北京市地面沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)設(shè)計(jì)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(duì),北京 100195)

自2002年起,北京水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)陸續(xù)開(kāi)展了,北京市地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)站預(yù)警預(yù)報(bào)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(cè)網(wǎng)絡(luò)體系,包括水準(zhǔn)測(cè)量、GPS監(jiān)測(cè)、InSAR監(jiān)測(cè)以及地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng).

地面沉降監(jiān)測(cè)站的選址、監(jiān)測(cè)標(biāo)的設(shè)計(jì)、施工技術(shù),關(guān)系到監(jiān)測(cè)結(jié)果的代表性和準(zhǔn)確性,對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的運(yùn)行具有重要意義.

1 監(jiān)測(cè)站選址與標(biāo)孔設(shè)計(jì)

(1)監(jiān)測(cè)站選址

地面沉降監(jiān)測(cè)站的選址關(guān)系到監(jiān)測(cè)效果好壞,監(jiān)測(cè)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)等多方面的因素.從自然環(huán)境角度上看,監(jiān)測(cè)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(jiàn)表1.

(2) 標(biāo)孔布置

①準(zhǔn)備工作.監(jiān)測(cè)站址選定后,為取得準(zhǔn)確而詳盡的地層資料,應(yīng)在每個(gè)監(jiān)測(cè)站收集地質(zhì)剖面有關(guān)資料或進(jìn)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(cè)站地質(zhì)背景

②標(biāo)孔類型選擇.監(jiān)測(cè)標(biāo)包括基巖標(biāo)和分層標(biāo).基巖標(biāo)是監(jiān)測(cè)站分層標(biāo)的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn),也是水準(zhǔn)網(wǎng)的控制點(diǎn),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(biāo)為觀測(cè)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(cè)井是為觀測(cè)各含水層水位變化情況設(shè)立分層觀測(cè)井,應(yīng)設(shè)置在目前已開(kāi)采及未來(lái)可能的開(kāi)采含水層組.孔隙水壓力觀測(cè)孔是用于不同埋深粘性土層中的孔隙水觀測(cè),以計(jì)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(biāo)孔位置布置.標(biāo)孔間距應(yīng)充分考慮地層結(jié)構(gòu)的影響,當(dāng)?shù)貙榆浫趸蛴泻駥铀缮⑸皩臃植紩r(shí),需適當(dāng)加大標(biāo)孔間距.北京地區(qū)標(biāo)孔間距一般4～5m.監(jiān)測(cè)標(biāo)應(yīng)結(jié)合地面建筑要求、配套成組埋設(shè).標(biāo)孔應(yīng)深淺相間布置,減少施工時(shí)相互干擾(見(jiàn)圖1).

④實(shí)例簡(jiǎn)介.北京市昌平八仙莊地面沉降監(jiān)測(cè)站占地1250.2 m2,主要建筑為標(biāo)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(biāo)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(kāi)采現(xiàn)狀和未來(lái)開(kāi)采預(yù)測(cè),確定本區(qū)300m以淺地層為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象,其中有多個(gè)第四系含水層,主要巖性為中細(xì)砂層和礫石層(見(jiàn)表2).根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料,概化為6個(gè)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(cè)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(jì),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(biāo),分層標(biāo)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(cè)站標(biāo)孔分布情況見(jiàn)圖1.

(3)監(jiān)測(cè)標(biāo)體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)標(biāo)標(biāo)體結(jié)構(gòu),由保護(hù)、引測(cè)、導(dǎo)正、標(biāo)底和地面裝置五大部分構(gòu)成,見(jiàn)圖2.

表2 八仙莊含水層統(tǒng)計(jì)表

①保護(hù)裝置.保護(hù)裝置(保護(hù)管)的作用,主要是隔離周圍土層摩擦、水動(dòng)力、水化學(xué)環(huán)境及其動(dòng)態(tài)變化對(duì)標(biāo)的影響,使標(biāo)體不受環(huán)境變化干擾.在設(shè)計(jì)保護(hù)管時(shí),需考慮地層壓力、保護(hù)管自重壓力等影響,選擇保護(hù)管材質(zhì)、口徑及結(jié)構(gòu)類型.此外,為使標(biāo)體的運(yùn)行穩(wěn)定可靠,應(yīng)盡量減少保護(hù)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(hù)管外環(huán)空間隙,用灌注水泥漿的方法加固保護(hù)管.保護(hù)管可采用單層或多層的結(jié)構(gòu)形式.北京地區(qū)基巖標(biāo)均設(shè)置兩層保護(hù)管,保護(hù)管采用筒中筒型的結(jié)構(gòu)形式,外層保護(hù)管采用Ф340鋼管,埋設(shè)深度50m;內(nèi)層保護(hù)管采用Ф178無(wú)縫鋼管,埋設(shè)深度至完整基巖.保護(hù)管外環(huán)空間隙全部用水泥漿固井,以加強(qiáng)保護(hù)管的穩(wěn)定性.分層標(biāo)設(shè)置一層保護(hù)管,底部直接與分層標(biāo)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(cè)裝置.引測(cè)裝置(標(biāo)桿)是標(biāo)的關(guān)鍵主體部件.基巖標(biāo)桿是從埋藏穩(wěn)定的基巖或成巖較好的古近紀(jì)地層內(nèi)引伸至地面進(jìn)行觀測(cè)的導(dǎo)桿,是監(jiān)測(cè)站測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn);分層標(biāo)中的引測(cè)裝置是將標(biāo)底監(jiān)測(cè)到的地層垂向變形引測(cè)到地面的導(dǎo)桿.

由于標(biāo)桿長(zhǎng)度實(shí)際上大大超過(guò)了其穩(wěn)定的極限長(zhǎng)度,會(huì)在保護(hù)管內(nèi)發(fā)生自由撓曲.導(dǎo)正裝置用于克服撓曲、扶正標(biāo)桿和增加標(biāo)桿的穩(wěn)定性.標(biāo)桿通常采用地質(zhì)鉆探管材,為滿足地面沉降監(jiān)測(cè)的高精度要求,需嚴(yán)格保證管材質(zhì)量,并對(duì)標(biāo)桿剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算校核.標(biāo)桿由于其直徑與長(zhǎng)度相差懸殊、長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大,易發(fā)生撓曲變形.要求提高桿材的剛度和強(qiáng)度,盡量減少長(zhǎng)細(xì)比,應(yīng)選用直徑、壁厚較大、上細(xì)下粗異徑組合連接的寶塔型標(biāo)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(dāng)變細(xì).

③導(dǎo)正裝置.導(dǎo)正裝置用于扶正引測(cè)裝置,保證標(biāo)桿正直,減少保護(hù)裝置對(duì)標(biāo)桿的影響.加設(shè)導(dǎo)正裝置是克服撓曲,保持標(biāo)桿穩(wěn)定最有效的辦法.導(dǎo)正裝置有柔性和剛性兩種構(gòu)件類型,而最常用的為相對(duì)剛性的導(dǎo)正構(gòu)件--扶正器,扶正器設(shè)置于標(biāo)桿與保護(hù)管之間,安置在標(biāo)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(hù)管內(nèi)徑之間的間距控制在2～5mm之內(nèi).

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

⑤地面裝置.地面裝置(標(biāo)頭)是測(cè)量作業(yè)的依據(jù),是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施.地面裝置是為了保護(hù)標(biāo)體安裝孔口裝置和安裝測(cè)量裝置.基巖標(biāo)與分層標(biāo)的標(biāo)桿和保護(hù)管上各自安裝測(cè)點(diǎn),便于通過(guò)主副測(cè)點(diǎn)(標(biāo)桿為主測(cè)點(diǎn)、保護(hù)管為復(fù)測(cè)點(diǎn))的測(cè)量成果分析,鑒定與評(píng)價(jià)標(biāo)體運(yùn)行質(zhì)量.

監(jiān)測(cè)標(biāo)標(biāo)體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.

3 監(jiān)測(cè)標(biāo)施工技術(shù)

監(jiān)測(cè)標(biāo)具有隱蔽、長(zhǎng)期工程的性質(zhì),一旦施工完成再進(jìn)行修復(fù)和更改的難度和成本較高;監(jiān)測(cè)標(biāo)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和靈敏性要求較高.因此,監(jiān)測(cè)標(biāo)的施工技術(shù)對(duì)其監(jiān)測(cè)成果的準(zhǔn)確性和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要.監(jiān)測(cè)標(biāo)建設(shè)包括鉆孔、標(biāo)體安裝、埋標(biāo)和固井等部分.基巖標(biāo)和分層標(biāo)施工流程見(jiàn)圖3.

(1)基巖標(biāo)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(kuò)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(kuò)孔至完整基巖1～2m,圓孔后,全孔下入Ф178mm保護(hù)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(jìn)新鮮基巖10m左右;測(cè)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(biāo)及時(shí)找出原因并糾正.要求每25m及終孔時(shí)測(cè)孔斜一次,孔斜超標(biāo)須及時(shí)糾正,鉆孔孔斜每百米不超過(guò)0.5°,終孔不超過(guò)1°.由下而上依次下入基巖標(biāo)底、Ф89mm、Ф73mm、Ф50mm標(biāo)桿,直達(dá)地面.標(biāo)桿外加扶正器,用水泥將標(biāo)底與基巖固結(jié).候凝做拉力試驗(yàn)檢驗(yàn)固結(jié)效果.

(2)分層鉆孔標(biāo)施工技術(shù)

采用泥漿正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝,小打大擴(kuò)的方法鉆孔施工.開(kāi)孔用Ф550mm鉆頭鉆進(jìn)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(hù)壁鉆進(jìn)至目的層前5m,用取芯鉆具鉆至設(shè)計(jì)孔深,在終孔前5m要作好分次取芯和注意變層位置.

測(cè)井后,用牙輪鉆頭擴(kuò)孔至孔底.施工的標(biāo)孔要求圓直,孔內(nèi)干凈.下標(biāo)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(biāo)相同.

首先下入分層標(biāo)標(biāo)底,標(biāo)底上連接Ф178mm保護(hù)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(biāo)底引出地面,在標(biāo)桿上加設(shè)三叉形滾輪式扶正器,間距6m左右.頂部裝有標(biāo)頭.邊下標(biāo)桿邊向保護(hù)管內(nèi)注入清水,以平衡管內(nèi)外壓力,嚴(yán)防管外泥漿滲入管內(nèi).標(biāo)底到達(dá)目的層,采用壓標(biāo)鉆具,將插釬壓入目的地層200mm.壓住標(biāo)桿,提起保護(hù)管800mm,然后用夾板將保護(hù)管固定在孔口,用粘土球進(jìn)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(yǔ)

北京地區(qū)經(jīng)過(guò)幾年的地面沉降監(jiān)測(cè)工作,證明其地面沉降監(jiān)測(cè)站選址思路、監(jiān)測(cè)站的配置、基巖標(biāo)和分層標(biāo)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(cè)網(wǎng)站預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)工程(二期)初步設(shè)計(jì)》.

[2]丁國(guó)瑜,盧演儔.華北地塊新構(gòu)造變形基本特征的討論,華北地震科學(xué),1(2),1983.

[3]李華章.北京地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震的關(guān)系,北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1989.

[4]北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì).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(duì).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(cè)標(biāo)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(zé)任公司,《地面沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)要點(diǎn)探討》[J]探礦工程 2003年增刊.

[8] 張阿根,龔士良,顧為棟.上海地址調(diào)查研究院, 《上海地面沉降監(jiān)測(cè)基巖標(biāo)分層標(biāo)設(shè)計(jì)原理與施工技術(shù)》[R].2000.