城市道路路面塌陷成因初探

楊彩俠

(北京中路安捷工程技術(shù)咨詢有限公司，北京 100078)

0 引言

隨著城市道路建設(shè)的快速發(fā)展，由于各種原因所致的路面塌陷也時(shí)有發(fā)生。北京、深圳、武漢等大中城市均發(fā)生過(guò)路面塌陷事件。道路地下空洞隱蔽性強(qiáng)，不易察覺(jué)，其造成的路面塌陷突發(fā)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)損失巨大，難以規(guī)避。本文著重探討城市道路下伏空洞的成因機(jī)理，為路面塌陷的預(yù)防和治理提供借鑒與依據(jù)。

1 路面塌陷特點(diǎn)

路面塌陷具有突發(fā)性、隱蔽性，其形成原因均在地下，情況復(fù)雜，不易被探明。作者對(duì)2007年～2010年發(fā)生在北京市區(qū)內(nèi)的路基空洞、路面塌陷情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，對(duì)路面的塌陷特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1.1 塌陷的深度分布

從圖1中可以看出路面塌陷的深度從0m～1m呈上升趨勢(shì)，大于1 m的呈下降趨勢(shì)。塌陷深度為0.5 m～1.5 m的最多，占全部的93%，基本沒(méi)有塌陷深度在3 m以上的。

圖1 北京市道路塌陷深度分布圖

1.2 塌陷時(shí)間分布

晚春、初夏和冬季，路基普遍比較穩(wěn)定，路面塌陷主要集中在春季凍融期間、雨季中后期直至入冬前。此外，路面塌陷事故多次發(fā)生于夜間，由于工地施工的渣土多在夜間運(yùn)輸，渣土運(yùn)輸車輛載重較大，車身較重，路面在重車作用下易發(fā)生塌陷。

1.3 周圍環(huán)境特點(diǎn)

從圖2可以看出，北京市道路塌陷周圍都存在著管線、地下工程施工和其他因素。從2007年～2010年發(fā)生路面塌陷地段存在管線和地下工程施工的次數(shù)基本保持不變，但其他因素呈上升趨勢(shì)。

2 成因分析

2.1 先前空洞的影響

如道路下部有早期人防或其他地下工程形成的空洞，在路面下存在天然土洞或動(dòng)物洞穴等，上部覆蓋有一定厚度的土層，當(dāng)上部車輛通過(guò)或機(jī)械的振動(dòng)，會(huì)對(duì)附近的巖體產(chǎn)生擾動(dòng)進(jìn)而破壞巖土體結(jié)構(gòu)，甚至?xí)斐伤?另外來(lái)自地下水位改變和水流產(chǎn)生的水、氣作用力以及巖土體的自重作用，可使地下空間充填物遷移，又可使上覆蓋層及管道、空洞產(chǎn)生一系列復(fù)雜的受力狀態(tài)，使其穩(wěn)定性受到破壞。當(dāng)路面的荷載超過(guò)空洞空間蓋層及隱伏土洞的允許強(qiáng)度時(shí)，將引起空洞頂部坍塌或土洞發(fā)展，進(jìn)而也會(huì)形成塌陷。

圖2 北京市道路塌陷周圍環(huán)境因素分布圖

2.2 地下水移動(dòng)的影響

地下水在路基中不論呈液態(tài)或氣態(tài)移動(dòng)，均遵循由高壓處往低壓處，由高溫處往低溫處，由高含水量處往低含水量處移動(dòng)的規(guī)律。其移動(dòng)方式及其路徑主要是:1)天然條件下，地下水在毛細(xì)管力的作用下將沿土壤中的細(xì)小孔隙上升產(chǎn)生滲透;2)路基土對(duì)地下水的豎向抽吸。由于這兩種水的移動(dòng)，導(dǎo)致了路基頂面當(dāng)量回彈模量的降低。不同的地下水位對(duì)應(yīng)不同的路基頂面當(dāng)量回彈模量，地下水變位導(dǎo)致的路基土回彈模量變化，將使路面各結(jié)構(gòu)層在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)路基受水的影響產(chǎn)生各種不可恢復(fù)形變而導(dǎo)致路基標(biāo)高、邊坡坡度、形狀的改變，也會(huì)造成土體位移和路基以下及路基土體疏松、空洞，反映到路面，即為結(jié)構(gòu)層開(kāi)裂、不均勻沉降、路面塌陷。

2.3 地下水位變化的影響

各種工程建設(shè)，如建筑基坑、地鐵車站的施工、地下水的開(kāi)采等大量抽排地下水，會(huì)降低甚至反復(fù)升降這些大型工程附近的地下水位。此外影響地下水位的因素還包括降雨和土的滲透系數(shù)。地下水位的高低變化不僅與降雨量的大小有關(guān)，還與降雨的持續(xù)時(shí)間以及降雨強(qiáng)度有關(guān)。這些活動(dòng)導(dǎo)致地下水動(dòng)力條件改變，造成路面塌陷區(qū)及鄰區(qū)土體的機(jī)械潛蝕和負(fù)壓吸蝕，導(dǎo)致路基以下部分土顆粒被地下水帶走，如果地下水抽取過(guò)多，儲(chǔ)水層上部為松散地層，土層中存在地下水運(yùn)動(dòng)的通道，則造成松散底層底部物質(zhì)的快速流失形成空洞，也會(huì)造成局部路面塌陷。

2.4 凍融的影響

在我國(guó)北方寒冷地區(qū)，冬季寒冷時(shí)，路基土自上而下發(fā)生凍結(jié)。由于水的特性，地下水分由于受到毛細(xì)作用和溫度的影響，逐漸自下而上由非凍結(jié)區(qū)向凍結(jié)區(qū)移動(dòng)并聚積。由于凍結(jié)地區(qū)內(nèi)進(jìn)入額外的水造成此處體積增大，并將上層土壤向上擠壓造成不均勻的變形，甚至鼓脹。到了春季氣溫回升，路基凍土開(kāi)始解凍，土基飲食大量液態(tài)水，因路面?zhèn)鳠彷^快，路面下凍土層首先融化，但因路面層的覆蓋而蒸發(fā)不掉，其下部又尚未解凍，兩側(cè)路肩的土層，化凍較緩慢，不能排除，故使路基土層中濕度加大，承載力降低，再加之行車作用的擠壓，路面變形破壞，擠出泥漿，路基下面就會(huì)出現(xiàn)小的空洞，引起路基和路面的破壞。

2.5 施工質(zhì)量的影響

路基及回填土的壓實(shí)，目的在于提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，降低路基的透水性和減少因冰凍而引起的不均勻變形，從而保證路面具有足夠的抵抗車輛荷載作用的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性能，提高道路的使用年限。實(shí)踐證明，由于路基壓實(shí)質(zhì)量未達(dá)到要求就急于鋪筑路面，結(jié)果是開(kāi)放交通后在自然因素和車輛荷載作用下，路基產(chǎn)生沉陷變形而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞。

2.6 地下水管滲漏的影響

雨水、污水管道大多設(shè)計(jì)在道路中心線基層下面，承擔(dān)著雨、污水的排放。由于地質(zhì)土層的變化，或者由于在地下管線開(kāi)挖施工過(guò)程中，路基土回填、碾壓不實(shí)，或施工封堵注漿不達(dá)標(biāo)等，常會(huì)引起路基發(fā)生不均勻沉降。埋置于路基下面的管道均為脆性材料，當(dāng)受到較大變形應(yīng)力后發(fā)生脆裂，導(dǎo)致水管滲漏。由于地下水管的滲漏形成水流，如果滲流部位的巖土層透水性好，細(xì)小的顆粒物會(huì)隨著水流先被帶走，剩下較大的顆粒物，隨著更多的土顆粒被水流帶走，就會(huì)形成小的空洞，導(dǎo)致土體疏松。由于水的不斷沖刷和路面各種車輛振動(dòng)荷載的共同作用，空洞不斷被流動(dòng)的水流侵蝕，破裂的管道周圍的水土流失越來(lái)越多，便形成更大的空洞，最終引起路面的塌陷。

2.7 車輛超載超限的影響

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使得交通量大幅度增加，汽車超載也越來(lái)越嚴(yán)重。以天津市為例，各條道路8 t以上的車輛普遍存在超載現(xiàn)象，平均超載車輛達(dá)全部重車的38.9%，最大超載為額定荷載的170%左右。

在道路基層同種模量下，各指標(biāo)均呈線性增加。隨基層模量的增加，在同種荷載作用下路表彎沉、底基層拉應(yīng)力、路基頂面壓應(yīng)變都相應(yīng)減小，面層層底拉應(yīng)力與基層層底拉應(yīng)力均有所增加，說(shuō)明基層模量的增加對(duì)減小基層層底的拉應(yīng)力不利，基層模量增加導(dǎo)致基層層底拉應(yīng)力增大，特別是在超載車作用下，基層層底拉應(yīng)力將快速增加，導(dǎo)致基層開(kāi)裂，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青路面自下而上的開(kāi)裂，瀝青路面就會(huì)破壞，在超載作用下這種破壞更加明顯。路基路面的長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載對(duì)其結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的破壞，在某些特殊的路段也極易造成路面的塌陷。

2.8 地下工程的施工影響

在大量地鐵和其他地下隧道工程的建設(shè)施工中，若存在違規(guī)施工或者設(shè)計(jì)中對(duì)地質(zhì)條件掌握不足就極易造成路面塌陷。隨著地鐵建設(shè)的發(fā)展，互穿、交叉等大空間、復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式大量涌現(xiàn)，結(jié)合盾構(gòu)、淺埋暗挖等多種施工方法都對(duì)上部道路帶來(lái)了較大的安全隱患。另外，地鐵車站的開(kāi)挖也會(huì)對(duì)地下管線的安全造成影響，極易造成管線的破壞，從而引起管內(nèi)水的外漏，對(duì)地基會(huì)造成嚴(yán)重的沖刷和侵蝕，導(dǎo)致路基塌陷，形成連鎖反應(yīng)。

在地下工程施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)和接收是盾構(gòu)法施工過(guò)程中易發(fā)生地面塌陷的兩個(gè)階段。在盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)過(guò)程中，設(shè)備處于試掘進(jìn)階段，常存在一些機(jī)械液壓、電器和自動(dòng)控制等故障，這些故障也會(huì)直接或間接影響開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在有些地層中比較難控制開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，碴土難以獲得較好的流動(dòng)性，在土艙中不易形成土壓，在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)增大刀盤(pán)扭矩，增加千斤頂?shù)耐屏Γ瑥亩觿×说侗P(pán)對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。但是通過(guò)向刀盤(pán)前方注入泡沫可以改良碴土，從而降低礫砂土層的內(nèi)摩擦阻力，使碴土產(chǎn)生較好的流動(dòng)性和塑性，且能在土艙中建立土壓。若泡沫系統(tǒng)的發(fā)泡效果不好，土體改良效果不理想，開(kāi)挖過(guò)程中很難建立土壓，且刀盤(pán)扭矩和推力均較大，導(dǎo)致在開(kāi)挖過(guò)程中造成了地層損失，在刀盤(pán)附近形成了土拱。礫砂土層中形成的土拱自穩(wěn)能力本身就較差，經(jīng)刀盤(pán)長(zhǎng)時(shí)間的不斷擾動(dòng)，土拱的拱線不斷上移，最后在自重力的作用下會(huì)突然發(fā)生破壞，在地面上形成塌陷。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)和各類建設(shè)的快速發(fā)展，路面塌陷災(zāi)害的發(fā)生次數(shù)日趨增多，引起此災(zāi)害的原因多種多樣，但總結(jié)起來(lái)主要分為兩大類:自然原因和人為原因。

1)自然原因主要包括:先前空洞的影響、地下水移動(dòng)的影響、地下水位變化的影響、凍融的影響。2)人為原因主要包括:施工質(zhì)量的影響、地下水管滲漏影響、車輛超載超限的影響、地下工程的施工影響。路面塌陷的形成原因日趨復(fù)雜化，常常是各種因素綜合作用的結(jié)果。提高道路、管線和地下工程的施工質(zhì)量，盡量減小路面的沉降，并及時(shí)探測(cè)發(fā)現(xiàn)塌陷隱患，才能有效地避免此類災(zāi)害的發(fā)生。

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