海寧山洞地形變臺建設總結與思考

[摘要]" " 海寧硤石地震臺位于浙江海寧市硤石街道西山公園人防山洞內，該臺在建設過程中，不但面臨巖石體質量差的問題，洞室地面下挖至2 m以上深度，巖石依舊呈現多氣孔且破碎的狀態；還面臨洞室濕度高的問題（gt;95% Rh）。最終在不可能采用巖石墩建臺的情況下，通過澆筑大面積混凝土儀器墩，并對洞室環境進行改造，降低洞室濕度，做到保溫、恒濕，改善觀測環境。至今，該臺已有十多年的運行時間，從目前情況看，臺站觀測數據平穩連續，固體潮清晰，達到了臺站改造的預期效果。本文通過總結海寧硤石地震臺在改造過程中取得的經驗，為在一些不具備建造巖石墩的人防、民用山洞內，建設地形變觀測臺提供借鑒。

[關鍵詞] 山洞; 地形變; 觀測數據; 改造; 經驗

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-006

0" 引言

海寧市位于杭州灣北岸的杭嘉湖平原，該地域的新構造運動以差異性和振蕩性升降為主，在早第三紀和早更新世先后出現下陷運動，淪為海灣，形成沉積。蕭山—球川深斷裂穿過海寧境內，該斷裂在全新世有過活動[1]。海寧硤石地震臺是根據浙江省地震監測臺網建設布局的需要，于2004年由浙江省地震局、海寧市政府共同投資建設的數字形變地震觀測臺站，用于觀測嘉興市、海寧市及浙北地區的地震前兆信息。根據海寧地質地震構造和自然環境條件，通過勘選，站點最終選擇在海寧市西山公園人防山洞內[2]，該山洞是20世紀70年代開挖的海寧人防設施。從海寧西山出露的巖石判斷，該山石體屬早期火山噴發形成的凝灰巖，由于山洞外體被植被、泥土等覆蓋，無法判斷山洞內巖石的真實情況，在儀器墩開挖建造過程中，發現巖石破碎且多氣孔，不具備建設巖石墩條件。依據地形變觀測的相關規范要求，巖石體如果堅硬度不夠，可能會影響觀測數據的質量和精度。根據臺站建設方案和實際情況，由浙江省地震局牽頭，聯合嘉興市科技局、海寧市科技局等部門，共同組成建臺專家工作組。工作組通過大量調研分析，最終借鑒湖北宜昌地震臺、山東馬陵山地震臺山洞改造經驗，提出并采用“建設重力墩置換破碎巖石基礎”的基本建臺思路。

1" 臺站概況

海寧西山公園人防山洞（30.3°N，120.4°E），洞深約97 m，洞上方覆蓋層厚度約為23 m。山洞有3個出口，一個為存放香蕉等水果，作為出入口常年開放，另兩個為廣福寺出口和公園出口，一般不開放，但均有通氣道，山洞過道內存在弱氣流動。工作組選擇洞深處的一個穹洞作為儀器室，位置見圖1所示，往山洞過道向南20 m處有一個20 m3的蓄水池，用于人防山洞內的消防安全用水，據了解至今蓄水池未曾動用過。

臺站完成儀器墩和洞室環境改造后，于2006年8月安裝SSQ-2石英水平擺傾斜儀，該儀器靈敏度高達0.001 s，可清晰觀測到固體潮，是監測地殼形變的重要觀測手段之一。由于該儀器觀測精度高，對觀測環境的要求比較嚴苛，比如當洞室內環境溫度、空氣流動出現細微變化，都會對觀測數據質量造成較大影響，因此恒溫和密閉是必要的條件。工作組依據《地震前兆數字觀測技術規范（地形變）》的相關要求和該山洞的實際情況，提出了山洞改造方案[3-4]。2017年9月SSQ-2石英水平擺傾斜儀因老化，故障頻繁，觀測數據質量下降，經中國地震局批準該儀器停測，2018年4月臺站新增VP-1垂直擺傾斜儀[5]，繼續開展地形變觀測。

2" 儀器室

儀器室是臺站觀測工作的核心區域，本文所指的是形變觀測儀器安置洞室，包括儀器墩室、數據采集記錄室、洞室過道等。根據測量，臺站所用洞室長16.70 m，寬2.90 m，約33 m3。洞高2.50 m，總體符合相關觀測規范要求，僅需對洞室按恒溫與密閉的觀測環境要求，進行裝修與改造，施工核心難點主要是儀器墩的改造建設。

2.1" 儀器墩

在選定的儀器墩位置處向下開挖，出露的局部巖石破碎且夾雜泥砂，挖深至洞室地面以下約1.0 m深處，經驗看，巖體風化較嚴重，再往下挖深至約2.0 m深處，巖體仍呈現破碎狀態，顯然，此時建造巖石儀器墩已不可能。通過前期調研，工作組采用“建設重力墩置換破碎巖石基礎”的建臺方案。挖深至近3.0 m后，巖體質量有所改善，呈現軟硬相間狀況，繼續挖深至巖石成分相對比較堅硬處，對深處巖層進行打鉆，將14根直徑30 mm，長3 m的螺紋鋼筋，斜交叉嵌入巖石之中，并用電焊進行相互連接（圖2）。再澆注標號大于C30混凝土，以加大儀器墩重力，使儀器墩牢固鑲嵌在巖層之中，形成整體。為確保施工質量，安排監理人員監理整個施工過程。儀器墩澆注完成后（圖3），等其干透，使用回彈儀對儀器墩4個側面和墩上面進行檢測，檢測結果顯示儀器墩剛性參數符合相關要求。

2.2" 方位角

準確測定洞室儀器墩面上方位角是保障架設水平傾斜儀質量的重要環節，在儀器墩位置處先用羅盤初測定正北方位，待儀器墩澆筑完成后，用T3經緯儀，遵照《二、三、四等天文測量細則》（草案）[6]之四等精度要求，測定校準儀器墩正北方位，確保儀器安裝時按正確方位放置。

3" 供電線路與防雷設計

海寧地區雷擊風險相對較高，據海寧市氣象局的相關統計，當地年平均雷暴天氣在50天左右。海寧市區感應雷現象發生較頻繁，也曾多次發生直接雷害事件。根據研判，臺站所在西山公園區域主要存在感應雷害風險，包括由雷電引起的靜電感應和電磁感應雷害。預防通過供電線的引入，造成感應雷害是主要的避雷防范手段，具體措施如下：

（1）供電線接入。根據實際情況，采用長30 m，直徑50 mm鍍鋅管，內穿鎧裝供電電纜，埋地0.8 m，將220 V交流電從西山公園處引入儀器室外洞口的鐵制配電箱中，連接至單相電源避雷器后，再接入洞內儀器室內配電箱。反復檢查，確保安裝的避雷器、鍍鋅管、鎧裝電纜有良好接地。

（2）光纜接入。數據傳輸采用光纜，根據實際情況，采用長30 m，直徑50 mm鍍鋅管，內穿數據光纜，埋地0.8 m，將光纖線接引入儀器室鐵制轉接箱中，反復檢查，確保鍍鋅管有良好的接地。

（3）GPS線接入。采用1寸鍍鋅管內穿GPS信號線的方法，接入山洞儀器室中，并沿洞室地面進行鋪設。所有管線用絲扣相連，安裝GPS避雷器，確保良好接地。

（4）電源避雷器。臺站電源通過公園處220 V交流電接入，配置40 kA、20 kA兩級交流電源避雷器；若采取外引專線供電，應采取至少三級電源避雷設計，并注意退耦保護。

（5）UPS接入。儀器室供電通過交流穩壓器后，接入UPS電源，輸出端采用10 kA防涌浪電源插座。UPS電源配置蓄電池容量至少保障儀器連續工作24小時以上。

（6）避雷地網。在公園內建設一個約20 m2的接地網，經測試，地網接地電阻小于4 Ω，符合規范要求。

4" 儀器墩室、記錄室的針對性裝修改造

現澆混凝土儀器墩檢測合格后，重點改善洞內儀器墩室、記錄室、過道內的溫濕度、氣流擾動及防水（山洞滴水）等觀測環境現狀。

4.1" 儀器墩室裝修改造

（1）儀器墩室項部裝修。采用防生銹的鋁塑板進行吊頂裝修，并在其頂部再鋪上一層5 cm厚的泡沫板，起到保溫和防水作用。

（2）溫濕度、氣流控制。儀器墩室設計兩道密封門和兩戶透光窗，保障洞室內基本恒溫保濕。過道設計三道墻門，一道為雙開塑鋼門，二道、三道為單開塑鋼門，盡可能減少過道氣流影響。

（3）制作儀器罩。根據儀器墩尺寸大小，采用泡沫材質制成儀器墩防護罩，保護儀器工作時，免受洞室內滴水、氣流影響，并對儀器起到一定恒溫保護作用。

4.2" 記錄室的裝修改造

記錄室是安置數據采集器主機和輔助設備的房間，要求裝修簡單實用，設備安放布局合理，室內濕度應低于80%。

（1）記錄室裝修。記錄室面積約12 m2，進口設計兩道門，一道為防盜門（防銹蝕型），二道為塑鋼門。墻面進行瓷磚貼面，拱頂采用淡色扣板美化。地面適當墊高，鋪設防滑地磚。

（2）儀器放置。室內配置兩個操作臺，用于放置直流電源、數據采集主機、監控器、GPS信號轉接盒、交流穩壓器、光貓設備、UPS電源等設備。臺站標準化改造后，上述儀器設備均安置在機柜內，并進行固定。

（3）除濕器加裝。在洞室出口處安裝一臺超靜音除濕機，控制洞室內濕度在80%以下。

（4）供電及照明。在洞室進門側墻處安裝一個配電箱，在其內部安裝電源避雷器、電源控制開關和多路照明開關，記錄室照明、過道照明各單設一路供電，儀器電源插座單設一路供電。根據洞室條件，照明燈采用小功率冷光燈。

5" 臺站改造效果

5.1" 數據資料產出情況

通過實施對山洞的整體改造工程，特別是對儀器墩的特殊加固處理和對洞室溫濕度精密調控都取得了顯著成效，臺站觀測環境得到了有效優化。為了降低雷擊風險，采取了一系列技術措施，包括安裝專用電源避雷器、遵循強弱電分離原則進行布線布局，并構建了完備的避雷接地網絡。2006年8月，臺站成功完成SSQ-2型石英水平擺傾斜儀的安裝工作并開始進行持續觀測，如圖4所示。根據記錄數據顯示，SSQ-2石英水平擺地傾斜儀能夠清晰捕捉到固體潮汐變化特征。年動態曲線顯示，在NS方向上，每年4月份發生向北（N）方向轉折傾斜，而11月份則轉向南（S）方向傾斜；在EW方向上，整體表現為西（W）向傾斜趨勢，經去趨勢處理后，發現該方向上的年度轉折點出現在4月份向東（E）傾斜，11月份向西（W）傾斜。表1詳細列舉了海寧硤石臺SSQ-2石英水平擺傾斜儀于2010年的精度計算結果。經過海潮汐修正計算后，得到γ因子中誤差在NS方向和EW方向上的月平均值分別為0.027和0.012，顯示出較高的觀測精度。此外，在2010年全國定點形變臺站觀測資料的質量評比中，海寧臺憑借較優異的數據產出質量和精準度，榮獲了全國優秀獎的殊榮。

5.2" 數據質量對比分析

我們對海寧硤石地震臺SSQ-2型石英水平擺傾斜儀2010年觀測數據和VP-1垂直擺傾斜儀2022年的觀測數據進行了深度的質量對比分析。通過應用維尼迪柯夫（Venedikov）調和分析方法，分別計算了兩種儀器在NS向和EW向的潮汐因子γ及其對應的中誤差值，旨在對這些數據進行詳盡的質量評估，并通過對儀器墩質量的綜合考量，驗證其是否滿足地形變觀測的精度要求[7]。

方法論闡述：固體潮是地球內部及地殼對日、月引力產生的周期性形變現象，其潮汐因子定義為同一時刻實際觀測到的地球固體潮振幅與理論預測振幅之比，這一參數反映了介質的彈性力學性質，波動的潮汐因子揭示了觀測點處介質彈性模量的變化趨勢，從而有助于推斷地下介質狀態的演變過程。在此背景下，我們采用中誤差作為衡量觀測精度的關鍵指標，它是指地球固體潮觀測振幅與其理論值之比序列的標準差，標準差越小，則表明觀測精度越高。

分析計算結果（表2），得到如下結論：SSQ-2石英水平擺傾斜儀在2010年的觀測數據顯示，其NS方向的潮汐因子月中誤差均值為0.0324，EW方向為0.0263；VP-1垂直擺傾斜儀在2022年的觀測精度表現為，NS方向的潮汐因子月中誤差均值為0.0253，EW方向進一步降至0.0208。比較上述兩套觀測設備的數據質量，可以發現它們的中誤差值基本相當，且VP-1垂直擺傾斜儀在兩個方向上的誤差均有一定程度的減小，這充分證明前期對儀器墩及觀測環境的改造的質量達到地形變觀測所需的精度標準。

5.3" 映震能力分析

臺站原先安裝的SSQ-2石英水平擺傾斜儀和后來新增的VP-1垂直擺傾斜儀，均表現出良好的映震效能，對國內較大及全球大震均有明顯的映震效應，能夠清楚記錄到地震波。圖5為VP-1傾斜儀記錄的地震波。觀測資料在浙江省地震日常分析預測預報中發揮了積極作用。

6" 結束語

經過對海寧硤石地震臺儀器墩和觀測環境的綜合改造，臺站現已持續穩定運行10多年，有效提高了浙江省區域地震監測預測能力。通過對該臺站建設改造的回顧與總結，得出以下山洞地形變臺的建設經驗：

（1）定點地形變觀測臺的選址需嚴格按照《地傾斜臺站觀測規范》的要求，對擬選臺址進行綜合分析和調研，在一些因地震監測布局需求，必須建臺的地方，更是需要積極探索和充分調研，根據選址實際條件，研究改進方法和實現途徑，揚長避短。海寧硤石地震臺在山洞改造建設過程中，大膽運用新技術新方法，其成功實踐經驗，值得參考借鑒。

（2）地形變觀測對環境要求嚴苛，在臺站建設過程中，選擇特定山洞或人防設施用于地形變觀測時，應注重改善洞內溫濕度條件、減少氣流干擾因素，增加建造多道隔離墻、密封門，加裝儀器罩，安裝超靜音除濕機等是改善其觀測環境的有效措施。

（3）觀測山洞內遇到巖石體質量較差（多孔、破碎），不具備建設巖石墩的情況下，應根據洞內實際情況，建設澆注高標號混凝土儀器墩，并確保儀器墩與巖層牢固鑲嵌成為整體，洞內施工過程監理、儀器墩質量檢測等環節必不可少。

（4）數字化地震觀測儀要特別注意雷擊風險，在臺站改造過程中，建設高質量可靠接地網；安裝多級避雷設備；嚴格執行強電、弱電分開布線；采用金屬管內穿供電線、信號線做到屏蔽接地，都是減少雷擊風險的有效手段。

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Summary and consideration on the construction of Haining cave topographic deformation station

Zhong Wei1， *， Fang Yanxun2

1. Jiaxing Seismic Survey and Prevention Center， Zhejiang Jiaxing 314000， China

2. Hangzhou Central Station of Zhejiang Earthquake Angency， Zhejiang Hangzhou 310000， China

[Abstract]" " "Haining Xiashi seismic station is located in the civil air defense cave in Xishan Park， Xiashi Street， Haining City， Zhejiang Province. During the construction of the station， the first problem is the poor quality of rock mass. When the tunnel is excavated to a depth of more than 2 m below the ground， the rock is still porous and broken; The second is the problem of high chamber humidity （gt;95% Rh）. Finally， in the case that it is impossible to use rock pier to build the platform， the large area concrete instrument pier is poured and the cavern environment is transformed to reduce the humidity of the cavern， achieve thermal insulation and constant humidity， and improve the observation environment. So far， the station has been in operation for more than ten years. From the current situation， the observation data of the station is stable and continuous， and the solid tide is clear， which has achieved the expected effect of the station transformation. This paper summarizes the experience gained in the reconstruction process of Haining Xiashi Seismic Station， and provides reference for the construction of topographic deformation observation stations in some civil air defense and civil caves without rock piers.

[Keywords] cave; topographic deformation; observation data; reconstruction; experience

*通訊作者： 鐘偉（1982-），男，工程師，主要從事防震減災管理工作。E-mail：59187518@qq.com