采空區(qū)地裂縫與地表形變的空間關(guān)系探討

郭峰利，黎 兵，何明均，王志一

（1. 重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局107地質(zhì)隊，重慶 401120；2. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；3. 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081）

地裂縫是在世界上廣泛發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，也是我國的主要地質(zhì)災(zāi)害類型之一[1]，對人民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅[2-4]。我國地裂縫主要分布在汾渭盆地和華北平原[5]，因其分布廣、規(guī)模大、危害嚴(yán)重而受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注[5]。其主要影響因素為構(gòu)造活動和地下水開采[6]，暴雨和地下水滲漏是重要誘發(fā)因素[7]。以地下開采活動為代表的深層地下空間開發(fā)導(dǎo)致的地裂縫，也對深層地下空間安全利用和地表生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅[8-9]，但研究程度相對低得多。有限的研究揭示：采礦、地鐵建設(shè)等地下空間開發(fā)活動引起圍巖或土層應(yīng)力變化是造成地裂縫發(fā)育的主要原因[10]，裂縫發(fā)育受到開發(fā)強(qiáng)度和速度的直接影響[8,11-12]，而與構(gòu)造活動不具明顯相關(guān)性[13]。為了控制地應(yīng)力變化，減少不利影響，部分礦山對采空區(qū)進(jìn)行回填，但該技術(shù)復(fù)雜又成本高昂，且防治效果難以得到保障[14]，也不適于城市化地區(qū)，限制了其廣泛應(yīng)用。

為了對地下采空誘發(fā)的地裂縫進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，降低災(zāi)害風(fēng)險，需要回答地下采空區(qū)分布和地下開發(fā)活動如何影響地裂縫發(fā)育和發(fā)展的問題，這需要揭示地裂縫發(fā)育與地面沉降和水平位移的空間關(guān)系，但相關(guān)研究目前尚未見報道。本文基于重慶市茨竹鎮(zhèn)華鎣村金竹林于2017年2~4月為期2個月的地面變形應(yīng)急專業(yè)監(jiān)測資料，嘗試探討地表垂直和水平形變與地裂縫發(fā)育的空間關(guān)系，旨在為深層地下空間開發(fā)中地裂縫監(jiān)測預(yù)警提供理論支持。

1 工程背景

研究區(qū)位于四川盆地東部，重慶市北北東約55km，海拔800~900m，地勢北西高、南東低，向南東傾斜，西南角偏高。研究區(qū)周邊1000m范圍內(nèi)最大高差約180m，平均坡度約10°（圖1）。區(qū)內(nèi)地層為二疊系(P)—三疊系(T)灰?guī)r。地下發(fā)育采空區(qū)，高程+590m正開采水平煤炭資源。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

研究區(qū)發(fā)育的地表裂縫主要分布于北部公路及附近村民房屋（圖2、圖3），公路上的地表裂縫延伸約40m，寬3~50mm；房屋地表裂縫延伸1~3m，寬3~10mm，墻體裂縫寬3~5mm。為揭示地裂縫發(fā)育規(guī)律，我們于自2017年2月23日至4月26日開展了為期60天的地表垂直形變、水平位移及地裂縫寬度監(jiān)測（圖2）。

圖2 研究區(qū)采空區(qū)、巖巷、裂縫點和變形監(jiān)測點分布Fig.2 Distribution of goaf, rock roadway, crack point and deformation monitoring point in the study area

圖3 公路和民房重點裂縫狀況Fig.3 Cracks in the typical roads and houses

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)地形數(shù)據(jù)為ASTER GDEM 30M分辨率數(shù)字高程（DEM）數(shù)據(jù)，源自“地理空間數(shù)據(jù)云”(http://www.gscloud.cn)公開數(shù)據(jù)。垂直形變、水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)和裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)均為本次實測結(jié)果。

2.2 地表形變監(jiān)測方法

本次變形監(jiān)測坐標(biāo)系統(tǒng)平面采用1980西安坐標(biāo)系（3度帶36帶），高程采用1985國家高程基準(zhǔn)。各變形監(jiān)測點的平面位移、沉降采用光電極坐標(biāo)法進(jìn)行監(jiān)測，等級為二等測量，沉降監(jiān)測中誤差0.5mm，位移監(jiān)測中誤差3.0mm[15]。地表、房屋裂縫采用鋼卷尺量測，測量精度為1mm。監(jiān)測頻率為每天1次。為便于對比，本文采用數(shù)據(jù)為監(jiān)測期間首次和末次監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

利用ArcGIS軟件提取DEM數(shù)據(jù)柵格中數(shù)據(jù)點，并利用Srufer軟件插值繪制形成研究區(qū)地形等高線。

基于形變監(jiān)測點和裂縫監(jiān)測點坐標(biāo)，利用ArcGIS軟件進(jìn)行投圖處理。同時附加各監(jiān)測點地表垂直形變和水平位移及其方位數(shù)據(jù)，以及監(jiān)測期間裂縫變化數(shù)據(jù)。為直觀反映地表形變和裂縫變化數(shù)值特征和空間分布，在監(jiān)測點上分別用不同大小和方向的箭頭表示水平位移特征，用不同高度的柱形表示沉降特征，用不同大小的圓圈表示裂縫變化程度（圖4）。

圖4 監(jiān)測期間地表垂直和水平形變及裂縫變寬特征（南西角裂縫監(jiān)測點LF01的綠色圓形代表裂縫變窄8mm）Fig.4 Characteristics of surface vertical and horizontal deformation and crack widening during monitoring(The green circle of crack monitoring point LF01 in the southwest corner indicates that the crack narrows by 8mm)

為反映監(jiān)測期間地表垂直形變和水平位移的宏觀規(guī)律，揭示其與地裂縫發(fā)育的空間關(guān)系，利用Surfer軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了柵格化處理，柵格大小30m×30m，插值方法為克里金法。根據(jù)柵格數(shù)據(jù)，分別繪制了二者的二維和三維圖像，供對比使用。

3 結(jié)果與討論

3.1 地表垂直形變的空間特征

地表形變數(shù)據(jù)的空間分布特征顯示，地表垂直形變和水平位移主要發(fā)生在采空區(qū)內(nèi)，尤其是正在開采的巖巷附近。

中部巖巷附近的JC14和JC15，南部巖巷附近的JC11、JC07、JC09和JC08沉降量均大于280mm，表現(xiàn)出顯著沉降特征，指示開采巖巷對地表沉降的強(qiáng)烈控制作用。最大沉降發(fā)生在南部巖巷附近（JC11），達(dá)550mm，其次為中部巖巷附近的505mm（JC14）。南西部3個監(jiān)測點（JC13=157mm、JC10=223mm、JC06=180mm）沉降較小，而更外側(cè)的4個監(jiān)測點（JC12=55mm、JC05=31mm、JC01=53mm、JC02=51mm）沉降量顯著變小。采空區(qū)南部邊界100m外的監(jiān)測點JC03和JC04分別沉降了138mm和149mm，也表現(xiàn)出較強(qiáng)沉降特征，說明研究區(qū)采空區(qū)對地面沉降的影響范圍大于100m。沉降量的空間分布特征顯示了以JC11~JC14一帶為中心向四周降低的“漏斗”式沉降特征。相對北東部，南西部沉降降幅更明顯，南部次之。

基于研究區(qū)北部地形呈北東走向、南部逐漸降低、南西部升高的特征，可見沉降量空間變化與地勢關(guān)系密切，與采水型地裂縫發(fā)育受控于地勢條件的特征一致[16]。北東部相對平緩的地勢沉降“漏斗”的發(fā)育明顯更顯著，而南西部上升的地勢限制了沉降“漏斗”的發(fā)育，與裂縫破壞作用與地層深度呈反比[17]的特征一致。而南部降低的地勢對應(yīng)更薄的巖層覆蓋，理論上垂向變形應(yīng)更大，說明其沉降顯著變小的特征與其位于采空區(qū)之外有關(guān)。

3.2 地表水平位移的空間特征

地表水平位移特征與垂直形變特征總體一致，垂直形變大的監(jiān)測點，其水平位移也較大，反之亦然。空間上，主要分布在采空區(qū)內(nèi)，正在開采的巖巷附近更為顯著，尤其是南部巖巷附近的JC11、JC09、JC08和JC07，水平位移量分別為383mm、344mm、239mm和199mm，對應(yīng)于大于280mm的沉降量。與垂直形變特征不同的是，中部巖巷附近的三個監(jiān)測點（JC14、JC15和JC16）水平位移量較小，介于73~153mm之間，處于所有監(jiān)測點的低值區(qū)間（圖5）。對研究區(qū)南西部和南部，水平位移量同樣呈現(xiàn)出顯著降低的特征，西部的降低更為突出，同樣指示了南西部變高的地勢條件對水平位移量的強(qiáng)烈限制作用。

圖5 各監(jiān)測點水平位移量和垂直形變量對比Fig.5 Comparison of horizontal displacement and vertical deformation of each monitoring point

水平位移的方向特征揭示了一個有意思的現(xiàn)象，所有監(jiān)測點水平位移方向指向研究區(qū)北北東部JC14~JC16三個監(jiān)測點之間靠近JC14一側(cè)。這三個監(jiān)測點的水平位移都處于低值范圍內(nèi)，但JC14是一個重要的沉降中心，其垂直形變非常顯著（505mm），僅次于JC11（550mm）。中部巖巷的JC14附近垂直形變分量較水平位移分量顯著更大，且出現(xiàn)水平位移方向的聚合，說明JC14附近是研究區(qū)重要的沉降中心，其地表形變時間較南部的JC11附近更晚。由于研究區(qū)中部巖巷在我們本次監(jiān)測期間后期發(fā)生了地下爆破活動，我們推斷這次爆破活動形成了以JC14附近為中心的沉降“漏斗”，并導(dǎo)致了水平位移向該中心的匯聚。其作用機(jī)理與斷裂活動的影響相似[3]。相比之下，南部巖巷附近的JC11的最大垂直形變量更大程度上受到更低的地勢條件影響，且與形變時間更早有關(guān)。因此，我們建議在城市地裂縫的監(jiān)測和防治中關(guān)注地震和地下爆破活動的影響，并及時發(fā)布地下爆破活動信息，地裂縫致災(zāi)因子研究中可將地表水平位移矢量作為重要指標(biāo)。

3.3 地表形變對地裂縫的影響

地表形變監(jiān)測期間裂縫寬度變化的監(jiān)測結(jié)果顯示：地表裂縫變寬最顯著的監(jiān)測點為JC11以南、南部巖巷正上方的LF07，監(jiān)測期間變寬量達(dá)124mm。其次為LF07北部約30m的LF03，該裂縫變寬量迅速減少到10mm。獨特的是，位于研究區(qū)西南角JC01附近的LF01裂縫寬度變窄了8mm。其它裂縫監(jiān)測點變寬結(jié)果為：LF07北東部約100m、同樣位于南部巖巷正上方的LF04變寬量為2mm，LF07監(jiān)測點西部約150m的LF06監(jiān)測點變寬量1mm，其它監(jiān)測點均未發(fā)生變化，變寬量為0。

地表裂縫的變化集中分布在南部巖巷中部的公路上及其周邊，與其附近的JC11監(jiān)測點垂直形變量和水平位移量均最大的特征吻合，尤其對應(yīng)于水平位移量較大的地區(qū)，說明研究區(qū)發(fā)育的地裂縫主要為拉張型[1]。

中部巖巷附近JC14周邊沒有地裂縫監(jiān)測點控制，主要因為該區(qū)主要為耕地（圖1、圖4），沒有民房或公路等固定基礎(chǔ)設(shè)施，不便發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測地裂縫變化，在項目地質(zhì)巡查中也未發(fā)現(xiàn)地表裂縫跡象。盡管如此，JC14附近位于研究區(qū)重要的沉降中心，監(jiān)測期間JC14~JC16也發(fā)生了73~153mm的水平位移，說明該區(qū)很可能存在隱伏剪切型地裂縫，但該現(xiàn)象被耕地中的松軟土層所掩蓋。對城市化地區(qū)或地下基礎(chǔ)設(shè)施分布區(qū)，隱伏剪切型地裂縫導(dǎo)致土層壓力增大[18]，導(dǎo)致地下工程開裂、防水失效和變形等破壞[3]。

基于地表垂直形變量、水平位移量和地裂縫變化程度的空間關(guān)系（圖6），我們發(fā)現(xiàn)：（1）相近的2個沉降“漏斗”（JC11和JC14附近）先后發(fā)生疊置，并形成新的不規(guī)則沉降“漏斗”；（2）地裂縫變寬程度與地表垂直形變關(guān)系非常密切。地裂縫變寬的監(jiān)測點主要分布在沉降“漏斗”中心邊緣的陡坡區(qū)間，隨著沉降坡度變緩地裂縫變寬程度減?。▓D6a）。也就是，地裂縫變化程度與差異沉降具顯著相關(guān)性，這與我國地裂縫常與地面沉降伴生、并在地面沉降帶邊緣地帶發(fā)育的特征一致[1]，也與差異沉降引起的土層拉張導(dǎo)致裂縫擴(kuò)大的振動臺試驗結(jié)果吻合[19-20]；（3）地表水平位移與地裂縫發(fā)育程度具直接相關(guān)性。地表水平位移大的地區(qū)其地表裂縫變寬程度也大（圖6b）；（4）裂縫變窄現(xiàn)象（JC01附近的LF01監(jiān)測點）出現(xiàn)在垂直沉降量和水平位移量都很小的研究區(qū)西南部，與地表形變特征明顯不具空間相關(guān)性。由于該監(jiān)測點西南部為地勢更高的山地（圖1），推斷裂縫變窄原因為地下爆破誘導(dǎo)下，西南角山地的重力擠壓導(dǎo)致其自然彌合，與松散層覆蓋區(qū)地形差異改變邊坡應(yīng)力狀態(tài)影響裂縫發(fā)育的特征一致[12]，進(jìn)一步反映了地勢條件對裂縫發(fā)育的強(qiáng)約束作用。

圖6 研究區(qū)監(jiān)測期間垂直形變量、水平位移量三維模型及其與地裂縫發(fā)育程度的關(guān)系（字母數(shù)字示監(jiān)測點編號，圓圈大小示監(jiān)測期間裂縫變寬程度）Fig.6 Three-dimensional model of vertical deformation and horizontal displacement during monitoring in the study area and its relationship with the development degree of ground fissures(The letters indicate the number of monitoring points, and the circle size indicates the widening degree of cracks during monitoring)

4 結(jié)論與建議

（1）地勢條件對地裂縫的發(fā)育具重要影響。高地勢會強(qiáng)烈限制地裂縫的發(fā)育，甚至導(dǎo)致裂縫自然彌合，而平緩和低的地勢利于地裂縫的發(fā)育。

（2）地下開挖活動中的爆破振動會形成沉降“漏斗”，并產(chǎn)生指向振動中心的地表位移。在城市地裂縫研究中，可根據(jù)地面沉降三維模型和水平位移方向判斷潛在風(fēng)險源。建議在城市地裂縫研究中關(guān)注地震和地下振動活動的影響，構(gòu)建地面沉降“漏斗”三維模型，并監(jiān)測水平位移方向特征。

（3）多期地面沉降形成的沉降“漏斗”發(fā)生疊置，并形成新的不規(guī)則狀沉降“漏斗”。其對地裂縫的發(fā)育影響非常顯著，地裂縫主要發(fā)育在不規(guī)則沉降“漏斗”邊緣陡坡，也就是差異沉降大的區(qū)域，隨著差異沉降程度變小，地裂縫發(fā)育程度趨緩，差異沉降小的區(qū)域地裂縫發(fā)育程度有限。

（4）和垂直形變類似，水平位移對地裂縫具重要指示意義。水平位移大的地區(qū)拉張型地裂縫發(fā)育程度更為顯著，但水平位移小、垂直沉降大的區(qū)域同樣會發(fā)育剪切型地裂縫。

（5）松軟土層會掩蓋地裂縫現(xiàn)象，相比之下，堅硬的固定基礎(chǔ)設(shè)施更便于揭示地裂縫現(xiàn)象，也容易遭受地裂縫的影響。為減小地裂縫的不利影響，建議在我國地裂縫易發(fā)區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中考慮對工程進(jìn)行能適應(yīng)土層形變的“彈性”設(shè)計。