南京地鐵沿線地面沉降監(jiān)測與危險(xiǎn)性評價(jià)

范雪婷，李明巨，潘九寶，王圣堯

(江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013)

隨著我國城市化進(jìn)程速度不斷加快，地面工程建設(shè)逐漸壓縮地表的可發(fā)展利用空間，地下空間的可開發(fā)利用度已被廣泛關(guān)注。城市深基坑開挖、地鐵隧道施工等建設(shè)活動愈發(fā)頻繁，由此導(dǎo)致地面出現(xiàn)區(qū)域性不均勻沉降，這對其上部及周邊一定范圍建筑工程產(chǎn)生危害，也易引起居民矛盾糾紛及生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。以南京市為例，截至當(dāng)前南京已建設(shè)10條地鐵線路，此后還會不斷增加，由地鐵隧道施工造成地面及附近建筑物下沉開裂等現(xiàn)象已多次發(fā)生。大量研究表明采用SAR數(shù)據(jù)可以有效地進(jìn)行地面沉降監(jiān)測[3]，但多數(shù)研究中僅監(jiān)測沉降信息量，卻很少評價(jià)分析因沉降導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害問題[4-5]。本文采用MCTSB-InSAR技術(shù)開展南京市地鐵沿線的地面沉降監(jiān)測試驗(yàn)，并對沿線周邊建筑物進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)，為減少或避免不必要的損失提供一定的幫助。

1 研究方法

多主影像相干目標(biāo)小基線干涉技術(shù)(multiple master-image coherent target small-baseline interferometric SAR，MCTSB-InSAR)，是在永久散射體(persistent scatterer Interferometry，PS-InSAR)和小基線集(small baseline subset，SBAS)方法基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種時(shí)間序列InSAR技術(shù)[6]。該方法綜合了PS-InSAR和SBAS-InSAR的優(yōu)勢[7-8]，同時(shí)又克服相應(yīng)的一些缺陷。它無需和PS-InSAR方法一樣選擇單一SAR影像作為固定主影像，而是僅關(guān)注符合小基線要求的SAR影像任意組合干涉像對，降低了對影像數(shù)量的要求；同時(shí)也無需和SBAS-InSAR方法一樣首先對所有差分干涉圖進(jìn)行相位解纏后進(jìn)行時(shí)序分析，而是借助空間中鄰近的兩高相干穩(wěn)定點(diǎn)二次差分計(jì)算形變參數(shù)完成相位解纏。另外MCTSB-InSAR方法可以實(shí)現(xiàn)多影像尤其是不同軌道沉降監(jiān)測結(jié)果的無縫拼接，特別是在大范圍跨軌道沉降監(jiān)測中優(yōu)勢較大。MCTSB-InSAR技術(shù)沉降監(jiān)測過程主要涵蓋干涉像對組合、穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)提取、形變模型構(gòu)建、非線性形變量估計(jì)4個(gè)方面[9]。

2 數(shù)據(jù)及研究區(qū)

研究區(qū)選取南京市主城區(qū)及周邊地帶，當(dāng)前南京市已建成10條地鐵線路，本文主要研究2017年1月前已開通運(yùn)營貫穿南京主城區(qū)或主要生活區(qū)的1號線、2號線、3號線、4號線、10號線、S1號線及S8號線。主城區(qū)屬于高相干區(qū)域，宜使用短波段SAR數(shù)據(jù)，因此試驗(yàn)采用南京地區(qū)30期X波段(3.1 cm)的意大利COSMO-SkyMed雷達(dá)衛(wèi)星降軌數(shù)據(jù)，影像覆蓋了南京地鐵交匯的中心城區(qū)。影像數(shù)據(jù)分辨率為3 m，幅寬40 km×40 km，HH極化模式，時(shí)間跨度為2014年1月至2016年9月，覆蓋范圍如圖1所示。為了消除干涉過程中的地形影響，所有SAR影像利用30 m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)去除地形貢獻(xiàn)項(xiàng)。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

對研究區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道加密、粗配準(zhǔn)、剪裁子區(qū)、精配準(zhǔn)等預(yù)處理后，利用特征區(qū)域相干特性組合干涉像對。試驗(yàn)中首先選取大小500×500像素且建筑物覆蓋較多的城鎮(zhèn)區(qū)塊作為特征區(qū)，計(jì)算特征區(qū)所有干涉圖平均相干系數(shù)，然后依據(jù)平均相干系數(shù)進(jìn)行降序排列，從中篩選出平均相干系數(shù)較高的前62個(gè)干涉像對生成基線時(shí)空網(wǎng)絡(luò)分布圖。對于生成的基線時(shí)空網(wǎng)絡(luò)分布圖要求其應(yīng)包含所有的影像，且不能出現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)無法連接的孤立影像，即一景影像與其余影像至少存在一個(gè)干涉像對，若存在斷裂，可手動連接孤立影像形成像對。此外試驗(yàn)中對于時(shí)間基線或垂直基線特別大的影像，予以拋棄。

點(diǎn)目標(biāo)識別質(zhì)量是高精度時(shí)序InSAR地面沉降信息提取的基礎(chǔ)。為了提高選點(diǎn)目標(biāo)精度，本文采用振幅、相干系數(shù)、振幅離差指數(shù)信息的“三級閾值法”提取穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)[10]。點(diǎn)目標(biāo)選取處理過程中不得將水體等非相干性地物作為候選相干目標(biāo)，在保證點(diǎn)目標(biāo)質(zhì)量可靠的前提下，不斷調(diào)整閾值，最終設(shè)定的絕對平均相干系數(shù)值為0.65，相對相干系數(shù)值為0.5，平均幅度值為1.0，幅度離差指數(shù)值為0.2，共選取95萬個(gè)穩(wěn)定目標(biāo)點(diǎn)，平均每平方千米監(jiān)測點(diǎn)數(shù)達(dá)596個(gè)，建筑物及鐵路等地物上可識別出密集監(jiān)測點(diǎn)。

基于選取的穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)結(jié)果，建立差分相位函數(shù)模型，得到線性形變信息及DEM誤差，最后用殘余相位分量的差異頻率特征進(jìn)行非線性形變相位分離，并與線性形變信息疊加得到影像完整的形變值。2014年1月至2016年9月南京主城區(qū)年平均形變速率結(jié)果如圖2所示。

圖2揭示了研究區(qū)地面沉降的不均勻性，沉降區(qū)主要分布于建鄴區(qū)沙洲街道、雙閘街道、莫愁湖街道和南苑街道北部；鼓樓區(qū)江東街道、熱河南路街道；雨花區(qū)西善橋街道，浦口區(qū)沿江街道、頂山街道、江浦街道、泰山街道及永寧鎮(zhèn)。江寧區(qū)、六合區(qū)、玄武區(qū)沉降較輕，秦淮區(qū)、棲霞區(qū)無明顯沉降。監(jiān)測范圍內(nèi)沉降最嚴(yán)重區(qū)位于沙洲街道，其沉降速率達(dá)到33.8 mm/a，沉降量達(dá)84.6 mm。

主城區(qū)地鐵線路常貫穿運(yùn)行于人口、建筑密集區(qū)，施工開挖及運(yùn)營勢必會擾動線路周圍一定范圍內(nèi)的巖土，易引發(fā)附近地面沉降和位移。為了更好地監(jiān)測分析地鐵線路上部及周邊沿線建筑物的沉降信息，沿地鐵線路中心線連續(xù)追蹤獲取線路中心位置，然后建立一定寬度的緩沖區(qū)域，提取分析地鐵沿線的沉降值。圖3顯示了2014年1月至2016年9月地鐵沿線累積形變值分布。由圖3可知，不均勻沉降最嚴(yán)重的區(qū)段為地鐵4號線西端、地鐵2號及10號線建鄴區(qū)段，其次是地鐵3號與S8線交叉地帶，其余路段沉降量較小或無明顯下沉。

為了進(jìn)一步說明各地鐵里程沿線的地面不均勻沉降狀況，分別提取沿中心線路的地面沉降量進(jìn)行剖面分析，制作的地鐵沿線形變量縱剖面如4圖所示(因地鐵線路較多，為表達(dá)清晰將結(jié)果展示為兩幅圖)。由圖4可知，地鐵1號線和S1號線整體較為穩(wěn)定，沉降量基本在-5～5 mm范圍內(nèi)波動，無明顯沉降中心；地鐵2號線不均勻沉降嚴(yán)重，受影響較大的路段為油坊橋—雨潤大街段(與10號線換乘)及云錦路站附近，沉降量達(dá)60.4 mm；S8號線在泰山新村站附近出現(xiàn)27.8 mm下沉；地鐵3號線整體沉降較小，僅江北天潤城站附近出現(xiàn)小的沉降漏斗，最大沉降量18.0 mm；地鐵4號線龍江站附近出現(xiàn)明顯下沉，區(qū)域沉降量達(dá)67.6 mm；地鐵10號線受影響段為小行—奧體中心站，沉降量達(dá)30.6 mm。實(shí)際運(yùn)行過程中，列車受不均勻沉降作用會產(chǎn)生顛簸、抖動現(xiàn)象，會影響列車安全運(yùn)行，損壞列車及鐵軌[11]。

4 危險(xiǎn)性評價(jià)

當(dāng)?shù)孛娉两抵荡笥诎踩渲岛髸＜暗乇斫ㄖ?、市政道路及地下管線等[12]，會影響市民日常生活，進(jìn)一步可能引發(fā)糾紛及生命安全[13]。參照《江蘇省地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估技術(shù)要求》([2010]353號文件)制定的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分級指標(biāo)(見表1)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)時(shí)，將評估區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度分為4個(gè)等級嚴(yán)重區(qū)(Ⅰ)、較嚴(yán)重區(qū)(Ⅱ)、一般區(qū)(Ⅲ)、輕微區(qū)(Ⅳ)。本文選取了監(jiān)測時(shí)段內(nèi)因地鐵施工運(yùn)營產(chǎn)生矛盾糾紛關(guān)注度最高的地鐵4號線龍江站附近的長江至秦淮河路段1.6 km影響里程范圍，沿線提取400 m的緩沖區(qū)作為評估區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估分區(qū)結(jié)果如圖5所示。

表1 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分級指標(biāo)

(1)龍江站評估區(qū)范圍內(nèi)最大沉降速率為25.2 mm/a，區(qū)內(nèi)無地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)嚴(yán)重區(qū)(Ⅰ)，地鐵施工運(yùn)營不會對地形地貌及建筑物造成嚴(yán)重破壞。

(2)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)較嚴(yán)重區(qū)(Ⅱ)是沉降速率為10～30 mm/a的區(qū)域，主要位于龍江站西側(cè)寧工新寓周圍、寶地園及省婦幼附近。結(jié)合實(shí)際情況分析，在監(jiān)測期間江蘇省婦幼保健院持續(xù)進(jìn)行綜合擴(kuò)建工程，導(dǎo)致寶地園及省婦幼地面沉降速率加快，須引起相關(guān)部門重視；寧工新寓緊鄰四號線施工區(qū)域，距120 m基坑最短僅10 m，且該區(qū)屬于長江與秦淮河共同沖擊形成的漫灘地質(zhì)環(huán)境，第四紀(jì)上部泥質(zhì)巖土發(fā)育較為發(fā)達(dá)[14]，地鐵施工進(jìn)一步拉大巖土空隙率，壓縮性增大，加之房屋建設(shè)時(shí)間早、無樁基，導(dǎo)致寧工新寓房屋出現(xiàn)不同程度沉降、開裂，威脅人們正常的生活，須要進(jìn)行房屋消險(xiǎn)加固和后期地鐵安全施工保障，必要時(shí)對有險(xiǎn)情的居住人員進(jìn)行撤離[15]。

(3)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)一般區(qū)(Ⅲ)主要位于較嚴(yán)重區(qū)外側(cè)一定范圍，沉降速率5～10 mm/a，區(qū)內(nèi)道路、建筑物及市政設(shè)施等受影響較輕，但應(yīng)時(shí)刻警惕沉降異常加快區(qū)域，提前做好防治工作。

(4)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)輕微區(qū)(Ⅳ)是沉降速率為5 mm/a以下的區(qū)域，屬于正常地面沉降或無沉降區(qū)域，區(qū)內(nèi)沉降一般不會造成破壞影響。

為了驗(yàn)證監(jiān)測結(jié)果及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)的可靠性，選取寧工新寓某建筑物一監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行特征點(diǎn)沉降時(shí)間序列演化分析，繪制如圖6所示的沉降時(shí)序圖。分析可知，在地鐵施工監(jiān)測時(shí)段內(nèi)，樣本點(diǎn)在持續(xù)下沉，平均沉降速率達(dá)21.4 mm/a，累計(jì)沉降量超過60 mm。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該小區(qū)路面破損嚴(yán)重，有裂縫長達(dá)十幾米、房屋及圍墻明顯開裂等現(xiàn)象，沿街1—12號樓居民已全部搬遷，進(jìn)一步驗(yàn)證了進(jìn)行沉降監(jiān)測及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)的準(zhǔn)確性與必要性。

5 結(jié) 語

為了得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的沉降監(jiān)測結(jié)果，本文基于MCTSB-InSAR技術(shù)進(jìn)行沉降監(jiān)測研究，保證了建筑、路面等高相干點(diǎn)目標(biāo)質(zhì)量，獲取了南京市主城區(qū)沉降漏斗主要分布特征及地面沉降信息，得出沉降區(qū)域多位于建鄴區(qū)的結(jié)論。通過沿地鐵線路追蹤設(shè)置緩沖區(qū)來分析沿線的地面沉降量；借助沿地鐵中心線沉降剖面圖，更直觀揭示了除地鐵1號、S1號線外，其余監(jiān)測地鐵沿線的地面均出現(xiàn)不同程度的沉降狀況，最后選取主要影響路段中關(guān)注較高的地鐵4號線龍江站沉降段進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)。結(jié)果表明，評價(jià)結(jié)果及樣本點(diǎn)沉降時(shí)序結(jié)果與受影響區(qū)域?qū)嶋H情況較為符合，充分驗(yàn)證了本文沉降監(jiān)測及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)的有效性與必要性，同時(shí)也為類似地面沉降災(zāi)害監(jiān)測與防治工作提供一定的理論與實(shí)際意義。