基于InSAR的高速鐵路區域沉降變形研究

孔志鵬

(蘇交科集團股份有限公司, 江蘇南京 211112))

伴隨著中國經濟的高速發展，地下水的需求與日俱增，許多地區面臨著區域性地面沉降災害[1]，以高速鐵路為例，截止到2020年，全國鐵路營業里程達到12萬km以上，建設客運專線1.6萬km以上。我國已成為世界上高速鐵路發展最快、運營里程最長、運營速度最高、在建規模最大的國家。然而由于大面積的地面沉降給高速鐵路的安全運營帶來巨大威脅。根據研究，自1921年我國上海發現地面沉降以來，至今已有90多個城市和地區均報告有不同程度的地面沉降。據統計，在華北平原5萬km2的調查范圍內，大于1 000 mm的地面沉降高達8 510 km2[2]。研究表明，京津、京滬高鐵沿線經過的多數地段均發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50～90 mm/a[3]。

在早期沉降監測主要仍然以常規監測方法為主。比如傳統埋設沉降觀測樁、沉降板、觀測管等設備[4]。隨著技術的進步，自動化沉降技術也被越來越多的應用于地面沉降的監測[5]。李明[6]基于全站儀和棱鏡結合的方式沉降監測并進行了驗證。郭江濤[7]采用非參數多項式法對自動化沉降監測數據進行擬合預測分析，并得到了比較精確的結果。此外還有GPS方法對沉降的監測，但是以上方法均屬于點狀觀測，存在點位密度低、觀測成本高等局限性。采用遙感技術探測鐵路沿線區域的地面沉降已成為趨勢。

雷達差分干涉測量(DInsar)方法使用二次差分干涉相位數據及基線數據，提取地面目標的微小形變信息，精度可達到級甚至級。技術能夠獲取大面積、高精度的地表變化信息，其測量的結果整體上是連續的，不存在總體累積誤差，且易于進行數據處理，因此被認為是大面積地表形變連續監測的有效工具[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，重點開展水準與DInSAR聯合監測的技術研究，為研究區域沉降對京滬高速鐵路基礎工程的影響提供科學依據。

1 工程地質概況

華北平原是國內超采地下水最嚴重的地區。至2005年華北平原大于1 000 mm的沉降面積達8 510 km2，大于500 mm的沉降面積達33 386 km2；北京地區最大累計沉降量分別為0.791 m；天津地區最大累計沉降量分別為3.187 m；河北地區最大累計沉降量分別為2.457 m。隨著經濟的快速發展、城市化進程的加快、高層建筑的施工以及對地下水的需求與日俱增，華北平原地面沉降呈現加劇的趨勢。

研究區位于京滬鐵路天津和滄州某段。基本特征是以堆積為主的平原地貌。華北平原地表起伏較緩，大部分地區在海拔50 m以下，自西向東自然坡度較小，地面高程僅2～3 m，因此，地勢低平是黃河三角洲平原所凸現的最基本特征之一。

研究區屬中國東部亞熱帶季風氣候。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，季節分配較均勻，以夏雨最多，春雨次之，冬雨最少。主要地質構造有華北地拗、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斷陷盆地。從地質剖面來看，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、粉細砂為主，300 m以下的含水層以細砂、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，研究區含水層和隔水層屬于薄層交互發育，則作為相對隔水層的粘土層的釋水將會大大增加，將會使單位厚度的沉降增加。

2 結果分析

2.1 監測方法與數據處理

選擇京滬高速鐵路11.9 km×11.7 km帶狀范圍作為試驗區域，使用國TerraSAR-X衛星在獲取的SAR影像(X波段，2 m分辨率)作為基礎數據，沿4條公路均勻布設了水準點45個，對這些水準點進行了4期水準測量。

在ENVI環境下開發的PS/CR網絡雷達干涉軟件系統，對SAR時序影像讀寫、PS探測、非線性形變時間序列分離等。使用PSI_SWJTU軟件對時序TerraSAR-X影像進行數據處理，主要過程包括：SAR影像數據預處理、人工與天然PS探測、人工與天然PS網絡構建、PS網絡建模及參數估計、PS網平差及線性沉降解算。完成所有數據處理與分析后，提取出試驗區域內所有PS的沉降速率及沉降時間序列，再與水準沉降監測結果比較、驗證分析。

2.2 沿線沉降數據分析

選定線路里程DK121-DK131區段為典型區域沉降試驗區。根據沿線沉降數據分析得出(圖1)，研究區存在明顯的沉降漏斗。4期水準測量沉降監測結果表明，每期監測的平均沉降量為20 mm，19個月的平均累計沉降量60 mm，最大的累計沉降量89 mm；沿線路中線有較明顯的漏斗形沉降。

圖1 試驗區地表沉降三維立體

2.3 沿線沉降數據分析

在試驗區使用TerraSAR-X影像經數據處理后獲得的監測結果(圖2)表明，監測區域在半年內的最大沉降量為73 mm，最小沉降量為5 mm左右，城市區域最大沉降低于10 mm。通過影像數據分析容易發現位于京滬線右側某火力發電廠存在大范圍的地表沉降，經現場調查分析，與其過量開發利用地下水有直接關系。采用傳統的幾何水準測量，沿線路中線1 km左右寬的周邊布設水準監測點，4期近2年的沉降監測結果僅發現沿線地表存在漏斗。水準測量的區域沉降結果如圖1所示，在圖的左上角有明顯的漏斗存在。這一成果充分體現了InSAR技術在區域沉降監測中的優勢和巨大的應用潛力。

表1匯總了11個特征監測點的InSAR觀測值與傳統水準測量觀測值數據。結果表明，InSAR最大沉降值為47.01 mm，水準測量最大值為67.89 mm，兩者最大值測點相同，誤差水平為44.4。總體誤差介于0.22%～70.9%，平均誤差為19.9%。雖然局部監測點誤差較大，但整體來看，2種方法規律基本一致，平均誤差水平在20%以內，這也證明，采用InSAR技術對沉降觀測是有效的。

圖2 TerraSAR-X影像提取的PS沉降結果

表1 InSAR技術監測沉降結果與精密水準監測的比較

3 結論

(1)對典型里程段進行水準觀測顯示，19個月的平均累計沉降量60 mm，最大的沉降量89 mm。

(2)InSAR數據結果表明，監測區域在半年內的最大沉降量為73 mm，最小沉降量為5 mm左右，監測范圍存在明顯的沉降漏斗。

(3)對比InSAR結果與傳統水準測量方法表明，InSAR最大沉降值為47.01 mm，水準測量最大值為67.89 mm，兩者最大值測點相同，2種方法得到的沉降結果平均誤差水平在20%以內，證明InSAR結果是有效的。

(4)InSAR方法可以全天時、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，相比傳統水準方法具有很大的優勢。