曹興硯，李 亮，孫 杰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)測(cè)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動(dòng)了煤炭產(chǎn)量的上升，而由煤炭開(kāi)采導(dǎo)致的地表變形繼而引發(fā)的建筑物破壞情況也日益增多。框架結(jié)構(gòu)建筑物由于其整體性強(qiáng)，剛度好，抗變形能力強(qiáng)而廣泛地出現(xiàn)在煤炭開(kāi)采沉陷地區(qū)。近年來(lái)有關(guān)學(xué)者結(jié)合了具體的工程實(shí)踐對(duì)框架結(jié)構(gòu)建筑物變形情況進(jìn)行了變形特征分析。譚志祥等研究了開(kāi)采影響下不同類型建筑物的移動(dòng)變形規(guī)律；夏軍武等研究了在地基、條形基礎(chǔ)與框架結(jié)構(gòu)共同作用下的建筑物變形機(jī)理；翟淑花等研究了框架結(jié)構(gòu)建筑物受到的開(kāi)采損壞變形機(jī)理，但大都在臨時(shí)坐標(biāo)系中按照時(shí)間獲取單點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，且未與地表變形進(jìn)行比對(duì)。

1 煤炭開(kāi)采沉陷區(qū)對(duì)框架結(jié)構(gòu)建筑的影響

開(kāi)采工作面推進(jìn)過(guò)程中形成的采空區(qū)會(huì)導(dǎo)致地表下沉，產(chǎn)生傾斜、曲率、水平移動(dòng)以及水平變形。在工作面開(kāi)采結(jié)束之后，地表變形仍然會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。煤炭開(kāi)采引起的下沉、傾斜等變形會(huì)破壞已有的建筑物與其地基之間的原始平衡條件。沉陷區(qū)建筑除了向地表傳送上部結(jié)構(gòu)荷載外，還要承受地表移動(dòng)產(chǎn)生的附加內(nèi)力并向上部傳送。地表變形與框架結(jié)構(gòu)自身剛度的相互作用不僅減弱了建筑物自身變形，同時(shí)也將開(kāi)采導(dǎo)致的地表變形傳送至上部。

2 安居三中及采區(qū)情況介紹

本項(xiàng)目選定的研究區(qū)域位于唐口煤業(yè)五采區(qū)5305工作面開(kāi)采影響區(qū)域。5305工作面采寬約288m，走向長(zhǎng)約1720m，工作面埋深約為940～970m，采厚約4.5m。5305工作面主要影響的框架結(jié)構(gòu)建筑物為廢棄的安居三中，該中學(xué)的主體結(jié)構(gòu)建筑物為三層的教學(xué)樓，受5305工作面開(kāi)采影響時(shí)間約為2017年1月～2017年12月。本次實(shí)驗(yàn)中定期對(duì)該中學(xué)教學(xué)樓和周?chē)乇磉M(jìn)行三維激光掃描測(cè)量，同步獲取該中學(xué)建筑物形變和地表形變，以求取框架結(jié)構(gòu)建筑物整體變形情況。測(cè)區(qū)井上下對(duì)照如圖1所示。

圖1 井上下對(duì)照

3 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

安居三中位于5305工作面西側(cè)，在影響區(qū)域范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)所采用教學(xué)樓是長(zhǎng)寬高約為100m×11m×12m的“┐”型建筑物，由于安居三中東西較寬，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且同時(shí)需要掃描建筑物周?chē)乇睃c(diǎn)云，無(wú)法在單次掃描中獲取全部數(shù)據(jù)，因此需要多次采集。在采集過(guò)程中應(yīng)該滿足以下條件：

(1)保證相鄰兩站之間所掃描區(qū)域具有足夠的重疊度以滿足拼接精度的需求。

(2)對(duì)于建筑物及其鄰近的地表應(yīng)該精細(xì)化掃描以滿足實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)精度。

(3)所獲取的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠在后處理軟件中拼接成完整的目標(biāo)對(duì)象。

(4)盡量避免植被遮擋導(dǎo)致的目標(biāo)對(duì)象表面點(diǎn)云的缺失。

為保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)與大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)之間的高精度轉(zhuǎn)化，因此在掃描前對(duì)布置于建筑物周邊的標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行高精度控制測(cè)量。建筑物周邊標(biāo)靶點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

圖2 控制點(diǎn)分布

實(shí)驗(yàn)中共采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)3次，采集時(shí)間分別為2016年10月、2016年12月與2017年6月。其中第1次采集時(shí)目標(biāo)對(duì)象與工作面推進(jìn)位置之間的距離約680m，第2次采集時(shí)距離約為450m，第3次采集時(shí)距離約為180m?？紤]到安居三中作為一個(gè)框架結(jié)構(gòu)的建筑物，其本身就具有良好的抗變形能力，可能會(huì)導(dǎo)致1，2兩期數(shù)據(jù)之間的變化偏小，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此選取了第1，3期點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為主要研究對(duì)象來(lái)獲取地表與建筑物的變形值。

實(shí)驗(yàn)中的控制測(cè)量采用準(zhǔn)靜態(tài)GPS測(cè)量與三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合的方法實(shí)時(shí)同步獲取，為保證掃描確定的圖形精度，限定掃描距離不超過(guò)30m。為了確定本方法進(jìn)行控制測(cè)量的誤差，在第1期和第3期數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，采用測(cè)量機(jī)器人和二等水準(zhǔn)采集了控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)對(duì)本方法采集數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，可得兩期控制點(diǎn)坐標(biāo)差在X方向中誤差為3.2mm，Y方向中誤差為2.4mm，高程中誤差為5.2mm，滿足礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)需求。

在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)該盡量使已知點(diǎn)均勻分布且位于不同直線上，因此選取d4，d6，d8，d9點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)4個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)值如表1所示。

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo)

3.2 特征區(qū)域選擇與數(shù)據(jù)處理

3.2.1 特征區(qū)域選擇

為了分析建筑物的整體變形情況，選取了6個(gè)由建筑物朝向不同的立面相交形成、位于建筑頂部的特征區(qū)域，記為B1～B6。提取其各個(gè)時(shí)期的坐標(biāo)觀測(cè)值，從而分析開(kāi)采影響下建筑物整體的變形值，特征點(diǎn)分布情況如圖3所示。

圖3 建筑物特征點(diǎn)分布示意

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)第1，3次所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建筑物特征區(qū)域重心坐標(biāo)如表2所示。

表2 第1，3期特征區(qū)域重心數(shù)據(jù)

根據(jù)表中的坐標(biāo)變形情況，B6坐標(biāo)變化情況最明顯，其下沉為111mm，水平移動(dòng)約為80mm。

根據(jù)5305采掘工程平面圖，5305工作面是由西北往東南進(jìn)行推進(jìn)，因此在2次數(shù)據(jù)采集期間，B6及其周邊區(qū)域受到的采動(dòng)影響時(shí)間最長(zhǎng)，因此下沉較為明顯。在第1次點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，建筑物離工作面最近的點(diǎn)為B6，距離約為600m。第3次點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)B6號(hào)與工作面的距離約為190m。因此，B6的坐標(biāo)變化情況較1～5號(hào)點(diǎn)明顯。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，計(jì)算B1～B6區(qū)域自身重心下沉值(w)、與相鄰區(qū)域之間的傾斜值(i)和水平變形值(ε)情況，結(jié)果如表3所示。

表3 建筑物特征點(diǎn)變形情況

根據(jù)表3中1，3期之間的特征點(diǎn)變形情況， B6和B1之間的傾斜與水平變形情況較其他點(diǎn)之間更為明顯。這是由于傾斜和水平變形分別是根據(jù)下沉差與兩點(diǎn)間距離，移動(dòng)差和兩點(diǎn)間距離計(jì)算得出的，從圖1中可以看出，B1與B6受5305工作面的采動(dòng)影響時(shí)間較其他的點(diǎn)更長(zhǎng)，因此B1與B6之間的傾斜與水平變形較其余位置明顯。根據(jù)特征區(qū)域變化情況，可以判斷出房子整體向北偏西方向移動(dòng)，同時(shí)向北傾斜。結(jié)合開(kāi)采實(shí)際情況，建筑物特征區(qū)域變化基本符合工作面推進(jìn)情況。

為了更好地對(duì)比地面與建筑物的變形差異，選取了特征點(diǎn)附近特征區(qū)域的各期地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析其變形情況。特征點(diǎn)附近區(qū)域記為L(zhǎng)1～L6，并且與建筑物上的特征點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。第1，3期觀測(cè)時(shí)，各建筑物對(duì)應(yīng)的地面區(qū)域重心三維坐標(biāo)如表4所示。求取的各區(qū)域重心的變化情況如表5所示。

表4 地面特征點(diǎn)坐標(biāo)變化情況

表5 地面特征點(diǎn)變形情況

根據(jù)表3與表5中的計(jì)算數(shù)據(jù)，建筑物特征位置的移動(dòng)變形值與其周邊地表的移動(dòng)變形值相比，雖然有個(gè)別位置由于誤差等原因?qū)е陆ㄖ锾卣魑恢米冃沃荡笥谄渲苓叺乇?，但總體而言是略小一些的。因此地面移動(dòng)變形值未完全傳遞到建筑物上，建筑物的移動(dòng)變形值較地表小。

4 可靠性分析

4.1 建筑物變形可靠性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的房屋調(diào)查的情況，安居三中出現(xiàn)如圖4輕微損害情況。位于教學(xué)樓東部由北向南分布的三所教室已出現(xiàn)不同程度的損害情況。其中，偏北位置的一樓房間頂梁出現(xiàn)輕微裂紋，并伴隨墻體表皮脫落，地板中部出現(xiàn)寬度約為1mm的東西向裂縫，二樓同樣位置房間東墻存在輕微裂紋，三樓的同樣位置房間的入戶門(mén)南側(cè)存在松動(dòng)現(xiàn)象。

根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，距離工作面較近的B6下沉達(dá)到111mm，而距離較遠(yuǎn)的B1下沉為101mm，相差10mm，建筑產(chǎn)生了不均勻下沉，導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生傾斜和水平拉伸變形；拉伸變形并在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。而框架結(jié)構(gòu)建筑物對(duì)拉伸變形的抵抗能力較弱，在較小的水平拉伸變形作用下，建筑物尤其是門(mén)窗等薄弱部位就會(huì)產(chǎn)生如圖4(d)所示的變形。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中磚混建構(gòu)建筑物損壞等級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，該建筑物出現(xiàn)了最寬約為1mm的裂縫，屬于Ⅰ級(jí)損害中的極輕微損害。表3中的建筑物傾斜值與變形值也明顯符合Ⅰ級(jí)損害中建筑物水平變形小于2mm/m、傾斜變形小于3mm/m的要求。因此，由三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析處理獲得的建筑物變形值有一定的可靠性，可以應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)建筑物的變形監(jiān)測(cè)。

圖4 目標(biāo)建筑損壞情況

4.2 地表變形可靠性分析

根據(jù)唐口礦業(yè)集團(tuán)所提供的材料，5305工作面所在地區(qū)煤層在充分采動(dòng)條件下下沉系數(shù)q=0.8，主要影響角正切tanβ=2，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.3，最大下沉角θ=88°，使用開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)第3期點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集當(dāng)天5305工作面影響范圍內(nèi)地表傾斜與水平變形情況進(jìn)行預(yù)計(jì)，所繪制的等值線分布情況如圖5所示。圖5(a)與圖5(b)為地表在南北與東西兩個(gè)方向的傾斜等值線走勢(shì)，圖5(c)與圖5(d)為地表在南北與東西兩個(gè)方向的水平變形等值線走勢(shì)情況。圖中等值線分布走勢(shì)情況與根據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)所獲取的地表變形趨勢(shì)基本一致。因此利用三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取的地表變形數(shù)據(jù)具有一定的可靠度。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)受到唐口礦業(yè)集團(tuán)5305工作面開(kāi)采影響的框架結(jié)構(gòu)建筑物安居三中主教學(xué)樓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析，得到如下結(jié)論：

圖5 地表變形預(yù)計(jì)情況

(1)實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)表明教學(xué)樓的B6區(qū)域下沉最為明顯，達(dá)到了111mm；地面下沉最大的區(qū)域?yàn)锽6對(duì)應(yīng)的L6下沉達(dá)到129mm；建筑物及其周邊地表整體向西北方向傾斜。

(2)預(yù)計(jì)計(jì)算了5305工作面在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)對(duì)教學(xué)樓周邊的影響情況，預(yù)計(jì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在規(guī)律上保持了良好的一致性。

(3)分析計(jì)算結(jié)果表明使用三維激光掃描儀所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠較好地監(jiān)測(cè)采動(dòng)區(qū)框架結(jié)構(gòu)建筑物及其周邊地表的變形情況。