北京市地面沉降監(jiān)測標設(shè)計與施工技術(shù)

王 榮, 賈三滿, 趙立新

(北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,北京 100195)

自2002年起,北京水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊陸續(xù)開展了,北京市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)站預警預報系統(tǒng)一期、二期工程建設(shè),目前已基本建成覆蓋全市的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系,包括水準測量、GPS監(jiān)測、InSAR監(jiān)測以及地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng).

地面沉降監(jiān)測站的選址、監(jiān)測標的設(shè)計、施工技術(shù),關(guān)系到監(jiān)測結(jié)果的代表性和準確性,對整個監(jiān)測網(wǎng)站的運行具有重要意義.

1 監(jiān)測站選址與標孔設(shè)計

(1)監(jiān)測站選址

地面沉降監(jiān)測站的選址關(guān)系到監(jiān)測效果好壞,監(jiān)測站址應(yīng)綜合考慮城市規(guī)劃、地質(zhì)條件、地面沉降發(fā)育歷史、現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢等多方面的因素.從自然環(huán)境角度上看,監(jiān)測站位置應(yīng)盡可能建在不同的地質(zhì)構(gòu)造單元、不同的沖洪積扇和不同的沉降區(qū),應(yīng)在符合城市總體規(guī)劃的前提下,盡量選擇重大工程附近,有利于建設(shè)資金投入.

北京地面沉降站的地質(zhì)背景見表1.

(2) 標孔布置

①準備工作.監(jiān)測站址選定后,為取得準確而詳盡的地層資料,應(yīng)在每個監(jiān)測站收集地質(zhì)剖面有關(guān)資料或進行必要的鉆探工作,查清含水層組和壓縮層組的分布.

表1 北京地面沉降監(jiān)測站地質(zhì)背景

②標孔類型選擇.監(jiān)測標包括基巖標和分層標.基巖標是監(jiān)測站分層標的測量基準點,也是水準網(wǎng)的控制點,埋設(shè)在第四系下伏基巖頂部或成巖較好的第三系地層中;第四系地層分層標為觀測不同粘性土層、砂層的沉降而設(shè)立,埋設(shè)在不同深度地層的界面上.地下水分層觀測井是為觀測各含水層水位變化情況設(shè)立分層觀測井,應(yīng)設(shè)置在目前已開采及未來可能的開采含水層組.孔隙水壓力觀測孔是用于不同埋深粘性土層中的孔隙水觀測,以計算孔隙水壓力值,了解孔隙水壓力與土層受力形變的關(guān)系.

③標孔位置布置.標孔間距應(yīng)充分考慮地層結(jié)構(gòu)的影響,當?shù)貙榆浫趸蛴泻駥铀缮⑸皩臃植紩r,需適當加大標孔間距.北京地區(qū)標孔間距一般4～5m.監(jiān)測標應(yīng)結(jié)合地面建筑要求、配套成組埋設(shè).標孔應(yīng)深淺相間布置,減少施工時相互干擾(見圖1).

④實例簡介.北京市昌平八仙莊地面沉降監(jiān)測站占地1250.2 m2,主要建筑為標房,建筑面積450m2.工程地質(zhì)鉆孔揭露其基巖埋深412.73m,為侏羅系凝灰質(zhì)砂礫巖.基巖標埋設(shè)于新鮮凝灰質(zhì)砂礫巖中,深度435.02m.根據(jù)本區(qū)地下水開采現(xiàn)狀和未來開采預測,確定本區(qū)300m以淺地層為主要監(jiān)測對象,其中有多個第四系含水層,主要巖性為中細砂層和礫石層(見表2).根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料,概化為6個含水層組:第一含水層組為潛水,第二含水層組為淺層承壓水,第三含水層組為中深層承壓水、第四、第五和第六含水層組為層承壓水組.在各含水組中布置了地下水位監(jiān)測井,深度分別為32、115、200、24、283和340m.含水層組間為壓縮層組(隔水層),在壓縮層中埋設(shè)孔隙水壓力計,深度分別為10、32、43、58、69、98和113m.在主要壓縮層組的頂?shù)装宀荚O(shè)分層標,分層標埋設(shè)深度分別為2.0、24.0、59.0、83.0、144.0、197.0、235和304m.

八仙莊監(jiān)測站標孔分布情況見圖1.

(3)監(jiān)測標體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測標標體結(jié)構(gòu),由保護、引測、導正、標底和地面裝置五大部分構(gòu)成,見圖2.

表2 八仙莊含水層統(tǒng)計表

①保護裝置.保護裝置(保護管)的作用,主要是隔離周圍土層摩擦、水動力、水化學環(huán)境及其動態(tài)變化對標的影響,使標體不受環(huán)境變化干擾.在設(shè)計保護管時,需考慮地層壓力、保護管自重壓力等影響,選擇保護管材質(zhì)、口徑及結(jié)構(gòu)類型.此外,為使標體的運行穩(wěn)定可靠,應(yīng)盡量減少保護管與關(guān)外土層的摩擦阻力.選用摩擦系數(shù)較小的材質(zhì)作為填料,充填保護管外環(huán)空間隙,用灌注水泥漿的方法加固保護管.保護管可采用單層或多層的結(jié)構(gòu)形式.北京地區(qū)基巖標均設(shè)置兩層保護管,保護管采用筒中筒型的結(jié)構(gòu)形式,外層保護管采用Ф340鋼管,埋設(shè)深度50m;內(nèi)層保護管采用Ф178無縫鋼管,埋設(shè)深度至完整基巖.保護管外環(huán)空間隙全部用水泥漿固井,以加強保護管的穩(wěn)定性.分層標設(shè)置一層保護管,底部直接與分層標底相連接,50m以淺采用水泥漿固井,其下用優(yōu)質(zhì)干粘土球充填.

②引測裝置.引測裝置(標桿)是標的關(guān)鍵主體部件.基巖標桿是從埋藏穩(wěn)定的基巖或成巖較好的古近紀地層內(nèi)引伸至地面進行觀測的導桿,是監(jiān)測站測量基準點;分層標中的引測裝置是將標底監(jiān)測到的地層垂向變形引測到地面的導桿.

由于標桿長度實際上大大超過了其穩(wěn)定的極限長度,會在保護管內(nèi)發(fā)生自由撓曲.導正裝置用于克服撓曲、扶正標桿和增加標桿的穩(wěn)定性.標桿通常采用地質(zhì)鉆探管材,為滿足地面沉降監(jiān)測的高精度要求,需嚴格保證管材質(zhì)量,并對標桿剛度、強度和穩(wěn)定性進行計算校核.標桿由于其直徑與長度相差懸殊、長細比過大,易發(fā)生撓曲變形.要求提高桿材的剛度和強度,盡量減少長細比,應(yīng)選用直徑、壁厚較大、上細下粗異徑組合連接的寶塔型標桿.北京地區(qū)選用直徑42、50、73、89四種規(guī)格地質(zhì)鉆桿及油管組合形成寶塔式結(jié)構(gòu),下部粗,往上適當變細.

③導正裝置.導正裝置用于扶正引測裝置,保證標桿正直,減少保護裝置對標桿的影響.加設(shè)導正裝置是克服撓曲,保持標桿穩(wěn)定最有效的辦法.導正裝置有柔性和剛性兩種構(gòu)件類型,而最常用的為相對剛性的導正構(gòu)件--扶正器,扶正器設(shè)置于標桿與保護管之間,安置在標桿之上.滾輪式扶正器之間的間距為9～10m左右,扶正器外徑與保護管內(nèi)徑之間的間距控制在2～5mm之內(nèi).

④標底裝置.標底結(jié)構(gòu)是標底部的特殊裝置,它連接標桿底部,直接埋入被觀測地層.基巖標和分層標標底結(jié)構(gòu),都是保證引測裝置底部與周圍地層緊密接觸最重要構(gòu)件.基巖標標底需埋入新鮮基巖或成巖較好的古近系地層,可在標桿外焊接幾根加強筋,底部套上管靴或加設(shè)圓形鋼板.用適量水泥將標底與基巖固結(jié)成一體.分層標標底,可分為活動式和固定式兩種.分層標標底結(jié)構(gòu),有木契、插釬、托盤、鋼芯管、密封組合、儲油腔、保護管、導向鍵、組合鍵槽、標桿、橡膠傘件等.

⑤地面裝置.地面裝置(標頭)是測量作業(yè)的依據(jù),是自動化監(jiān)測的基礎(chǔ)設(shè)施.地面裝置是為了保護標體安裝孔口裝置和安裝測量裝置.基巖標與分層標的標桿和保護管上各自安裝測點,便于通過主副測點(標桿為主測點、保護管為復測點)的測量成果分析,鑒定與評價標體運行質(zhì)量.

監(jiān)測標標體結(jié)構(gòu)見圖2.

3 監(jiān)測標施工技術(shù)

監(jiān)測標具有隱蔽、長期工程的性質(zhì),一旦施工完成再進行修復和更改的難度和成本較高;監(jiān)測標對監(jiān)測結(jié)果的準確性、穩(wěn)定性和靈敏性要求較高.因此,監(jiān)測標的施工技術(shù)對其監(jiān)測成果的準確性和監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要.監(jiān)測標建設(shè)包括鉆孔、標體安裝、埋標和固井等部分.基巖標和分層標施工流程見圖3.

(1)基巖標施工主要作業(yè)

在工程地質(zhì)孔施工的基礎(chǔ)上先用Ф445mm鉆頭擴孔到20～50m,下入Ф340mm井管至20～50m,管外環(huán)狀間隙全部用水泥封固;再用Ф245mm鉆頭擴孔至完整基巖1～2m,圓孔后,全孔下入Ф178mm保護管,管外環(huán)狀間隙用水泥封固,水泥漿返至地表,候凝;換Ф152mm鉆頭鉆進新鮮基巖10m左右;測井,換漿,清孔并校正孔深,逐步用清水將孔內(nèi)泥漿替出.孔深誤差不能大于千分之一,要求每25 m間隔及終孔后校正孔深,發(fā)現(xiàn)誤差超標及時找出原因并糾正.要求每25m及終孔時測孔斜一次,孔斜超標須及時糾正,鉆孔孔斜每百米不超過0.5°,終孔不超過1°.由下而上依次下入基巖標底、Ф89mm、Ф73mm、Ф50mm標桿,直達地面.標桿外加扶正器,用水泥將標底與基巖固結(jié).候凝做拉力試驗檢驗固結(jié)效果.

(2)分層鉆孔標施工技術(shù)

采用泥漿正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進工藝,小打大擴的方法鉆孔施工.開孔用Ф550mm鉆頭鉆進2m,下入Ф426mm孔口管,管外用粘土圍填牢固.用Ф216mm牙輪鉆頭優(yōu)質(zhì)泥漿護壁鉆進至目的層前5m,用取芯鉆具鉆至設(shè)計孔深,在終孔前5m要作好分次取芯和注意變層位置.

測井后,用牙輪鉆頭擴孔至孔底.施工的標孔要求圓直,孔內(nèi)干凈.下標前換漿,沖凈孔內(nèi)泥砂,不得有沉淀.孔深、孔斜誤差要求與基巖標相同.

首先下入分層標標底,標底上連接Ф178mm保護管,接好后下入孔底,絲扣上要用密封膠密封;依次下入直徑Ф73、Ф50mm鉆桿,接頭絲扣連接,連接標底引出地面,在標桿上加設(shè)三叉形滾輪式扶正器,間距6m左右.頂部裝有標頭.邊下標桿邊向保護管內(nèi)注入清水,以平衡管內(nèi)外壓力,嚴防管外泥漿滲入管內(nèi).標底到達目的層,采用壓標鉆具,將插釬壓入目的地層200mm.壓住標桿,提起保護管800mm,然后用夾板將保護管固定在孔口,用粘土球進行回填40m,沉淀一天后,環(huán)空下入泥漿管,用水泥漿封隔上部環(huán)空,水泥漿返至地表.

4 結(jié)語

北京地區(qū)經(jīng)過幾年的地面沉降監(jiān)測工作,證明其地面沉降監(jiān)測站選址思路、監(jiān)測站的配置、基巖標和分層標的布設(shè)和施工適用于北京這樣大范圍的沖洪積平原,可提供給其他地區(qū)類似工作參考.

[1] 賈三滿、趙守生等,2005《北京市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)站預警預報系統(tǒng)工程(二期)初步設(shè)計》.

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[3]李華章.北京地區(qū)新構(gòu)造運動與地震的關(guān)系,北京師范大學學報(自然科學版),1989.

[4]北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊.北京地面沉降區(qū)典型壓縮層變形特征與地下水位關(guān)系研究[R],2010.

[5]北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊.北京地面沉降區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)及壓縮層組劃分研究[R],2009.

[6] 高景春,李鐵良,張中鵬.北京市地質(zhì)工程勘察院《地面沉降監(jiān)測標孔施工技術(shù)》城市地質(zhì).

[7] 朱恒銀,王幼鳳.安徽巖土鉆鑿有限責任公司,《地面沉降監(jiān)測標結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)要點探討》[J]探礦工程 2003年增刊.

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