InSAR技术在天津地铁六号线盾构区间沉降监测中的应用研究

唐扬，杨魁

(1.天津轨道交通集团有限公司，天津　300000；　2.天津市测绘院，天津　300381)

1　引　言

天津市地处华夏构造系华北沉降带，大部分地区是软弱土层，地面沉降不可避免[1，2]。而随着近年来轨道交通建设速度的加快，轨道沿线地面沉降现象日益严重，安全性逐步降低。为减小城市地下轨道交通在施工期间对周围地物的影响，需要对其沿线周边目标进行动态监测，以便及时发现问题，防止安全事故的发生[3]。

目前，常规的城市轨道交通施工沉降效应监测方法是经典的水准测量方法。该方法具有精度高、频率高等特点，但是也存在着工作强度大、作业时间受天气影响等缺点[4]。

从1989年Gabriel等人验证了InSAR技术可实现厘米级的地表形变监测以来，作为地面沉降监测重要手段的InSAR监测技术逐渐走向成熟和应用，尤其是在2000年永久散射体技术提出来以后[5]。将其应用于轨道交通施工沉降效应监测中具有大范围、长时间、快速的优势，可以实现对整个城市地下轨道交通沿线引发地物沉降进行综合监测与分析[6]。但是将InSAR直接应用于轨道交通沉降效应监测的应用研究目前较少。因此本文以高分辨率SAR数据为例，以天津市轨道交通六号线为例开展轨道交通区间施工对周围目标沉降的影响与分析。

2　高分辨率SAR数据集及时间序列成果分析

2.1　TerraSAR-X数据

相对于大面积的区域地面沉降监测而言，地铁区间施工引发沉降存在影响范围有限、影响幅度较小等特点，中分SAR数据已经难以满足其应用需求[7]。因此本文选择高分辨率TerraSAR数据开展天津市地铁区间施工沉降效应的监测与分析。如图1所示，蓝色矩形表示TerraSAR数据覆盖的范围，红色矩形表示轨道六号线所在的研究区。

TerraSAR数据卫星参数如表1所示，入射角为37.3°、成像几何为升轨，分辨率为 3 m。TerraSAR数据集共由27景数据组成、SAR数据集共由27景TerraSAR数据组成，获取时间为2014年5月～2016年6月。

TerraSAR数据集的影像参数　　　　　　　　　表1

2.2　时序SAR数据处理成果分析

对TerraSAR数据集采用经典的SBAS方法进行时间序列分析，不同目标沉降速率的大小以不同的颜色分区表示，获取到研究区域的地面沉降速率及清晰的沉降分布特征[8]，如图2所示。距离市内六区核心区越近，沉降速率越小；距离市内六区核心区越远，沉降速率越大。研究区域的上半部分沉降量较小，沉降速率在 10 mm/yr以内；下半部分沉降量较大，沉降速率逐渐递增，最大沉降达到 60 mm/yr[9]。

图2　研究区域线性沉降速率图

3　地铁六号线某盾构区间地面沉降效应分析

天津市地铁六号线全长为 41.6 km，其中一期工程全长 26 km，施工始于2011年3月，并已于2016年12月31日开通运营。选择一期工程中的某盾构区间为例分析地铁施工引发的地面沉降效应，如图3所示。区间起点位于车站甲，终点位于车站乙，线路呈南北走向，全长 970 m。

图3(a)为车站甲、乙一定范围内的地面沉降速率图，图3(b)为叠加了六号线该区间走向的地面沉降速率图，可见，区域内线性沉降分布地段与地铁AB区间走向基本重合。

图3　地铁六号线某区间地面沉降速率图

3.1　纵向沉降分布与影响范围

鉴于地铁甲乙区间长970 m，笔者以 20 m间距等距采样，获取甲乙区间纵断面上的地表沉降曲线，如图4所示。为了排除车站甲、乙施工对沉降的影响，选取[140 m，880 m]范围进行分析，可见，甲乙区间沿线地表沉降普遍达到 -50 mm～-45 mm，最大达到 -54 mm。

图4　地铁六号线某区间地面沉降纵断面图

综合分析，车站甲乙区间纵向沉降的空间分布特征如下：①沿区间走向分布明显，沉降位于隧道上方；②区间内沉降较为均匀，在监测时段内达到 -50 mm～-45 mm。

3.2　横向沉降分布与影响范围

为了分析盾构施工的横向沉降影响特征，笔者在甲乙区间设置了7条横断剖面：P1-P1′、P2-P2′、P3-P3′、P4-P4′、P5-P5′、P6-P6′、P7-P7′，如图5所示。对7条剖面逐一分析，并得出甲乙区间的横向沉降空间分布特征。

剖面P1-P1′：位于车站轴线处，沉降量为 -54 mm，区间两侧沉降曲线基本对称；基于该剖面评估参考量 -48 mm分析，盾构施工的影响范围为 130 m，最大累计影响沉降量为 6 mm。

剖面P2-P2′：位于车站轴线左侧 20 m，沉降量为 -57 mm，区间两侧沉降曲线基本对称；基于该剖面评估参考量 -47 mm分析，盾构施工的影响范围为 70 m，最大影响沉降量为 10 mm。

剖面P3-P3′：位于车站轴线左侧 20 m处，沉降量为 -57 mm，区间两侧沉降曲线基本对称；基于该剖面评估参考量 -44 mm分析，盾构施工的影响范围为 70 m，最大影响沉降量为 13 mm。

剖面P4-P4′：位于车站轴线左侧 40 m处，沉降量为 -55 mm，区间两侧沉降曲线基本对称；基于该剖面评估参考量 -47 mm分析，盾构施工的影响范围为 80 m，最大影响沉降量为 8 mm。

剖面P5-P5′：位于车站轴线左侧 20 m处，沉降量为 -54 mm，区间两侧沉降曲线基本对称；基于该剖面评估参考量 -43 mm分析，盾构施工的影响范围为 110 m，最大影响沉降量为 11 mm。

图5地铁六号线某区间地面沉降横断面图

剖面P6-P6：位于车站轴线处，沉降量为 -50 mm，区间两侧沉降曲线基本对称；基于该剖面评估参考量 -45 mm分析，盾构施工的影响范围为 90 m，最大影响沉降量为 5 mm。

剖面P7-P7′：位于车站轴线处，沉降量为 -55 mm，区间两侧沉降曲线基本对称；基于该剖面评估参考量 -42 mm分析，盾构施工的影响范围为 70 m，最大影响沉降量为 13 mm。

对比7个剖面的沉降分布曲线，车站甲乙区间的横向沉降特征为：①横向呈现沉降糟，最大沉降量出现在车站轴线处，为 -50 mm～-57 mm；②区间两侧的沉降曲线基本对称。

高分辨率InSAR获取的沿线沉降与工程开挖模拟预计得到的结论基本相同，表现在隧道上方的沉降量呈线性分布，横向沉降基本对称、线上沉降糟和沉降两侧的不均匀分布特点。

3.3　现场验证

盾构施工会导致一定范围内的路面发生裂缝，建筑物出现沉降，笔者选择车站甲乙区间一定范围内的道路、地面、建筑物等典型地物开展了盾构施工的影响分析。

图6地铁六号线某区间地面沉降影响目标

如图6(a)所示1号点，位于区间正上方，道路交口处，两条路的交口处存在不均匀性沉降(不同颜色)，图6(b)为实拍照片，同样证明，盾构施工导致了该处出现了大量裂缝和局部下沉。

如图6(a)所示2号点，位于距盾构外皮 25 m的建筑物内，该建筑物存在不均匀性沉降(不同颜色)，图6(c)、(d)为实拍照片，同样证明，房屋墙体存在少量裂缝；附属台阶等构筑物也存在一定程度的损坏。

4　结　论

本文以天津市地铁六号线为例，采用高分辨率InSAR数据开展城市地铁沿线地表形变的监测。通过纵断面分析、横断面分析、现场验证等多方面从空间上完整地展现了地铁沿线地面沉降的分布和变化特征：①沿盾构区间分布明显，沉降位于隧道上方；②横向呈现沉降糟，最大沉降量出现在车站轴线处，区间两侧的沉降曲线基本对称；③通过研究InSAR技术数据处理的方法，结合现场踏勘验证，InSAR技术完全可以应用于地铁施工沉降效应监测与分析中。