京津水准复测与垂直形变特征

陈阜超,纪 静,塔 拉,王太松,韩 勇

(1.中国地震局地震研究所,武汉 430071;2.中国地震局第一监测中心,天津 300180;3.天津市地震局,天津 300201)

京津水准复测与垂直形变特征

陈阜超1,2,纪 静3,塔 拉2,王太松2,韩 勇2

(1.中国地震局地震研究所,武汉 430071;2.中国地震局第一监测中心,天津 300180;3.天津市地震局,天津 300201)

利用京津城际铁路水准测量资料,绘制了京津地区垂直形变图,发现京津城际铁路水准复测结果同样也出现了与首都圈地区同期水准测量相一致的“南升北降”垂直形变异常现象。分析认为应加强首都圈乃至华北地区的形变监测,为判定形变发展趋势提供依据。

城际铁路;高程控制;水准复测;垂直形变

0 引言

京津城际列车于北京奥运会前的2008年6月8日开始试运营,铁路全长118.3km,最高时速达到了394.3km,从而实现了北京与天津“同城化”的“半小时经济圈”目标,极大地缩短了京津两个城市之间的时空距离。

京津城际铁路沿线地貌是由北京的冲洪积缓倾斜平原过渡到天津海陆交互堆积的冲积海积平原,铁路沿线地基基本为软土、松软土。这类土具有含水量高、压缩性高、透水性差、强度低的特点,天津地段的基岩埋深在1000m以下,工程地质条件较差。为确保京津城际铁路能够安全运营,对铁路进行了诸多方面的测试和监测,其中,路基沉降监测是高速铁路建设和运行中的重要内容之一。

京津城际铁路测量控制网由平面控制网和高程控制网组成,其中高程控制网水准测量是监测地面沉降引起铁路路基和轨道垂直变形的重要手段,为及时调整铁轨,确保铁轨平直提供了万无一失的监测保证。由于它与区域垂直形变监测方法一样,所以本文利用该测量数据,应用垂直形变分析方法,对比首都圈区域垂直形变趋势和变化规律,发现京津城际铁路水准复测结果同样也出现了与首都圈地区同期水准测量相一致的“南升北降”垂直形变异常特征[1]。异常变化时间都出现在2007年下半年至2008年上半年,从而进一步证实了这一时期垂直形变异常的存在,对于深入认识首都圈地区的垂直形变背景和加强震情监视工作有着重要的意义。

1 水准测量与数据整理

京津城际铁路高程控制网水准路线沿京津城际铁路东侧附近布设(图 1)。水准路线从北京的J Y01基岩水准点开始,至天津的J Y02基岩水准点终止,水准测量路线长度约为300km。其间埋设27座深埋水准点(SBM1至 SBM27),埋深为60～80m,基本与桥墩基础的埋深一致。J Y01基岩水准点埋设深度为127.00m,J Y02基岩水准点埋设深度为811.86m,其基础都与基岩相接,可以认为这两个基岩水准点基础是坚固稳定的,不会因为抽取浅表地下水引起这两个水准点的高程变化。水准测量使用DINI12电子水准仪和与之配套的条码因瓦水准标尺,仪器精度满足一等精密水准测量要求。自2007年3月开始第1期水准测量,以后各期的水准测量时间为2007年7月、2008年1月、2008年7月、2008年8月、2009年 3月和 2009年 7月,本文应用到了7期京津城际铁路水准复测成果,第1期2007年3月是按一等精密水准测量精度施测的,其它各期均为二等精密水准测量精度施测。

图1 京津城际铁路示意图(红线为城际铁路)

工程项目要求的水准测量成果主要是桥墩和轨道面的测量数据结果,因此,为了进行区域垂直形变分析,在整理工程项目水准测量成果的基础上,又特别整理了深埋水准点各期水准测量的高差成果,测算了各期的水准测段距离与距离累积,并计算了各期之间的高差变化量和累积量,编制了各期高差变化表。在此基础上,绘制了各期高差变化图,以此作为分析垂直形变的数据基础。为了较少占用篇幅,在能够说明问题的基础上,绘制了下列6幅高差变化图。

图2 2007年3—7月高差变化图

图3 2007年3月—2008年1月高差变化图

图4 2007年3月—2008年8月高差变化图

图5 2007年3月—2009年3月高差变化图

图6 2007年3月—2009年7月高差变化图

图7 2009年3—7月高差变化图

2 垂直形变特征分析

2.1 城际铁路水准复测

由各期的高差变化图可以明显看出,在各图中均显示出了两个大的地面沉降漏斗区。一个是SBM04深水准埋点(北京亦庄附近),另一个是SBM24(天津北辰区外环线外侧)。图6显示,自2007年3月至2009年7月期间两个漏斗区最大沉降量(相对于北京J Y01)分别为:北京亦庄地区113.55mm,年下沉速率为48.7mm/a,天津北部外环线地区118.09mm,年下沉速率为50.6mm/a。如果以天津的J Y02为起算,其武清区至外环线地区的下沉量为79.05mm,年下沉速率为33.9mm/a。这个结果的平均值42.2mm/a与天津北辰区的平均沉降速率42.0mm/a(表2)是极为相近的,也与以往对该区域的地面沉降监测结果和认识一致。

各期相对于第1期(2007年3月)的高差变化(图2至图6),图7是2009年内两期的高差变化。图2和图3显示了这一时段以上升为主,且量值均较大;而图4和图5总体则以微变化为特征,除沉降漏斗区外,变化量不大;图6和图7总体显示的是下降趋势,而且各水准测段呈现出一致的下降趋势。

在这里需要特别说明2008年7月初施测的水准测量成果,由于与2007年3月以及以后几期施测的水准测量成果有明显的差别(附合水准路线闭合差超出二等水准测量限差4× 300km≈70mm的规定)。为此,为了检查水准测量中可能出现的错误和系统误差积累,对一些变化大的水准测段进行了重测,个别测段还进行了反复多次测量,结果表明,7月初的水准测量自己相比较,其高差的变化不大,只是与以前的水准测量成果相差很大。作为城铁工程监测的需要,2008年8月重新进行了1期水准测量,时隔1个月的水准测量结果有非常明显的变化,两期的水准路线高差闭合差相差达到了-89.31mm,超出二等水准测量规定的限差约20mm。而2008年7月这一期所谓“超限”的水准测量成果,其本身的水准测量过程和测量成果都符合水准测量要求。同时,用往返测计算得到的测量精度与其它各期的测量精度无明显差别,可以说明2008年7月的水准测量成果本身是符合二等水准测量规定并满足所有测量要求的,因此在垂直形变分析时进行了分析和对比,与2008年4月和8月的北京至安平水准测量路线的两次水准复测有着非常相似的变化趋势[1-2,4]。

表1 JY01至JY02基岩点各期水准测量高差变化统计表

从地质构造的继承性运动角度去看,上升变化的这些时段均为“逆”继承性运动特征,可以判定为垂直形变运动异常的范畴。2008年的华北地区垂直形变普遍存在着这种形变迹象,并存在重测率增大和水准观测分群现象[5]。

2.2 北京至安平水准复测

由图8和图9可以看出,2007—2008年安平一带相对于北京平均上升了8.9mm/a,呈现“南升北降”逆继承运动特征,2008—2010年安平一带相对于北京平均下降了12.9mm/a,恢复了继承性运动特征,可以认为这时安平一带的垂直形变基本恢复了原有变化态势。汶川地震前后两期垂直形变速率相差21.8mm/a,其变化是非常显著的(地面沉降漏斗区问题不在此解释)。而其它年代的垂直形变均为下降变化趋势[1]。这与图2至图7的变化规律极为相似,两方面的水准测量结果可以得到相互印证,也与以往的垂直形变分析结论一致。

图82007 —2008北京至安平形变速率图

图92008 —2010北京至安平形变速率图

2.3 天津地面沉降监测

天津市地面沉降监测自1985年以来每年10月进行水准复测,由于采取了限采地下水等措施,进入上世纪90年代以后,地面沉降逐步得到控制,每年的沉降量趋于稳定。而2008年出现了全市平均地面沉降量自天津市开始地面沉降监测以来最小的结果,结合2008年首都圈乃至华北地区水准复测出现的“南升北降”垂直形变异常变化,推测2008年天津地面沉降量的减小不是偶然出现的,而是说明了天津地区大面积地出现了“上升”的迹象,而且越是向南,其“升高”的迹象越大。反映了天津地区在这一时间段内存在某种不同寻常的垂直形变异常变化。

区域 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年北辰 42 42 41 42 42全市 26 28 22 24 24

3 讨论与结语

京津城际铁路水准复测结果与华北地区大面积水准测量结果一样,2007年下半年至2008年上半年间同步显示了垂直形变异常趋势,天津市地面沉降量的变化也能够佐证这种垂直形变异常的存在。2007年下半年到2008年上半年的异常变化是否受到2008年汶川大地震的影响?如果从汶川大地震断层的破裂运动方向看,断层北盘运动向北推挤,对于华北地区所产生的应力是增强的。那么,这种垂直形变异常变化可能受到汶川大地震的应力应变场影响。首都圈乃至华北地区存在的显著的垂直形变异常,应该是由这种大区域的应力应变增强变化引起的。并且这一垂直形变从2007年开始逐步增强,汶川地震以后快速恢复原有形变状态。

这种垂直形变异常变化对首都圈乃至华北地区的震情发展一定会产生影响。这是需要我们给予高度重视的问题,回顾1976年唐山大地震以前的1973年四川炉霍地震前后的一段时间,华北地区的垂直形变也有着突出的异常变化,与目前的垂直形变有着某些相似之处。因此,确实需要我们给予密切关注,应当加强跟踪监测,及时分析会商,以期获得有减灾时效的预测预报。

京津城际铁路水准复测用于垂直形变分析是第一次,还存在测量精度和测量方法上的一些具体问题需要解决。京津城际铁路二等精密水准观测,既可以用于确保铁路运营安全的监测,同时也可以为地震预测预报提供垂直形变分析依据。这是一次有实际意义的探索和尝试,今后要积极开展这方面的研究工作,以求更好地和更为广泛地应用工程水准测量成果,为地震预测预报服务。

致谢:感谢韩月萍老师给予本文的悉心指导和帮助!

[1] 韩月萍,陈阜超,杨国华,等.首都圈地区现今地壳垂直形变特征[J].华北地震科学,2009,27(1):13-16.

[2] 张风霜,胡新康,陈聚忠,等.北京天津地区垂直形变剖面复测结果的 GPS检验[J].华北地震科学,2009,27(4):26-30.

[3] 张风霜,武艳强,韩月萍,等.GPS连续观测站基线与地震危险性分析[J].华北地震科学,2010,28(4):15-23.

[4] 韩月萍,杨国华,董运洪,等.华北北部地区现今地壳垂直形变特征与地震危险性分析[J].大地测量与地球动力学,2010,(2):25-28.

[5] 陈聚忠,韩月萍,董运洪,等.区域垂直形变识别与地震危险性分析[C]//中国地球物理.北京:地震出版社,2010:714-715.

Repetition Leveling and Vertical Deformation Characteristic of Beijing-Tianjin Region

CHEN Fu-chao1,2,J I Jing3,TA La2,WANG Tai-song2,HAN Yong2
(1.Institute of Seismology,CEA,Wuhan 430071,China;
2.First Crust Monitoring and Application Center,CEA,Tianjin 300180,China;
3.Tianjin Earthquake Administration,CEA,Tianjin 300201,China)

This paper draws the vertical deformation map of Beijing-Tianjin region by using the inter-city railway leveling data.According to the map,the repetition leveling shows the same abnormal vertical deformation phenomenon of“southern area rose and northern area fell”as that of the capital region at the corresponding period.Further analysis indicates that it is necessary to enhance the deformation monitoring of the capital region and even the North China to provide scientific basis for deformation-developing tendency judgment.

Inter-city railway;elevation control;repetition leveling;vertical deformation

P216

A

1003-1375(2011)02-0031-04

2011-02-22

中国综合地球物理场探测—青藏高原东缘地区(200908029)、大地形变测量规范(水准测量)编制(200908028)、中国地震局第一监测中心2009年青年基金。

陈阜超(1985-),男(汉族),天津人,硕士研究生,主要从事大地形变测量与工程变形监测技术应用.

E-mail:chenfuchao123@yahoo.com.cn