01 前言

      通过对城市道路塌陷历史事件的回顾和分析，总结城市道路塌陷事故成因可概括为以下四个方面：一是施工扰动，包括深基坑施工、地铁施工扰动、施工降水、地下管线施工等；二是管线因素，包括地下管线及检查井老化渗漏、断裂坍塌；暗渠、管沟盖板断裂、墙体坍塌渗漏；人防等设施老化等；三是水文地质条件，包括地面不均匀沉降、城市内涝、湿陷性黄土与地下水波动、软土地基、溶洞、古墓垮塌、断裂破碎带等；四是道路荷载，机动车保有量快速增长、道路改扩建导致非机动车道变机动车道、施工占压等。城市道路塌陷灾害的现场调查表明，一般城市道路的塌陷灾害与城市地下管线直接相关并在空间上紧密伴生，城市道路塌陷事故与地下管线事故相伴相生，如影随形！

02 城市道路塌陷事故为什么反复发生

     （1）城市地下管线与城市道路相伴相生，如同鱼水关系（图1）。城市道路作为地下管线载体，两者相互依存，相互影响，无论谁发生病害均会给对方造成不利影响。地下管线一般处于道路结构层下，当道路承载力不足、路基失稳、沉降、位移、塌陷可以引发或加剧管线病害。反之，地下管线病害，例如：带水带压管线跑冒滴漏；雨污水管线发生破损、暗渠化河道老化；管道沟盖板断裂、检查井渗漏等都会导致路基土体流失，形成疏松、富水、空洞等情况。  

图1 城市道路示意图

    （2）城市道路地下空洞探测，车载探地雷达探测因其快速高效是目前城市道路地下空洞探测的首 选方法，能够发现埋藏深度较浅，有一定规模的地下空洞体，对于大型社会活动前道路安全保障意义重大。受城市道路复杂地球物理条件的影响，探地雷达有效探测深度和分辨率具有一定局限性，对埋藏较深、规模较小，或是导致地下空洞体形成的其他病害（如地下管道病害、地下空间设施病害）在发育初期难以发现。在检测周期之间，在各类施工扰动、道路荷载和水位升降、流动等多种因素影响下，这些病害不断发育、发展，积累到一定程度就会再次发生道路塌陷。

03 城市道路病害对地下管线的影响

      道路结构可简单分为路基和路面。路面分为刚性路面和柔性路面两大类，前者以水泥混凝土路面为代表，后者以沥青路面为代表。路基的断面型式有路堤路基（图2）、路堑（图3）、半填半挖路基（图4），从材料方面路基可分为土路基、石路基、土石路基三种。    

图2 路堤

图3 路堑

图4 半填半挖

3.1道路结构层作用及病害成因分析  


3.1.1道路结构层作用  


    （1）面层是直接同行车和大气相接触的层位，承受行车荷载引起的竖向力、水平力和冲击力的作用，同时又受降水的侵蚀作用和温度变化的影响，因此面层应具有较高的强度、刚度、耐磨、不透水和高低温稳定性，并且其表面层还应具有良好的平整度和粗糙度。    


    （2）基层是介于面层和垫层之间的层位，基层是路面结构中的承重层，主要承受车辆荷载的竖向力，并把由面层下传的应力扩散到垫层和路基。基层应具有足够的抗冲刷能力、较大的刚度，抗变形能力强且坚实、平整、整体性好。同时，基层还应有足够的水稳定性，以防止湿软变形，导致面层损坏。 


    （3）垫层的作用为改善土基的湿度和温度状况，保证基层的强度稳定性和抗冻胀能力，扩散由基层传来的荷载应力，以减小路基所产生的不均匀变形，在路基湿度、温度状况不良时设置。


3.1.2道路病害成因  

    （1）当车辆荷载作用在路面上，使路面结构内产生应力和应变，如果路面结构整体或某一结构层的强度或抗变形能力不足以抵抗这些应力和应变时，面层便出现开裂或变形。同时，面层暴露在大气中，受到温度和湿度的周期性影响，会出现老化，加剧面层开裂或变形。面层开裂、变形可致使路面的使用功能逐渐丧失，面层开裂透水还会影响路基含水量，导致路基富水和土体流失。


    （2）车辆超载、拉链马路对基层、垫层的整体性影响大，导致基层、垫层整体性和承载力不降低，引发或加剧面层变形开裂、路基不均匀沉降。


    （3）城市道路路基多为土路基。土可分为砂性土、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；粘性土易产生塑性变形和不均匀沉降。当发生面层透水、基层和垫层整体性降低、地下水位变化、管道破损等，均会导致或加剧路基富水、疏松、沉降或土体流失。    


3.2路基病害对地下管线的影响  

      一般城市道路路基以土路基为主，地下管线基本埋设在土基范围内。面层、基层、垫层病害可引发或加剧路基病害，路基病害直接作用于地下管线，直接引发地下管线病害或加剧地下管线病害发展。


3.2.1路基沉降偏移  


      路堤路基、路堑路基易发生下沉，路基下沉力量巨大，尤其是路基不均匀沉陷，将引起管道纵向偏移、竖向偏移。半填半挖路基还易发生滑坡，滑坡会导致管道侧向偏移。管道偏移包括纵向偏移、竖向偏移、横向偏移，最常见的是上述三种偏移的复合，称为复合偏移。沉降和偏移将引起管道纵向、横向受拉，当拉应力、剪切应力超过管体强度，便使管道发生脱节、错口、断裂。   


3.2.2路基疏松富水  


      管道埋设路基土壤中，理想状态下管道与周边土壤共同作用形成稳定结构承载来自于土壤自重、路面荷载的作用力——管土作用。当路基土体疏松、富水、土体流失形成空洞体或土质太差、水位变化等，均会导致管道周边支撑不足、不均匀，管土作用部分或全部失效，进而导致管道变形、开裂等。    

04 地下管线病害对道路的影响

4.1地下管线病害成因  


4.1.1管道本体  


    （1）钢管、普通铸铁管、砼管在污水等环境下易腐蚀穿孔、管体强度降低；给排水塑料管线，尤其是排水波纹管强度不高，易变形；陶瓷管、石棉管受冲击易碎裂。


    （2）承插式管道易产生接口材料脱落、脱节、错口，对排水管道企口、平口连接尤为明显。对于焊接、法兰连接，连接处也是管道的薄弱环节。


4.1.2管沟  

      管沟多为砖石砌筑，砌筑砂浆强度不高，一般无外抹面，易产生渗漏。盖板多为预制板，整体性较差、强度不高、接缝处易产生渗漏，遇重载荷盖板易断裂。


4.1.3检查井  

      检查井多为砖石砌筑，病害成因复杂。一方面，砌缝砂浆强度不高，一般无外抹面，易产生渗漏，检查井内抹面易于腐蚀、脱落；另一方面检查井受车辆荷载冲击、检查井与路面差异沉降易发生检查井沉陷以及井周路面破损。通过参考文献和现场调查可知，检查井井周路面破损多发生在井周 500 mm 范围内（图5）。  

图5 井周破损

    （1）差异沉降的原因是由于井砌体本身与井周路面路基、井周路面路基与周边道路路面路基抗压强度、弹性模量等物理力学性能指标不协调（图6）。

图6 井周结构

    （2）检查井受汽车荷载冲击受力分析见图7 ，汽车荷载作用位置见图 8 。车辆荷载由 -1 250 mm 位置驶入，沿 X 轴方向向前行驶，到达1 250 mm 位置，车辆荷载移动过程中不同位置应力会发生变化。

图7 受力分析点位置图

图8 汽车荷载作用位置示意图

      车辆荷载从进入检查井周边到离开的过程中，砌体井身上不同点（ A 、 B 、 C ）的压应力先由小变大，然后又由大变小，当车辆荷载作用在井座中心位置时， C 点还出现了小幅的拉应力（图9）。

图9 不同汽车荷载位置时井身砌体压应力图

      车辆荷载从进入检查井周边到离开的过程中，砌体身上不同点（ A 、 B 、 C ），砌体边缘道路面层中竖向分布的不同点（ D 、 E 、 F ）的剪应力变化见图 10 ，不同点都经历了 2 次反复剪切的作用。

作用位置时砌体井身剪应力图

    （3）由于砌块之间砂浆材料的抗压强度要远小于沥青混凝土的抗剪强度，在车辆荷载的循环作用下，砂浆材料极易破碎，导致井座下沉，所以砌体井身的破坏将优先于沥青混凝土面层发生。井座下砌体井身发生破坏后，井圈周围的沥青混凝土面层将成为一个悬臂结构，在车辆荷载的作用下，悬臂结构的沥青混凝土面层将出现裂缝，裂缝一般沿井周呈圆形或者放射状。井周路面破损与检查井沉陷相互影响和伴随，但绝大多数情况下，井周路面破损的发生多是由于检查井自身沉陷引起的后期病害表现形式。


4.2地下管线与检查井病害对道路的影响  


    （1）含水管道出现腐蚀穿孔、变形开裂、接口材料脱落、脱节、错口会导致管道周边路基富水，土体强度降低，水流还会冲刷、淘蚀管道周边土体。


    （2）检查井产生渗漏、井周路面破损和沉陷之后，井座与路面结合处、井体与管道结合处、井体砌缝等成为薄弱环节。雨水、喷淋水、绿化水等通过路面裂缝渗入地基和检查井，管道水、地下水随水位变化通过井体裂缝流入流出检查井，浸泡、淘蚀检查井周边路基土体。


    （3）排水自流管道、各类管沟与检查井出现破损、渗漏，为水土流失提供了通道和空间，导致或加剧路基、路面病害，长期发展就会形成导致道路塌陷的地下空洞体。

05 地下管线施工与道路病害的关系

5.1地下管线开挖施工  


    （1）地下管线开挖施工又称为拉链马路，其成因主要有三方面：一方面是由于条块管理，市政道路设施、各类地下管线分属不同管理部门或权属，设计、施工、管理运营维护难以协调统一；另一方面，道路设计使用年限、不同管线使用年限不同，维修改建周期不同；还有就是随着城市快速发展，原有道路或某些地下管线等基础设施不能满足需求需要扩建。    

    （2）现状道路新建、改建、扩建地下管线开挖施工，是“拉链马路”的主要原因。根据相关规范要求，城市道路开槽应采用坡度开挖，这是因为坡度开挖道路恢复后面层、基层、垫层与原路基部分重合，可以分散路面荷载。但受作业空间限制，一般均采用直槽开挖，直槽开挖对周边路基扰动大、回填压实较困难，道路恢复后的面层、垫层、基层与原路基完全独立，更易导致新老路基结合部产生差异沉降。

5.2地下管线非开挖施工  


    （1）地下管线非开挖施工过程中的扰动会造成土体应力重新分布和位移，若土体中含有地下水，还会引起地下水排出，土体颗粒从新排列，如采用顶管施工还会引起前方土体隆起。另外，非开挖施工孔洞直径大于管道直径，导致土体损失，如施工不当还会发生冒顶，形成大小不等的疏松、空洞。

    （2）施工后，受扰动和损失的土体会发生再固结而引起地面沉降或道路塌陷。

    （3）非开挖施工沉降程度与土体、地下水损失大小，顶进过程中注浆压力大小，管径大小、埋深以及施工结束后是否进行了注浆回填有关。

5.3检查井施工  


      现状道路新建、改建地下管线检查井施工，受开挖作业空间限制，井周回填压实较困难，道路恢复后的检查井周边路面、路基抗压强度与井体、原有道路均有差异，极易产生差异沉降。    

06 典型城市道路塌陷事故成因统计

6.1郑州市  


据郑州市市政工程管理处统计，2013至2018年郑州市道路塌陷的成因包括污水管道结构性缺陷、雨水管道结构性缺陷、供水管线漏水、管沟盖板断裂、人防巷道损毁和路基不实，其中管线因素为主要成因，具体见表1：            

郑州市道路塌陷成因统计表         表1

6.2深圳市  

据深圳市地质环境监测中心统计，2013年至2017年深圳市道路塌陷成因包括管道、暗渠化河道、地铁施工、深基坑施工、软土路基沉降、地下空洞、工程质量和其他不明因素，其中管道与暗渠化河道为主要成因，具体见表2：

07 总结

    （1）单一的面层承载力不足、透水，基础与垫层稳定性不足，路基回填不实等，一般不会发生大面积、大深度的突然塌陷与恶性事故。当城市道路下埋设有暗渠化河道、自流排水、砖石砌筑检查井、各类管线沟、人防、隧道等有一定规模的地下空间体，这些空间体结构发生损坏，在各类扰动作用，尤其是流水冲刷淘蚀下易形成大规模道路地下空洞体。城市道路塌陷预防检测应重点关注上述地下空间体与通道周边道路。就城市一般道路而言，自流排水系统与道路塌陷的相关度最高，是导致道路塌陷的主要成因，抓住了排水问题就抓住了道路塌陷问题的关键。


     （2）一般情况下，车载雷达地毯式探测可以发现潜伏于地下埋深不超过3米的已经形成一定规模的空洞体、疏松体、富水体或脱空。对已经形成塌陷苗头地下病害体能够及时发现，具有重要意义。然而，形成有现实塌陷隐患的病害体是一个由小到大、不断积累、由量变到质变的过程，探地雷达对于埋深较大、规模较小的地下病害体，或者引发这些病害的管道病害难以发现。因而，采取综合方法，将道路病害检测技术与管道检测技术相结合，可以互为补充、相互验证，既可以提高资料解释的准确性，也可以更早的发现诱发道路塌陷的管道隐患，进而采取措施将这些隐患消灭在萌芽中。


     （3）北京市自2012年开展全市地下管线消隐和道路大修五年滚动计划项目。其目的是实现地下管线隐患排查消隐与道路大修工程同步实施，工作内容包括管线单位建立五年的结构性隐患排查信息数据、道路部门建立五年的道路大修数据库，通过进一步落实“管路互随”理念，动态提升“管”“路”施工计划匹配率，促进地下管线消隐工程与道路大修工程同步实施，逐步减少反复开挖道路的“马路拉链”、减少“马路拉链”施工互害。通过该项工作的实施，全市百公里地下管线事故由2011年的8.70起下降至2016年的1.55起；2014年以来，共有66条道路大修与77项地下管线消隐工程同步实施，减少了路面反复开挖的“马路拉链”现象。2012年以来，地下管线自身结构性隐患事故数量下降了69%，由地下管线结构性缺陷引发的道路塌陷同步大幅减少。


    （4）城市道路与地下管线管理是一典型的复杂系统工程、社会工程、科技工程，但长期以来呈现出碎片化的状态。北京市的经验表明，树立政府部门、管线权属单位间的“合作治理”理念，系统分析城市道路病害与地下管线病害产生的原因、城市道路病害与地下管线病害的关系，系统的分析城市道路病害检测技术与地下管线病害检测技术的优缺点与互补关系，统筹道路病害与地下管线病害隐患排查，统筹城市道路病害与地下管线病害治理，可有效降低道路塌陷事故与地下管线事故。


       管路互随、路管互随，保障城市安全运行，保障人民群众生命和财产的安全！



来源：中科管道

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