城市道路塌陷成因分析及精細化預防處理措施

童景盛，李菊紅，周志華

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

隨著城市化進程的快速發展，地下空間規模被不斷開發利用，城市道路塌陷災害事故也隨之而來，頻繁發生。特別是近幾年，城市道路塌陷災害進入集中爆發期，大范圍、高頻次、導致多人死傷的惡性塌陷事故接連發生，造成了重大的生命財產損失和惡劣的社會影響，直接威脅到城市的和諧和可持續發展。其中，深圳、鄭州、北京、武漢、蘭州等城市的道路塌陷事故較多。2013～2018 年期間，以上城市見諸媒體不完全報道的道路塌陷事故數量統計如下：

（1）深圳市共發生地面塌陷事故1 103 起。其中，2015 年124 起，2016 年213 起，2017 年238起，2018 年截至目前，共發生地面塌陷73 起，其中僅5 月份就有25 起。

（2）鄭州市共發生地面塌陷事故250 余起。其中，2016 年83 起，2017 年72 起，2018 年至今已發生地面塌陷事件45 起。

（3）北京市和武漢市發生地面塌陷事故分別為40 余起和34 余起。

（4）近六年間，經媒體報道的蘭州市地面塌陷災害110 余起。其中，2016 年19 起，2018 年至今已發生20 余起。根據本次調查的可靠數據統計，2013年至今蘭州市內實際已發生各類地面塌陷事件約298 起。塌陷實圖如圖1 所示。

圖1 道路塌陷實圖

2 道路塌陷分類統計及規律

2.1 城市道路塌陷類型

歸納蘭州市城市道路塌陷變形的分布形態、物質組成、成因，可將道路塌陷劃分為以下幾種類型[1]。

（1）空洞型：地面分布形態規則，多呈圓形或橢圓形，分布深度較大，一般位于防空洞、地鐵隧道附近。

（2）塌陷型：路面下陷程度嚴重，地下產生空洞區域，局部發育有較大空洞。塌陷體物質成份雜亂，含水量高，滲透性強，結構疏松，土質不均。一般分布于受浸水影響的各類管道附近。

（3）沉陷型：路面下陷明顯，但未形成路基脫空現象，整個異常范圍內土層疏松，局部發生下陷，引起路面沉陷。一般分布于受浸水影響的道路及各類管道附近。

（4）開裂型：路面產生張拉裂縫，路面沉降下陷輕微或不明顯，未形成路基脫空現象，整個異常范圍內土層疏松，局部發生下陷引起路面沉陷。一般分布于受浸水影響的道路及各類管道附近。

2.2 城市道路塌陷因素統計

蘭州市城市道路塌陷具有隱蔽性、突發性、群發性、復發性和嚴重性的特點。道路塌陷形成條件復雜,是多種因素共同作用的結果。根據蘭州市市政工程服務中心統計數據，2016～2018 年蘭州城區道路塌陷數量及產生的原因統計分類及占比見表1，塌陷分布路段主要集中在交通路繁重主次干道，2016～2018 年蘭州城區道路塌陷統計見圖2、圖3與表1。

圖2 2016～2018 年蘭州城區道路塌陷統計圖

圖3 2016～2018 年蘭州城區道路塌陷位置分布圖（圖中黑點代表歷年塌陷位置）

通過以上統計可見，蘭州城市道路塌陷事故的主要因素有以下幾個方面。

（1）給水、排水管道漏水、雨水入滲：造成道路塌陷事故次數約51%，三年綜合占比分別達19%、17%、15%。

表1 2016～2018 年蘭州城區道路塌陷統計表

（2）地下工程施工擾動：導致道路塌陷事故三年占比分別為26%、18%、22%，三年綜合占比為23%。

（3）自然（其他因素）：導致道路塌陷事故三年占比分別為23%、10%、23%，三年綜合占比為21%。

（4）地下構筑物損壞：導致道路塌陷事故三年占比分別為4%、13%、3%。三年綜合占比為5%。

2.3 城市道路塌陷分布規律

2.3.1 區域分布規律

蘭州市濕陷性黃土狀分布厚度較大的路段，發生道路塌陷事故的頻次高，如圖4 所示。

圖4 蘭州市道路塌陷地質區域分布圖

（1）蘭州市河漫灘主要分布于雁灘、馬灘、迎門灘和崔家大灘，地面平坦。濕陷性土層缺失或很薄，地層以卵石層為主；途徑該區域的南濱河路以及雁灘表層普遍分布有新近填土，塌陷的數量及規模均較小。近三年,雁園路、雁灘路、雁北路共計發生道路塌陷4 次，南濱河路塌陷9 次；塌陷均發生在填土區域，共計占比4.9%。

（2）蘭州市黃河兩岸一、二級階地區域是蘭州市黃河兩岸與山前地帶的主城區，城區的城市主干道主要位于該區域，濕陷性黃土分布厚度一般介于5～15 m。根據統計結果顯示，東崗東路（23 次）、西津西路及東路（27 次）、金昌路（14 次）、南山路（9 次）、武威路（8 次）、靜寧路（7 次）等主干道塌陷頻率較高，分布于一、二級階地的道路塌陷數量占比達86.4%。

（3）西津路和東崗路為城市主干路，交通量大，各類主干管網密集，加之沿線軌道交通等地下工程的建設，是近三年來蘭州市道路塌陷最為頻繁的路段。

2.3.2 季節分布規律

根據近三年來蘭州市塌陷事故的季度分布統計可知，塌陷事故的季節性分布差異很大，第二季度和第三季度塌陷事故高發，分別占比48%和39%，共計占比87%，塌陷事故明顯高于其它季度。其中第三季度為蘭州市雨季，而第一、四季度大部分時間為蘭州市冬防期，工程建設活動尤其是土方開挖較少。這表明，地表雨水的下滲和城市工程建設是道路塌陷的重要原因。

2.3.3 工程影響分布規律

工程影響主要由道路沿線地下工程施工、鄰近建設場地深大基坑長時間持續抽排地下水引起。這些施工會造成道路周邊及上覆土體的松動變形，引起土體流失。這些問題主要分布于溝道洪水、地面匯水排泄不暢路段，管道分布密集路段，多期施工開挖路段。

2.3.4 其他

根據近3 年道路塌陷統計的位置分布圖可以看出，塌陷地點主要集中在車流、人流量較大的主、次干道等重載車輛密集路段。近年來隨著城市建設的迅猛發展，城市道路功能多樣復雜，交通量大，車道荷載增大，以及道路結構層中布設繁雜的市政管線等因素，造成城市道路病害增多。

3 道路塌陷成因分析

城市道路塌陷病害的發生及發展是一個緩慢的、由量變到質變的過程。道路塌陷形成的原因比較復雜，由多因素共同作用形成，產生的原因可歸納為特殊的工程地質環境條件、施工擾動因素及市政工程建設和管理等方面。

3.1 特殊的地質及環境條件

（1）濕陷性黃土特殊土質：蘭州市區濕陷性黃土分布廣泛，蘭州城市道路普遍以濕陷性黃土為路基持力層。濕陷性黃土受水浸濕，其結構會被迅速破壞，強度迅速降低，產生較大附加下沉；濕陷性黃土遇水下沉將產生路面破損、管道變形滲漏等系列問題，是造成道路塌陷的主要原因之一。

（2）地下水位上升：城市建設急劇發展，地下空間被過多利用，地下水的貯存空間被侵占，導致地下水的徑流、排泄條件改變，局部區域地下水徑流不暢，水位上升，浸泡、軟化具濕陷性的土體，致使路基土濕陷下沉。

（3）強降雨影響：暴雨季節長時間、高強度的降水導致路面長期浸泡在水中，路面雨水下滲量急劇增大也是加劇空洞發育的重要誘因之一。尤其近幾年降雨量多，較歷年同期增長40%。

3.2 施工擾動的影響

（1）地下軌道交通的建設：在地下軌道交通的建設過程中，盾構、暗挖及頂管等施工工藝均會造成周邊及上覆土體的松動和不均勻變形，導致各種管線接頭薄弱處受損，發生水體泄露，埋設管線周圍的土體就會逐漸流失，最終形成空洞，引起道路塌陷。

（2）基坑（基槽）的開挖：臨近城市道路的建筑深基坑及道路中各類管線基槽的開挖，會引起基坑（基槽）周邊1～2 倍深度范圍內土體及管道的不同程度的松動與變形。土體松動和管道變形引發地表水下滲和管道滲漏，引起土體流失，逐漸發展形成空洞，導致道路塌陷。

（3）深大基坑的降水：深大基坑的長時間、大量抽排地下水，一方面導致周邊區域地下水位快速下降，地下土壤含水層承壓降低，會引起上部土體下沉；另一方面因為成井質量差，抽水過程中控制不嚴，極易引起地基土中細粒土被抽出，直接形成地下空洞，逐漸發展，最終導致地面塌陷。

3.3 市政工程建設的影響

（1）管網滲漏：首先是超期服役的給水、排水、熱力管道老化存在的“跑、冒、滴、漏”問題，引起土體軟化、濕陷下沉，形成塌陷；其次是城市道路下埋設的大量電力、通訊等檢修井未考慮防排水措施，成為地表水匯集入滲的通道。

（2）管道基礎及管槽回填土壓實質量不符合要求：管槽開挖后，受有限的工作面限制，地基處理和基槽回填難以達到原路基設計壓實度要求，其自身沉降變形及水體進入或管道滲漏后，易導致道路塌陷。

（3）道路沉降與積水：因路基不均勻沉降，路面排水不暢，道路低洼處積水下滲進入路基土體，引起管線變形及滲漏，最終導致塌陷。

（4）綠化帶防水層與結構物連接處施工不到位，造成灌溉澆水從薄弱處滲入路基，導致下陷。

3.4 規劃和管理方面的影響

（1）現行的《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB 50025—2018） 對濕陷性地區的建筑物地基處理規定明確，而對道路及地下管線的重視程度不夠，特別是對引起道路濕陷性塌陷的主因壓力管網滲漏的設計措施不足[2]。

（2）地下管網的建設水平落后，主要表現在管網布置密度過高、管線敷設復雜隨意、地下管網位置信息確定困難；管道防滲檢測技術發展落后，現階段對管道滲漏的研究及實際操作技術尚無完善的技術手段。

（3）基礎設施建設與維護投入不足，部分基礎設施超齡服役和長期超負荷運行，造成事故頻發；對于城市道路的積水、綠化帶滲水至路基以及超載車輛對路面結構層的損壞等情況，管理維護與處理不及時為后期道路的塌陷埋下隱患。

4 道路精細化預防處理措施

道路精細化預防處理措施的目的是強化道路使用功能，預防并減少道路損壞及相關病害的發生，充分考慮道路使用過程中的人性化要素，加強對道路細節和關鍵節點的處理，提高道路綜合服務水平和建設能力，提高道路使用年限及安全保障。精細化預防處理措施主要體現在三個方面。

4.1 精細化設計措施

精細化設計主要體現在對道路細節和關鍵性節點的精確定位和設計把控上，動態地發現并提出解決方案，起到以點帶面的效果，從而達到提高城市道路整體功能的目的。

4.1.1 綠化帶精細化處理措施

城市道路超過3 m 寬度的道路綠化帶或分隔帶，采用海綿設施雨水收集利用和排放系統[3]。綠化帶橫斷面設計為圓弧下凹形（如圖5 至圖7 所示），圓弧下凹式綠化帶從上至下依次設置種植土層、細粒級配碎石層、粗粒級配碎石層與砂卵石層。在砂卵石層中，沿綠化帶縱向設透水管，透水管周圍填有開級配碎石，開級配碎石外圍包裹有透水土工布。綠化帶縱向中線，每隔40 m 設集水池；集水池與透水管密封連接，集水池下部設有隔水墻，隔水墻上端安裝方格網過濾板；集水池頂部設置蓋板，蓋板上設置開孔，雨水過大時綠化帶中多余的積水泄入集水池。臨近雨水井的集水池墻體距離底部設置排水管，方便雨水排入道路雨水篦子或雨水井。它可實現控制利用雨水，是濕陷性黃土地區綠化帶精細化處理措施范例，可避免綠化帶蓄水滲入路基，防止對路基的破壞，其構造型式簡單、成本低、易施工。

圖5 綠化帶精細化設計總體平面示意圖

圖6 綠化帶平面示意A-A 剖面圖

圖7中，1 為路緣石，2 為DN50 路緣石圓孔，3 為種植土層，4 為15 cm 厚細粒級配碎石層，5 為15 cm厚粗粒級配碎石層，6 為20 cm 厚砂卵石層，7 為雙層防滲土工布，8 為透水土工布，9 為開級配碎石，10為DN200UPVC 透水管, 11 為集水池，12 為集水池頂蓋板，13 為蓋板開孔，14 為方格網過濾板，15為隔水墻，16 為DN200 溢流孔，17 為DN200 排水孔及排水管，18 為雨水篦子或雨水井，19 為路緣石擋塊。

4.1.2 路緣石與車行道銜接處滲水平石精細化設置

路緣平石具有標示車行道邊緣與保障側立路緣石安全和穩定的功能，同時能夠引導排放路面匯水。在很多城市道路設計中，僅采用側立路緣石作為支擋，直接鋪砌路面結構層至側立路緣石，然后分層壓實。這樣處理的問題是路面結構層與直立式路緣石之間因無法充分壓實存在一定縫隙，雖然后期采用熱瀝青澆灌密封，但是經過長期使用，路面匯水會從薄弱處浸入結構層致使道路基層破壞塌陷[4]。因而還是推薦設計時在路面結構與側立路緣石之間設置平石，減緩匯水浸入路基（如圖8 所示）。

圖8 路緣平石設置示意圖

4.1.3 市政管線管位的敷設

市政管線管位的布設精細化需要根據相關規范要求，盡可能布設在非機動車道與人行道上，以避免管線破漏維修或更換等開挖修復影響道路交通通行，盡可能減少對機動車的干擾；若紅線寬度限制原因機非混行時，宜采用人行道非機動車道共面，使管線布設能預留充足的空間。當然，采用綜合管廊，可解決市政管線的敷設難問題，對正常道路的通行和維修更有利。

4.1.4 技術標準方面

（1）提升技術標準，制定符合當地實際的管道基礎設計、地基處理地方標準或技術導則；提高適用于當地濕陷性黃土場地城市道路路基設計及管道基礎地基處理設計標準。

（2）新建道路增加路基處理深度，尤其是增加各類管線管基的處理范圍及深度；增加道路路面、邊坡等的防水措施，避免雨水滲入路基；增加道路范圍內綠化帶防水及處理措施。

4.2 精細化工程施工措施

對道路工程而言，施工措施精細化，防止對道路質量的提升會有保障，可減少漏水直接滲入路基以防止對道路的破壞。提倡“管路互隨，動態提升”理念，實現地下管線塌陷隱患消除與道路大修工程同步實施，逐步減少反復開挖道路的“馬路拉鎖”現象，從而避免路基的不均勻沉降與塌陷。

近幾年大力提倡的非開挖及數字化技術，可應用至道路的開挖中，減少對道路的直接破壞，對城市的區域管網修復也具有一定的優勢。

4.3 精細化管理措施及數字化

4.3.1 精細化管理措施

加大道路病害排查力度，消除安全隱患。對城區重點路段、人員密集場所進行地下空洞（包括路面脫空、大面積土質疏松)探測。

強化各類管線產權單位隱患排查主體責任。城市地下管線與道路如影隨形，城市道路病害與地下管線病害相互影響，互為因果。各類市政公用管線產權單位，應落實執行地下管線巡護和隱患排查制度，定期進行檢測維修，強化監控預警，發現管線“跑、冒、滴、漏”等隱患及時報告，妥善處置。

完善城市應急管理機構。將路面塌陷納入城市安全管理和應急機制中，確立災害預防機制，消除或減少路面塌陷造成的損失。

加強施工質量管控。對道路、管道及城市道路周邊建設工程可能引發路面塌陷的施工過程實行聯動管控和全過程管控，消除事故發生的根源。

4.3.2 數字化技術處理措施

BIM 技術可解決設計質量把控、施工組織策劃、一體化管理方面的難點，進而減少問題，強化運維；依據大數據平臺的在線監測技術，進行動態管控。

結合BIM 模型信息、3S 技術（RS、GPS、GIS）實現地下工程建設的可視化，將信息技術和非開挖“微創”技術結合使用，提高精細化管理的實效性。

5 結 語

城市道路塌陷是城市常見環境地質災害之一，是多因素共同作用的結果。城市道路下的眾多管道出現滲漏在所難免，地下空間開發施工、地表水入滲和管網滲漏使未壓實填土或濕陷性地基土變形、管道滲漏與地基下沉形成惡性循環等因素，使土體被水侵蝕和搬運，逐漸發展至道路基層下形成空洞，最終引起一定范圍的塌陷。綜合分析認為，對于蘭州市道路塌陷的成因，特殊的環境地質條件是先天缺陷，管線超期服役及管槽、路基回填欠密實是客觀因素，人類工程活動是直接因素，水是主要媒介。

當然，城市道路塌陷的預判是一個難題，尤其在老舊城市，對城市道路塌陷成因的認識也是一個不斷發展的過程。采用道路精細化預防處理措施和數字化技術，在設計、施工、管理等方面進行相關處理措施，依據科學技術水平、實踐經驗和經濟能力，針對具有普遍性和重復出現的技術問題，體現“以人為本”的建設理念，提高精細化設計施工和管理意識，從而提升道路綜合服務功能和建設水平。