高速铁路区域地面沉降监测方法的评价分析

徐明伟　张建民

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

Analysis Evaluation on High Speed Railways Land Subsidence Monitoring Methods

XU Ming-wei　ZHANG Jian-min

高速铁路区域地面沉降监测方法的评价分析

徐明伟张建民

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

Analysis Evaluation on High Speed Railways Land Subsidence Monitoring Methods

XU Ming-weiZHANG Jian-min

摘要区域性地面沉降对高速铁路的正常运行存在潜在的威胁，特别是在线下结构逐渐建设完成到开通运营阶段，差异性地面沉降将对结构物产生不可逆的影响。目前已经开通运营的京津城际、京沪高铁、津秦客运专线、京广高铁等在建设或运营期间均开展了不同内容的区域地面沉降监测工作。结合监测内容的实际效能，对主要监测方法的适用范围、经济性及监测精度等方面进行分析评价。

关键词高速铁路地面沉降监测分析评价

不均匀的地面沉降对于线路工程的影响主要表现为降低线路设计高程，改变线路坡度等方面，严重时可能造成线路建筑物结构的破坏，从而影响工程的正常使用。某高速铁路的建设和运营阶段，对存在区域地面沉降的地段均开展了不同程度、不同内容的区域地面沉降监测工作和线桥结构物的变形监测工作，其中区域地面沉降监测工作主要内容包括地面沉降水准网监测(以线路水准基点控制网为主要内容)、地面沉降GPS监测网、地面沉降InSAR监测。

1地面沉降水准网监测

1.1　监测方法说明

在沉降监测区域，按照监测需求布设一定密度的沉降监测点(可以是基岩分层标、基岩标石、深埋标石、普通标石等)，采用水准作业的方法(一般为一、二等水准测量精度)，通过定期性的重复观测，分析变形点高程变化情况，为研究和控制地面沉降提供准确、可靠的系统资料。在建设期间完成的线路水准基点控制网的基础上，新增或利用一定密度的既有监测标石，构成高速铁路沿线带状水准监测网，如京沪高铁在既有线路水准基点控制网(每100 km一个基岩点、每8 km一个深埋水准点、每2 km一个普通水准点)的基础上，在沉降重点区段每0.6～1.0 km间距，在距线路中心线800～1 000 m范围内，交错布设加密点。地面沉降水准网一般以3～6个月为观测周期进行周期性观测，以沿线基岩点为起算基准对水准网进行整网平差，获得不同等级监测点的沉降值，对监测点沉降值进行分析计算，描述地面沉降情况，同时提出线路水准基点控制网高程修正方案，指导施工建设和运营维护。

1.2　优势分析

地面沉降水准网通常采用国家二等水准作业要求进行施测，水准点高程精度较高，在小范围监测区域内监测精度通常能达到亚毫米级；监测标志埋设深度、埋设位置的不同，便于分析监测标所在地层、所在位置的沉降变形趋势，尤其是分层沉降标，是研究地下不同深度土层和含水砂层沉降量变化的依据，为研究沉降发生的机理提供数据支持；线路水准基点控制网的周期性复测，是维护铁路沿线高程基准有较高高程精度的必要条件，也是确定铁路沿线水准点以点成线而形成的浅层地表沉降(埋深较浅的普通水准点反映)和深层地面沉降(埋深一般在40～70 m深埋水准点反映)的直接观测资料，为分析测算高速铁路建设或运营过程阶段因地面沉降引起的线路纵向附加坡度影响值提供依据。

1.3　劣势分析

地面沉降水准网通常采用国家二等水准作业方法进行施测，受限条件较多，包括外界观测条件(主要是天气状况、外界影响、人力资源等)，观测周期长、观测时效性较难保证；受水准网平差方法的影响，水准点高程精度不一致，离起算点越远高程精度越低，同时地面沉降水准网由离散的监测点组成，监测点的稳定性受其埋设环境制约，这些因素对沉降分析产生一定影响。高速铁路地面沉降水准网成带状分布，受监测点密度因素影响，能够在一定程度上反映沿线纵向的沉降情况，但是对铁路沿线带状范围面状沉降较难真实反映。费用较大，主要包括造标费用(尤其是高等级的基岩或深埋标石造标费用少则几万，多则几百万)和监测网维护费用(包括补设标石费用、周期性外业观测费用等)，监测成本高。

2地面沉降GPS监测网

2.1　监测方法

根据监测目的的不同，按照工程需要进行合理布网，并对监测网采用GPS 静态观测。根据观测精度的不同，可以使用广播星历或精密星历进行解算，通过对GPS大地高的变化来分析确定GPS监测点的沉降情况。在津秦客运专线、京石客运专线，对CPⅠ、CPⅡ(高速铁路工程测量规范中所规定的采用二等、三等GPS测量精度施测)控制网的周期性复测数据(以广播星历进行解算)，通过高程拟合得到GPS点正常高，通过正常高的变化分析判定监测点的稳定性，但这种方式精度较低。在京沪高铁(北京至济南段)沿线基岩点或深埋点附近，按照每50 km点间距设置一个GPS强制观测墩，进行周期性的24 h连续同步观测，GPS基线向量采用精密星历，采用baseline模式，固定其附近的IGS跟踪站，基线解算及平差采用Bernese三维严密平差软件进行处理，使解算结果真正达到毫米级精度，得到各控制点间精确的大地高差。

2.2　优势分析

GPS观测具有全天候、自动化观测的优点，GPS点点位布设满足GPS观测的前提下，作业效率高，可以在较短时间内完成大跨度的平面及高程联测，在满足一定观测条件和计算条件的基础上，能够得到较高精度的空间三维坐标，对局部重点监测点能实现高度自动化监测；通过大地高的变化，间接分析重点沉降区段内沉降基准点的稳定性，对高速铁路这种带状区域尤为适用，节省与二等水准联测作业内容，同时避免长距离水准联测造成的精度损失。

2.3　劣势分析

在面状监测区域的监测效果上，受监测点点位布设网形和点位密度影响显著，在绝对高程测定上，还不能达到很高的精度，还不能完全代替二等及以上等级水准测量。

3地面沉降InSAR 监测

3.1　监测方法说明

合成孔径雷达干涉监测技术(InSAR)是以同一地区的两张SAR图像为基本处理数据，通过求取两幅SAR图像的相位差，获取干涉图像，然后经相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测技术。在京沪高速铁路(北京至济南段)区域地面沉降监测中，利用2007年4月至2010年9月的InSAR 数据，采用时序InSAR技术，有效消除InSAR 处理中的大气、轨道、DEM误差以及相干性低等对结果的影响。

3.2　优势分析

InSAR技术在时效性上存在明显优势，可以在短时间内得到较大范围内包含详细空间信息的地面沉降图，特别是在高速铁路的可研阶段，在暂未开展监测的情况下，根据前期影像获得该地区的历史沉降情况，从而为铁路选线设计提供依据，避免因为既有地质资料匮乏遗漏地面沉降、采空区等不良地质环境的影响；InSAR技术在精确性上，伴随着处理方式不断的发展及高分辨率SAR影像数据的获取，结合一些辅助措施(开展少量水准作业、设置PS点等)可以达到毫米级测量精度，而且是面状全方位监测；InSAR技术在经济性上也存在明显优势，监测费用不及水准监测、GPS监测费用的一半。

3.3　劣势分析

InSAR技术在面状监测上优势明显，但是点状物体的监测还存在不足，还无法完全替代水准或GPS监测所能达到的效能；InSAR技术目前仅能反映地面表象的沉降，对沉降机理的研究还存在不足；在地面沉降显著、监测周期较长时，InSAR技术能够取得良好的监测效果，但在沉降量较小或观测周期要求较短时，InSAR技术还不能达到监测要求；在不合理数据的影响量剔除上还存在困难。

4结束语

高速铁路建设和运营期间，适时开展区域地面沉降监测工作是非常必要的，在区域沉降的监测方法上需要根据工程实际情况，结合各种监测手段的优劣，做好监测方案的设计，做到既满足监测需要又能经济合理，同时根据区域沉降监测结果和工程进度，做好结构物变形监测工作，以保证高速铁路建设及运营的顺利开展。

参考文献

[1]张冠军，张志刚.高速铁路运营监测内容与方法研究[C]∥第十三届中国科协年会第12分场-测绘服务灾害与应急管理学术研讨会论文集.天津：中国科协，2011

[2]李树伟.高速铁路沉降监测方法的应用探讨[J].铁道勘察，2011(6)

[3]刘府生.苏锡常区域地面沉降发展趋势及其对京沪高铁的影响分析[J].铁道勘察，2011(1)

[4]葛大庆.区域地面沉降InSAR监测关键技术研究[D].北京：中国地质大学，2013

[5]杨建图，等.GPS测量地面沉降的可靠性及精度分析[J].大地测量与地球动力学，2006(5)

[6]张献州，莫春，马下平.高速铁路沉降观测评估预测系统设计与实现[J].铁道勘察，2010，36(5)

[7]马传广.盘营客运专线通过辽河油田采油区地面变形可能性及预防措施[J].铁道勘察，2011，37(4)

[8]吴成杰.苏锡常及上海地区区域沉降对京沪高速铁路的影响及防治对策[J].铁道工程学报，2007(z1)

[9]李国和，许再良，孙树礼，等.华北平原地面沉降对高速铁路的影响及其对策[J].铁道工程学报，2007，24(8)

[10]王荣，杨艳，田芳，等.高速铁路区域地面沉降监测体系构建[J].上海国土资源，2014(2)

[11]赵远方，汤高飞，鲁大尉.基于PS-InSAR的京津城际铁路地面沉降监测研究[J].测绘与空间地理信息，2013，36(12)

中图分类号：TU196

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)01-0027-02

作者简介：第一徐明伟(1982—)，男，2005年毕业于西南交通大学测绘工程专业，工程师，E-mail：xumingwei_jcs@163.com。

收稿日期：2014-11-27