基于載荷模型的張家口臺石英擺傾斜儀異常變化定量分析

侯曉真 ，屈曼，馬棟，陳建國，周亞，王曰風(fēng)，高晨

(1.河北省地震局，河北 石家莊 050021；2.河北省地震局測震專業(yè)儀器系統(tǒng)檢測評估與觀測場地 遴選創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，河北 石家莊 050021；3.張家口地震監(jiān)測中心站，河北 張家口 075000)

0 引 言

張家口地震臺(以下簡稱“張家口臺”)處在陰山東西向構(gòu)造帶與山西地震帶北段、張渤地震帶西北段的交匯部位。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂帶較多。主要斷裂帶有北東向蔚縣山前大斷裂帶、桑干河斷裂帶；東西向主要斷裂帶有狼窩溝、崇禮至赤城斷裂帶和懷安至宣化斷裂帶。此外區(qū)內(nèi)還有多條北西向斷裂帶[1]。張家口臺形變觀測山洞位于張家口市橋東區(qū)魚兒山腳下，陰山東西向構(gòu)造帶與山西地震帶北段、張渤地震帶西北段的交匯部位(圖1)，臺站及附近巖性均為侏羅紀(jì)石英粗面巖和石英角礫巖，洞頂巖石覆蓋40 m左右。張家口臺水平擺于2017年3月進(jìn)行儀器更新改造，由SQ-70D型水平擺改為SQ-70DSI型水平擺。

近年來隨著城市發(fā)展，臺站周圍存在越來越多施工干擾導(dǎo)致荷載變化，進(jìn)而對定點(diǎn)形變儀器觀測產(chǎn)生影響。為了定量化分析干擾所造成的影響，越來越多的荷載計(jì)算模型被應(yīng)用到資料異常分析過程中。胡衛(wèi)建等[2]采用經(jīng)典的集中力作用于半無限彈性體表面的布辛奈斯克解，對鉆孔應(yīng)變測量中地表荷載變化問題做了定量研究；邱澤華[3]針對影響鉆孔應(yīng)變觀測的河流、 湖泊、 倉庫和鐵路等干擾因素分別建立了二維有限均勻載荷模型、三維集中載荷模型和三維有限載荷模型；駱鳴津等[4]通過結(jié)合半無限空間均布荷載模型與圓柱坐標(biāo)調(diào)和函數(shù)推導(dǎo)出地面負(fù)荷對應(yīng)力應(yīng)變影響的理論模型；李祖寧等[5]根據(jù)半無限體表面受法向集中力作用點(diǎn)荷載疊加的原理,計(jì)算了大型集裝箱堆場對其附近的廈門天馬跨斷層短水準(zhǔn)形變觀測場地南點(diǎn)垂直位移的影響；閆偉等[6]根據(jù)各向同性、均勻半無限彈性體點(diǎn)狀載荷模型引起周邊垂向位移場變化的解析解，給出二維、三維不規(guī)則形狀荷載對地表或地下某點(diǎn)水平傾斜和垂直位移解析解計(jì)算方法；馬棟等[7]利用三維有限線段載荷模型定量計(jì)算了清水河清淤和蓄水對張家口體應(yīng)變影響；馬棟等[8]、侯曉真等[9]利用三維集中荷載模型分別對永年臺水管儀出現(xiàn)的兩次異常變化進(jìn)行了定量計(jì)算；翟麗娜等[10]利用二維有限不規(guī)則荷載模型定量計(jì)算了礦山開采的不同階段對營口地震臺石英擺傾斜量的影響。

圖1 張家口地震臺及附近地區(qū)斷裂帶與震中分布圖(1970年1月～2021年6月)

1 現(xiàn)場核實(shí)工作情況

1.1 觀測數(shù)據(jù)異常變化情況

日常數(shù)據(jù)跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)，自2021年年4月底張家口臺水平擺北南分量由既有南傾變化速率減緩至轉(zhuǎn)平狀態(tài)，東西分量出現(xiàn)東傾速率加快的異常變化，截至6月18日資料變化情況(圖2，黑色虛線框標(biāo)示異常時(shí)段內(nèi)資料變化情況)。

圖2 張家口臺水平擺時(shí)間序列日值觀測曲線(2018年1月～2021年6月)

1.2 既有干擾源變化情況

隨著城市的發(fā)展，張家口臺受到河道、道路、建筑等工程的干擾，對形變觀測造成了一定的影響。臺站周邊2 km范圍內(nèi)，既有主要干擾源及其分布情況見圖3。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，既有環(huán)境干擾源近期未出現(xiàn)新干擾因素。

圖3 張家口臺周圍既有環(huán)境干擾示意圖

1.3 測點(diǎn)周邊環(huán)境地貌變化調(diào)查情況

本次異常核實(shí)工作對臺站周邊2 km范圍內(nèi)的環(huán)境變化進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，距形變山洞西北方向約900 m處存在城城·上北小區(qū)建筑施工干擾；形變山洞東南方向存在張家口市東北環(huán)連接線項(xiàng)目施工干擾，其中隧道東環(huán)口處距形變山洞約1.3 km，隧道北環(huán)口及錦繡中華園前挖方施工距形變山洞約250 m。兩個干擾源與臺站位置分布、主體施工時(shí)間及荷載量變化如圖4所示。

1.3.1 城城·上北小區(qū)

該小區(qū)于2020年4月開始施工，至2020年11月底有部分主體出露地表。該小區(qū)共16棟住宅，其中其中4號樓22層、10號樓11層、3號樓和6號樓是15層、1號樓和7號樓16號樓是23層、其他均為24層，總建筑面積30萬 m2，目前9號樓已封頂，1號樓即將封頂，2#號樓施工進(jìn)度近半，由此推算目前施工建筑面積約5 000 m2。施工所用鋼筋混凝土按12.5 t/m2標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，成成·上北小區(qū)所用鋼筋混凝土總量約為 6.25×104t。

1.3.2 東北環(huán)連接線項(xiàng)目施工

該隧道為2座分離式長隧道，每座隧道全長1.2 km，洞口寬度14.75 m，洞口高度5 m。東環(huán)口距離形變山洞約1.3 km，于2020年11月底進(jìn)場準(zhǔn)備施工，截至6月18日該隧道已施工進(jìn)深約120 m，施工部分引起的質(zhì)量變化按-212.5 t/m標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，該處施工引起的質(zhì)量變化約-25 500 t。隧道北環(huán)口處距離形變山洞約250 m，于5月6日開始施工，目前該處已運(yùn)走三萬余方土石材料(60%安山巖+40%土)，以安山巖密度3 300 kg/m3，土密度1 500 kg/m3估算，目前出口處施工運(yùn)走土石約7 7400 t，隧道北環(huán)口1#進(jìn)深約10 m，2#暫未進(jìn)深，北環(huán)口處使用混凝土約700 t。北環(huán)口錦繡中華園前的挖方施工，距離形變山洞西側(cè)約250 m，目前動工產(chǎn)生的荷載質(zhì)量變化約22 500 t。

圖4 城城·上北小區(qū)和張家口市東北環(huán)連接線項(xiàng)目干擾源與形變山洞相對位置分布示意圖(截至6月18日)

2 異常性質(zhì)變化分析

2.1 觀測數(shù)據(jù)可靠性分析

2.1.1 儀器內(nèi)精度計(jì)算

通過計(jì)算2019年1月～2021年5月張家口臺水平擺南北/東西分量內(nèi)精度結(jié)果可以看出：該計(jì)算時(shí)段范圍內(nèi)，除2020年11月、2021年3月涉及需動儀器擺體維修外，其它時(shí)段內(nèi)水平擺兩分量在0.01范圍內(nèi)穩(wěn)定變化(圖5)，未發(fā)現(xiàn)異常變化。

(a)北南分量;(b)東西分量 圖5 張家口臺水平擺北南/東西分量內(nèi)精度計(jì)算結(jié)果

2.1.2 日變化幅度計(jì)算

對2018～2020年期間，每年4月1日至6月18日期間水平擺所記錄的傾斜固體潮各周期變化形態(tài)及日變幅度進(jìn)行了仔細(xì)比對(圖6)，固體潮響應(yīng)正常。

綜上認(rèn)為，儀器運(yùn)行狀態(tài)基本穩(wěn)定、可靠。

2.2 異常變化與氣象(氣溫、氣壓、降水)、洞室溫度變化的相關(guān)性分析

張家口地震臺氣象輔助觀測測項(xiàng)的觀測曲線，可以看出：2018年以來張家口地區(qū)氣象條件未出現(xiàn)明顯異常變化；2021年5月16日受水管儀三分量調(diào)零影響，形變山洞洞室溫度出現(xiàn)階躍式變化，隨后維持在穩(wěn)定狀態(tài)，符合形變山洞洞溫變化要求。因此，排除氣象因素等輔助因素對此次水平擺異常的影響。

(a)北南向;(b)東西向 圖6 張家口臺水平擺北南/東西分量日變化幅度統(tǒng)計(jì)結(jié)果(4.1～6.18)

圖7 張家口地震臺氣溫(a)、氣壓(b)、降水量(c)、洞溫(d)同時(shí)段日均值觀測對比曲線(4.1～6.18)

2.3 基于三維集中載荷模型的新建住宅樓及隧道施工對水平擺影響的定量計(jì)算

結(jié)合上述土建數(shù)據(jù)，利用邱澤華[3]三維集中荷載模型計(jì)算了成成·上北小區(qū)建筑物及東北環(huán)連接線項(xiàng)目隧道施工導(dǎo)致的荷載變化對水平擺產(chǎn)生的傾斜量影響。

將小區(qū)及隧道施工場地等效為荷載倉庫。根據(jù)邱澤華針對倉庫等對傾斜觀測影響的理論，兩項(xiàng)干擾源施工會造成地面載荷變化。作為一級近似，可用三維無限半空間邊界上作用集中載荷的模型研究這種載荷變化。這種模型只關(guān)心重量變化，而不管倉庫的面積和分布等。對于這個問題，有位移解：

(1)

(2)

對于城城·上北小區(qū)的重量計(jì)算結(jié)果為F=6.25×107×9.8=6.125×108N，x=900 m，高差z=90 m。由此計(jì)算得出住宅小區(qū)施工對水平擺觀測造成的影響量wx0=-1.32×10-8弧度。

對于隧道東環(huán)口處的重量計(jì)算結(jié)果為F=2.55×107×9.8=2.499×108N，x=1 300 m，高差z=15 m。由此計(jì)算得出隧道東環(huán)口處施工對水平擺觀測造成的影響量wx1=-2.58×10-9弧度。

對于隧道北環(huán)口處的重量計(jì)算結(jié)果為F=7.67×107×9.8=7.52×108N，x=250 m，高差z=20 m。由此計(jì)算得出隧道北環(huán)口處施工對水平擺觀測造成的影響量wx2=-2.1×10-7弧度。

對于錦繡中華園處的挖方重量計(jì)算結(jié)果為F=2.25×107×9.8=2.21×108N，x=250 m，高差z=40 m。由此計(jì)算得出隧道北環(huán)口處挖方施工對水平擺觀測造成的影響量wx3=-6.17×10-8弧度。

3 討論與結(jié)論

通過現(xiàn)場對觀測系統(tǒng)、洞室環(huán)境、氣象輔助觀測資料情況、潮汐因子結(jié)果、臺站其它形變觀測資料變化情況、周圍環(huán)境因素變化等多方面調(diào)查，對各種可能的影響因素進(jìn)行分析論證，利用不同的荷載模型定量計(jì)算干擾源對伸縮儀的影響，

參考傾斜干擾的限定指標(biāo)1.455×10-8弧度(3×10-3″)，隧道北環(huán)口處施工造成的影響≤限定指標(biāo)；城城·上北小區(qū)施工、隧道北環(huán)口處施工、錦繡中華園處挖方施工造成的影響≥限定指標(biāo)，且施工時(shí)間與異常出現(xiàn)時(shí)間有較好的一致性；綜合分析，認(rèn)為此次張家口臺水平擺北南/東西向同步異常變化主要由城城·上北小區(qū)、隧道北環(huán)口、錦繡中華園處挖方施工干擾所致。

后續(xù)繼續(xù)探索更為合適的模型、參數(shù)設(shè)置及密切跟蹤河北省及鄰區(qū)其它前兆測項(xiàng)的資料變化情況，及時(shí)分析、研判觀測資料的異常變化性質(zhì)。