InSAR技術在天津地鐵六號線盾構區間沉降監測中的應用研究

唐揚，楊魁

(1.天津軌道交通集團有限公司，天津　300000；　2.天津市測繪院，天津　300381)

1　引　言

天津市地處華夏構造系華北沉降帶，大部分地區是軟弱土層，地面沉降不可避免[1，2]。而隨著近年來軌道交通建設速度的加快，軌道沿線地面沉降現象日益嚴重，安全性逐步降低。為減小城市地下軌道交通在施工期間對周圍地物的影響，需要對其沿線周邊目標進行動態監測，以便及時發現問題，防止安全事故的發生[3]。

目前，常規的城市軌道交通施工沉降效應監測方法是經典的水準測量方法。該方法具有精度高、頻率高等特點，但是也存在著工作強度大、作業時間受天氣影響等缺點[4]。

從1989年Gabriel等人驗證了InSAR技術可實現厘米級的地表形變監測以來，作為地面沉降監測重要手段的InSAR監測技術逐漸走向成熟和應用，尤其是在2000年永久散射體技術提出來以后[5]。將其應用于軌道交通施工沉降效應監測中具有大范圍、長時間、快速的優勢，可以實現對整個城市地下軌道交通沿線引發地物沉降進行綜合監測與分析[6]。但是將InSAR直接應用于軌道交通沉降效應監測的應用研究目前較少。因此本文以高分辨率SAR數據為例，以天津市軌道交通六號線為例開展軌道交通區間施工對周圍目標沉降的影響與分析。

2　高分辨率SAR數據集及時間序列成果分析

2.1　TerraSAR-X數據

相對于大面積的區域地面沉降監測而言，地鐵區間施工引發沉降存在影響范圍有限、影響幅度較小等特點，中分SAR數據已經難以滿足其應用需求[7]。因此本文選擇高分辨率TerraSAR數據開展天津市地鐵區間施工沉降效應的監測與分析。如圖1所示，藍色矩形表示TerraSAR數據覆蓋的范圍，紅色矩形表示軌道六號線所在的研究區。

TerraSAR數據衛星參數如表1所示，入射角為37.3°、成像幾何為升軌，分辨率為 3 m。TerraSAR數據集共由27景數據組成、SAR數據集共由27景TerraSAR數據組成，獲取時間為2014年5月～2016年6月。

TerraSAR數據集的影像參數　　　　　　　　　表1

2.2　時序SAR數據處理成果分析

對TerraSAR數據集采用經典的SBAS方法進行時間序列分析，不同目標沉降速率的大小以不同的顏色分區表示，獲取到研究區域的地面沉降速率及清晰的沉降分布特征[8]，如圖2所示。距離市內六區核心區越近，沉降速率越小；距離市內六區核心區越遠，沉降速率越大。研究區域的上半部分沉降量較小，沉降速率在 10 mm/yr以內；下半部分沉降量較大，沉降速率逐漸遞增，最大沉降達到 60 mm/yr[9]。

圖2　研究區域線性沉降速率圖

3　地鐵六號線某盾構區間地面沉降效應分析

天津市地鐵六號線全長為 41.6 km，其中一期工程全長 26 km，施工始于2011年3月，并已于2016年12月31日開通運營。選擇一期工程中的某盾構區間為例分析地鐵施工引發的地面沉降效應，如圖3所示。區間起點位于車站甲，終點位于車站乙，線路呈南北走向，全長 970 m。

圖3(a)為車站甲、乙一定范圍內的地面沉降速率圖，圖3(b)為疊加了六號線該區間走向的地面沉降速率圖，可見，區域內線性沉降分布地段與地鐵AB區間走向基本重合。

圖3　地鐵六號線某區間地面沉降速率圖

3.1　縱向沉降分布與影響范圍

鑒于地鐵甲乙區間長970 m，筆者以 20 m間距等距采樣，獲取甲乙區間縱斷面上的地表沉降曲線，如圖4所示。為了排除車站甲、乙施工對沉降的影響，選取[140 m，880 m]范圍進行分析，可見，甲乙區間沿線地表沉降普遍達到 -50 mm～-45 mm，最大達到 -54 mm。

圖4　地鐵六號線某區間地面沉降縱斷面圖

綜合分析，車站甲乙區間縱向沉降的空間分布特征如下：①沿區間走向分布明顯，沉降位于隧道上方；②區間內沉降較為均勻，在監測時段內達到 -50 mm～-45 mm。

3.2　橫向沉降分布與影響范圍

為了分析盾構施工的橫向沉降影響特征，筆者在甲乙區間設置了7條橫斷剖面：P1-P1′、P2-P2′、P3-P3′、P4-P4′、P5-P5′、P6-P6′、P7-P7′，如圖5所示。對7條剖面逐一分析，并得出甲乙區間的橫向沉降空間分布特征。

剖面P1-P1′：位于車站軸線處，沉降量為 -54 mm，區間兩側沉降曲線基本對稱；基于該剖面評估參考量 -48 mm分析，盾構施工的影響范圍為 130 m，最大累計影響沉降量為 6 mm。

剖面P2-P2′：位于車站軸線左側 20 m，沉降量為 -57 mm，區間兩側沉降曲線基本對稱；基于該剖面評估參考量 -47 mm分析，盾構施工的影響范圍為 70 m，最大影響沉降量為 10 mm。

剖面P3-P3′：位于車站軸線左側 20 m處，沉降量為 -57 mm，區間兩側沉降曲線基本對稱；基于該剖面評估參考量 -44 mm分析，盾構施工的影響范圍為 70 m，最大影響沉降量為 13 mm。

剖面P4-P4′：位于車站軸線左側 40 m處，沉降量為 -55 mm，區間兩側沉降曲線基本對稱；基于該剖面評估參考量 -47 mm分析，盾構施工的影響范圍為 80 m，最大影響沉降量為 8 mm。

剖面P5-P5′：位于車站軸線左側 20 m處，沉降量為 -54 mm，區間兩側沉降曲線基本對稱；基于該剖面評估參考量 -43 mm分析，盾構施工的影響范圍為 110 m，最大影響沉降量為 11 mm。

圖5地鐵六號線某區間地面沉降橫斷面圖

剖面P6-P6：位于車站軸線處，沉降量為 -50 mm，區間兩側沉降曲線基本對稱；基于該剖面評估參考量 -45 mm分析，盾構施工的影響范圍為 90 m，最大影響沉降量為 5 mm。

剖面P7-P7′：位于車站軸線處，沉降量為 -55 mm，區間兩側沉降曲線基本對稱；基于該剖面評估參考量 -42 mm分析，盾構施工的影響范圍為 70 m，最大影響沉降量為 13 mm。

對比7個剖面的沉降分布曲線，車站甲乙區間的橫向沉降特征為：①橫向呈現沉降糟，最大沉降量出現在車站軸線處，為 -50 mm～-57 mm；②區間兩側的沉降曲線基本對稱。

高分辨率InSAR獲取的沿線沉降與工程開挖模擬預計得到的結論基本相同，表現在隧道上方的沉降量呈線性分布，橫向沉降基本對稱、線上沉降糟和沉降兩側的不均勻分布特點。

3.3　現場驗證

盾構施工會導致一定范圍內的路面發生裂縫，建筑物出現沉降，筆者選擇車站甲乙區間一定范圍內的道路、地面、建筑物等典型地物開展了盾構施工的影響分析。

圖6地鐵六號線某區間地面沉降影響目標

如圖6(a)所示1號點，位于區間正上方，道路交口處，兩條路的交口處存在不均勻性沉降(不同顏色)，圖6(b)為實拍照片，同樣證明，盾構施工導致了該處出現了大量裂縫和局部下沉。

如圖6(a)所示2號點，位于距盾構外皮 25 m的建筑物內，該建筑物存在不均勻性沉降(不同顏色)，圖6(c)、(d)為實拍照片，同樣證明，房屋墻體存在少量裂縫；附屬臺階等構筑物也存在一定程度的損壞。

4　結　論

本文以天津市地鐵六號線為例，采用高分辨率InSAR數據開展城市地鐵沿線地表形變的監測。通過縱斷面分析、橫斷面分析、現場驗證等多方面從空間上完整地展現了地鐵沿線地面沉降的分布和變化特征：①沿盾構區間分布明顯，沉降位于隧道上方；②橫向呈現沉降糟，最大沉降量出現在車站軸線處，區間兩側的沉降曲線基本對稱；③通過研究InSAR技術數據處理的方法，結合現場踏勘驗證，InSAR技術完全可以應用于地鐵施工沉降效應監測與分析中。