變形測量-第六章開采沉陷及其觀測

1、 礦山有用礦物被采出后，開采區(qū)域周圍的巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力會重新分布，關(guān)達到新的平衡。在此過程中，使巖層和地表產(chǎn)生連續(xù)的移動、變形和非連續(xù)的破壞(開裂、冒落等)，這種現(xiàn)象稱為開采沉陷(Mining subsidence)。 開采損害：由于采礦工作使地上、地下建筑物、構(gòu)筑物和自然對象受到損害。 開采損害的表現(xiàn)形式：地面沉陷損害、地面傾斜損害、地表彎曲損害、在面水平變形損害、山區(qū)地表滑移與崩塌、礦區(qū)地表水位下降。 地表移動參數(shù)的確定：(1)根據(jù)礦山地表移動實測資料獲?。?2)類比法。 通常，按所采用方法的基礎(chǔ)，地表移動預(yù)計方法可分為： （1）基于實測資料的經(jīng)驗方法：即通過對大量開采

2、沉陷實測資料的數(shù)據(jù)處理，確定預(yù)計各種移動變形值的函數(shù)形式和預(yù)計參數(shù)的經(jīng)驗公式，這種方法是當(dāng)前最為可靠的一種預(yù)計方法。 （2）理論模擬方法：把巖體抽象為某個理論模型，按照這個模型計算受開采影響巖體產(chǎn)生的移動、變形和應(yīng)力的分布情況。 （3）影響函數(shù)法：根據(jù)理論研究或其他方法確定微小單元開采對巖層或地表的影響（以影響函數(shù)表示），把整個開采對巖層或地表的影響看著是采區(qū)內(nèi)所有微小單元開采的總和，據(jù)此計算整個開采引起的巖層和地表的移動和變形。此法所用參數(shù)常常根據(jù)實測資料求得。 在我國，煤礦地表移動規(guī)律的研究取得了長足進展，建立了以概率積分法、負指數(shù)函數(shù)法、典型曲線法為基礎(chǔ)的地表變形預(yù)計方法體系，以及適合我

3、國實際情況的積分格網(wǎng)法、威布爾分布法、樣條函數(shù)法、雙曲函數(shù)法、皮爾森函數(shù)法、山區(qū)地表移動變形預(yù)計法、三維層狀介質(zhì)理論預(yù)計法和基于托板理論的條帶開采預(yù)計法等等。其中以概率積分法的應(yīng)用尤為廣泛，極大地推動了“三下開采”事業(yè)的發(fā)展，使我國在該領(lǐng)域進入國際先進之列。1.2 允許變形值的確定 若地面各項變形的預(yù)計結(jié)果均大于或部分大于該建構(gòu)筑物保護等級所允許的最大變形值，又不擬采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施，則建構(gòu)筑物將遭到較大的損害而不能正常使用，甚至遭到破壞。若采取一些措施減小地面變形，或者采用圈梁、拉桿、打樁等加固或預(yù)加固措施保護建構(gòu)筑物，則有可能保持建構(gòu)筑物的完整和正常使用。 目前我國對地鐵施工引起的地面沉降

4、允許值往往由專家們根據(jù)經(jīng)驗而定。例如，北京地鐵施工規(guī)定地面任意點的下沉量均不得超過30mm；深圳地鐵施工規(guī)定地面任意點的下沉量均不得超過3040mm，地面附加傾斜不得超過1/300；上海地鐵總公司按上海軟土層深基坑工程經(jīng)驗資料，根據(jù)周圍環(huán)境要求，提出深基坑工程的變形控制標準分為四個保護等級。一般在建筑密集市區(qū)基坑工程施工選擇一級、二級保護標準，在緊靠地鐵的特殊地段選擇特級保護標準，具體選擇何種標準進行設(shè)計要遵循安全、經(jīng)濟的原則，并根據(jù)對環(huán)境的具體分析，可考慮對建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)施、地下管線采取直接保護措施，而適當(dāng)降低基坑的保護要求。 然而，由于一般建構(gòu)筑物對地面均勻沉降并不敏感，應(yīng)該根據(jù)被保護

5、對象的保護等級要求，規(guī)定各種變形（垂直沉降、水平位移、地面傾斜、地表曲率及水平應(yīng)變等）的最大允許值。文獻認為，只用沉降量作為保護地面的唯一指標，往往會要求過嚴，從而造成施工困難，造價提高，或者達不到保護地表的要求。1作為建筑物的保護等級 級：最重要的建筑物，其損害可能帶來嚴重的后果； 級：一般性的工廠、水塔、火車站、大型學(xué)校、大型蓄水池、較大的河床、主要的鐵路及隧道等； 級：不大的住宅、二等鐵路、較小的河床、不大的水池或蓄水池； 級：錨固的磚結(jié)構(gòu)房屋、不太重要的金屬結(jié)構(gòu)物，無客運的次級鐵路、公路等。2作為建筑物的損害程度的分級 級：損害很小，如不礙事的磚墻裂紋； 級：容易修復(fù)的損害； 級：嚴重

6、的開采損害，但不致使建筑物有毀壞或中斷使用的危險； 級：建筑物需要適當(dāng)加固，或采取預(yù)防措施。3作為規(guī)劃礦區(qū)地表的分類 級：可靠的地表，不需對建筑物設(shè)防； 級：在此地表上，并不需要對所有的建筑物都進行局部保護，可能會出現(xiàn)易于修復(fù)的損害； 級：要對建筑物進行局部保護； 級：需要對采動對象進行大量加固的地表。 目前，我國尚無完整的建構(gòu)筑物保護等級劃分的統(tǒng)一規(guī)范。原煤炭工業(yè)部率先于60年代制定了我國最早的地下采礦地表建構(gòu)筑物及其他地表保護對象保護等級劃分規(guī)范。1985年煤炭部頒布的建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程，按建筑物和構(gòu)筑物的重要性、用途及受開采影響引起的不同后果，將保護等級分

7、為四級。 我國還對長度或變形區(qū)段小于20m的磚石結(jié)構(gòu)建筑物破壞等級的標準作了統(tǒng)一的規(guī)定。對各類工業(yè)構(gòu)筑物、技術(shù)裝置及暖器工程等管網(wǎng)地表（地基）的允許和極限變形值，也參照前蘇聯(lián)等的規(guī)程作了相應(yīng)規(guī)定。 通常，若地面各項變形的預(yù)計結(jié)果均小于該建構(gòu)筑物保護等級所允許的最大變形值，則建構(gòu)筑物將不發(fā)生明顯的損害，或可以經(jīng)簡單處理而并不影響其正常使用。 (1)撫順西露天北幫地面變形嚴重地影響到相毗鄰工廠及市政設(shè)施的安全； (2)云南小龍?zhí)堵短斓V開采嚴重地影響到礦務(wù)局價值幾億元的辦公樓、家屬樓和礦區(qū)輔助性生產(chǎn)設(shè)施，且影響范圍達到2km左右； (3)河南義馬露天開采嚴重影響相毗鄰的隴海鐵路安全； 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計

8、：在人類活動集中區(qū)，95%以上的地質(zhì)災(zāi)害都與人為活動因素有關(guān)，而南方省份人為誘發(fā)滑坡和崩塌的主要因素有邊坡坡角開挖、礦產(chǎn)開發(fā)及修筑交通道路和水利水電工程等。 南方省份是我國工程災(zāi)害比較嚴重的省份之一。其大規(guī)模的南方省份是我國工程災(zāi)害比較嚴重的省份之一。其大規(guī)模的經(jīng)濟建設(shè)和工程經(jīng)濟建設(shè)和工程經(jīng)濟活動，對地質(zhì)環(huán)境破壞劇烈，引發(fā)了大經(jīng)濟活動，對地質(zhì)環(huán)境破壞劇烈，引發(fā)了大量的工程災(zāi)害，已日益成為多種地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因素。量的工程災(zāi)害，已日益成為多種地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因素。 （1）上海、北京、天津、蘇州等許多城市，由于大量抽取地下水，造成地面嚴重下沉，使其相鄰房屋傾斜、開裂或倒塌； （2）墨西哥市前后60年，

9、嚴重的年下沉達60cm，總下沉達9m，造成數(shù)以百計的教堂、大廈和地鐵隧道塌陷，地下管道斷裂； （3）波士頓，由于開挖高速公路，并大量抽取地下水，致使與其相鄰的一棟46層金融大廈下沉、傾斜。 (1)診斷的需要，包括驗證設(shè)計參數(shù)改進未來的設(shè)計；對新的施工技術(shù)優(yōu)越性進行評估和改進；對不安全跡象和險情的診斷并采取措施進行加固；驗證建筑物運行處于持續(xù)良好的正常狀態(tài)。 (2)預(yù)測的需要，運用長期積累的觀測資料掌握變化規(guī)律，對建筑物的未來性態(tài)作出及時有效的預(yù)報。 (3)法律的需要，對由于工程事故而引起的責(zé)任和賠償問題，觀測資料有助于確定其原因和責(zé)任，以便法庭作出公正判決。 (4)研究的需要，觀測資料是建筑物

10、工作性態(tài)的真實反映，為未來設(shè)計提供定量信息，可改進施工技術(shù)，利于設(shè)計概念的更新和對破壞機理的了解。1.巖土工程開挖引起地表移動與變形；2.構(gòu)（建）筑物都允許一定的沉降和變形；3.地表移動和變形量可以預(yù)計；4 .安全監(jiān)測是保障。地鐵目前我國對地鐵施工引起的地面沉降允許值往往由專家們根據(jù)經(jīng)驗而定。 例如：北京地鐵施工規(guī)定地面任意點的下沉量均不得超過30mm；深圳地鐵施工規(guī)定地面任意點的下沉量均不得超過3040mm，地面附加傾斜不得超過1/300； 上海地鐵總公司按上海軟土層深基坑工程經(jīng)驗資料，根據(jù)周圍環(huán)境要求，提出深基坑工程的變形控制標準分為四個保護等級，如表。 一般在建筑密集市區(qū)基坑工程施工選擇

11、一級、二級保護標準，在緊靠地鐵的特殊地段選擇特級保護標準，具體選擇何種標準進行設(shè)計要遵循安全、經(jīng)濟的原則，并根據(jù)對環(huán)境的具體分析，可考慮對建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)施、地下管線采取直接保護措施，而適當(dāng)降低基坑的保護要求。有的有規(guī)程，有的有經(jīng)驗，更多的靠積累。 工程開挖不可避免地引起地表移動和變形。然而，地表構(gòu)（建）筑物都允許有微小的沉降和變形而不影響其正常使用和造成損害，根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗，最為敏感的構(gòu)（建）筑物所能承受的最大地表傾斜為2.5mm/m，最大水平拉伸應(yīng)變?yōu)?.5mm/m。若地表變形小于上述極限值，則構(gòu)（建）筑物可安全使用而不會發(fā)行可見的損害。而對于少量建筑物所在地表的沉降可能不均勻而地面變

12、形超過該建筑物的允許最大變形值，則可根據(jù)地面變形大小、性質(zhì)，以及其結(jié)構(gòu)特點，來設(shè)計建筑加固措施。 因此，要求能較準確地預(yù)計各種不同的開挖所引起的巖土體及地表面的沉降和變形的數(shù)值及其分布規(guī)律。如圖所示，在直角坐標系中，代表不同水平面上的巖層。當(dāng)開采在水平進行時，水平的下沉曲線為，這一下沉可導(dǎo)致其上部水平分別以一定的概率發(fā)生的下沉量故可認為是某個特定數(shù)學(xué)運算作用于函數(shù)的結(jié)果，其表達式為：Z=Z3Z=Z2Z=Z1W=W(Z3,)W=W(Z2,)W=W(Z1，x)xW=W(Z2,)圖1 開采影響傳播示意圖 通常，建（構(gòu)）筑物建造在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖土特性不均勻的地基上，在各種力的作用和自然因素的影響下，其工作性態(tài)和安全狀況隨時都在變化，如果出現(xiàn)異常而不被及時掌握，任其險情發(fā)展，則其后果不堪設(shè)想。 通過對正在開挖或待開挖工程地表的移動與變形預(yù)計，可達到對保護對象采取預(yù)加固或其他預(yù)處理措施，以保證被保護對象的安全運營； 通過對已開挖地表的移動與變形的預(yù)計，可以獲取地表已發(fā)生的和尚余的移動與變形量發(fā)生的時空規(guī)律，從而確定資源環(huán)境的可持續(xù)利用形式； 而通過對地表及其近鄰建(構(gòu))筑物的安全監(jiān)測，可以驗證地表的移動與變形的時空規(guī)律、判斷預(yù)計結(jié)果的可靠性，并掌握其近鄰建(構(gòu))筑物的變