基于InSAR的高速铁路区域沉降变形研究

孔志鹏

(苏交科集团股份有限公司, 江苏南京 211112))

伴随着中国经济的高速发展，地下水的需求与日俱增，许多地区面临着区域性地面沉降灾害[1]，以高速铁路为例，截止到2020年，全国铁路营业里程达到12万km以上，建设客运专线1.6万km以上。我国已成为世界上高速铁路发展最快、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。然而由于大面积的地面沉降给高速铁路的安全运营带来巨大威胁。根据研究，自1921年我国上海发现地面沉降以来，至今已有90多个城市和地区均报告有不同程度的地面沉降。据统计，在华北平原5万km2的调查范围内，大于1 000 mm的地面沉降高达8 510 km2[2]。研究表明，京津、京沪高铁沿线经过的多数地段均发生了不同程度的沉降，其中天津至沧州部分路段地面平均沉降速度高达50～90 mm/a[3]。

在早期沉降监测主要仍然以常规监测方法为主。比如传统埋设沉降观测桩、沉降板、观测管等设备[4]。随着技术的进步，自动化沉降技术也被越来越多的应用于地面沉降的监测[5]。李明[6]基于全站仪和棱镜结合的方式沉降监测并进行了验证。郭江涛[7]采用非参数多项式法对自动化沉降监测数据进行拟合预测分析，并得到了比较精确的结果。此外还有GPS方法对沉降的监测，但是以上方法均属于点状观测，存在点位密度低、观测成本高等局限性。采用遥感技术探测铁路沿线区域的地面沉降已成为趋势。

雷达差分干涉测量(DInsar)方法使用二次差分干涉相位数据及基线数据，提取地面目标的微小形变信息，精度可达到级甚至级。技术能够获取大面积、高精度的地表变化信息，其测量的结果整体上是连续的，不存在总体累积误差，且易于进行数据处理，因此被认为是大面积地表形变连续监测的有效工具[3]。本文以京沪高速铁路某段为例，基于高分辨率DInSAR开展研究，重点开展水准与DInSAR联合监测的技术研究，为研究区域沉降对京沪高速铁路基础工程的影响提供科学依据。

1 工程地质概况

华北平原是国内超采地下水最严重的地区。至2005年华北平原大于1 000 mm的沉降面积达8 510 km2，大于500 mm的沉降面积达33 386 km2；北京地区最大累计沉降量分别为0.791 m；天津地区最大累计沉降量分别为3.187 m；河北地区最大累计沉降量分别为2.457 m。随着经济的快速发展、城市化进程的加快、高层建筑的施工以及对地下水的需求与日俱增，华北平原地面沉降呈现加剧的趋势。

研究区位于京沪铁路天津和沧州某段。基本特征是以堆积为主的平原地貌。华北平原地表起伏较缓，大部分地区在海拔50 m以下，自西向东自然坡度较小，地面高程仅2～3 m，因此，地势低平是黄河三角洲平原所凸现的最基本特征之一。

研究区属中国东部亚热带季风气候。年均温15～16 ℃；最冷月均温2～4 ℃；最热月均温 27～28 ℃。年降水量l 000～l 400 mm，季节分配较均匀，以夏雨最多，春雨次之，冬雨最少。主要地质构造有华北地拗、北京迭断陷，大兴迭隆起、大厂新断陷以及一系列北东向与北北西—北西向断裂将盆地切割成一系列的隆起和凹陷，以及北北东向长条性的次级断陷盆地。从地质剖面来看，350 m以上含水层厚度约占31%，且在水平方向上黏土层的厚度变化较大，从垂直方向看，第三含水组的黏土层较厚，因此开采该组地下水引起的地面沉降较大。从地层分布看，300 m以上的含水层以粉土、粉细砂为主，300 m以下的含水层以细砂、中砂居多，含水层的连通性好，开采同样水量情况下，水位下降幅度大。同时，研究区含水层和隔水层属于薄层交互发育，则作为相对隔水层的粘土层的释水将会大大增加，将会使单位厚度的沉降增加。

2 结果分析

2.1 监测方法与数据处理

选择京沪高速铁路11.9 km×11.7 km带状范围作为试验区域，使用国TerraSAR-X卫星在获取的SAR影像(X波段，2 m分辨率)作为基础数据，沿4条公路均匀布设了水准点45个，对这些水准点进行了4期水准测量。

在ENVI环境下开发的PS/CR网络雷达干涉软件系统，对SAR时序影像读写、PS探测、非线性形变时间序列分离等。使用PSI_SWJTU软件对时序TerraSAR-X影像进行数据处理，主要过程包括：SAR影像数据预处理、人工与天然PS探测、人工与天然PS网络构建、PS网络建模及参数估计、PS网平差及线性沉降解算。完成所有数据处理与分析后，提取出试验区域内所有PS的沉降速率及沉降时间序列，再与水准沉降监测结果比较、验证分析。

2.2 沿线沉降数据分析

选定线路里程DK121-DK131区段为典型区域沉降试验区。根据沿线沉降数据分析得出(图1)，研究区存在明显的沉降漏斗。4期水准测量沉降监测结果表明，每期监测的平均沉降量为20 mm，19个月的平均累计沉降量60 mm，最大的累计沉降量89 mm；沿线路中线有较明显的漏斗形沉降。

图1 试验区地表沉降三维立体

2.3 沿线沉降数据分析

在试验区使用TerraSAR-X影像经数据处理后获得的监测结果(图2)表明，监测区域在半年内的最大沉降量为73 mm，最小沉降量为5 mm左右，城市区域最大沉降低于10 mm。通过影像数据分析容易发现位于京沪线右侧某火力发电厂存在大范围的地表沉降，经现场调查分析，与其过量开发利用地下水有直接关系。采用传统的几何水准测量，沿线路中线1 km左右宽的周边布设水准监测点，4期近2年的沉降监测结果仅发现沿线地表存在漏斗。水准测量的区域沉降结果如图1所示，在图的左上角有明显的漏斗存在。这一成果充分体现了InSAR技术在区域沉降监测中的优势和巨大的应用潜力。

表1汇总了11个特征监测点的InSAR观测值与传统水准测量观测值数据。结果表明，InSAR最大沉降值为47.01 mm，水准测量最大值为67.89 mm，两者最大值测点相同，误差水平为44.4。总体误差介于0.22%～70.9%，平均误差为19.9%。虽然局部监测点误差较大，但整体来看，2种方法规律基本一致，平均误差水平在20%以内，这也证明，采用InSAR技术对沉降观测是有效的。

图2 TerraSAR-X影像提取的PS沉降结果

表1 InSAR技术监测沉降结果与精密水准监测的比较

3 结论

(1)对典型里程段进行水准观测显示，19个月的平均累计沉降量60 mm，最大的沉降量89 mm。

(2)InSAR数据结果表明，监测区域在半年内的最大沉降量为73 mm，最小沉降量为5 mm左右，监测范围存在明显的沉降漏斗。

(3)对比InSAR结果与传统水准测量方法表明，InSAR最大沉降值为47.01 mm，水准测量最大值为67.89 mm，两者最大值测点相同，2种方法得到的沉降结果平均误差水平在20%以内，证明InSAR结果是有效的。

(4)InSAR方法可以全天时、全天候地从空间直接获取大范围的、高精度的地形及地表的微小形变信息，相比传统水准方法具有很大的优势。