InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)與水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)對(duì)比研究

李瑞峰，常 樂，秦 海

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.國(guó)家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

0 引言

隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，各種超高層復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)日益增多，荷載增加、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、內(nèi)部機(jī)械設(shè)備增多、施工周期短、地基復(fù)雜都會(huì)增加建筑結(jié)構(gòu)的變形。為了保證建（構(gòu)）筑物的正常使用壽命和建（構(gòu)）筑物的安全性，并為以后的勘察設(shè)計(jì)施工提供可靠的資料及相應(yīng)的變形參數(shù)，建（構(gòu)）筑物變形觀測(cè)的必要性和重要性愈加明顯。InSAR（水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)法與干涉雷達(dá)法）變形監(jiān)測(cè)技術(shù)具有大范圍、高密度、強(qiáng)時(shí)效性、對(duì)大氣和季節(jié)的影響不敏感等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，當(dāng)建筑產(chǎn)生超過規(guī)范的變形和不均勻沉降時(shí)發(fā)出預(yù)警，及時(shí)處理結(jié)構(gòu)的安全隱患，對(duì)保障結(jié)構(gòu)安全和施工順利進(jìn)行具有重要意義［1-6］。

國(guó)外學(xué)者對(duì) InSAR變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面進(jìn)行了研究，1999 年 DTarchi 等［7］采用 LISA 技術(shù)對(duì)滑坡體進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)研究；GLuzi 等［8］對(duì)冰川的移動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)；GAntonello 等［9］利用星載 SAR 和地面 SAR 對(duì)火山進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)。然而，關(guān)于 InSAR 技術(shù)對(duì)建筑進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的研究相對(duì)較少。

本文以建筑結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)為例，將 InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)與水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，可以驗(yàn)證 InSAR 技術(shù)在建筑變形監(jiān)測(cè)中的可行性，為建筑變形監(jiān)測(cè)提供新的監(jiān)測(cè)方法，保障施工過程的順利進(jìn)行。

1 InSAR 簡(jiǎn)介

水準(zhǔn)沉降觀測(cè)即根據(jù)建筑物設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)與固定（永久性水準(zhǔn)點(diǎn)）的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，采用水準(zhǔn)儀測(cè)其沉降程度用數(shù)據(jù)表達(dá)。InSAR 變形測(cè)量技術(shù)采用合成孔徑雷達(dá)技術(shù)與干涉測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的方法，合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種主動(dòng)式微波遙感。

InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)于水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：范圍更廣，可以對(duì)整個(gè)城市的建筑進(jìn)行監(jiān)測(cè)；受天氣和環(huán)境振動(dòng)影響較小，可以在特殊環(huán)境條件下對(duì)建筑進(jìn)行監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度高，可以對(duì)建筑的重點(diǎn)部位進(jìn)行全數(shù)監(jiān)測(cè)；自動(dòng)監(jiān)測(cè)，無需人工測(cè)量；成本低，只需要對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行解算就可得出變形數(shù)據(jù)。InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)于水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的缺點(diǎn)：精度較低，無法達(dá)到水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的精度；監(jiān)測(cè)頻率較低。

InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)可以彌補(bǔ)水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的不足，采用 InSAR 技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)整個(gè)城市建筑的變形情況，通過 InSAR 變形數(shù)據(jù)分析，對(duì)變形較大的建筑再采用水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，通過兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到城市建筑變形風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的能力，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

2 InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)與水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)對(duì)比

本文采用兩個(gè)工程案例，將 InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)和水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，其中工程案例一為已經(jīng)竣工的高層住宅項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)交付使用五年后出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)傾斜，如果建筑繼續(xù)變形，將會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性，所以立即對(duì)該建筑進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，確保該住宅正常使用；工程案例二為正在施工的超高層建筑，超高層復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系和施工工藝給施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。施工期間超高層建筑荷載不斷增加和外部環(huán)境的影響，將導(dǎo)致超高層建筑變形增大，為保證施工的順利進(jìn)行，對(duì)超高層建筑進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。

2.1 工程應(yīng)用一

建筑高約 100 m，上部結(jié)構(gòu)體系為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，下部為樁基礎(chǔ)形式，分為地下 1 層和地上 32 層，對(duì)該建筑進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。建筑外立面如圖 1 所示。

圖1 建筑外立面圖

該樓沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì) 12 個(gè)，測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖 2 所示，測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖 3 所示。

圖2 沉降測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

圖3 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，自 2016 年 05 月 17 日開始至 2018年 06 月 22 日（以下簡(jiǎn)稱為“本監(jiān)測(cè)周期內(nèi)”）采用水準(zhǔn)儀對(duì)建筑進(jìn)行了基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)，共計(jì) 29 次。觀測(cè)工作遵守 JGJ 8－2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。本監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，最大累計(jì)沉降量為 10.86 mm，最小累計(jì)沉降量為 1.47 mm，最大差異沉降量為 9.39 mm。整個(gè)觀測(cè)期間（742 d）沉降速率為 0.003～0.014 mm/d。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率未超過 JGJ 8－2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》的要求。

選取與沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)相近的 I n S A R 監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將 InSAR 監(jiān)測(cè)的年平均沉降速率與水準(zhǔn)儀測(cè)量的年平均沉降速率進(jìn)行對(duì)比（見表 1）。

表1 InSAR 監(jiān)測(cè)年平均沉降速率與水準(zhǔn)儀測(cè)量年平均沉降速率對(duì)比

2.2 工程應(yīng)用二

WHZX 超高層建筑位于武漢市，地下 5 層，地上 98 層，建筑高度 475 m，采用 SRC 巨型柱框架、型鋼混凝土核心筒和伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，WHZX 超高層結(jié)構(gòu)采用內(nèi)置異形型鋼混凝土巨柱、內(nèi)置型鋼或鋼板（鋼骨柱）鋼筋混凝土核心筒、連接核心筒與外框的伸臂桁架、約束結(jié)構(gòu)變形的環(huán)帶桁架以及對(duì)應(yīng)樓層結(jié)構(gòu)鋼梁、組合樓板組成，如圖 4 所示。

圖4 WHZX 結(jié)構(gòu)示意圖

選取 6 個(gè) PS 點(diǎn)，WHZX 超高層變形監(jiān)測(cè) PS 點(diǎn)如圖 5 所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇在核心筒一層剪力墻位置處。分別采用水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)和 InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)超高層進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，沉降監(jiān)測(cè)對(duì)比曲線如圖 6～11 所示。

圖5 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位圖

3 案例效果分析

工程案例一：在有效的 11 個(gè) InSAR 監(jiān)測(cè)與水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年平均沉降方向相反，8 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年平均沉降方向相同，沉降方向多數(shù)一致，最大年平均沉降差值為 5.5 mm/年，7 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年平均沉降差值小于 3 mm/年，兩種監(jiān)測(cè)技術(shù)年平均沉降測(cè)量差距較小，說明 InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠達(dá)到毫米級(jí)精度。

圖6 Q1 點(diǎn) InSAR 與水準(zhǔn)測(cè)量沉降對(duì)比曲線

圖7 Q2 點(diǎn) InSAR 與水準(zhǔn)測(cè)量沉降對(duì)比曲線

圖8 Q3 點(diǎn) InSAR 與水準(zhǔn)測(cè)量沉降對(duì)比曲線

圖9 Q4 點(diǎn) InSAR 與水準(zhǔn)測(cè)量沉降對(duì)比曲線

圖10 Q5 點(diǎn) InSAR 與水準(zhǔn)測(cè)量沉降對(duì)比曲線

工程案例二：通過 2 年的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，除了 2016 年 6～9 月期間沉降趨勢(shì)有所不同，其他時(shí)間沉降趨勢(shì)基本一致。2016 年該超高層所在城市發(fā)生洪澇災(zāi)害，兩種方法測(cè)得的沉降數(shù)據(jù)在該段時(shí)間內(nèi)變小，說明沉降監(jiān)測(cè)與實(shí)際情況相符合。Q1 點(diǎn)與 Q2 點(diǎn)位置、Q3 點(diǎn)與 Q4 點(diǎn)位置、Q5 點(diǎn)與 Q6 點(diǎn)位置接近，沉降值基本一致。Q1 點(diǎn)、Q2 點(diǎn)兩種方法的沉降值之差最大值約 6 mm，Q3 點(diǎn)、Q4 點(diǎn)兩種方法的沉降值之差最大值約 12 mm，Q5 點(diǎn)、Q6 點(diǎn)兩種方法的沉降值之差最大值約 11 mm。兩種方法測(cè)得的沉降值之差最大值在 1 cm 左右，在可控的范圍之內(nèi)，說明采用 InSAR 監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)建筑進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)是可行的。

圖11 Q6 點(diǎn) InSAR 與水準(zhǔn)測(cè)量沉降對(duì)比曲線

4 結(jié)語

通過 InSAR 技術(shù)與水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的沉降監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，沉降趨勢(shì)基本一致，最大年平均沉降速率差值為 5.5 mm/年，最大沉降差 12 mm，證明采用 InSAR 技術(shù)對(duì)建筑進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)是可行的。InSAR 技術(shù)具有大范圍、高密度、強(qiáng)時(shí)效性、對(duì)大氣和季節(jié)的影響不敏感等優(yōu)點(diǎn)。采用 InSAR 技術(shù)進(jìn)行建筑變形監(jiān)測(cè)，對(duì)建筑施工過程和正常使用過程進(jìn)行監(jiān)控，預(yù)防再出現(xiàn)不均勻沉降，及時(shí)反饋建筑的沉降信息，為勘察設(shè)計(jì)單位和施工單位提供建筑的信息，避免因沉降原因造成建筑物主體結(jié)構(gòu)的破壞或產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)使用功能的裂縫，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。Q