北京市地面沉降监测标设计与施工技术

王 荣, 贾三满, 赵立新

(北京市水文地质工程地质大队,北京 100195)

自2002年起,北京水文地质工程地质大队陆续开展了,北京市地面沉降监测网站预警预报系统一期、二期工程建设,目前已基本建成覆盖全市的地面沉降监测网络体系,包括水准测量、GPS监测、InSAR监测以及地下水动态监测网.

地面沉降监测站的选址、监测标的设计、施工技术,关系到监测结果的代表性和准确性,对整个监测网站的运行具有重要意义.

1 监测站选址与标孔设计

(1)监测站选址

地面沉降监测站的选址关系到监测效果好坏,监测站址应综合考虑城市规划、地质条件、地面沉降发育历史、现状及未来发展趋势等多方面的因素.从自然环境角度上看,监测站位置应尽可能建在不同的地质构造单元、不同的冲洪积扇和不同的沉降区,应在符合城市总体规划的前提下,尽量选择重大工程附近,有利于建设资金投入.

北京地面沉降站的地质背景见表1.

(2) 标孔布置

①准备工作.监测站址选定后,为取得准确而详尽的地层资料,应在每个监测站收集地质剖面有关资料或进行必要的钻探工作,查清含水层组和压缩层组的分布.

表1 北京地面沉降监测站地质背景

②标孔类型选择.监测标包括基岩标和分层标.基岩标是监测站分层标的测量基准点,也是水准网的控制点,埋设在第四系下伏基岩顶部或成岩较好的第三系地层中;第四系地层分层标为观测不同粘性土层、砂层的沉降而设立,埋设在不同深度地层的界面上.地下水分层观测井是为观测各含水层水位变化情况设立分层观测井,应设置在目前已开采及未来可能的开采含水层组.孔隙水压力观测孔是用于不同埋深粘性土层中的孔隙水观测,以计算孔隙水压力值,了解孔隙水压力与土层受力形变的关系.

③标孔位置布置.标孔间距应充分考虑地层结构的影响,当地层软弱或有厚层松散砂层分布时,需适当加大标孔间距.北京地区标孔间距一般4～5m.监测标应结合地面建筑要求、配套成组埋设.标孔应深浅相间布置,减少施工时相互干扰(见图1).

④实例简介.北京市昌平八仙庄地面沉降监测站占地1250.2 m2,主要建筑为标房,建筑面积450m2.工程地质钻孔揭露其基岩埋深412.73m,为侏罗系凝灰质砂砾岩.基岩标埋设于新鲜凝灰质砂砾岩中,深度435.02m.根据本区地下水开采现状和未来开采预测,确定本区300m以浅地层为主要监测对象,其中有多个第四系含水层,主要岩性为中细砂层和砾石层(见表2).根据区域水文地质资料,概化为6个含水层组:第一含水层组为潜水,第二含水层组为浅层承压水,第三含水层组为中深层承压水、第四、第五和第六含水层组为层承压水组.在各含水组中布置了地下水位监测井,深度分别为32、115、200、24、283和340m.含水层组间为压缩层组(隔水层),在压缩层中埋设孔隙水压力计,深度分别为10、32、43、58、69、98和113m.在主要压缩层组的顶底板布设分层标,分层标埋设深度分别为2.0、24.0、59.0、83.0、144.0、197.0、235和304m.

八仙庄监测站标孔分布情况见图1.

(3)监测标体结构

监测标标体结构,由保护、引测、导正、标底和地面装置五大部分构成,见图2.

表2 八仙庄含水层统计表

①保护装置.保护装置(保护管)的作用,主要是隔离周围土层摩擦、水动力、水化学环境及其动态变化对标的影响,使标体不受环境变化干扰.在设计保护管时,需考虑地层压力、保护管自重压力等影响,选择保护管材质、口径及结构类型.此外,为使标体的运行稳定可靠,应尽量减少保护管与关外土层的摩擦阻力.选用摩擦系数较小的材质作为填料,充填保护管外环空间隙,用灌注水泥浆的方法加固保护管.保护管可采用单层或多层的结构形式.北京地区基岩标均设置两层保护管,保护管采用筒中筒型的结构形式,外层保护管采用Ф340钢管,埋设深度50m;内层保护管采用Ф178无缝钢管,埋设深度至完整基岩.保护管外环空间隙全部用水泥浆固井,以加强保护管的稳定性.分层标设置一层保护管,底部直接与分层标底相连接,50m以浅采用水泥浆固井,其下用优质干粘土球充填.

②引测装置.引测装置(标杆)是标的关键主体部件.基岩标杆是从埋藏稳定的基岩或成岩较好的古近纪地层内引伸至地面进行观测的导杆,是监测站测量基准点;分层标中的引测装置是将标底监测到的地层垂向变形引测到地面的导杆.

由于标杆长度实际上大大超过了其稳定的极限长度,会在保护管内发生自由挠曲.导正装置用于克服挠曲、扶正标杆和增加标杆的稳定性.标杆通常采用地质钻探管材,为满足地面沉降监测的高精度要求,需严格保证管材质量,并对标杆刚度、强度和稳定性进行计算校核.标杆由于其直径与长度相差悬殊、长细比过大,易发生挠曲变形.要求提高杆材的刚度和强度,尽量减少长细比,应选用直径、壁厚较大、上细下粗异径组合连接的宝塔型标杆.北京地区选用直径42、50、73、89四种规格地质钻杆及油管组合形成宝塔式结构,下部粗,往上适当变细.

③导正装置.导正装置用于扶正引测装置,保证标杆正直,减少保护装置对标杆的影响.加设导正装置是克服挠曲,保持标杆稳定最有效的办法.导正装置有柔性和刚性两种构件类型,而最常用的为相对刚性的导正构件--扶正器,扶正器设置于标杆与保护管之间,安置在标杆之上.滚轮式扶正器之间的间距为9～10m左右,扶正器外径与保护管内径之间的间距控制在2～5mm之内.

④标底装置.标底结构是标底部的特殊装置,它连接标杆底部,直接埋入被观测地层.基岩标和分层标标底结构,都是保证引测装置底部与周围地层紧密接触最重要构件.基岩标标底需埋入新鲜基岩或成岩较好的古近系地层,可在标杆外焊接几根加强筋,底部套上管靴或加设圆形钢板.用适量水泥将标底与基岩固结成一体.分层标标底,可分为活动式和固定式两种.分层标标底结构,有木契、插钎、托盘、钢芯管、密封组合、储油腔、保护管、导向键、组合键槽、标杆、橡胶伞件等.

⑤地面装置.地面装置(标头)是测量作业的依据,是自动化监测的基础设施.地面装置是为了保护标体安装孔口装置和安装测量装置.基岩标与分层标的标杆和保护管上各自安装测点,便于通过主副测点(标杆为主测点、保护管为复测点)的测量成果分析,鉴定与评价标体运行质量.

监测标标体结构见图2.

3 监测标施工技术

监测标具有隐蔽、长期工程的性质,一旦施工完成再进行修复和更改的难度和成本较高;监测标对监测结果的准确性、稳定性和灵敏性要求较高.因此,监测标的施工技术对其监测成果的准确性和监测系统的正常运行至关重要.监测标建设包括钻孔、标体安装、埋标和固井等部分.基岩标和分层标施工流程见图3.

(1)基岩标施工主要作业

在工程地质孔施工的基础上先用Ф445mm钻头扩孔到20～50m,下入Ф340mm井管至20～50m,管外环状间隙全部用水泥封固;再用Ф245mm钻头扩孔至完整基岩1～2m,圆孔后,全孔下入Ф178mm保护管,管外环状间隙用水泥封固,水泥浆返至地表,候凝;换Ф152mm钻头钻进新鲜基岩10m左右;测井,换浆,清孔并校正孔深,逐步用清水将孔内泥浆替出.孔深误差不能大于千分之一,要求每25 m间隔及终孔后校正孔深,发现误差超标及时找出原因并纠正.要求每25m及终孔时测孔斜一次,孔斜超标须及时纠正,钻孔孔斜每百米不超过0.5°,终孔不超过1°.由下而上依次下入基岩标底、Ф89mm、Ф73mm、Ф50mm标杆,直达地面.标杆外加扶正器,用水泥将标底与基岩固结.候凝做拉力试验检验固结效果.

(2)分层钻孔标施工技术

采用泥浆正循环回转钻进工艺,小打大扩的方法钻孔施工.开孔用Ф550mm钻头钻进2m,下入Ф426mm孔口管,管外用粘土围填牢固.用Ф216mm牙轮钻头优质泥浆护壁钻进至目的层前5m,用取芯钻具钻至设计孔深,在终孔前5m要作好分次取芯和注意变层位置.

测井后,用牙轮钻头扩孔至孔底.施工的标孔要求圆直,孔内干净.下标前换浆,冲净孔内泥砂,不得有沉淀.孔深、孔斜误差要求与基岩标相同.

首先下入分层标标底,标底上连接Ф178mm保护管,接好后下入孔底,丝扣上要用密封胶密封;依次下入直径Ф73、Ф50mm钻杆,接头丝扣连接,连接标底引出地面,在标杆上加设三叉形滚轮式扶正器,间距6m左右.顶部装有标头.边下标杆边向保护管内注入清水,以平衡管内外压力,严防管外泥浆渗入管内.标底到达目的层,采用压标钻具,将插钎压入目的地层200mm.压住标杆,提起保护管800mm,然后用夹板将保护管固定在孔口,用粘土球进行回填40m,沉淀一天后,环空下入泥浆管,用水泥浆封隔上部环空,水泥浆返至地表.

4 结语

北京地区经过几年的地面沉降监测工作,证明其地面沉降监测站选址思路、监测站的配置、基岩标和分层标的布设和施工适用于北京这样大范围的冲洪积平原,可提供给其他地区类似工作参考.

[1] 贾三满、赵守生等,2005《北京市地面沉降监测网站预警预报系统工程(二期)初步设计》.

[2]丁国瑜,卢演俦.华北地块新构造变形基本特征的讨论,华北地震科学,1(2),1983.

[3]李华章.北京地区新构造运动与地震的关系,北京师范大学学报(自然科学版),1989.

[4]北京市水文地质工程地质大队.北京地面沉降区典型压缩层变形特征与地下水位关系研究[R],2010.

[5]北京市水文地质工程地质大队.北京地面沉降区地质结构及压缩层组划分研究[R],2009.

[6] 高景春,李铁良,张中鹏.北京市地质工程勘察院《地面沉降监测标孔施工技术》城市地质.

[7] 朱恒银,王幼凤.安徽岩土钻凿有限责任公司,《地面沉降监测标结构及施工技术要点探讨》[J]探矿工程 2003年增刊.

[8] 张阿根,龚士良,顾为栋.上海地址调查研究院, 《上海地面沉降监测基岩标分层标设计原理与施工技术》[R].2000.