城市道路塌陷隐患防治关键技术研究与工程应用

　　一、总体介绍

　　随着我国城市化进程的加速，地下管网的铺设密度及地面交通荷载的不断增加，加之地下空间开发、地质活动及极端天气等多重因素影响，城市路基沉降及路面塌陷事件的发生频率显著上升，对人民群众生命财产安全和城市正常运行构成严重威胁。鉴于路基沉降及路面塌陷事故具有突发性强，发生地点随机，塌陷规模不确定，成因和表现形式复杂等特点。传统“头痛医头、脚痛医脚”的被动应对模式已难以满足现代城市安全管理的需求。

　　在此背景下，由山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司牵头，联合济南市交通工程质量与安全中心协同进行研究“城市道路塌陷隐患防治关键技术”。该联合体瞄准城市道路地下空间“看不见的隐患”，以“主动发现、精准评估、快速处治”为目标，开展了一系列关键技术攻关与工程实践，旨在构建一套全链条、智能化的道路塌陷防治技术体系，为城市公共安全保驾护航。

　　二、主要做法

　　联合体充分发挥“产、学、研”各方优势，形成了从理论创新、技术研发到工程应用、产业转化的完整闭环。

　　1、产学研深度融合，构建协同创新机制

　　(1)政府主导需求牵引(“产”的宏观层面)： 济南市交通工程质量与安全中心为行业管理部门，负责提出明确的业务需求、提供政策支持、协调道路检测现场、并推动技术标准的制定与应用。他们确保了研发方向紧贴城市管理的实际痛点。

　　(2)聚焦前沿理论与算法(“学”的层面)： 山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司凭借其在岩土力学、信号处理、人工智能等领域的深厚积累，负责基础理论模型构建、探测数据智能解译算法的研发，以及灾害演化机理的研究，为技术突破提供源头创新。

　　主要研究内容：

　　①将土壤颗粒力学与地下水流动结合，深入揭示管道破损对土壤颗粒力学行为的影响，探究渗流作用下颗粒间黏结力和摩擦力的变化规律。

　　②应用先进的CFD-DEM耦合多尺度模拟技术，精确再现地下水流动与土壤颗粒相互作用的全过程，提供真实、细致的渗漏和土体侵蚀过程模拟。

　　③系统探讨了管涌现象的内在机理和土流失过程，提出管涌与路基塌陷之间的联系，为管网管理和基础设施维护提供新思路。

　　④通过试验与数值模拟结合的方法，分析外部荷载对路基稳定性的影响，提出有效的防治措施，为城市基础设施安全管理提供理论支持和技术参考。

　　(3)专注技术方法与工程验证(“研”的层面)： 山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司利用其丰富的工程经验和先进的物探设备，负责将理论模型转化为具体的技术方法，开展现场试验，验证技术的有效性与可靠性，并参与制定成套技术方案。

　　2、 全链条技术攻关，突破核心瓶颈

　　联合体围绕“探、评、治”三个环节，系统性地开展技术攻关：

　　(1)“探”——-多源融合精准探测技术： 突破了单一探测技术的局限性。建立了集三维雷达快速检测、二维雷达详查、管中雷达、电法测漏排查管道渗漏等为一体的全覆盖检测技术体系，研究生成对抗网络(GAN)进行数据增强方法，并提出了一种基于局部自注意力机制的改进3DGAN模型，该模型能够更有效地学习雷达数据的空间分布特征，并在训练和测试阶段展现更优性能。该方法在数据增强和分类效果上相较传统模型具有显著优势，显著提高了探测的精度和分辨率。

　　山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司还深入探讨深度学习在病害识别中的应用。针对三维探地雷达数据的复杂性，研究采用深度卷积神经网络(CNN)和Transformer相结合的方式，以提升病害分类精度。同时，研究将引入多通道3D卷积块和mamba机制，以优化特征提取能力，并增强模型的全局感知能力。通过实验验证改进模型在不同数据集上的有效性，并与传统CNN方法进行详细对比分析，评估其在道路病害识别任务中的适用性和优势。这些研究为三维探地雷达智能检测系统的优化提供理论支持，并为道路病害检测的自动化和高效化提供新思路。

　　人工智能辅助判断课题研究路线

　　现场检测工作图

　　典型三维雷达病害图谱库

　　开发管中雷达、电法测漏等新型管道检测技术对管道检测方法进行完善，山东省建筑科学研究院集团有限公司并提出考虑管道周边土体病害技术状况的管道综合评估方法，提出检查井和雨水口评估方法。

　　电法测漏仪及工作原理

　　管中雷达法

　　(2)“评”——-风险评估：建立了集三维雷达快速检测、二维雷达详查、管中雷达、电法测漏排查管道渗漏等为一体的全覆盖检测技术体系，建立城镇道路地下病害体检测评价技术体系。

　　近十年来由于施工方法和管道材料等发生了巨大变化，管道结构状况的影响因素除考虑土质和位置外，还应考虑管道类型、基础形式、接口形式等因素，在评估管道缺陷时需要对管道类型、接口形式及基础形式等进行了解。山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司编制的《城镇排水管道检测与评估技术规程》，在管段修复指数计算公式中引入管道结构影响参数和管道接口类型影响参数，考虑因素更全面，方法也较为简便。并提出了管道周边环境状况评估方法，形成排水管道技术状况综合评估体系。

　　管道周边土体病害是指土体中存在的土质疏松、空洞、富水异常等构造性缺陷。这些土体病害往往与管道自身缺陷并存且有所关联，因此在排水管道技术评估中需要考虑周边土体病害的影响。

　　管道周边土体病害状况受多种因素影响，每种因素的影响程度不一，较为复杂，对于管道土体病害分值采用了多因素加权法进行计算。

　　引入环境指数EI来表征管道周边环境状况。

　　制定了山东省地方标准《城镇道路塌陷风险排查治理技术标准》，完善了对三维雷达的检测方法，并在检测后对道路和管道周边道路塌陷风险进行评价，提出处置建议。基于“道排同治”理念，采取综合方法，建立集三维雷达快速检测、二维雷达详查、管中雷达、电法测漏排查管道渗漏等为一体的全覆盖检测技术体系，建立了城镇道路地下病害体检测评价技术体系，完善城市道路技术状况评价，将道路病害检测技术与管道检测技术相结合，可以互为补充、相互验证，既可以提高资料解释的准确性，也可以更早地发现诱发道路塌陷的管道隐患，进而采取措施将这些隐患消灭在萌芽中。

　　(3)“治”——快速检测修复技术：借助数值模拟仿真模型，深入分析FWD弯沉盆几何特征参数与路面结构各层承载力下降之间的关系，并结合三维雷达和新型地聚物注浆，研究开发一套城市道路地下病害体快速检测及修复技术，达到分层分段精准诊断路基路面病害并修复的目的。

　　研究的非开挖式硅铝基聚合物注浆加固技术无需破坏旧路面结构，通过无损检测确定病害位置、深度，有针对性地对道路病害进行处治，可大大减少后期路面的损坏，延长道路使用寿命，降低维修费用，具有重要的社会和经济意义。

　　三、取得成效

　　经过协同攻关与实践应用，本项目取得了显著的社会、经济和科技效益。

　　1、安全保障成效显著，社会效益突出

　　主动预防重大事故：在试点城区，项目累计探测道路超过200多公里，成功识别检测出缺陷及异常369处，并处置了数十处高风险地下空洞，避免了多起可能发生的重大安全事故，保障了市民的出行安全。

　　2、经济效益巨大，节约养护成本

　　(1)显著降低全生命周期成本： 相较于塌陷发生后的抢险修复、交通中断、管线损毁等巨大代价，主动探测和预防性养护的成本仅为前者的十分之一到五分之一。

　　(2)减少交通干扰： 非开挖快速修复技术的应用，将传统开挖修复需要数天的工期缩短至数小时，最大限度地降低了对城市交通的影响，产生了巨大的间接经济效益。

　　3、科技创新成果丰硕，引领行业发展

　　形成自主知识产权体系： 项目共申请国家专利7项，发表学术论文12余篇，牵头编制《城镇道路塌陷风险排查治理技术标准》等地方标准，填补了行业空白。

　　研究内容获得山东省科学技术进步三等奖、山东土木建筑科学技术一等奖、济南市优秀自然科学成果一等奖等奖项，得到政府及行业的认可。