濟南地鐵2號線沿線地表沉降監(jiān)測與分析

劉 新 張婷慧 楊隴徽

(山東科技大學 測繪與空間信息學院, 山東 青島 266590)

0 引言

城市交通是城市經濟活動與社會活動的重要橋梁,地鐵作為地下城市交通的重要工具,有效地緩解了城市長期面臨的道路交通擁堵難題,便捷了市民的出行方式,促進了地鐵沿線地區(qū)的經濟發(fā)展[1]。由于地鐵在開挖施工、運營過程中,不可避免地會對周圍環(huán)境產生一定的影響,如地下水位降低、地層損失等,從而引發(fā)不同程度的地面裂縫、地表沉降,對地鐵的施工、運行以及周圍環(huán)境的安全構成威脅[2]。如2019年12月廣州在建地鐵11號線在廣州大道北與禺西路交界處發(fā)生坍塌；2019年12月廈門地鐵1號線與2號線換乘站呂厝站10號緩建口附近發(fā)生地面塌陷。因此,為防控地鐵對周圍環(huán)境造成的不利影響,對地鐵沿線地區(qū)進行沉降監(jiān)測,及時掌握地鐵沿線沉降情況,對人民生命財產安全具有非常重要的意義。

相較于水準測量[3]、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)測量[4]等地表沉降監(jiān)測技術,合成孔徑雷達干涉[5](interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技術以高度自動化,監(jiān)測面積大的優(yōu)勢應用于地表沉降監(jiān)測中。近幾年來,國內外諸多學者利用InSAR技術監(jiān)測北京[6]、佛山[7]、福州[8]、合肥[9]、南京[10]、南寧[11]、青島[1]、上海[12]、天津[13]、武漢[14]等地鐵沿線地表的沉降情況。研究表明,地鐵沿線區(qū)域均存在不同程度的地表沉降情況,證明了InSAR技術在地鐵沉降監(jiān)測領域具有可行性。此外,差分干涉測量短基線集時序分析技術(small baseline subset InSAR,SBAS-InSAR)[15]在InSAR技術的基礎上發(fā)展成為地鐵沿線地表沉降監(jiān)測的重要手段。

濟南以“泉城”而聞名,地下遍布泉脈,地質條件復雜,給地鐵的修建帶來了諸多困難。濟南地鐵的建設不僅要保泉護泉,還要保障地鐵施工和運營的安全,所以對濟南地鐵沿線地表的沉降監(jiān)測尤為重要。目前濟南地鐵沿線地表沉降的監(jiān)測多采用傳統(tǒng)方法,使用SBAS-InSAR技術相對較少。

本文以濟南地鐵2號線沿線1 km緩沖區(qū)作為研究區(qū),利用SBAS-InSAR技術得到2019年11月18日至2021年10月2日期間濟南地鐵2號線沿線1 km緩沖區(qū)的地表形變信息,分析沉降重點區(qū)域,為濟南地鐵沿線地表沉降災害預警及維護地鐵安全運營提供數據支撐和決策依據。

1 研究區(qū)和數據集

1.1 研究區(qū)概況

濟南坐落于山東中部,位于36°01′N～37°32′N、116°11′E～117°44′E之間,北連京津冀地區(qū)、南接長江三角洲,年平均降水量為671.1 mm,年平均氣溫為14.7℃,屬暖溫帶半濕潤季風氣候。濟南地鐵2號線于2016年底開建,2021年3月開通運營,西起槐蔭區(qū)王府莊,東至歷城區(qū)彭家莊,途經槐蔭區(qū)、市中區(qū)、天橋區(qū)、歷下區(qū)、高新區(qū)、歷城區(qū)。線路全長約36.4 km,地下線長約34.6 km。車站19座,其中地下車站18座。

1.2 數據集

Sentinel-1A衛(wèi)星是歐洲空間局(European Space Agency,ESA)于2014年發(fā)射的全球觀測衛(wèi)星,重訪周期為12 d。本文采用時間跨度為3年的20幅Sentinel-1A單視復數(single look complex,SLC)影像數據,時間范圍為2019年11月18日至2021年10月2日,每36 d一幅,其傳感器為C波段,地面分辨率為5 m×20 m,成像模式為干涉寬幅模式(interference width,IW),同時,本文選取在時間上與20幅Sentinel-1A影像數據相對應的20幅精密定軌星歷數據(precise orbit ephemerides,POD),該數據定位精度優(yōu)于5 cm。此外,本文選取美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)航天飛機雷達地形測繪任務(shuttle radar topography mission,SRTM)提供的空間分辨率為30m的數字高程模型(digital elevation model,DEM),用以消除地形相位誤差。

2 SBAS-InSAR原理與方法

在相同地區(qū)獲得N+1幅影像,時間序列為(t0,t1,…,tN)T,設置基線閾值,其中一幅影像為超級主影像,其余的影像作為輔影像,N+1幅影像兩兩組合為若干個干涉對,生成M幅差分干涉圖,M滿足

(1)

第k幅干涉圖像元的相位值為

(2)

式中,φ(ti)為時間ti相對于初始時間t0的相位；d(ti)為時間ti相對于初始時間t0的累積形變量；λ為雷達波長。

通過計算干涉圖中每個像元的地表形變信息,最終獲取到整個研究區(qū)的地表形變信息。干涉圖的每個像元都滿足

(3)

式中,B為M×N階矩陣,位于主輔影像獲取時間之間的矩陣元素B(p,q)=tq+1-tq,其中pΔ(1,2,…,M),否則B(p,q)=0。對B進行奇異值分解(singular value decomposition,SVD),求得各時間段平均相位速率ν,最后積分得到該像元的時序形變信息。

本文將365 d設置為時間基線閾值,將臨界基線的45%設置為空間基線閾值,超級主影像為2020年10月7日的影像,生成145對干涉對。對干涉對進行差分干涉處理,數據配準基于SRTM DEM數據,相位解纏閾值設置為0.2?；诰苘壍罃祿Ω缮娼Y果進行估計和消除殘余軌道相位,在研究區(qū)選取10個平均相干系數大于0.9的相干點作為地面控制點(ground control points,GCPs),用以實現相位的優(yōu)化。利用SVD法估算沉降速率和殘余地形,經過第二次相位解纏來優(yōu)化干涉對的解纏結果精度。利用365 d高通濾波窗口和1 200 m低通濾波窗口將殘余相位中的大氣相位去除,對各時間段內地表沉降速率積分得到時序形變。

3 結果

在監(jiān)測期間濟南地鐵2號線沿線1 km緩沖區(qū)的年平均地表垂直形變速率如圖1所示。研究區(qū)地表呈現不均勻的沉降,研究區(qū)最大沉降速率為-18.27 mm/a,平均值為0.26 mm/a,其中,地鐵沿線主要沉降區(qū)包括臘山站至老屯站段(S1)、濟濼路站至七里堡站段(S2),S1區(qū)最大沉降速率為-17.38 mm/a,平均值為-0.44 mm/a；S2區(qū)最大沉降速率為-18.27 mm/a,平均值為-1.72 mm/a。監(jiān)測期內濟南地鐵2號線沿線1 km緩沖區(qū)的地表累積垂直形變量如圖2所示,在監(jiān)測期內,最大累積沉降量為-68.51 mm。

圖1 地表垂直沉降速率

圖2 地表累積垂直形變

在S1區(qū)隨機選取四個特征點分析時序形變情況,如圖3所示。在T1點,在建設期地表形變幅度較大,在2019年11月18日至2020年9月1日期間地表下沉且在2020年9月1日達到沉降最大值-8.89 mm/a,在2020年9月1日至2021年2月28日期間地表抬升且在2021年2月28日達到最大抬升值1.25 mm/a，地鐵運營后至2021年7月22日地表快速下沉,之后處于波動式下沉狀態(tài)；在T2點,在建設期地表形變呈現波動下沉趨勢,在2020年10月7日達到沉降最大值-17.31 mm/a,在2020年10月7日至2021年2月28日期間,地表沉降相對穩(wěn)定，在運營期地表波動式快速下降；在T3點,在建設期處于波動式下沉狀態(tài)，在運營期地表快速沉降至2021年7月22日達到最大沉降量-21.45 mm/a,之后地表處于“抬升-下降”緩慢下沉狀態(tài)；在T4點,在建設期處于波動式緩慢下沉狀態(tài),在運營期地表形變趨于穩(wěn)定。

圖3 S1區(qū)特征點時序形變

在S2區(qū)隨機選取四個特征點分析時序形變情況,如圖4所示。在T5點,在建設期地表呈現波動下沉趨勢,在2020年11月12日達到沉降最大值-10.44 mm/a，地鐵運營至2021年8月27日地表下降,之后地表抬升；在T6點,在建設期地表形變呈現波動緩慢下沉趨勢,在2020年9月1日達到沉降最大值-3.70 mm/a，在運營期形變仍呈現波動緩慢下沉趨勢；在T7點,在建設期處于波動式下沉狀態(tài)，在運營期地表沉降至2021年8月27日達到最大沉降量-23.55 mm/a,之后地表快速抬升；在T8點,在建設期處于波動式緩慢下沉狀態(tài),在運營期地表形變趨于穩(wěn)定。

圖4 S2區(qū)特征點時序形變

濟南地鐵2號線地表垂直沉降速率如圖5所示,地表垂直沉降速率介于-10.87～7.05 mm/a之間,地鐵2號線存在5處明顯的沉降漏斗,分別位于臘山南站處、臘山站至二環(huán)西路站段、二環(huán)西路站至老屯站段、歷山路站處、鮑山站至彭家莊站段,最大地表垂直沉降速率分別為-5.55 mm/a、-9.36 mm/a、-5.84 mm/a、-10.87 mm/a、-8.00 mm/a,其余路段沉降速率均介于-5～7 mm/a之間。

圖5 地鐵線垂直沉降速率

研究區(qū)平均地表垂直沉降速率的標準差如圖6所示,沉降速率的標準差最小值為0.09 mm/a,最大值為12.85 mm/a,平均值為1.17 mm/a。大約92.41%區(qū)域介于0.09～2 mm/a之間,故利用SBAS-InSAR技術獲取的地表垂直形變信息具有高精度。

圖6 地表垂直沉降速率標準差

4 討論

地表沉降與地鐵的盾構施工、地質環(huán)境、地面負荷和周邊在建工程有關。一方面,地鐵在施工建設中,為了保障施工人員以及周圍環(huán)境的安全,通常需要將深基坑中的水排出直至地下水位低于施工面。地下水維持著地表的受力平衡,地下水的過度抽取降低了土壤含水層的孔隙壓力,從而導致地表發(fā)生沉降[16]；一方面,地鐵線路的規(guī)劃、施工、運營帶動了周邊地區(qū)經濟發(fā)展,為周邊地區(qū)帶來了巨大的人流的同時,也增加了地面的負荷,從而導致地表沉降的發(fā)生。

5 結束語

本文基于SBAS-InSAR技術利用20幅Sentinel-1A影像數據對2019年11月18日至2021年10月2日期間濟南地鐵2號線沿線1 km緩沖區(qū)的地表沉降情況監(jiān)測與分析。結果表明,在監(jiān)測期內存在不均勻的地表沉降,平均沉降速率為0.26 mm/a,最大沉降速率為-18.27 mm/a,最大累積沉降量為-68.51 mm。其中,地鐵沿線主要沉降區(qū)包括臘山站至老屯站段、濟濼路站至七里堡站段,最大沉降速率分別為-17.38 mm/a、-18.27 mm/a。為保障濟南地鐵2號線的安全運營,應持續(xù)監(jiān)測臘山站至老屯站段、濟濼路站至七里堡站段地表沉降狀況。