基于InSAR的高速鐵路區(qū)域沉降變形研究

孔志鵬

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司, 江蘇南京 211112))

伴隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，地下水的需求與日俱增，許多地區(qū)面臨著區(qū)域性地面沉降災(zāi)害[1]，以高速鐵路為例，截止到2020年，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12萬km以上，建設(shè)客運(yùn)專線1.6萬km以上。我國已成為世界上高速鐵路發(fā)展最快、運(yùn)營里程最長、運(yùn)營速度最高、在建規(guī)模最大的國家。然而由于大面積的地面沉降給高速鐵路的安全運(yùn)營帶來巨大威脅。根據(jù)研究，自1921年我國上海發(fā)現(xiàn)地面沉降以來，至今已有90多個(gè)城市和地區(qū)均報(bào)告有不同程度的地面沉降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在華北平原5萬km2的調(diào)查范圍內(nèi)，大于1 000 mm的地面沉降高達(dá)8 510 km2[2]。研究表明，京津、京滬高鐵沿線經(jīng)過的多數(shù)地段均發(fā)生了不同程度的沉降，其中天津至滄州部分路段地面平均沉降速度高達(dá)50～90 mm/a[3]。

在早期沉降監(jiān)測(cè)主要仍然以常規(guī)監(jiān)測(cè)方法為主。比如傳統(tǒng)埋設(shè)沉降觀測(cè)樁、沉降板、觀測(cè)管等設(shè)備[4]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化沉降技術(shù)也被越來越多的應(yīng)用于地面沉降的監(jiān)測(cè)[5]。李明[6]基于全站儀和棱鏡結(jié)合的方式沉降監(jiān)測(cè)并進(jìn)行了驗(yàn)證。郭江濤[7]采用非參數(shù)多項(xiàng)式法對(duì)自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)分析，并得到了比較精確的結(jié)果。此外還有GPS方法對(duì)沉降的監(jiān)測(cè)，但是以上方法均屬于點(diǎn)狀觀測(cè)，存在點(diǎn)位密度低、觀測(cè)成本高等局限性。采用遙感技術(shù)探測(cè)鐵路沿線區(qū)域的地面沉降已成為趨勢(shì)。

雷達(dá)差分干涉測(cè)量(DInsar)方法使用二次差分干涉相位數(shù)據(jù)及基線數(shù)據(jù)，提取地面目標(biāo)的微小形變信息，精度可達(dá)到級(jí)甚至級(jí)。技術(shù)能夠獲取大面積、高精度的地表變化信息，其測(cè)量的結(jié)果整體上是連續(xù)的，不存在總體累積誤差，且易于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此被認(rèn)為是大面積地表形變連續(xù)監(jiān)測(cè)的有效工具[3]。本文以京滬高速鐵路某段為例，基于高分辨率DInSAR開展研究，重點(diǎn)開展水準(zhǔn)與DInSAR聯(lián)合監(jiān)測(cè)的技術(shù)研究，為研究區(qū)域沉降對(duì)京滬高速鐵路基礎(chǔ)工程的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

華北平原是國內(nèi)超采地下水最嚴(yán)重的地區(qū)。至2005年華北平原大于1 000 mm的沉降面積達(dá)8 510 km2，大于500 mm的沉降面積達(dá)33 386 km2；北京地區(qū)最大累計(jì)沉降量分別為0.791 m；天津地區(qū)最大累計(jì)沉降量分別為3.187 m；河北地區(qū)最大累計(jì)沉降量分別為2.457 m。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快、高層建筑的施工以及對(duì)地下水的需求與日俱增，華北平原地面沉降呈現(xiàn)加劇的趨勢(shì)。

研究區(qū)位于京滬鐵路天津和滄州某段?；咎卣魇且远逊e為主的平原地貌。華北平原地表起伏較緩，大部分地區(qū)在海拔50 m以下，自西向東自然坡度較小，地面高程僅2～3 m，因此，地勢(shì)低平是黃河三角洲平原所凸現(xiàn)的最基本特征之一。

研究區(qū)屬中國東部亞熱帶季風(fēng)氣候。年均溫15～16 ℃；最冷月均溫2～4 ℃；最熱月均溫 27～28 ℃。年降水量l 000～l 400 mm，季節(jié)分配較均勻，以夏雨最多，春雨次之，冬雨最少。主要地質(zhì)構(gòu)造有華北地拗、北京迭斷陷，大興迭隆起、大廠新斷陷以及一系列北東向與北北西—北西向斷裂將盆地切割成一系列的隆起和凹陷，以及北北東向長條性的次級(jí)斷陷盆地。從地質(zhì)剖面來看，350 m以上含水層厚度約占31%，且在水平方向上黏土層的厚度變化較大，從垂直方向看，第三含水組的黏土層較厚，因此開采該組地下水引起的地面沉降較大。從地層分布看，300 m以上的含水層以粉土、粉細(xì)砂為主，300 m以下的含水層以細(xì)砂、中砂居多，含水層的連通性好，開采同樣水量情況下，水位下降幅度大。同時(shí)，研究區(qū)含水層和隔水層屬于薄層交互發(fā)育，則作為相對(duì)隔水層的粘土層的釋水將會(huì)大大增加，將會(huì)使單位厚度的沉降增加。

2 結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測(cè)方法與數(shù)據(jù)處理

選擇京滬高速鐵路11.9 km×11.7 km帶狀范圍作為試驗(yàn)區(qū)域，使用國TerraSAR-X衛(wèi)星在獲取的SAR影像(X波段，2 m分辨率)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，沿4條公路均勻布設(shè)了水準(zhǔn)點(diǎn)45個(gè)，對(duì)這些水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行了4期水準(zhǔn)測(cè)量。

在ENVI環(huán)境下開發(fā)的PS/CR網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)干涉軟件系統(tǒng)，對(duì)SAR時(shí)序影像讀寫、PS探測(cè)、非線性形變時(shí)間序列分離等。使用PSI_SWJTU軟件對(duì)時(shí)序TerraSAR-X影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要過程包括：SAR影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、人工與天然PS探測(cè)、人工與天然PS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、PS網(wǎng)絡(luò)建模及參數(shù)估計(jì)、PS網(wǎng)平差及線性沉降解算。完成所有數(shù)據(jù)處理與分析后，提取出試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)所有PS的沉降速率及沉降時(shí)間序列，再與水準(zhǔn)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果比較、驗(yàn)證分析。

2.2 沿線沉降數(shù)據(jù)分析

選定線路里程DK121-DK131區(qū)段為典型區(qū)域沉降試驗(yàn)區(qū)。根據(jù)沿線沉降數(shù)據(jù)分析得出(圖1)，研究區(qū)存在明顯的沉降漏斗。4期水準(zhǔn)測(cè)量沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，每期監(jiān)測(cè)的平均沉降量為20 mm，19個(gè)月的平均累計(jì)沉降量60 mm，最大的累計(jì)沉降量89 mm；沿線路中線有較明顯的漏斗形沉降。

圖1 試驗(yàn)區(qū)地表沉降三維立體

2.3 沿線沉降數(shù)據(jù)分析

在試驗(yàn)區(qū)使用TerraSAR-X影像經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得的監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖2)表明，監(jiān)測(cè)區(qū)域在半年內(nèi)的最大沉降量為73 mm，最小沉降量為5 mm左右，城市區(qū)域最大沉降低于10 mm。通過影像數(shù)據(jù)分析容易發(fā)現(xiàn)位于京滬線右側(cè)某火力發(fā)電廠存在大范圍的地表沉降，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，與其過量開發(fā)利用地下水有直接關(guān)系。采用傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)測(cè)量，沿線路中線1 km左右寬的周邊布設(shè)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，4期近2年的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果僅發(fā)現(xiàn)沿線地表存在漏斗。水準(zhǔn)測(cè)量的區(qū)域沉降結(jié)果如圖1所示，在圖的左上角有明顯的漏斗存在。這一成果充分體現(xiàn)了InSAR技術(shù)在區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)和巨大的應(yīng)用潛力。

表1匯總了11個(gè)特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)的InSAR觀測(cè)值與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)值數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，InSAR最大沉降值為47.01 mm，水準(zhǔn)測(cè)量最大值為67.89 mm，兩者最大值測(cè)點(diǎn)相同，誤差水平為44.4?？傮w誤差介于0.22%～70.9%，平均誤差為19.9%。雖然局部監(jiān)測(cè)點(diǎn)誤差較大，但整體來看，2種方法規(guī)律基本一致，平均誤差水平在20%以內(nèi)，這也證明，采用InSAR技術(shù)對(duì)沉降觀測(cè)是有效的。

圖2 TerraSAR-X影像提取的PS沉降結(jié)果

表1 InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)沉降結(jié)果與精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的比較

3 結(jié)論

(1)對(duì)典型里程段進(jìn)行水準(zhǔn)觀測(cè)顯示，19個(gè)月的平均累計(jì)沉降量60 mm，最大的沉降量89 mm。

(2)InSAR數(shù)據(jù)結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)區(qū)域在半年內(nèi)的最大沉降量為73 mm，最小沉降量為5 mm左右，監(jiān)測(cè)范圍存在明顯的沉降漏斗。

(3)對(duì)比InSAR結(jié)果與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量方法表明，InSAR最大沉降值為47.01 mm，水準(zhǔn)測(cè)量最大值為67.89 mm，兩者最大值測(cè)點(diǎn)相同，2種方法得到的沉降結(jié)果平均誤差水平在20%以內(nèi)，證明InSAR結(jié)果是有效的。

(4)InSAR方法可以全天時(shí)、全天候地從空間直接獲取大范圍的、高精度的地形及地表的微小形變信息，相比傳統(tǒng)水準(zhǔn)方法具有很大的優(yōu)勢(shì)。