InSAR技術在城市軌道交通形變監測的應用

張強,成皓楠

摘 要：InSAR技術是一種相對較為新穎的觀測技術，已經在城市軌道交通變形監測領域之中實現了廣泛運用，利用這一技術，可以有效應對傳統D-InSAR技術在應用階段所存在的監測穩定性和可靠性較低問題，借助永久散射體干涉測量技術實現對于城市軌道交通形變情況的有效監測，并據此確定相應結構的形變速率。基于此，本文將結合杭州市城市軌道交通2號線展開分析，探討InSAR技術在軌道交通變形監測領域之中的應用。

關鍵詞：城市軌道交通;InSAR技術;形變監測

1 變形監測的重要性及其技術手段概述

在我國城市化建設高速發展的背景之下，各大城市都已經致力于研發軌道交通系統，也在一定程度上提升了城市軌道交通建設的規模。在城市之中構建具有較長跨度的地下隧道及深基礎工程，可能因為受到打樁、土體開挖及降水等因素的多重影響，而對工程建設質量造成一定的影響，使得地質環境遭到了極大程度的破壞，導致軌道建設周邊圍巖的垂直和水平位置發生一定變化，進而引發工程環境變形。在實際運營階段，由于所抽取的地下水量相對較多，導致地下水發生了嚴重的凍融問題。隨著地上建筑物負載量的不斷提升，也相應造成了城市沉降帶問題，使得軌道結構在軌道穿越過程中無法形成穩定的沉降，時間一長，則導致結構縱向出現不均勻變化，在一定程度上限制了城市軌道交通線路運營的穩定性。

通過城市軌道交通工程建設，針對運營階段的變形情況予以實時監測，有利于積極把握工程和周邊環境的變化情況，并據此確定相應的變形區域，讓城市軌道交通工程建設及運營階段的安全性得到充分保障，以切實提升環境的安全性，讓現代化建設水平得到切實提升。

城市背景下的軌道交通通常表現出線性分布的形式，在軌道交通設計、施工及運營監測階段，常表現出如下特點：首先，所需監測的距離相對較長，一般在十幾到幾十公里之間;其次，所需監測的項目相對較多，包括橋梁結構、基坑主體結構、周邊建筑物形態，管線等。如果運用常規的精密水準實施變形監測，則可能帶來大量的人力物力及時間損耗，同時，也難以據此確定地鐵軌道沿線的實際變形情況。為此，可以通過InSAR技術實施監測，以充分適應逐漸擴大的區域性地面沉降變化趨勢，為政府和軌道交通建設企業提供充足可靠的地面沉降資料信息，以便開展對于軌道工程的高效規劃和治理，讓軌道工程建設質量得到充分保障[1]。

2 InSAR技術原理

一旦雷達先后兩次所發出的微波頻率接近，且成像期間處于不間斷的波動裝填，同時，不同的平臺軌道之間較為接近，便可以在雷達相遇位置處維持統一的振動方向，并在兩雷達波相遇位置處發生干涉，干涉現象的差異在一定程度上展現了與相干迭加有關的微波間相位差及與之相對應的空間分布形態。InSAR技術，也即充分利用雷達波的干涉現象，針對同一個觀測區域之中的不同差異視點進行成像，同時，結合相應成像點相位信息之間的差異，確定地物的相對高度信息。

結合干涉SAR平臺及使用條件之間的差異，可以確定三種不同的SAR資料獲取方法，也即：重復軌道、沿軌道和正交軌道干涉。

3 研究區與數據介紹

3.1 杭州地鐵2號線

以杭州地鐵2號線為例，本條線路在2017年正式開通運營，其線路全長可達43.3 km，共計33座車站，其走向為西北到東南，是杭州市內第二條投入運營的地鐵線路。

3.2 數據介紹

杭州地鐵2號線所利用的數據源是由意大利學者所研發的COSMO-SkyMedSAR影像，該影像一般處于3 m分辨率條帶模式之中，可以通過HH極化的方式進行數據處理，其入射角一般為29.02°，本次研究共獲取了系統之中的56期影像信息，其起止時間分別為2015年1月10日和2018年8月30日。

4 監測結果分析與討論

4.1 地鐵2號線地表形變結果

在本地鐵沿線中具有5條相對集中的地表形變區域：

第一，良渚站至金家渡站地段，此范圍內的平均形變速率和最大形變速率分別為-12 mm/a和-50 mm/a，此范圍之中的區域形變通常成片狀連接的形式，且形變規模和速度都較為突出;

第二，三墩站到學院路站，此區域內的形變面積可以占據到線路總形變面積的1/3，平均及最大地表形變速率分別為-11 mm/a和-31 mm/a，此范圍之中的區域形變通常成零散的分布形式，且地表形變較為復雜;

第三，錢江世界城站到飛虹路站，平均及最大地表形變速率分別為-8 mm/a和-32 mm/a，此區域之中的形變面積相對較廣，且以錢塘江南側的形變最為突出;

第四，建設一路站到杭發廠站，平均及最大地表形變速率分別為-9 mm/a和-25 mm/a，形變面積相對較廣;

第五，潘水站到朝陽站，平均及最大地表形變速率分別為-13 mm/a和-41 mm/a，此區域之中的形變區塊數量較多，且多分布于地鐵沿線及其周邊位置。

4.2 地鐵沿線形變梯度分析

形變梯度多用于某一特定方位上的地表形變變化速率，可以充分展現物理量的不均勻形變特性。借助累計形變量的形式，可以確定地表在某一特定時間段之中的總體變化情況。筆者利用累計形變量分析的方式，針對杭州地鐵2號線沿線的形變梯度進行了充分分析。由于2號線的距離相對較長，導致曲線圖出現了一定程度的壓縮，難以充分觀察出地表不均勻形變位置處的間斷點信息，故筆者挑選了地鐵三墩站至學院路站路段進行監測，并通過反距離權重插值的方法展開了對于累計形變量的處理，同時，繪制了如下圖所示的剖面性變曲線圖。

圖中的形變區段共計包含7個站點，且站點之間存在較為突出的累計形變量波動，其中尤以豐潭路到學院路這以路段的變化幅度最為明顯。

若地鐵線路所貫穿的同一片區域之中的沉降速率大致相等，也即不同位置處的地表面下降速度接近一致，則不會對地鐵軌道建設和地鐵運營階段的整體安全性造成過大的威脅。然而，一旦地鐵線路處于沉降速率變化各異的區域之中，便可能帶來嚴重的運行風險。基于此，針對地表形變予以監測，要求在關注區域沉降速率的基礎上，強調沉降梯度的重要性，避免從單一化的視角建立對于地鐵沿線形變情況的分析，以降低漏檢及錯檢的發生概率。

5 結論

綜上，利用InSAR技術，同時結合COSMO-SkyMed雷達影像數據的形式，得到了杭州地鐵2號線沿線的地表形變信息。在監測區域之中具有幾處相對集中的地表形變區域，且多表現為形變小區塊散步的形式，其形變速率最高為

-50 mm/a。依托于地鐵沿線路段，確定相應的地形斷面信息，并據此制作地鐵線路沉降剖面圖，可以直接觀測軌道鐵路沿線的地表沉降情況，同時，以此為前提，設置間隔距離為200 m的累計形變點，并在此基礎上算出了不同點的形變梯度。

分析結果表明，即使在地表形變集中區域、高形變梯度區域和形變嚴重區域都存在高度重疊，但是與此同時，也會表現出不同程度的差異。因此，不能采取單一化的手段確定地鐵沿線的實際形變情況，以免帶來嚴重的漏檢及錯檢風險。以200 m為一個節點，針對形變梯度進行了分析，然而，如果換用其他的指標必定會得到差異化的結果，需要充分利用合成InSAR技術，同時，依托于地鐵行業標準展開測量，這也將作為日后的重點研究方向。

參考文獻：

[1]朱茂，沈體雁，黃松，等.InSAR技術地鐵沿線建筑物形變監測[J].國土資源遙感，2019，31（2）：196-203.