濟(jì)南地鐵2號(hào)線沿線地表沉降監(jiān)測(cè)與分析

劉 新 張婷慧 楊隴徽

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪與空間信息學(xué)院, 山東 青島 266590)

0 引言

城市交通是城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與社會(huì)活動(dòng)的重要橋梁,地鐵作為地下城市交通的重要工具,有效地緩解了城市長期面臨的道路交通擁堵難題,便捷了市民的出行方式,促進(jìn)了地鐵沿線地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。由于地鐵在開挖施工、運(yùn)營過程中,不可避免地會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響,如地下水位降低、地層損失等,從而引發(fā)不同程度的地面裂縫、地表沉降,對(duì)地鐵的施工、運(yùn)行以及周圍環(huán)境的安全構(gòu)成威脅[2]。如2019年12月廣州在建地鐵11號(hào)線在廣州大道北與禺西路交界處發(fā)生坍塌；2019年12月廈門地鐵1號(hào)線與2號(hào)線換乘站呂厝站10號(hào)緩建口附近發(fā)生地面塌陷。因此,為防控地鐵對(duì)周圍環(huán)境造成的不利影響,對(duì)地鐵沿線地區(qū)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握地鐵沿線沉降情況,對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有非常重要的意義。

相較于水準(zhǔn)測(cè)量[3]、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)測(cè)量[4]等地表沉降監(jiān)測(cè)技術(shù),合成孔徑雷達(dá)干涉[5](interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技術(shù)以高度自動(dòng)化,監(jiān)測(cè)面積大的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于地表沉降監(jiān)測(cè)中。近幾年來,國內(nèi)外諸多學(xué)者利用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)北京[6]、佛山[7]、福州[8]、合肥[9]、南京[10]、南寧[11]、青島[1]、上海[12]、天津[13]、武漢[14]等地鐵沿線地表的沉降情況。研究表明,地鐵沿線區(qū)域均存在不同程度的地表沉降情況,證明了InSAR技術(shù)在地鐵沉降監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有可行性。此外,差分干涉測(cè)量短基線集時(shí)序分析技術(shù)(small baseline subset InSAR,SBAS-InSAR)[15]在InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展成為地鐵沿線地表沉降監(jiān)測(cè)的重要手段。

濟(jì)南以“泉城”而聞名,地下遍布泉脈,地質(zhì)條件復(fù)雜,給地鐵的修建帶來了諸多困難。濟(jì)南地鐵的建設(shè)不僅要保泉護(hù)泉,還要保障地鐵施工和運(yùn)營的安全,所以對(duì)濟(jì)南地鐵沿線地表的沉降監(jiān)測(cè)尤為重要。目前濟(jì)南地鐵沿線地表沉降的監(jiān)測(cè)多采用傳統(tǒng)方法,使用SBAS-InSAR技術(shù)相對(duì)較少。

本文以濟(jì)南地鐵2號(hào)線沿線1 km緩沖區(qū)作為研究區(qū),利用SBAS-InSAR技術(shù)得到2019年11月18日至2021年10月2日期間濟(jì)南地鐵2號(hào)線沿線1 km緩沖區(qū)的地表形變信息,分析沉降重點(diǎn)區(qū)域,為濟(jì)南地鐵沿線地表沉降災(zāi)害預(yù)警及維護(hù)地鐵安全運(yùn)營提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)集

1.1 研究區(qū)概況

濟(jì)南坐落于山東中部,位于36°01′N～37°32′N、116°11′E～117°44′E之間,北連京津冀地區(qū)、南接長江三角洲,年平均降水量為671.1 mm,年平均氣溫為14.7℃,屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。濟(jì)南地鐵2號(hào)線于2016年底開建,2021年3月開通運(yùn)營,西起槐蔭區(qū)王府莊,東至歷城區(qū)彭家莊,途經(jīng)槐蔭區(qū)、市中區(qū)、天橋區(qū)、歷下區(qū)、高新區(qū)、歷城區(qū)。線路全長約36.4 km,地下線長約34.6 km。車站19座,其中地下車站18座。

1.2 數(shù)據(jù)集

Sentinel-1A衛(wèi)星是歐洲空間局(European Space Agency,ESA)于2014年發(fā)射的全球觀測(cè)衛(wèi)星,重訪周期為12 d。本文采用時(shí)間跨度為3年的20幅Sentinel-1A單視復(fù)數(shù)(single look complex,SLC)影像數(shù)據(jù),時(shí)間范圍為2019年11月18日至2021年10月2日,每36 d一幅,其傳感器為C波段,地面分辨率為5 m×20 m,成像模式為干涉寬幅模式(interference width,IW),同時(shí),本文選取在時(shí)間上與20幅Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的20幅精密定軌星歷數(shù)據(jù)(precise orbit ephemerides,POD),該數(shù)據(jù)定位精度優(yōu)于5 cm。此外,本文選取美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)(shuttle radar topography mission,SRTM)提供的空間分辨率為30m的數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM),用以消除地形相位誤差。

2 SBAS-InSAR原理與方法

在相同地區(qū)獲得N+1幅影像,時(shí)間序列為(t0,t1,…,tN)T,設(shè)置基線閾值,其中一幅影像為超級(jí)主影像,其余的影像作為輔影像,N+1幅影像兩兩組合為若干個(gè)干涉對(duì),生成M幅差分干涉圖,M滿足

(1)

第k幅干涉圖像元的相位值為

(2)

式中,φ(ti)為時(shí)間ti相對(duì)于初始時(shí)間t0的相位；d(ti)為時(shí)間ti相對(duì)于初始時(shí)間t0的累積形變量；λ為雷達(dá)波長。

通過計(jì)算干涉圖中每個(gè)像元的地表形變信息,最終獲取到整個(gè)研究區(qū)的地表形變信息。干涉圖的每個(gè)像元都滿足

(3)

式中,B為M×N階矩陣,位于主輔影像獲取時(shí)間之間的矩陣元素B(p,q)=tq+1-tq,其中pΔ(1,2,…,M),否則B(p,q)=0。對(duì)B進(jìn)行奇異值分解(singular value decomposition,SVD),求得各時(shí)間段平均相位速率ν,最后積分得到該像元的時(shí)序形變信息。

本文將365 d設(shè)置為時(shí)間基線閾值,將臨界基線的45%設(shè)置為空間基線閾值,超級(jí)主影像為2020年10月7日的影像,生成145對(duì)干涉對(duì)。對(duì)干涉對(duì)進(jìn)行差分干涉處理,數(shù)據(jù)配準(zhǔn)基于SRTM DEM數(shù)據(jù),相位解纏閾值設(shè)置為0.2。基于精密軌道數(shù)據(jù)對(duì)干涉結(jié)果進(jìn)行估計(jì)和消除殘余軌道相位,在研究區(qū)選取10個(gè)平均相干系數(shù)大于0.9的相干點(diǎn)作為地面控制點(diǎn)(ground control points,GCPs),用以實(shí)現(xiàn)相位的優(yōu)化。利用SVD法估算沉降速率和殘余地形,經(jīng)過第二次相位解纏來優(yōu)化干涉對(duì)的解纏結(jié)果精度。利用365 d高通濾波窗口和1 200 m低通濾波窗口將殘余相位中的大氣相位去除,對(duì)各時(shí)間段內(nèi)地表沉降速率積分得到時(shí)序形變。

3 結(jié)果

在監(jiān)測(cè)期間濟(jì)南地鐵2號(hào)線沿線1 km緩沖區(qū)的年平均地表垂直形變速率如圖1所示。研究區(qū)地表呈現(xiàn)不均勻的沉降,研究區(qū)最大沉降速率為-18.27 mm/a,平均值為0.26 mm/a,其中,地鐵沿線主要沉降區(qū)包括臘山站至老屯站段(S1)、濟(jì)濼路站至七里堡站段(S2),S1區(qū)最大沉降速率為-17.38 mm/a,平均值為-0.44 mm/a；S2區(qū)最大沉降速率為-18.27 mm/a,平均值為-1.72 mm/a。監(jiān)測(cè)期內(nèi)濟(jì)南地鐵2號(hào)線沿線1 km緩沖區(qū)的地表累積垂直形變量如圖2所示,在監(jiān)測(cè)期內(nèi),最大累積沉降量為-68.51 mm。

圖1 地表垂直沉降速率

圖2 地表累積垂直形變

在S1區(qū)隨機(jī)選取四個(gè)特征點(diǎn)分析時(shí)序形變情況,如圖3所示。在T1點(diǎn),在建設(shè)期地表形變幅度較大,在2019年11月18日至2020年9月1日期間地表下沉且在2020年9月1日達(dá)到沉降最大值-8.89 mm/a,在2020年9月1日至2021年2月28日期間地表抬升且在2021年2月28日達(dá)到最大抬升值1.25 mm/a，地鐵運(yùn)營后至2021年7月22日地表快速下沉,之后處于波動(dòng)式下沉狀態(tài)；在T2點(diǎn),在建設(shè)期地表形變呈現(xiàn)波動(dòng)下沉趨勢(shì),在2020年10月7日達(dá)到沉降最大值-17.31 mm/a,在2020年10月7日至2021年2月28日期間,地表沉降相對(duì)穩(wěn)定，在運(yùn)營期地表波動(dòng)式快速下降；在T3點(diǎn),在建設(shè)期處于波動(dòng)式下沉狀態(tài)，在運(yùn)營期地表快速沉降至2021年7月22日達(dá)到最大沉降量-21.45 mm/a,之后地表處于“抬升-下降”緩慢下沉狀態(tài)；在T4點(diǎn),在建設(shè)期處于波動(dòng)式緩慢下沉狀態(tài),在運(yùn)營期地表形變趨于穩(wěn)定。

圖3 S1區(qū)特征點(diǎn)時(shí)序形變

在S2區(qū)隨機(jī)選取四個(gè)特征點(diǎn)分析時(shí)序形變情況,如圖4所示。在T5點(diǎn),在建設(shè)期地表呈現(xiàn)波動(dòng)下沉趨勢(shì),在2020年11月12日達(dá)到沉降最大值-10.44 mm/a，地鐵運(yùn)營至2021年8月27日地表下降,之后地表抬升；在T6點(diǎn),在建設(shè)期地表形變呈現(xiàn)波動(dòng)緩慢下沉趨勢(shì),在2020年9月1日達(dá)到沉降最大值-3.70 mm/a，在運(yùn)營期形變?nèi)猿尸F(xiàn)波動(dòng)緩慢下沉趨勢(shì)；在T7點(diǎn),在建設(shè)期處于波動(dòng)式下沉狀態(tài)，在運(yùn)營期地表沉降至2021年8月27日達(dá)到最大沉降量-23.55 mm/a,之后地表快速抬升；在T8點(diǎn),在建設(shè)期處于波動(dòng)式緩慢下沉狀態(tài),在運(yùn)營期地表形變趨于穩(wěn)定。

圖4 S2區(qū)特征點(diǎn)時(shí)序形變

濟(jì)南地鐵2號(hào)線地表垂直沉降速率如圖5所示,地表垂直沉降速率介于-10.87～7.05 mm/a之間,地鐵2號(hào)線存在5處明顯的沉降漏斗,分別位于臘山南站處、臘山站至二環(huán)西路站段、二環(huán)西路站至老屯站段、歷山路站處、鮑山站至彭家莊站段,最大地表垂直沉降速率分別為-5.55 mm/a、-9.36 mm/a、-5.84 mm/a、-10.87 mm/a、-8.00 mm/a,其余路段沉降速率均介于-5～7 mm/a之間。

圖5 地鐵線垂直沉降速率

研究區(qū)平均地表垂直沉降速率的標(biāo)準(zhǔn)差如圖6所示,沉降速率的標(biāo)準(zhǔn)差最小值為0.09 mm/a,最大值為12.85 mm/a,平均值為1.17 mm/a。大約92.41%區(qū)域介于0.09～2 mm/a之間,故利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取的地表垂直形變信息具有高精度。

圖6 地表垂直沉降速率標(biāo)準(zhǔn)差

4 討論

地表沉降與地鐵的盾構(gòu)施工、地質(zhì)環(huán)境、地面負(fù)荷和周邊在建工程有關(guān)。一方面,地鐵在施工建設(shè)中,為了保障施工人員以及周圍環(huán)境的安全,通常需要將深基坑中的水排出直至地下水位低于施工面。地下水維持著地表的受力平衡,地下水的過度抽取降低了土壤含水層的孔隙壓力,從而導(dǎo)致地表發(fā)生沉降[16]；一方面,地鐵線路的規(guī)劃、施工、運(yùn)營帶動(dòng)了周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,為周邊地區(qū)帶來了巨大的人流的同時(shí),也增加了地面的負(fù)荷,從而導(dǎo)致地表沉降的發(fā)生。

5 結(jié)束語

本文基于SBAS-InSAR技術(shù)利用20幅Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)對(duì)2019年11月18日至2021年10月2日期間濟(jì)南地鐵2號(hào)線沿線1 km緩沖區(qū)的地表沉降情況監(jiān)測(cè)與分析。結(jié)果表明,在監(jiān)測(cè)期內(nèi)存在不均勻的地表沉降,平均沉降速率為0.26 mm/a,最大沉降速率為-18.27 mm/a,最大累積沉降量為-68.51 mm。其中,地鐵沿線主要沉降區(qū)包括臘山站至老屯站段、濟(jì)濼路站至七里堡站段,最大沉降速率分別為-17.38 mm/a、-18.27 mm/a。為保障濟(jì)南地鐵2號(hào)線的安全運(yùn)營,應(yīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)臘山站至老屯站段、濟(jì)濼路站至七里堡站段地表沉降狀況。