利用管道检测技术成果对城市地下空洞进行筛查分析的探讨

       近年来，由于地下管线老化、破损等原因导致城路道路产生空洞塌陷的事故频发，严重威胁公众的生命财产安全。全国各大城市的管理者都在积极努力的开展各项工作，寻找解决办法。深圳市从2019年起全面开展主要道路地下空洞检测工作，以雷达等技术手段，计划在5年内完成一轮全市主要道路空洞隐患探测普查。其中，仅2021年共检测道路9950余公里，检测出空洞隐患435处、脱空隐患1219处。连续三年累计检测道路16440公里，检测出空洞隐患686处、脱空隐患2234处。各级地下管线管理部门也一直采用有效手段，通过常规化的漏水检测、排水管道病害检测等技术手段来发现并填补地下空洞，及时消除隐患。

• 城市地下空洞的主要成因

1. 地下水、油气、地热、煤矿等开采活动造成的深层地下水过量开采；
2. 当地自然地质条件及气候原因（定期降水或长期积水）形成的地下空洞；
3. 地铁、电力、热力、排水管渠、防空洞、地下建筑等大型地下工程施工造成的水土流失；
4. 道路或地下管线施工质量不合格以及道路负载过重导致的地面沉降和地下空洞；
5. 排水、给水、热力、燃气等地下管线因长久腐蚀或承压不均匀导致泄露，泄露出的水流或气流不断冲刷周围土层，带走周围泥沙引起的地下空洞。在以上几类地下管线中，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，更加的容易出现接口错位、起伏、破裂等故障，引发周围土层移位，形成空洞。

• 城市地下空洞的治理对策

       由城市地下空洞的成因可见，完全杜绝城市地下空洞是不现实的，可行的治理对策主要有以下几点：

1. 未雨绸缪，实施常规化的地下空洞探测和填补工作，在地下空洞引发道路塌陷之前，通过探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；
2. 采用CCTV、QV检测等排水管道检测技术手段，实施常规化的排水管道病害检测并及时修复缺陷，消除地下空洞隐患；
3. 实施常规化的给水、热力管道漏水检测，及时修复泄露故障，消除地下空洞隐患；
4. 加强道路和地下管线工程的施工质量监管以及大力整治屡禁不止的车辆超限、超载车辆现象，消除地下空洞隐患。

• 城市地下空洞的隐患风险评估

     考虑到城市地下空洞成因的多样性，在对城市地下空洞进行隐患风险等级评估时应该优先选择在一些重点路段和高危区域：包括1、城市快速路、城市主干道；2、存在大量年代久远的暗渠、箱涵、排水管道、人防设施、废弃管道的区域；3、地铁等各类大型地下工程的施工区域附近；4、临水区域或地质条件复杂区域。并在评估前必须进行资料收集和现场调查。收集和调查的资料也必须包含下列内容：1、道路类型、规模、位置和埋深等信息，以及道路影响范围内的地下管线、地下建（构）筑物、地面设施、行驶车辆等属性及与道路的相对位置关系；2、道路周边工程地质、水文地质条件和气象水文条件；3、道路范围内地面出现的变形、沉陷、裂缝、坑槽、积水等异常情况及其严重程度和历史塌陷情况；4、道路范围内的地下管线及管井淤堵、积水、变形、破损、错位、渗漏等异常情况及其严重程度；5、道路范围内的地面开挖、地下工程和邻近建筑工程施工等现状和历史状况；6、道路范围内的建（构）筑物、人员分布等情况，并评价人员、财产密集程度。

3.1城市地下空洞隐患风险评估评价指标

城市地下空洞风险隐患发生可能性评估指标如表1所示。

表1 城市地下空洞风险隐患发生可能性评估指标

 

3.2风险评估评价指标计算方式

P=W1P1+W2P2+W3P3+W4P4+W5P5+W6P6+W7P7                      公式1

W1+W2+W3+W4+W5+W6+W7=1                          公式2

其中P为风险发生的评估指标；P1---P7分别对应为为道路现状、地下管线、地表载荷、水环境条件等指标（见表1）；W1---W7分别为各项指标的权重，根据各项指标对产生风险的重要性，其取值范围选定在0.05---0.25之间。其中，地下管线指标分值按照以下公式计算：

P2=W21P21+W22P22                                                     公式3

W21+W22=1                                        公式4

P21为管线脆弱性指标；P22为服役年限指标；W21为管线脆弱性指标权重；W22为服役年限指标权重；权重取值范围选定在0.3---0.6之间。

3.3风险评估等级划分

   将计算所得的P值对照表2，即可得出地下空洞隐患发生风险的可能性。

表2  道路空洞隐患风险发生可能性等级划分

3.4 风险评估示例

3.4.1 示例范围图

选取的示例排水管线位置如图1所示。

排水管线

地铁围蔽施工区域

图1 排水管线示例范围图

3.4.2 示例管段相关信息

1、示例选取位于龙岗区龙岗大道（深圳东站段）上的一段市政排水管道。

2、道路现状良好，则P1=10，W1=0.15；

3、假如在对该段排水管道进行常规病害检测的过程中发现一处3级渗漏结构性缺陷点，管道材质为钢筋混凝土，规格为DN600 mm，管道服役年限为7年。则P21=90，W21=0.6，P22=50 ，W22=0.4，利用公式3计算得出P2=74，W2=0.15；

4、排水管道临近深圳东站，深圳东站在2012年12月完成改造并投入运营，地下有很大空间的地铁、地下隧道等设施，因此P3=60，W3=0.15；

5、龙岗区龙岗大道的岩土条件（参考深圳市相关地质条件文献）归类为碎石土，因此P4=10，W4=0.15；

6、深圳东站长期围蔽进行地铁施工，距离该段排水管道约30米，因此P5=30，W5=0.2；

7、龙岗大道属于交通主干道，过往车辆繁多，因此P6=80，W6=0.15；

8、该段管道未临近大型水体，路面无积水，周边排水管道排水顺畅，未发现高水位情况，因此P7=20，W7=0.05；

根据以上数值利用公式1进行计算：

P=W1P1+W2P2+W3P3+W4P4+W5P5+W6P6+W7P7=10*0.15+74*0.15+60*0.15+10*0.15+30*0.2+80*0.15+20*0.05=42.1

根据P值对照风险等级划分表，该段管道发生地下空洞的风险等级属于B级，也就是说该段管道近期发生地下空洞的风险等级较小，但是存在远期发生地下空洞的风险较大，这一结论对应到常规化的排水管道病害检测工作中的建议就是在周边环境无明显变化的情况下，以一年为周期进行定期检测。

• 城市地下空洞演化对既有地下管线的影响

之前我们提到过完全杜绝城市地下空洞是不现实的，目前我们能

采取的应对措施多是以预防为主，我们的城市中仍然可能存在着很多未被发现的地下空洞。我们想通过常规化的排水管道病害检测工作来查找或预防地下空洞，那么我们就必须先了解地下空洞在形成后以及其逐渐演变的过程中对既有的地下管线会产生什么样的影响。

   北京市地质研究所的研究人员利用FLAC3D仿真计算机软件建立了一个地下空洞和管道为一体的三维几何模型，假设地下空洞为柱体形状，管道为刚性管，如图2所示：

图2 管道-空洞三维模型

通过对模型进行模拟计算，得出以下几个结论：

1. 地表沉降分析：随着空洞的产生并且逐渐变大，土体应力得到释放，地表土发生沉降，沉降最大值发生在空洞正上方，如图3所示，而且随着地下空洞的变大，地表不均匀沉降的趋势愈加明显，地表沉降槽体积逐渐增大。

图3 土体沉降变化图

1. 管道位移分析：地下空洞会导致管道位移，当空洞尺寸小于管道规格时，空洞对管道的影响极小，空洞尺寸逐渐变大，管道不均匀沉降愈加明显，管道会因纵向弯曲而被破坏，空洞尺寸越大，管道下沉越明显，如图4所示，但是管道受地下空洞影响的水平位移相对沉降要小很多。

图4 管道沉降曲线

1. 管道应力分析：管道横截面上弯矩最大点分布在时钟表示法的3点钟方向和9点钟方向，如图5所示，这两个位置时管道首先发生弯曲屈服破坏的位置。

图5 管道弯矩分布

• 利用地下管道检测技术成果对城市地下空洞进行筛查分析

     排水管道检测评估技术规程里面规定的管道缺陷等级反映的是功能性缺陷对管道排水能力的影响程度以及结构性缺陷对管道结构完好的影响程度，所以按照管道缺陷等级来判断产生地下空洞的风险等级和在缺陷点正上方进行地下空洞探测的模式是不精确的。接下来我们就针对各种管道缺陷与地下空洞之间的联系进行细致分析。

结构性缺陷

1. 破裂(PL):以往我们都认为等级达到3、4级的破碎或者坍塌缺陷才最容易引起地下空洞，但是根据之前的管道应力分析结论，管道受力的首先破坏点是在3点钟和9点钟方向，那么在检测过程中发现的管道两侧裂纹类1、2级破裂缺陷我们也必须重视起来；
2. 变形(BX)：管道的变形可能是由于地下空洞引起的，根据管道位移分析和管道应力分析结论，如果检测影像发现的是规则对称的下压式变形，则需要考虑存在地下空洞的风险，如果变形是横向或者不规则变形，则可以考虑是否由于回填等施工问题所导致；
3. 起伏(QF)：管道的起伏除施工原因外很可能是由地下空洞引起，因此建议1-4级的QF缺陷都尽量进行地下空洞排查，这里也需要注意起伏缺陷发生的连续性和规律性，如果在同一道路的同一条排水管线上，相同材质，相同施工队伍铺设，则要考虑由施工质量或管道材质和特殊地质环境所导致。
4. 错口(CK)：管道的错口多由施工质量和管道位移引起，根据管道位移分析结论，水平方向的错口应该受空洞影像不大，需要重视的是引发竖向上下错口的下沉管段；
5. 腐蚀(FS)：腐蚀是一种导致管道强度受损的缺陷，对地下空洞隐患风险的评估等级存在一定的影响，但多数不会由于存在地下空洞而导致这种缺陷；
6. 脱节(TJ)、胶圈脱落(TL):这两类缺陷受地下空洞影响不大，但是在发现严重脱节导致泥土进入管道内部时，应该警惕产生空洞的风险；
7. 支管暗接(AJ)：这一类缺陷的在评估规程“CJJ181”内规定的等级划分是按照支管进入主管道的长度来区分的，就是进入的支管越长，越影响正常排水，缺陷等级越高，但是在最初国际上的评估标准是将那种支管未完全进入管道的暗接设为最高等级的，因为支管不进入管道，污水会直接排放至土壤内，造成污染，并且长期的污水冲刷极易造成水土流失引发地下空洞，所以在检测过程中遇到支管未完全进入主管道的暗接缺陷要给予重视；
8. 异物穿入(CR):一般穿入的异物多为其他类型的管线，供水管道、电缆、燃气管道，一般这类缺陷处理起来需要多部门协调，难度较大，遇到穿入的供水管线存在泄露问题则极易产生地下空洞，遇到穿入的是电力电缆时对探地雷达空洞探测的精准度又可能造成干扰，因此建议对于主要道路上的异物穿入类缺陷如不能及时解决，则需要缩短检测周期至每半年一次；
9. 渗漏(SL)：渗漏缺陷会造成泥土流失，是产生地下空洞的主要因素之一，建议发现后尽快修复。除对渗漏点进行修复外，还应该查明来水源头是地下水、山水、其他管道内污水还是来自供水的泄露等，因为长时间的渗漏，从来水源头到管道上的渗漏点之间的区域很有可能存在冲刷形成的地下空洞，地下空洞雷达探测的范围应该扩大。

   功能性缺陷：

1. 残墙(CQ)、障碍物(ZW):这两类缺陷与形成地下空洞之间的联系不大；
2. 沉积(CJ)、结垢(JG):  这两类缺陷与形成地下空洞之间没有直接联系，但是缺陷等级达到2级以上会影响我们对管道内部结构的观察和判断，因此对发现的2级以上功能性缺陷建议及时处理；
3. 树根(SG):树根缺陷严重破坏管道的结构完好，泥土会伴随树根进入管道造成流失，也是产生地下空洞的主要因素之一，建议对发现的树根缺陷及时处理，并在树根缺陷频繁的区域加大管道检测和地下空洞探测力度，主要道路上的树根多发区域建议缩短检测周期至每三个月一次；
4. 浮渣(FZ):浮渣缺陷看起来与形成地下空洞之间没有直接联系，但是浮渣的产生原因在很多时候都是由于排水不畅或者长期积水，管道内的长期高水位情况如果遇到部分密封性不足的检查井，也很容易造成水土流失产生地下空洞，因此遇到浮渣缺陷应该查明其成因，并及时查明周边的高水位管段，将存在高水位管段的区域也纳入地下空洞探测的重点区域。

参考文献：

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