變形測(cè)量-第六章開(kāi)采沉陷及其觀測(cè)

1、 礦山有用礦物被采出后，開(kāi)采區(qū)域周?chē)膸r體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力會(huì)重新分布，關(guān)達(dá)到新的平衡。在此過(guò)程中，使巖層和地表產(chǎn)生連續(xù)的移動(dòng)、變形和非連續(xù)的破壞(開(kāi)裂、冒落等)，這種現(xiàn)象稱為開(kāi)采沉陷(Mining subsidence)。 開(kāi)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(duì)象受到損害。 開(kāi)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(dòng)參數(shù)的確定：(1)根據(jù)礦山地表移動(dòng)實(shí)測(cè)資料獲??；(2)類比法。 通常，按所采用方法的基礎(chǔ)，地表移動(dòng)預(yù)計(jì)方法可分為： （1）基于實(shí)測(cè)資料的經(jīng)驗(yàn)方法：即通過(guò)對(duì)大量開(kāi)采

2、沉陷實(shí)測(cè)資料的數(shù)據(jù)處理，確定預(yù)計(jì)各種移動(dòng)變形值的函數(shù)形式和預(yù)計(jì)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，這種方法是當(dāng)前最為可靠的一種預(yù)計(jì)方法。 （2）理論模擬方法：把巖體抽象為某個(gè)理論模型，按照這個(gè)模型計(jì)算受開(kāi)采影響巖體產(chǎn)生的移動(dòng)、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(kāi)采對(duì)巖層或地表的影響（以影響函數(shù)表示），把整個(gè)開(kāi)采對(duì)巖層或地表的影響看著是采區(qū)內(nèi)所有微小單元開(kāi)采的總和，據(jù)此計(jì)算整個(gè)開(kāi)采引起的巖層和地表的移動(dòng)和變形。此法所用參數(shù)常常根據(jù)實(shí)測(cè)資料求得。 在我國(guó)，煤礦地表移動(dòng)規(guī)律的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，建立了以概率積分法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、典型曲線法為基礎(chǔ)的地表變形預(yù)計(jì)方法體系，以及適合我

3、國(guó)實(shí)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(dòng)變形預(yù)計(jì)法、三維層狀介質(zhì)理論預(yù)計(jì)法和基于托板理論的條帶開(kāi)采預(yù)計(jì)法等等。其中以概率積分法的應(yīng)用尤為廣泛，極大地推動(dòng)了“三下開(kāi)采”事業(yè)的發(fā)展，使我國(guó)在該領(lǐng)域進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)之列。1.2 允許變形值的確定 若地面各項(xiàng)變形的預(yù)計(jì)結(jié)果均大于或部分大于該建構(gòu)筑物保護(hù)等級(jí)所允許的最大變形值，又不擬采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)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(hù)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(guó)對(duì)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(yàn)而定。例如，北京地鐵施工規(guī)定地面任意點(diǎn)的下沉量均不得超過(guò)30mm；深圳地鐵施工規(guī)定地面任意點(diǎn)的下沉量均不得超過(guò)3040mm，地面附加傾斜不得超過(guò)1/300；上海地鐵總公司按上海軟土層深基坑工程經(jīng)驗(yàn)資料，根據(jù)周?chē)h(huán)境要求，提出深基坑工程的變形控制標(biāo)準(zhǔn)分為四個(gè)保護(hù)等級(jí)。一般在建筑密集市區(qū)基坑工程施工選擇一級(jí)、二級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，在緊靠地鐵的特殊地段選擇特級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，具體選擇何種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)要遵循安全、經(jīng)濟(jì)的原則，并根據(jù)對(duì)環(huán)境的具體分析，可考慮對(duì)建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)施、地下管線采取直接保護(hù)措施，而適當(dāng)降低基坑的保護(hù)要求。 然而，由于一般建構(gòu)筑物對(duì)地面均勻沉降并不敏感，應(yīng)該根據(jù)被保護(hù)

5、對(duì)象的保護(hù)等級(jí)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(xiàn)認(rèn)為，只用沉降量作為保護(hù)地面的唯一指標(biāo)，往往會(huì)要求過(guò)嚴(yán)，從而造成施工困難，造價(jià)提高，或者達(dá)不到保護(hù)地表的要求。1作為建筑物的保護(hù)等級(jí) 級(jí)：最重要的建筑物，其損害可能帶來(lái)嚴(yán)重的后果； 級(jí)：一般性的工廠、水塔、火車(chē)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(jí)：不大的住宅、二等鐵路、較小的河床、不大的水池或蓄水池； 級(jí)：錨固的磚結(jié)構(gòu)房屋、不太重要的金屬結(jié)構(gòu)物，無(wú)客運(yùn)的次級(jí)鐵路、公路等。2作為建筑物的損害程度的分級(jí) 級(jí)：損害很小，如不礙事的磚墻裂紋； 級(jí)：容易修復(fù)的損害； 級(jí)：嚴(yán)重

6、的開(kāi)采損害，但不致使建筑物有毀壞或中斷使用的危險(xiǎn)； 級(jí)：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(jí)：可靠的地表，不需對(duì)建筑物設(shè)防； 級(jí)：在此地表上，并不需要對(duì)所有的建筑物都進(jìn)行局部保護(hù)，可能會(huì)出現(xiàn)易于修復(fù)的損害； 級(jí)：要對(duì)建筑物進(jìn)行局部保護(hù)； 級(jí)：需要對(duì)采動(dòng)對(duì)象進(jìn)行大量加固的地表。 目前，我國(guó)尚無(wú)完整的建構(gòu)筑物保護(hù)等級(jí)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(guó)最早的地下采礦地表建構(gòu)筑物及其他地表保護(hù)對(duì)象保護(hù)等級(jí)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(kāi)采規(guī)程，按建筑物和構(gòu)筑物的重要性、用途及受開(kāi)采影響引起的不同后果，將保護(hù)等級(jí)分

7、為四級(jí)。 我國(guó)還對(duì)長(zhǎng)度或變形區(qū)段小于20m的磚石結(jié)構(gòu)建筑物破壞等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)作了統(tǒng)一的規(guī)定。對(duì)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(xiàng)變形的預(yù)計(jì)結(jié)果均小于該建構(gòu)筑物保護(hù)等級(jí)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(jiǎn)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(yán)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(kāi)采嚴(yán)重地影響到礦務(wù)局價(jià)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(dá)到2km左右； (3)河南義馬露天開(kāi)采嚴(yán)重影響相毗鄰的隴海鐵路安全； 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)

8、：在人類活動(dòng)集中區(qū)，95%以上的地質(zhì)災(zāi)害都與人為活動(dòng)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(kāi)挖、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)及修筑交通道路和水利水電工程等。 南方省份是我國(guó)工程災(zāi)害比較嚴(yán)重的省份之一。其大規(guī)模的南方省份是我國(guó)工程災(zāi)害比較嚴(yán)重的省份之一。其大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和工程經(jīng)濟(jì)建設(shè)和工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，對(duì)地質(zhì)環(huán)境破壞劇烈，引發(fā)了大經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，對(duì)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(yán)重下沉，使其相鄰房屋傾斜、開(kāi)裂或倒塌； （2）墨西哥市前后60年，

9、嚴(yán)重的年下沉達(dá)60cm，總下沉達(dá)9m，造成數(shù)以百計(jì)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(kāi)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(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)改進(jìn)未來(lái)的設(shè)計(jì)；對(duì)新的施工技術(shù)優(yōu)越性進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)；對(duì)不安全跡象和險(xiǎn)情的診斷并采取措施進(jìn)行加固；驗(yàn)證建筑物運(yùn)行處于持續(xù)良好的正常狀態(tài)。 (2)預(yù)測(cè)的需要，運(yùn)用長(zhǎng)期積累的觀測(cè)資料掌握變化規(guī)律，對(duì)建筑物的未來(lái)性態(tài)作出及時(shí)有效的預(yù)報(bào)。 (3)法律的需要，對(duì)由于工程事故而引起的責(zé)任和賠償問(wèn)題，觀測(cè)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(cè)資料是建筑物

10、工作性態(tài)的真實(shí)反映，為未來(lái)設(shè)計(jì)提供定量信息，可改進(jìn)施工技術(shù)，利于設(shè)計(jì)概念的更新和對(duì)破壞機(jī)理的了解。1.巖土工程開(kāi)挖引起地表移動(dòng)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(dòng)和變形量可以預(yù)計(jì)；4 .安全監(jiān)測(cè)是保障。地鐵目前我國(guó)對(duì)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(yàn)而定。 例如：北京地鐵施工規(guī)定地面任意點(diǎn)的下沉量均不得超過(guò)30mm；深圳地鐵施工規(guī)定地面任意點(diǎn)的下沉量均不得超過(guò)3040mm，地面附加傾斜不得超過(guò)1/300； 上海地鐵總公司按上海軟土層深基坑工程經(jīng)驗(yàn)資料，根據(jù)周?chē)h(huán)境要求，提出深基坑工程的變形控制標(biāo)準(zhǔn)分為四個(gè)保護(hù)等級(jí)，如表。 一般在建筑密集市區(qū)基坑工程施工選擇

11、一級(jí)、二級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，在緊靠地鐵的特殊地段選擇特級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，具體選擇何種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)要遵循安全、經(jīng)濟(jì)的原則，并根據(jù)對(duì)環(huán)境的具體分析，可考慮對(duì)建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)施、地下管線采取直接保護(hù)措施，而適當(dāng)降低基坑的保護(hù)要求。有的有規(guī)程，有的有經(jīng)驗(yàn)，更多的靠積累。 工程開(kāi)挖不可避免地引起地表移動(dòng)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(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，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(huì)發(fā)行可見(jiàn)的損害。而對(duì)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(guò)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(diǎn)，來(lái)設(shè)計(jì)建筑加固措施。 因此，要求能較準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)各種不同的開(kāi)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(biāo)系中，代表不同水平面上的巖層。當(dāng)開(kāi)采在水平進(jìn)行時(shí)，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(rèn)為是某個(gè)特定數(shù)學(xué)運(yùn)算作用于函數(shù)的結(jié)果，其表達(dá)式為：Z=Z3Z=Z2Z=Z1W=W(Z3,)W=W(Z2,)W=W(Z1，x)xW=W(Z2,)圖1 開(kāi)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(shí)都在變化，如果出現(xiàn)異常而不被及時(shí)掌握，任其險(xiǎn)情發(fā)展，則其后果不堪設(shè)想。 通過(guò)對(duì)正在開(kāi)挖或待開(kāi)挖工程地表的移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)，可達(dá)到對(duì)保護(hù)對(duì)象采取預(yù)加固或其他預(yù)處理措施，以保證被保護(hù)對(duì)象的安全運(yùn)營(yíng)； 通過(guò)對(duì)已開(kāi)挖地表的移動(dòng)與變形的預(yù)計(jì)，可以獲取地表已發(fā)生的和尚余的移動(dòng)與變形量發(fā)生的時(shí)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(guò)對(duì)地表及其近鄰建(構(gòu))筑物的安全監(jiān)測(cè)，可以驗(yàn)證地表的移動(dòng)與變形的時(shí)空規(guī)律、判斷預(yù)計(jì)結(jié)果的可靠性，并掌握其近鄰建(構(gòu))筑物的變