城市道路地下缺陷检测及加固技术研究报告

1、城市道路地下缺陷检测及加固技术研究报告目录1.0前言22.0主要研究内容22.1泊油路地陷的特点和成因分析22.1.1地陷特点32.1.2地陷成因分析32.2地下缺陷检测62.2.1探地雷达技术72.2.2探地雷达野外工作简述及常见地下缺陷92.3地下缺陷的加固132.3.1缺陷加固方法、加固处理特点和要求132.3.2 缺陷区路段、常见病害路段加固处理方案141.0前言2.0主要研究内容 该项目主要研究城市道路地下缺陷的检测及加固技术,按照国内城市情况分析目前城市道路主要是泊油路。泊油路主要研究地陷的成因，地下缺陷的检测，地下缺陷的加固。这项技术的研究可有效对道路塌陷隐患进行探查，及早发现塌

2、陷隐患区域，并采取必要的措施对隐患进行治理、消除，预防塌陷事故的发生，减轻、消除城市道路的塌陷对人们生命、财产安全的威胁。2.1泊油路地陷的特点和成因分析 地陷即地面塌陷，是指地面由于地下物质移动而发生的渐进下陷或急剧下沉。地陷发育过程如下：( 1) 细颗粒流失对于发生在市区、道路等处的地陷，由于其地表以下原为质量良好的土层。在发生地下水位变化、管道渗漏时，渗流将疏松土体中细颗粒携带走，造成渗水通道扩张，进一步提高渗流的速度，提供更大的渗流动水力。最终，土层中的细颗粒逐步流失，剩余大颗粒以骨架的形式存在，形成稳定的架空体系支撑上部覆盖土层。有学者将这一过程解释为 “地下水蚀”，即: 地下水位的

3、下降导致覆盖土和含水介质本身失去地下水的托浮力，因而在重力作用下，土体下落; 地下水的流动与渗透作用，又在土体内形成许多漏斗状与珠串状的裂隙松散结构; 当水把填充物进一步携带走而使上覆盖层支撑进一步减弱时，这种结构进一步扩大并互相贯通，规模愈来愈大。( 2) 隐伏土洞形成路面以下出现土洞后，在其发育初期、规模不大时处于稳定状态，如黄土地区的窑洞。但是，随着土洞规模的扩大、施工扰动、车辆振动等因素，隐伏土洞规模会扩大，并最终出现突发性塌陷。 ( 3) 临界坍塌状态在土体结构渐变的过程中，由于地下土体具备自稳能力，如应力调整、土拱效应、骨架效应，致使其能保持一种临界稳定状态，或称之为崩塌临界状态。

4、在此状态下，若进一步发生外部扰动大气降雨、地表堆载、工程振动、车辆荷载，或内部状态变化地下水升降、含水量变化，这些因素将诱发临界稳定状态的发生突变，造成地表急剧下沉，形成塌陷。 2.1.1地陷特点 表观特征：1.综合性强、涉及面广：由于城市道路、地下管线和地铁设施等基础设施空间的密集性，这几类基础设施在道路塌陷事故中往往相互影响，体现综合性强和涉及面广的事故特征。2.社会影响大、处置难度大：城市道路塌陷事故不仅造成道路运行中断，引发交通拥堵，有的还伴随给排水管线、电信管线断裂，造成较大的社会影响，且由于涉及多种市政基础设施和多个管理部门，处置难度较大。3.时间分布：主汛期，降雨丰沛，地下水位变

5、幅大，对道路路基稳定性影响较大，易形成路面塌陷事故。4.空间分布：路面塌陷事故主要发生在车行道位置，少部分发生在人行道。塌陷深度分布特点：路面塌陷深度一般在012m之间，其中深度为05m的为多数，占统计数量的80%以上。2.1.2地陷成因分析城市道路塌陷的原因多样，经分析主要可归结为路面荷载变化、施工扰动、地下管线渗漏和自然因素四大类。 1路面荷载变化 由于我国机动化的快速发展，有些较早建设的道路最初设计考虑的设计荷载已经不能满足现在的交通荷载要求，造成路面承载力不足，形成路面塌陷。我国城市道路的标准设计轴载是100 kN。我国强制标准道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值(GB15892004)

6、与交通部颁布的超限运输车辆行驶公路管理规定也规定我国道路(公路与城市道路)上行驶的各类载重车辆的轴载最大限值中双轮组单轴的最大允许载重为100 kN。但目前有相当数量的进口车辆和引进国外生产线的国产车辆不满足我国现行的轴限标准要求，其中26种单后轴整型车中有27车型的单后轴超过100 kN轴限，最高为130 kN 。一些道路的改扩建提高了道路等级，但路下的管线未改造，在重型荷载下可能破坏管线设施，引起路面塌陷。 2施工扰动 21地下管线施工回填不实 地下管线施工后如果回填不实，形成土体疏松，在地下水和车辆震动等多种因素影响下极易发生流砂淘蚀现象，形成路基空洞，最终造成路面塌陷事故。 22地铁隧

7、道施工扰动影响 地铁隧道施工，包括盾构法、浅埋暗挖法等施工容易造成地层扰动，大量地下水渗出，使其上部或周围疏松土层中的泥沙大量带走，逐渐形成空洞，导致路面塌陷。图1为某城市因路下是地铁线而塌陷。图1闹市区路面塌陷23施工降水影响 地下设施施工经常用到施工降水。由于施工降水设计和施工问题，在长期的抽水过程中地层中细颗粒土被带走，打破原来的土壤平衡，逐步形成空洞，当上部土层支撑力不足时，就出现路面塌陷。3 地下管线渗漏 城市道路路面结构下布设了多种地下管线，包括给排水、污水、热力、燃气、通讯、照明等管线。地下管线长期处在复杂的地下环境中，经长久腐蚀容易形成穿孔、断裂等渗漏现象，特别是污水管线长期受

8、到有毒有害气体和污水的腐蚀，容易渗漏，给水管线也由于水压力等因素形成泄漏。地下管道的渗水、泄漏容易造成对土基冲刷，带走周边泥沙，加上地下施工扰动、路面车辆震动等因素很容易发生流沙或淘蚀现象，形成空洞和路面塌陷。图 2为某城市道路因管道渗漏引起路面塌陷。图2某城市道路因管道渗漏引起路面塌陷4自然因素 41岩溶、旧沟等地下洞穴 受天然地质影响，城市道路下面可能存在天然溶洞。有的城市历史悠久，可能保留有古代城市留下的旧沟，还可能有部分废弃的防空洞等洞穴。这些地段常年无人管理，出现破损及塌方的洞穴在水的作用下，大量泥土流入洞中，形成大面积空洞。 42地质、地下水作用 有一些路面塌陷事故是在自然条件下，

9、受地质、地下水等综合作用引起的。如地层下第四系土层(包括粘土、砂土等)厚度较厚，由于长期地质运动形成裂隙，经地下水的冲刷，裂隙越来越大形成空洞或大面积的松散土层，最终导致路面塌陷事故。另外，长时间的干旱或过度使用地下水也导致地下水水位大幅度下降，使得地表承载力不足，也有可能导致塌陷。还有在粘性土(或回填土)与粗颗粒土接触面处，由于地下水的波动造成粘性土流失，逐步形成空洞，当上部土层支撑力不足时，就出现地面塌陷。一些特殊地质条件，如湿陷性粉土区也比较容易产生路面塌陷事故。2.2地下缺陷检测 目前国内一些大城市人口众多,机动车辆也是呈直线上升,交通流量巨大,交通拥堵时有发生。为缓解交通压力，政府制

10、定了一些措施，其中包括加大城市交通基础设施建设力度，大力发展轨道交通和城市道路建设。城市的基础建设规模越来越大，建设速度也很快，但是城市道路承受着来自交通载荷、复杂的地质条件、雨季雨水冲刷、人类工程活动（包括地铁暗挖施工，地下管线施工，施工降水，雨污水、给水、热力等带水管线的跑、冒、滴、漏）等考验，这些都可能导致城市道路发生变形、路面沉陷、甚至塌陷等情况，影响交通安全。 为了消除交通安全隐患，并最大程度的保护人民生命财产安全，必须采用先进、可行的检测手段对城市道路进行经常性探测，在问题出现之前就要及时发现并处理引起道路变形和破坏的地下空洞、软弱层、松散区等缺陷异常体。探地雷达是城市道路塌陷灾害

11、普查探测的首选技术手段，也是唯一在国内外城市道路塌陷普查探测的工程实践中大量应用取得成功的工程物探方法。传统的、普通的人工或机动车拖拽的单天线探地雷达，由于速度慢、效率低、探测断面窄，因此不能有效地覆盖普查探测道路，容易漏失地下空洞目标。同时,由于其采集信息量有限，不利于对异常反应的判读，主观性、随意性较大，探测成果质量较差。现在主要采用车载式道路塌陷灾害预警雷达系统检测，如RDFR-V01 型采用最先进的大型雷达天线阵列技术，有效探测宽度 3.75 m，探测巡航速度 10 20 km/h，专为针对道路塌陷灾害进行地毯式全覆盖普查探测而设计，可对地下隐伏空洞进行多天线的多点同步联合扫描和测量，

12、最大限度地捕获目标体空间信息和特种信息，极大地提高了雷达探测和识别的质量、效率。同时，天线阵列的多点探测、多点识别优势，使得雷达数据和图像的判读更加准确可靠。2.2.1探地雷达技术 2.2.1.1探地雷达基本理论 假设道路材料为均匀、各向同性、无耗媒质，各结构层的界面为光滑的平面，并将GPR发射的电磁波简化为平面波，容易推导出路面各层材料介电常数及层厚的计算公式如下： V=C/ 式中：V为介质中GPR信号速度；C为光速；为相对介电常数。探地雷达是基于地下介质的电性差异,向地下发射高频电磁波,并接收地下介质反射的电磁波并进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。其工作过程是由发射天线送入地下一高频

13、电磁脉冲波，当其在地下传播过程中遇到不同的目标体（岩土体、空洞等）的电性介面时，部分电磁能量反射回来，被接收天线所接收，并由主机记录。电磁波在探测体内介质中传播时，其路径、频率、强度与相位将随所通过介质的电磁性质（主要是介电常数和导电率)及几何形态而变化。因此，根据接收到返回电磁波的旅行时间（亦称双程走时)、频率、幅度与相位资料，经对反射波组分布特征的识别、分析，可达到探测地下目标体的目的，见图3。图3 探地雷达工作原理示意若被测体内存在介电性不均匀的异常体，电磁波将在其界面处发生反射，反射强度和相位的大小取决于反射系数，对近于同点发射-接收条件下的介电常数有： 式中：，分别为第一层、第二层的

14、相对介电常数。反射系数的大小，主要取决于界面两侧媒质相对介电常数的差异。差异越大，反射系数越大，越有利于检测。利用探地雷达获取地下异常体反射波的双程走时t值和收发天线间距x,可由下式计算其埋深h(m): 探地雷达探测的纵向分辨率一般为： 式中，为电磁波波长（m），其中f为电磁频率（Hz）。 横向分辨率为第一Fresnel带半径的1/4，即： 式中，为垂直测距（m）。 此外，介质对电磁波能量的吸收（衰减）系数为（单位为dB/m），随电导率的增大及介电常数的减小而增大。 1. <<1时，。吸收系数与频率f 无关，而与电导率成正比，与成反比。在空气中，=0，=0。 2. >>

15、1时，。与、f有关，但与无关。 可见在高导电介质中或使用高频时，吸收系数将增大。2.2.2探地雷达野外工作简述及常见地下缺陷2.2.2.1 工作方法 当有探地雷达探测任务时首先需要向分包商详细了解本项目的技术任务，特别是分包商所关心的探测深度：另外还需要对目标体特性与所处环境进行分析。综合以上信息，然后确定探地雷达探测工作能否顺利进行。 接受探地雷达任务后，根据现场地物条件和探测方案，现场实施探地雷达检测。在城市道路检测一般采用汽车拖拉天线方式进行（见图4 ），局部小范围内探测时采用人工拖拉天线进行测试。汽车拖拉方式检测时采用一车拖拉天线检测、一车押后两车同时行进的方式，以保证检测设备和现场工

16、作人员的安全及检测工作的顺利进行。 图4 路基空洞快速检测雷达的作业模式及原理示意 现场测试时采用连续测量的工作方式，同时遵循以下原则： 1.采用汽车拖拉时，天线移动速度控制在计算的最大移动速度之内，并保持车速均匀；<（扫描率/20）（天线宽度+目标大小） 2. 外业记录人员要记录好相关的测试信息，如文件号、测线号、位置、交通情况、场地环境、周边设施、干扰源等； 3. 对现场测试出现的异常图像要及时分析原因，必要时可重复测试，以保证采集数据可靠有效； 4. 现场测试中，及时识别和记录有关明显的干扰源的影象异常及其分布特征。 对各区段测线起点和终点的测量定位工作，一般与雷达探测同时进行，在

17、无条件同时进行的情况下则及时做好醒目标志，次日进行补测，以免起止点标志遭到破坏。同时在进行测线定位测量时，现场工作人员必须穿戴交通安全服装，并佩戴交通安全警示标志，做到安全施工，避免发生安全事故。在正式探测前，工程技术人员根据测试区段地质、地物条件综合设计雷达采集参数。首先进行现场测试试验，根据试验结果确定有效的采集参数，以保证最佳探测效果，在试验过程中将仪器放在地下无管线以及其它构筑物的正常条件下，避免地下干扰源的影响而错误地设计采集参数。2.2.2.2探测参数选择野外数据采集时，探测参数选择合适与否直接关系到项目的探测效果。所以，选择合适的探测参数至关重要。1.天线中心频率的选择天线中心频

18、率的选择需兼顾目标深度、目标最小尺寸以及天线尺寸是否符合场地需要。一般来说，在满足分辨率且场地条件又许可时，应该尽量使用中心频率低的天线。如果要求的空间分辨率为x（单位为m），地层相对介电常数为，则天线中心频率f(单位为MHz)可由下式初步选定： 2. 时窗选择时窗选择主要取决于最大探测深度（单位为m）与地层电磁波速度v(单位为m/ns)。时窗W（单位为ns）可由下式估算： 式中时窗的选用值一般增加30%左右，是为地层速度与目标深度的变化所留出的余量。3. 采样率：512或1024样点/扫描。4. 扫描频率：32次/s。5. 天线最大移动速度在连续探测时，天线最大移动速度取决于扫描速率、天线宽

19、度和目标体大小。SIR系统认为查清目标体应至少保证有20次扫描通过目标，于是最大移动速度为： <（扫描率/20）（天线宽度+目标大小）2.2.2.3 常见地下缺陷1.不密实路基的不密实主要是由于路基开挖过程中产生的扰动或土体本身的松散导致的大范围的地层塌陷或松散，从而形成不密实。病害区域与周围介质的介电常数存在差异，通常表现为病害区介电常数较大，由于含水量不均匀、土体松散且有较多小孔隙分布，不密实在雷达时间剖面图上的特征主要表现为反射波同相轴扭曲错动且多次反射异常，并出现不连续、零乱的团块状或条带状的强反射。如图 5 所示为北京乔庄北街( 汉宫酒店至乔庄村医务室段) 道路左侧 0 m 6

20、5 m 的雷达图像，图像显示在约 25 m 处存在不密实现象，深度约 1 m 4 m。图5 乔庄北街雷达图像2.脱空管道顶部脱空大多是由地下工程施工扰动或路基压实过程中产生的局部不均匀沉降引起的。脱空处相当于在管道与路基之间形成了一个空气夹层，管道顶部脱空在雷达时间剖面图上表现为同向轴拱起，由于反射波能量增强，反射波组错断，图象呈上凸状等特征。管道与路基之间脱空范围有时有其他物质填充在内。其雷达图像表现为无反射、弱反射或杂乱反射，与路面及正常路基的界面反射有明显差异。如图6所示为北京西营前街( 西营前街小区至玉桥西路段) 200m 260m 的雷达图像，图像显示在约210m，223m，238m

21、，255m处存在管顶脱空现象,各脱空段，深度约 1.8 m 3.5 m。图6 西营前街雷达图像(一)3.空洞空洞是路基开挖过程中产生的强扰动或地层中本身存在而形成的。由于空洞在雷达探测过程中表现为电阻率高、介电常数低，电磁波传播速度快，所以在探地雷达探测的时间剖面图上，异常通常表现为同向轴上拱明显呈现双曲线形态，出现规则、对称的绕射弧，在双曲线的顶部反射能量最强，且发生多次反射。当对空洞现象进行资料的解释时，应该注意地下埋藏人工管状物的干扰，空洞和人工管状物在雷达探测的时间剖面图的特征具有一定的相似性，要注意区分。区分空洞与人工管状物的方法是: 单个人工管状物时，在雷达时间剖面图上显示为单个规

22、则的双曲线;多个等间距排列人工管状筑埋物时，在雷达时间剖面图上显示为多个等间距规则的双曲线。双曲线顶点对应管状物的顶点，双曲线范围大小与管状物的尺度成正比。如图7所示为北京西营前街200 m 260 m 的雷达图像，图像显示在约 205 m，228 m 处存在空洞现象，深度约1m 2.5m。图7 西营前街雷达图像(二)探地雷达是一种高精度、高效率、连续无损、图像直观且实时输出的检测技术，能够准确的识别城市道路下隐伏病害，如空洞、脱空、不密实等现象，做到及早检测，及早发现，及早处理，减少生命财产损失。在实际探测过程中要求我们结合现场实际情况，选择适当的雷达天线，设置合理的雷达参数，进行必要的数据

23、处理，使得雷达的图像更加直观易于分辨，快速准确的识别病害类型为道路的安全运营及养护维修提供可靠的检测数据。2.3地下缺陷的加固公路施工路基缺陷加固技术主要是为了保证路面的稳定。而进行路基加固技术主要是因为路基的稳定性较低，如果外力作用较强的话，这对于路面行车的安全性造成一定的影响。因此，进行公路施工路基缺陷加固技术可以很好的避免路面坍塌，能够给路面的支持能力提供一定的助力，从而有效保证路面的行车安全。另外，公路施工路基缺陷加固技术也可以保证路面的硬度，从而延长公路的寿命，减少因公路维修所消耗的人力、物力资源的浪费。2.3.1缺陷加固方法、加固处理特点和要求目前国外对地下缺陷采空区地基加固做法如

24、下：美国宾夕法尼亚州采用灌注柱（桩）支撑法处理道路下的缺陷地基（采空区），控制了地面建筑物和道路的下沉。美国怀俄明州为控制大片的缺陷地基的地表沉降，采用灌浆法进行了处理。波兰为了保护地面建筑物，采用水砂充填法。国内目前加固处理公路缺陷区路基的方法主要有：1.注浆法：加固处理和强化缺陷区地基和失稳路基，增加它们的强度和稳定性。2.反压护道法：在路堤两侧填适当高度和宽度的护道，利用护道荷重的反力矩平衡路堤的滑动力矩，因而保证路堤稳定。3.水砂充填法：利用水的冲力给缺陷地基内的空间充填砂石，支撑上覆岩土层，减少地基沉降，保证路堤稳定。4.烧结法、冻结法等冻结法即通过人工冷却，使地基土地温度降低到孔隙

25、水的冰点以下，使土地冻结，从而有理想的截水性能和较高的承载力。烧结法即在软弱软土层中加热，通过焙热使周围地基上减少水量，提高强度，减少压缩性。以上方法中灌浆法应用比较多,灌浆法不但可用于地基加固,同时用于处理路基病害加固,避免了中断交通的大开挖和换填施工,具有显著的社会效益和经济效益。灌浆法就是利用液压、气压或电化学原理,将某些能固化的浆液注入各种介质的裂缝或孔隙,改善地基的物理力学性质,其过程主要让水泥或其他浆液通过渗透、充填、压密扩展形成浆脉。由于地层中土体的不均匀性,通过钻孔向土层中加压灌入一定水灰比的浆液,一方面灌浆孔向外扩张形成圆柱状浆体,钻孔周围土体被挤压充填,紧靠浆体的土体遭受破

26、坏和剪切,形成塑性变形区,离浆体较远的土体则发生弹性变形,钻孔周围土体的整个密实度得到提高;另一方面随着灌浆的进行,土体裂缝的发展和浆液的渗透,浆液在地层中形成方向各异、厚薄不一的片状、条状、团块状浆体,纵横交错的浆脉随着其凝结硬化,造成结石体与土体之间紧密而粗糙的接触,沿灌浆管形成不规则的、直径粗细相间的桩柱体。这种桩柱体与压密的地基土形成复合地基,相互作用达到控制沉降、提高承载力的目的。加固处理的特点和要求：1. 要保证路基加固后其强度和变形稳定性有所加强，绝不会进一步恶化。2. 因为病害己经发生，因此要通过提高路基路面强度恢复良好的路况，路面路基裂缝处理要用有较高强度且性能优良的材料，路

27、面挖补罩面要用特殊的工艺和材料，绝对不能补了再补。3. 软基和路堤填土体的加固要采用新工艺，新材料，保证处理施工以后满足超限超载要求，长期稳定，不出现新的病害。2.3.2 缺陷区路段、常见病害路段加固处理方案 缺陷地基道路的加固处理，要根据路段病害发生的原因和轻重程度采取不同的方案进行治理。根据病因和病害情况，先分段，然后按各段情况进行加固设计，也就是要对症下药，标本兼治，只有病害原因找的准,治理措施(处治方案和施工技术)科学可行，才能有效治理复杂的道路病害，使道路恢复其良好的路况，为社会提供优良的服务。以下仅对几种主要的地质缺陷路段的处理方法进行探讨。 2.3.2.1 一般软基段加固处理方案

28、与施工技术 1.灌缝封水恢复和增强路基路面强度 对山于路基沉降引起的宽度在15mm的纵横向裂缝的路段,路面沉降量不大于规范规定的工后沉降量时,治理办法是灌缝封水,以防止冬季裂缝张开，雨雪水灌入导致路基冻胀，春秋雨水进入缝内，路面发生龟裂和坑槽。灌缝材料可用SP强性密封膏或其它填缝材料。施工工艺为先用缝机扩缝，用吹风机将缝内杂物吹净，再用压力注浆机将SP弹性密封膏注入缝内515cm深，一般每年在10月，12月到来年2月灌注3次即可。 2.挖补罩面 对自然地面以下不仅有13m软弱土层地段，且路基沉降后，路面结构有轻度损坏，发生宽度为510mm的裂缝，并有多条纵缝和横缝互相贯通的裂缝路段，采取改善路

29、面材料挖补罩面处理。挖开面层后，一般基层还会发现裂缝，或裂缝细微时，先用水泥浆灌缝，在挖开的沥青路面部位用SP弹性密封膏先行灌封处理，然后再进行罩面。当挖开面层发现裂缝宽度较大时，由于SP弹性密封膏灌注后会自动流沉，难以封死裂缝，可先用70#沥青灌注，然后再用SP弹性密封膏封口效果较好。挖补罩面工程上面层宜选用细粒式沥青玛蹄脂(SMA-13)或改性沥青混凝土(AK-13或AC-16);中面层用中粒式改性沥青混凝土(AC-20);下面层用粗粒式改性沥青混凝土或70号重交通道路石油沥青混凝土(AC-25)。上面层选用SMA结构，可以有效减少车辙，防止拉裂，克服路面龟裂等病害。3.路基补强对于因路堤

30、填土体强度比较软弱，或者路堤底面以下存在36m厚度的高压缩软弱土层，造成较为严重的不均匀沉降，路面发生错台，车辙龟裂，翻浆等现象，但路基处于残余沉降阶段的路段，在治理中必须进行路基补强处理。具体工艺是:将原路面结构层全部挖除，然后在路床顶铺一层防水上工布，基层应铺筑半刚性结构层(如水泥稳定碎石)，加铺筑一层沥青碎石，然后铺筑改性沥青面层。在路面结构中的增加一层灌入式沥青碎石和采用强度相对较高的半刚性基层至关重要，对于后期路基的残余沉降和不均匀沉降造成的裂缝，在这两层内即可分解消散，防止其反射到路面。4.地基注浆加固根据工后长期观测，如果路基仍处于固结沉降活动的裂缝路段，且软弱土层厚度大于6m，仅处理路面结构层不能彻底解决问题，必须注浆加固地基。具体方案是:在左右幅坡脚和坡脚以外以及中央分隔带布置垂直