专利名称：地面沉降控制施工方法
技术领域：
本发明涉及的是一种建筑施工技术领域的方法，具体是一种结构性地层中地下流体开采时地面沉降控制施工方法。
背景技术：
地面沉降是一种由于地震，地下流体资源开采等自然或人为原因改变地层中的应力状态而导致的大范围的地质灾害。地面沉降可能造成地面塌陷、道路不平、地下管道折断，建筑物不均匀沉降，海水倒灌等危害，因此必须采取措施以控制地面沉降。目前国内外控制地下流体开采引起地面沉降的技术措施主要包括减小开采量，增加回灌量以及调整开采层次。这些措施虽然在一定程度上起到了缓解地面沉降的作用，但是盲目性较大，难以事先定量。在控制地面沉降的过程中，一些城市出现了短期突沉或回灌失效的现象。所谓短期突沉现象是指在某地下流体开采区域，地面沉降以每年几乎相等的速率下沉，但某一时间突然有多于以往数倍的沉降发生，而这时地下流体的开采量并没有显著增加，也没有发现地震等地质灾害发生。所谓回灌失效是指回灌注水不仅不能减轻沉降的发生，反而使沉降在短期内大幅度增大。发生上述现象的主要原因是由于天然沉积岩土的结构性所致。
已有研究成果表明，绝大多数天然沉积岩土都具有结构性。Hong等在《GeotechnicalEngineering，Proceeding of ICE》(2007，Vol.160，No.3pp.153-159)上发表的“Lossof soil structure for natural sedimentary clays(天然沉积黏土的结构性丧失)”表明，对于天然沉积结构性土，在固结应力小于屈服应力时，岩土的压缩性能非常小，当固结至屈服应力后，其压缩性显著增大。这时会发生岩土的结构性丧失，而且结构性丧失是不可逆的。在结构性岩土层中开采地下流体资源时，有两种可能情况会使岩土的结构性发生破坏，其一为过量开采，其二为地下流体的回灌压入。过量的开采，使地下储藏层中流体的压力水头下降量过大，并使有效应力的增加超过屈服应力，从而导致作用于岩土层上的固结压力超过其屈服应力，造成岩土的结构性破坏，从而产生突沉现象。因此，控制地下水位的降深是地面沉降控制且不发生结构性丧失的关键所在。
经过对现有技术文献检索发现，沈水龙等提供了一种根据年地面沉降量与抽水量确定地下水可开采量的方法(ZL200510110425.9)，方法确定了年地面沉降量与年地下流体开采量的相关关系，并结合了土体固结试验中的孔隙比变化与固结压力的关系，提出了控制年地下水开采量的方法，但是该方法需要收集大量的实测数据，如果没有数十年以上的地面沉降量与开采量的实测数据根本无法预测，因此在缺乏实测数据的沉降地区适用性较差。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种地面沉降控制施工方法，通过地质调查的方法确定地层的结构性性状，控制地下水位使其不致于降到临界水位以下，由此控制地下流体的开采量并及时调整开采及回灌的时间，从而有效地控制地面沉降。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤 第一步，检测待施工地面沉降区的水文地质工程地质条件 1.1)采用现场钻孔取土的方法划分待施工地面沉降区的土层，通过对各沉降区钻孔后取出土的观察及试验确定地面标高及各土层的底板标高，记录汇总并制成沉降区标高图。
1.2)结合常规测井和流体测井的方法判断地下水类型，划分待施工地面沉降区的含水层及隔水层。
1.3)采用薄壁取土器获取待施工地面沉降区的天然原状土的试样，通过室内试验制得整理成土工试验成果总表。
所述的室内试验包括固结试验、剪切试验和密度试验，其中 所述的固结试验是指确定土体各级固结压力P作用下土样压缩至稳定的孔隙比e的变化，绘制土体的ln(1+e)lgP曲线。采用三轴仪测定土体的静止侧压系数K0。
所述的剪切试验是指通过不固结不排水剪切试验确定土体的黏聚力c； 所述的密度试验是指通过环刀法等密度试验方法测得各土层的湿密度ρ，并计算相应的重度γ； 第二步，根据双对数法确定待施工地面沉降区的各土层的屈服应力以及对应于屈服应力的临界水位； 所述的双对数法是指 Pc′＝ln(1+e)-lgP， 其中P是指固结压力，土层的压缩曲线用双直线表示，对应于双直线交叉点的应力即为屈服应力Pc′； 所述的临界水位满足以下公式 其中P′ci第i层土的屈服应力、γj为第j层土的重度、hci为第i层土的临界水位、Zj为第j层土层底板标高、Z0为地面标高、γw水的重度。
第三步，在待施工地面沉降区内设置若干监测网点进行水位监测，根据监测到的水位调整地下流体的开采和回灌； 所述的监测网点是指按地面沉降监测技术要求(DD2006-02)和地下水动态监测规程(DZ/T0133-1994)设置，位于待施工地面沉降区内各个不同程度开采地下水的含水层位置，进行地下水位动态监测并记录各含水层每个监测时刻的水位。
所述的监测网点的水位监测孔包括勘探钻孔、地下水监测孔和多级完整监测井。
所述的监测网点的监测频率为每5天监测一次。
所述的调整地下流体的开采和回灌是指比较监测时刻的即时水位与临界水位 当即时水位＜临界水位时，不调整地下流体的开采量； 当即时水位≥临界水位时，停止相应含水层的开采并对该含水层进行回灌。
所述的回灌包括以下步骤 3.1)确定回灌压入时各土层的劈裂压力 Pf＝σh+c， 其中σh为土层的最小主应力，c为土层的黏聚力。
3.2)确定土层最小主应力 σh＝K0γz， 其中K0为土层的静止侧压系数，γ为土的容重，z为计算点的深度。
3.3)停止含水层的开采，将已有的单一抽水井改造为采灌两用井，然后采用深井水泵加压回灌，控制回灌压力大小使其小于3.1)中确定的相应土层的劈裂压力。
所述的采灌两用井包括泵管系统、出水系统和进水系统，其中泵管系统包括压力表、控制阀门、井管和泵管，压力表安装在泵管上以监测回灌压力；出水系统包括出水水表、出水阀门和出水管道，出水水表用来测定开采水量；进水系统包括进水阀门、进水水表和进水管道，进水水表用来测定回灌水量。
本发明在实际应用中，避免了实测数据收集的困难。传统的e-lgP曲线的最大曲率点难以确定，采用Casagrande方法确定屈服应力容易失真，本发明采用ln(1+e)-lgP双对数法确定天然沉积土的屈服应力。回灌注水时由于控制了回灌压力，避免了回灌压力过大导致岩土产生劈裂现象而结构性破坏。由于天然沉积产生的岩土都带有一定的结构性，所以本发明无论从社会效益、经济效益、还是技术效益上来说，都具有很大的应用价值。本发明适用于结构性岩土地区地下流体开采引起地面沉降的控制问题。
图1为孔隙比与固结压力的关系曲线图。
图2为结构性地层沉降经时曲线图。
图3为采灌两用井管路系统示意图。
图中压力表1、控制阀门2、井管3、泵管4、出水水表5、出水阀门6、出水管道7、进水阀门8、进水水表9、进水管道10。
具体实施例方式 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
某天然水溶性天然气田，水溶性天然气储存于地下500～3500m深的含水层中，含水层由胶结良好的沉积砂岩与泥岩交互构成。在天然气的开采中有300m以上的地下水头变化，有效应力变化高达3MPa，岩层的屈服应力为1～3MPa。在地下水溶性天然气的开采中，曾经为减小沉降的发生采用过地下水回灌的措施，但是回灌不仅没有起到减缓沉降的作用，反而使沉降在短期内有所增加。
第一步，查明某地面沉降区的水文地质工程地质条件。
①采用现场钻孔取土的方法划分土层，地表标高为20m，基岩上土层共划分为11层，表层1为冲积层，其下的2～9层为第四纪沉积层，10～11层为第三纪沉积物，其土质为透水的砂岩与难透水的粉性土质泥岩交互构成。各土层底板标高为0、-75、-150、-750、-900、-1050、-1500、-1650、-2500、-2750、-3000m。
②结合常规测井和流体测井的方法判断地下水类型，划分含水层与隔水层。1，2层的地下水为淡水，3、10、11层为含盐量低的盐水，4～9层为含盐量高且含有可溶性天然气的盐水。初始水位标高为0m。
③用薄壁取土器在钻孔中取天然原状土的试样进行土工室内试验。通过固结试验，确定土体各级固结压力P作用下土样压缩至稳定的孔隙比e的变化，绘制土体的ln(1+e)-lgP曲线。采用三轴仪测定土层的静止土压力系数K0分别为0.53、0.38、0.38、0.45、0.36、0.45、0.43、0.45、0.43、0.38、0.43，通过三轴压缩试验确定各土层的黏聚力c分别为20、15、15、15、15、15、15、15、15、15、15kPa。通过环刀法密度试验方法测得各土层的湿密度，并计算相应的重度？分别为15.3、16.3、17.5、17.4、18.4、18.1、18.5、17.6、18.8、19.7、19.7kN/m3。
如图1所示，第二步，根据ln(1+e)-lgP双对数法确定各土层的屈服应力PC。土层的压缩曲线用双直线表示，CCLB为土样屈服前双对数压缩指数，CCLA为土样屈服后双对数压缩指数。对应于双直线交叉点的应力即为屈服应力各土层屈服应力Pc′分别为4293、4223、5908、9005、10005、12120、15008、16805、25012、26314、28533kPa。
第三步，确定各土层对应于屈服应力的临界水位hc。按有效应力的定义确定各土层对应于屈服应力的临界水位hc分别为-398.7、-344.5、-456.7、-322.4、-296.4、-386.4、-292.7、-358.4、-431.1、-318.8、-298.2m。
第四步，在沉降区内不同程度开采利用地下水的范围内布设监测网点，对地下水及主要开采层进行地下水位动态长期监测，并记录各含水层每个监测时刻的水位。按地面沉降监测技术要求(DD2006-02)和地下水动态监测规程(DZ/T0133-1994)布设地下水监测网并监测地下水位。水位监测孔尽量利用已有的勘探钻孔和地下水监测孔，并采用多级完整监测井。每5天监测一次，丰水期或水位急骤变化期增加监测频率。
如图2所示，第五步，根据水位的大小调整地下流体的开采和回灌。比较各个监测时刻t各土层相应的水位hi与第三步中确定的临界水位hc的大小。hi＜hc时为沉降缓慢阶段，不调整地下流体的开采量和开采层；hi≥hc时沉降急剧增加，此时须停止相应含水层的开采，并采取对该含水层回灌的措施。回灌的具体实施步骤如下 ①确定回灌压入时各土层的劈裂压力Pf分别为181.4、313.7、531.1、2684.0、2594.4、3824.7、5294.6、6113.0、9055.6、8927.2、11166.4kPa。
②调查沉降区内现存的抽水井，将已有的单一抽水井改造为采灌两用井。采灌两用井构造如图3所示，采灌两用井由泵管系统、出水系统和进水系统三部分构成。
③回灌前关闸停泵，然后关闭控制阀门2和出水阀门6，停止含水层的开采。
④开足进水阀门8，缓慢打开控制阀门2，采用深井水泵加压使回灌水通过进水水管10进入泵管4，通过压力表1测定回灌压力，控制回灌压力大小小于①中确定的相应土层的劈裂压力Pf，回灌水量由进水水表9确定。
上述天然水溶性天然气田地层深地下压力大，大规模的回灌压入不太经济。采用本实施例方法后，由于及时控制地下流体的开采量，减小了回灌压入量，而且在回灌时控制了回灌压力，避免了回灌失效的现象，因而有效地减小了地面沉降量。
权利要求
1.一种地面沉降控制施工方法，其特征在于，包括以下步骤
第一步，检测待施工地面沉降区的水文地质工程地质条件；
第二步，根据双对数法确定待施工地面沉降区的各土层的屈服应力以及对应于屈服应力的临界水位；
第三步，在待施工地面沉降区内设置若干监测网点进行水位监测，比较监测时刻的即时水位与临界水位
当即时水位＜临界水位时，不调整地下流体的开采量；
当即时水位≥临界水位时，停止相应含水层的开采并对该含水层进行回灌。
2.根据权利要求1所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，所述的第一步具体包括以下步骤
1.1)采用现场钻孔取土的方法划分待施工地面沉降区的土层，通过对各沉降区钻孔后取出土的观察及试验确定地面标高及各土层的底板标高，记录汇总并制成沉降区标高1.2)结合常规测井和流体测井的方法判断地下水类型，划分待施工地面沉降区的含水层及隔水层；
1.3)采用薄壁取土器获取待施工地面沉降区的天然原状土的试样，通过室内试验制得整理成土工试验成果总表。
3.根据权利要求2所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，所述的室内试验包括固结试验、剪切试验和密度试验。
4.根据权利要求1所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，第二步中所述的双对数法是指
Pc′＝ln(1+e)-lgP，
其中P是指固结压力，土层的压缩曲线用双直线表示，对应于双直线交叉点的应力即为屈服应力Pc′。
5.根据权利要求1所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，第二步中所述的临界水位满足以下公式
其中P′ci第i层土的屈服应力、γj为第j层土的重度、hci为第i层土的临界水位、Zj为第j层土层底板标高、Z0为地面标高、γw水的重度。
6.根据权利要求1所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，第三步中所述的监测网点是指按地面沉降监测技术要求和地下水动态监测规程设置，位于待施工地面沉降区内各个不同程度开采地下水的含水层位置，进行地下水位动态监测并记录各含水层每个监测时刻的水位。
7.根据权利要求6所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，第二步中所述的监测网点的水位监测孔包括勘探钻孔、地下水监测孔和多级完整监测井。
8.根据权利要求1所述的地面沉降控制施工方法，其特征是，第三步中所述的回灌包括以下步骤
3.1)确定回灌压入时各土层的劈裂压力
Pf＝σh+c，
其中σh为土层的最小主应力，c为土层的黏聚力；
3.2)确定土层最小主应力
σh＝K0γz，
其中K0为土层的静止侧压系数，γ为土的容重，z为计算点的深度；
3.3)停止含水层的开采，将已有的单一抽水井改造为采灌两用井，然后采用深井水泵加压回灌，控制回灌压力大小使其小于3.1)中确定的相应土层的劈裂压力。
全文摘要
一种建筑施工技术领域的地面沉降控制施工方法，包括检测待施工地面沉降区的水文地质工程地质条件；根据双对数法确定待施工地面沉降区的各土层的屈服应力以及对应于屈服应力的临界水位；在待施工地面沉降区内设置若干监测网点进行水位监测，根据监测到的水位调整地下流体的开采和回灌。本发明通过地质调查的方法确定地层的结构性状，控制地下水位使其不致于降到临界水位以下，由此控制地下流体的开采量并及时调整开采及回灌的时间，从而有效地控制地面沉降。
文档编号E02D3/00GK101713185SQ200910310460
公开日2010年5月26日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者许烨霜, 沈水龙, 马磊 申请人:上海交通大学