姚赫男,章建高,王 毅,王驍舟

(1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 310000;2.浙江興紅建設(shè)工程檢測有限公司,浙江 杭州 310000;3.杭州巨安科技有限公司,浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,城市人口的不斷增加,城市道路的地上部分呈現(xiàn)交通量激增、車道受載增大,地下部分呈現(xiàn)市政管線繁雜、軌道交通密集的特點(diǎn)。 由此導(dǎo)致城市道路出現(xiàn)脫空、空洞、疏松體、富水體等地下病害體,主要表現(xiàn)為道路沉降、裂縫、車轍深,甚至塌陷等。 城市道路塌陷問題已出現(xiàn)集中爆發(fā)的高峰期,災(zāi)害遍布全國各大省市,對人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極大威脅。

1 城市道路塌陷現(xiàn)狀

近年來,國內(nèi)道路塌陷事故頻發(fā),由此引發(fā)的車輛損毀、人員傷亡事件帶來了惡劣的社會影響,也引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。 2020 年1—12 月,全國共發(fā)生路面塌陷事故263 起,死亡23 人,受傷48 人,事故數(shù)量同比增長了148.11%。 從每個(gè)月的事故發(fā)生情況來看,2020 年8 月的事故數(shù)量最多,共37 起,占路面塌陷事故總數(shù)的14.07%(見圖1)。 從道路塌陷事故發(fā)生的省市分布來看,2020 全年共發(fā)生20 次以上塌陷事故的省份有廣東省(25 次)、陜西省(23 次)、河南省(22次)、河北省(21 次)(詳見表1)[1]。

表1 全國部分省份路面塌陷事故情況

圖1 2020 年各月份全國道路塌陷事故數(shù)量

早在2003 年國務(wù)院發(fā)布的《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》中,就將地面塌陷與崩塌、滑坡、泥石流、地裂縫、地面沉降等一同納入地質(zhì)災(zāi)害的范疇。 2018 年,中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市地下病害體綜合探測與風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2],對城市地下病害體綜合探測與風(fēng)險(xiǎn)評估工作進(jìn)行了規(guī)范和統(tǒng)一,全國各省市也相繼出臺了道路塌陷防治及預(yù)警工作要求。

2 城市道路塌陷的成因機(jī)理分析

2.1 不良地質(zhì)條件

我國地質(zhì)水文條件復(fù)雜多變,不同城市也有著不同的地質(zhì)基礎(chǔ)。 以杭州市為例,杭州市位于錢塘江下游,屬于杭嘉湖平原的西南部,地形地貌復(fù)雜。 第四紀(jì)以來古氣候變化劇烈,加之新構(gòu)造運(yùn)動的影響,使得杭州第四紀(jì)沉積成因類型繁多,厚度變化大,沉積物發(fā)生多次堆積和侵蝕交替,土質(zhì)以沙層粉土為主,地下水豐富。 地形上具有豎向土層硬軟交替、多層組合、厚度變化大等特征。 同時(shí)受古苕溪、古錢塘江改道影響,市區(qū)平原存在多條古河道,物質(zhì)較細(xì)且承載力低,容易發(fā)生沉降和塌陷。

2.2 不良地質(zhì)作用

地下水土流失加劇形成地下空洞和松散發(fā)育帶,回填土路基處受變形沉降帶影響,加之道路交通的局部荷載量過大使土體固結(jié)沉降,若施工時(shí)路基強(qiáng)度不足,極易誘發(fā)沉降、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。 此外,地下管道老化造成的滲漏和破裂現(xiàn)象也加劇了地下水土流失,導(dǎo)致土層疏松、形成空洞。

2.3 誘發(fā)因素

不良地質(zhì)條件和作用為道路塌陷帶來了隱患,但最終形成的后果還存在以下誘發(fā)因素:

(1)強(qiáng)降雨。

受我國主要?dú)夂驐l件的影響,降水量主要集中于夏季即7—9 月,且極易發(fā)生極端降水事件。 從圖1 來看,全國道路塌陷發(fā)生也集中于7—9 月。 隨著城市人口規(guī)模的擴(kuò)大,城市市政基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)往往滯后于城市化進(jìn)程,遇到極端天氣時(shí),極易形成內(nèi)澇。 大量雨水在道路上淤積浸泡,使土壤含水量增加,加劇土質(zhì)疏松和空洞,從而形成塌陷。

(2)施工不當(dāng)。

建筑物的基礎(chǔ)施工、地鐵盾構(gòu)、地下管線施工等都會對土體形成干擾,失去原有平衡,出現(xiàn)位移或變形。如果施工時(shí)不慎損壞原有管道,造成透水、泄漏等極易釀成事故。 如果施工時(shí)對周圍土層加固措施不足,或回填時(shí)密度不夠都可能會引起地面塌陷。

3 城市道路塌陷的主要監(jiān)測手段

目前城市道路塌陷比較成熟的監(jiān)測手段是雷達(dá)檢測技術(shù),并且已經(jīng)形成了《道路塌陷隱患雷達(dá)檢測技術(shù)導(dǎo)則》和《道路塌陷隱患雷達(dá)檢測技術(shù)規(guī)范》。 該技術(shù)主要包括檢測設(shè)備和數(shù)據(jù)分析軟件兩部分,檢測設(shè)備以多通道探地雷達(dá)、高精度定位設(shè)備和攝影測量設(shè)備作為主要數(shù)據(jù)采集設(shè)備,需要采集雷達(dá)圖像、地理坐標(biāo)、地理空間影像、街景數(shù)據(jù)等。 數(shù)據(jù)分析軟件部分可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲、融合、解譯、可視化等功能[3]。

數(shù)據(jù)采集工作需要牽引車牽引采集設(shè)備來完成,而牽引車的速度有一定限制且范圍有限,因此檢測的精度較高但效率相對較低。 雷達(dá)檢測技術(shù)在重大會議、活動的安全保障方面可以發(fā)揮重要作用,但是無法在道路塌陷之前做出預(yù)警。

4 城市道路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

當(dāng)前,道路安全檢測與評估的新設(shè)備和新技術(shù)日益成熟,特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的快速應(yīng)用和發(fā)展,客觀上倒逼道路監(jiān)測系統(tǒng)研究的進(jìn)一步深入。 用物聯(lián)網(wǎng)思維去思考城市道路塌陷的預(yù)測預(yù)警方法和有效解決方案,能夠做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早排查、早處理,最大程度上避免道路塌陷事故發(fā)生。

4.1 城市道路塌陷預(yù)警監(jiān)測裝置

城市道路塌陷預(yù)警監(jiān)測裝置[4]通過下沉塊自然下落過程中帶動連接繩下落,再通過第二位移傳感器將連接繩的下落長度轉(zhuǎn)換成電信號之后向外部發(fā)出,從而了解地陷情況。 通過蓋板下降帶動升降塊下移,再通過第一位移傳感器將升降塊位移長度轉(zhuǎn)化成電信號發(fā)出,從而了解到地面下沉情況。 最終根據(jù)地面下沉的數(shù)值來觸發(fā)不同級別的預(yù)警,結(jié)合GIS 同步呈現(xiàn)數(shù)據(jù),并在云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

4.2 城市道路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

城市道路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由基礎(chǔ)層、物理設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層組成(見圖2),應(yīng)用終端包括手機(jī)、電視、PC、大屏、一體機(jī)等多種載體,適用于政府公共管理、智慧城市建設(shè)等多種應(yīng)用場景,也可以為精細(xì)化道路檢測企業(yè)提供數(shù)據(jù)支持,更可以為社會公眾安全提供保障。

圖2 智慧城管視域下城市道路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

4.3 城市道路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用終端

以應(yīng)用終端的智能大屏為例,城市道路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可視化平臺可實(shí)時(shí)顯示物理設(shè)備層的設(shè)備狀態(tài)和信息(見圖3),如有預(yù)警信息出現(xiàn),則會在地圖上顯示出具體的位置信息和預(yù)警詳情。 同時(shí),根據(jù)中臺海量數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,在可視化平臺上同步呈現(xiàn)歷史預(yù)警數(shù)據(jù)、歷史預(yù)警事件的處理情況以及對未來塌陷的預(yù)測和塌陷等級劃分等。 除了智能大屏之外,也可將以上功能開發(fā)為移動端、PC 端等不同版本,為智慧城管帶來更多的應(yīng)用場景。

圖3 城市道路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可視化平臺

4.4 城市道路塌陷預(yù)警流程

城市道路塌陷預(yù)警系統(tǒng)首先要完成基礎(chǔ)層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫搭建、信息交換平臺等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作。 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包括城市土壤、水文、氣候、高程、地下管線等重要信息,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)已有的道路塌陷事故數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)據(jù)庫的模擬,計(jì)算出城市道路的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù),進(jìn)而在重點(diǎn)監(jiān)測的區(qū)域布置預(yù)警監(jiān)測裝置。 當(dāng)裝置發(fā)生位移預(yù)警時(shí),可在多個(gè)終端進(jìn)行同步提示,工作人員可以立即進(jìn)行人工實(shí)地驗(yàn)證,根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行處理,并根據(jù)需要進(jìn)行周邊道路的物探診斷和道路巡查,以排除隱患。 每一次正確預(yù)警的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息都會在后臺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行留存,在未來進(jìn)一步指導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)模擬和預(yù)警值的設(shè)置。 整體的道路塌陷監(jiān)測預(yù)警閉環(huán)系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 道路塌陷監(jiān)測預(yù)警閉環(huán)系統(tǒng)

5 結(jié)語

隨著城市化進(jìn)程和城市建設(shè)的飛速發(fā)展,城市道路塌陷問題已經(jīng)成為威脅人們生命財(cái)產(chǎn)安全的一大隱患。 城市的安全保障是城市精細(xì)化治理的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是智慧城管發(fā)展到更高階段的要求。 借助于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、GIS 技術(shù)的應(yīng)用,城市道路的監(jiān)測更應(yīng)該從“打補(bǔ)丁”向“治未病”轉(zhuǎn)變。 相關(guān)管理部門應(yīng)該盡快建立起多維化、立體化的公共安全網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)急管理體系,從應(yīng)急向預(yù)防轉(zhuǎn)變,增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)意識,盡可能從源頭上減少風(fēng)險(xiǎn)、消除隱患。 推動城市道路安全工作的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,預(yù)防道路塌陷事故的發(fā)生。