南京地铁沿线地面沉降监测与危险性评价

2019-10-28 08:30范雪婷李明巨潘九宝王圣尧

测绘通报 2019年10期

范雪婷，李明巨，潘九宝，王圣尧

(江苏省基础地理信息中心，江苏南京 210013)

随着我国城市化进程速度不断加快，地面工程建设逐渐压缩地表的可发展利用空间，地下空间的可开发利用度已被广泛关注。城市深基坑开挖、地铁隧道施工等建设活动愈发频繁，由此导致地面出现区域性不均匀沉降，这对其上部及周边一定范围建筑工程产生危害，也易引起居民矛盾纠纷及生命财产安全[1-2]。以南京市为例，截至当前南京已建设10条地铁线路，此后还会不断增加，由地铁隧道施工造成地面及附近建筑物下沉开裂等现象已多次发生。大量研究表明采用SAR数据可以有效地进行地面沉降监测[3]，但多数研究中仅监测沉降信息量，却很少评价分析因沉降导致的地质灾害问题[4-5]。本文采用MCTSB-InSAR技术开展南京市地铁沿线的地面沉降监测试验，并对沿线周边建筑物进行地质灾害危险性评价，为减少或避免不必要的损失提供一定的帮助。

1 研究方法

多主影像相干目标小基线干涉技术(multiple master-image coherent target small-baseline interferometric SAR，MCTSB-InSAR)，是在永久散射体(persistent scatterer Interferometry，PS-InSAR)和小基线集(small baseline subset，SBAS)方法基础上改进的一种时间序列InSAR技术[6]。该方法综合了PS-InSAR和SBAS-InSAR的优势[7-8]，同时又克服相应的一些缺陷。它无需和PS-InSAR方法一样选择单一SAR影像作为固定主影像，而是仅关注符合小基线要求的SAR影像任意组合干涉像对，降低了对影像数量的要求；同时也无需和SBAS-InSAR方法一样首先对所有差分干涉图进行相位解缠后进行时序分析，而是借助空间中邻近的两高相干稳定点二次差分计算形变参数完成相位解缠。另外MCTSB-InSAR方法可以实现多影像尤其是不同轨道沉降监测结果的无缝拼接，特别是在大范围跨轨道沉降监测中优势较大。MCTSB-InSAR技术沉降监测过程主要涵盖干涉像对组合、稳定点目标提取、形变模型构建、非线性形变量估计4个方面[9]。

2 数据及研究区

研究区选取南京市主城区及周边地带，当前南京市已建成10条地铁线路，本文主要研究2017年1月前已开通运营贯穿南京主城区或主要生活区的1号线、2号线、3号线、4号线、10号线、S1号线及S8号线。主城区属于高相干区域，宜使用短波段SAR数据，因此试验采用南京地区30期X波段(3.1 cm)的意大利COSMO-SkyMed雷达卫星降轨数据，影像覆盖了南京地铁交汇的中心城区。影像数据分辨率为3 m，幅宽40 km×40 km，HH极化模式，时间跨度为2014年1月至2016年9月，覆盖范围如图1所示。为了消除干涉过程中的地形影响，所有SAR影像利用30 m分辨率的SRTM DEM数据去除地形贡献项。

3 数据处理与分析

对研究区数据进行轨道加密、粗配准、剪裁子区、精配准等预处理后，利用特征区域相干特性组合干涉像对。试验中首先选取大小500×500像素且建筑物覆盖较多的城镇区块作为特征区，计算特征区所有干涉图平均相干系数，然后依据平均相干系数进行降序排列，从中筛选出平均相干系数较高的前62个干涉像对生成基线时空网络分布图。对于生成的基线时空网络分布图要求其应包含所有的影像，且不能出现与网络无法连接的孤立影像，即一景影像与其余影像至少存在一个干涉像对，若存在断裂，可手动连接孤立影像形成像对。此外试验中对于时间基线或垂直基线特别大的影像，予以抛弃。

点目标识别质量是高精度时序InSAR地面沉降信息提取的基础。为了提高选点目标精度，本文采用振幅、相干系数、振幅离差指数信息的“三级阈值法”提取稳定点目标[10]。点目标选取处理过程中不得将水体等非相干性地物作为候选相干目标，在保证点目标质量可靠的前提下，不断调整阈值，最终设定的绝对平均相干系数值为0.65，相对相干系数值为0.5，平均幅度值为1.0，幅度离差指数值为0.2，共选取95万个稳定目标点，平均每平方千米监测点数达596个，建筑物及铁路等地物上可识别出密集监测点。

基于选取的稳定点目标结果，建立差分相位函数模型，得到线性形变信息及DEM误差，最后用残余相位分量的差异频率特征进行非线性形变相位分离，并与线性形变信息叠加得到影像完整的形变值。2014年1月至2016年9月南京主城区年平均形变速率结果如图2所示。

图2揭示了研究区地面沉降的不均匀性，沉降区主要分布于建邺区沙洲街道、双闸街道、莫愁湖街道和南苑街道北部；鼓楼区江东街道、热河南路街道；雨花区西善桥街道，浦口区沿江街道、顶山街道、江浦街道、泰山街道及永宁镇。江宁区、六合区、玄武区沉降较轻，秦淮区、栖霞区无明显沉降。监测范围内沉降最严重区位于沙洲街道，其沉降速率达到33.8 mm/a，沉降量达84.6 mm。

主城区地铁线路常贯穿运行于人口、建筑密集区，施工开挖及运营势必会扰动线路周围一定范围内的岩土，易引发附近地面沉降和位移。为了更好地监测分析地铁线路上部及周边沿线建筑物的沉降信息，沿地铁线路中心线连续追踪获取线路中心位置，然后建立一定宽度的缓冲区域，提取分析地铁沿线的沉降值。图3显示了2014年1月至2016年9月地铁沿线累积形变值分布。由图3可知，不均匀沉降最严重的区段为地铁4号线西端、地铁2号及10号线建邺区段，其次是地铁3号与S8线交叉地带，其余路段沉降量较小或无明显下沉。

为了进一步说明各地铁里程沿线的地面不均匀沉降状况，分别提取沿中心线路的地面沉降量进行剖面分析，制作的地铁沿线形变量纵剖面如4图所示(因地铁线路较多，为表达清晰将结果展示为两幅图)。由图4可知，地铁1号线和S1号线整体较为稳定，沉降量基本在-5～5 mm范围内波动，无明显沉降中心；地铁2号线不均匀沉降严重，受影响较大的路段为油坊桥—雨润大街段(与10号线换乘)及云锦路站附近，沉降量达60.4 mm；S8号线在泰山新村站附近出现27.8 mm下沉；地铁3号线整体沉降较小，仅江北天润城站附近出现小的沉降漏斗，最大沉降量18.0 mm；地铁4号线龙江站附近出现明显下沉，区域沉降量达67.6 mm；地铁10号线受影响段为小行—奥体中心站，沉降量达30.6 mm。实际运行过程中，列车受不均匀沉降作用会产生颠簸、抖动现象，会影响列车安全运行，损坏列车及铁轨[11]。

4 危险性评价

当地面沉降值大于安全警戒值后会危及地表建筑物、市政道路及地下管线等[12]，会影响市民日常生活，进一步可能引发纠纷及生命安全[13]。参照《江苏省地质灾害危险性评估技术要求》([2010]353号文件)制定的地质灾害危险性分级指标(见表1)进行地质灾害危险性评价时，将评估区地质灾害危险程度分为4个等级严重区(Ⅰ)、较严重区(Ⅱ)、一般区(Ⅲ)、轻微区(Ⅳ)。本文选取了监测时段内因地铁施工运营产生矛盾纠纷关注度最高的地铁4号线龙江站附近的长江至秦淮河路段1.6 km影响里程范围，沿线提取400 m的缓冲区作为评估区，地质灾害危险性评估分区结果如图5所示。

表1 地质灾害危险性分级指标

(1)龙江站评估区范围内最大沉降速率为25.2 mm/a，区内无地质灾害危险严重区(Ⅰ)，地铁施工运营不会对地形地貌及建筑物造成严重破坏。

(2)地质灾害危险较严重区(Ⅱ)是沉降速率为10～30 mm/a的区域，主要位于龙江站西侧宁工新寓周围、宝地园及省妇幼附近。结合实际情况分析，在监测期间江苏省妇幼保健院持续进行综合扩建工程，导致宝地园及省妇幼地面沉降速率加快，须引起相关部门重视；宁工新寓紧邻四号线施工区域，距120 m基坑最短仅10 m，且该区属于长江与秦淮河共同冲击形成的漫滩地质环境，第四纪上部泥质岩土发育较为发达[14]，地铁施工进一步拉大岩土空隙率，压缩性增大，加之房屋建设时间早、无桩基，导致宁工新寓房屋出现不同程度沉降、开裂，威胁人们正常的生活，须要进行房屋消险加固和后期地铁安全施工保障，必要时对有险情的居住人员进行撤离[15]。

(3)地质灾害危险一般区(Ⅲ)主要位于较严重区外侧一定范围，沉降速率5～10 mm/a，区内道路、建筑物及市政设施等受影响较轻，但应时刻警惕沉降异常加快区域，提前做好防治工作。

(4)地质灾害危险轻微区(Ⅳ)是沉降速率为5 mm/a以下的区域，属于正常地面沉降或无沉降区域，区内沉降一般不会造成破坏影响。

为了验证监测结果及地质灾害危险性评价的可靠性，选取宁工新寓某建筑物一监测点进行特征点沉降时间序列演化分析，绘制如图6所示的沉降时序图。分析可知，在地铁施工监测时段内，样本点在持续下沉，平均沉降速率达21.4 mm/a，累计沉降量超过60 mm。经现场调查，发现该小区路面破损严重，有裂缝长达十几米、房屋及围墙明显开裂等现象，沿街1—12号楼居民已全部搬迁，进一步验证了进行沉降监测及地质灾害危险性评价的准确性与必要性。

5 结语