InSAR技術(shù)在天津地鐵六號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

唐揚(yáng)，楊魁

(1.天津軌道交通集團(tuán)有限公司，天津　300000；　2.天津市測(cè)繪院，天津　300381)

1　引　言

天津市地處華夏構(gòu)造系華北沉降帶，大部分地區(qū)是軟弱土層，地面沉降不可避免[1，2]。而隨著近年來(lái)軌道交通建設(shè)速度的加快，軌道沿線地面沉降現(xiàn)象日益嚴(yán)重，安全性逐步降低。為減小城市地下軌道交通在施工期間對(duì)周圍地物的影響，需要對(duì)其沿線周邊目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，防止安全事故的發(fā)生[3]。

目前，常規(guī)的城市軌道交通施工沉降效應(yīng)監(jiān)測(cè)方法是經(jīng)典的水準(zhǔn)測(cè)量方法。該方法具有精度高、頻率高等特點(diǎn)，但是也存在著工作強(qiáng)度大、作業(yè)時(shí)間受天氣影響等缺點(diǎn)[4]。

從1989年Gabriel等人驗(yàn)證了InSAR技術(shù)可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的地表形變監(jiān)測(cè)以來(lái)，作為地面沉降監(jiān)測(cè)重要手段的InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸走向成熟和應(yīng)用，尤其是在2000年永久散射體技術(shù)提出來(lái)以后[5]。將其應(yīng)用于軌道交通施工沉降效應(yīng)監(jiān)測(cè)中具有大范圍、長(zhǎng)時(shí)間、快速的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)城市地下軌道交通沿線引發(fā)地物沉降進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與分析[6]。但是將InSAR直接應(yīng)用于軌道交通沉降效應(yīng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究目前較少。因此本文以高分辨率SAR數(shù)據(jù)為例，以天津市軌道交通六號(hào)線為例開展軌道交通區(qū)間施工對(duì)周圍目標(biāo)沉降的影響與分析。

2　高分辨率SAR數(shù)據(jù)集及時(shí)間序列成果分析

2.1　TerraSAR-X數(shù)據(jù)

相對(duì)于大面積的區(qū)域地面沉降監(jiān)測(cè)而言，地鐵區(qū)間施工引發(fā)沉降存在影響范圍有限、影響幅度較小等特點(diǎn)，中分SAR數(shù)據(jù)已經(jīng)難以滿足其應(yīng)用需求[7]。因此本文選擇高分辨率TerraSAR數(shù)據(jù)開展天津市地鐵區(qū)間施工沉降效應(yīng)的監(jiān)測(cè)與分析。如圖1所示，藍(lán)色矩形表示TerraSAR數(shù)據(jù)覆蓋的范圍，紅色矩形表示軌道六號(hào)線所在的研究區(qū)。

TerraSAR數(shù)據(jù)衛(wèi)星參數(shù)如表1所示，入射角為37.3°、成像幾何為升軌，分辨率為 3 m。TerraSAR數(shù)據(jù)集共由27景數(shù)據(jù)組成、SAR數(shù)據(jù)集共由27景TerraSAR數(shù)據(jù)組成，獲取時(shí)間為2014年5月～2016年6月。

TerraSAR數(shù)據(jù)集的影像參數(shù)　　　　　　　　　表1

2.2　時(shí)序SAR數(shù)據(jù)處理成果分析

對(duì)TerraSAR數(shù)據(jù)集采用經(jīng)典的SBAS方法進(jìn)行時(shí)間序列分析，不同目標(biāo)沉降速率的大小以不同的顏色分區(qū)表示，獲取到研究區(qū)域的地面沉降速率及清晰的沉降分布特征[8]，如圖2所示。距離市內(nèi)六區(qū)核心區(qū)越近，沉降速率越??；距離市內(nèi)六區(qū)核心區(qū)越遠(yuǎn)，沉降速率越大。研究區(qū)域的上半部分沉降量較小，沉降速率在 10 mm/yr以內(nèi)；下半部分沉降量較大，沉降速率逐漸遞增，最大沉降達(dá)到 60 mm/yr[9]。

圖2　研究區(qū)域線性沉降速率圖

3　地鐵六號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間地面沉降效應(yīng)分析

天津市地鐵六號(hào)線全長(zhǎng)為 41.6 km，其中一期工程全長(zhǎng) 26 km，施工始于2011年3月，并已于2016年12月31日開通運(yùn)營(yíng)。選擇一期工程中的某盾構(gòu)區(qū)間為例分析地鐵施工引發(fā)的地面沉降效應(yīng)，如圖3所示。區(qū)間起點(diǎn)位于車站甲，終點(diǎn)位于車站乙，線路呈南北走向，全長(zhǎng) 970 m。

圖3(a)為車站甲、乙一定范圍內(nèi)的地面沉降速率圖，圖3(b)為疊加了六號(hào)線該區(qū)間走向的地面沉降速率圖，可見，區(qū)域內(nèi)線性沉降分布地段與地鐵AB區(qū)間走向基本重合。

圖3　地鐵六號(hào)線某區(qū)間地面沉降速率圖

3.1　縱向沉降分布與影響范圍

鑒于地鐵甲乙區(qū)間長(zhǎng)970 m，筆者以 20 m間距等距采樣，獲取甲乙區(qū)間縱斷面上的地表沉降曲線，如圖4所示。為了排除車站甲、乙施工對(duì)沉降的影響，選取[140 m，880 m]范圍進(jìn)行分析，可見，甲乙區(qū)間沿線地表沉降普遍達(dá)到 -50 mm～-45 mm，最大達(dá)到 -54 mm。

圖4　地鐵六號(hào)線某區(qū)間地面沉降縱斷面圖

綜合分析，車站甲乙區(qū)間縱向沉降的空間分布特征如下：①沿區(qū)間走向分布明顯，沉降位于隧道上方；②區(qū)間內(nèi)沉降較為均勻，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)達(dá)到 -50 mm～-45 mm。

3.2　橫向沉降分布與影響范圍

為了分析盾構(gòu)施工的橫向沉降影響特征，筆者在甲乙區(qū)間設(shè)置了7條橫斷剖面：P1-P1′、P2-P2′、P3-P3′、P4-P4′、P5-P5′、P6-P6′、P7-P7′，如圖5所示。對(duì)7條剖面逐一分析，并得出甲乙區(qū)間的橫向沉降空間分布特征。

剖面P1-P1′：位于車站軸線處，沉降量為 -54 mm，區(qū)間兩側(cè)沉降曲線基本對(duì)稱；基于該剖面評(píng)估參考量 -48 mm分析，盾構(gòu)施工的影響范圍為 130 m，最大累計(jì)影響沉降量為 6 mm。

剖面P2-P2′：位于車站軸線左側(cè) 20 m，沉降量為 -57 mm，區(qū)間兩側(cè)沉降曲線基本對(duì)稱；基于該剖面評(píng)估參考量 -47 mm分析，盾構(gòu)施工的影響范圍為 70 m，最大影響沉降量為 10 mm。

剖面P3-P3′：位于車站軸線左側(cè) 20 m處，沉降量為 -57 mm，區(qū)間兩側(cè)沉降曲線基本對(duì)稱；基于該剖面評(píng)估參考量 -44 mm分析，盾構(gòu)施工的影響范圍為 70 m，最大影響沉降量為 13 mm。

剖面P4-P4′：位于車站軸線左側(cè) 40 m處，沉降量為 -55 mm，區(qū)間兩側(cè)沉降曲線基本對(duì)稱；基于該剖面評(píng)估參考量 -47 mm分析，盾構(gòu)施工的影響范圍為 80 m，最大影響沉降量為 8 mm。

剖面P5-P5′：位于車站軸線左側(cè) 20 m處，沉降量為 -54 mm，區(qū)間兩側(cè)沉降曲線基本對(duì)稱；基于該剖面評(píng)估參考量 -43 mm分析，盾構(gòu)施工的影響范圍為 110 m，最大影響沉降量為 11 mm。

圖5地鐵六號(hào)線某區(qū)間地面沉降橫斷面圖

剖面P6-P6：位于車站軸線處，沉降量為 -50 mm，區(qū)間兩側(cè)沉降曲線基本對(duì)稱；基于該剖面評(píng)估參考量 -45 mm分析，盾構(gòu)施工的影響范圍為 90 m，最大影響沉降量為 5 mm。

剖面P7-P7′：位于車站軸線處，沉降量為 -55 mm，區(qū)間兩側(cè)沉降曲線基本對(duì)稱；基于該剖面評(píng)估參考量 -42 mm分析，盾構(gòu)施工的影響范圍為 70 m，最大影響沉降量為 13 mm。

對(duì)比7個(gè)剖面的沉降分布曲線，車站甲乙區(qū)間的橫向沉降特征為：①橫向呈現(xiàn)沉降糟，最大沉降量出現(xiàn)在車站軸線處，為 -50 mm～-57 mm；②區(qū)間兩側(cè)的沉降曲線基本對(duì)稱。

高分辨率InSAR獲取的沿線沉降與工程開挖模擬預(yù)計(jì)得到的結(jié)論基本相同，表現(xiàn)在隧道上方的沉降量呈線性分布，橫向沉降基本對(duì)稱、線上沉降糟和沉降兩側(cè)的不均勻分布特點(diǎn)。

3.3　現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

盾構(gòu)施工會(huì)導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的路面發(fā)生裂縫，建筑物出現(xiàn)沉降，筆者選擇車站甲乙區(qū)間一定范圍內(nèi)的道路、地面、建筑物等典型地物開展了盾構(gòu)施工的影響分析。

圖6地鐵六號(hào)線某區(qū)間地面沉降影響目標(biāo)

如圖6(a)所示1號(hào)點(diǎn)，位于區(qū)間正上方，道路交口處，兩條路的交口處存在不均勻性沉降(不同顏色)，圖6(b)為實(shí)拍照片，同樣證明，盾構(gòu)施工導(dǎo)致了該處出現(xiàn)了大量裂縫和局部下沉。

如圖6(a)所示2號(hào)點(diǎn)，位于距盾構(gòu)外皮 25 m的建筑物內(nèi)，該建筑物存在不均勻性沉降(不同顏色)，圖6(c)、(d)為實(shí)拍照片，同樣證明，房屋墻體存在少量裂縫；附屬臺(tái)階等構(gòu)筑物也存在一定程度的損壞。

4　結(jié)　論

本文以天津市地鐵六號(hào)線為例，采用高分辨率InSAR數(shù)據(jù)開展城市地鐵沿線地表形變的監(jiān)測(cè)。通過(guò)縱斷面分析、橫斷面分析、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證等多方面從空間上完整地展現(xiàn)了地鐵沿線地面沉降的分布和變化特征：①沿盾構(gòu)區(qū)間分布明顯，沉降位于隧道上方；②橫向呈現(xiàn)沉降糟，最大沉降量出現(xiàn)在車站軸線處，區(qū)間兩側(cè)的沉降曲線基本對(duì)稱；③通過(guò)研究InSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理的方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘驗(yàn)證，InSAR技術(shù)完全可以應(yīng)用于地鐵施工沉降效應(yīng)監(jiān)測(cè)與分析中。