北京市地面沉降監測標設計與施工技術

王 榮, 賈三滿, 趙立新

(北京市水文地質工程地質大隊,北京 100195)

自2002年起,北京水文地質工程地質大隊陸續開展了,北京市地面沉降監測網站預警預報系統一期、二期工程建設,目前已基本建成覆蓋全市的地面沉降監測網絡體系,包括水準測量、GPS監測、InSAR監測以及地下水動態監測網.

地面沉降監測站的選址、監測標的設計、施工技術,關系到監測結果的代表性和準確性,對整個監測網站的運行具有重要意義.

1 監測站選址與標孔設計

(1)監測站選址

地面沉降監測站的選址關系到監測效果好壞,監測站址應綜合考慮城市規劃、地質條件、地面沉降發育歷史、現狀及未來發展趨勢等多方面的因素.從自然環境角度上看,監測站位置應盡可能建在不同的地質構造單元、不同的沖洪積扇和不同的沉降區,應在符合城市總體規劃的前提下,盡量選擇重大工程附近,有利于建設資金投入.

北京地面沉降站的地質背景見表1.

(2) 標孔布置

①準備工作.監測站址選定后,為取得準確而詳盡的地層資料,應在每個監測站收集地質剖面有關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 北京地面沉降監測站地質背景

②標孔類型選擇.監測標包括基巖標和分層標.基巖標是監測站分層標的測量基準點,也是水準網的控制點,埋設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、砂層的沉降而設立,埋設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立分層觀測井,應設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系.

③標孔位置布置.標孔間距應充分考慮地層結構的影響,當地層軟弱或有厚層松散砂層分布時,需適當加大標孔間距.北京地區標孔間距一般4～5m.監測標應結合地面建筑要求、配套成組埋設.標孔應深淺相間布置,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測站占地1250.2 m2,主要建筑為標房,建筑面積450m2.工程地質鉆孔揭露其基巖埋深412.73m,為侏羅系凝灰質砂礫巖.基巖標埋設于新鮮凝灰質砂礫巖中,深度435.02m.根據本區地下水開采現狀和未來開采預測,確定本區300m以淺地層為主要監測對象,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).根據區域水文地質資料,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底板布設分層標,分層標埋設深度分別為2.0、24.0、59.0、83.0、144.0、197.0、235和304m.

八仙莊監測站標孔分布情況見圖1.

(3)監測標體結構

監測標標體結構,由保護、引測、導正、標底和地面裝置五大部分構成,見圖2.

表2 八仙莊含水層統計表

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、水化學環境及其動態變化對標的影響,使標體不受環境變化干擾.在設計保護管時,需考慮地層壓力、保護管自重壓力等影響,選擇保護管材質、口徑及結構類型.此外,為使標體的運行穩定可靠,應盡量減少保護管與關外土層的摩擦阻力.選用摩擦系數較小的材質作為填料,充填保護管外環空間隙,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構形式.北京地區基巖標均設置兩層保護管,保護管采用筒中筒型的結構形式,外層保護管采用Ф340鋼管,埋設深度50m;內層保護管采用Ф178無縫鋼管,埋設深度至完整基巖.保護管外環空間隙全部用水泥漿固井,以加強保護管的穩定性.分層標設置一層保護管,底部直接與分層標底相連接,50m以淺采用水泥漿固井,其下用優質干粘土球充填.

②引測裝置.引測裝置(標桿)是標的關鍵主體部件.基巖標桿是從埋藏穩定的基巖或成巖較好的古近紀地層內引伸至地面進行觀測的導桿,是監測站測量基準點;分層標中的引測裝置是將標底監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定的極限長度,會在保護管內發生自由撓曲.導正裝置用于克服撓曲、扶正標桿和增加標桿的穩定性.標桿通常采用地質鉆探管材,為滿足地面沉降監測的高精度要求,需嚴格保證管材質量,并對標桿剛度、強度和穩定性進行計算校核.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.北京地區選用直徑42、50、73、89四種規格地質鉆桿及油管組合形成寶塔式結構,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.加設導正裝置是克服撓曲,保持標桿穩定最有效的辦法.導正裝置有柔性和剛性兩種構件類型,而最常用的為相對剛性的導正構件--扶正器,扶正器設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徑之間的間距控制在2～5mm之內.

④標底裝置.標底結構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構,都是保證引測裝置底部與周圍地層緊密接觸最重要構件.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圓形鋼板.用適量水泥將標底與基巖固結成一體.分層標標底,可分為活動式和固定式兩種.分層標標底結構,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)是測量作業的依據,是自動化監測的基礎設施.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量.

監測標標體結構見圖2.

3 監測標施工技術

監測標具有隱蔽、長期工程的性質,一旦施工完成再進行修復和更改的難度和成本較高;監測標對監測結果的準確性、穩定性和靈敏性要求較高.因此,監測標的施工技術對其監測成果的準確性和監測系統的正常運行至關重要.監測標建設包括鉆孔、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

在工程地質孔施工的基礎上先用Ф445mm鉆頭擴孔到20～50m,下入Ф340mm井管至20～50m,管外環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,發現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.候凝做拉力試驗檢驗固結效果.

(2)分層鉆孔標施工技術

采用泥漿正循環回轉鉆進工藝,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牙輪鉆頭優質泥漿護壁鉆進至目的層前5m,用取芯鉆具鉆至設計孔深,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,孔內干凈.下標前換漿,沖凈孔內泥砂,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注入清水,以平衡管內外壓力,嚴防管外泥漿滲入管內.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,環空下入泥漿管,用水泥漿封隔上部環空,水泥漿返至地表.

4 結語

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

[1] 賈三滿、趙守生等,2005《北京市地面沉降監測網站預警預報系統工程(二期)初步設計》.

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

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

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

[5]北京市水文地質工程地質大隊.北京地面沉降區地質結構及壓縮層組劃分研究[R],2009.

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

[7] 朱恒銀,王幼鳳.安徽巖土鉆鑿有限責任公司,《地面沉降監測標結構及施工技術要點探討》[J]探礦工程 2003年增刊.

[8] 張阿根,龔士良,顧為棟.上海地址調查研究院, 《上海地面沉降監測基巖標分層標設計原理與施工技術》[R].2000.