姚赫男,章建高,王 毅,王骁舟
(1.浙江建设职业技术学院,浙江 杭州 310000;2.浙江兴红建设工程检测有限公司,浙江 杭州 310000;3.杭州巨安科技有限公司,浙江 杭州 310000)
随着城市建设规模的不断扩大,城市人口的不断增加,城市道路的地上部分呈现交通量激增、车道受载增大,地下部分呈现市政管线繁杂、轨道交通密集的特点。
由此导致城市道路出现脱空、空洞、疏松体、富水体等地下病害体,主要表现为道路沉降、裂缝、车辙深,甚至塌陷等。
城市道路塌陷问题已出现集中爆发的高峰期,灾害遍布全国各大省市,对人民的生命财产安全造成了极大威胁。
近年来,国内道路塌陷事故频发,由此引发的车辆损毁、人员伤亡事件带来了恶劣的社会影响,也引起了业内的广泛关注。
2020 年1—12 月,全国共发生路面塌陷事故263 起,死亡23 人,受伤48 人,事故数量同比增长了148.11%。
从每个月的事故发生情况来看,2020 年8 月的事故数量最多,共37 起,占路面塌陷事故总数的14.07%(见图1)。
从道路塌陷事故发生的省市分布来看,2020 全年共发生20 次以上塌陷事故的省份有广东省(25 次)、陕西省(23 次)、河南省(22次)、河北省(21 次)(详见表1)[1]。
表1 全国部分省份路面塌陷事故情况
图1 2020 年各月份全国道路塌陷事故数量
早在2003 年国务院发布的《地质灾害防治条例》中,就将地面塌陷与崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面沉降等一同纳入地质灾害的范畴。
2018 年,中华人民共和国住房和城乡建设部发布行业标准《城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准》[2],对城市地下病害体综合探测与风险评估工作进行了规范和统一,全国各省市也相继出台了道路塌陷防治及预警工作要求。
2.1 不良地质条件
我国地质水文条件复杂多变,不同城市也有着不同的地质基础。
以杭州市为例,杭州市位于钱塘江下游,属于杭嘉湖平原的西南部,地形地貌复杂。
第四纪以来古气候变化剧烈,加之新构造运动的影响,使得杭州第四纪沉积成因类型繁多,厚度变化大,沉积物发生多次堆积和侵蚀交替,土质以沙层粉土为主,地下水丰富。
地形上具有竖向土层硬软交替、多层组合、厚度变化大等特征。
同时受古苕溪、古钱塘江改道影响,市区平原存在多条古河道,物质较细且承载力低,容易发生沉降和塌陷。
2.2 不良地质作用
地下水土流失加剧形成地下空洞和松散发育带,回填土路基处受变形沉降带影响,加之道路交通的局部荷载量过大使土体固结沉降,若施工时路基强度不足,极易诱发沉降、塌陷等地质灾害。
此外,地下管道老化造成的渗漏和破裂现象也加剧了地下水土流失,导致土层疏松、形成空洞。
2.3 诱发因素
不良地质条件和作用为道路塌陷带来了隐患,但最终形成的后果还存在以下诱发因素:
(1)强降雨。
受我国主要气候条件的影响,降水量主要集中于夏季即7—9 月,且极易发生极端降水事件。
从图1 来看,全国道路塌陷发生也集中于7—9 月。
随着城市人口规模的扩大,城市市政基础设施的建设往往滞后于城市化进程,遇到极端天气时,极易形成内涝。
大量雨水在道路上淤积浸泡,使土壤含水量增加,加剧土质疏松和空洞,从而形成塌陷。
(2)施工不当。
建筑物的基础施工、地铁盾构、地下管线施工等都会对土体形成干扰,失去原有平衡,出现位移或变形。如果施工时不慎损坏原有管道,造成透水、泄漏等极易酿成事故。
如果施工时对周围土层加固措施不足,或回填时密度不够都可能会引起地面塌陷。
目前城市道路塌陷比较成熟的监测手段是雷达检测技术,并且已经形成了《道路塌陷隐患雷达检测技术导则》和《道路塌陷隐患雷达检测技术规范》。
该技术主要包括检测设备和数据分析软件两部分,检测设备以多通道探地雷达、高精度定位设备和摄影测量设备作为主要数据采集设备,需要采集雷达图像、地理坐标、地理空间影像、街景数据等。
数据分析软件部分可以实现数据的实时采集、存储、融合、解译、可视化等功能[3]。
数据采集工作需要牵引车牵引采集设备来完成,而牵引车的速度有一定限制且范围有限,因此检测的精度较高但效率相对较低。
雷达检测技术在重大会议、活动的安全保障方面可以发挥重要作用,但是无法在道路塌陷之前做出预警。
当前,道路安全检测与评估的新设备和新技术日益成熟,特别是物联网技术在智慧城市建设中的快速应用和发展,客观上倒逼道路监测系统研究的进一步深入。
用物联网思维去思考城市道路塌陷的预测预警方法和有效解决方案,能够做到早发现、早预防、早排查、早处理,最大程度上避免道路塌陷事故发生。
4.1 城市道路塌陷预警监测装置
城市道路塌陷预警监测装置[4]通过下沉块自然下落过程中带动连接绳下落,再通过第二位移传感器将连接绳的下落长度转换成电信号之后向外部发出,从而了解地陷情况。
通过盖板下降带动升降块下移,再通过第一位移传感器将升降块位移长度转化成电信号发出,从而了解到地面下沉情况。
最终根据地面下沉的数值来触发不同级别的预警,结合GIS 同步呈现数据,并在云平台进行数据存储。
4.2 城市道路监测预警系统架构
城市道路监测预警系统由基础层、物理设备层、网络传输层、数据应用层组成(见图2),应用终端包括手机、电视、PC、大屏、一体机等多种载体,适用于政府公共管理、智慧城市建设等多种应用场景,也可以为精细化道路检测企业提供数据支持,更可以为社会公众安全提供保障。
图2 智慧城管视域下城市道路监测预警系统架构
4.3 城市道路监测预警系统应用终端
以应用终端的智能大屏为例,城市道路监测预警系统可视化平台可实时显示物理设备层的设备状态和信息(见图3),如有预警信息出现,则会在地图上显示出具体的位置信息和预警详情。
同时,根据中台海量数据进行大数据分析,在可视化平台上同步呈现历史预警数据、历史预警事件的处理情况以及对未来塌陷的预测和塌陷等级划分等。
除了智能大屏之外,也可将以上功能开发为移动端、PC 端等不同版本,为智慧城管带来更多的应用场景。
图3 城市道路监测预警系统可视化平台
4.4 城市道路塌陷预警流程
城市道路塌陷预警系统首先要完成基础层的基础数据库搭建、信息交换平台等基础设施建设工作。
基础数据库包括城市土壤、水文、气候、高程、地下管线等重要信息,在此基础上,根据已有的道路塌陷事故数据,结合数据库的模拟,计算出城市道路的风险系数,进而在重点监测的区域布置预警监测装置。
当装置发生位移预警时,可在多个终端进行同步提示,工作人员可以立即进行人工实地验证,根据现场情况进行处理,并根据需要进行周边道路的物探诊断和道路巡查,以排除隐患。
每一次正确预警的基础数据信息都会在后台的基础数据库进行留存,在未来进一步指导风险系数模拟和预警值的设置。
整体的道路塌陷监测预警闭环系统如图4 所示。
图4 道路塌陷监测预警闭环系统
随着城市化进程和城市建设的飞速发展,城市道路塌陷问题已经成为威胁人们生命财产安全的一大隐患。
城市的安全保障是城市精细化治理的关键环节,也是智慧城管发展到更高阶段的要求。
借助于物联网、大数据、GIS 技术的应用,城市道路的监测更应该从“打补丁”向“治未病”转变。
相关管理部门应该尽快建立起多维化、立体化的公共安全网络和应急管理体系,从应急向预防转变,增强风险意识,尽可能从源头上减少风险、消除隐患。
推动城市道路安全工作的信息化、标准化、规范化,预防道路塌陷事故的发生。
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