地面沉降GPS（精选十篇）
地面沉降GPS 篇1
地面沉降是一种缓变性且不可逆的地质灾害, 已成为影响地区经济和社会可持续发展的重要因素。我国地面沉降灾害非常严重[1], 全国发生地面沉降灾害的城市超过50个, 累计地面沉降量超过200mm的地区达到7.9万平方公里, 并有进一步扩大的趋势[2]。根据中国地质调查局等部门的评估, 仅华北平原地面沉降所造成的直接经济损失就已达404.42亿元, 间接经济损失达2923.86亿元, 累计损失高达3328.28亿元[3]。为减少因地面沉降带来的损失, 需要准确把握这些地区地面沉降动态, 因此迫切需要建立一套实时监测系统, 及时、完整、详细、准确地掌握地面沉降情况, 为政府制定防治措施和保证重点大型工程项目的建设提供决策保障。长期以来, 城市地面沉降监测一般依靠定期的水准测量。受经费、人力和通视条件限制, 城市水准测量通常布点少, 水准路线稀疏, 监测周期长, 难以满足现代防灾减灾对地面沉降进行快速和大面积监测的需求。利用GPS进行地面沉降监测具有跨度大、不受气候条件限制、无需通视条件、自动化程度高等优势[4], 在实际应用中由于地面沉降监测点间距较大, 为消除电离层误差, 常采用双频接收机[5,6], 但双频大地型GPS接收机的硬件价格比较高, 难以大范围密集布设监测点。为降低硬件成本, Janssen等人采用单双频混合的方式进行了火山监测[7,8], 即利用部分双频接收机数据建立区域电离层改正模型, 使单频接收机也能达到相应的精度[9,10]。为了研究和推广GPS用于地面沉降自动化监测, 本文在珠三角地区选取了约100km2地面沉降试验区域, 采用单双频混合模式进行GPS地面沉降自动化监测设计, 其中包括基准设计、网形设计、数据处理方案及系统结构设计。
1 基准设计
GPS地面沉降监测网的基准一般有两种, 分别是国际地球参考框架 (International Terrestrial Reference Frame, ITRF) 和局部固定基准[11]。本次地面沉降监测利用ITRF为GPS地面沉降监测网提供一个全球性的稳定基准, 即在定位解算过程中利用监测网内双频监测站联测IGS站, 采用IGS精密星历, 参考站初始坐标文件以及速度场统一采取ITRF05框架, 将GPS观测结果归算到ITRF05框架下。由于变形监测通常无需监测点的绝对的点位位置, 而只需监测点相对位置的变化量, 因此本方案中所采用的高程系统为大地高。
2 网形设计
本次监测试验区域面积约100km2, 监测网由4个双频监测点和7个单频监测点组成。其中, 7个单频点与两个双频点布设在地面或未有深基础的房顶上;另外两个双频监测点, 一个布设在山顶的岩石上, 另一个布设在具有深基桩的房顶上, 作为区域内稳定基准。GPS沉降监测点位分布如图1所示。
3 选点埋石
3.1 选点
GPS监测点选点有几条重要的原则, 首先监测点要能准确地反应被监测对象的变形;其次接收机天线要尽量处于开阔性较好, 遮挡不严重的地方, 尽量避开房屋或树木等遮挡物;还应尽量避开金属、玻璃幕墙等强多路径环境;尽量避开强反射物和强电磁干扰, 如变电站、通讯基站、高压线、雷达站等;此外监测点还要方便天线安置。而本次监测点位首选考虑设置在建筑物上。为了保证GPS观测数据的质量, 选点时先做试验, 用双频仪器采集2~4个小时的数据然后用Win TEQC软件进行数据质量分析, 达到要求后再确定选点的具体位置。
3.2 埋点
观测点位的标石、标志及其埋设参考《全球定位系统 (GPS) 测量规范》 (GB/T 18314-2001) , 本次设计主要有三种监测点, 分别为:
(1) 楼顶上的GPS基准点及监测点:可现场浇灌混凝土标石, 屋顶监测点的观测墩应建在建筑物主承重柱上, 观测墩的内部钢筋应与建筑物主承重结构连接;基准点的楼房应为采用基岩深基础的稳固房屋, 监测点的房屋应为无深基础的坚实房屋, 如图2所示。
(2) 岩体上的GPS基准点及监测点:可现场浇灌混凝土标石, 标石顶部须露出地面100~120cm, 如图3所示。
(3) 土体上的GPS基准点及监测点:可现场浇灌混凝土标石, 标石埋深不宜小于100cm, 地上部与杆连接, 如图4所示。
1—GPS监测强制对中标志;2—弯头水准监测标志;3—建筑物;4—建筑物主承重柱
4 单双频混合GPS地面沉降监测系统设计
4.1 系统总体设计
本文设计的单双频混合GPS地面沉降监测系统主要是由数据接收、数据传输以及数据处理三大部分组成, 其基本结构示意图如图5所示。
1—GPS监测强制对中标志;2—弯头水准监测标志;3—地面;4—土层;5—隔振槽
此地面沉降监测的整个流程为:首先数据接收系统接收GPS数据, 然后数据传输系统将数据发送到GPRS无线网络, 再利用已经连接Internet的计算机上的数据采集、处理、管理及分析软件进行数据下载、分析处理, 自动得到地面沉降信息。
4.2 监测点硬件系统设计
GPS自动监测系统主要仪器有GPS接收机、GPS天线、天线电缆、GPRS通讯设备以及太阳能供电系统。其中, GPS接收机采用Novatel GPS OEM板卡根据监测要求进行硬件设计与封装;GPS天线采用国产测地型GPS天线;GPRS通讯设备采用国产GPRS模块并通过ARM板与GPS OME版集成封装;太阳能供电系统由100W太阳能板、1个100AH太阳能专用蓄电池及太阳能充放控制器组成。硬件仪器间的连接情况如图6所示。
4.3 数据采集及传输方案设计
数据采集主要是利用GPS接收机采集原始数据, 然后通过GPS上的RS232接口与GPRS DTU终端相连, 利用DTU终端对数据进行处理、协议封装后发送到GPRS无线网络。由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络, 因此监测中心服务器需要一个固定的IP地址或固定的域名, 各个数据采集点采用GPRS模块通过IP地址或域名来访问该服务器, 从而进行数据通信。服务器采用公网方式接入Internet, 如ADSL拨号/电信专线宽带上网等。当以拨号方式获得公网IP时, 由于该方式是以动态形式分配IP, 因此可采用域名方式进行IP的自动转换, 再通过服务器上的接收软件接收数据。
4.4 系统处理流程设计
整个系统处理流程为:数据获取、数据解算、沉降分析。数据获取主要包括监测网数据的采集、格式转换, 以及IGS站数据及产品的下载。获取数据之后利用监测网数据, 及IGS站数据和产品, 进行数据解算, 进行基准传递以及获取电离层数据, 然后进行监测网单频数据解算。最后对解算结果进行沉降分析, 获取沉降信息, 并将沉降信息可视化。将原始数据以及解算结果进行备份归档并发布。相应的流程图如图7所示。
5 监测结果
为获取高精度的起算基准, 利用监测网中的双频监测站与武汉 (WUHN) 永久性IGS跟踪站联测, 采用Bernese 5.0软件及精密星历进行坐标解算, 获取监测网中高精度双频点坐标。再以双频点为基准, 利用自行研制的Ma GPS数据解算软件进行监测网解算, 最后将坐标转换成NEU坐标。GPS数据处理均采用单天解模式。图8给出了GD03点 (双频) 及GD04 (单频点) 的高程坐标时间序列, 时间段为12年6月至12年10月。
表1给出了监测网的沉降统计信息, 监测点的高程坐标重复性在1.9~5.8mm之间。有6个点都劣于以往全国GPS网处理中的重复性为3.7~4.0mm的结果[12]。这主要是由于监测区域电离层活动较为剧烈, 而计算中未进行电离层改正所造成的。根据解算结果, GD09点沉降速率最快, 达到52.4mm/a, GD01、GD02、GD04、GD06、GD10、GD11这几个点的沉降速率在15~25mm/a之间, 其余的点速率均小于10mm/a, 其中GD03、GD05几乎没有沉降。
6 总结
利用GPS可以建立自动连续地面沉降监测系统, 对制定灾害防治措施及保证重点大型工程项目的建设具有重要意义。为降低监测成本, 本文采用单双频混合模式对广州南沙某100km2区域GPS地面沉降自动化监测的系统结构、网形布设、数据处理模式等进行了设计, 其中双频监测点不仅可与IGS站联测, 为监测网提供基准, 还可利用其双频数据建立区域电离层实时改正模型, 用于单频数据的电离层改正, 保证单频监测点的监测精度。从实验结果来看, 解算精度达到毫米级, 由于电离层活动剧烈, 误差较大, 还需进行电离层改正, 提高精度。
摘要：利用GPS进行地面沉降监测具有覆盖范围广、不受气候条件限制、无需通视条件、自动化程度高等优势, 但双频大地型GPS接收机的硬件价格比较高, 难以大范围密集布设连续监测点。为降低硬件成本, 采用单双频混合模式对广州南沙某100km2区域进行了GPS地面沉降自动化监测设计, 其中包括基准设计、网形设计、系统结构及数据处理方案设计。
利用连续GPS进行地面沉降监测 篇2
利用连续GPS进行地面沉降监测
对～北京15个GP3连续站的数据进行分析,获取了台站在ITRF参考框架下垂向分量的坐标序列,利用最大似然估计反演了线性运动速率及相关噪声的`大小,发现北京市GPS坐标受到时空相关噪声和周期性噪声的影响,对GPS观测成果的解释要考虑这些因素的影响;GP3显示在传统沉降区域(如东三旗、平谷等)沉降速率较大,达40 mm/a以上.文中还讨论了利用GPS进行沉降监测时需要注意的若干问题.
作 者：田云锋 TIAN Yun-feng 作者单位：中国地震局地壳应力研究所,北京,100085;中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京,100029刊 名：测绘与空间地理信息英文刊名：GEOMATICS & SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY年，卷(期)：200932(4)分类号：P228.4关键词：GPS 地面沉降 坐标时间序列
地面沉降就在身边 篇3
4月1日下午，位于北京市西城区车公庄大街物华大厦附近人行道上的一块路面突然塌陷，路过此处的杨女士不幸落入其中，瞬间破裂的热水管道将其全身99%皮肤面积烫伤。
而此类地面突然塌陷情况近两年来也屡见不鲜。2011年4月和8月，北京市大红门石榴园地区和西直门地区都曾被曝出过道路塌陷事件，广西柳州市柳南区更是在今年5月10日发生了一起大规模地面塌陷灾害，受灾面积达4万平方米，并导致部分楼房倒塌或下沉。
有关专家指出，地面塌陷属于地面沉降的极端情况，相对于偶有发生的地面塌陷，地面沉降却在全国大面积地区已经发生，同时地面沉降更有可能危及住房安全。
地面沉降多因地下水超采
据《北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析》一文显示，北京地面沉降最早于1935年在西单到东单一带被发现，当时的沉降速率较低，直到1952年的17年间，最大累计沉降量仅为58毫米。
而截至2010年，北京市累计地面沉降量超过200毫米的面积已为2474.70平方公里，占到北京市平原面积的1/3。同时据北京市地勘局有关人员介绍：“从分布上来看，主要集中在南北两个大区，形成了五个沉降区。” 具体而言，五大沉降区主要包括昌平区东南的沙河至八仙庄、朝阳区的全部、顺义区的南部、通州区的西部及大兴区的南部。
那么为何北京市会有如此大面积的地面沉降区呢？根据北京市水利规划设计研究院的一项研究显示，地面沉降主要原因来自于地下水超采严重。1980-2005年北京平原地区地下水超采面积达5980平方公里，占平原区面积的86.7%，其中严重超采区面积达2288平方公里，一般超采区面积3692平方公里。
据有关资料显示，从分布区域上来看，严重超采区主要分布北京的中心城、海淀区、石景山、朝阳区西北部、昌平、顺义的西部和东部地区、大兴的中南部地区、通州北部、门头沟山前平原等地，这些区域平均总补给量8.4亿立方米，年均可开采量8.2亿立方米，年均超采1.78亿立方米。
由于地下水在北京供水结构中占2/3以上的比例，短期内不会发生太大变化，有关专家也表示，北京市地下水水位将持续下降，地面沉降区也会进一步扩大。
实际上，不仅北京如此，全国范围内，特别是北方地区已有多个城市因地下水开采过量引起了不同程度的地面沉降。据《2011年-2020年全国地面沉降防治规划》指出，目前全国遭受地面沉降灾害的城市超过50个，分布于北京、天津、河北、山西、内蒙古等20个省区市。
而根据今年3月国土部、水利部联合发布的《全国地面沉降防治规划(2011-2020年)》显示，国家对北京市提出的地面沉降控制目标为：2015年区域地面沉降率控制在每年25毫米以内，沉降中心沉降速率控制在每年45毫米以内。
无需恐慌地面沉降
包括朝阳、通州在内的地面沉降严重区域，也正是当前房地产活跃的地区。伴随着未来有可能持续发生的地面沉降，房地产行业又是如何应对？
一位在全国多地有过房地产开发经验的房企负责人告诉记者，地面沉降问题肯定是房地产开发必须考虑的问题，但是围绕着地面沉降的隐患，在实际动工之前已经有了一套相对完善的勘探与审批流程。
“在整个项目初期，施工方会让专业的团队进行地质勘探，并形成相应的勘探报告，内容包括该地块地质结构如何、打桩深度在什么范围之内、地基基础怎样做之类。”该房企负责人表示，勘探报告出来之后，将交给设计院，由设计院按照报告要求做出对应的完整设计方案。
事实上，就算开发商严格按照一系列勘探标准完成施工，地面沉降仍会发生，因为高层建筑本身就会引起地面沉降。上海地质学会秘书长刘守祺就曾对媒体表示：“根据目前的研究成果，发现高层建筑对地面沉降的影响达到四成，对地质环境的影响非常明显。”
而有关人士也表示，一旦发生严重的地面沉降，地面建筑也必将出现结构上的变形。根据建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)所规定的建筑物的地基变形允许值，体型简单的高层建筑基础的平均沉降量是200毫米。然而当前北京市一些区域地面沉降量已超过了这一数值。
不过，专家高度认为，按照目前全世界地质沉降情况来看，还未出现因沉降导致住宅出现大幅度破坏的情况。
“不必过分担心地面沉降的影响。”高策地产服务机构董事长兼总裁陶红兵向记者表示，按照建筑的使用年限，绝大多数建筑并不会单纯因为地面沉降而出现大的问题，“就算出现了问题，也可以及时维修，而维修的费用可以来自于‘维修基金’。”
淤泥固结沉降对地面沉降的影响 篇4
1 工程概况
工程场地位于漳州市西洋坪路西侧、学府路北侧, 占地面积约1.4万m2。现有的六栋教学办公楼于2004年7月竣工, 建筑物基础采用静压预应力混凝土管桩型式, 选用全风化花岗闪长岩作为桩基持力层, 上部主体结构采用钢筋混凝土框架结构, 受下部淤泥层的影响, 各教学楼一层地面现均出现了不同程度的沉降。
2 场地工程地质条件
根据勘察报告, 场地地貌单元属漳州市九龙江西溪冲洪积平原与山间凹地交接地带, 建筑原场地主要为耕地和池塘, 后经回填而成平地。地基土主要地层结构, 自上而下为①层素填砂、②层素填土、③层耕植土、④层粘土、⑤层淤泥、⑥层中砂、⑦层残积粘性土、⑧层全风化花岗闪长岩及⑨层强风化花岗闪长岩等构成。其中中部淤泥属软土, 高含水量、低强度、高压缩性。在现有场地挖2个坑, 地下水位埋深较深, 在2.10～2.27m之间, 其中上部地基土分布如表1, 场地主要土层物理、力学性质参数如表2。
注:*表示其数值是通过前期地质资料和本次检测的平面位置, 采用内插法得出。
3 地面沉降现状
对现有建筑物一层地面发生了不同程度的沉降, 本次共设置51个水准测量点, 位置详见图1, 观测数据见表3。
说明:本次测量采用独立坐标系, 同时选取沉降最小的14-7点作为±0.00点。
对比表3中各数据和附图1各点的位置可知, 各教室的较大沉降点主要发生在中部, 较小沉降点主要发生在四周, 这主要是由于教室四周填土层受到建筑物承台基础及地梁等物体的约束, 而使该构件附近地面沉降较小。
4 软土固结沉降规律分析
土体的变形或沉降是同土的压缩性能密切相关的, 一般天然土是三相体, 在附加应力的作用下, 土颗粒压缩, 土孔隙中的水和气的排出, 土体体积减小, 从而形成地面的大面积沉降。如果地面土各部分的竖向变形不相同, 则在地面的不同部位会产生沉降差, 使建筑物地面发生不均匀沉降。
地面沉降量或沉降差的大小首先与土的压缩性有关, 易于压缩的土, 基础的沉降大, 而不易压缩的土, 则沉降小。同时地面的沉降量与作用在基础上的荷载性质和大小有关。一般而言, 荷载愈大, 相应的基础沉降也愈大;而偏心或倾斜荷载所产生的沉降差要比中心荷载为大。
目前我们在研究土的压缩性时, 均认为土的压缩完全是由于孔隙中水和气体向外排出而引起的。其沉降量St=Si+Sc+Ss, St表示总沉降量, Si表示瞬时沉降量, Sc表示主固结沉降量, Ss表示次固结沉降量。
瞬时沉降指在加荷后很短时间内, 孔隙中的水来不及排出, 加之土体中的土粒和水是不可压缩的, 因而瞬时沉降是在没有体积变形的条件下发生的, 它主要是由于土体的侧向变形引起的, 一般认为该项在施工结束后就已完成了。
主固结沉降是指在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体体积随时间逐渐减小, 有效应力逐渐增加, 随着时间的增加, 孔隙水应力逐渐消散, 有效应力逐渐增加并最终达到一个稳定值, 此时孔隙水应力消散为零, 主固结沉降完成, 这一过程所产生的沉降为固结沉降。
次固结沉降是指土体在主固结成将完成之后有效应力不变得情况下还会随时间的增长进一步产生沉降。
5 软土地基沉降计算
(1) 地面沉降量计算
由于本场地建筑物采用是桩基础, 故建筑物荷载对地面沉降不产生影响, 因此本次地面沉降主要考虑大面积地面堆填 (填土等) 的作用, 其沉降值采用大面积均布荷载计算公式进行计算, 公式如下:
undefined式中△S表示地面最终变形量 (mm) ;n表示土层总数;pi表示第i层土的有效附加应力 (kPa) ;Esi表示第i层土的压缩模量, hi表示第i层土层的厚度。
由上述公式计算出每个基坑各层土的沉降量, 详见表4。
说明Ut参照《土质学及土力学》表5-8得出。
由上表可以看出, 在不计外荷载作用的情况下, 地面发生的总沉降主要来自淤泥的固结沉降, 约占总沉降量的81.73～81.88%。
(2) 淤泥固结度计算
在没有对淤泥进行特殊处理的情况下, 淤泥的固结沉降是一个长期复杂的过程, 其计算公式如下, 各坑内淤泥的固结度详见表5。
淤泥的固结系数Cv计算公式为undefined, 其中k为淤泥的渗透系数, 本次计算取k值为6×10-8cm/s, e为淤泥的孔隙比, a为淤泥压缩系数, γω为水的重度。
固结时间因素Tv计算公式为undefined, 其中Cv为固结系数, t为时间, H为淤泥层厚度。
由表5可知, 现阶段淤泥的固结沉降仅完成50～63%, 今后还会继续沉降。
6 结论
(1) 经计算现有的地面沉降主要来自淤泥层的固结沉降, 约占总沉降量的81.73～81.88%;上部素填土的沉降量约占总沉降量的12.61～13.74%。
(2) 根据淤泥的固结度计算结果, 现阶段淤泥仅完成了最终沉降的50～63%, 说明淤泥的固结沉降是一个长期的过程。
(3) 在工程实践中, 对场地内存在厚软土的地基处理是十分必要的。
摘要：本文通过对漳州某工程地面沉降现状观测, 推算了地基沉降量和固结度, 分析软土地基沉降的主要原因, 为在今后的工程实践中, 更合理的进行基础设计积累经验。
关键词：淤泥,地基,固结沉降,固结度
参考文献
[1]洪毓康土质学与土力学人民交通出版社2000年第二版
上海地面沉降及其对城市安全影响 篇5
上海地面沉降及其对城市安全影响
地面沉降是上海最主要的地质灾害.半个多世纪以来,地面沉降已使上海区域地貌形态发生显著变化,目前中心城区高程普遍小于3.5m.监测资料表明,累计地面沉降总量对城市防汛产生重大影响,而地面沉降在空间上的发育不均匀性,对穿越不同地面沉降速率空间的.线性城市基础设施的安全运营影响是严重的.
作 者：魏子新 王寒梅 吴建中 方志雷 刘国彬 Wei Zixin Wang Hanmei Wu Jianzhong Fang Zhilei Liu Guobin 作者单位：魏子新,王寒梅,吴建中,方志雷,Wei Zixin,Wang Hanmei,Wu Jianzhong,Fang Zhilei(上海市地质调查研究院,上海,72)刘国彬,Liu Guobin(同济大学,上海,200092)
刊 名：上海地质 英文刊名：SHANGHAI GEOLOGY 年，卷(期)： “”(1) 分类号：P5 关键词：地面沉降 城市安全 防汛墙 地铁地面沉降GPS 篇6
据不完全统计,截至201 1年12月,中国已有50余个城市出现地面沉降[3]。中国长江、黄河和珠江三角洲、松辽平原和环渤海地区及东南沿海平原的大多数城市,地面沉降正继续在大面积发生和发展之中,地面沉降范围和危害也在不断增加。因此,有必要对国内外地面沉降和地面塌陷的研究现状进行分析。本文拟对地面沉降、地面塌陷、地裂缝相关研究的总体研究形势、研究力量分布、研究方向和研究主题等进行简要分析,以期为我国在该领域的研究和决策提供有益参考。
1 数据来源与分析工具
在SCIE文献数据库中以land subsidence or ground*subsidence or surface subsidence or earth*subsidence or ground settlement*or ground collaps*or land collaps*or surface collaps*or ground fissure为主题词进行检索,并结合学科分类排除非相关文献,共获得6928篇记录。分析工具为美国Thomson公司开发的Thomson Data Analyzer(TDA)分析软件。
2 分析结果
2.1 研究论文总量分布
图1是全球地面沉降、地面塌陷研究的论文总量分布情况,从图1中可以看出,该领域研究始于上世纪初,最早的一篇文献为Molengraaff GAF所著的《The subsidence of the soil of the Netherlands》[4]一文,此后至1990年期间,每年的文献数量都波动在20件以下,年平均文献数量为4件。1990年以后,文献数量开始出现激增,近三年,论文数量已超过500篇,这说明地面沉降问题已经引起世界的广泛关注。
2.2 主要研究国家或地区
在全球地面沉降研究领域中,按第一作者所属国家/地区分布来看,以美国、中国、意大利、英国、日本、法国的文献数量最多。为比较主要国家的研究力量强弱,以投点象限图来表示。该图以国家的发文量为横轴,以各自所发论文的篇均被引频次为纵轴,以发文量和篇均被引频次的平均值作为坐标原点[5]。
如图2所示,美国、意大利位于第一象限,其论文数量和篇均被引频次均高于平均水平,说明其研究具有很高的质量。事实上,美国已经有遍及45个州超过44030平方公里的土地受到了地面沉降的影响,由此造成的经济损失更是惊人。意大利同样遭受地面沉降灾害的影响。据统计,目前世界上已有60多个国家和地区发生地面沉降,包括美国、中国、日本、墨西哥、意大利、泰国、英国等[6]。
英国、法国、荷兰等国家位于第二象限,说明尽管其文章数量并不多,但是影响力较大。日本、墨西哥、台湾、俄罗斯位于第三象限内,说明这些国家/地区文章在量和质上尚处于平均水平以下。中国位于第四象限内,这说明我国地面沉降相关研究较多,但文章质量还有待进一步提高。
2.3 主要研究机构
从主要的研究机构来看,以美国地质调查局、中国科学院、意大利帕多瓦大学、意大利国家研究委员会的发文数量最多,皆超过100篇。美国地质调查局是美国内政部辖下的科学机构,有约1万名人员,主要研究美国的地形、自然资源和自然灾害与其应对方法。意大利帕多瓦大学设有地球科学学院,研究领域涉及地沉学、自然地理学、地貌学、应用地质学、矿物学、岩石学等[7]。发文量次之的还包括中国矿业大学、俄罗斯科学院、加州理工学院、美国斯坦福大学、东京大学等。(见图3)
在TDA分析软件中,还提供了可视化功能,通过Ad una聚类功能,能够以图形清晰直观地呈现不同机构之间的合作情况。从图4的Aduna图可以看到,美国地质调查局与其他机构之间开展的合作最多,合作对象包括斯坦福大学、加州理工学院、意大利国家研究委员会、俄罗斯科学院和东京大学,共有26件合著论文。其次意大利国家研究委员会、俄罗斯科学院和东京大学开展的合作较多。中国科学院与东京大学和中国矿业大学有少量合作。
2.4 主要研究期刊分布
从期刊分布来看,全球地面沉降、地面塌陷的文章主要分布在表1所示的期刊中。从这些期刊的篇均被引频次来看,以美国地质学会通报(Geological Society of America Bulletin)、地球物理学研究杂志一大地(Journal of Geophysical Research:Solid Earth)最高,篇均被引次数均超过30次,由此可见,文章平均影响力相当高。其次则是沉积地质学(Sedimentary Geology)和地球物理研究通讯(Geophysical Resea rch Letters),篇均被引频次分别为23.17和22.82。
2.5 研究主题分布
根据论文作者的关键词词频来看,目前,地面沉降、地面塌陷领域的研究主题主要集中在地面沉降(Land Subsidence)、合成孔径雷达干涉测量(I n S A R)、地震(Earthquake)、地下水(Groundwater)、全球定位系统(GPS)、开采沉陷(Mining subsidence)、监测(Monitoring)、数值模型(Numerical Modeling)、地质构造(Tectonics)、地面变形(Def O rma tiO n)、数值模拟(Numerical Simulation)、地理信息系统(GIS)、深坑(Sinkhole)等领域。(见图5)
2.6 主要研究方向分布
根据ISI数据库的学科分类,表2按论文量多少依次列出了地面沉降、地面塌陷领域的前10个学科领域。从各学科领域论文量比例以及H指数(用于综合评估学术产出数量与学术产出水平,该指标越高,表明学术影响力最大)可以看出,地面沉降及地面塌陷涉及的主要研究方向包括地球科学、地球化学与地球物理、地质学、环境科学等。
3 结论
从上述文献分析情况来看,自1990年以后,地面沉降、地面塌陷论文的研究数量在不停增长,近年更是达到500件左右,说明地面沉降已引起世界各国的重视。其中,又以美国、中国、意大利、英国、日本、法国等文章数量最多,从论文质量来看,以美国、意大利和英国影响力最高。尽管中国的发文数量位居第二,但影响力欠佳。在这些主要国家中,又以美国地质调查局、中国科学院、意大利帕多瓦大学、意大利国家研究委员会这些机构的论文成果最多。从研究主题来看,主要集中在合成孔径雷达干涉测量、地下水、全球定位系统、开采沉陷、监测、数值模型等领域。
参考文献
[1]郑铣鑫.城市地面沉降研究进展及其发展趋势[J].地质评论,2002,48(6).
[2]张阿根.国际地面沉降研究综述[J].上海地质,2000:1-6.
[3]19个省份50余城市出现地面沉降长三角为重灾区[EB/OL].http://env.people.com.cn/GB/16719153.html.2011-12-26.
[4]G.A.F.Molengraaff.The subsidence of the soil of the Netherlands.In:KNAW,Proceedings,Amsterdam,1910:468-474.
[5]赵纪东,郑军卫.基于文献计量的国际油气探测研究进展分析[J].科学观察,2013,8(1):1-6.
[6]伊口田.国外“地沉”困局——世界各国地面沉降现象和应对策略[J].中国减灾.2012(4):18-19.
浅谈温州区域地面沉降及防治对策 篇7
地面沉降是指由于各种因素的影响, 地面标高发生明显的降低, 对人类生存和生产活动构成危害的环境地质现象, 是一种缓变型地质灾害, 其具有易发性、累进性、不可逆等特点。它可以通过一定途径和措施加以控制和防治。
随着温州经济快速发展, 城区面积快速扩张, 城市人口增加, 人群活动集中, 加以城市工业化程度提高, 对水资源的需求量急剧上升, 致使地下水超采, 产生了水位持续下降、降落漏斗, 导致温州地区大面积的地面沉降。地面沉降给温州滨海平原的防洪排涝、城市基础设施及城市建设等方面造成了一定的危害。
1 地面沉降的原因及其机理
对地下水开采造成地面沉降的机理解释主要有土力学中的有效应力原理和水动力固结原理。由于开采地下水引起含水层水位下降, 因而引起相邻粘土层中孔隙水压力降低。根据太沙基的有效应力原理及固结理论可知, 土中由覆盖层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。假定粘土地层内应力保持不变, 如果孔隙水压力降低, 必将引起粘性土粒间有效应力增加, 从而使颗粒间距减小, 引起孔隙体积减小, 而导致地面沉降。
地面沉降主要是抽采地下流体引起土层压缩而引起的, 厚层松散细粒土层的存在则构成了地面沉降的物质基础。温州地区滨海平原第四系堆积物厚度约50~170m, 浅表部主要为第四系冲—海相沉积, 浅部软土层厚度较大, 为30~80m的软土层。厚层软土构成了地面沉降的物质基础, 也是地面沉降的内因。另外, 从2000年~2005年, 地下水开采量平均每年以13.3%的速度增长, 到2005年总开采量达到2538.05万m3。由于过量开采地下水, 本地区地下水位急剧下降, 普遍下降10~20m, 降落漏斗中心水位下降达40m以上。因此, 过量开采地下水为地面沉降的主要诱发因素。
2 地面沉降现状
地面沉降是出现在温州滨海平原地区的一种缓变性地质灾害类型, 始见于上个世纪90年代初, 主要发生于龙湾区永强、苍南县龙港、乐清市天成等地, 以龙湾区永强平原地面沉降最为严重。
据监测统计, 自90年代初到2008年, 永强平原地面沉降中心累计沉降量已超过300mm, 地面沉降累计大于50mm的面积约20km2, 约占永强平原面积的20.4%, 其中2004~2008年地面沉降累计大于50mm的面积约9.27 km2 (见图1) 。
2006~2007年沉降速率在10~25mm/年, 大于30mm/年的呈点分布。平苍平原地面沉降主要发生于苍南县的龙港镇和平阳县的鳌江镇、钱仓镇一带, 目前地面沉降累计沉降量为31~126mm, 沉降速率为10~20mm/年, 最大约25mm/年。乐清市天成地面沉降主要分布天成乡中南一带, 其影响面积为42.3 km2, 地下水位埋深约20.0~30.0m。局部地面沉降迹象表现为房屋开裂、地面下降63~177mm或井管抬升180~800mm等。近年来, 由于行政管理限制开采地下水, 温州地下水开采量逐步减少, 龙湾区永强平原地下水位降落漏斗面积已明显缩小, 漏斗中心地下水位逐年回升。
3 地面沉降的防治对策
地面沉降虽然具有不可逆性、累进性等特点, 但是相对于其他地质灾害而言, 具有一定的可控性。针对本地区地面沉降的特点及其工作现状, 提出以下几点防治措施:
1) 逐步加强地面沉降监测。本地区地面沉降监测网络已初步建成, 还需逐步加强和完善监测网络, 提高监测频率和精度。通过监测获得的信息服务于未来规划的实施和相关政策的制定。
2) 控制地下水开采量, 加强地表供水能力。过量抽取地下水是导致地面沉降的最主要原因, 这种事实已被国内外学着所公认。因此, 减轻地面沉降灾害的措施中最主要的就是人为控制地下水的开采量, 这是已被我国很多城市的实践所证明了的有效措施。本地区从2005年开始, 已逐步禁限采地下水, 地下水开采量逐年减少, 但由于广大的平原河网及部分主干河段的污染严重及供水工程的滞后, 地下水仍将是平原区广大乡村尚难替代的生活用水水源。因此需要因地制宜, 兴修水库, 加强地表供水能力, 进而实行全面限采地下水, 同时对其进行合理的规划和利用。
3) 人工回灌地下含水层。采用人工回灌控制地面沉降已有许多成功的范例可以借鉴, 其效果值得肯定。但要实施有较大的难度, 如回灌水源必须符合生活饮用水标准或不能低于当地地下水质量现状, 而温州城市供水能只能基本满足用户用水要求。因此, 现阶段我们应利用有利地块进行地下水人工回灌试验, 并有计划有步骤的推广和实施地下水人工回灌工作。
4) 加固堤防, 防止海水入侵。温州地处沿海地带, 由于地下水过量开采, 地下水位下降, 导致海水倒灌入地下水, 污染地下淡水。如永强平原可在近海及瓯江岸边采用人工堤坝, 减少海水对地下水污染。
4 结论
由于地面沉降的不可逆性, 一旦成灾就很难恢复, 其严重后果不言而喻, 它危及到社会生产生活和经济可持续发展, 所以, 控制其发展是当务之急。因此, 应当积极开展本地区的地面沉降调查、监测与研究工作, 为抗沉减灾提供依据, 为经济社会快速稳定发展提供服务。
参考文献
[1]刘杜鹃.中国沿海地区地面沉降的思考[J].中国地质灾害与防治学报, 2004.
[2]周爱国, 周建伟等编著.地质环境评价[M].武汉:中国地质大学出版社, 2008.
[3]周岚, 苏胜利.嘉兴市深层地下水开采与地面沉降分析[J].浙江水利科技, 2005.
浅谈盾构施工中的地面沉降 篇8
地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差[2]。周围土体在弥补地层损失中发生地层移动,引起地面沉降。引起地层损失的施工及其他因素是:1)开挖面土体移动。当盾构掘进时,开挖面土体受到的水平支护应力小于原始侧向力,开挖土体向盾构内移动,引起地层损失而导致盾构上方地面沉降;当盾构推进时,如作用在正面土体的推力大于原始侧向力,则正向土体向上、向前移动,引起地层损失(欠挖)而导致盾构前上方土体隆起。2)盾构后退。在盾构暂停推进中,由于盾构推进千斤顶漏油回缩而可能引起盾构后退,使开挖面土体坍落或松动,造成地层损失。3)土体挤入盾尾空隙。由于盾尾后面隧道外周建筑空隙中压浆不及时、压浆量不足、压浆压力不恰当,使盾尾后周边土体失去三维平衡状态,而向盾尾空隙中移动,引起地层损失。4)改变推进方向。盾构在曲线推进、纠偏、抬头推进或叩头推进过程中,实际开挖面不是圆形而是椭圆,因此引起地层损失。5)盾构移动对地层的摩擦和剪切。6)在土压力作用下,隧道衬砌产生的变形也会引起少量的地层损失。
盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后,便在盾构隧道的周围形成超孔隙水压力区(正值或负值)[3]。当盾构离开该处地层后,由于土体表面压力释放,隧道周围的孔隙水压力便下降。在超孔隙水压力释放过程中,孔隙水排出,引起地层移动和地面下降。此外,由于盾构推进中的挤压作用和盾尾后压浆作用的施工因素,使周围地层形成正值的超孔隙水压区。其超孔隙水压力,在盾构隧道施工后的一段时间内复原,在此过程中地层发生排水固结变形,引起地面沉降。土体受扰动后,土体骨架还会有持续很长时间的压缩变形,在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性黏土中,次固结沉降往往要持续几年以上,它所占的沉降量比例可高达35%以上。从盾构法施工引起地面沉陷的原因可以看出,控制盾构施工参数如推力、推速、正面土压、同步注浆量和压力等,可有效地抑制其引起的地面沉陷。
现在以机场线为例,来了解盾构法在黏土和复合地层中引起地表隆陷的变化发展过程及其控制方法。
1工程及地质概况
北京市轨道交通首都国际机场线某合同段(控制性工程),车站的区间隧道为内径5.4 m的双线隧道,采用6.3 m土压平衡盾构掘进施工,掘进总长度约2.568 km。隧道覆土厚度10 m～23 m,隧道施工沿线有公交车站、公园、桥梁、机场高速路、过街天桥、民宅及地下管道。地铁隧道在洞外斜街掘进需穿过大片密集民房,因此必须控制地面沉降。盾构施工引起的地层变形,对隧道掘进中的一些重点保护区域进行了施工监控测试,包括地表变形、土层变形、构筑物变形以及土体水压力等项目。同时,对盾构的主要施工参数进行了采集,如推力、推速、正面土压、姿态、同步注浆量和压力等。
2地表隆陷的变化发展过程
1)盾构到达前(刀盘前方3 m以外):盾构掘进对前方土体的影响距离略小(H+D)(H为覆土厚度;D为盾构外径),当隧道覆土为7 m～10 m时,影响距离为12 m～15 m。地表隆陷变化较小,累计量小于5 mm。地表的隆陷由盾构的施工参数决定。当设定土压值较大而出土量较小时,呈隆起状态;反之,呈沉降状态。
2)盾构到达时(刀盘前3 m至后1 m):地表承接上阶段的发展,但变化速率增大。若呈隆起状态,则可达到峰值,累积隆起可达5 mm～10 mm;若呈沉降状态,累积隆起可达10 mm～15 mm。
3)盾构通过时(盾尾脱出):一般情况下地表呈沉降变化,这主要由于盾尾的空隙未能及时充填注浆所致,其沉降量在30 mm以内。若盾尾同步注浆及时,充填率大于200%,因浆液向前充填而使盾构中部的地层由沉降转为隆起。
4)盾尾通过时(盾尾脱出4 m以内):盾尾脱出后,最易发生突沉,突沉量可达30 mm。若注浆及时,可控制突沉,甚至上隆,但随浆液的固化收缩又会逐渐下沉。
5)后期沉降(盾尾脱出7 m以外):盾尾空隙引起的沉降逐渐减缓,此阶段又可分为10 d内,10 d～30 d和长期3个阶段。脱出盾尾10 d内,沉降速率由6 mm/d减到0.4 mm/d以下,沉降量为10 mm～20 mm;10 d～30 d内,沉降速率降低至0.2 mm/d以下。盾构穿越砂土层,其固结沉降期较短,20 d的沉降量仅为2 mm,在黏性土层,20 d沉降量为10 mm～15 mm,这样沉降稳定,通过施工组要求判断出地面沉降的稳定程度来决定今后的监测频率,直到对地面无危害即可。
实践表明:盾构施工引起的地表沉降5个阶段的累积沉降量一般可控制在10 mm～30 mm之间;横向地表沉降的影响在隧道轴线两侧(H+D)范围内;其主要沉降影响范围离轴线7 m以内;沉降槽呈正态曲线分布。
3盾构施工参数对土层沉降的影响
1)盾构的土压平衡控制。
盾构开挖面的土压平衡控制是减少土层变形的主要施工参数。设定土压的理论值p0=静止土压+水压,但在实际施工中应视盾构上方土体的隆陷变化进行调整。设定土压值应与盾构推力、推速、刀盘转矩、螺旋输送机转速和排土率相匹配,才能使开挖面稳定并最大限度地减少对土体的扰动。
2)盾尾的同步注浆。
盾构外径与衬砌环外径之间存在10 cm的建筑空隙,每推进1环的空隙量约为2.3 m3。为及时填补空隙,在盾构推进的同时,从盾尾向衬砌环外围进行同步注浆,浆液由粉煤灰、石灰、膨润土和水配制而成,考虑到浆液固结收缩、浆液流失、土层扰动后的固结沉降等因素,注入率(注入量/盾构空隙量)一般为150%～200%,注浆压力一般为0.3 MPa～0.4 MPa(略大于隧道拱底的土压力,为拱顶土压力的2倍以上)。若隧道上方有构筑物等超载作用,应考虑增大注浆压力和注浆量。对需要保护的重要构筑物,除实施同步注浆以外,还考虑进行2次或多次壁后注浆,即在盾尾脱出后的衬砌环上通过预留压浆孔向隧道外围注浆。
通过对盾构施工中地面沉降研究和沉降数据的分析,将信息及时反馈给施工现场,对施工起到指导作用,能够有效地控制施工中地面沉降。地面沉降监测与施工紧密地结合在一起,做好地面沉降研究工作可以减小因盾构施工引起地面沉降造成的经济损失和安全事故。所以要根据现场施工条件与设计要求相互结合,制订出最佳的地面沉降监控量测方案,使得地面沉降监控量测做到“安全监控、设计反馈和指导施工”。
参考文献
[1]袁小会,韩月旺,郭涛.盾构施工中开挖面失稳数值分析[J].山西建筑,2007,33(9):336-337.
[2]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,1991:17-18.
天津市地面沉降防治区划的研究 篇9
关键词：地面沉降,影响因素,定量分析,防治区划
根据2006年国家定位, 天津市要逐步建设成为经济繁荣、社会文明、科教发达、设施完善、环境优美的国际港口城市、北方经济中心和生态城市。同时, 天津市也是全国地面沉降最严重的城市之一, 20世纪80年代的最大地面沉降速率曾达到100 mm/年, 地面沉降已从某种程度上制约城市的可持续发展。为此, 亟需制定出地面沉降防治区划, 以便实行统一管理, 采取针对性更强的地面沉降防治措施, 这对缓解天津市地面沉降具有重要意义。
1 研究区概况
天津市除北部蓟县和宝坻区部分区域外, 南部平原区8 000多平方千米均存在不同程度的地面沉降现象 ( 见图1) , 并形成了多个围绕中心城区和滨海新区的地面沉降漏斗。全市地面沉降受自然因素和人为因素的影响, 人为因素占主导地位, 其中地下水开采又是主要原因。自然因素包括地层固结和地质构造运动。人为原因主要包括开采地下 ( 热) 水、油气和人类工程活动。
2 研究方法
对引起天津市地面沉降的各影响因素进行定量分析, 根据各因素所占的比重对全市进行防治管理分区。在进行定量分析时, 假设序列中有m年地面沉降监测值y ( i) , 其中i = 1, 2, …, m, 有n个影响因素, 第j个影响因素在第i个年度的表征量为xj ( i) , 其中j = 1, 2, …, n。采用常见的灰色关联度法[1]和效果测度法[2], 可求解x和y的关系。关联系数反映了某个因素对地面沉降的贡献程度, 用关联系数作为权重, 将总的沉降量按比例分配, 就可得到各因素引发的沉降量。设n年的平均沉降量为Sn, 第j种因素的关联系数为rj, 则其引发的沉降量为:
3 地面沉降因素定量分析
为方便计算, 将影响天津市地面沉降的影响因素分为地质构造、软土次固结、地下水、500 m以下 ( 地热水、石油) 和人类工程活动 ( 以密集高层建筑荷载为主) 五类。根据以前学者的分析结果[3,4], 地质构造和软土次固结导致的地面沉降均为已知, 将这部分扣除后, 剩下的就是需要定量分析的沉降量。
3. 1 单元划分与数据来源
由于获取各人为因素的统计资料和制定防治措施都是面向区 ( 县) 为行政单元的, 因此本文分析过程中也是以每个区 ( 县) 的行政边界来划分计算单元。需要强调的是, 市内六区中各区面积均较小, 可合起来作为一个计算单元; 另外, 现在的滨海新区包括了以前的塘沽区、汉沽区和大港区, 南北地理跨度较大, 某些影响因素一直有较大差别, 这里仍按三个独立的计算单元划分, 最终全市共分为11个计算单元 ( 参考图1, 蓟县和宝坻区因无明显沉降除外) 。开采地下水和地热水对地面沉降的影响分别用开采强度来量化, 人类工程活动对地面沉降的影响用平均建设用地强度来量化。
3. 2 计算分析
将各影响因素指标无量纲化, 对每个单元分别用灰色关联度法和效果测度法计算得到各因素的关联系数。将各区县沉降量扣除自然因素的沉降值后, 用式 ( 1) 即可计算得到各因素引发的沉降量。灰色关联度法和效果测度法两种方法计算同一种因素引发的沉降量存在差异, 在5年的分析结果中, 同一因素沉降量的平均差异为3 mm。由于每种因素引发的沉降量大小不一, 3 mm的差异并不能说明问题, 可按相对误差来统计, 它可以反映每个因素中较差相对于地面沉降量的比例。经统计, 相对误差最小为3% , 最大为10% 。这个相对误差范围说明两种方法得到的结论基本一致, 得到的各因素引发的地面沉降量值比较可靠。综合两种方法的结果, 取其平均值, 得到近5年来人为因素引起的沉降量占各区县沉降量的比例如表1所示。
%
结果表明, 在影响全市地面沉降的各因素中, 地下水开采引起的地面沉降量占全市沉降量的57% , 各单元内地下水开采的影响比例存在较大波动, 为26. 7% ~ 96. 7% 。500 m以下的地层对地面沉降影响相对较小, 在14. 7% ~ 46. 7% 范围内波动。人类工程活动对地面沉降的影响为12. 4% ~ 27. 8% , 波动范围较小。
各影响因素呈现明显分群的现象, 其中津南区、西青区、北辰区、静海县、武清区、滨海新区汉沽和宁河县等7个区 ( 县) 的地下水开采引起地面沉降量超过区县总沉降量的50% 。滨海新区塘沽、滨海新区大港、西青区、东丽区等4个区县500 m以下的地面沉降量超过区县总沉降量的30% , 而市内六区和滨海新区塘沽人类工程活动引发的地面沉降量超过区县总沉降量的20% 。
4 地面沉降防治分区
根据各区县地面沉降影响因素比例, 参考各区县地面沉降分布情况 ( 见图1) , 将各区县地面沉降灾害防治方向进行区划分类。划分时遵循“全面治理、突出重点”的原则, 即哪个因素影响突出, 就优先治理这个因素, 确保控制地面沉降工作取得实效。可将11个计算单元划为四个类别的防治区, 具体划分标准和防治对策如下: 1) 第一类防治区: 市内六区和塘沽区, 地下水开采、500 m以下流体开采引起沉降比例均在30% ~ 40% 左右, 人类工程活动影响比例也较大, 因此地下水开采、地热开采和人类工程活动等三个方面因素需要同时采取适当措施。地下水开采引起沉降的防治措施主要是制定地下水压采计划, 提供可替代水源。特别是在南水北调通水前, 要充分利用好引滦入津水源, 在南水北调全面通水后实现水源转换; 地热开采引起沉降的防治措施是尽量避免在一段时间或者一片区域集中开采, 并加大回灌力度;人类工程活动引起沉降的防治措施是加强工程施工规范管理, 加强工程建设期间地面沉降监测工作。2) 第二类防治区: 北辰区、西青区、津南区和静海县, 地下水开采引起沉降比例在90% 以上, 地面沉降主要防治措施需要从全区 ( 县) 角度出发, 目前以压采地下水为重点, 调整农业开采井布局, 在南水北调后积极实施水源转换工程。3) 第三类防治区: 东丽区、汉沽区、武清区和宁河区, 与第二类防治区相似, 本区地下水开采引起的沉降比例相对于其他因素比较大, 但沉降集中在小范围的局部区域 ( 见图1) , 只需要局部压采地下水即可。4) 第四类防治区: 大港区, 除地下水开采影响外, 本区地热及油气开采历史也较长。目前, 天津地区油气资源对区域地面沉降影响研究资料较少, 因此本区除控制地下水开采外, 还要加强对开采油气资源引发地面沉降的防治研究。
5 结语
综合考虑天津市地面沉降的自然因素和人为因素, 研究了各影响因素在地面沉降中所占比重; 然后根据定量分析结果将全市划分为四类不同的防治分区, 不同分区沉降形势不同, 防治重点不同。本研究将为控制地面沉降管理机构制定防治措施提供科学的参考依据。
分区结果表明, 第一类防治区需要采取全面的防治措施, 严控地下水和地热水的开采, 严控工程建设引发的地面沉降。而第二类防治区和第三类防治区目前的防治重点是压采地下水和水源转换, 唯一区别是在全区 ( 县) 或局部实行。第四类防治区也要求全区压采地下水, 但如何防治油气开采引起的地面沉降, 需要做进一步研究。
参考文献
[1]葛庆宝, 张金荣.利用灰色系统理论关联度分析方法确定某市地面沉降的主要影响因素[J].勘察科学技术, 1993 (6) :15-17.
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[3]王若柏.天津和临近地区构造沉降及控沉远景问题的研究[R].天津:天津市控制地面沉降工作办公室, 2002.
地面沉降GPS 篇10
1 顶管施工概述
顶管技术就是采取非开挖施工方式进行施工的方法, 是一种少开挖或者不开挖的管道埋设施工技术。顶管法施工就是通过顶进设备产生的顶力, 克服管道与周围土壤之间的摩擦力, 将管道按设计的路线和角度顶入土中, 并将渣土运走。一节管子完成顶推到位后, 再顶进第二节管子, 依此类推。其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力, 把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起。顶管施工随着我国城镇化进程的加快而越来越普及, 应用的领域也越来越广泛。近年来, 在水管、煤气管、电缆、光缆和供暖等许多管道的施工中得到了广泛应用。[1]
顶管施工的工艺要点包括:工作井和接收井、洞口止水圈、掘进机、主顶装置、顶铁、基坑导轨、后座墙、推进用管及接口、输土装置、地面起吊设备、测量装置、注浆系统、中继间、辅助施工、供电及照明、通电与换气等。在顶管施工中, 主要有三种平衡理论:气压平衡、泥水平衡和土压平衡理论。顶管技术最突出的特点就是适应性很强, 即根据不同的设计要求、地质情况和施工条件, 选用合适的顶管施工方式。另外, 正确选择顶管机和配套辅助设备, 对于顶管施工非常关键。近年来, 顶管技术在我国取得了长足的进步, 但也存在一些问题, 主要包括:机械设备技术比较落后、地区差异明显、行业规范化不够、人才不足、宣传推广不力等, 需要坚持与时俱进, 积极创新发展。
2 顶管施工引起地面沉降原因分析
顶管施工会导致地面沉降, 造成这一现象的主要因素包括:土体损失、正面附加推力、掘进机和连续管道与土体之间的摩擦力等。
2.1 掘进机正面土压控制失衡
在顶管施工过程中, 当掘进机在土层中向前掘进时, 在进土仓内会形成流动性的土体。当正面的土压控制在主动土压和被动土压之间时, 地面才会隆起或下陷。由于施工场地往往土质变化较大, 如果完全按理论计算进行控制则会产生较大的差异, 使施工人员难以正确把握, 从而造成土压控制失衡, 引起地面沉降。另外, 设备选用不当也会造成较大影响, 比如掘进机刀盘切削面积过小、推进速度或螺旋输送机转速不能调整, 则会导致土压失稳, 引起地面沉降。
2.2 管道外周空隙过大
掘进机在推进过程中, 由于纠偏或曲线推进, 通常会在管道外周形成空隙。如果空隙过大, 则可能引起土体坍塌沉降。因为拙进机在纠偏和曲线推进时, 所形成的通道截面面积比管道截面面积大, 二者之间的空隙会引起周边土体填充而导致沉降。当前, 顶管施工一般都采用触变泥浆减摩技术, 即在掘进过程中采用注浆技术减少掘进机与周边土体的摩擦, 同时形成浆套堵塞空隙。施工过程中, 如果不及时向空隙内注浆, 就难免引起地面沉降。
2.3 管道与周围土体摩擦
顶管施工会对周边土体产生扰动, 这一现象在软土层中表现更为明显。管道推进时会与周围土体产生摩擦, 使土体发生剪切扰动, 严重时会引起土体移动并导致地面发生沉降。如果出现设备选用不当、管道不符合要求、施工工艺粗糙等问题, 则会加剧剪切扰动现象, 从而造成更严重的地面沉降。
2.4 管道接口发生渗漏
顶管施工是将数节管道顶入土层之中, 管道接口之间设置有密封圈以防连接渗漏。如果出现密封圈安置不当、因受力不均而破损或管道接口过度弯折造成密封不良等问题, 就会导致接口渗漏, 使水土从接口处进入管道造成土体流失, 从而引起地面沉降。同时, 管道接口渗漏也会导致触变泥浆流失, 使其支承土体、减小摩擦的作用大大降低, 也会引起地面沉降。
2.5 进出洞口承载力不同
在工作井和接收井内, 当掘进机进、出洞口时, 由于一部分在洞外、一部分在土体内, 使其承载力不同。若没有事先做好相关准备工作, 极易产生设备“磕头”现象, 从而导致洞口上方的土体沉降和坍塌。
3 顶管施工过程的地面沉降控制数值分析
3.1 建立模型
在建立模型和进行有限元计算中, 可作如下假设: (1) 掘进推力为圆形均匀分布的荷载, 取值为顶管机头泥水舱压力的实测数据0.18MPa; (2) 顶管推进过程中只考虑顶进空间距离的变化, 而不考虑土体时间效应; (3) 顶管与土体间的摩擦力沿管道长度方向均匀分布。根据实测曲线图, 摩阻力约为2k Pa; (4) 顶管对外侧土体的抗力沿顶管平面曲线法向方向均匀分布。
采用Mohr-Coulomb (M-C) 弹塑性模型建模, 以剪应力强度为屈服准则。在某市政工程中, 针对某顶管工程进行建模分析。假设模型上表面为天然地表, 上下表面相差50m, 顶管轴线方向长80m, 横向宽60m, 管线竖直向曲率半径为650m, 水平向为450m。边界条件为:整体模型各边界处均采用位移边界条件, 上表面为自由边界, 下表面竖向位移固定, 其它表面则各自法向位移固定。土层参数按实测数据确定。
3.2 不同摩阻力对地面沉降的影响规律
顶管在作业过程中作用在管外壁表面的摩阻力: (1) 没有注浆时, 一般在黏性土和砂性土中的摩阻力为20~30k Pa。 (2) 注浆后, 不仅会有效降低对顶管的摩擦阻力, 还会减少顶管前进时对土体的扰动, 有效减少地表沉降现象的发生。为使摩阻力减到最低, 必须注入泥浆形成一层完整的泥浆套, 使顶管外壁与土层完全分隔开。经数据计算分析, 横向上顶管中心地面沉降最大达15mm, 纵向上地面最大隆起量为2mm, 与现场监测基本一致。实践表明, 注浆压力、位置、数量等对泥浆套的质量都会产生一定的影响, 但这些影响通常较小。
3.3 机头压力对地面沉降的影响规律
机头压力与地表变形的隆起值相关联, 压力越大则隆起值越高, 且隆起的最高点距机头位置越近。在机头掘进方向, 机头压力增大则影响范围相应增大, 前方土体的变形也随之增大。在机头后方, 机头压力越大则土体沉降也越大, 但沉降值相对于隆起值则要小得多。横向上看, 机头压力对正上方土体的影响不大, 即其变形量在不同压力下基本保持不变, 而沉降最大值在顶管中心。从现场监测情况看, 机头压力对地面沉降的影响规律与模拟计算结果是一致的。
3.4 土体抗力对地面沉降的影响规律
不同的土体抗力对管道纵向的变形几乎没有影响, 对横向的则有一定的影响。施工过程中, 顶管对外侧土体会产生抗力作用, 而地表横向变形沿顶管轴线方向并不对称, 内侧地表土体的变形要大于外侧, 并且抗力越大则内外差别也越大。同时, 地表沉降最大点是偏向顶管曲线圆心一侧的点, 而不是顶管轴线正上方的点。
通过模拟分析, 可以对施工参数进行优化: (1) 当顶管周围的摩阻力控制在10k Pa时, 其地面沉降为7mm在允许范围内, 超过这个值时则地面沉降较大。 (2) 机头压力为0.18MPa时, 前方隆起1mm对周围环境影响较小, 超过这个值则隆起量较大。 (3) 土体抗力在横向上改变对地面沉降影响不敏感, 对纵向沉降影响也较小。[2]
综上所述, 在我国经济高速发展时期, 顶管技术的创新发展面临前所未有的机遇, 其应用前景非常乐观。但顶管施工造成的地面沉降问题又直接影响到这一技术的应用。因此, 加强地面沉降控制问题研究, 对于推动顶管技术向着现代化、规模化、规范化方向发展仍然具有重要的现实意义。
参考文献
[1]余芳.顶管施工引起地面沉降的分析研究[D].上海交通大学, 2009.