鄭州市地面沉降監(jiān)測基巖標(biāo)施工技術(shù)

王　剛， 李　瑩， 黃　烜， 于　麗

(河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053)

0　引言

鄭州市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目是2015年度河南省地質(zhì)環(huán)境類財(cái)政項(xiàng)目，其中包含建設(shè)基巖標(biāo)1座，作為全市地面沉降監(jiān)測的參照點(diǎn)和水準(zhǔn)路線的起測點(diǎn)?；鶐r標(biāo)施工的目的任務(wù)是：通過地質(zhì)鑒別取心鉆探和物探測井了解建設(shè)場地新生界的地層結(jié)構(gòu)和巖性特征，確定基巖標(biāo)的建標(biāo)參數(shù)。利用基巖標(biāo)鉆孔將標(biāo)桿安裝鑲嵌入穩(wěn)定基巖中，通過桿體構(gòu)件將其引至地面，安裝監(jiān)測配套設(shè)施，成為測量基準(zhǔn)點(diǎn)。這樣，以穩(wěn)定基巖面為參照基準(zhǔn)，監(jiān)測鄭州市區(qū)的地面沉降情況及其發(fā)展趨勢，為地面沉降監(jiān)測和預(yù)防控制服務(wù)。本文總結(jié)了基巖標(biāo)施工中的經(jīng)驗(yàn)和體會，為今后類似基巖標(biāo)建設(shè)施工提供參考。

1　區(qū)域地質(zhì)條件

1.1　地形地貌

鄭州市位于河南省中部偏北，華北平原南部，黃河的下游。北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃淮平原。地理坐標(biāo)：東經(jīng)112°42′—114°14′，北緯34°16′—34°58′。按地貌劃分處于中國第二級地貌臺階與第三級地貌臺階的交接過渡帶，屬于秦嶺山系東段余脈?？偟牡貏轂槲髂细摺|北低，呈階梯狀下降，由構(gòu)造侵蝕中低山，逐漸下降過渡為構(gòu)造剝蝕丘陵、黃土臺塬、沖洪積傾斜(崗地)平原及沖洪積平原，形成較為完整的地貌序列。地貌特征主要受北西向、近東西向構(gòu)造控制。黃河在市區(qū)北部自西向東橫貫，形成東北部的河流沖洪積平原地貌。

1.2　區(qū)域構(gòu)造

本區(qū)位于秦嶺東西向復(fù)雜構(gòu)造帶北緣的南端，即秦嶺東西向復(fù)雜構(gòu)造帶北緣與新華夏系第二沉降帶太行隆起南段、西北向構(gòu)造帶及晉東南山字形構(gòu)造的復(fù)合部位。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為斷裂，以近東西向和北西向斷裂為主。近東西向的斷裂有：中牟斷層、上街?jǐn)鄬雍晚毸當(dāng)鄬?；北西向斷裂有：尖崗斷層、溝趙斷層、老鴉陳斷層和花園口斷層。西南部山區(qū)斷裂裸露地表，東部平原區(qū)斷裂被第四系堆積物掩埋而成隱伏構(gòu)造。北部、東部的斷裂發(fā)育較多，分布密集，且相互交錯(cuò)，而西南部斷裂分布相對較少。

1.3　地層條件

鄭州市屬于華北地層區(qū)，且地處黃河沖積平原的邊緣地帶。受黃河泛濫影響，區(qū)內(nèi)廣泛分布第四系沖洪積層，自西南向東北逐漸增厚。第四系地層之下為巨厚層的新近系、古近系地層，局部古近系地層缺失。新生界之下為中生界地層，中西部為三疊系，東北部為侏羅系、白堊系地層。中生界之下為古生界地層，主要為寒武系、奧陶系、石炭系中上統(tǒng)和二疊系地層。新生界地層自下而上分別為新近系砂層、砂質(zhì)粘土、粘土、中細(xì)砂層和砂礫層；第四系粉細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)粘土、粘土等，沉積厚度由西南部的小于500 m，向東北部過渡到1500 m以厚。

新生界的沉積規(guī)模和地貌受構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂基本上都發(fā)生在第四紀(jì)以前，新生代初期老鴉陳斷裂有活動，第四紀(jì)時(shí)期仍有較弱活動。受老鴉陳斷裂控制，形成市區(qū)范圍內(nèi)以京廣鐵路為界的東、西兩部分地層特征：西區(qū)一直抬升，接受剝蝕，形成大量沖溝，沒有沉積全新統(tǒng)地層，且新生界地層由西向東逐漸變薄。東區(qū)持續(xù)下降，沉積新生界地層逐漸增厚，地層齊全，局部厚度>1500 m。

根據(jù)地質(zhì)鑒別孔鉆探揭露，場地780.0 m深度范圍內(nèi)地層主要為第四系的粉土、粉質(zhì)粘土、粘土、粉細(xì)砂、細(xì)砂，新近系的粘土、中細(xì)砂，三疊系的砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖等地層。場地地層自上而下分別如下。

(1)第四系Q。

上更新統(tǒng)Q3，粉土、細(xì)砂、粉質(zhì)粘土，層厚44.5 m，層底埋深44.5 m；

中更新統(tǒng)Q2，粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、粘土，層厚30.5 m，層底埋深85.0 m；

下更新統(tǒng)Q1，粘土、中細(xì)砂、砂礫石，層厚127.7 m，層底埋深212.7 m。

(2)新近系N。

粘土、中砂、中細(xì)砂、砂質(zhì)粘土，局部鈣質(zhì)結(jié)核膠結(jié)，層厚452.3 m，層底埋深665.0 m。

(3)三疊系T。

泥巖、砂質(zhì)泥巖，由強(qiáng)風(fēng)化漸變?yōu)槲达L(fēng)化狀態(tài)，裂隙發(fā)育，層厚31.0 m，層底埋深696.0 m；

粉砂巖，未風(fēng)化，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀，質(zhì)地堅(jiān)硬，少量裂隙發(fā)育，層厚6.0 m，層底埋深702.0 m；

泥巖、砂質(zhì)泥巖，未風(fēng)化，層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，局部破碎，層厚6.9 m，層底埋深708.9 m；

粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，未風(fēng)化，厚層狀，砂質(zhì)膠結(jié)，層厚24.1 m，層底埋深733.0 m；

泥巖，未風(fēng)化，厚層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，層厚19.0 m，層底埋深752.0 m；

砂巖、泥質(zhì)砂巖，未風(fēng)化，層狀，砂質(zhì)膠結(jié)，層厚9.0 m，層底埋深761.0 m；

泥巖、砂質(zhì)泥巖，未風(fēng)化，厚層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，揭露厚度19.0 m，揭露埋深780.0 m。

建設(shè)場地上部覆蓋層厚度為665.0 m，下伏基巖為三疊系的砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖。665.0～696.0 m為基巖風(fēng)化層，自696.0 m進(jìn)入三疊系未風(fēng)化基巖。

2　基巖標(biāo)功能要求與結(jié)構(gòu)

2.1　功能要求

基巖標(biāo)是地面沉降監(jiān)測的參照基準(zhǔn)點(diǎn)，是沒有沉降變形的穩(wěn)定基點(diǎn)(相對于覆蓋層沉降來說假定基巖是穩(wěn)定不動的)。要保證基巖標(biāo)的工程效果，較好的發(fā)揮其功能，必須具備3個(gè)條件：

(1)基巖標(biāo)基底必須鑲嵌在穩(wěn)定的基巖內(nèi)，標(biāo)桿與深部巖體的動態(tài)完全一致；

(2)標(biāo)桿在保護(hù)管內(nèi)不受周邊因素影響，處于相對獨(dú)立狀態(tài)；

(3)基巖標(biāo)作為永久性的基礎(chǔ)設(shè)施，運(yùn)行時(shí)間長，其材質(zhì)必須具有較強(qiáng)的抗腐蝕和耐久性。

2.2　基巖標(biāo)結(jié)構(gòu)

鄭州市地面沉降監(jiān)測基巖標(biāo)標(biāo)孔直徑311 mm，通孔通徑。保護(hù)管采用J55級的177.8 mm×8.05 mm石油套管，通徑158.52 mm，管內(nèi)外涂有防銹防腐保護(hù)層，管箍絲扣連接。標(biāo)桿材料也采用J55級的石油套管，按照寶塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(詳見圖1)，有?88.9 mm×6.5 mm、?73.0 mm×5.5 mm、?60.3 mm×4.8 mm等3種型號，長度上采用九五分割，管箍絲扣連接方式，2次變徑。標(biāo)頭采用304級不銹鋼加工制作，直徑30 mm，長度250 mm。標(biāo)底采用實(shí)用新型專利產(chǎn)品“地面沉降監(jiān)測基巖標(biāo)標(biāo)底插釬”(專利號ZL201620424407.1)，長度300 mm，不銹鋼材質(zhì)。

基巖標(biāo)保護(hù)管和標(biāo)桿四周均設(shè)置扶正器，以保證兩者的居中效果。保護(hù)管與標(biāo)桿之間的介質(zhì)有清水、礦物質(zhì)油和空氣?；鶐r標(biāo)標(biāo)底鑲嵌入三疊系未風(fēng)化的砂巖或泥質(zhì)砂巖中，標(biāo)頭和保護(hù)管上端分別安裝十字監(jiān)測標(biāo)記，作為主副測點(diǎn)。

圖1　基巖標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖

3　建標(biāo)場地選擇與建標(biāo)深度確定

3.1　建標(biāo)場地選擇

鄭州市地面沉降監(jiān)測基巖標(biāo)作為全區(qū)永久性的監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)立場地的地質(zhì)狀況要相對穩(wěn)定，在歷史上不能有明顯的地殼差異運(yùn)動，并滿足下列要求：

(1)區(qū)域地質(zhì)條件穩(wěn)定，避開大的構(gòu)造斷裂帶與古河道；

(2)基巖埋深適中，便于將保護(hù)管牢固坐在基巖面上；

(3)標(biāo)底所鑲嵌的基巖層位穩(wěn)定，巖體質(zhì)地堅(jiān)硬；

(4)建設(shè)場地要接近或靠近市區(qū)監(jiān)測控制線，交通便利，便于后期使用和維護(hù)。

根據(jù)鄭州市區(qū)地質(zhì)構(gòu)造斷裂與古河道的分布情況，結(jié)合政府后期規(guī)劃及周邊工程建設(shè)活動影響相對較小等情況，并方便后期的維護(hù)管理與施測工作。綜合分析研究，將鄭州市地面沉降監(jiān)測基巖標(biāo)建設(shè)場地確定在鄭州市淮河西路與西三環(huán)交叉口東南600 m的河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院內(nèi)。

3.2　建標(biāo)深度確定

基巖標(biāo)標(biāo)底牢固、穩(wěn)定是決定基巖標(biāo)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，建標(biāo)深度選擇則是決定標(biāo)底穩(wěn)定的基本條件。分析區(qū)域地質(zhì)條件，鄭州市地面沉降監(jiān)測基巖標(biāo)標(biāo)底應(yīng)建在三疊系穩(wěn)定基巖上，且入巖深度不宜小于30.0 m，鑲標(biāo)地層應(yīng)選擇質(zhì)地堅(jiān)硬的砂巖。根據(jù)現(xiàn)場鉆探情況，本場地上部覆蓋層厚度665.0 m，自665.0 m進(jìn)入風(fēng)化基巖，風(fēng)化層厚度31.0 m，自696.0 m進(jìn)入未風(fēng)化巖層，巖性為三疊系砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖。在780.0 m深度范圍內(nèi)共有3層砂巖，層位分別在696.0～702.0、715.0～733.0、740.0～746.0 m。其中，第1層砂巖和第3層砂巖厚度小，下臥巖層相對破碎，不利于作為基巖標(biāo)基礎(chǔ)，而第2層砂巖厚度相對較厚，且下臥巖層穩(wěn)定。最終確定鄭州市地面沉降監(jiān)測基巖標(biāo)保護(hù)管深度727 m，建標(biāo)深度為732 m。

4　基巖標(biāo)施工技術(shù)

4.1　施工工藝流程

鄭州市地面沉降監(jiān)測基巖標(biāo)的地質(zhì)鑒別孔采用泥漿護(hù)壁回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工工藝，全孔取心，選用設(shè)備為TXJ-1600型鉆機(jī)和BW-260-7B型泥漿泵?；鶐r標(biāo)鉆孔采用泥漿護(hù)壁三牙輪鉆頭鉆進(jìn)，不取心鉆進(jìn)，選用設(shè)備為紅星-600型水源鉆機(jī)和BW-280/30型泥漿泵。結(jié)合建設(shè)場地的地質(zhì)條件和環(huán)境條件制定科學(xué)的施工工藝流程(詳見圖2)，指導(dǎo)施工作業(yè)。

4.2　地質(zhì)鑒別孔鉆探施工

鄭州市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目基巖標(biāo)地質(zhì)鑒別孔孔深780 m，孔徑108 mm，全孔取心鉆進(jìn)。地質(zhì)鑒別孔鉆探施工的目的是揭露建標(biāo)場地的地層結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確了解基巖埋深、巖性、風(fēng)化程度及時(shí)代成因等，查明各巖土層的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)育等地質(zhì)特征。施工的重點(diǎn)是保證巖心采取率滿足規(guī)范要求，即粘性土和完整基巖不低于80%、破碎巖體不低于65%、砂層不低于40%。以便于準(zhǔn)確查明地層層位和巖性特征，確定最理想的建標(biāo)層位和標(biāo)體結(jié)構(gòu)。

泥漿護(hù)壁回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工要保證鉆孔孔壁穩(wěn)定和較高的巖心采取率，泥漿性能是重中之重。本工程淺部是土層鉆進(jìn)，深部是基巖鉆進(jìn)，需要根據(jù)鉆進(jìn)層位的巖性不同配置不同特性的泥漿。根據(jù)鄭州地區(qū)的鉆探經(jīng)驗(yàn)，土層鉆進(jìn)的泥漿性能參數(shù)為：漏斗粘度23～25 s，密度1.08～1.12 g/cm3，失水量<10 mL/30 min，含砂量<0.5%。在鉆進(jìn)至665.0 m進(jìn)入基巖層位后，調(diào)整泥漿參數(shù)為：粘度20～22 s，密度1.08～1.12 g/cm3，失水量<8 mL/30 min，含砂量<0.5%。泥漿處理劑有：CMC、聚丙烯酰胺、聚丙烯腈鈉鹽、燒堿、純堿等。

圖2　基巖標(biāo)施工工藝流程圖

每回次取心后按次序擺放，及時(shí)檢查核對后進(jìn)行地質(zhì)編錄，根據(jù)地質(zhì)取心結(jié)果并結(jié)合物探測井資料綜合判定地層條件和地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，粉土層取心率為80%，粉質(zhì)粘土、粘土層取心率為90%，砂層取心率為58%，泥巖、砂巖風(fēng)化層取心率為90%，泥巖、砂巖取心率為95%，準(zhǔn)確揭露了場地的地層結(jié)構(gòu)和巖性特征。

4.3　標(biāo)孔鉆探施工

基巖標(biāo)標(biāo)孔孔深780 m，孔徑311 mm，基巖標(biāo)鉆孔施工的控制目標(biāo)是孔身質(zhì)量和垂直度，以便于基巖標(biāo)保護(hù)管和標(biāo)桿的安放施工?？仔币?0.5°/100 m，累計(jì)孔斜<3.9°。

本次基巖標(biāo)鉆孔采用三牙輪鉆頭寶塔式鉆具組合不取心鉆進(jìn)施工工藝。鉆進(jìn)參數(shù)：開孔鉆壓3 kN，正常鉆進(jìn)后鉆壓不超過鉆鋌質(zhì)量的80%，擴(kuò)孔時(shí)采用帶導(dǎo)向的擴(kuò)孔鉆頭，保證擴(kuò)孔時(shí)的鉆孔質(zhì)量。鉆進(jìn)和擴(kuò)孔時(shí)，轉(zhuǎn)速控制50～75 r/min。鉆進(jìn)中密切注意孔內(nèi)的巖心和沉渣量，防止卡鉆和埋鉆事故發(fā)生。采用JJX-3DA型高精度測斜儀每50 m探測鉆孔孔斜1次，準(zhǔn)確了解鉆孔的傾斜情況，以便及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。

根據(jù)測井結(jié)果通孔孔斜0.5°，鉆孔頂角和方位角均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4　基巖標(biāo)的固井

基巖標(biāo)固井的目的是將保護(hù)管與周圍巖土體固結(jié)在一體，使保護(hù)管處于穩(wěn)固狀態(tài)，為標(biāo)體后期運(yùn)行提供良好的環(huán)境。以往基巖標(biāo)施工大多是通孔水泥固井，即從保護(hù)管底部自下而上將保護(hù)管與孔壁之間的環(huán)狀空間全部用高強(qiáng)水泥固結(jié)。本次固井采用分段固井結(jié)構(gòu)，727(孔底)～427 m采用G級中溫高抗水泥固井，427 m至自然地面采用優(yōu)質(zhì)粘土球固井。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)通孔固井方法的基巖標(biāo)在運(yùn)行幾年后保護(hù)管管身會出現(xiàn)不同程度的變形和彎曲，嚴(yán)重時(shí)影響基巖標(biāo)正常運(yùn)行。究其原因是不同層位地層的應(yīng)力、應(yīng)變分布及變化差異較大，深度地層與淺部地層的差異情況尤其明顯。由于水泥漿將保護(hù)管與周邊巖土體固結(jié)為一體，垂直方向上各地層應(yīng)力、應(yīng)變的變化和不協(xié)調(diào)性將集中反應(yīng)在保護(hù)管上，保護(hù)管除受到水平向壓力外還受到垂直方向的壓力或張力。當(dāng)保護(hù)管上受到的力超過鋼材的屈服強(qiáng)度后，會造成保護(hù)管的變形或彎曲。本工程上段采用粘土固井，保護(hù)管管壁和周邊土體之間不是剛性粘結(jié)，周圍土體只約束保護(hù)管水平向的位移，不限制垂直方向上的伸縮變形，有效緩解了淺部地層與深部地層應(yīng)力、應(yīng)變的差異在保護(hù)管上的反應(yīng)。

4.5　標(biāo)底澆注

標(biāo)底澆注是基巖標(biāo)施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本工程采用壓注G級中溫高抗水泥漿液以固結(jié)標(biāo)底。澆標(biāo)段長度5.0 m，鉆孔直徑152 mm，標(biāo)底外徑108 mm，長度0.3 m，標(biāo)桿外徑88.9 mm。如果注漿量偏少會導(dǎo)致澆標(biāo)不牢固，影響標(biāo)體運(yùn)行中的穩(wěn)定性。注漿量偏大，固結(jié)段超過保護(hù)管底，會導(dǎo)致標(biāo)桿與保護(hù)管底部固結(jié)成一體，保護(hù)管的動態(tài)會影響到標(biāo)體。通過計(jì)算，固結(jié)段長度不同水泥漿用量差別并不是太大(詳見表1)，且與壓漿水的體積相比數(shù)量很少。施工中要將基巖標(biāo)底鑲嵌在三疊系未風(fēng)化泥質(zhì)砂巖內(nèi)，固結(jié)段長度4.5 m，澆標(biāo)段水泥漿用量精確控制在70.0 L。

表1　澆標(biāo)深度與水泥漿用量

5　應(yīng)用效果分析

5.1　固井與澆標(biāo)質(zhì)量

固井和澆標(biāo)是基巖標(biāo)施工的關(guān)鍵工序，施工質(zhì)量決定基巖標(biāo)的運(yùn)行效果。高溫高壓，特別是高溫對水泥各種性能的影響比較大，這將直接影響基巖標(biāo)固井和澆標(biāo)的質(zhì)量。因?yàn)楦邷刈饔脮构杷猁}水泥的強(qiáng)度顯著下降，通常在20 ℃左右水泥凝固的水化過程是最好的環(huán)境。根據(jù)鄭州市區(qū)域地質(zhì)資料，地層的溫度和壓力隨著深度的增加而提高，每深入100 m，溫度約提高1.6 ℃，壓力增加1.0～2.0 MPa。本次固井和澆標(biāo)均采用G級高抗硅酸鹽水泥，這種水泥是由硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏磨細(xì)制成的抗硫酸鹽腐蝕性能良好的水泥，抗硫酸根離子濃度≯8000 mg/L的純硫酸鹽的腐蝕。根據(jù)建設(shè)場地的地?zé)嵩鰷芈视?jì)算，732 m深度的地層溫度在24 ℃左右，這個(gè)溫度值是比較理想的水泥凝固溫度。本次固井和標(biāo)底澆注施工完成后，采用注水試驗(yàn)檢查固井、澆標(biāo)和標(biāo)桿密封情況，水位不發(fā)生變化，工程效果良好。

5.2　監(jiān)測效果

根據(jù)監(jiān)測資料，基巖標(biāo)在建成后2個(gè)月內(nèi)主副測點(diǎn)的標(biāo)高浮動值在0.3 mm之內(nèi)，2個(gè)月后主副測點(diǎn)標(biāo)高均沒有再發(fā)生變動，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6　結(jié)語

鄭州市地面沉降監(jiān)測基巖標(biāo)工程在場地選址、建標(biāo)深度確定、固井和澆標(biāo)工藝等方面均采用地質(zhì)綜合分析法和專家論證法，項(xiàng)目一次性通過相關(guān)部門組織的評審驗(yàn)收。地質(zhì)鑒別孔和基巖標(biāo)孔的鉆探施工、固井和澆標(biāo)等施工技術(shù)對類似基巖標(biāo)建設(shè)均有一定的借鑒意義，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。