基于InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)的隧道病害與采空區(qū)沉降相關(guān)性分析
——以桃坪隧道為例

田宏圖 王 楊

(鄭州鐵路科技發(fā)展有限公司 河南鄭州 450000)

鐵路隧道是貫穿全線鐵路網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。隨著時(shí)間的推移，很多隧道在建成運(yùn)營(yíng)后或多或少地存在不同程度的病害，它是影響鐵路安全的不安定因素，尤其是穿越采空區(qū)的鐵路隧道，其病害呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)[1-3]。為了解隧道病害的影響因素，需要對(duì)隧道病害進(jìn)行全方位的病理分析[4]。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR)作為一種新興的地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，其監(jiān)測(cè)精度已能達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)[5-6]，特別是星載SAR的成功在軌運(yùn)行并持續(xù)返回?cái)?shù)據(jù)，使得利用存檔數(shù)據(jù)研究采空區(qū)的歷史形變問(wèn)題成為可能[7]。本文為探究煤礦采空區(qū)與鐵路隧道病害的相關(guān)性，以桃坪隧道為例，采用時(shí)序InSAR 技術(shù)，通過(guò)對(duì)研究區(qū)存檔InSAR數(shù)據(jù)的分析，獲取桃坪隧道周邊地面沉降情況，分析采空區(qū)地表形變與隧道病害之間的關(guān)系，為隧道病害整治提供支持。

1 桃坪隧道概況

桃坪隧道為兩座分離式單洞線隧道，線間距28～30 m，最大埋深約145 m。隧道洞身巖性為二疊系砂巖和泥巖。桃坪隧道進(jìn)口段穿越1個(gè)煤礦，煤層埋深位于隧道洞身以下約 200 m。隧道上行線東側(cè)為 1992—2004 年期間形成的采空區(qū)，隧道下行線西側(cè)為2014 年以來(lái)形成的采空區(qū)。隧道出口段毗鄰兩個(gè)煤礦，煤層埋深位于隧道洞身以下約 100 m。

根據(jù)有關(guān)部門(mén)收集的相關(guān)資料，桃坪隧道上行線2004年以前己先后進(jìn)行過(guò)3次病害整治，下行線2004年前未出現(xiàn)過(guò)明顯的病害；2004年以后，上、下行隧道襯砌開(kāi)裂、滲水、裂損和掉塊等病害時(shí)有發(fā)生，并持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，隧道洞頂附近地面存在塌陷，房屋和道路有開(kāi)裂等現(xiàn)象，2013年5月K152+050 m～+200m地段襯砌發(fā)生新增病害，自2014年9月以來(lái)，新增病害發(fā)展加劇，嚴(yán)重影響行車(chē)安全。因此，探尋隧道病害成因，是目前徹底整治隧道病害的前提和先決條件，也是隧道病害治理的重點(diǎn)[8]。

2 時(shí)序InSAR數(shù)據(jù)處理

基于InSAR技術(shù)的地表形變監(jiān)測(cè)主要采用3種技術(shù)：差分干涉測(cè)量(D-InSAR)、永久散射體測(cè)量(PS-InSAR)和短基線測(cè)量(SBAS-InSAR)，其中，D-InSAR能達(dá)到厘米級(jí)精度，PS-InSAR和SBAS-InSAR可達(dá)到毫米級(jí)精度[9]。

2.1 數(shù)據(jù)選擇

PS-InSAR和SBAS-InSAR技術(shù)適用于地表微形變監(jiān)測(cè)，由于桃坪隧道所在區(qū)域未出現(xiàn)較大規(guī)模的地表形變，本研究宜采用PS-InSAR或SBAS-InSAR技術(shù)[10]。首先對(duì)主要的SAR歷史存檔數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。SAR歷史存檔數(shù)據(jù)中覆蓋本研究區(qū)的共有25幅Envisat-ASAR Image格式數(shù)據(jù)，其中升軌數(shù)據(jù)6幅(HH極化3幅，VV極化3幅)，降軌數(shù)據(jù)17幅(HH極化6幅，VV極化11幅)，時(shí)間范圍為2004―2012年；ALOS-PALSAR衛(wèi)星，覆蓋本研究區(qū)的共有2個(gè)帶，分別有15期和13期數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為2008―2011年；ALOS-PALSAR2衛(wèi)星高敏感模式數(shù)據(jù)3幅，精細(xì)模式數(shù)據(jù)6期；RADARSAT-2衛(wèi)星寬模式數(shù)據(jù)3幅，超寬精細(xì)模式數(shù)據(jù)4期；TerraSAR-X衛(wèi)星數(shù)據(jù)有ScanSAR(低分辨率寬幅)數(shù)據(jù)9期；Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)39幅，時(shí)間范圍為2015年―2017年。

ALOS-PALSAR 26 m高敏感模式數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量難以滿足D-InSAR、PS-InSAR和SBAS-InSAR分析要求，RADARSAT-2 寬模式的數(shù)據(jù)分辨率(30 m)較低且數(shù)據(jù)量較少，也無(wú)法進(jìn)行PS-InSAR或SBAS-InSAR處理；TerraSAR-X衛(wèi)星數(shù)據(jù)在本研究區(qū)域無(wú)高分辨率存檔數(shù)據(jù)，其ScanSAR分辨率過(guò)低，加之X波段穿透能力有限，不適用于本研究區(qū)域形變監(jiān)測(cè)相關(guān)性分析。因此，本次監(jiān)測(cè)需利用存檔量較大的中分辨率的ASAR、PALSAR和Sentinel1A數(shù)據(jù)。L波段PALSAR存檔數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為46～138 d，可探測(cè)形變能力較強(qiáng)，數(shù)據(jù)量能夠滿足SBAS-InSAR分析的要求。C波段Sentinel1A存檔數(shù)據(jù)量大，能夠滿足PS-InSAR和SBAS-InSAR分析的要求，而且大部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)間間隔為12 d，因此可探測(cè)形變的能力能夠滿足本區(qū)變形監(jiān)測(cè)要求。C波段ASAR存檔數(shù)據(jù)雖然在部分時(shí)段的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，但存檔數(shù)據(jù)量相對(duì)較多，且存檔數(shù)據(jù)較早，因此也列為本次形變監(jiān)測(cè)相關(guān)性分析數(shù)據(jù)的選擇范圍。綜上，根據(jù)數(shù)據(jù)覆蓋情況、可探測(cè)能力，本研究擬采用Envisat-ASAR和ALOS-PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行SBAS-InSAR處理，Sentinel1A數(shù)據(jù)進(jìn)行PS-InSAR和SBAS-InSAR處理。

2.2 地表形變信息提取

為提高數(shù)據(jù)處理精度，針對(duì)所選擇數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用SBAS-InSAR 技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)。SBAS-InSAR技術(shù)的核心是設(shè)置時(shí)空基線閾值[11]，然后選擇基線小于閾值的干涉對(duì)組成小基線數(shù)據(jù)集，最后利用SVD方法進(jìn)行形變量求解。對(duì)2009年1月20日―2011年3月1日的ALOS數(shù)據(jù)進(jìn)行SBAS-InSAR分析，得到的隧道地表形變速率結(jié)果見(jiàn)圖1，其中圖1(a)為地表形變圖，圖1(b)為IDW插值圖。

圖1 隧道地表形變速率Fig.1 Surface Deformation Rate of Tunnel

從圖1可以看出，在K151+750m～+900m右830 m～右1 170 m處有長(zhǎng)約500 m、寬約300 m的不均勻沉降區(qū)域，在K154+300m～+500 m 右 230 m～右540 m處有長(zhǎng)約400 m、寬約190 m的不均勻沉降區(qū)域，在K155+350 m～+750 m 左414 m～左310 m處有最大直徑約400 m的不均勻沉降區(qū)域。

3 InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果與隧道病害分析

根據(jù)2009年1月20日―2011年3月1日的SBAS-InSAR數(shù)據(jù)分析成果，對(duì)形變速率進(jìn)行反距離權(quán)重插值，提取不同時(shí)期隧道軸線位置地表形變速率，見(jiàn)圖2。從圖中可以看出，隧道軸線地表在這一時(shí)間段內(nèi)的形變表現(xiàn)為沉降，其最大的形變速率接近-50 mm/a，而且不同位置的地表形變存在較大的差異。

圖2 隧道軸線地表形變速率Fig.2 Surface Deformation Rate of the Tunnel Axis

通過(guò)分析收集的研究區(qū)資料，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道區(qū)采深采厚比為40～60，因此，采空引起的地表形變較為強(qiáng)烈，部分區(qū)域可見(jiàn)沉降裂縫，但未調(diào)查到有明顯的臺(tái)階狀下沉。

通過(guò)對(duì)2009年1月20日―2011年3月1日期間地表形變速率進(jìn)行分析，驗(yàn)證了隧道中線地表形變數(shù)據(jù)與桃坪隧道病害的相關(guān)性：

1)在K151+750 m～+900 m不均勻沉降區(qū)域，InSAR地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)2009―2011年期間出現(xiàn)形變速率為-20～-28 mm/a的沉降，而在1998年3月，下行隧道K151+943 m～K152+149 m區(qū)間段出現(xiàn)邊墻襯砌縱向和橫向裂縫等病害。

2)在K154+300 m～+500 m不均勻沉降區(qū)域，InSAR地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)2009―2011年期間出現(xiàn)了形變速率為-31～-20 mm/a的沉降，而在2006年9―10月，下行隧道K154+080 m～+579 m區(qū)間段內(nèi)，發(fā)生掉塊事件達(dá)22次，其中最大掉塊(不規(guī)則形狀)長(zhǎng)140 cm、寬15 cm、厚7 cm。

3)在K155+350 m～+750 m不均勻沉降區(qū)域，InSAR地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)2009―2011年期間出現(xiàn)了形變速率為-18～-25 mm/a的沉降，而在1998年3月，上行隧道K155+580 m～+630 m區(qū)間段出現(xiàn)拱頂裂縫病害。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證隧道病害與周邊煤礦采空區(qū)地表形變?cè)跁r(shí)間和空間上的相關(guān)性，針對(duì)桃坪隧道及其周邊的InSAR監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的地表監(jiān)測(cè)成果，對(duì)桃坪隧道進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。在K152+017左3 m 處深鉆探，揭示出該處煤礦采空塌陷高度約6.9 m，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隧道病害發(fā)生段地表形變速率大。因此，可以認(rèn)為隧道病害與周邊煤礦采空區(qū)地表形變有直接關(guān)系。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于桃坪隧道及其周邊的InSAR監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，利用存檔降軌數(shù)據(jù)，研究了時(shí)序InSAR技術(shù)在桃坪隧道地表形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，對(duì)隧道區(qū)域地表形變及沉降開(kāi)展毫米級(jí)空天技術(shù)測(cè)量及判譯。結(jié)果表明：

1)時(shí)序InSAR 技術(shù)能夠用于采空區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)；

2)桃坪隧道周邊的煤礦采空區(qū)存在不同程度的地表沉降，而且隧道病害與周邊煤礦采空區(qū)地表形變有直接關(guān)系。

1998年和2006年在桃坪隧道現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的裂縫、掉塊、拱頂裂縫等災(zāi)害，與InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間(2009―2011年)有較大的時(shí)間差，相干性較弱，今后還需要進(jìn)一步論證二者的相互關(guān)系。