InSAR技術(shù)在城市軌道交通形變監(jiān)測的應(yīng)用

張強(qiáng),成皓楠

摘 要：InSAR技術(shù)是一種相對較為新穎的觀測技術(shù)，已經(jīng)在城市軌道交通變形監(jiān)測領(lǐng)域之中實(shí)現(xiàn)了廣泛運(yùn)用，利用這一技術(shù)，可以有效應(yīng)對傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)在應(yīng)用階段所存在的監(jiān)測穩(wěn)定性和可靠性較低問題，借助永久散射體干涉測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對于城市軌道交通形變情況的有效監(jiān)測，并據(jù)此確定相應(yīng)結(jié)構(gòu)的形變速率?；诖?，本文將結(jié)合杭州市城市軌道交通2號線展開分析，探討InSAR技術(shù)在軌道交通變形監(jiān)測領(lǐng)域之中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;InSAR技術(shù);形變監(jiān)測

1 變形監(jiān)測的重要性及其技術(shù)手段概述

在我國城市化建設(shè)高速發(fā)展的背景之下，各大城市都已經(jīng)致力于研發(fā)軌道交通系統(tǒng)，也在一定程度上提升了城市軌道交通建設(shè)的規(guī)模。在城市之中構(gòu)建具有較長跨度的地下隧道及深基礎(chǔ)工程，可能因?yàn)槭艿酱驑丁⑼馏w開挖及降水等因素的多重影響，而對工程建設(shè)質(zhì)量造成一定的影響，使得地質(zhì)環(huán)境遭到了極大程度的破壞，導(dǎo)致軌道建設(shè)周邊圍巖的垂直和水平位置發(fā)生一定變化，進(jìn)而引發(fā)工程環(huán)境變形。在實(shí)際運(yùn)營階段，由于所抽取的地下水量相對較多，導(dǎo)致地下水發(fā)生了嚴(yán)重的凍融問題。隨著地上建筑物負(fù)載量的不斷提升，也相應(yīng)造成了城市沉降帶問題，使得軌道結(jié)構(gòu)在軌道穿越過程中無法形成穩(wěn)定的沉降，時(shí)間一長，則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縱向出現(xiàn)不均勻變化，在一定程度上限制了城市軌道交通線路運(yùn)營的穩(wěn)定性。

通過城市軌道交通工程建設(shè)，針對運(yùn)營階段的變形情況予以實(shí)時(shí)監(jiān)測，有利于積極把握工程和周邊環(huán)境的變化情況，并據(jù)此確定相應(yīng)的變形區(qū)域，讓城市軌道交通工程建設(shè)及運(yùn)營階段的安全性得到充分保障，以切實(shí)提升環(huán)境的安全性，讓現(xiàn)代化建設(shè)水平得到切實(shí)提升。

城市背景下的軌道交通通常表現(xiàn)出線性分布的形式，在軌道交通設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營監(jiān)測階段，常表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：首先，所需監(jiān)測的距離相對較長，一般在十幾到幾十公里之間;其次，所需監(jiān)測的項(xiàng)目相對較多，包括橋梁結(jié)構(gòu)、基坑主體結(jié)構(gòu)、周邊建筑物形態(tài)，管線等。如果運(yùn)用常規(guī)的精密水準(zhǔn)實(shí)施變形監(jiān)測，則可能帶來大量的人力物力及時(shí)間損耗，同時(shí)，也難以據(jù)此確定地鐵軌道沿線的實(shí)際變形情況。為此，可以通過InSAR技術(shù)實(shí)施監(jiān)測，以充分適應(yīng)逐漸擴(kuò)大的區(qū)域性地面沉降變化趨勢，為政府和軌道交通建設(shè)企業(yè)提供充足可靠的地面沉降資料信息，以便開展對于軌道工程的高效規(guī)劃和治理，讓軌道工程建設(shè)質(zhì)量得到充分保障[1]。

2 InSAR技術(shù)原理

一旦雷達(dá)先后兩次所發(fā)出的微波頻率接近，且成像期間處于不間斷的波動(dòng)裝填，同時(shí)，不同的平臺軌道之間較為接近，便可以在雷達(dá)相遇位置處維持統(tǒng)一的振動(dòng)方向，并在兩雷達(dá)波相遇位置處發(fā)生干涉，干涉現(xiàn)象的差異在一定程度上展現(xiàn)了與相干迭加有關(guān)的微波間相位差及與之相對應(yīng)的空間分布形態(tài)。InSAR技術(shù)，也即充分利用雷達(dá)波的干涉現(xiàn)象，針對同一個(gè)觀測區(qū)域之中的不同差異視點(diǎn)進(jìn)行成像，同時(shí)，結(jié)合相應(yīng)成像點(diǎn)相位信息之間的差異，確定地物的相對高度信息。

結(jié)合干涉SAR平臺及使用條件之間的差異，可以確定三種不同的SAR資料獲取方法，也即：重復(fù)軌道、沿軌道和正交軌道干涉。

3 研究區(qū)與數(shù)據(jù)介紹

3.1 杭州地鐵2號線

以杭州地鐵2號線為例，本條線路在2017年正式開通運(yùn)營，其線路全長可達(dá)43.3 km，共計(jì)33座車站，其走向?yàn)槲鞅钡綎|南，是杭州市內(nèi)第二條投入運(yùn)營的地鐵線路。

3.2 數(shù)據(jù)介紹

杭州地鐵2號線所利用的數(shù)據(jù)源是由意大利學(xué)者所研發(fā)的COSMO-SkyMedSAR影像，該影像一般處于3 m分辨率條帶模式之中，可以通過HH極化的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其入射角一般為29.02°，本次研究共獲取了系統(tǒng)之中的56期影像信息，其起止時(shí)間分別為2015年1月10日和2018年8月30日。

4 監(jiān)測結(jié)果分析與討論

4.1 地鐵2號線地表形變結(jié)果

在本地鐵沿線中具有5條相對集中的地表形變區(qū)域：

第一，良渚站至金家渡站地段，此范圍內(nèi)的平均形變速率和最大形變速率分別為-12 mm/a和-50 mm/a，此范圍之中的區(qū)域形變通常成片狀連接的形式，且形變規(guī)模和速度都較為突出;

第二，三墩站到學(xué)院路站，此區(qū)域內(nèi)的形變面積可以占據(jù)到線路總形變面積的1/3，平均及最大地表形變速率分別為-11 mm/a和-31 mm/a，此范圍之中的區(qū)域形變通常成零散的分布形式，且地表形變較為復(fù)雜;

第三，錢江世界城站到飛虹路站，平均及最大地表形變速率分別為-8 mm/a和-32 mm/a，此區(qū)域之中的形變面積相對較廣，且以錢塘江南側(cè)的形變最為突出;

第四，建設(shè)一路站到杭發(fā)廠站，平均及最大地表形變速率分別為-9 mm/a和-25 mm/a，形變面積相對較廣;

第五，潘水站到朝陽站，平均及最大地表形變速率分別為-13 mm/a和-41 mm/a，此區(qū)域之中的形變區(qū)塊數(shù)量較多，且多分布于地鐵沿線及其周邊位置。

4.2 地鐵沿線形變梯度分析

形變梯度多用于某一特定方位上的地表形變變化速率，可以充分展現(xiàn)物理量的不均勻形變特性。借助累計(jì)形變量的形式，可以確定地表在某一特定時(shí)間段之中的總體變化情況。筆者利用累計(jì)形變量分析的方式，針對杭州地鐵2號線沿線的形變梯度進(jìn)行了充分分析。由于2號線的距離相對較長，導(dǎo)致曲線圖出現(xiàn)了一定程度的壓縮，難以充分觀察出地表不均勻形變位置處的間斷點(diǎn)信息，故筆者挑選了地鐵三墩站至學(xué)院路站路段進(jìn)行監(jiān)測，并通過反距離權(quán)重插值的方法展開了對于累計(jì)形變量的處理，同時(shí)，繪制了如下圖所示的剖面性變曲線圖。

圖中的形變區(qū)段共計(jì)包含7個(gè)站點(diǎn)，且站點(diǎn)之間存在較為突出的累計(jì)形變量波動(dòng)，其中尤以豐潭路到學(xué)院路這以路段的變化幅度最為明顯。

若地鐵線路所貫穿的同一片區(qū)域之中的沉降速率大致相等，也即不同位置處的地表面下降速度接近一致，則不會(huì)對地鐵軌道建設(shè)和地鐵運(yùn)營階段的整體安全性造成過大的威脅。然而，一旦地鐵線路處于沉降速率變化各異的區(qū)域之中，便可能帶來嚴(yán)重的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)?；诖耍槍Φ乇硇巫冇枰员O(jiān)測，要求在關(guān)注區(qū)域沉降速率的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)沉降梯度的重要性，避免從單一化的視角建立對于地鐵沿線形變情況的分析，以降低漏檢及錯(cuò)檢的發(fā)生概率。

5 結(jié)論

綜上，利用InSAR技術(shù)，同時(shí)結(jié)合COSMO-SkyMed雷達(dá)影像數(shù)據(jù)的形式，得到了杭州地鐵2號線沿線的地表形變信息。在監(jiān)測區(qū)域之中具有幾處相對集中的地表形變區(qū)域，且多表現(xiàn)為形變小區(qū)塊散步的形式，其形變速率最高為

-50 mm/a。依托于地鐵沿線路段，確定相應(yīng)的地形斷面信息，并據(jù)此制作地鐵線路沉降剖面圖，可以直接觀測軌道鐵路沿線的地表沉降情況，同時(shí)，以此為前提，設(shè)置間隔距離為200 m的累計(jì)形變點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上算出了不同點(diǎn)的形變梯度。

分析結(jié)果表明，即使在地表形變集中區(qū)域、高形變梯度區(qū)域和形變嚴(yán)重區(qū)域都存在高度重疊，但是與此同時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出不同程度的差異。因此，不能采取單一化的手段確定地鐵沿線的實(shí)際形變情況，以免帶來嚴(yán)重的漏檢及錯(cuò)檢風(fēng)險(xiǎn)。以200 m為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，針對形變梯度進(jìn)行了分析，然而，如果換用其他的指標(biāo)必定會(huì)得到差異化的結(jié)果，需要充分利用合成InSAR技術(shù)，同時(shí)，依托于地鐵行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)展開測量，這也將作為日后的重點(diǎn)研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱茂，沈體雁，黃松，等.InSAR技術(shù)地鐵沿線建筑物形變監(jiān)測[J].國土資源遙感，2019，31（2）：196-203.