濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與施工技術(shù)

韓飛，韓紅梅，王漢西，鄒連慶

(1.濟寧市土地綜合整治中心，山東 濟寧 272000；2.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟南 250000)

0 引言

濟寧城區(qū)地面沉降歷史由來已久，1988—1998年間多次的水準(zhǔn)測量顯示，期間最大累計沉降量202.3mm，最大沉降速率25.3mm/a[1]。城區(qū)內(nèi)的李營街道辦事處地面沉降區(qū)被山東省劃定為一級控制區(qū)，面積約110km2，2016—2017年INSAR監(jiān)測結(jié)果顯示，平均沉降速率約21mm/a。濟寧城區(qū)地面沉降速率較快，正處于持續(xù)發(fā)展時期。地面沉降對濟寧城市排水系統(tǒng)的影響顯著。濟寧城區(qū)位于魯西南，地面標(biāo)高較低，一般在34.3～40.0m，緊鄰我國北方最大的淡水湖----南四湖的北段；而南四湖作為城市排澇泄洪區(qū)，最高月平均水位多年平均值為34.82m，最高月平均水位36.77m(1957年8月)[2]，地面沉降勢必進一步減弱城市雨水自流排放能力，增加城市內(nèi)澇風(fēng)險，提高排水防澇系統(tǒng)建設(shè)成本。地面沉降監(jiān)測是一項需要長期堅持的公益性地質(zhì)工作[3]，而濟寧地面沉降監(jiān)測尚處起步階段，需要較為先進完善的監(jiān)測系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐。該文就濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和施工進行論述，以期對相似地區(qū)的地面沉降監(jiān)測工作提供借鑒。

1 區(qū)域構(gòu)造及地層

濟寧城區(qū)位于華北板塊(Ⅰ級)魯西隆起區(qū)(Ⅱ級)內(nèi)的濟寧潛凹陷(Ⅲ級)，東臨兗州潛凸起，西接嘉祥潛凸起，分別以SN向的孫氏店斷裂和嘉祥斷裂為界(圖1)[4]。濟寧城區(qū)第四紀(jì)地層以下形成斷塊凹陷的基底。周邊地區(qū)地層由老到新主要有寒武-奧陶系、石炭-二疊系、侏羅系、新近系、第四系。城區(qū)新近系以下基巖地層以侏羅系上統(tǒng)淄博群三臺組紫紅色砂巖為主[5]；城區(qū)南部和西部局地小范圍有燕山期巖漿巖侵入；城區(qū)北部分布石炭二疊系砂頁巖，夾有煤層和薄層石灰?guī)r。

1—隆起區(qū);2—凹陷區(qū);3—斷裂;4—古近系;5—上侏羅系;6—石炭-二疊系;7—寒武-奧陶系;8—泰山巖群;9—巖漿巖;10—汶上-寧陽潛凹陷;11—嘉祥潛凸起;12—濟寧潛凹陷;13—兗州潛凸起;14—尼山凸起;15—城市居住區(qū)圖1 濟寧區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造略圖

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計思路

2.1 沉降成因討論

廣義的地面沉降是指自然因素或(和)人為因素作用下形成的地面標(biāo)高損失[6]，自然因素包括構(gòu)造下沉、地震、火山活動、氣候變化、地應(yīng)力變化以及巖土體的自然固結(jié)等；人為因素是指開采地下流體資源和固體礦產(chǎn)等[7-11]。

濟寧城區(qū)位于地震烈度Ⅵ度區(qū)和Ⅶ度區(qū)交界位置；據(jù)統(tǒng)計，濟寧市境內(nèi)近10年發(fā)生地震14次，其中，2.0～3.0級地震13次，3～4級1次。地震震級較小，對于地面沉降的影響程度有待研究。

濟寧城區(qū)前新近紀(jì)基巖地層為斷塊凹陷，存在相對沉降的構(gòu)造環(huán)境。根據(jù)山東省區(qū)域地殼形變地面測量資料，1959—1972年，濟寧城區(qū)(沉降中心)下降量在10～20mm[12-13]；1951—1972年，下降速率為0～0.59mm/a；1959—1979年，下降速率為1～3mm/a[14]。1971—1986年，濟寧城區(qū)下降約10～20mm，下降速率1mm/a，地殼升降與斷裂相吻合，嘉祥斷裂以西最高上升6.5mm，上升速率為0～0.43mm/a；嶧山斷裂以東的泰沂蒙山區(qū)為隆起區(qū)，斷裂兩側(cè)變幅較大，其中曲阜東部地區(qū)上升20～30mm，上升速率>2.0mm/a[15]?？梢?，濟寧城區(qū)受新構(gòu)造運動中地殼變形的一定的影響，但同時也應(yīng)關(guān)注地殼形變測量時，數(shù)據(jù)的提取易受到地下水過量開采導(dǎo)致的地面沉降等人為干擾[16]。城區(qū)內(nèi)地面沉降與地下水過量開采密切相關(guān)，并且是近幾十年內(nèi)地面沉降的主要誘因，在相關(guān)研究中已經(jīng)得以證實[1]。

分析認為，濟寧城區(qū)短期地面沉降的主要影響因素是地下水過量開采導(dǎo)致的松散地層壓縮，而構(gòu)造沉降和地震是在大區(qū)域構(gòu)造運動背景下產(chǎn)生的，需要進行專門監(jiān)測研究。

2.2 監(jiān)測目的及對象

由于地面沉降成因復(fù)雜，監(jiān)測工作必須依據(jù)成因，綜合研究，分類監(jiān)測，專門監(jiān)測。本監(jiān)測系統(tǒng)主要針對地下水過量開采引發(fā)松散地層壓縮所導(dǎo)致的地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象[17]；監(jiān)測對象是前新近紀(jì)基巖地層以上覆蓋的松散地層。

2.3 研究區(qū)面臨的主要問題

(1)缺乏穩(wěn)定基巖基準(zhǔn)點。濟寧城區(qū)開展地面沉降水準(zhǔn)測量，一直缺乏穩(wěn)定的基準(zhǔn)點，在往期的測量工作中，是以嘉祥縣疃里鎮(zhèn)曠山村(圖1)出露的基巖為測量原點，距離濟寧市區(qū)11km，每次測量必須以Ⅰ等水準(zhǔn)測量至市區(qū)，難以快速形成測量成果，也會影響測量精度。

(2)應(yīng)排除構(gòu)造因素影響。由于地面標(biāo)高降低的現(xiàn)象，是多重因素疊加的結(jié)果。地面沉降監(jiān)測中，應(yīng)該排除構(gòu)造因素的影響。

(3)原有監(jiān)測形式單一，監(jiān)測設(shè)施嚴(yán)重缺乏。通過普查發(fā)現(xiàn)，原有用于地面沉降監(jiān)測的水準(zhǔn)標(biāo)石大部分已經(jīng)被毀壞或無法找到，需要重新布設(shè)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

(4)對第四系土體的分層監(jiān)測和壓縮特性研究不足。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計總體思路

為了排除構(gòu)造變動影響，在濟寧城區(qū)單一構(gòu)造單元內(nèi)，建設(shè)針對地下水過量開采引發(fā)的地面沉降專門監(jiān)測系統(tǒng)[18]，可以進行實時監(jiān)測、精細監(jiān)測和應(yīng)急統(tǒng)測。

濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋面積180km2，主要由數(shù)據(jù)中心、監(jiān)測站和監(jiān)測網(wǎng)組成(圖2)。建設(shè)多功能一體化監(jiān)測站2座，城南、城北分別建設(shè)主站和輔站，集合數(shù)據(jù)中心、標(biāo)組監(jiān)測、地下水監(jiān)測、GNSS連續(xù)運行(基巖)基準(zhǔn)站、安防系統(tǒng)、科普宣傳等功能于一體；水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)[19]包括2個基巖水準(zhǔn)點、44個土層水準(zhǔn)點和4個一等水準(zhǔn)點；GNSS監(jiān)測網(wǎng)包括2個A級GNSS(基巖)基準(zhǔn)點、8個B級GNSS基本點(圖3)。

圖2 濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)組成

1—地面沉降監(jiān)測站;2—GNSS監(jiān)測點;3—水準(zhǔn)監(jiān)測點;4—一等水準(zhǔn)點圖3 濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分布

3 主監(jiān)測站設(shè)計與施工

3.1 施工流程

主監(jiān)測站是將數(shù)據(jù)中心、標(biāo)組監(jiān)測、地下水監(jiān)測、GNSS連續(xù)運行(基巖)基準(zhǔn)站、科普宣傳、安防等功能集于一體，具體施工流程見圖4。

圖4 主監(jiān)測站施工流程圖

3.2 平面布局

主監(jiān)測站建筑面積183m2，分為監(jiān)測室和數(shù)據(jù)處理中心(圖5)。監(jiān)測室主要用于埋設(shè)沉降監(jiān)測標(biāo)組和地下水監(jiān)測孔；其中，C0為地面標(biāo)，C5為基巖標(biāo)、C1，C2，C3，C4為不同深度的分層標(biāo)，G1，G2，G3為不同深度的地下水位觀測孔，K1，K2，K3，K4為不同深度的地下孔隙水壓力觀測孔。

1—地面標(biāo)；2—基巖標(biāo)；3—分層標(biāo)；4—水位觀測孔；5—孔隙水壓力觀測孔；6—孔口保護管圖5 主監(jiān)測站平面布局圖

標(biāo)頭和自動化數(shù)據(jù)采集設(shè)備位于地面保護管內(nèi)，保護管為預(yù)制混凝土管(內(nèi)徑0.75m、高度1.2m)，埋入地下并與地面保持齊平，上面加蓋雙層夾膠鋼化玻璃；保護管之間預(yù)埋PVC地下線管，用于數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安裝走線。數(shù)據(jù)處理中心內(nèi)有操作臺和顯示屏，主要用于標(biāo)組和GNSS相關(guān)數(shù)據(jù)的接收、存儲、處理、發(fā)布和演示。監(jiān)測室、數(shù)據(jù)處理中心和外部之間的電力、網(wǎng)絡(luò)和通訊線路全部通過地下線管聯(lián)通。

3.3 立面結(jié)構(gòu)及監(jiān)測標(biāo)埋深

為查明工程地質(zhì)條件，首先進行地質(zhì)鑒定孔施工，深度236.36m，采集128件樣品，巖礦試驗754件，物探測井427.75m。根據(jù)地質(zhì)鑒定孔和巖土試驗分析，工程地質(zhì)層的劃分為：表土層(0～4m)、第一壓縮層組(4～23.5m)、第Ⅰ含水砂層組(23.5～71m)、第二壓縮層組(71～105m)、第Ⅱ含水砂層組(105～142m)、第三壓縮層組(142～204.5m)和基巖層(204.5m以下)(圖6)。

第Ⅰ含水砂層組為潛水和微承壓水，分別設(shè)置G1、G2兩個水位觀測孔和K1，K2，K3三個孔隙水壓力孔，用于監(jiān)測主開采層地下水動態(tài)情況；第Ⅱ含水砂層組砂層與粘土層互層，隔水性較好，為深層承壓水，平均涌水量(3.23m3/h)較小，分別設(shè)置G3水位觀測孔和K4孔隙水壓力觀測孔，進行監(jiān)測；設(shè)置5組監(jiān)測標(biāo)對地層進行分段控制?；鶐r標(biāo)(C5)地面設(shè)有水準(zhǔn)測量點，基巖標(biāo)桿向上穿過標(biāo)房頂部屋頂，用于GNSS觀測墩建設(shè)，并安裝接收天線設(shè)備。

1—地面標(biāo)；2—基巖標(biāo)；3—分層標(biāo)；4—水位觀測孔；5—孔隙水壓力觀測孔圖6 立面結(jié)構(gòu)和監(jiān)測標(biāo)組埋深圖

3.4 基巖標(biāo)設(shè)計與施工

基巖標(biāo)是監(jiān)測標(biāo)的一種，是座落在穩(wěn)定基巖上的相對固定參照點。基巖標(biāo)孔徑為Ф270mm，終孔深度218.21m，地面標(biāo)頭至標(biāo)底219.11m(圖7)。

基巖標(biāo)施工工藝：首先用Ф270mm鉆頭鉆至207.03m后，進行綜合物探測井，終孔孔斜0.57°；物探測井結(jié)束后清孔換漿，清孔至孔底無沉淀后吊下Ф177.8mm×8.05mm保護管(長度207.53m)，保護管埋深207.03m，保護管之間采用管箍絲扣連接，連接前在絲扣部分涂刷密封膠，保證密封不滲漏，隔20m加一組弓形扶正器，管外用水泥漿固井；保護管外水泥凝固后，用Ф150鉆頭鉆至218.21m，終孔前取心驗證目的地層，清孔至孔底無沉淀后依次下入Ф73.02mm×7.32mm標(biāo)桿(含標(biāo)底，長度121.34m)和Ф60.3mm×4.83mm標(biāo)桿(含變徑接頭，長度97.77m)，標(biāo)底埋深218.21m，標(biāo)桿之間采用管箍絲扣連接，每一根標(biāo)桿加一組滾珠式扶正器，采用水泥漿固定標(biāo)底。

圖7 基巖標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

3.5 GNSS連續(xù)運行(基巖)基準(zhǔn)站

由于平原地區(qū)缺乏穩(wěn)定基巖，無論水準(zhǔn)測量還是GNSS測量都缺乏穩(wěn)定的參考點，在城區(qū)范圍內(nèi)設(shè)計建設(shè)2個GNSS連續(xù)運行(基巖)基準(zhǔn)站[20-21]?；鶐r標(biāo)的施工提供了有效的穩(wěn)定參考點，在既滿足基巖標(biāo)水準(zhǔn)測量功能的前提下，將GNSS天線架設(shè)于基巖標(biāo)桿頂端，基巖標(biāo)桿通向屋頂，上部建設(shè)觀測墩用于支撐觀測天線，將GNSS觀測墩與基巖標(biāo)一體化建設(shè)。

由于觀測墩是在基巖標(biāo)與標(biāo)房的基礎(chǔ)上建設(shè)的，標(biāo)房存在垂直方向位移的可能性，需要對觀測墩進行特殊設(shè)計(圖8)，既能保證基巖標(biāo)在水平方向的穩(wěn)定性，又可以使基巖標(biāo)在垂直方向上不能因穿透房屋而受到垂直位移的限制。GNSS觀測墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，柱體內(nèi)預(yù)埋PVC管道，用于敷設(shè)天線電纜。墩外部進行隔溫處理，頂部安裝強制對中器，扼流圈天線用透波材料的天線罩覆蓋，以避免自然環(huán)境如強風(fēng)、雨雪、日照、鹽蝕等對天線的損壞。

建設(shè)步驟如下：首先清理屋頂標(biāo)桿，準(zhǔn)備鋼制內(nèi)套管，法蘭盤限位器，限位器內(nèi)徑比標(biāo)桿大約1mm，除銹，上防銹漆；內(nèi)套管固定至屋頂；內(nèi)套管下部封堵密封材料，密封材料上放置一法蘭盤限位器；內(nèi)套管與標(biāo)桿之間灌注細沙，放置并焊接法蘭盤限位器，限位器內(nèi)圈用橡膠圈密封防水；標(biāo)頭焊接GNSS強制對中器，底座鋼盤直徑大過內(nèi)套管直徑，起到固定，防塵、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，放置外保護套管，放置線纜管于外保護套管中，然后灌注水泥；水泥凝固之后，修飾墩身，安置扼流圈天線，連接線纜至室內(nèi)操作臺；安置屋頂避雷針。

圖8 GNSS觀測墩結(jié)構(gòu)圖

3.6 分層標(biāo)設(shè)計與施工

分層標(biāo)是運用鉆探技術(shù)將不同埋深地層的高程引致地面進行觀測的一種特殊的鉆孔裝置(圖9)[3]。主監(jiān)測站共設(shè)置6層分層標(biāo)(圖6)，用于測量地下土層的壓縮量。

分層標(biāo)施工工藝：以C4為例，首先用Ф300mm鉆頭鉆進，鉆至142.68m后換Ф110mm取心鉆具取心至144.93m，取心驗證孔底巖性為目的層粘性土后，用Ф300mm鉆頭擴孔至144.93m。終孔后測孔斜、丈量鉆具校正孔深、清孔換漿。清孔換漿至孔底無沉淀后依次吊下標(biāo)底(長度2.91m，不含插釬)和Ф139.7mm×7.72mm保護管(含標(biāo)底總長度145.53m)，保護管之間采用管箍絲扣連接，連接前在絲扣部分涂刷密封膠，保證密封不滲漏，隔20m左右加一組弓形扶正器，標(biāo)底下至孔底后，將標(biāo)底插釬壓入地層，標(biāo)底埋深144.93m；保護管內(nèi)下入Ф60.3mm×4.83mm標(biāo)桿(含標(biāo)底總長度145.95m)，標(biāo)桿之間采用管箍絲扣連接，隔9m左右加一組滾珠式扶正器，標(biāo)桿與標(biāo)底對接并連接牢固，然后壓住標(biāo)桿，上提保護管0.6m。保護管外用粘土球固井。

圖9 分層標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

3.7 綜合性自動化監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測站的自動化監(jiān)測系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集端和接收處理端。采集端主要有標(biāo)組模塊、GNSS模塊和安防模塊，模塊之間相互獨立，模塊可擴展；接收處理端為數(shù)據(jù)處理中心，主要有接收設(shè)備、處理設(shè)備和顯示設(shè)備，核心為服務(wù)器。采集端與接收處理端通過GPRS和TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，接收處理端支持多個采集端的接入，為綜合站或者單一監(jiān)測站的擴展接入提供條件。具體的設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸見圖10。

圖10 綜合性自動化監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.8 綜合性地面沉降監(jiān)測管理系統(tǒng)

以“數(shù)據(jù)中心+監(jiān)測站”的模式，一個數(shù)據(jù)中心支持多監(jiān)測站擴展，為后期監(jiān)測預(yù)留空間。數(shù)據(jù)中心由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、管理系統(tǒng)、接收設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，負責(zé)數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲、管理與服務(wù)發(fā)布。為了便于數(shù)據(jù)的采集、接收、存儲、處理和展示，在服務(wù)器上建立綜合性地面沉降監(jiān)測管理系統(tǒng)。管理系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有利于多層次、不同權(quán)限用戶的服務(wù)，兼具考慮系統(tǒng)的整體性與可擴充性。開發(fā)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理和預(yù)警、數(shù)據(jù)報表、安防監(jiān)控、成果展示、測量數(shù)據(jù)成果等模塊。服務(wù)器可以遠程訪問GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站接收機和UPS設(shè)備，對數(shù)據(jù)進行接收、存儲和管理。

3.9 科普宣傳展示

監(jiān)測站內(nèi)標(biāo)頭、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和管線都埋入地下保護管內(nèi)，地面上加蓋透明玻璃。埋入式的安裝有效地利用了室內(nèi)空間，通過展覽室、監(jiān)測設(shè)施、宣傳片、展板等，將監(jiān)測站打造成監(jiān)測、數(shù)據(jù)服務(wù)與科普宣傳一體化的平臺。

4 輔監(jiān)測站設(shè)計與施工

輔監(jiān)測站位于濟寧城區(qū)南部太白湖區(qū)，設(shè)計和施工與主監(jiān)測站相似，包含基巖標(biāo)、分層標(biāo)、水位監(jiān)測孔、自動化監(jiān)測系統(tǒng)以及科普宣傳設(shè)施。相較于主監(jiān)測站，僅有監(jiān)測室，減少了孔隙水壓力監(jiān)測。

5 水準(zhǔn)監(jiān)測點設(shè)計與施工

水準(zhǔn)點標(biāo)識設(shè)計為混凝土柱(圖11—圖12)，并設(shè)有保護井，上部有混凝土保護蓋；挖基坑2m，底座1.2m寬，有2個測量標(biāo)志點。普通水準(zhǔn)點與基本水準(zhǔn)點相似，底座為0.6m寬，有1個測量標(biāo)志點。

圖11 基本水準(zhǔn)點標(biāo)石結(jié)構(gòu)圖

圖12 普通水準(zhǔn)點標(biāo)石結(jié)構(gòu)圖

6 GNSS監(jiān)測網(wǎng)點設(shè)計與施工

A級GNSS基巖基準(zhǔn)點位于基巖標(biāo)桿頂端；B級GNSS基本點根據(jù)規(guī)范要求，點位選址地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定，無電磁干擾和振動源。GNSS監(jiān)測墩底座首先進行土層夯實，然后澆筑0.8m深的鋼筋混凝土，監(jiān)測墩高1.8m。為便于管理，GNSS監(jiān)測墩采用統(tǒng)一編號，統(tǒng)一制式，都配備一塊說明牌標(biāo)注“濟寧城市沉降監(jiān)測點”字樣，說明牌注明監(jiān)測墩的點號、建設(shè)單位、聯(lián)系電話、建設(shè)日期等相關(guān)信息(圖13)。

圖13 GNSS監(jiān)測墩結(jié)構(gòu)圖

7 結(jié)論

(1)地面沉降成因復(fù)雜，監(jiān)測工作必須依據(jù)成因，綜合研究，分類監(jiān)測，專門監(jiān)測。

(2)濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測站、水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)和GNSS監(jiān)測網(wǎng)組成，可以滿足實時監(jiān)測、精細監(jiān)測和快速統(tǒng)測的需要。

(3)沉降標(biāo)組監(jiān)測、GNSS連續(xù)站和數(shù)據(jù)中心配套建設(shè)，可以在場地、設(shè)備、電力網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施等方面實現(xiàn)共享利用，大大提高了地面沉降監(jiān)測設(shè)施的利用效率。

(4)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性還有待進行長期連續(xù)性監(jiān)測和評價。