基于InSAR技术铁路沿线采空区沉降分析及应用_张寿钊.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202204023开放科学（资源服务）标识码（OSID）基于 InSAR 技术铁路沿线采空区沉降分析及应用张寿钊，储文静（中国铁路设计集团有限公司，天津300142）摘要：使用 SBAS-InSAR 技术对 20152020 年拟建铁路沿线采空区进行沉降监测，分析其时空变化规律，同时辅以合理的物探、钻探手段，总结出由“面”到“线”集“点”确定采空区边界的方法，并提出相应工程措施建议。关键词：采空区沉降；SBAS-InSAR 技术监测；时空变化；采空区边界；选线建议中图分类号：P642文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0179 05 0 引言采空区作为制约某铁路选线的最关键因素，准确查明采空区的分布及影响范围，确定采空引起地面沉降的时空变化规律，对铁路建设产生的影响不容忽视。传统的勘察方法效率低、成本高，因此开始探索新型勘察方法应用于工程实际。星载合成孔径雷达干涉测量(InSAR)上世纪70 年代出现，该技术计算同一地点不同时刻地质资源卫星通过时 SAR 影像的相位差，获取该范围内的数字高程模型，具有精度高、成本低、监测范围广、分辨率高及全天候等优点1-3。为将 InSAR技术更好地应用于地表变形监测，D-InSAR 技术兴起 4-5，但此法受大气延迟效应、轨道及噪声与微小形变之间叠加等的影响，精度和适用性大大受限。为解决这些难题，基于 D-InSAR 发展出 MT-InSAR 技术，从而进行更高精度的形变监测，包括PS-InSAR、SBAS-InSAR 及DS-InSAR 等。SBAS-InSAR 最早在 2002 年由 Berardinohe 等人提出，并成功对意大利南部 Campi Flegrei 火山口和 Naples进行了时间序列的形变估计6。SBAS-InSAR 技术采用多幅影像图，因而干涉图相干性较好，同时SAR 数据需求量减少，运算效率较高，这些都是PS-InSAR 技术等不可比拟的7。本文选择小基线集星载合成孔径雷达干涉技术（SBAS-InSAR）对拟建铁路区域地面进行沉降监测，达到更精确的变形结果，为宏观判断拟建铁路区域采空沉降提供数据支持。同时，基于 SBAS-InSAR 技术总结出一类由“面”到“线”集“点”确定采空区边界的方法，为铁路可研阶段线路选线提供依据。该套技术方法和工作思路对类似条件下的工程有重要的借鉴意义。1 依托工程概况及地质条件研究区地处太原晋中断陷盆地，以黄土地貌为主，东部为剥蚀侵蚀地貌。地形主要为山势和缓的砂泥岩剥蚀侵蚀中低山，山顶山梁多有黄土覆盖，沟谷两侧基岩裸露。地层走向北北西，向南西西倾伏于太原盆地，倾角 515。主要构造线近似东西向。地层主要为新老黄土、粉质黏土，下伏基岩以二叠系、石炭系砂岩、泥岩、石灰岩为主。研究区地形地貌，见图1。注：红色区域为采空边界图1研究区地形地貌 本区位于沁水煤田西北隅，矿区分布紧密衔接，沿线开采煤层主要为石炭系太原组 15 号煤 收稿日期：2022 05 28作者简介：张寿钊（1994），男，天津人。助理工程师，硕士，研究方向：地质灾害与工程地质。E-mail：。张寿钊，等：基于 InSAR 技术铁路沿线采空区沉降分析及应用 179（俗称“丈八煤”），顶板为 L1 灰岩，间夹薄层泥岩伪顶，灰岩垂直和斜交节理较发育，裂隙充填方解石脉。#15 煤层底板标高 320860 m，采深170.00420.00 m，采厚 3.4511.85 m。2 研究方法 2.1 SBAS-InSAR 形变监测原理本次利用 InSAR 监测煤矿采空区为大尺度的地面沉降监测8，根据 SAR 数据量的要求和采空区域干涉相位质量，选择 SBAS-InSAR 方法对项目区域进行监测9。原理为将采集的 SAR 影像组合形成多个小集合，再利用最小二乘法获得每个小集合的地表形变序列，最后利用 SVD 法（奇异值分解法）将多个小基线集进行联合求解。SBAS-InSAR 法技术流程，见图 2。N+1幅SAR影像根据小基线原则生成M个干涉对去平地和地形相位得到差分干涉图相关系数图选择高相干点高程误差SVD求解模型参数去除线性模型相位线性形变相位分量空间域的低通和时间域的高通滤波非线性形变相位分量形变时间序列大气相位分量在每个相干点上建立线性形变速率、高程误差的线性模型，构建方程组图2技术流程 两两结合 N+1 景 SAR 数据，并将超过时空基线阈值的干涉对进行剔除；去除平地及地形等相位，剩余 N 景干涉图在像素（r，n）的干涉相位j(r,n)=(tB,r,n)(tA,r,n)4d(tB,r,n)d(tA,r,n)（1）j(r,n)d(tA,r,n)d(tB,r,n)式中:表示第 j 个差分干涉相位值；表示某个任意像元；为雷达波长；和表示tA和tB时刻相对于参考时间 t0的地表 LOS 向形变累积量。d(t0,r,n)=0一般情况下，假设，对于所有 N 景干涉图，可以表示的矩阵形式为=AMN（2）式中：为每个差分干涉相位值；为每幅 SAR数据的相位值；AMN为观测系数矩阵，其行 M 和列 N 分别对应干涉图和 SAR 影像10。当 r（A）=N 时，即小基线干涉对在同一个集合之中，可直接利用最小二乘法进行解算。当 r（A）N 时，即小基线干涉后分布在不同集合中，则需利用奇异值分解法求解。该方法是将多个小基线联合求解得到覆盖整个观测时间的沉降序列，从而解决方程秩亏问题10。2.2 数据选取及数据处理方法 2.2.1 数据选取及处理本次采用欧空局 Sentinel-1A/1B 数据进行沉降监测，共处理 Sentinel-1A/1B 数据 70 景。其中2015.052016.05 数据为 16 景，2017.012020.01数据为 54 景。SAR 数据处理采用 SARProZ 处理系统。数据处理过程中，外部 DEM 数据使用 90 m分辨率的 SRTM 数据。2.2.2 沉降探测结果制图与分析方法（1）成果预处理：对于 SBAS-InSAR 方法，软件处理的结果中包含部分粗差点，需要结合ArcGIS 对数据进行滤波处理11。对于大范围地面沉降监测，需要将小块区域处理的沉降结果进行拼接处理，从而形成监测区完整沉降结果，结果为相对测区内某参考点的相对沉降量。（2）制图处理：对预处理后的沉降监测结果采用克里金插值算法，生成沉降速率或者累积沉降量栅格图。采用 ArcGIS 的空间分析模块计算沉降区域等值线。基于 ArcGIS 和 PhotoShop 软件将沉降速率图、等值线图、拟建线位等相关地理信息进行标准化综合制图。3 成果分析根据处理后的结果划定沉降漏斗范围、漏斗中心沉降等指标。3.1 地面沉降20152016 年和 20172020 年时间段内，可用 InSAR 数据为 16 景和 54 景，满足时间序列InSAR 分析的数据量要求，数据处理策略为星形结构。利用时间序列 InSAR 分析方法获取的拟建线路沿线监测段的地面沉降结果，见图 3、图 4。采空区边界范围内存在几处沉降区域，其中，A、B、C 处区域沉降一直存在，20152016 年的最大沉降速率分别为 84、49、20 mm/a，20172020 年的最大沉降速率分别为 52、40、38 mm/a。20172020 年区域沉降增加了 D 和 E 处，区域内路基工程 180 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）最大沉降速率分别为 42、31 mm/a。NEWS年沉降速率/（mma1）6100551106161121172622322737334238474353485854635970640 1 24 km煤矿采空区范围等值线ACB图320152016 年沉降速率 NEWS年沉降速率/（mma1）710262173118151220162421282533293734423846435047555160560 1 24 km煤矿采空区范围ADCBE图420172020 年沉降速率 沉降速率等值线图，见图 5、图 6。6100551106161121172622322737334238474353485854635970641 24 km煤矿采空区范围等值线NEWS年沉降速率/（mma1）0ABC图520152016 年沉降速率等值线图 NWES年沉降速率/（mma1）71026217311815122016242128253329373442384643504755516056ACBED0 1 24 km煤矿采空区范围等值线图620172020 年沉降速率等值线图由图 5、图 6 可发现地面沉降速率特征：有明显的沉降中心，沉降速率由中心向四周辐射减小，沉降区主要分布于采空区西侧。结合既有采空区边界，根据等值线图中沉降区域范围，做到从“面”上圈定采空区边界。3.2 现场调查分析为验证 InSAR 成果，对采空区及边缘地带进行实地调查，排除断层、填土等其他因素影响，确定区域沉降是由采空引起。A 点为#15 煤层采空区，采深约 397 m，采空年限 20142015 年，最终停采时间 2015 年 12 月，沉降中心位于最终停采工作面；B 点位于某矿井#15 煤层采空处，采深约310 m，煤层底板标高 580 m，采空年限 20052016 年，沉降中心位于 2016 年开采的 71 508 工作面（已停采）；C 点位于某煤矿#15 煤层采空区，采深 380 m，采空年限 20102013 年，最终停采时间 2013 年 1 月，沉降中心位于该停采工作面。沉降速率大小与开采年限有关，工作面停采年限越久远沉降速率越小，下沉越趋于稳定。C 区域部分被填土等覆盖；D 点位于某乡办煤矿小窑破坏区；E 点位于 20192020 年布置工作面进行开采的某煤矿采区，为新形成采空区。分析 InSAR 成果：20152016 年，A 点连续6 个月累计下沉量超过 30.0 mm，B、C 累计 6 个月下沉量为 24.5、10.0 mm。依据煤矿采空区岩土工程勘察规范12H.0.6.1 条，连续 6 个月累计下沉值不超过 30.0 mm 时可认为地表移动期结束，A 点地表移动期尚未结束，B、C 地表移动期已结束；20172020 年，A、B 处区域沉降呈下降趋势。A 点同比下降38.10%，B 点同比下降18.37%，地表下沉速度小于 50 mm/月（1.7 mm/d），均处于延续时间内的动衰退期；C 点最大沉降速率由20 mm/a 增至 38 mm/a，区域未有新的采掘活动，结合开采深度、工作面推进速度、开采厚度、开采时间等，认为本区域最大沉降速率的变化由填土堆积引起，采空引起的地表变形处于衰退期13。沉降区域下伏#15 煤层采深 310397 m，依据煤矿采空区岩土工程勘察规范H.0.6.2 条公式（H.0.6-1），当 H0400 m 时：T=2.5H0，地表移动延续时间 T 为 884 天（2.4 年），可知 A、B、C 处采空引起地表变形基本趋于稳定。新增 D、E 处沉降点，由于矿产正在开采形成了新的沉降点，处于地表移动期。3.3 勘察手段测区内采用地震反射波法勘察#15 煤层发育情张寿钊，等：基于 InSAR 技术铁路沿线采空区沉降分析及应用 181 况，通过分析区内既有勘探资料#15 煤层的见煤情况与时间剖面相结合，确定煤层反射波的地质层位。在经全区对比后确定地质层位的地质属性，从全区的地震反射波时间剖面上解译出#15 煤层反射波的特征。#15 煤层反射波具有两个强相位、强振幅、连续性较好、易识别的波组特征。在 InSAR 技术确定的沉降区域及周边位置布置物探测线，测线与采空边界相交并成一定角度。C 区域测线 DSZF21 物探解译，见图 7。自 CDP桩号 755 开始出现同相轴缺失，采空区区段表现为反射层位连续性差、层位不明显或缺失、反射波杂乱无章的特征，可推测其采空区异常。结合井上下测量资料，从“线”（物探测线）上圈定采空区边界。1005871462692665170705248744326784404824482865560906638946716986794102687210599372003004005006007008009001000距离地面深度/mffidcdp采空区CDP桩号（从左至右）图7DSZF21 线物探解译 结合 InSAR 技术沉降区域位置、物探异常成果及现场调查结果，在采空区边界关键位置开展控制性地质钻探，依据勘探过程中发生的卡钻、掉钻现象、冲洗液漏失情况，岩芯采取率、RQD 值等分析采空区“三带”的分布、冒落物的密实程度等，做到从“点”上确定采空区边界。综上所述，从 InSAR 数据判定 A、B、C 处地表变形趋于稳定，D、E 处沉降趋势将继续发展，从地质角度提出了绕避建议，工程线路线位应走行于采空区影响边界范围外侧。B、C 区域采空区边界综合探测，见图 8。新影响边界新采空边界图8B、C 区域采空区边界综合探测 4 结语本文选择小基线集星载合成孔径雷达干涉技术（SBAS-InSAR）对拟建铁路区域地面进行沉降监测。同时，基于 SBAS-InSAR 技术总结出一类由“面”到“线”集“点”确定采空区边界的方法。（1）应用 SBAS-InSAR 技术对采空区沉降进行有效监测，为宏观判断拟建铁路区域采空沉降提供了数据支持。（2）通过对 SBAS-InSAR 技术监测数据的分析，认为 A、B、C 三处采空引起的地表变形均处于衰退期，采空区地表变形趋于稳定。D、E 沉降点处于地表移动期。实例表明：对采空区地面沉降时空变化规律的研究，可为采空区地区高速铁路选线提供有力依据，选 出 安 全、合 理 的 方 案。基 于 SBAS-InSAR 技术，综合物探、勘探手段，总结出由“面”到“线”集“点”确定采空区边界的方法理念，提高了勘察质量和效率。该方法在采空区的探测应用方面亦可为类似工程提供参考。参考文献(References)：1 朱建军,李志伟,胡俊.InSAR 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