济宁城区地面沉降监测系统设计与施工技术

韩飞，韩红梅，王汉西，邹连庆

(1.济宁市土地综合整治中心，山东 济宁 272000；2.山东省地质环境监测总站，山东 济南 250000)

0 引言

济宁城区地面沉降历史由来已久，1988—1998年间多次的水准测量显示，期间最大累计沉降量202.3mm，最大沉降速率25.3mm/a[1]。城区内的李营街道办事处地面沉降区被山东省划定为一级控制区，面积约110km2，2016—2017年INSAR监测结果显示，平均沉降速率约21mm/a。济宁城区地面沉降速率较快，正处于持续发展时期。地面沉降对济宁城市排水系统的影响显著。济宁城区位于鲁西南，地面标高较低，一般在34.3～40.0m，紧邻我国北方最大的淡水湖----南四湖的北段；而南四湖作为城市排涝泄洪区，最高月平均水位多年平均值为34.82m，最高月平均水位36.77m(1957年8月)[2]，地面沉降势必进一步减弱城市雨水自流排放能力，增加城市内涝风险，提高排水防涝系统建设成本。地面沉降监测是一项需要长期坚持的公益性地质工作[3]，而济宁地面沉降监测尚处起步阶段，需要较为先进完善的监测系统提供基础支撑。该文就济宁城区地面沉降监测系统的设计和施工进行论述，以期对相似地区的地面沉降监测工作提供借鉴。

1 区域构造及地层

济宁城区位于华北板块(Ⅰ级)鲁西隆起区(Ⅱ级)内的济宁潜凹陷(Ⅲ级)，东临兖州潜凸起，西接嘉祥潜凸起，分别以SN向的孙氏店断裂和嘉祥断裂为界(图1)[4]。济宁城区第四纪地层以下形成断块凹陷的基底。周边地区地层由老到新主要有寒武-奥陶系、石炭-二叠系、侏罗系、新近系、第四系。城区新近系以下基岩地层以侏罗系上统淄博群三台组紫红色砂岩为主[5]；城区南部和西部局地小范围有燕山期岩浆岩侵入；城区北部分布石炭二叠系砂页岩，夹有煤层和薄层石灰岩。

1—隆起区;2—凹陷区;3—断裂;4—古近系;5—上侏罗系;6—石炭-二叠系;7—寒武-奥陶系;8—泰山岩群;9—岩浆岩;10—汶上-宁阳潜凹陷;11—嘉祥潜凸起;12—济宁潜凹陷;13—兖州潜凸起;14—尼山凸起;15—城市居住区图1 济宁区域地质构造略图

2 监测系统设计思路

2.1 沉降成因讨论

广义的地面沉降是指自然因素或(和)人为因素作用下形成的地面标高损失[6]，自然因素包括构造下沉、地震、火山活动、气候变化、地应力变化以及岩土体的自然固结等；人为因素是指开采地下流体资源和固体矿产等[7-11]。

济宁城区位于地震烈度Ⅵ度区和Ⅶ度区交界位置；据统计，济宁市境内近10年发生地震14次，其中，2.0～3.0级地震13次，3～4级1次。地震震级较小，对于地面沉降的影响程度有待研究。

济宁城区前新近纪基岩地层为断块凹陷，存在相对沉降的构造环境。根据山东省区域地壳形变地面测量资料，1959—1972年，济宁城区(沉降中心)下降量在10～20mm[12-13]；1951—1972年，下降速率为0～0.59mm/a；1959—1979年，下降速率为1～3mm/a[14]。1971—1986年，济宁城区下降约10～20mm，下降速率1mm/a，地壳升降与断裂相吻合，嘉祥断裂以西最高上升6.5mm，上升速率为0～0.43mm/a；峄山断裂以东的泰沂蒙山区为隆起区，断裂两侧变幅较大，其中曲阜东部地区上升20～30mm，上升速率>2.0mm/a[15]。可见，济宁城区受新构造运动中地壳变形的一定的影响，但同时也应关注地壳形变测量时，数据的提取易受到地下水过量开采导致的地面沉降等人为干扰[16]。城区内地面沉降与地下水过量开采密切相关，并且是近几十年内地面沉降的主要诱因，在相关研究中已经得以证实[1]。

分析认为，济宁城区短期地面沉降的主要影响因素是地下水过量开采导致的松散地层压缩，而构造沉降和地震是在大区域构造运动背景下产生的，需要进行专门监测研究。

2.2 监测目的及对象

由于地面沉降成因复杂，监测工作必须依据成因，综合研究，分类监测，专门监测。本监测系统主要针对地下水过量开采引发松散地层压缩所导致的地面高程降低的地质现象[17]；监测对象是前新近纪基岩地层以上覆盖的松散地层。

2.3 研究区面临的主要问题

(1)缺乏稳定基岩基准点。济宁城区开展地面沉降水准测量，一直缺乏稳定的基准点，在往期的测量工作中，是以嘉祥县疃里镇旷山村(图1)出露的基岩为测量原点，距离济宁市区11km，每次测量必须以Ⅰ等水准测量至市区，难以快速形成测量成果，也会影响测量精度。

(2)应排除构造因素影响。由于地面标高降低的现象，是多重因素叠加的结果。地面沉降监测中，应该排除构造因素的影响。

(3)原有监测形式单一，监测设施严重缺乏。通过普查发现，原有用于地面沉降监测的水准标石大部分已经被毁坏或无法找到，需要重新布设地面沉降监测网络。

(4)对第四系土体的分层监测和压缩特性研究不足。

2.4 监测系统设计总体思路

为了排除构造变动影响，在济宁城区单一构造单元内，建设针对地下水过量开采引发的地面沉降专门监测系统[18]，可以进行实时监测、精细监测和应急统测。

济宁城区地面沉降监测系统覆盖面积180km2，主要由数据中心、监测站和监测网组成(图2)。建设多功能一体化监测站2座，城南、城北分别建设主站和辅站，集合数据中心、标组监测、地下水监测、GNSS连续运行(基岩)基准站、安防系统、科普宣传等功能于一体；水准监测网[19]包括2个基岩水准点、44个土层水准点和4个一等水准点；GNSS监测网包括2个A级GNSS(基岩)基准点、8个B级GNSS基本点(图3)。

图2 济宁城区地面沉降监测系统组成

1—地面沉降监测站;2—GNSS监测点;3—水准监测点;4—一等水准点图3 济宁城区地面沉降监测网络分布

3 主监测站设计与施工

3.1 施工流程

主监测站是将数据中心、标组监测、地下水监测、GNSS连续运行(基岩)基准站、科普宣传、安防等功能集于一体，具体施工流程见图4。

图4 主监测站施工流程图

3.2 平面布局

主监测站建筑面积183m2，分为监测室和数据处理中心(图5)。监测室主要用于埋设沉降监测标组和地下水监测孔；其中，C0为地面标，C5为基岩标、C1，C2，C3，C4为不同深度的分层标，G1，G2，G3为不同深度的地下水位观测孔，K1，K2，K3，K4为不同深度的地下孔隙水压力观测孔。

1—地面标；2—基岩标；3—分层标；4—水位观测孔；5—孔隙水压力观测孔；6—孔口保护管图5 主监测站平面布局图

标头和自动化数据采集设备位于地面保护管内，保护管为预制混凝土管(内径0.75m、高度1.2m)，埋入地下并与地面保持齐平，上面加盖双层夹胶钢化玻璃；保护管之间预埋PVC地下线管，用于数据采集设备的安装走线。数据处理中心内有操作台和显示屏，主要用于标组和GNSS相关数据的接收、存储、处理、发布和演示。监测室、数据处理中心和外部之间的电力、网络和通讯线路全部通过地下线管联通。

3.3 立面结构及监测标埋深

为查明工程地质条件，首先进行地质鉴定孔施工，深度236.36m，采集128件样品，岩矿试验754件，物探测井427.75m。根据地质鉴定孔和岩土试验分析，工程地质层的划分为：表土层(0～4m)、第一压缩层组(4～23.5m)、第Ⅰ含水砂层组(23.5～71m)、第二压缩层组(71～105m)、第Ⅱ含水砂层组(105～142m)、第三压缩层组(142～204.5m)和基岩层(204.5m以下)(图6)。

第Ⅰ含水砂层组为潜水和微承压水，分别设置G1、G2两个水位观测孔和K1，K2，K3三个孔隙水压力孔，用于监测主开采层地下水动态情况；第Ⅱ含水砂层组砂层与粘土层互层，隔水性较好，为深层承压水，平均涌水量(3.23m3/h)较小，分别设置G3水位观测孔和K4孔隙水压力观测孔，进行监测；设置5组监测标对地层进行分段控制。基岩标(C5)地面设有水准测量点，基岩标杆向上穿过标房顶部屋顶，用于GNSS观测墩建设，并安装接收天线设备。

1—地面标；2—基岩标；3—分层标；4—水位观测孔；5—孔隙水压力观测孔图6 立面结构和监测标组埋深图

3.4 基岩标设计与施工

基岩标是监测标的一种，是座落在稳定基岩上的相对固定参照点。基岩标孔径为Ф270mm，终孔深度218.21m，地面标头至标底219.11m(图7)。

基岩标施工工艺：首先用Ф270mm钻头钻至207.03m后，进行综合物探测井，终孔孔斜0.57°；物探测井结束后清孔换浆，清孔至孔底无沉淀后吊下Ф177.8mm×8.05mm保护管(长度207.53m)，保护管埋深207.03m，保护管之间采用管箍丝扣连接，连接前在丝扣部分涂刷密封胶，保证密封不渗漏，隔20m加一组弓形扶正器，管外用水泥浆固井；保护管外水泥凝固后，用Ф150钻头钻至218.21m，终孔前取心验证目的地层，清孔至孔底无沉淀后依次下入Ф73.02mm×7.32mm标杆(含标底，长度121.34m)和Ф60.3mm×4.83mm标杆(含变径接头，长度97.77m)，标底埋深218.21m，标杆之间采用管箍丝扣连接，每一根标杆加一组滚珠式扶正器，采用水泥浆固定标底。

图7 基岩标结构图

3.5 GNSS连续运行(基岩)基准站

由于平原地区缺乏稳定基岩，无论水准测量还是GNSS测量都缺乏稳定的参考点，在城区范围内设计建设2个GNSS连续运行(基岩)基准站[20-21]。基岩标的施工提供了有效的稳定参考点，在既满足基岩标水准测量功能的前提下，将GNSS天线架设于基岩标杆顶端，基岩标杆通向屋顶，上部建设观测墩用于支撑观测天线，将GNSS观测墩与基岩标一体化建设。

由于观测墩是在基岩标与标房的基础上建设的，标房存在垂直方向位移的可能性，需要对观测墩进行特殊设计(图8)，既能保证基岩标在水平方向的稳定性，又可以使基岩标在垂直方向上不能因穿透房屋而受到垂直位移的限制。GNSS观测墩采用钢筋混凝土结构，柱体内预埋PVC管道，用于敷设天线电缆。墩外部进行隔温处理，顶部安装强制对中器，扼流圈天线用透波材料的天线罩覆盖，以避免自然环境如强风、雨雪、日照、盐蚀等对天线的损坏。

建设步骤如下：首先清理屋顶标杆，准备钢制内套管，法兰盘限位器，限位器内径比标杆大约1mm，除锈，上防锈漆；内套管固定至屋顶；内套管下部封堵密封材料，密封材料上放置一法兰盘限位器；内套管与标杆之间灌注细沙，放置并焊接法兰盘限位器，限位器内圈用橡胶圈密封防水；标头焊接GNSS强制对中器，底座钢盘直径大过内套管直径，起到固定，防尘、防雨的作用；安置底座模具，灌注底座水泥，待底座稍稍凝固之后，放置外保护套管，放置线缆管于外保护套管中，然后灌注水泥；水泥凝固之后，修饰墩身，安置扼流圈天线，连接线缆至室内操作台；安置屋顶避雷针。

图8 GNSS观测墩结构图

3.6 分层标设计与施工

分层标是运用钻探技术将不同埋深地层的高程引致地面进行观测的一种特殊的钻孔装置(图9)[3]。主监测站共设置6层分层标(图6)，用于测量地下土层的压缩量。

分层标施工工艺：以C4为例，首先用Ф300mm钻头钻进，钻至142.68m后换Ф110mm取心钻具取心至144.93m，取心验证孔底岩性为目的层粘性土后，用Ф300mm钻头扩孔至144.93m。终孔后测孔斜、丈量钻具校正孔深、清孔换浆。清孔换浆至孔底无沉淀后依次吊下标底(长度2.91m，不含插钎)和Ф139.7mm×7.72mm保护管(含标底总长度145.53m)，保护管之间采用管箍丝扣连接，连接前在丝扣部分涂刷密封胶，保证密封不渗漏，隔20m左右加一组弓形扶正器，标底下至孔底后，将标底插钎压入地层，标底埋深144.93m；保护管内下入Ф60.3mm×4.83mm标杆(含标底总长度145.95m)，标杆之间采用管箍丝扣连接，隔9m左右加一组滚珠式扶正器，标杆与标底对接并连接牢固，然后压住标杆，上提保护管0.6m。保护管外用粘土球固井。

图9 分层标结构图

3.7 综合性自动化监测系统

监测站的自动化监测系统分为数据采集端和接收处理端。采集端主要有标组模块、GNSS模块和安防模块，模块之间相互独立，模块可扩展；接收处理端为数据处理中心，主要有接收设备、处理设备和显示设备，核心为服务器。采集端与接收处理端通过GPRS和TCP/IP协议进行数据传输，接收处理端支持多个采集端的接入，为综合站或者单一监测站的扩展接入提供条件。具体的设备连接和数据传输见图10。

图10 综合性自动化监测系统结构图

3.8 综合性地面沉降监测管理系统

以“数据中心+监测站”的模式，一个数据中心支持多监测站扩展，为后期监测预留空间。数据中心由服务器、数据库、管理系统、接收设备、网络设备等组成，负责数据的接收、处理、存储、管理与服务发布。为了便于数据的采集、接收、存储、处理和展示，在服务器上建立综合性地面沉降监测管理系统。管理系统采用B/S网络架构，有利于多层次、不同权限用户的服务，兼具考虑系统的整体性与可扩充性。开发数据查询、数据处理和预警、数据报表、安防监控、成果展示、测量数据成果等模块。服务器可以远程访问GNSS连续运行基准站接收机和UPS设备，对数据进行接收、存储和管理。

3.9 科普宣传展示

监测站内标头、数据采集设备和管线都埋入地下保护管内，地面上加盖透明玻璃。埋入式的安装有效地利用了室内空间，通过展览室、监测设施、宣传片、展板等，将监测站打造成监测、数据服务与科普宣传一体化的平台。

4 辅监测站设计与施工

辅监测站位于济宁城区南部太白湖区，设计和施工与主监测站相似，包含基岩标、分层标、水位监测孔、自动化监测系统以及科普宣传设施。相较于主监测站，仅有监测室，减少了孔隙水压力监测。

5 水准监测点设计与施工

水准点标识设计为混凝土柱(图11—图12)，并设有保护井，上部有混凝土保护盖；挖基坑2m，底座1.2m宽，有2个测量标志点。普通水准点与基本水准点相似，底座为0.6m宽，有1个测量标志点。

图11 基本水准点标石结构图

图12 普通水准点标石结构图

6 GNSS监测网点设计与施工

A级GNSS基岩基准点位于基岩标杆顶端；B级GNSS基本点根据规范要求，点位选址地质环境稳定，无电磁干扰和振动源。GNSS监测墩底座首先进行土层夯实，然后浇筑0.8m深的钢筋混凝土，监测墩高1.8m。为便于管理，GNSS监测墩采用统一编号，统一制式，都配备一块说明牌标注“济宁城市沉降监测点”字样，说明牌注明监测墩的点号、建设单位、联系电话、建设日期等相关信息(图13)。

图13 GNSS监测墩结构图

7 结论

(1)地面沉降成因复杂，监测工作必须依据成因，综合研究，分类监测，专门监测。

(2)济宁城区地面沉降监测系统由监测站、水准监测网和GNSS监测网组成，可以满足实时监测、精细监测和快速统测的需要。

(3)沉降标组监测、GNSS连续站和数据中心配套建设，可以在场地、设备、电力网络和基础设施等方面实现共享利用，大大提高了地面沉降监测设施的利用效率。

(4)监测系统的稳定性和可靠性还有待进行长期连续性监测和评价。