佛山地鐵塌陷InSAR時(shí)序監(jiān)測(cè)及機(jī)理分析*

張 嚴(yán) 朱 武② 趙超英② 韓炳權(quán)

(①長(zhǎng)安大學(xué)，地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 西安 710054， 中國(guó)) (②地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710054， 中國(guó))

0 引 言

地面塌陷是指在人為因素或者自然因素的作用下，地表巖、土體向下陷落，并形成塌陷坑或塌陷洞的地質(zhì)現(xiàn)象(王明偉等， 2008)。地面塌陷形成的前提是地表下空洞的存在，而空洞通常是由自然巖溶現(xiàn)象或人類挖掘造成的(Buttrick et al.， 2011)，當(dāng)然也存在一些誘發(fā)因素，如加載、地震、人為振動(dòng)等(Nisio et al.， 2007； Parise， 2012)。地面塌陷是突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害(Gutiérrez et al.， 2008)，特別是在城市地區(qū)，可能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全。因此，城市地面塌陷的監(jiān)測(cè)和早期預(yù)警構(gòu)成了重要的研究課題。

圖 1 研究區(qū)及Sentinel-1A數(shù)據(jù)覆蓋范圍示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the research area and Sentinel-1A data coverage area

在塌陷形成之前，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)地表下沉、裂縫等異常現(xiàn)象，可以利用這一特征來(lái)對(duì)潛在地面塌陷進(jìn)行早期預(yù)警(Chang et al.， 2014)。傳統(tǒng)基于離散點(diǎn)的地表形變監(jiān)測(cè)方法，不僅需要耗費(fèi)大量的人力、物力，而且當(dāng)監(jiān)測(cè)大范圍區(qū)域時(shí)效率較低(陳永奇， 1988； Galloway et al.， 1999)。而近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR)技術(shù)，由于其具有空間分辨率高、覆蓋范圍大、全天時(shí)、全天候等優(yōu)點(diǎn)(Bamler et al.， 1998； 蘭恒星等， 2019)，被廣泛用于監(jiān)測(cè)地面塌陷前的信號(hào)特征(Baer et al.， 2002； Closson et al.， 2003， 2005； Nof et al.， 2013； Vaccari et al.， 2013； Jones et al.， 2014， 2015； Kim et al.， 2016)，特別是在城市地區(qū)，具有成本低、效益高和較強(qiáng)的可行性(Intrieri et al.， 2015； Theron et al.， 2016)。

針對(duì)2018年2月7日發(fā)生的佛山市地鐵2號(hào)線塌陷事故，Alex et al.(2018)利用PSI(Persistent Scatterer InSAR)技術(shù)對(duì)覆蓋廣州和佛山地區(qū)2011-05～2017-01期間的COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，監(jiān)測(cè)了該地區(qū)相應(yīng)時(shí)間段的地表變化，并對(duì)塌陷的形成原因進(jìn)行了分析。劉琦等(2019)利用PS-InSAR技術(shù)對(duì)覆蓋佛山市2015-06～2018-09期間的Sentinel-1數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了研究區(qū)相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的地表形變結(jié)果，發(fā)現(xiàn)事故段地鐵沿線有明顯的形變信息，并猜測(cè)該路段地面沉降的重要原因是地鐵施工。前人在對(duì)地面沉降和地面塌陷形成的原因進(jìn)行分析時(shí)，均未結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料、事故調(diào)查報(bào)告等重要資料。

本文將整個(gè)禪城區(qū)作為研究區(qū)，搜集了2017-03～2019-01期間的56景Sentinel-1A數(shù)據(jù)，首先利用SBAS-InSAR(Small Baseline Subset InSAR)技術(shù)獲取了塌陷前、后期地表形變的時(shí)空演化規(guī)律。其次，為了驗(yàn)證形變監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性、進(jìn)一步分析地面塌陷與地面沉降的關(guān)系，對(duì)塌陷坑附近區(qū)域進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，并對(duì)塌陷坑附近的形變特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后，結(jié)合搜集到的事發(fā)地地質(zhì)資料、事故調(diào)查報(bào)告等，合理地推測(cè)了塌陷形成的機(jī)理。

1 研究區(qū)概況

1.1 禪城區(qū)基本概況

禪城區(qū)是廣東省佛山市的5個(gè)行政轄區(qū)之一，也是其政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，與廣州市、深圳市等城市相鄰。

(1)地理位置：禪城區(qū)位于東經(jīng)113°00′41″～113°05′40″，北緯22°35′01″～23°02′24″，地處珠江三角洲的腹地，在廣州市的西南部，佛山市的中部。南北向長(zhǎng)約15km，東西向?qū)捈s19km，面積約為154km2，如圖 1中藍(lán)色框所示，紅色五角星即為塌陷坑所在位置(見(jiàn)電子版彩色圖片)。

(2)地質(zhì)概況：禪城區(qū)的地質(zhì)屬于第四系地層，主要為黏土和其他各種粒徑的沙層，厚度約從5m至40m不等，具有自東向西遞增的趨勢(shì)，東平水道以西的地區(qū)第四系較厚，是禪城區(qū)第四系的主要沉積區(qū)(易守勇等， 2017)。圖 2為禪城區(qū)第四系沉積物等厚線圖。

禪城區(qū)是地勢(shì)平坦的沖積平原，大多區(qū)域海拔在1.3m和4.6m之間。地貌類型單一，主要為堆積地貌，屬于三角洲平原，大部分地表覆蓋著厚約15～25m的松散沉積物。禪城區(qū)的軟土層天然孔隙比大且含水量高，具有高壓縮性、低黏聚力和小固結(jié)系數(shù)的特點(diǎn)，所以在人類活動(dòng)的影響下，地表很容易發(fā)生形變，由此會(huì)帶來(lái)各種安全隱患。禪城區(qū)軟土厚度等厚線圖如圖 3所示，可看出軟土厚度的空間分布與第四系沉積物(圖 2)基本呈正相關(guān)。

表 1 Sentinel-1A數(shù)據(jù)參數(shù)Table 1 Parameters of Sentinel-1A

圖 2 禪城區(qū)第四系沉積物等厚線圖(改自易守勇等， 2007)Fig. 2 Isopach map of Quaternary sediment in Chancheng district

圖 3 禪城區(qū)軟土分布等厚線圖(改自易守勇等， 2007)Fig. 3 Isopach map of soft soil distribution in Chancheng district

1.2 塌陷事故基本概況

2018年2月7日，位于佛山市禪城區(qū)湖涌站至綠島湖站的地鐵2號(hào)線右線工地在盾構(gòu)中突發(fā)透水，導(dǎo)致施工隧道和地面發(fā)生坍塌(張愛(ài)軍等， 2018)。圖 4為塌陷現(xiàn)場(chǎng)照片，地面坍塌范圍東西向約65m，南北向約81m，深度約6～8m，地面塌方面積約4192m2，坍塌體方量接近2.5×104m3。

圖 4 塌陷事故現(xiàn)場(chǎng)圖(改自張愛(ài)軍等， 2018)Fig. 4 Map of collapse accident site

事故發(fā)生區(qū)間呈東西走向，正位于季華西路下面，采用盾構(gòu)法施工。事故段隧道穿行區(qū)域大部分巖土松散，承載力低，自穩(wěn)定差，總體上工程地質(zhì)條件很差。事故段隧道底埋深越30.5m，從上至下分別為人工填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、粉砂、粗砂、圓礫。圖 5所示為截取的東西向穿過(guò)塌陷坑的地質(zhì)剖面圖。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù) 據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)搜集了覆蓋研究區(qū)2017-03-12～2019-01-25期間的56景升軌Sentinel-1A數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)覆蓋情況如圖 1中綠色框所示，數(shù)據(jù)的具體參數(shù)如表 1所示。外部DEM采用的是90m分辨率的TanDEM-X DEM。

2.2 SBAS-InSAR技術(shù)

SBAS-InSAR技術(shù)是由Berardino等人在2002年提出的(Berardino et al.， 2002)，通過(guò)設(shè)置一定的時(shí)間、空間基線閾值，獲取相對(duì)高質(zhì)量的干涉對(duì)，基于解纏后的干涉圖獲取形變速率和形變時(shí)間序列結(jié)果。其基本原理為：設(shè)第j幅干涉圖是tA和tB時(shí)刻獲取的兩幅SAR影像生成的，則距離向坐標(biāo)為r、方位向坐標(biāo)為x的像元的差分相位可以表示為：

δφj(x，r)=φ(tB，x，r)-φ(tA，x，r)

(1)

圖 6 時(shí)空基線分布圖Fig. 6 Temporal and perpendicular baseline distribution

?j=1，…M

(2)

式中：λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；d(tB，x，r)和d(tA，x，r)分別為tB和tA時(shí)刻視線向的累積形變量，式(2)所示線性方程組的矩陣表達(dá)式為：

Aφ=δφ

(3)

式中：A為M×N的矩陣，行向量為干涉組合，列向量為SAR影像。當(dāng)小基線子集個(gè)數(shù)L=1時(shí)，A為列滿秩矩陣，可以通過(guò)最小二乘估計(jì)累積形變量：

(4)

當(dāng)小基線子集個(gè)數(shù)L>1時(shí)，方程(4)是秩虧的，秩虧數(shù)為N-L+1，可以對(duì)A進(jìn)行奇異值分解，求出累積形變量φ的最小范數(shù)意義下最小二乘解。

2.3 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵步驟

(1)Sentinel-1A數(shù)據(jù)預(yù)處理：首先分別讀取56景數(shù)據(jù)每個(gè)子條帶的SLC數(shù)據(jù)和創(chuàng)建參數(shù)文件，并根據(jù)強(qiáng)度圖目視判斷提取各影像覆蓋研究區(qū)的公共burst，然后利用精度在5cm以內(nèi)的AUX_POEORB精密軌道文件對(duì)軌道文件進(jìn)行更新，以提高衛(wèi)星位置的精度，從而減小干涉圖的基線誤差。最后利用外部DEM輔助影像配準(zhǔn)，使配準(zhǔn)的精度達(dá)到像元大小的千分之一，再對(duì)配準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行去斜處理。

(2)生成干涉對(duì)并差分處理：首先，為了避免嚴(yán)重的失相干現(xiàn)象，我們?cè)O(shè)定垂直基線閾值為200m，時(shí)間基線閾值為100d，通過(guò)自由組合生成396個(gè)基于不同主影像的干涉對(duì)。然后，將組合得到的干涉對(duì)進(jìn)行干涉處理，并利用采集到的TanDEM-X DEM和SAR軌道數(shù)據(jù)，模擬地形相位和平地相位，并將其從原始干涉相位中予以去除。之后考慮到塌陷坑的面積較小，我們對(duì)干涉噪聲進(jìn)行小窗口(大小為16)、小步長(zhǎng)(大小為2)的自適應(yīng)譜濾波處理，在此基礎(chǔ)上，我們使用最小費(fèi)用流(MCF)方法得到了解纏后的相位。并從中挑選出了94個(gè)高質(zhì)量的解纏圖，時(shí)間基線與垂直基線的關(guān)系如圖 6所示。

(3)求取年平均形變速率和形變時(shí)間序列：由于在數(shù)據(jù)處理中，小基線子集個(gè)數(shù)L=1，系數(shù)矩陣A為列滿秩矩陣，利用最小二乘法進(jìn)行求解，獲得研究區(qū)在監(jiān)測(cè)期間的年平均形變速率和形變時(shí)間序列。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從年平均形變速率圖(圖 7)可以看出：在監(jiān)測(cè)期間，塌陷坑臨近區(qū)域有明顯的形變，而遠(yuǎn)離塌陷坑的地鐵沿線地帶大多比較穩(wěn)定。由于塌陷形成主要受臨近區(qū)域的影響，由此將塌陷坑臨近區(qū)單獨(dú)提取做進(jìn)一步分析，如圖 7中紫色框所示。

圖 7 年平均形變速率圖Fig. 7 Annual land subsidence rate map

圖 8所示為上圖中紫色框放大圖。由于該區(qū)域存在大面積植被覆蓋區(qū)以及建筑工地，導(dǎo)致影像失相干現(xiàn)象較為嚴(yán)重，使得測(cè)量結(jié)果缺少大量的測(cè)量點(diǎn)。不過(guò)可以猜測(cè)，大部分沉降區(qū)域應(yīng)為連續(xù)的，而且最大沉降量估計(jì)比監(jiān)測(cè)到的大很多。在塌陷坑近鄰區(qū)域選擇一個(gè)點(diǎn)P做形變時(shí)間序列分析，結(jié)果如圖 9所示。

圖 8 塌陷坑附近區(qū)域年平均速率圖Fig. 8 Annual land subsidence rate map of the area near the collapse pit

由圖 9可以看出，P點(diǎn)在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)存在持續(xù)地面沉降，形變基本呈線性變化，形變速率大約30mm·a-1，從2018-09之后沉降有變緩趨勢(shì)，塌陷前1a時(shí)間內(nèi)累積形變量達(dá)到了35mm以上，監(jiān)測(cè)的2a期間累計(jì)沉降量達(dá)到了60mm以上。而且可以看出，在塌陷前一段時(shí)間(2017-12-25～2018-01-30)，形變速率突然增加，而臨近塌陷前幾天和塌陷過(guò)后幾天，形變趨于穩(wěn)定，再往后形變速率又突然增加。

圖 9 P點(diǎn)形變時(shí)間序列圖Fig. 9 The time-series of point P

為進(jìn)一步分析地面沉降與地面塌陷之間的關(guān)系，在塌陷前期(2017-03-12～2018-01-30)累計(jì)形變圖上選取東西向穿過(guò)塌陷坑的一條剖線AB(如圖 8)做形變分析(圖 10)。由圖可見(jiàn)，塌陷坑及其近鄰區(qū)域存在不均勻的地面沉降，在不到一年的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，沉降量最大達(dá)到近40mm，塌陷坑處沉降量最大達(dá)到近37mm。

圖 10 剖線AB沿線的沉降量Fig. 10 Deformation along line AB

4 地面沉降原因及塌陷機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)塌陷坑及其附近區(qū)域進(jìn)行實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)沉降區(qū)存在地面裂縫、建筑物破壞等現(xiàn)象(圖 11)，而非形變區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯地表形變現(xiàn)象，從而證明了監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。塌陷坑北方大面積區(qū)域被植被覆蓋且存在建筑施工，從而導(dǎo)致了該區(qū)域影像失相干現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

圖 11 野外實(shí)地調(diào)查照片F(xiàn)ig. 11 Field survey photos

4.1 地面沉降原因分析

通過(guò)調(diào)研得知，該地的生活用水和工業(yè)用水均來(lái)自北江和南江的河水，因此并不存在抽取地下水的情況。通過(guò)將年平均形變速率圖(圖 7)和禪城區(qū)第四系沉積等厚線圖(圖 2)對(duì)比可見(jiàn)，沉降較嚴(yán)重的區(qū)域與第四系沉積厚度較大的區(qū)域基本一致，但第四系中最容易發(fā)生沉降的是軟土層，軟土的厚度分布與第四系不完全一致，而且沉降會(huì)受多種因素的影響，所以具體沉降情況還要結(jié)合軟土厚度分布(圖 3)情況綜合分析。此外，從P點(diǎn)的形變時(shí)間序列圖可見(jiàn)，在塌陷發(fā)生前的一段時(shí)間(2017-12-25～2018-01-30)，形變速率突然增加，猜測(cè)可能是地鐵施工擾動(dòng)導(dǎo)致的。而臨近塌陷前幾天和塌陷過(guò)后幾天，形變趨于穩(wěn)定，考慮到可能是水管泄露導(dǎo)致軟土層飽和的原因。2018-09之后沉降變緩，應(yīng)該是軟土層通過(guò)多年固結(jié)壓縮，逐步趨于穩(wěn)定?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，地面發(fā)生不均勻沉降，主要原因是軟土厚度的分布不均勻，其次地鐵施工擾動(dòng)也加速了地面沉降。

圖 12 塌陷機(jī)理分析示意圖(改自易守勇等， 2007)Fig. 12 Schematic diagram of collapse mechanism

4.2 塌陷機(jī)理分析

圖 12所示為塌陷機(jī)理分析示意圖，事故發(fā)生時(shí)，盾構(gòu)機(jī)處于工程地質(zhì)較差的地帶，機(jī)身中下部處于中砂和粉砂交界位置，隧洞頂是易壓縮的淤泥質(zhì)土層、隧洞底是軟弱的粉砂層。隧道沿線地表下5m左右設(shè)有供水管道，管道直徑約1m。圖中A、B的位置對(duì)應(yīng)圖 8中的剖線AB。

事故調(diào)查報(bào)告指出，佛山隧道塌方的原因?yàn)橥话l(fā)透水造成隧道結(jié)構(gòu)破壞(張愛(ài)軍等， 2018)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，我們認(rèn)為事故起因于地面沉降導(dǎo)致供水管道損壞。主要原因如下：首先，大量的研究表明，地面沉降會(huì)對(duì)地下管道產(chǎn)生破壞(張維然等， 2002； 趙常洲等， 2006； 賈三滿等， 2007； 毛小平等， 2016)，禪城區(qū)供水管道等基礎(chǔ)設(shè)施普遍存在老化現(xiàn)象，很容易受到地面沉降的影響； 其次，早在2018年1月15日，CB113附近發(fā)生過(guò)一次小型塌陷事故(CB113地理位置如圖 8所示)，該小型塌陷現(xiàn)場(chǎng)示意圖如圖 13所示，由于沒(méi)有造成嚴(yán)重后果而沒(méi)得到重視，但塌陷原因被鑒定為供水管道破裂。

圖 13 小型塌陷事故現(xiàn)場(chǎng)圖Fig. 13 Map of minor collapse accident site

從圖 12可以看出，此次塌陷事故所在區(qū)域地質(zhì)環(huán)境更為復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)頂?shù)挠倌噘|(zhì)土屬于軟土的一種，壓縮性高、強(qiáng)度低(秦川等， 2019)，特別是機(jī)身中下部砂層的存在，大大增加了出現(xiàn)水管泄漏的情況下發(fā)生塌陷事故的風(fēng)險(xiǎn)，也是這里發(fā)生大型塌陷事故的重要原因。根據(jù)已有資料和InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果，我們合理地推測(cè)了此次塌陷事故形成的機(jī)理：由于供水管道下方的淤泥質(zhì)土存在不均勻沉降，從而供水管道所受承載力的大小分布也不均勻，承載力越小的地方(沉降越大的地方)，水管越容易發(fā)生接口松動(dòng)或局部開(kāi)裂。管道損壞后水外滲使地層飽和，弱化了土層的力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)施工擾動(dòng)加大飽和土層變形和管線滲漏，水向下滲入到盾尾下方粉細(xì)沙層，粉細(xì)沙層含水量增加，承載力減小。盾構(gòu)機(jī)上方淤泥質(zhì)土層應(yīng)力和下方粉細(xì)砂層承載力的變化，導(dǎo)致盾尾發(fā)生下沉。盾構(gòu)機(jī)機(jī)身振動(dòng)致使還未完全凝固的管片產(chǎn)生裂縫，盾尾透水涌沙，隨著透水涌砂繼續(xù)擴(kuò)大，下部砂層被掏空，使盾構(gòu)機(jī)和成型管片結(jié)構(gòu)向下位移、變形。隧道結(jié)構(gòu)破壞后，巨量泥沙突然涌入隧道，并在隧道有限空間內(nèi)引發(fā)了迅猛的沖擊氣浪，最終導(dǎo)致隧道和地面坍塌。

5 結(jié) 論

(1)本文基于2017-03～2019-01期間的56景Sentinel-1A數(shù)據(jù)，利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了研究區(qū)的時(shí)空形變信息。結(jié)果發(fā)現(xiàn)塌陷坑及其附近區(qū)域在監(jiān)測(cè)期間存在持續(xù)的地面沉降，形變速率達(dá)到30mm·a-1以上，而遠(yuǎn)離塌陷坑的地鐵沿線地帶大多比較穩(wěn)定。

(2)通過(guò)對(duì)塌陷區(qū)的實(shí)地考察，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料和事故調(diào)查報(bào)告，認(rèn)為塌陷坑及其臨近區(qū)域地面沉降主要原因是軟土的固結(jié)壓縮，其次地鐵施工擾動(dòng)也在一定程度上加速了地面沉降。

(3)推測(cè)了塌陷形成的機(jī)理：供水管道下方的軟土存在不均勻沉降，使水管損壞導(dǎo)致管道內(nèi)水外滲，進(jìn)而致使還未達(dá)到膠裝凝固點(diǎn)的管片產(chǎn)生裂縫，最終引起隧道和地面坍塌。

(4)在地質(zhì)環(huán)境差的環(huán)境中施工，應(yīng)該對(duì)地表沉降提高警惕，對(duì)有潛在隱患的區(qū)域及時(shí)治理，并以高精度手段持續(xù)監(jiān)測(cè)其發(fā)展。

本文所用的地質(zhì)資料為廣東省佛山地質(zhì)局提供，特此致謝!