基于PS-InSAR技術(shù)的南寧地表沉降監(jiān)測(cè)與分析

代志宏 盧 鵬 張志芳 汪曉龍 許 國(guó) 董建明

1 廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院管理科學(xué)與工程學(xué)院, 南寧市明秀西路100號(hào),530022 2 南寧市勘察測(cè)繪地理信息院有限公司, 南寧市茶花園路31-1號(hào), 530022

地表沉降是由于自然因素或人類工程活動(dòng)引發(fā)地下松散巖層固結(jié)壓縮，并導(dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象，是一種緩變性地質(zhì)災(zāi)害[1]。南寧市屬于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，近年來，南寧市城區(qū)內(nèi)地表沉降引起的塌陷、房屋拉裂及傾斜等地質(zhì)災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，但一半以上災(zāi)害并不在已排查出的隱患范圍內(nèi)，因此還存在大量的隱蔽性災(zāi)害亟待發(fā)現(xiàn)。

地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)往往位于具有明顯地表變形跡象的區(qū)域，若對(duì)地表變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的全面識(shí)別和預(yù)警[2]。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，如水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS測(cè)量、分層標(biāo)記測(cè)量等，可以獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間分辨率和形變信息，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率偏低，無法獲得大區(qū)域的沉降信息[3]。近年來興起的合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(synthetic aperture radar interferometry, InSAR)，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限性，具有監(jiān)測(cè)精度高、范圍廣、空間分辨率高等特點(diǎn)[4]，現(xiàn)已在地表形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如城市地表沉降[5]、火山運(yùn)動(dòng)[6]、地震位移[7]、滑坡[8]等的監(jiān)測(cè)。但常規(guī)的InSAR易受空間和時(shí)間失相干以及大氣延遲效應(yīng)的影響，對(duì)外部DEM的精度誤差、系統(tǒng)熱噪聲太過敏感，難以完成高精度的長(zhǎng)時(shí)間間隔地表監(jiān)測(cè)[4]。針對(duì)以上問題，F(xiàn)erretti等[9]提出永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(permanent scatters interferometric synthetic aperture radar, PS-InSAR)，僅對(duì)影像集中長(zhǎng)時(shí)間保持高相干的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行相位分析，其監(jiān)測(cè)精度可達(dá)mm級(jí)[9]。

本文采用PS-InSAR技術(shù)對(duì)南寧市2013～2016年的地表形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過分析獲取其地面形變特征和規(guī)律；進(jìn)而對(duì)沉降突變區(qū)域開展實(shí)地調(diào)查，核實(shí)和評(píng)估該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害潛在風(fēng)險(xiǎn)性，判別PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地表沉降及定位災(zāi)害隱患點(diǎn)的可行性；最后結(jié)合水文地質(zhì)環(huán)境、歷史衛(wèi)星影像及工程建設(shè)等資料，分析沉降突變點(diǎn)地表變形原因，并提出相應(yīng)的預(yù)防和補(bǔ)救措施。本文的研究為政府開展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)和防治工作提供了新思路。

1 研究區(qū)概況

南寧市(107°45′～108°51′E，22°12′～23°06′N)位于廣西南部偏西，是連接?xùn)|南沿海與西南內(nèi)陸的重要樞紐，建成區(qū)面積372 km2，由青秀區(qū)、興寧區(qū)、江南區(qū)、良慶區(qū)、邕寧區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)等多個(gè)轄區(qū)組成。其地形為以邕江廣闊河谷為中心的盆地形態(tài)，盆地向東開口，南、西、北三面均為山地圍繞，南有七坡高丘陵，西有鳳凰山，北有高峰嶺低山。整個(gè)市區(qū)展布于邕江多級(jí)階地上，上部多為粘性土和粉土，下部為砂巖、石英、礫石等組成的砂礫石層，結(jié)構(gòu)疏松，利于地下水的侵入滲透，致使抗剪強(qiáng)度偏低，易受到施工開挖[10]等人類工程活動(dòng)以及強(qiáng)降雨等自然災(zāi)害的影響，誘發(fā)地面塌陷、滑坡、地裂縫、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

2 SAR數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 SAR數(shù)據(jù)

本文采用的影像覆蓋范圍為南寧市主城區(qū)，選取2013-01～2016-01期間44景高分辨率COSMO-SkyMed重復(fù)軌道的SAR影像數(shù)據(jù)，基本參數(shù)如表1所示。

表1 InSAR數(shù)據(jù)基本參數(shù)

2.2 研究方法

PS-InSAR技術(shù)是在InSAR的基礎(chǔ)上，選取散射特性較穩(wěn)定且相干性較高的點(diǎn)作為PS點(diǎn)，根據(jù)各點(diǎn)相位分量的特性分離出地形、大氣、平地等相位，從而得到較高精度的地表形變相位[11]。目前，確定PS點(diǎn)普遍采用振幅離差指數(shù)法，主要是根據(jù)時(shí)序振幅標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值判斷目標(biāo)點(diǎn)的穩(wěn)定性，從而設(shè)置合適的閾值來選取PS目標(biāo)點(diǎn)[12]。選取的PS點(diǎn)需滿足以下條件：

(1)

PS初選點(diǎn)的干涉相位中存在差分相位，包含形變相位φdef、噪聲相位φnoise、地形相位φtopo及大氣延遲相位φatm，即

φ=φdef+φtopo+φnoise+φatm

(2)

(3)

式中，Δv和Δε分別表示相鄰PS點(diǎn)之間的形變速率和高程誤差的增量，Δω為相鄰PS點(diǎn)間的殘余相位。

殘余相位Δω包括噪聲、大氣延遲相位和非線性形變相位。一般情況下，由于相鄰點(diǎn)的大氣和噪聲環(huán)境極其相似，在處理過程中的差值可忽略不計(jì)。若不考慮非線性形變，則可通過M幅干涉相位解算Δv和Δε的值。由于有M+2個(gè)未知數(shù)，卻只有M個(gè)方程，因此常規(guī)方法無法求解，實(shí)際數(shù)據(jù)處理中，可通過搜索如下相關(guān)系數(shù)最大值來求解Δv和Δε[13]：

(4)

綜上，將差分干涉圖中相鄰PS點(diǎn)建立上述相位差分方程，可求解時(shí)序基線的形變速率和高程誤差，再對(duì)它們進(jìn)行積分，可得到每個(gè)PS點(diǎn)相對(duì)于主參考點(diǎn)的形變速率和高程誤差。

2.3 技術(shù)路線

本文技術(shù)方案流程如圖1所示，其主要處理步驟為：

1)數(shù)據(jù)源：SAR影像、DEM數(shù)據(jù)。

2)InSAR數(shù)據(jù)處理：以SAR影像中的一幅作為主影像，分別與其余影像配準(zhǔn)生成干涉圖；利用DEM數(shù)據(jù)，對(duì)干涉圖進(jìn)行差分干涉處理；采用振幅離差指數(shù)法識(shí)別和選取高相干性PS點(diǎn)，并在去除大氣相位誤差后提取研究區(qū)的地表形變信息。

3)InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果分析：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和水文地質(zhì)環(huán)境、歷史衛(wèi)星影像及工程建設(shè)等資料，分析地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果及形成原因。

圖1 技術(shù)流程Fig.1 Technical process

3 結(jié)果與分析

基于PS-InSAR技術(shù)獲取了南寧市2013～2016年地面沉降速率，如圖2(a)所示，結(jié)果表明，城區(qū)內(nèi)年平均形變速率較小，大部分形變速率范圍在-7～5 mm/a。部分區(qū)域分布有沉降突變點(diǎn)，其形變特征表現(xiàn)為：形變速率高于平均值2倍及以上；監(jiān)測(cè)周期內(nèi)累積形變較大，且沉降持續(xù)發(fā)展、未穩(wěn)定。根據(jù)PS-InSAR計(jì)算共獲得4 409 406個(gè)PS點(diǎn)，其中平均形變速率超過-9 mm/a的PS點(diǎn)共有34 941個(gè)，占PS點(diǎn)總數(shù)的0.792%，且大多數(shù)分布在青秀區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)、興寧區(qū)的南寧繞城高速以內(nèi)，如青秀區(qū)東、西側(cè)，西鄉(xiāng)塘區(qū)地鐵2號(hào)線、3號(hào)線沿線等，其余區(qū)域有零星點(diǎn)分布。本文針對(duì)沉降突變量大、人員活動(dòng)密集的建筑群和市政公路區(qū)域，選取青秀區(qū)新竹路與思賢路交叉段建筑密集區(qū)域、民族大道高速立交出入口區(qū)域等沉降突變點(diǎn)(圖2(b))，進(jìn)一步分析和研究地面沉降原因。

圖2 南寧市2013～2016年地面沉降結(jié)果Fig.2 Land subsidence results in Nanning from 2013 to 2016

3.1 新竹路與思賢路交叉區(qū)域地面沉降結(jié)果與分析

南寧市青秀區(qū)新竹路與思賢路交叉口周邊PS點(diǎn)的形變速率如圖3所示。其中A～E(紅線框內(nèi))為形變相對(duì)較大區(qū)域，對(duì)應(yīng)位置分別為新竹公寓、南寧人防生活區(qū)、廣西社會(huì)科學(xué)界聯(lián)合會(huì)宿舍、廣西紡織總會(huì)宿舍以及歐景庭園小區(qū)。為更直觀地分析各突變點(diǎn)的形變結(jié)果，繪制了各點(diǎn)在2013～2016年的形變時(shí)間序列圖，如圖4所示。

圖3 新竹路與思賢路交叉段建筑密集區(qū)域年平均沉降速率Fig.3 Annual average subsidence rate of the intersection of Xinzu road and Sixian road

圖4 A～E點(diǎn)形變時(shí)間序列圖Fig.4 The time-series of the A-E points

由圖4可知，A～E區(qū)域的形變量均表現(xiàn)為非線性，雖監(jiān)測(cè)期間發(fā)現(xiàn)地面出現(xiàn)了幾次輕微抬升，但整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，累積形變量均超過-25 mm。其中B點(diǎn)(圖中帶菱形的紅色折線)為南寧人防生活區(qū)，在2013-10～2014-01期間沉降速率較快；E點(diǎn)(圖中帶方塊的綠色折線)為歐景庭園小區(qū)，該點(diǎn)的累積變形量最大。本文以B和E點(diǎn)為例，對(duì)沉降形變?cè)蜻M(jìn)行進(jìn)一步分析和研究。

3.1.1 南寧人防生活區(qū)(B點(diǎn))地面沉降分析

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，南寧人防生活區(qū)(B點(diǎn))門衛(wèi)室和非機(jī)動(dòng)車車庫(kù)均有不同程度的貫穿裂縫，裂縫長(zhǎng)度約1～3 m，寬度約5～20 mm。由此可知，PS-InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的B點(diǎn)的沉降速率變大與該區(qū)域的地面裂縫、房屋結(jié)構(gòu)開裂有關(guān)。

值得注意的是，貫穿裂縫的形成一般與地基沉降有關(guān)。依據(jù)《危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)JGJ125-2016》[14]，當(dāng)裂縫寬度超過10 mm時(shí)會(huì)影響砌體結(jié)構(gòu)承重墻體的承載力和穩(wěn)定性，屬危險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，因此，南寧人防生活區(qū)(B點(diǎn))的房屋存在一定程度的安全隱患。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，廣西區(qū)檢察院宿舍位于南寧人防生活區(qū)(B點(diǎn))的西側(cè)，水平距離僅為4.0～6.0 m。根據(jù)B點(diǎn)的光學(xué)歷史影像(圖5)，廣西區(qū)檢察院宿舍(圖5中紅線框處)的基坑作業(yè)時(shí)間為2012年～2013年底。根據(jù)PS-InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示(圖4)，B點(diǎn)于2013-10～2014-01期間的沉降速率較大，3個(gè)月內(nèi)累積沉降量達(dá)-7.76 mm，且短期內(nèi)無收斂趨勢(shì)。由此可推斷，南寧人防生活區(qū)地面的沉降突變與廣西區(qū)檢察院宿舍基坑開挖關(guān)聯(lián)性較大。

圖5 光學(xué)歷史影像Fig.5 Optical historical image

查閱廣西區(qū)檢察院宿舍改造項(xiàng)目建設(shè)資料獲悉，該基坑深度為16.0 m，其中基坑壁上部出露地層包括填土、粉質(zhì)粘性、粉土、細(xì)砂等，總厚度約8.6 m，下部為卵石夾砂層；填土層含上層滯水，砂層、卵石層富含潛水?；娱_挖及支護(hù)造成側(cè)向土體應(yīng)力發(fā)生變化，易導(dǎo)致地表發(fā)生形變。同時(shí)，基坑外地下水埋深較高(埋深8.7 m，位于砂卵石層間)，在降水作業(yè)過程中，砂卵石層中的小顆粒容易與水一同抽走，使地層發(fā)生損失；且降水施工導(dǎo)致場(chǎng)地水位下降，地下水對(duì)土體的承托力減小，造成基坑外土體發(fā)生下沉變形，容易導(dǎo)致周邊建筑物發(fā)生地面沉降和墻體開裂。

3.1.2 歐景庭園(E點(diǎn))地面沉降分析

2016-10-29對(duì)E點(diǎn)所處的區(qū)域(歐景庭園)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小區(qū)房屋墻體出現(xiàn)了輕微裂縫，圍墻混凝土柱發(fā)育有水平裂縫，長(zhǎng)度為0.1～0.2 m，寬度為4～6 mm；小區(qū)前路面起伏，出現(xiàn)了較大裂縫，寬度約10～20 mm。由此可知，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與PS-InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均能反映E點(diǎn)的地面沉降問題。

通過收集該點(diǎn)水文地質(zhì)條件及周邊工程建設(shè)情況，推測(cè)其地面沉降是廣西光明職業(yè)大學(xué)辦公住宅綜合樓基坑施工和地鐵一號(hào)線施工共同影響的結(jié)果。其中廣西光明職業(yè)大學(xué)辦公住宅綜合樓位于歐景庭園東北側(cè)，距離約100 m，基坑開挖施工主要從2014年冬季(枯水期)開始，2015年底完工。該基坑穿過粉土層，施工時(shí)地下水位以下的粉土層易被擾動(dòng)而發(fā)生液化沉降，以至于喪失承載力。另外，南寧軌道交通1號(hào)線位于歐景庭園南側(cè)，距離約70 m，施工時(shí)間為2012～2016年，現(xiàn)已開通營(yíng)運(yùn)。由于地鐵隧道穿越粉砂、圓礫層，盾構(gòu)施工易導(dǎo)致地層損失[15]，其中粉細(xì)砂顆粒較為敏感。因此，原先承擔(dān)骨架作用的粉、細(xì)砂變成孔隙，土層在上部荷載的作用下會(huì)發(fā)生壓縮沉降，同時(shí)施工降水還會(huì)引起場(chǎng)地周圍局部地下水位降低，使建筑物地基土層發(fā)生固結(jié)沉降。

3.2 民族大道-泉南高速入口處地面沉降結(jié)果與分析

圖6為民族大道-泉南高速入口處(下稱F、G點(diǎn))地面年平均沉降速率，由圖可知，該區(qū)域的平均形變速率為-13.87 mm/a，累積形變量超過-40 mm。

圖6 民族大道高速立交出入口區(qū)域年平均沉降速率Fig.6 Annual average subsidence rate of the area ofMinzu avenue high-speed interchange entrance

經(jīng)分析，F(xiàn)、G點(diǎn)2013～2016年地面沉降大致可分為3個(gè)階段，分別為2013-01～2013-06、2013-11～2014-04以及2015-11～2016-01。其中F點(diǎn)累計(jì)沉降量較大，3個(gè)階段累積沉降量依次為-8.21 mm、-15.36 mm、-11.61 mm；監(jiān)測(cè)期間地面出現(xiàn)小幅回彈，但在監(jiān)測(cè)末期的2個(gè)月內(nèi)，累積沉降量超過-11 mm，形變速率陡增，且有繼續(xù)下沉的趨勢(shì)(圖7)。

圖7 F、G點(diǎn)形變時(shí)間序列圖Fig.7 The time-series of the F and G points

2016-11-01對(duì)泉南高速南側(cè)南寧高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司工作區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多棟主體建筑發(fā)生沉降開裂，長(zhǎng)度約1～3 m，寬度約2～10 mm；區(qū)域內(nèi)路面也發(fā)現(xiàn)不同大小裂縫。由此可知，該沉降區(qū)域?qū)儆诘刭|(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)隱患處。因此，為防止沉降現(xiàn)象持續(xù)惡化，查明地面沉降原因并采取相應(yīng)補(bǔ)救措施至關(guān)重要。

該高速入口所在區(qū)域，地貌上屬于以河谷為中心的盆地形態(tài)，地層主要為人工填土、沖積粘性土、粉土、粉砂及圓礫，下覆基巖為南寧第三系泥巖、粉砂巖。地下水主要有兩種類型：上層滯水和潛水。上層滯水一般賦存于人工填土層、耕植土中；潛水主要賦存于下伏古近系半成巖粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖中，具承壓性，富水性弱，屬弱～中透水層[16]。潛水主要來自大氣降水及綠地澆水等入滲補(bǔ)給，沿含水層滲流排泄。

據(jù)調(diào)查，南寧高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司(F點(diǎn))觀測(cè)周期中周邊正在修建大型工程，包括華豐城深基坑項(xiàng)目與軌道交通1號(hào)線瑯東客運(yùn)站-百花嶺區(qū)間。華豐城商住樓基坑穿過泥質(zhì)粉砂，在基坑施工過程中，對(duì)地下水位以下的泥質(zhì)粉砂巖產(chǎn)生擾動(dòng)，靜止水位以下的泥質(zhì)粉砂巖發(fā)生崩解，結(jié)構(gòu)遭到破壞，使地基發(fā)生沉降，承載力下降?；硬捎梅牌?樁錨的支護(hù)模式，開挖導(dǎo)致周圍土體的水平圍壓應(yīng)力下降，土體被卸去邊荷載后，建筑物下方靠近基坑一側(cè)的土體承載力降低，則該處土體將會(huì)產(chǎn)生垂向位移，從而使建筑物發(fā)生沉降、開裂。同時(shí)距離較近的地鐵區(qū)間段在施工及試運(yùn)行過程中產(chǎn)生的外荷載也會(huì)使區(qū)域地表產(chǎn)生不均勻沉降。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)南寧市建成區(qū)地表沉降情況，詳細(xì)分析典型區(qū)域的沉降特征及原因，得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)PS-InSAR技術(shù)成功獲取南寧市2013～2016年時(shí)空形變信息，結(jié)果顯示，研究區(qū)年平均沉降速率范圍為-7～5 mm/a；沉降突變點(diǎn)大多分布在青秀區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)以及興寧區(qū)的南寧繞城高速以內(nèi)；青秀區(qū)建筑密集、工程建設(shè)頻繁，其中新竹路與思賢路的交叉區(qū)域、民族大道高速出入口區(qū)域地面沉降明顯，平均形變速率超過-9 mm/a，累積形變量最高達(dá)-41.61 mm。

2)重點(diǎn)研究區(qū)域?yàn)榍嘈銋^(qū)新竹路與思賢路交叉段建筑密集區(qū)、民族大道高速立交出入口區(qū)域等沉降突變區(qū)，結(jié)合PS-InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)地調(diào)查進(jìn)行分析，獲得了反映地面沉降問題的結(jié)果。由此可知，采用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)獲取的沉降突變區(qū)，其建筑物均存在地基及路面下沉、結(jié)構(gòu)體開裂等災(zāi)害現(xiàn)象，屬地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)。這在一定程度上驗(yàn)證了PS-InSAR技術(shù)找尋城區(qū)災(zāi)害隱患點(diǎn)的可行性。

3)基于收集的沉降突變區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境及周邊工程建設(shè)情況推測(cè)，南寧人防生活區(qū)(B點(diǎn))、歐景庭園(E點(diǎn))及民族大道-泉南高速入口處(F點(diǎn))的地面沉降，主要是因?yàn)橹車ㄖ锘邮┕こ樗?、地鐵盾構(gòu)施工等因素引起土體應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的地表沉降，進(jìn)而使建筑物產(chǎn)生形變。因此在基坑施工前，應(yīng)考慮抽水、開挖等作業(yè)對(duì)周邊建筑物的影響，可在影響范圍內(nèi)建筑處布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一旦沉降量接近建筑物預(yù)警值，須采取相應(yīng)補(bǔ)救措施。

4)本研究驗(yàn)證了PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)城市地表形變、判別地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的可行性?；贗nSAR技術(shù)數(shù)據(jù)精度高、監(jiān)測(cè)范圍廣、空間分辨率高的優(yōu)勢(shì)，對(duì)比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段，可更及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地發(fā)現(xiàn)隱蔽性地質(zhì)災(zāi)害，提前預(yù)報(bào)并采取相應(yīng)預(yù)防措施，規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。