InSAR 监测技术与水准测量技术对比研究

李瑞峰，常 乐，秦 海

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013）

0 引言

随着建筑业的迅速发展，各种超高层复杂建筑结构日益增多，荷载增加、结构体系复杂、内部机械设备增多、施工周期短、地基复杂都会增加建筑结构的变形。为了保证建（构）筑物的正常使用寿命和建（构）筑物的安全性，并为以后的勘察设计施工提供可靠的资料及相应的变形参数，建（构）筑物变形观测的必要性和重要性愈加明显。InSAR（水准测量技术法与干涉雷达法）变形监测技术具有大范围、高密度、强时效性、对大气和季节的影响不敏感等优点。对结构的关键部位进行变形监测，当建筑产生超过规范的变形和不均匀沉降时发出预警，及时处理结构的安全隐患，对保障结构安全和施工顺利进行具有重要意义［1-6］。

国外学者对 InSAR变形监测应用方面进行了研究，1999 年 DTarchi 等［7］采用 LISA 技术对滑坡体进行了变形监测研究；GLuzi 等［8］对冰川的移动进行了监测；GAntonello 等［9］利用星载 SAR 和地面 SAR 对火山进行了变形监测。然而，关于 InSAR 技术对建筑进行变形监测的研究相对较少。

本文以建筑结构变形监测为例，将 InSAR 监测技术与水准测量技术进行对比研究，可以验证 InSAR 技术在建筑变形监测中的可行性，为建筑变形监测提供新的监测方法，保障施工过程的顺利进行。

1 InSAR 简介

水准沉降观测即根据建筑物设置的观测点与固定（永久性水准点）的测点进行观测，采用水准仪测其沉降程度用数据表达。InSAR 变形测量技术采用合成孔径雷达技术与干涉测量技术相结合的方法，合成孔径雷达（SAR）是一种主动式微波遥感。

InSAR 监测技术相对于水准测量技术的优点：范围更广，可以对整个城市的建筑进行监测；受天气和环境振动影响较小，可以在特殊环境条件下对建筑进行监测；监测点密度高，可以对建筑的重点部位进行全数监测；自动监测，无需人工测量；成本低，只需要对目标区域进行解算就可得出变形数据。InSAR 监测技术相对于水准测量技术的缺点：精度较低，无法达到水准测量技术的精度；监测频率较低。

InSAR 监测技术可以弥补水准测量技术的不足，采用 InSAR 技术能够监测整个城市建筑的变形情况，通过 InSAR 变形数据分析，对变形较大的建筑再采用水准测量技术进行重点监测，通过两种技术优势互补，达到城市建筑变形风险预警的能力，具有较好的推广应用前景。

2 InSAR 监测技术与水准测量技术对比

本文采用两个工程案例，将 InSAR 监测技术和水准测量技术进行对比，其中工程案例一为已经竣工的高层住宅项目，结构交付使用五年后出现主体结构倾斜，如果建筑继续变形，将会影响结构的安全性，所以立即对该建筑进行沉降监测，确保该住宅正常使用；工程案例二为正在施工的超高层建筑，超高层复杂的结构体系和施工工艺给施工带来了巨大的挑战。施工期间超高层建筑荷载不断增加和外部环境的影响，将导致超高层建筑变形增大，为保证施工的顺利进行，对超高层建筑进行沉降监测。

2.1 工程应用一

建筑高约 100 m，上部结构体系为框架剪力墙结构，下部为桩基础形式，分为地下 1 层和地上 32 层，对该建筑进行沉降监测。建筑外立面如图 1 所示。

图1 建筑外立面图

该楼沉降监测点共计 12 个，测点布置示意图如图 2 所示，测点现场图片如图 3 所示。

图2 沉降测点布置（单位：mm）

图3 沉降监测点现场布置图

根据现场条件，自 2016 年 05 月 17 日开始至 2018年 06 月 22 日（以下简称为“本监测周期内”）采用水准仪对建筑进行了基础沉降监测，共计 29 次。观测工作遵守 JGJ 8－2016《建筑变形测量规范》的相关规定。本监测周期内，最大累计沉降量为 10.86 mm，最小累计沉降量为 1.47 mm，最大差异沉降量为 9.39 mm。整个观测期间（742 d）沉降速率为 0.003～0.014 mm/d。各监测点的沉降速率未超过 JGJ 8－2016《建筑变形测量规范》的要求。

选取与沉降监测点相近的 I n S A R 监测点，将 InSAR 监测的年平均沉降速率与水准仪测量的年平均沉降速率进行对比（见表 1）。

表1 InSAR 监测年平均沉降速率与水准仪测量年平均沉降速率对比

2.2 工程应用二

WHZX 超高层建筑位于武汉市，地下 5 层，地上 98 层，建筑高度 475 m，采用 SRC 巨型柱框架、型钢混凝土核心筒和伸臂桁架结构体系，WHZX 超高层结构采用内置异形型钢混凝土巨柱、内置型钢或钢板（钢骨柱）钢筋混凝土核心筒、连接核心筒与外框的伸臂桁架、约束结构变形的环带桁架以及对应楼层结构钢梁、组合楼板组成，如图 4 所示。

图4 WHZX 结构示意图

选取 6 个 PS 点，WHZX 超高层变形监测 PS 点如图 5 所示，监测点选择在核心筒一层剪力墙位置处。分别采用水准测量技术和 InSAR 监测技术对超高层进行沉降监测，沉降监测对比曲线如图 6～11 所示。

图5 变形监测点位图

3 案例效果分析

工程案例一：在有效的 11 个 InSAR 监测与水准测量监测点中，3 个监测点的年平均沉降方向相反，8 个沉降监测点的年平均沉降方向相同，沉降方向多数一致，最大年平均沉降差值为 5.5 mm/年，7 个监测点的年平均沉降差值小于 3 mm/年，两种监测技术年平均沉降测量差距较小，说明 InSAR 监测技术能够达到毫米级精度。

图6 Q1 点 InSAR 与水准测量沉降对比曲线

图7 Q2 点 InSAR 与水准测量沉降对比曲线

图8 Q3 点 InSAR 与水准测量沉降对比曲线

图9 Q4 点 InSAR 与水准测量沉降对比曲线

图10 Q5 点 InSAR 与水准测量沉降对比曲线

工程案例二：通过 2 年的沉降监测数据对比，除了 2016 年 6～9 月期间沉降趋势有所不同，其他时间沉降趋势基本一致。2016 年该超高层所在城市发生洪涝灾害，两种方法测得的沉降数据在该段时间内变小，说明沉降监测与实际情况相符合。Q1 点与 Q2 点位置、Q3 点与 Q4 点位置、Q5 点与 Q6 点位置接近，沉降值基本一致。Q1 点、Q2 点两种方法的沉降值之差最大值约 6 mm，Q3 点、Q4 点两种方法的沉降值之差最大值约 12 mm，Q5 点、Q6 点两种方法的沉降值之差最大值约 11 mm。两种方法测得的沉降值之差最大值在 1 cm 左右，在可控的范围之内，说明采用 InSAR 监测技术对建筑进行变形监测是可行的。

图11 Q6 点 InSAR 与水准测量沉降对比曲线

4 结语

通过 InSAR 技术与水准测量技术的沉降监测进行对比，沉降趋势基本一致，最大年平均沉降速率差值为 5.5 mm/年，最大沉降差 12 mm，证明采用 InSAR 技术对建筑进行变形监测是可行的。InSAR 技术具有大范围、高密度、强时效性、对大气和季节的影响不敏感等优点。采用 InSAR 技术进行建筑变形监测，对建筑施工过程和正常使用过程进行监控，预防再出现不均匀沉降，及时反馈建筑的沉降信息，为勘察设计单位和施工单位提供建筑的信息，避免因沉降原因造成建筑物主体结构的破坏或产生影响结构使用功能的裂缝，造成巨大的经济损失。Q