，根据地质条件科学合理地规划城市地下管线，并采取优选管材、规范施工、合理维护、系统监控等措施，可降低地面塌陷的发生概率。

3）城市地面塌陷破坏性大、影响因素复杂，已不再是单个部门的职责，各相关部门应建立部门联动和信息共享机制，实现统一协调管理，在监测单位发现地面塌陷前期征兆时，及时提出预警，及早防治，避免灾害的发生。