济南地铁2号线沿线地表沉降监测与分析

刘 新 张婷慧 杨陇徽

(山东科技大学 测绘与空间信息学院, 山东 青岛 266590)

0 引言

城市交通是城市经济活动与社会活动的重要桥梁,地铁作为地下城市交通的重要工具,有效地缓解了城市长期面临的道路交通拥堵难题,便捷了市民的出行方式,促进了地铁沿线地区的经济发展[1]。由于地铁在开挖施工、运营过程中,不可避免地会对周围环境产生一定的影响,如地下水位降低、地层损失等,从而引发不同程度的地面裂缝、地表沉降,对地铁的施工、运行以及周围环境的安全构成威胁[2]。如2019年12月广州在建地铁11号线在广州大道北与禺西路交界处发生坍塌；2019年12月厦门地铁1号线与2号线换乘站吕厝站10号缓建口附近发生地面塌陷。因此,为防控地铁对周围环境造成的不利影响,对地铁沿线地区进行沉降监测,及时掌握地铁沿线沉降情况,对人民生命财产安全具有非常重要的意义。

相较于水准测量[3]、全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)测量[4]等地表沉降监测技术,合成孔径雷达干涉[5](interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术以高度自动化,监测面积大的优势应用于地表沉降监测中。近几年来,国内外诸多学者利用InSAR技术监测北京[6]、佛山[7]、福州[8]、合肥[9]、南京[10]、南宁[11]、青岛[1]、上海[12]、天津[13]、武汉[14]等地铁沿线地表的沉降情况。研究表明,地铁沿线区域均存在不同程度的地表沉降情况,证明了InSAR技术在地铁沉降监测领域具有可行性。此外,差分干涉测量短基线集时序分析技术(small baseline subset InSAR,SBAS-InSAR)[15]在InSAR技术的基础上发展成为地铁沿线地表沉降监测的重要手段。

济南以“泉城”而闻名,地下遍布泉脉,地质条件复杂,给地铁的修建带来了诸多困难。济南地铁的建设不仅要保泉护泉,还要保障地铁施工和运营的安全,所以对济南地铁沿线地表的沉降监测尤为重要。目前济南地铁沿线地表沉降的监测多采用传统方法,使用SBAS-InSAR技术相对较少。

本文以济南地铁2号线沿线1 km缓冲区作为研究区,利用SBAS-InSAR技术得到2019年11月18日至2021年10月2日期间济南地铁2号线沿线1 km缓冲区的地表形变信息,分析沉降重点区域,为济南地铁沿线地表沉降灾害预警及维护地铁安全运营提供数据支撑和决策依据。

1 研究区和数据集

1.1 研究区概况

济南坐落于山东中部,位于36°01′N～37°32′N、116°11′E～117°44′E之间,北连京津冀地区、南接长江三角洲,年平均降水量为671.1 mm,年平均气温为14.7℃,属暖温带半湿润季风气候。济南地铁2号线于2016年底开建,2021年3月开通运营,西起槐荫区王府庄,东至历城区彭家庄,途经槐荫区、市中区、天桥区、历下区、高新区、历城区。线路全长约36.4 km,地下线长约34.6 km。车站19座,其中地下车站18座。

1.2 数据集

Sentinel-1A卫星是欧洲空间局(European Space Agency,ESA)于2014年发射的全球观测卫星,重访周期为12 d。本文采用时间跨度为3年的20幅Sentinel-1A单视复数(single look complex,SLC)影像数据,时间范围为2019年11月18日至2021年10月2日,每36 d一幅,其传感器为C波段,地面分辨率为5 m×20 m,成像模式为干涉宽幅模式(interference width,IW),同时,本文选取在时间上与20幅Sentinel-1A影像数据相对应的20幅精密定轨星历数据(precise orbit ephemerides,POD),该数据定位精度优于5 cm。此外,本文选取美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)航天飞机雷达地形测绘任务(shuttle radar topography mission,SRTM)提供的空间分辨率为30m的数字高程模型(digital elevation model,DEM),用以消除地形相位误差。

2 SBAS-InSAR原理与方法

在相同地区获得N+1幅影像,时间序列为(t0,t1,…,tN)T,设置基线阈值,其中一幅影像为超级主影像,其余的影像作为辅影像,N+1幅影像两两组合为若干个干涉对,生成M幅差分干涉图,M满足

(1)

第k幅干涉图像元的相位值为

(2)

式中,φ(ti)为时间ti相对于初始时间t0的相位；d(ti)为时间ti相对于初始时间t0的累积形变量；λ为雷达波长。

通过计算干涉图中每个像元的地表形变信息,最终获取到整个研究区的地表形变信息。干涉图的每个像元都满足

(3)

式中,B为M×N阶矩阵,位于主辅影像获取时间之间的矩阵元素B(p,q)=tq+1-tq,其中pΔ(1,2,…,M),否则B(p,q)=0。对B进行奇异值分解(singular value decomposition,SVD),求得各时间段平均相位速率ν,最后积分得到该像元的时序形变信息。

本文将365 d设置为时间基线阈值,将临界基线的45%设置为空间基线阈值,超级主影像为2020年10月7日的影像,生成145对干涉对。对干涉对进行差分干涉处理,数据配准基于SRTM DEM数据,相位解缠阈值设置为0.2。基于精密轨道数据对干涉结果进行估计和消除残余轨道相位,在研究区选取10个平均相干系数大于0.9的相干点作为地面控制点(ground control points,GCPs),用以实现相位的优化。利用SVD法估算沉降速率和残余地形,经过第二次相位解缠来优化干涉对的解缠结果精度。利用365 d高通滤波窗口和1 200 m低通滤波窗口将残余相位中的大气相位去除,对各时间段内地表沉降速率积分得到时序形变。

3 结果

在监测期间济南地铁2号线沿线1 km缓冲区的年平均地表垂直形变速率如图1所示。研究区地表呈现不均匀的沉降,研究区最大沉降速率为-18.27 mm/a,平均值为0.26 mm/a,其中,地铁沿线主要沉降区包括腊山站至老屯站段(S1)、济泺路站至七里堡站段(S2),S1区最大沉降速率为-17.38 mm/a,平均值为-0.44 mm/a；S2区最大沉降速率为-18.27 mm/a,平均值为-1.72 mm/a。监测期内济南地铁2号线沿线1 km缓冲区的地表累积垂直形变量如图2所示,在监测期内,最大累积沉降量为-68.51 mm。

图1 地表垂直沉降速率

图2 地表累积垂直形变

在S1区随机选取四个特征点分析时序形变情况,如图3所示。在T1点,在建设期地表形变幅度较大,在2019年11月18日至2020年9月1日期间地表下沉且在2020年9月1日达到沉降最大值-8.89 mm/a,在2020年9月1日至2021年2月28日期间地表抬升且在2021年2月28日达到最大抬升值1.25 mm/a，地铁运营后至2021年7月22日地表快速下沉,之后处于波动式下沉状态；在T2点,在建设期地表形变呈现波动下沉趋势,在2020年10月7日达到沉降最大值-17.31 mm/a,在2020年10月7日至2021年2月28日期间,地表沉降相对稳定，在运营期地表波动式快速下降；在T3点,在建设期处于波动式下沉状态，在运营期地表快速沉降至2021年7月22日达到最大沉降量-21.45 mm/a,之后地表处于“抬升-下降”缓慢下沉状态；在T4点,在建设期处于波动式缓慢下沉状态,在运营期地表形变趋于稳定。

图3 S1区特征点时序形变

在S2区随机选取四个特征点分析时序形变情况,如图4所示。在T5点,在建设期地表呈现波动下沉趋势,在2020年11月12日达到沉降最大值-10.44 mm/a，地铁运营至2021年8月27日地表下降,之后地表抬升；在T6点,在建设期地表形变呈现波动缓慢下沉趋势,在2020年9月1日达到沉降最大值-3.70 mm/a，在运营期形变仍呈现波动缓慢下沉趋势；在T7点,在建设期处于波动式下沉状态，在运营期地表沉降至2021年8月27日达到最大沉降量-23.55 mm/a,之后地表快速抬升；在T8点,在建设期处于波动式缓慢下沉状态,在运营期地表形变趋于稳定。

图4 S2区特征点时序形变

济南地铁2号线地表垂直沉降速率如图5所示,地表垂直沉降速率介于-10.87～7.05 mm/a之间,地铁2号线存在5处明显的沉降漏斗,分别位于腊山南站处、腊山站至二环西路站段、二环西路站至老屯站段、历山路站处、鲍山站至彭家庄站段,最大地表垂直沉降速率分别为-5.55 mm/a、-9.36 mm/a、-5.84 mm/a、-10.87 mm/a、-8.00 mm/a,其余路段沉降速率均介于-5～7 mm/a之间。

图5 地铁线垂直沉降速率

研究区平均地表垂直沉降速率的标准差如图6所示,沉降速率的标准差最小值为0.09 mm/a,最大值为12.85 mm/a,平均值为1.17 mm/a。大约92.41%区域介于0.09～2 mm/a之间,故利用SBAS-InSAR技术获取的地表垂直形变信息具有高精度。

图6 地表垂直沉降速率标准差

4 讨论

地表沉降与地铁的盾构施工、地质环境、地面负荷和周边在建工程有关。一方面,地铁在施工建设中,为了保障施工人员以及周围环境的安全,通常需要将深基坑中的水排出直至地下水位低于施工面。地下水维持着地表的受力平衡,地下水的过度抽取降低了土壤含水层的孔隙压力,从而导致地表发生沉降[16]；一方面,地铁线路的规划、施工、运营带动了周边地区经济发展,为周边地区带来了巨大的人流的同时,也增加了地面的负荷,从而导致地表沉降的发生。

5 结束语

本文基于SBAS-InSAR技术利用20幅Sentinel-1A影像数据对2019年11月18日至2021年10月2日期间济南地铁2号线沿线1 km缓冲区的地表沉降情况监测与分析。结果表明,在监测期内存在不均匀的地表沉降,平均沉降速率为0.26 mm/a,最大沉降速率为-18.27 mm/a,最大累积沉降量为-68.51 mm。其中,地铁沿线主要沉降区包括腊山站至老屯站段、济泺路站至七里堡站段,最大沉降速率分别为-17.38 mm/a、-18.27 mm/a。为保障济南地铁2号线的安全运营,应持续监测腊山站至老屯站段、济泺路站至七里堡站段地表沉降状况。