南水北調(diào)總干渠通過煤礦采空區(qū)變形監(jiān)測方法

□鄭保華（河南省豫北水利工程管理局）

一、概況

南水北調(diào)中線工程一期總干渠唯一穿越的市區(qū)段，位于焦作市區(qū)中南部，是城市空間由北向南拓展的銜接過渡地區(qū)，是焦作未來城市中心區(qū)的重要組成部分。

南水北調(diào)中線工程一期總干渠通過焦作煤礦區(qū)。

焦作礦區(qū)位于太行山東南側(cè)山前傾斜平原，總體上地勢西北高、東南低，屬于沖洪積裾，地面高程90～150m。區(qū)內(nèi)原始地形起伏較小，地勢相對平緩，后因地下采煤，形成許多地表移動盆地，盆地邊緣與中心處的最大高差可達(dá)8～9m之多。

焦作礦區(qū)分布范圍廣，地表變形大，道路兩側(cè)的煤礦開采逼近斷裂層，形成渠道兩側(cè)均毗鄰煤礦采空區(qū)，最終比選方案基本避開了采空區(qū)，但仍有三段距采空區(qū)較近。南水北調(diào)中線工程一期總干渠從焦作市東南的墻南村北進入焦作煤礦區(qū)，于中州鋁廠東北出煤礦區(qū)，礦區(qū)內(nèi)渠線長約30km。

采煤會在地下形成采空區(qū)。采空區(qū)達(dá)到一定程度時，上方巖層原有的平衡狀態(tài)便被打破，產(chǎn)生冒落、斷裂和彎曲等一系列變形與破壞，使地表產(chǎn)生沉降和變形，形成地表移動盆地。由于地下采空區(qū)具有隱伏性強、空間分布特征規(guī)律性差、采空區(qū)頂板冒落、塌陷情況難以預(yù)測等特點，因此，如何對地下采空區(qū)的分布范圍、空間形態(tài)特征和采空區(qū)的冒落狀況等進行量化評判，一直是困擾工程技術(shù)人員進行采空區(qū)潛在危害性評價及合理確定采空區(qū)處治對策的關(guān)鍵技術(shù)難題。采空區(qū)上地表移動盆地的穩(wěn)定問題，是南水北調(diào)中線工程一期總干渠通過焦作煤礦區(qū)需要解決的問題，它決定了總干渠渠道的布置，直接影響著工程的安全和投資。

二、工作目的和意義

采空區(qū)穩(wěn)定問題是南水北調(diào)中線一期總干渠的重大工程技術(shù)問題之一，其中河南省境內(nèi)焦作礦區(qū)段涉及煤礦采空區(qū)問題。焦作段經(jīng)過大量技術(shù)經(jīng)濟論證工作，渠道基本避開了煤礦采空區(qū)，但仍有部分采空區(qū)距總干渠較近。

通過建立專用變形監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測采空區(qū)在施工前、施工期、運行初期的變形情況，后續(xù)采用多種方法包括數(shù)值模擬計算與仿真技術(shù)，評價總干渠沿線下伏采空區(qū)的穩(wěn)定性，判斷采空區(qū)對總干渠渠道及建筑物的影響并預(yù)測發(fā)展趨勢，為采空區(qū)段工程優(yōu)化設(shè)計、施工、工程運行管理提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

三、基本技術(shù)路線和監(jiān)測內(nèi)容

（一）基本技術(shù)路線

根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)范和技術(shù)規(guī)定要求，結(jié)合本項目變形監(jiān)測的特點，擬采用GPS對地表水平位移進行監(jiān)測(三等平面)，利用精密數(shù)字水準(zhǔn)儀進行垂直位移觀測(二等水準(zhǔn))，同時深層埋設(shè)多點位移計和測斜儀對采空區(qū)現(xiàn)狀巖層變形進行原型監(jiān)測，對變形位移數(shù)據(jù)進行比較分析，取得現(xiàn)狀第一手資料。

根據(jù)焦作煤礦區(qū)段開采煤層的埋藏深度，結(jié)合同類工程的觀測經(jīng)驗，變形監(jiān)測網(wǎng)點開始時期觀測適當(dāng)稠密，以后觀測過程中，根據(jù)變形量的變化情況、變形精度以及遇到的特殊因素，可適當(dāng)增加或減少觀測次數(shù)。

根據(jù)變形監(jiān)測批次提交的數(shù)據(jù)成果，對取得的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析研究，找出變形體的變化規(guī)律，預(yù)測變形體的整體發(fā)展趨勢，并應(yīng)用GIS手段，建立采空區(qū)三維空間DEM模型，系統(tǒng)研究采空區(qū)造成地表變形的平面范圍、深度及變形規(guī)律，分析出地基巖層、地下水位變化和采空區(qū)現(xiàn)狀及變形規(guī)律，為建立仿真計算模型提供現(xiàn)狀邊界條件。結(jié)合可靠性分析和隨機分析方法，對影響總干渠穩(wěn)定性的主要因素采用隨機抽樣和蒙特卡洛方法進行研究，從而確定巖土體變形及其對總干渠影響趨于穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。

（二）監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測內(nèi)容包括水平位移監(jiān)測、垂直位移監(jiān)測和巖體內(nèi)部變形監(jiān)測等。每期監(jiān)測工作結(jié)束后，要及時檢查外業(yè)監(jiān)測成果，進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理，最終進行精處理，驗算各項限差，并進行精度統(tǒng)計。

四、監(jiān)測線、監(jiān)測點的布點原則

監(jiān)測線結(jié)合總干渠渠道的工程布置，結(jié)合礦層走向、開采方法及上覆地層產(chǎn)狀，宜平行和垂直煤礦層走向成直線布置，其長度應(yīng)超過地表移動變形的范圍。其中，垂直礦層走向的觀測線，宜設(shè)置在移動盆地的傾斜主斷面上，觀測線的條數(shù)應(yīng)根據(jù)實際情況確定。

觀測線上觀測點的間距，應(yīng)大致相等，根據(jù)焦作煤礦區(qū)渠段的煤層開采深度，結(jié)合總干渠工程特點，同時參考同類工程經(jīng)驗，觀測點間距按100～200m。觀測地表變形的同時，應(yīng)觀測地表裂縫、陷坑等的變形情況。

五、監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計精度

根據(jù)《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007），結(jié)合本工程特點，參考同類工程經(jīng)驗，擬選定變形監(jiān)測網(wǎng)平面等級為三等(相鄰基準(zhǔn)點點位中誤差≤6.0mm邊長相對中誤差≤1/80000)、垂直等級為二等(相鄰基準(zhǔn)點高差中誤差≤1.0mm)。

六、監(jiān)測點的埋設(shè)

變形監(jiān)測網(wǎng)點根據(jù)需要分為基準(zhǔn)點和變形監(jiān)測點兩級布設(shè)，基準(zhǔn)點宜選在變形影響區(qū)域之外穩(wěn)定可靠的位置，變形監(jiān)測點宜選擇在變化幅度及變形速率大并具有代表性的部位。

平面位移監(jiān)測點使用帶強制歸心裝置的觀測裝置，觀測墩外敷無縫鋼管，標(biāo)志下設(shè)4根阻滑樁，表面為八角觀測平臺，內(nèi)部鋼筋連成一體以增加穩(wěn)定性，防止外力干擾；垂直位移變形監(jiān)測點埋設(shè)于地面0.5m以下耕地中。由于變形監(jiān)測點遭到破壞后將使變形數(shù)據(jù)不連續(xù)，影響變形分析，因而一定要妥善保護。

七、變形監(jiān)測

使用的平面坐標(biāo)系統(tǒng)宜為1954年北京坐標(biāo)系1°成果，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。起算點平面為C級GPS，高程為Ⅱ等水準(zhǔn)。初次觀測全部點施測兩次取平均值作為以后計算的初始值。

(一)垂直位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)與聯(lián)測方案

根據(jù)測區(qū)基本情況，每沉陷段埋設(shè)3座水準(zhǔn)標(biāo)石構(gòu)成基準(zhǔn)網(wǎng)，先布設(shè)附合水準(zhǔn)線路，將高程引至基準(zhǔn)網(wǎng)的任一標(biāo)石，然后在每一基準(zhǔn)網(wǎng)實測閉合水準(zhǔn)線路，聯(lián)測其它2個標(biāo)石。

(二)水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)與聯(lián)測方案

水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)須一次布網(wǎng)。

(三)接收機使用

水平位移測量采用GPS方法進行。觀測均采用8臺以上徠卡GX1230型雙頻靜態(tài)GPS接收機進行觀測。GPS具有數(shù)據(jù)采集方便，觀測周期短，作業(yè)效率高，不受通視、距離、網(wǎng)形等限制，可全天候作業(yè)等特點，具有常規(guī)大地測量無法比擬的優(yōu)點。LeicaGX 1230為雙頻(L1、L2)各12通道GPS，標(biāo)稱靜態(tài)水平精度為5mm+1ppm，采用長時間觀測、Leica Geo Office6.0軟件解算后水平精度可達(dá)3mm+0.5ppm。

(四)GPS 觀測

觀測作業(yè)時，根據(jù)觀測點的間距和交通情況，兼顧二等水準(zhǔn)測量安排，編制觀測計劃，按計劃進行調(diào)度。

GPS觀測，在每個沉陷段宜采用邊連接形式傳遞、構(gòu)網(wǎng)，兩端連接高等級GPS標(biāo)石。觀測精度應(yīng)符合技術(shù)要求。

垂直位移監(jiān)測使用美國天寶Dini12電子水準(zhǔn)儀(觀測精度0.3mm，最小顯示 0.01mm，測距范圍 1.5～100m，15′內(nèi)自動補償，安平精度0.2″)，配因瓦條碼標(biāo)尺進行。使用電子(數(shù)字)水準(zhǔn)儀的PC卡直接記錄，水準(zhǔn)精度應(yīng)符合技術(shù)要求。

采用雙頻GPS接收機和數(shù)字水準(zhǔn)測量，極大地提高了測量精度和作業(yè)效率，確保了成果質(zhì)量，為南水北調(diào)中線工程一期總干渠工程施工期和運行管理期的變形監(jiān)測提供了寶貴經(jīng)驗。

八、巖體內(nèi)部變形監(jiān)測

采用多點位移計、測斜儀等，通過布設(shè)深孔埋入地層。監(jiān)測孔深度控制到渠底板或建筑物底板以下70m范圍內(nèi)。

九、分析報告

在搜集到焦作煤礦區(qū)相關(guān)資料后，根據(jù)變形監(jiān)測成果圖表，包括水平位移分析、垂直位移分析和巖體內(nèi)部變形分析，結(jié)合地質(zhì)部門進行變形分析研究，向業(yè)主或設(shè)計部門提供階段性分析報告。