InSAR技术在采空区铁路选线中的应用

2021-03-10闫明

铁道勘察 2021年1期

闫明

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

1 概述

近年来，我国铁路工程建设持续发力，线路里程及路网密度不断增加，因此不可避免的会遇到各种复杂的地质情况。其中，采空区作为一种广泛分布的不良地质，对铁路工程建设及运营安全具有十分严重的威胁。

采空区多在特定区域内集中分布，随着时间的推移，地面沉降迅速发展，沉降中心随坍落区域变化而移动。因此，需要从水平方向和竖直方向研究其发展趋势。2000年以前，采空区综合勘察多采用以钻探为主，物探为辅，同时在地质调查的基础上补充变形观察及水文试验的方法[1]；2010年后，随着物探方法的进一步发展，采空区勘察逐渐转变为物探为主，钻探验证的思路，其中尤以高密度电阻率法和地震映像法等物探手段最为常用[2-4]；之后随着遥感技术的不断发展，各类遥感方法为采空区的三维变化研究提供了有力的支持[5-9]；也有许多学者对InSAR技术进行了相关研究[10-12]；InSAR技术能够高效、清晰反映采空区沉降发展过程，以及显示移动盆地的变形趋势[13-15]。这一技术特征能够在大面积内指导选线规避采空区，以下基于InSAR技术的综合勘察方法，对某采空区铁路选线展开应用研究。

2 InSAR技术介绍

合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar)简称InSAR，是一种融合传统合成孔径雷达SAR遥感与射电天文干涉的空间对地观测技术。其利用过境同一区域的两次或多次SAR影像进行复共轭相乘运算，再通过技术处理提取目标区域内的地形或形变信息，最终形成叠加影像图。因其具有高分辨率、全天候、高精度等特点，InSAR技术已发展为一种常用的大地遥感技术，并广泛应用于城市地面沉降、矿区沉降、地震及滑坡变形等各类变形监测中。根据算法不同，常用InSAR技术包括D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR、DS-InSAR等多种方法。通过应用长波、短时空基线的SAR卫星数据进行分析，可以有效对矿区地表变形进行监测及推算。

3 工程实例

3.1 工作区域简介

某煤炭城市计划新建客货混运铁路，根据地方要求，新建线路需接入既有线。工作区域内主要为冲洪积平原及山前丘陵区，地形平坦开阔，起伏较缓，地势南低北高。工作区域处于新华夏系第二隆起带三江沉降带，带内构造运动比较强烈且复杂，受多期构造运动影响。区内地质构造主要以断裂为主，与线路走行区相关的各断层均不具活动性，对铁路修建影响不大。线路所经范围为一单斜构造，整体倾向南东，倾角较小。区域内上覆第四系冲洪积黏性土，下伏新近系砂泥岩，白垩系下统砂泥岩、泥灰岩及煤层，局部出露兴凯期及晋宁期花岗岩、闪长岩等。煤层主要分布于白垩系下统石头河子组，埋深30～960 m，煤层厚约40 m，靠近地表较薄，随深度增加而变厚。

本工程涉及多个矿区，各矿区间紧密衔接，含煤地层连续分布，且煤田开发开采历史悠久。20世纪50年代之前，主要以人工挖掘浅部薄层为主，开采区域距离线位较远；之后主要以巷道机械采掘深部煤层为主，开采方向顺单斜构造向东南方逐步加深，开采深度为地下30～900 m。整个煤田内除既有线下部保留保护煤柱外，其余部分均已开采或正在开采，偏离既有线将会受到采空区的影响，目前整个矿区地表塌陷严重。因此，需要对该区域内采空区的沉降范围及变化情况进行勘察。

3.2 InSAR数据及算法选取

在分析已有矿区资料的基础上，对可用数据源进行相关查询和分析，综合考虑数据成本和数据质量，本次工作采用2007～2011年日本ALOS-PALSAR 18景数据及2016～2018年欧州空间局Sentinel-1A/1B 31景数据进行分析。其中第一阶段采用ALOS-PALSAR数据(L波段)，其波长较长，具有一定的穿透性，但精度较低；第二阶段采用Sentinel-1A/1B数据(C波段)，波长相对较短，监测精度较高。

本次InSAR监测对象为煤矿采空区，工作区域内地物稀疏、相位噪声较小，采空区沉降在差分干涉图上呈现明显的相位条纹，采用D-InSAR方法进行分析。D-InSAR算法可以降低L波段数据源较少、连续性一般的不利影响，同时提高C波段的监测精度，可满足本次监测要求。

3.3 InSAR数据分析及对拟建线位影响

经过数据处理后，工作区域不同时间段内的采空区沉降范围干涉融合结果见图1、图2。

图1 2007～2011年采空区沉降范围融合结果

图1中，右侧线位为既有线，由南向北里程依次增大；中间线位为南绕城接轨方案，与既有线在K48+373处接轨(方案1)；左侧线位为北绕城接轨方案，与既有线在K54+098处接轨(方案2)。方案1新建线路长度较短，接轨后计划对既有线DK48+373～DK54+098段落进行改扩建，剩余既有线段落计划拆除；线位经过区域多为废旧厂区，征拆范围较小，对城市居民影响有限，同时投资额较小；缺点为接轨处到终点范围内分布多处采空区，需评价其影响。方案2新建线路长度较长，从北侧接入既有站，现存既有线将全部拆除；缺点是需穿越大面积居民区，涉及征拆量较大，投资额将大幅增加；优点为距离矿区较远，不受采空区影响。

两者各有利弊，因此，需要对方案1接轨处至既有线终点段落采空区分布范围及移动趋势进行分析。对比图1、图2中沉降漏斗分布可知，其基本呈北东-南西向线性展布，与既有线呈小角度相交。按照里程范围可将评价段落内采空区分为A、B、C三个区域。其中，A区对应线路K48～K52，沉降漏斗位于既有线右侧；B区对应线路K45～K47，沉降漏斗位于既有线右侧；C区对应线路K41～K46，沉降漏斗位于既有线左侧。

图2 2016～2018年采空区沉降范围融合结果

图2中，A区面积较大，沉降漏斗左侧边界与既有线近平行，间距约300 m，对线路影响较大；B区主要为三处面积较小的沉降漏斗，其中一处已侵入既有线，导致既有线路基局部沉降量增大，运营部门已采取垫高路基和降速等措施进行处理；C区沉降漏斗面积较大，但其核心区距离线位较远，右侧边界与既有线并行长度较短(距离约180 m)，对线路影响较小。随时间推移，图2中A区沉降漏斗面积已经明显减小，同时其边界与既有线并行段落缩短，距离增加到500 m左右，该段落内既有线改扩建基本不受其影响；B区沉降漏斗面积减小，仅剩两处小型漏斗间距较大，对线路影响较小；C区沉降漏斗面积变化较小，其核心区与线位距离进一步拉大，漏斗边界远离线路接轨处，其对方案1已不具影响。

将图1和图2进行叠加得到图3。由图3可知，采空区沉降变形区随时间整体向东南方向移动，这与区域构造及煤层开采方向一致。通过InSAR数据分析，方案1新建段落不受采空区影响，接轨处以北既有线段落采空区影响整体趋势减弱，方案可行性较高。下一步需要采取物探及钻探方法对该段落内可能引起局部沉降的小型坑洞及软弱地层进行针对性勘察，从而采取有效的处理措施保障施工安全及运营稳定。

图3 2007～2011年与2016～2018年沉降范围叠加结果

3.4 改建既有线重点段落物探结果分析

经现场调查及既有矿区资料，线路K50～K53右侧500 m范围内原有2处小型煤矿，皆为露天开采，无地下巷道及排风设施，两处矿区均于近年停产，采空区内居民已搬离。因此，该区域内勘察工作可按照普通改扩建工程实施。线路K48～K50右侧40 m为一大型矿区，采用地下开采方式，工作区距离线路较远，仅有一废弃排风井在K49+930右40 m处出露，需要通过物探验证其展布方向，并查清其埋深及倾角。

根据地质条件及地物特征，本次物探工作采用多道地震映像法。其利用地震纵波在地下介质中的传播及动力学特征进行浅层地质勘察，对地表浅部人工巷道、采空区及因土层软弱塌陷揭示具有良好的应用效果。在K48～K50右侧30～400 m范围内，布置3纵3横共6条测线，测线全长约3 km，见图4。根据物探结果，排风井平面位置基本与既有数据吻合，其中K48+750～K48+930段落与线位近平行展布，倾向正南，倾角约20°，最大埋深约30 m；K48+750向小里程方向展布，倾向为南偏东40°，倾角约20°，测区范围内最大埋深约80 m。可采用分段封堵注浆措施进行处理，沉降范围及沉降量对改建方案影响可控。

图4 物探测线布置示意

3.5 改建既有线重点段落钻探结果分析

针对改建段落可能引起大面积工后沉降的地下采空回填区域，其分布情况需要通过钻探进行查明。考虑到采空回填部位成分以散体状为主，本次钻探工作采用“双管单动”工艺进行取芯，该钻探工艺具有外管旋转钻进、内管静压取芯的特点，其对岩芯扰动较小，可以在保证采取率的同时保留地层原始状态。根据地质资料及矿区信息得知既有线右侧K49+300小里程方向煤层开采活动多为地下开采，故根据煤层露头及产状，勘探孔分别布设在K48+000～K49+300右侧10～80 m范围内(见图5)，勘探工作量见表1。