作为京西煤田的重地, 门头沟采煤集中区有着久远的开采历史。据历史记载, 门头沟小窑开采已有800年的历史。小窑开采主要分布在龙泉镇城子地区及小黑山至圈门地区, 分布随机且密集, 开采深度参差不齐, 开采层位重叠, 地下采空格局错综复杂, 是地表塌陷的重要诱因。最重要的是, 该区大都是棚户区, 平房密度大, 使用年限久, 房屋质量差, 人均建筑面积小, 基础设施配套不齐全, 交通不便利, 治安和消防隐患大, 环境卫生脏、乱、差, 不适合建立长期或永久性的监测基站。而规划新城地处老采空区范围内, 对该区域进行地表沉降监测势在必行。因此, 开展建立监测示范区的可行性研究, 开展了利用精密水准仪对门头沟规划新城重点地区进行为期10个月的周期性地面沉降监测工作, 并从点位布设、监测周期、实施方法、技术要求等方面对该方法进行了详细论述;最后深入分析了监测误差及其成因, 将为该区采空塌陷监测示范区建设的选址工作起到指导意义。
1 监测方法
笔者采用精密二等水准监测网, 并采用德国蔡司DINI03型电子水准仪 (中误差为0.3mm) , 对采空区内部分区域——门头沟黑山公园至西辛房地区进行了为期10个月的沉降监测研究, 本文将从以下几个方面对该项工作进行详细论述:
1.1 点位布设
1.1.1 基准点布设
基准点应建在影响区域以外的地区, 构成等边三角形较好。因此, 根据现场情况, 在采空区外的黑山公园共布设3个基准点, 并采用北京地方高程, 通过联测将基准点定为同一高程系统, 基准点编号为Z1、Z2、Z3;此外, 基准点埋设深度要穿过冻土层 (根据有关地质资料, 该地区的冻土层深度约为0.83m) 。
基准点布设根据工作区岩土工程条件, 现场采用洛阳铲人工挖孔的方法成孔, 孔径132mm, 孔深2.50m;底部需夯实, 用高标号水泥浆现场浇筑;基准点四周砌筑砖石护墙, 用红油漆标注点号, 并做好点之记;基准点采用两种钢筋焊接组成, 上半部为直径30mm的圆钢, 长度为0.3m, 顶部加工成圆球形状, 下半部为直径16mm的圆钢, 长度为2.0m。
1.1.2 监测点布设
监测点主要布设在采空区内具备观测条件的柏油路面及周边的建筑物上, 在整个监测区域内成网状且均匀分布。
地面监测点的布设采用水钻打孔方法成孔, 孔径135mm, 孔深0.6m;底部需夯实, 用高标号水泥浆现场浇筑;孔口安装套筒防护, 用红油漆标注点号, 并做好点之记;监测点采用直径30mm的圆钢, 长度为0.6m, 顶部加工成圆球形状。
建筑物上监测点需布设在测区内建成较久的建筑物上, 采用冲击钻在建筑物墙体上钻孔, 孔径20mm, 深度约为20cm, 离地面约30cm;将弯钩型监测点插入孔内, 采用高标号的水泥砂浆进行补缝。
将所有点位进行编号并做好标记, 以便保护。各点编号由英文与阿拉伯数字组合而成, 共布设17个沉降监测点。
1.2 监测周期
首先对已做基准点进行联测, 并通过观测值判定其稳固后, 将其作为基准点, 以长期观测使用。前3次必须基准点进行联测, 以后每3个月进行1次联测, 以判定基准点的稳定性;沉降监测点则每月监测1次。
1.3 监测方法
具体监测工作开始以前, 应对所要使用仪器和标尺的各项指标按相关规范要求进行检验。方法如下:
(1) 设置固定的架设点和立尺点, 使往返测路线基本保持同一线路;
(2) 观测员应固定, 且使用固定的仪器和标尺;
(3) 基点联测采用一等水准, 视线长度≥4m且≤30m, 前后视距差≤1m, 前后视距累积差≤3m, 视线高度≥0.65m且≤2.8m, 往返测高差不符值为±1.8, 闭合差为±2 (k为路线长度, 单位km) ;
(4) 沉降点监测采用二等水准, 视线长度≥3m且≤50m, 前后视距差≤1.5m, 前后视距累积差≤6.0m, 视线高度≥0.55m且≤2.8m, 往返高度差与闭合差均为±4 (k为路线长度, 单位为km) ;
(5) 测站观测顺序、方法及成果超限时的返测、重测均依据《国家一、二等水准测量规范》GB/T12897-2006;
(6) 二等水准观测线路构成水准网。
1.4 技术要求
参照有关测量规范要求[1,2,3,4], 并结合该区域地形、地质、地貌特点, 在监测中严格按照以下技术要求实施:
(1) 选择有利时机, 开始首次设标观测, 第一次应连续观测3次, 以达到规范要求, 取平均数据作为基准值;
(2) 沉降是否进入稳定阶段, 应由沉降量与时间关系曲线判定, 若沉降速度小于0.01~0.04mm/d, 可认为进入稳定阶段;
(3) 每周期观测后, 应及时对观测资料进行整理, 计算观测点的沉降量及本周期平均沉降量和沉降速度。
2 数据整理及分析
2.1 数据计算
本研究主要对当次沉降量、累计沉降量, 以及整体沉降速率进行数据归纳统计, 并以此分析分析研究区地面沉降情况及成因。
监测点沉降量计算如下
式中, Wn为第n次测量沉降量;W为累计沉降量;Hn为第n次测量高程值;Hn-1为第n-1次测量高程值;H1为第1次测量高程值。
监测点位下沉速度计算如下
式中, Vm n为第n次测量沉降速度;Vw为平均沉降速度;Wn, W为第n次沉降量和累计沉降量;Tn为第n-1次与第n次测量的时间间隔。
2.2 误差验算
本研究主要对高程闭合差进行验算, 公式如下
对公式进行推导得到
高差闭合差就是终点的实测高程与终点的理论高程的差值。本研究使用二等水准, 往返闭合差限制为±4 (k为路线长度) , 即
依据式 (6) 求得每次的测量结果闭合差fn后, 与限差fh限进行比较, 发现历次测量闭合差均小于限差, 因此, 可进行闭合差调整分配, 得到最终沉降数据。平差时认为每个测站上的平均改正数为 (n为测站数) 。
2.3 数据分析
本研究首先对基准点的点位稳定性进行分析, 以判定基准点是否移动、计算移动量;其次对二等水准网进行平差, 计算出各点前次与本次之间的沉降量, 以了解随时间变化沉降的变化速率;最后计算出各点的累积沉降量, 并进行回归分析, 进而勾绘出各点沉降曲线图, 以便直观地了解观测点的变化趋势, 为后续监测工作的制定提供依据。
各监测点的沉降情况如图1所示;当次沉降曲线如图2所示;沉降速度如图3所示。
由图1可以得出:
(1) 本监测中, 几乎所有监测点 (CJ12点除外) 的最终累计沉降量和累计沉降速率均为负值, 即地表高程上升, 累计上升量和上升速率最大的监测点是CJ4, 但仅为5.36mm和1.775mm/100d。对比整个监测区域数据, 发现该监测区域整体沉降变化并不明显;经现场查看与分析, 发生沉降量较大的几个监测点, 不排除受人为因素影响。因此, 可认为本监测区域是基本稳定的。
(2) 本监测中的各点在最大沉降量和最大沉降速率上的差异较为明显。经分析, 可能是不同监测点地处不同的位置环境, 以及观测周期内变换观测人员和仪器误差导致的较大数据变化。
由图2可以看出:
(1) 各监测点的沉降量在2014年10月20日-2015年1月18日之间, 普遍表现出上升趋势, 并在2015年1月18日的监测中取得最大上升值。
(2) 2015年1月18日之后, 沉降量开始下降, 并在2015年3月22日取得最大下沉值。
(3) 在2015年3月22日-2015年8月18日之间, 沉降趋势较平缓, 总体变化不大。
由图3可以看出:
(1) 沉降速度在2015年1月18日的监测中达到最大值, 之后趋于零;
(2) 最大累计沉降速度为-0.02mm/d (CJ4, 10) , 沉降速度绝对值小于0.01~0.04mm/d。
根据图1-图3, 经综合分析, 导致上述现象的主要原因可能是季节性冻土导致的路面冻胀与融沉, 以及大型车辆行驶通过时由于过大荷载对路面造成的挤压;但也不排除个别点位因为人为的影响而偶然产生了高程变化异常。因此, 通过对观测数据的分析、对周边重要建筑物的调查发现, 观测区沉降变化受采空塌陷的影响已不是十分明显, 在不建造高大建筑、不受地震影响等情况下, 该区域地层情况整体相对稳定。
3 结束语
本文采用精密二等水准监测网, 对门头沟黑山公园至西辛房地区进行了为期10个月的沉降监测研究, 并对监测成果进行了整理和分析。该研究对门头沟规划新城采空塌陷监测示范区建设的选址工作起到了一定的指导作用, 同时也为全国采空棚户区的地面沉降监测方法提供了参考。
但由于受多方因素影响, 本监测只进行了10个多月, 周期相对较短;加之受部分外部因素影响, 结论的权威性有限。如果能够持续观测两年或三年以上, 通过对不同年份相同月份沉降量及各年份整体累积沉降量进行对比, 排除季节性影响和外部影响等异常因素后进行数据分析, 则将更能够说明该地区的沉降变化情况。采用精密二等水准监测耗费人力多、工作量大、劳动强度高, 且受外部因素影响大是在棚户区监测的主要缺点, 相信通过对测绘技术的不断革新和探索, 会有更方便、快捷、高精度、实用性强的监测方法应用于采空棚户区的监测研究中。
摘要：北京门头沟规划新城存在较多棚户区, 即人口密度大, 街道空间狭小, 私搭乱建严重, 不适合建立长期或永久性的监测基站。本文针对这一特殊环境, 提出了利用精密二等水准监测网对该采空区进行监测的方法, 并从点位布设、监测周期、实施方法、技术要求等方面对该方法进行了详细论述;最后通过为期10个月的沉降监测数据, 深入分析了监测误差及其成因, 对采空塌陷监测示范区的建设具有一定的指导作用。
关键词：采空棚户区,监测,地表沉降,误差分析
参考文献
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