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地面沉降监测标结构设计及施工技术要点探讨

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地面沉降 监测 结构设计 施工 技术 要点 探讨
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  收稿日期 :2003 - 04 - 30作者简介 :朱恒银 (1955 - ) ,安徽舒城人 ,安徽岩土钻凿工程有限责任公司总工程师、教授级高级工程师 ,探矿工程专业 ,从事岩土工程技术、生产管理、岩土工程特种钻探技术研究与施工工作 ,安徽省六安市佛子岭路 8 号 ,13805512353 ;王幼凤 (1961 - ) ,女 ,山东禹城人 ,安徽岩土钻凿工程有限责任公司工程师 ,探矿工程专业 ,从事岩土工程施工与技术管理工作 , (0564) 3312073。地面沉降监测标结构设计及施工技术要点探讨朱恒银 , 王幼凤(安徽岩土钻凿工程有限责任公司 ,安徽 六安 237010)摘  要 :阐述了地面沉降监测标结构设计原理、原则和要求 ,指出了保证监测标施工质量技术要点 ,介绍了施工技术效果 ,并对相关技术问题进行了探讨。关键词 :地面沉降 ;监测标 ;结构设计 ;技术要点中图分类号 :26   文献标识码 :B   文章编号 :1000 - 3746(2003) 0082 - 05由于地壳表部松散覆盖层的压密而引起地面标高降低的现象 ,通常称为地面沉降。地面沉降可造成地表下陷、内涝、城市积水、管线 (输水、输气、输油管线 )断裂、江河库坝变形等严重灾害。国内所出现地面沉降较严重的地区有上海、北京、天津、西安、阜阳和宁波、苏锡常、杭嘉湖长江三角洲等区域。为了监测地面沉降量 ,目前的主要手段是建立地面沉降监测标 (基岩标、分层标 ) ,来获取地表下土层在外界作用影响下的变形量 ,以分析研究地面沉降规律 ,从而制定相应控制措施和对策。地面沉降监测标的设立及监测精度的可靠性、灵敏性 ,关键取决于监测标的结构设计和施工工艺。通过几年来我公司在上海、北京、浙江等地近 30000130 个监测标孔的施工实践 ,本文就上述两方面技术问题进行探讨及浅谈几点认识 ,以供同仁参考。1  监测标作用原理及结构设计1. 1  监测标作用原理地面沉降监测标主要有基岩标和分层标组成 。基岩标是通过钻探的方法而埋设在地下完整基岩上的特殊监测点。即从地下基岩引至地表的标志点(水准点 ) ,是进行地面沉降的水准测量的起始点或高程控制点 (是分层标监测的基准点 ) 。分层标是根据土层的性质 ,通过钻探方法分别埋设在地下不同深度土层中的特殊监测点。标点直通地表 ,随土层的压缩、膨胀而升降变化 ,由此可监测该点到地面的总沉降量或总回弹量。1. 2  监测标结构设计原则根据监测标的作用原理 ,其结构设计原则是 :要求标体结构简单、可靠、耐久。基岩标具有良好的稳定性 ,分层标具有高度的灵敏性 ,能客观反映土层变形的微量变化。监测标的标体结构主要由 :保护管、引测装置(标杆 ) 、扶正装置、标底装置和地面装置 5 大部分组成。基岩标与分层标结构区别在于标底结构 ,基岩标标底须与基岩固结成一体 ,保证其稳固、可靠、永久。而分层标标底要与土层紧密接触 ,并随土层变形 ,能上下灵活运动。典型的基岩标、分层标结构示意图如图 1、图 2 所示。图 1  基岩标结构示意图   图 2  分层标结构示意图28 探  矿  工  程                2003 年增刊  © 1995o., 3  监测标结构设计要求监测标的五大结构具有各自不同的作用 ,因而标的结构设计应能保证其各司其职 ,协同配合 ,以此提高标体质量 ,并保证其正常运行。保护装置的作用主要是隔离周围土层摩阻、水动力及动态变化对标的影响 ;引测装置处于保护装置之中 ,是标的主体关键部件 ;导正装置用于扶正引测装置 ,保证标杆垂直 ,减少保护装置对引测装置的影响 ;标底是保证引测装置底部与周围地层紧密接触最重要构件 ;地面装置则是测量作业的依据。监测标结构设计是否合理 ,是监测标运行质量优劣的关键。1. 3. 1  保护装置保护装置又称保护管 ,由于保护管外壁在与地层接触中要承受地层压力、土层变化应力及保护管自重作用等 ,故在设计保护管时 ,须对材质、口径及结构类型进行综合考虑。(1)地层压力的影响保护管一般都放置于第四系地层 ,要求有较高的抗压力。若地层最大挤压应力为 : P = 其中 H 为孔深 ) ,保护管所能承受的挤毁压力为 : «δ 275 (其中 «为管材质量系数 ,δ为管材壁厚 , 管材直径 ) 。则必须设计保护管抗挤压力 (1. 5~ 2) P。(2)保护管自重压力的影响保护管的选择要考虑自重压力 ,具有较大的抗弯强度和管连接部位的危险断面抗断裂强度 ,以满足相应孔深对保护管材质、壁厚的要求。(3)地层变形应力的影响在地下水位反复升降等作用下 ,不同深度松散土层随之发生压缩、回弹变形 ,这种土层变形所产生的应力将直接作用于保护管外壁。地层变形的附加应力对保护管壁产生摩阻 ,其有向上与向下两种作用趋势。由于保护管下入后要回填 ,填料固结 ,将有向下的作用力 ;抽用地下水 (或地下水位下降 )后 ,土层效应力增加、土层固结压缩等 ,均会致使保护管向下运动。而标孔施工后 ,标体质量小于原钻孔内土柱重力 ,土层应力释放 ;地下水位上升、土层回弹应力克服保护管自重等 ,则会致使保护管向上运动。要考虑该因素对保护管的影响 ,在下入保护管后要选择有效的固管方法 ,以减少地层变形应力的影响。由于保护管受到上述多方面因素的影响 ,所以要求在保护管的选材、结构类型及管外回填材料上进行优化设计。常见的监测标保护管材料主要采用混凝土管、铸铁管、无缝钢管等 ,20 世纪 90 年代以前前两种材质在上海用得较多 ,之后均改为无缝优质高强度钢管 ;结构类型上主要采用多层管、二层管和单层管 ;管外回填材料与方法上主要采用 :粘土球(块 ) 、灌注素混凝土、粘土与水泥混合材料灌注等。1. 3. 2  引测装置引测装置亦称标杆 ,是标体构件中的主体部分。基岩标中的标杆是从埋藏稳定的基岩内引伸至地面进行观测的导杆 ,它可直接作为测量基准点 ;分层标中的标杆则反映被测土层面的升降变化。保证标杆的刚直稳定性是设计的关键。对于标杆来说 ,由于其直径与长度相差悬殊 ,长细比过大 ,易发生挠曲 ,因而要求提高杆材的刚度、强度来增加稳定性。防止标杆挠曲失稳的对策 :采用优质高强度材质的无缝钢管作为标杆 ;减小长细比 ,选用直径、壁厚较大的标杆或采用上细下粗异径组合 ,连接成宝塔型标杆来提高稳定性 ,同时在标杆间设置扶正器来提高标杆的刚直稳定性。1. 3. 3  导正装置由于标杆长度实际上大大超过了其稳定的极限长度 ,故标杆会在保护管内发生自由挠曲。导正装置作用即在于克服这种挠曲现象 ,扶正标杆 ,增加标杆的稳定性。导正装置有柔性与刚性 2 种构件类型。(1)柔性导正结构柔性导正结构即采用锚固在孔底 ,穿在标杆中的钢丝绳在杆内的张直 ,从而使标杆扶直的构件系统。这种柔性导正构件必须在地面对钢丝绳施以足够的拉力 ,使其呈绷紧状态才能有效。一般用于基岩标标杆的导直。 20 世纪 60~ 70 年代上海曾用此方法。采用此种方法时 ,用标杆半波长与张力计算结果可以看出 ,300 m 长度的不同规格标杆 ,完全导直 ,对 «73、 60、 50 种型号标杆所需拉力分别为178、 135 和 123 t。由此 ,对于深度较深的标体 ,通过钢丝绳的拉伸 ,使标杆导直结构不太适宜。深孔中的钢丝绳须长期承受巨大拉力 ,对普通钢丝绳来说 ,其绝对伸长量较大 ,导直效果不理想 ,而对于 60 ~ 4 t ,故具有实际应用价值 ,但其张拉装置较繁锁。(2)刚性导正结构采用相对刚性的导正构件 ———扶正器进行导正的结构 ,它能更有效地起到导正作用 ,且比柔性导正的使用时间长。扶正器安装在标杆上 ,并按纵弯曲理论计算的半波长部位。扶正位置放置要科学合38  2003 年增刊                探  矿  工  程© 1995o., 扶正器间距过大 ,起不到良好的扶正使用 ,过小则导致阻力增大。扶正器的性能设计要求为 :①结构简单、合理 ,具有较好的导正作用 ;②具有较高的支撑强度 ,不会因标杆与保护管之间的挤压或下标时的撞击而造成构件损坏 ;③必须具有较好的灵活性 ,既能在标杆轴向上、下移动自如 ,又能径向转动。扶正器不仅起导正作用 ,又能使标杆导直和在保护管内居中 ,同时也使保护管与标杆的作用相互独立。常见扶正器类型如图 3 所示。图 3  扶正器类型1. 3. 4  标底装置标底结构是标底部特殊装置 ,它连接标杆底部 ,直接埋入被监测地层。基岩标与分层标在结构上的区别 ,主要是在标底结构和标底作用的不同。基岩标必须固定不动 ,标底结构比分层标底结构简单。标底须埋入新鲜基岩中。基岩标标底可在标杆上焊一个托盘 ,对钢丝绳扶正标则在标底标杆上焊接若干根倒刺 ,将标杆连同标底下入孔底埋入 10 m 左右新鲜基岩中 ,并用定量水泥将标底与基岩固结成一体。分层标标底结构类型主要分为固定托盘式和活动式 2 类。固定式是用于浅层标 (30 m 以浅的 ) ,活动式则用于深层分层标。分层标标底的设计对性能要求是 :结构简单 ,压标方便 ,上下活动灵敏度高 ,活动部件密封性好 ,密封件具有防腐性、耐久性。分层标标底结构主要由连接件、滑筒件 2 部分组成。连接件的作用是使标与被测土层连接紧密 ,并与上部标杆相连 ;滑筒件一方面隔开周围土层对滑筒活动的影响 (阻力 ) ,同时保证保护管的向下活动不对标底的稳定产生影响。整个标底可分解为 4 个部分。分层标标底结构如图 4 所示。图 4  插入托盘式分层标底结构示意图(1)插钎与托盘插钎与托盘位于标的最底部 ,是与滑杆、标杆、土层三者直接联接部件 ,按照预定设计深度 ,压入被测地层 ,它能随着被监测地层的下沉或回弹而一起升降。通常采用托盘或套筒底部配爪型结构 ,压标时其底部爪型结构能向外扩张并插入土层内 ,与被监测土层牢固地结合为一体 ,被监测土层的沉降或回弹由它作出第一反应 ,并带动滑杆、标杆作上下移动 ,因而要求其具有较高的刚度和抗压强度 ,在较高压力 (5~ 8 t)下 ,爪体能伸开 ,又不折断。(2)保护套在保护管下端连接保护套筒 ,保护滑筒在套内的活动 ,埋设时因保护套筒被周围土层所包 ,它能随周围土层沉降而滑动 ,因而可防止保护管下沉对标底的影响。其必须要有一定的强度 (抗压、抗挤、抗弯 ) ,以抗衡地层的侧压力 ,同时要求其上、下两端有较好的能长期工作的密封性能。(3)滑筒滑筒是标底的密封装置 ,常用的是塞线筒和液压滑筒 2 种 ,它既保证了保护管与标杆之间的密封性能 ,又能使保护管自由滑动。必须要具有良好的密封性和滑动性 ,密封装置应具有长期 (50 年左右 )48 探  矿  工  程                2003 年增刊  © 1995o., 4)滑杆滑杆是下与插钎、托盘相连 ,上与标杆相连的敏感活动部件 ,地层的微量变化即通过其部件传递至地表测量标头。滑杆的有效长度设计要考虑该地区地层的年沉降量及标的使用寿命。1. 3. 5  标头装置监测标施工结束后 ,要求将各标点标头安装至地表 ,标头即为地表的监测点。标杆为主测点 ,保护管为副测点 ,测点要求用不锈钢材料制成 ,标头装置要有良好的密封性及灵敏性 ,不能使标杆和保护管一起联动。各标点要进行座标测量及高程测量。2  保证监测标施工质量技术要点监测标作为地质灾害监控防治的重要手段与基础设施 ,地面沉降具有隐蔽工程、长期工程的性质 ,因而除监测标标体结构在设计上科学性、合理性外 ,监测标的施工技术与方法也是重要的环节。为保证监测标的监测质量 ,在施工工艺上必须做到监测标埋设地层层位的准确性、钻孔结构的合理性、钻孔轴线的垂直性和标体安装的可靠性。2. 1  监测标埋设层位的准确性监测标在施工标孔之前必须先施工 1 个鉴别孔进行全孔取心 ,岩心采取率均要求较高 (80 %以上 ) ,直至完整基岩为止。并进行现场岩心描述 ,作出地层地质剖面图。以全面、详细了解建标位置的地层情况后 ,再确定各标标底的埋设位置。基岩标必须埋设在新鲜完整基岩上 ,分层标埋设在主要含水层的顶板和底板土层上。除鉴别孔取岩心外 ,各标孔在到达目的层前也要提前 3~ 5 m 进行取心 ,以检验地层是否有变化。2. 2  监测标的配置 、分布及施工顺序的科学性2. 2. 1  标组孔的配置与分布根据鉴别孔所揭示的地层 ,标组孔配置一般原则是 :基岩标 1 个 ,主要含水层顶、底板各设 1 个分层标 ,设地面浅标 (1 m 左右 ) 1 个 ,主要含水层各设1 个水文观测孔 ,孔隙水测头孔视情况而设。监测标孔分布主要有扇形 (或弧形 )和矩形 2 种形式。标孔一般均配套埋设 ,孔距 3~ 4 m ,基岩标位于标组孔中心 ,分层标深浅错开 ,水文观测孔、孔隙水测头孔分布于标孔外侧 ,这样既有利于施工 ,又减小测量系统误差。2. 2. 2  监测标组孔施工顺序监测标组孔施工顺序原则是 :先施工鉴别孔 ,后施工标组孔 ;标组孔先深后浅 ,先基岩标后分层标 ,最后施工水文观测孔及孔隙水测头孔。此施工顺序安排有利于因施工中少数标孔因质量达不到要求 ,可以有调整换型的余地 (如分层标孔可改成水文孔 ) ,避免报废工作量。2. 3  标孔结构与钻进方法的合理性2. 3. 1  标孔结构标孔结构设计是依据标体结构确定标孔结构 ,原则上力求简单 ,尽量采用一径到底结构式。标孔孔径要能满足投放回填材料和管外固孔需要 ,设计钻孔口径应大于保护管最大外径 150 上。因为分层标固孔均从保护管外下入钻杆注浆 ,为了安全起见 ,钻孔环空间隙设计不宜太小。2. 3. 2  钻进方法监测标施工所钻进的地层多为第四系松散层 ,只有基岩标下部需钻进少量基岩。在钻进方法上 ,以牙轮及硬质合金钻头正循环泥浆钻进为主 ,取心孔 (段 )必须采用双管钻进 ,以保证岩心采取率。岩层取心尽量采用金刚石钻进。分层标孔施工应选用液压立轴式钻机钻进 ,便于压标 (压标时需 6~ 8 t 轴压 ) ,使标底插钎能准确压到位。钻进时要求选用优质膨润土作为泥浆材料 ,并具有良好的护壁性能和携屑性能 ,以保证钻进中孔内的安全性。2. 4  监测标孔轴线的保直性监测标孔对钻孔轴线垂直度要求十分严格 。钻孔垂直度是衡量标孔施工质量的关键指标 ,一般规定钻孔顶角 ≤ 0. 3° m。若钻孔垂直度超标 ,则不能作为标孔使用。标孔施工轴线垂直度控制要点主要有以下几个方面 :(1)把好开孔关施工场地必须用水泥固化平整 ,钻机安装做到三点一线 (孔口、立轴、天车三点为一直线 ) ;孔口安装定向管 ;采用小规程钻进 ;逐渐加长导正钻具。(2)把好钻具级配关钻进钻具组合必须具有刚、满、直 ,防斜保直特性 ;采用钻铤孔底加压 ,上部钻杆始终处于拉伸状态 ;采用小打大扩 (小径打导向孔后大径扩孔 ) 施工方法。扩孔时 ,钻具必须上带扶正器 ,下带导正 ,使之沿导向孔延伸。(3)把好钻进参数关钻进过程中 ,若遇软硬互层时 ,采用小规程参数钻进 ,不使用磨钝的切削具钻进。(4)把好钻孔轴线监控关施工过程中要做到三及时 ,即及时测孔斜 (每58  2003 年增刊                探  矿  工  程© 1995o., m 测一次 ) ;孔斜有超差趋势时及时调整施工工艺 ;孔斜超差过大时及时纠偏。测斜仪器下孔前、测斜后均要进行校验 ,仪器测量精度超出允许误差范围时 ,严禁下入孔内 ;同点测斜数据重复性差 ,出现异常时 ,要进行同点反复测量 ,找出原因 ,进行误差消除 ,以提供准确的测斜数据 ,指导施工 ;钻孔终孔及下保护管后 ,要求全孔测斜 ,以提供最终孔斜资料。2. 5  监测标标体下入与固管的可靠性2. 5. 1  下保护管基岩标下保护管前必须用平面钻头磨平孔底 ,分层标要清除孔底沉渣 ;全面检查保护管质量和标底质量 ,用通径规检查各管内径 ,以防下标杆时 ,扶正器下不去 ;下管前要精确丈量及配置管串 ;管串下孔后要绷直、居中。2. 5. 2  管外固孔为了减小地应力和管自重对标的影响 ,保护管下入后管外须进行回填和固管。目前 ,基岩标采用全孔用水泥固管 ,方法是 :浅孔 (500 m 以浅 ) 管外下入钻杆作为导管 ,用泥浆泵送水泥浆固孔 ,深孔 (500选用固井车管内送浆固孔。分层标采用标底以上投粘土球 30~ 40 m ,后管外注水泥浆或注粘土和水泥混合浆。2. 5. 3  下标杆 、压标、固标基岩标固孔后透孔钻入完整基岩 10m 左右 ,即可下入标杆 ,在标杆内注入定量水泥浆将孔底标杆与基岩固牢 ,切忌不可基岩、保护管、标杆三者固为一体。分层标压标 (固孔前进行 ) 必须压入目的层 200~ 300 后下标杆对标底 ,再上提保护管 0. 8 m 左右 ,使标底滑杆与滑筒有一定距离。标杆与标底对接要牢固 ,测定其吃扣量 ,顺时针拧紧为止。3  施工技术效果1996~ 2003 年 ,我公司在上海、嘉兴、北京等地共施工基岩标 15 座 ,分层标 130 个 ,累计完成钻探工作量 30000 余米 ,施工最深基岩标为 835 m (北京天竺标 ) ,终孔顶角为 0. 73°。所施工的全部监测标组钻孔顶角均小于 1° ,各项技术指标完全满足设计要求 ,均被评为优质标 (孔 ) 。同时参与了上海浦东国际机场、外高桥造船基地、磁悬浮铁路、芦潮港跨海大桥等国家重点工程基岩标的施工任务。所竣工的监测标大部分已投入了运行 ,监测结果表明 :各标组运行正常 ,监测数据准确可靠 ,基岩标稳定性好 ,分层标灵敏度高 ,取得了良好的监测效果。4  几点认识(1)监测标保护管应选用高强度无缝钢管 ,壁厚为 7~ 8 不宜采用水泥管及铸铁管 ,此类管自重大 ,下管麻烦且不安全。(2)引测装置 (标杆 )采用下粗上细宝塔型结构 ,以 «89、 73、 42 种组合 ,即 «89 总标杆长的 5«73 剩余长度 5其余为 «42 进行九五分割较为科学、合理 ,稳定性好 ,刚性强。(3)引测装置导正宜采用刚性导正结构 ,其结构类型选用滚轮式扶正器较好 ,既能轴向上下移动 ,又能径向转动 ,安全可靠。扶正器最大外径与保护管内径间隙为 1. 5~ 2 宜。(4)分层标标底结构宜选用插入托盘式 ,标底滑杆长度和密封装置部分设计要考虑大于 50 年 (寿命 )的总沉降量较合适。(5)保护管结构力求简化 ,宜采用单层管和双层管结构 ,若浅表层有淤泥、液化地层或杂填土地层 ,则上部为双层 ,下部采用单层结构 ,以减少上部地层对保护管的影响。(6)基岩标保护管固管宜采用水泥全孔固结 ,分层标保护管固管底部用粘土球 ,中部最好采用粘土水泥浆混合灌注 ,上部 10~ 20 m 用水泥固管。这样对整个标组地层保持原状有利 ,以防注水泥浆时 ,把水泥注入周边地层 ,影响其他标孔的沉降 (因为标孔之间孔距只有 3~ 4 m ,每个孔均注水泥浆 ,势必对地层有影响 ) 。(7)监测标施工质量要求高 ,必须根据地质设计、地层情况 ,认真编写施工组织设计 ,编制切实可行的质量保证措施 ,选择责任心强的施工队伍 ,才能保证标孔施工质量 ,否则将难以达到预想效果。参考文献 :\[1 \]  朱恒银 ,张文生 ,王海洲 . 地面沉降监测标孔施工技术研究 \[J \] 2001 , (增刊 ) :24 - 29.\[2 \] 刘飞 ,慎乃齐 ,陈华英 . 上海市地面沉降的发展过程与危害 \[J \] 2001 , (增刊 ) :94 -  矿  工  程                2003 年增刊  © 1995o.,
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