InSAR技術在采空區(qū)鐵路選線中的應用

閆 明

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

1 概述

近年來，我國鐵路工程建設持續(xù)發(fā)力，線路里程及路網密度不斷增加，因此不可避免的會遇到各種復雜的地質情況。其中，采空區(qū)作為一種廣泛分布的不良地質，對鐵路工程建設及運營安全具有十分嚴重的威脅。

采空區(qū)多在特定區(qū)域內集中分布，隨著時間的推移，地面沉降迅速發(fā)展，沉降中心隨坍落區(qū)域變化而移動。因此，需要從水平方向和豎直方向研究其發(fā)展趨勢。2000年以前，采空區(qū)綜合勘察多采用以鉆探為主，物探為輔，同時在地質調查的基礎上補充變形觀察及水文試驗的方法[1]；2010年后，隨著物探方法的進一步發(fā)展，采空區(qū)勘察逐漸轉變?yōu)槲锾綖橹鳎@探驗證的思路，其中尤以高密度電阻率法和地震映像法等物探手段最為常用[2-4]；之后隨著遙感技術的不斷發(fā)展，各類遙感方法為采空區(qū)的三維變化研究提供了有力的支持[5-9]；也有許多學者對InSAR技術進行了相關研究[10-12]；InSAR技術能夠高效、清晰反映采空區(qū)沉降發(fā)展過程，以及顯示移動盆地的變形趨勢[13-15]。這一技術特征能夠在大面積內指導選線規(guī)避采空區(qū)，以下基于InSAR技術的綜合勘察方法，對某采空區(qū)鐵路選線展開應用研究。

2 InSAR技術介紹

合成孔徑雷達干涉測量(interferometric synthetic aperture radar)簡稱InSAR，是一種融合傳統(tǒng)合成孔徑雷達SAR遙感與射電天文干涉的空間對地觀測技術。其利用過境同一區(qū)域的兩次或多次SAR影像進行復共軛相乘運算，再通過技術處理提取目標區(qū)域內的地形或形變信息，最終形成疊加影像圖。因其具有高分辨率、全天候、高精度等特點，InSAR技術已發(fā)展為一種常用的大地遙感技術，并廣泛應用于城市地面沉降、礦區(qū)沉降、地震及滑坡變形等各類變形監(jiān)測中。根據(jù)算法不同，常用InSAR技術包括D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR、DS-InSAR等多種方法。通過應用長波、短時空基線的SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行分析，可以有效對礦區(qū)地表變形進行監(jiān)測及推算。

3 工程實例

3.1 工作區(qū)域簡介

某煤炭城市計劃新建客貨混運鐵路，根據(jù)地方要求，新建線路需接入既有線。工作區(qū)域內主要為沖洪積平原及山前丘陵區(qū)，地形平坦開闊，起伏較緩，地勢南低北高。工作區(qū)域處于新華夏系第二隆起帶三江沉降帶，帶內構造運動比較強烈且復雜，受多期構造運動影響。區(qū)內地質構造主要以斷裂為主，與線路走行區(qū)相關的各斷層均不具活動性，對鐵路修建影響不大。線路所經范圍為一單斜構造，整體傾向南東，傾角較小。區(qū)域內上覆第四系沖洪積黏性土，下伏新近系砂泥巖，白堊系下統(tǒng)砂泥巖、泥灰?guī)r及煤層，局部出露興凱期及晉寧期花崗巖、閃長巖等。煤層主要分布于白堊系下統(tǒng)石頭河子組，埋深30～960 m，煤層厚約40 m，靠近地表較薄，隨深度增加而變厚。

本工程涉及多個礦區(qū)，各礦區(qū)間緊密銜接，含煤地層連續(xù)分布，且煤田開發(fā)開采歷史悠久。20世紀50年代之前，主要以人工挖掘淺部薄層為主，開采區(qū)域距離線位較遠；之后主要以巷道機械采掘深部煤層為主，開采方向順單斜構造向東南方逐步加深，開采深度為地下30～900 m。整個煤田內除既有線下部保留保護煤柱外，其余部分均已開采或正在開采，偏離既有線將會受到采空區(qū)的影響，目前整個礦區(qū)地表塌陷嚴重。因此，需要對該區(qū)域內采空區(qū)的沉降范圍及變化情況進行勘察。

3.2 InSAR數(shù)據(jù)及算法選取

在分析已有礦區(qū)資料的基礎上，對可用數(shù)據(jù)源進行相關查詢和分析，綜合考慮數(shù)據(jù)成本和數(shù)據(jù)質量，本次工作采用2007～2011年日本ALOS-PALSAR 18景數(shù)據(jù)及2016～2018年歐州空間局Sentinel-1A/1B 31景數(shù)據(jù)進行分析。其中第一階段采用ALOS-PALSAR數(shù)據(jù)(L波段)，其波長較長，具有一定的穿透性，但精度較低；第二階段采用Sentinel-1A/1B數(shù)據(jù)(C波段)，波長相對較短，監(jiān)測精度較高。

本次InSAR監(jiān)測對象為煤礦采空區(qū)，工作區(qū)域內地物稀疏、相位噪聲較小，采空區(qū)沉降在差分干涉圖上呈現(xiàn)明顯的相位條紋，采用D-InSAR方法進行分析。D-InSAR算法可以降低L波段數(shù)據(jù)源較少、連續(xù)性一般的不利影響，同時提高C波段的監(jiān)測精度，可滿足本次監(jiān)測要求。

3.3 InSAR數(shù)據(jù)分析及對擬建線位影響

經過數(shù)據(jù)處理后，工作區(qū)域不同時間段內的采空區(qū)沉降范圍干涉融合結果見圖1、圖2。

圖1 2007～2011年采空區(qū)沉降范圍融合結果

圖1中，右側線位為既有線，由南向北里程依次增大；中間線位為南繞城接軌方案，與既有線在K48+373處接軌(方案1)；左側線位為北繞城接軌方案，與既有線在K54+098處接軌(方案2)。方案1新建線路長度較短，接軌后計劃對既有線DK48+373～DK54+098段落進行改擴建，剩余既有線段落計劃拆除；線位經過區(qū)域多為廢舊廠區(qū)，征拆范圍較小，對城市居民影響有限，同時投資額較小；缺點為接軌處到終點范圍內分布多處采空區(qū)，需評價其影響。方案2新建線路長度較長，從北側接入既有站，現(xiàn)存既有線將全部拆除；缺點是需穿越大面積居民區(qū)，涉及征拆量較大，投資額將大幅增加；優(yōu)點為距離礦區(qū)較遠，不受采空區(qū)影響。

兩者各有利弊，因此，需要對方案1接軌處至既有線終點段落采空區(qū)分布范圍及移動趨勢進行分析。對比圖1、圖2中沉降漏斗分布可知，其基本呈北東-南西向線性展布，與既有線呈小角度相交。按照里程范圍可將評價段落內采空區(qū)分為A、B、C三個區(qū)域。其中，A區(qū)對應線路K48～K52，沉降漏斗位于既有線右側；B區(qū)對應線路K45～K47，沉降漏斗位于既有線右側；C區(qū)對應線路K41～K46，沉降漏斗位于既有線左側。

圖2 2016～2018年采空區(qū)沉降范圍融合結果

圖2中，A區(qū)面積較大，沉降漏斗左側邊界與既有線近平行，間距約300 m，對線路影響較大；B區(qū)主要為三處面積較小的沉降漏斗，其中一處已侵入既有線，導致既有線路基局部沉降量增大，運營部門已采取墊高路基和降速等措施進行處理；C區(qū)沉降漏斗面積較大，但其核心區(qū)距離線位較遠，右側邊界與既有線并行長度較短(距離約180 m)，對線路影響較小。隨時間推移，圖2中A區(qū)沉降漏斗面積已經明顯減小，同時其邊界與既有線并行段落縮短，距離增加到500 m左右，該段落內既有線改擴建基本不受其影響；B區(qū)沉降漏斗面積減小，僅剩兩處小型漏斗間距較大，對線路影響較小；C區(qū)沉降漏斗面積變化較小，其核心區(qū)與線位距離進一步拉大，漏斗邊界遠離線路接軌處，其對方案1已不具影響。

將圖1和圖2進行疊加得到圖3。由圖3可知，采空區(qū)沉降變形區(qū)隨時間整體向東南方向移動，這與區(qū)域構造及煤層開采方向一致。通過InSAR數(shù)據(jù)分析，方案1新建段落不受采空區(qū)影響，接軌處以北既有線段落采空區(qū)影響整體趨勢減弱，方案可行性較高。下一步需要采取物探及鉆探方法對該段落內可能引起局部沉降的小型坑洞及軟弱地層進行針對性勘察，從而采取有效的處理措施保障施工安全及運營穩(wěn)定。

圖3 2007～2011年與2016～2018年沉降范圍疊加結果

3.4 改建既有線重點段落物探結果分析

經現(xiàn)場調查及既有礦區(qū)資料，線路K50～K53右側500 m范圍內原有2處小型煤礦，皆為露天開采，無地下巷道及排風設施，兩處礦區(qū)均于近年停產，采空區(qū)內居民已搬離。因此，該區(qū)域內勘察工作可按照普通改擴建工程實施。線路K48～K50右側40 m為一大型礦區(qū)，采用地下開采方式，工作區(qū)距離線路較遠，僅有一廢棄排風井在K49+930右40 m處出露，需要通過物探驗證其展布方向，并查清其埋深及傾角。

根據(jù)地質條件及地物特征，本次物探工作采用多道地震映像法。其利用地震縱波在地下介質中的傳播及動力學特征進行淺層地質勘察，對地表淺部人工巷道、采空區(qū)及因土層軟弱塌陷揭示具有良好的應用效果。在K48～K50右側30～400 m范圍內，布置3縱3橫共6條測線，測線全長約3 km，見圖4。根據(jù)物探結果，排風井平面位置基本與既有數(shù)據(jù)吻合，其中K48+750～K48+930段落與線位近平行展布，傾向正南，傾角約20°，最大埋深約30 m；K48+750向小里程方向展布，傾向為南偏東40°，傾角約20°，測區(qū)范圍內最大埋深約80 m。可采用分段封堵注漿措施進行處理，沉降范圍及沉降量對改建方案影響可控。

圖4 物探測線布置示意

3.5 改建既有線重點段落鉆探結果分析

針對改建段落可能引起大面積工后沉降的地下采空回填區(qū)域，其分布情況需要通過鉆探進行查明。考慮到采空回填部位成分以散體狀為主，本次鉆探工作采用“雙管單動”工藝進行取芯，該鉆探工藝具有外管旋轉鉆進、內管靜壓取芯的特點，其對巖芯擾動較小，可以在保證采取率的同時保留地層原始狀態(tài)。根據(jù)地質資料及礦區(qū)信息得知既有線右側K49+300小里程方向煤層開采活動多為地下開采，故根據(jù)煤層露頭及產狀，勘探孔分別布設在K48+000～K49+300右側10～80 m范圍內(見圖5)，勘探工作量見表1。

圖5 勘探孔平面布置示意

根據(jù)鉆探揭露地層情況，該段落內表層為5～10 m硬塑黏性土，下伏白堊系白灰色砂巖及灰褐色泥巖，煤層主要分布在35 m左右，厚度0.5～4 m，煤質不純，多夾雜質，開采價值不高。采空回填多分布于15～30 m范圍內，厚度3～5 m，成分以礦渣及矸石為主，稍密為主，局部中密。

由鉆探結果及表1地層信息可知，該段落內采空回填分布較廣，密度小，無空洞，厚度較小，埋深較大，發(fā)生大面積沉降可能性較小，這與InSAR數(shù)據(jù)分析得出的沉降漏斗逐漸遠離既有線的發(fā)展趨勢相一致。但是由于該地層有可能引起改擴建工程局部產生不均勻沉降，所以需要對該段落鉆探揭露范圍內采空回填地層進行注漿加固。

表1 采空回填勘探孔工作量

3.6 線路方案選擇

綜上所述，考慮到InSAR數(shù)據(jù)判定采空區(qū)整體發(fā)展趨勢為遠離既有線，且利用物探及鉆探進行細部勘察后，影響方案1既有線改建段落的沉降可以通過工程手段進行有效控制。因此，認為方案1可作為推薦方案。

4 結論及展望

實例證明，利用InSAR技術的綜合勘察方法可框定采空區(qū)范圍并判斷其發(fā)展趨勢，能夠有針對性指導物探及鉆探工作布置，從而進一步查明采空區(qū)對線路的影響。這種綜合勘探手段通過細化工作區(qū)域，不僅可以減少勘察工作量，還可有效降低勘察成本，為今后采空區(qū)地質選線工作提供了新的發(fā)展思路。

隨著我國遙感衛(wèi)星數(shù)量的增加，國有信息源質量將得到快速提高，這將為“空天地”立體勘察方法的發(fā)展提供有力支撐，地質勘察工作方法也將迎來新的突破。