陳阜超,紀(jì) 靜,塔 拉,王太松,韓 勇

(1.中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071;2.中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心,天津 300180;3.天津市地震局,天津 300201)

京津水準(zhǔn)復(fù)測(cè)與垂直形變特征

陳阜超1,2,紀(jì) 靜3,塔 拉2,王太松2,韓 勇2

(1.中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071;2.中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心,天津 300180;3.天津市地震局,天津 300201)

利用京津城際鐵路水準(zhǔn)測(cè)量資料,繪制了京津地區(qū)垂直形變圖,發(fā)現(xiàn)京津城際鐵路水準(zhǔn)復(fù)測(cè)結(jié)果同樣也出現(xiàn)了與首都圈地區(qū)同期水準(zhǔn)測(cè)量相一致的“南升北降”垂直形變異常現(xiàn)象。分析認(rèn)為應(yīng)加強(qiáng)首都圈乃至華北地區(qū)的形變監(jiān)測(cè),為判定形變發(fā)展趨勢(shì)提供依據(jù)。

城際鐵路;高程控制;水準(zhǔn)復(fù)測(cè);垂直形變

0 引言

京津城際列車于北京奧運(yùn)會(huì)前的2008年6月8日開始試運(yùn)營(yíng),鐵路全長(zhǎng)118.3km,最高時(shí)速達(dá)到了394.3km,從而實(shí)現(xiàn)了北京與天津“同城化”的“半小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈”目標(biāo),極大地縮短了京津兩個(gè)城市之間的時(shí)空距離。

京津城際鐵路沿線地貌是由北京的沖洪積緩傾斜平原過渡到天津海陸交互堆積的沖積海積平原,鐵路沿線地基基本為軟土、松軟土。這類土具有含水量高、壓縮性高、透水性差、強(qiáng)度低的特點(diǎn),天津地段的基巖埋深在1000m以下,工程地質(zhì)條件較差。為確保京津城際鐵路能夠安全運(yùn)營(yíng),對(duì)鐵路進(jìn)行了諸多方面的測(cè)試和監(jiān)測(cè),其中,路基沉降監(jiān)測(cè)是高速鐵路建設(shè)和運(yùn)行中的重要內(nèi)容之一。

京津城際鐵路測(cè)量控制網(wǎng)由平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)組成,其中高程控制網(wǎng)水準(zhǔn)測(cè)量是監(jiān)測(cè)地面沉降引起鐵路路基和軌道垂直變形的重要手段,為及時(shí)調(diào)整鐵軌,確保鐵軌平直提供了萬無一失的監(jiān)測(cè)保證。由于它與區(qū)域垂直形變監(jiān)測(cè)方法一樣,所以本文利用該測(cè)量數(shù)據(jù),應(yīng)用垂直形變分析方法,對(duì)比首都圈區(qū)域垂直形變趨勢(shì)和變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)京津城際鐵路水準(zhǔn)復(fù)測(cè)結(jié)果同樣也出現(xiàn)了與首都圈地區(qū)同期水準(zhǔn)測(cè)量相一致的“南升北降”垂直形變異常特征[1]。異常變化時(shí)間都出現(xiàn)在2007年下半年至2008年上半年,從而進(jìn)一步證實(shí)了這一時(shí)期垂直形變異常的存在,對(duì)于深入認(rèn)識(shí)首都圈地區(qū)的垂直形變背景和加強(qiáng)震情監(jiān)視工作有著重要的意義。

1 水準(zhǔn)測(cè)量與數(shù)據(jù)整理

京津城際鐵路高程控制網(wǎng)水準(zhǔn)路線沿京津城際鐵路東側(cè)附近布設(shè)(圖 1)。水準(zhǔn)路線從北京的J Y01基巖水準(zhǔn)點(diǎn)開始,至天津的J Y02基巖水準(zhǔn)點(diǎn)終止,水準(zhǔn)測(cè)量路線長(zhǎng)度約為300km。其間埋設(shè)27座深埋水準(zhǔn)點(diǎn)(SBM1至 SBM27),埋深為60～80m,基本與橋墩基礎(chǔ)的埋深一致。J Y01基巖水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)深度為127.00m,J Y02基巖水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)深度為811.86m,其基礎(chǔ)都與基巖相接,可以認(rèn)為這兩個(gè)基巖水準(zhǔn)點(diǎn)基礎(chǔ)是堅(jiān)固穩(wěn)定的,不會(huì)因?yàn)槌槿\表地下水引起這兩個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)的高程變化。水準(zhǔn)測(cè)量使用DINI12電子水準(zhǔn)儀和與之配套的條碼因瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺,儀器精度滿足一等精密水準(zhǔn)測(cè)量要求。自2007年3月開始第1期水準(zhǔn)測(cè)量,以后各期的水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)間為2007年7月、2008年1月、2008年7月、2008年8月、2009年 3月和 2009年 7月,本文應(yīng)用到了7期京津城際鐵路水準(zhǔn)復(fù)測(cè)成果,第1期2007年3月是按一等精密水準(zhǔn)測(cè)量精度施測(cè)的,其它各期均為二等精密水準(zhǔn)測(cè)量精度施測(cè)。

圖1 京津城際鐵路示意圖(紅線為城際鐵路)

工程項(xiàng)目要求的水準(zhǔn)測(cè)量成果主要是橋墩和軌道面的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果,因此,為了進(jìn)行區(qū)域垂直形變分析,在整理工程項(xiàng)目水準(zhǔn)測(cè)量成果的基礎(chǔ)上,又特別整理了深埋水準(zhǔn)點(diǎn)各期水準(zhǔn)測(cè)量的高差成果,測(cè)算了各期的水準(zhǔn)測(cè)段距離與距離累積,并計(jì)算了各期之間的高差變化量和累積量,編制了各期高差變化表。在此基礎(chǔ)上,繪制了各期高差變化圖,以此作為分析垂直形變的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為了較少占用篇幅,在能夠說明問題的基礎(chǔ)上,繪制了下列6幅高差變化圖。

圖2 2007年3—7月高差變化圖

圖3 2007年3月—2008年1月高差變化圖

圖4 2007年3月—2008年8月高差變化圖

圖5 2007年3月—2009年3月高差變化圖

圖6 2007年3月—2009年7月高差變化圖

圖7 2009年3—7月高差變化圖

2 垂直形變特征分析

2.1 城際鐵路水準(zhǔn)復(fù)測(cè)

由各期的高差變化圖可以明顯看出,在各圖中均顯示出了兩個(gè)大的地面沉降漏斗區(qū)。一個(gè)是SBM04深水準(zhǔn)埋點(diǎn)(北京亦莊附近),另一個(gè)是SBM24(天津北辰區(qū)外環(huán)線外側(cè))。圖6顯示,自2007年3月至2009年7月期間兩個(gè)漏斗區(qū)最大沉降量(相對(duì)于北京J Y01)分別為:北京亦莊地區(qū)113.55mm,年下沉速率為48.7mm/a,天津北部外環(huán)線地區(qū)118.09mm,年下沉速率為50.6mm/a。如果以天津的J Y02為起算,其武清區(qū)至外環(huán)線地區(qū)的下沉量為79.05mm,年下沉速率為33.9mm/a。這個(gè)結(jié)果的平均值42.2mm/a與天津北辰區(qū)的平均沉降速率42.0mm/a(表2)是極為相近的,也與以往對(duì)該區(qū)域的地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果和認(rèn)識(shí)一致。

各期相對(duì)于第1期(2007年3月)的高差變化(圖2至圖6),圖7是2009年內(nèi)兩期的高差變化。圖2和圖3顯示了這一時(shí)段以上升為主,且量值均較大;而圖4和圖5總體則以微變化為特征,除沉降漏斗區(qū)外,變化量不大;圖6和圖7總體顯示的是下降趨勢(shì),而且各水準(zhǔn)測(cè)段呈現(xiàn)出一致的下降趨勢(shì)。

在這里需要特別說明2008年7月初施測(cè)的水準(zhǔn)測(cè)量成果,由于與2007年3月以及以后幾期施測(cè)的水準(zhǔn)測(cè)量成果有明顯的差別(附合水準(zhǔn)路線閉合差超出二等水準(zhǔn)測(cè)量限差4× 300km≈70mm的規(guī)定)。為此,為了檢查水準(zhǔn)測(cè)量中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤和系統(tǒng)誤差積累,對(duì)一些變化大的水準(zhǔn)測(cè)段進(jìn)行了重測(cè),個(gè)別測(cè)段還進(jìn)行了反復(fù)多次測(cè)量,結(jié)果表明,7月初的水準(zhǔn)測(cè)量自己相比較,其高差的變化不大,只是與以前的水準(zhǔn)測(cè)量成果相差很大。作為城鐵工程監(jiān)測(cè)的需要,2008年8月重新進(jìn)行了1期水準(zhǔn)測(cè)量,時(shí)隔1個(gè)月的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果有非常明顯的變化,兩期的水準(zhǔn)路線高差閉合差相差達(dá)到了-89.31mm,超出二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)定的限差約20mm。而2008年7月這一期所謂“超限”的水準(zhǔn)測(cè)量成果,其本身的水準(zhǔn)測(cè)量過程和測(cè)量成果都符合水準(zhǔn)測(cè)量要求。同時(shí),用往返測(cè)計(jì)算得到的測(cè)量精度與其它各期的測(cè)量精度無明顯差別,可以說明2008年7月的水準(zhǔn)測(cè)量成果本身是符合二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)定并滿足所有測(cè)量要求的,因此在垂直形變分析時(shí)進(jìn)行了分析和對(duì)比,與2008年4月和8月的北京至安平水準(zhǔn)測(cè)量路線的兩次水準(zhǔn)復(fù)測(cè)有著非常相似的變化趨勢(shì)[1-2,4]。

表1 JY01至JY02基巖點(diǎn)各期水準(zhǔn)測(cè)量高差變化統(tǒng)計(jì)表

從地質(zhì)構(gòu)造的繼承性運(yùn)動(dòng)角度去看,上升變化的這些時(shí)段均為“逆”繼承性運(yùn)動(dòng)特征,可以判定為垂直形變運(yùn)動(dòng)異常的范疇。2008年的華北地區(qū)垂直形變普遍存在著這種形變跡象,并存在重測(cè)率增大和水準(zhǔn)觀測(cè)分群現(xiàn)象[5]。

2.2 北京至安平水準(zhǔn)復(fù)測(cè)

由圖8和圖9可以看出,2007—2008年安平一帶相對(duì)于北京平均上升了8.9mm/a,呈現(xiàn)“南升北降”逆繼承運(yùn)動(dòng)特征,2008—2010年安平一帶相對(duì)于北京平均下降了12.9mm/a,恢復(fù)了繼承性運(yùn)動(dòng)特征,可以認(rèn)為這時(shí)安平一帶的垂直形變基本恢復(fù)了原有變化態(tài)勢(shì)。汶川地震前后兩期垂直形變速率相差21.8mm/a,其變化是非常顯著的(地面沉降漏斗區(qū)問題不在此解釋)。而其它年代的垂直形變均為下降變化趨勢(shì)[1]。這與圖2至圖7的變化規(guī)律極為相似,兩方面的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果可以得到相互印證,也與以往的垂直形變分析結(jié)論一致。

圖82007 —2008北京至安平形變速率圖

圖92008 —2010北京至安平形變速率圖

2.3 天津地面沉降監(jiān)測(cè)

天津市地面沉降監(jiān)測(cè)自1985年以來每年10月進(jìn)行水準(zhǔn)復(fù)測(cè),由于采取了限采地下水等措施,進(jìn)入上世紀(jì)90年代以后,地面沉降逐步得到控制,每年的沉降量趨于穩(wěn)定。而2008年出現(xiàn)了全市平均地面沉降量自天津市開始地面沉降監(jiān)測(cè)以來最小的結(jié)果,結(jié)合2008年首都圈乃至華北地區(qū)水準(zhǔn)復(fù)測(cè)出現(xiàn)的“南升北降”垂直形變異常變化,推測(cè)2008年天津地面沉降量的減小不是偶然出現(xiàn)的,而是說明了天津地區(qū)大面積地出現(xiàn)了“上升”的跡象,而且越是向南,其“升高”的跡象越大。反映了天津地區(qū)在這一時(shí)間段內(nèi)存在某種不同尋常的垂直形變異常變化。

區(qū)域 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年北辰 42 42 41 42 42全市 26 28 22 24 24

3 討論與結(jié)語

京津城際鐵路水準(zhǔn)復(fù)測(cè)結(jié)果與華北地區(qū)大面積水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果一樣,2007年下半年至2008年上半年間同步顯示了垂直形變異常趨勢(shì),天津市地面沉降量的變化也能夠佐證這種垂直形變異常的存在。2007年下半年到2008年上半年的異常變化是否受到2008年汶川大地震的影響?如果從汶川大地震斷層的破裂運(yùn)動(dòng)方向看,斷層北盤運(yùn)動(dòng)向北推擠,對(duì)于華北地區(qū)所產(chǎn)生的應(yīng)力是增強(qiáng)的。那么,這種垂直形變異常變化可能受到汶川大地震的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)影響。首都圈乃至華北地區(qū)存在的顯著的垂直形變異常,應(yīng)該是由這種大區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)變化引起的。并且這一垂直形變從2007年開始逐步增強(qiáng),汶川地震以后快速恢復(fù)原有形變狀態(tài)。

這種垂直形變異常變化對(duì)首都圈乃至華北地區(qū)的震情發(fā)展一定會(huì)產(chǎn)生影響。這是需要我們給予高度重視的問題,回顧1976年唐山大地震以前的1973年四川爐霍地震前后的一段時(shí)間,華北地區(qū)的垂直形變也有著突出的異常變化,與目前的垂直形變有著某些相似之處。因此,確實(shí)需要我們給予密切關(guān)注,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測(cè),及時(shí)分析會(huì)商,以期獲得有減災(zāi)時(shí)效的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

京津城際鐵路水準(zhǔn)復(fù)測(cè)用于垂直形變分析是第一次,還存在測(cè)量精度和測(cè)量方法上的一些具體問題需要解決。京津城際鐵路二等精密水準(zhǔn)觀測(cè),既可以用于確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全的監(jiān)測(cè),同時(shí)也可以為地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供垂直形變分析依據(jù)。這是一次有實(shí)際意義的探索和嘗試,今后要積極開展這方面的研究工作,以求更好地和更為廣泛地應(yīng)用工程水準(zhǔn)測(cè)量成果,為地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)。

致謝:感謝韓月萍老師給予本文的悉心指導(dǎo)和幫助!

[1] 韓月萍,陳阜超,楊國(guó)華,等.首都圈地區(qū)現(xiàn)今地殼垂直形變特征[J].華北地震科學(xué),2009,27(1):13-16.

[2] 張風(fēng)霜,胡新康,陳聚忠,等.北京天津地區(qū)垂直形變剖面復(fù)測(cè)結(jié)果的 GPS檢驗(yàn)[J].華北地震科學(xué),2009,27(4):26-30.

[3] 張風(fēng)霜,武艷強(qiáng),韓月萍,等.GPS連續(xù)觀測(cè)站基線與地震危險(xiǎn)性分析[J].華北地震科學(xué),2010,28(4):15-23.

[4] 韓月萍,楊國(guó)華,董運(yùn)洪,等.華北北部地區(qū)現(xiàn)今地殼垂直形變特征與地震危險(xiǎn)性分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2010,(2):25-28.

[5] 陳聚忠,韓月萍,董運(yùn)洪,等.區(qū)域垂直形變識(shí)別與地震危險(xiǎn)性分析[C]//中國(guó)地球物理.北京:地震出版社,2010:714-715.

Repetition Leveling and Vertical Deformation Characteristic of Beijing-Tianjin Region

CHEN Fu-chao1,2,J I Jing3,TA La2,WANG Tai-song2,HAN Yong2
(1.Institute of Seismology,CEA,Wuhan 430071,China;
2.First Crust Monitoring and Application Center,CEA,Tianjin 300180,China;
3.Tianjin Earthquake Administration,CEA,Tianjin 300201,China)

This paper draws the vertical deformation map of Beijing-Tianjin region by using the inter-city railway leveling data.According to the map,the repetition leveling shows the same abnormal vertical deformation phenomenon of“southern area rose and northern area fell”as that of the capital region at the corresponding period.Further analysis indicates that it is necessary to enhance the deformation monitoring of the capital region and even the North China to provide scientific basis for deformation-developing tendency judgment.

Inter-city railway;elevation control;repetition leveling;vertical deformation

P216

A

1003-1375(2011)02-0031-04

2011-02-22

中國(guó)綜合地球物理場(chǎng)探測(cè)—青藏高原東緣地區(qū)(200908029)、大地形變測(cè)量規(guī)范(水準(zhǔn)測(cè)量)編制(200908028)、中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心2009年青年基金。

陳阜超(1985-),男(漢族),天津人,碩士研究生,主要從事大地形變測(cè)量與工程變形監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用.

E-mail:chenfuchao123@yahoo.com.cn