佛山地鐵塌陷InSAR時序監測及機理分析*

張 嚴 朱 武② 趙超英② 韓炳權

(①長安大學，地質工程與測繪學院， 西安 710054， 中國) (②地理信息工程國家重點實驗室， 西安 710054， 中國)

0 引 言

地面塌陷是指在人為因素或者自然因素的作用下，地表巖、土體向下陷落，并形成塌陷坑或塌陷洞的地質現象(王明偉等， 2008)。地面塌陷形成的前提是地表下空洞的存在，而空洞通常是由自然巖溶現象或人類挖掘造成的(Buttrick et al.， 2011)，當然也存在一些誘發因素，如加載、地震、人為振動等(Nisio et al.， 2007； Parise， 2012)。地面塌陷是突發性的地質災害(Gutiérrez et al.， 2008)，特別是在城市地區，可能造成嚴重的經濟損失，甚至危及生命安全。因此，城市地面塌陷的監測和早期預警構成了重要的研究課題。

圖 1 研究區及Sentinel-1A數據覆蓋范圍示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the research area and Sentinel-1A data coverage area

在塌陷形成之前，經常會出現地表下沉、裂縫等異常現象，可以利用這一特征來對潛在地面塌陷進行早期預警(Chang et al.， 2014)。傳統基于離散點的地表形變監測方法，不僅需要耗費大量的人力、物力，而且當監測大范圍區域時效率較低(陳永奇， 1988； Galloway et al.， 1999)。而近年來發展起來的合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR)技術，由于其具有空間分辨率高、覆蓋范圍大、全天時、全天候等優點(Bamler et al.， 1998； 蘭恒星等， 2019)，被廣泛用于監測地面塌陷前的信號特征(Baer et al.， 2002； Closson et al.， 2003， 2005； Nof et al.， 2013； Vaccari et al.， 2013； Jones et al.， 2014， 2015； Kim et al.， 2016)，特別是在城市地區，具有成本低、效益高和較強的可行性(Intrieri et al.， 2015； Theron et al.， 2016)。

針對2018年2月7日發生的佛山市地鐵2號線塌陷事故，Alex et al.(2018)利用PSI(Persistent Scatterer InSAR)技術對覆蓋廣州和佛山地區2011-05～2017-01期間的COSMO-SkyMed數據進行處理，監測了該地區相應時間段的地表變化，并對塌陷的形成原因進行了分析。劉琦等(2019)利用PS-InSAR技術對覆蓋佛山市2015-06～2018-09期間的Sentinel-1數據進行處理，獲得了研究區相應時間段內的地表形變結果，發現事故段地鐵沿線有明顯的形變信息，并猜測該路段地面沉降的重要原因是地鐵施工。前人在對地面沉降和地面塌陷形成的原因進行分析時，均未結合當地地質資料、事故調查報告等重要資料。

本文將整個禪城區作為研究區，搜集了2017-03～2019-01期間的56景Sentinel-1A數據，首先利用SBAS-InSAR(Small Baseline Subset InSAR)技術獲取了塌陷前、后期地表形變的時空演化規律。其次，為了驗證形變監測結果的可靠性、進一步分析地面塌陷與地面沉降的關系，對塌陷坑附近區域進行了實地調研，并對塌陷坑附近的形變特征進行了詳細分析，最后，結合搜集到的事發地地質資料、事故調查報告等，合理地推測了塌陷形成的機理。

1 研究區概況

1.1 禪城區基本概況

禪城區是廣東省佛山市的5個行政轄區之一，也是其政治、經濟、文化中心，與廣州市、深圳市等城市相鄰。

(1)地理位置：禪城區位于東經113°00′41″～113°05′40″，北緯22°35′01″～23°02′24″，地處珠江三角洲的腹地，在廣州市的西南部，佛山市的中部。南北向長約15km，東西向寬約19km，面積約為154km2，如圖 1中藍色框所示，紅色五角星即為塌陷坑所在位置(見電子版彩色圖片)。

(2)地質概況：禪城區的地質屬于第四系地層，主要為黏土和其他各種粒徑的沙層，厚度約從5m至40m不等，具有自東向西遞增的趨勢，東平水道以西的地區第四系較厚，是禪城區第四系的主要沉積區(易守勇等， 2017)。圖 2為禪城區第四系沉積物等厚線圖。

禪城區是地勢平坦的沖積平原，大多區域海拔在1.3m和4.6m之間。地貌類型單一，主要為堆積地貌，屬于三角洲平原，大部分地表覆蓋著厚約15～25m的松散沉積物。禪城區的軟土層天然孔隙比大且含水量高，具有高壓縮性、低黏聚力和小固結系數的特點，所以在人類活動的影響下，地表很容易發生形變，由此會帶來各種安全隱患。禪城區軟土厚度等厚線圖如圖 3所示，可看出軟土厚度的空間分布與第四系沉積物(圖 2)基本呈正相關。

表 1 Sentinel-1A數據參數Table 1 Parameters of Sentinel-1A

圖 2 禪城區第四系沉積物等厚線圖(改自易守勇等， 2007)Fig. 2 Isopach map of Quaternary sediment in Chancheng district

圖 3 禪城區軟土分布等厚線圖(改自易守勇等， 2007)Fig. 3 Isopach map of soft soil distribution in Chancheng district

1.2 塌陷事故基本概況

2018年2月7日，位于佛山市禪城區湖涌站至綠島湖站的地鐵2號線右線工地在盾構中突發透水，導致施工隧道和地面發生坍塌(張愛軍等， 2018)。圖 4為塌陷現場照片，地面坍塌范圍東西向約65m，南北向約81m，深度約6～8m，地面塌方面積約4192m2，坍塌體方量接近2.5×104m3。

圖 4 塌陷事故現場圖(改自張愛軍等， 2018)Fig. 4 Map of collapse accident site

事故發生區間呈東西走向，正位于季華西路下面，采用盾構法施工。事故段隧道穿行區域大部分巖土松散，承載力低，自穩定差，總體上工程地質條件很差。事故段隧道底埋深越30.5m，從上至下分別為人工填土、粉質黏土、淤泥質土、粉砂、粗砂、圓礫。圖 5所示為截取的東西向穿過塌陷坑的地質剖面圖。

2 實驗數據和方法

2.1 數 據

本次實驗搜集了覆蓋研究區2017-03-12～2019-01-25期間的56景升軌Sentinel-1A數據，數據覆蓋情況如圖 1中綠色框所示，數據的具體參數如表 1所示。外部DEM采用的是90m分辨率的TanDEM-X DEM。

2.2 SBAS-InSAR技術

SBAS-InSAR技術是由Berardino等人在2002年提出的(Berardino et al.， 2002)，通過設置一定的時間、空間基線閾值，獲取相對高質量的干涉對，基于解纏后的干涉圖獲取形變速率和形變時間序列結果。其基本原理為：設第j幅干涉圖是tA和tB時刻獲取的兩幅SAR影像生成的，則距離向坐標為r、方位向坐標為x的像元的差分相位可以表示為：

δφj(x，r)=φ(tB，x，r)-φ(tA，x，r)

(1)

圖 6 時空基線分布圖Fig. 6 Temporal and perpendicular baseline distribution

?j=1，…M

(2)

式中：λ為雷達波長；d(tB，x，r)和d(tA，x，r)分別為tB和tA時刻視線向的累積形變量，式(2)所示線性方程組的矩陣表達式為：

Aφ=δφ

(3)

式中：A為M×N的矩陣，行向量為干涉組合，列向量為SAR影像。當小基線子集個數L=1時，A為列滿秩矩陣，可以通過最小二乘估計累積形變量：

(4)

當小基線子集個數L>1時，方程(4)是秩虧的，秩虧數為N-L+1，可以對A進行奇異值分解，求出累積形變量φ的最小范數意義下最小二乘解。

2.3 數據處理關鍵步驟

(1)Sentinel-1A數據預處理：首先分別讀取56景數據每個子條帶的SLC數據和創建參數文件，并根據強度圖目視判斷提取各影像覆蓋研究區的公共burst，然后利用精度在5cm以內的AUX_POEORB精密軌道文件對軌道文件進行更新，以提高衛星位置的精度，從而減小干涉圖的基線誤差。最后利用外部DEM輔助影像配準，使配準的精度達到像元大小的千分之一，再對配準的數據進行去斜處理。

(2)生成干涉對并差分處理：首先，為了避免嚴重的失相干現象，我們設定垂直基線閾值為200m，時間基線閾值為100d，通過自由組合生成396個基于不同主影像的干涉對。然后，將組合得到的干涉對進行干涉處理，并利用采集到的TanDEM-X DEM和SAR軌道數據，模擬地形相位和平地相位，并將其從原始干涉相位中予以去除。之后考慮到塌陷坑的面積較小，我們對干涉噪聲進行小窗口(大小為16)、小步長(大小為2)的自適應譜濾波處理，在此基礎上，我們使用最小費用流(MCF)方法得到了解纏后的相位。并從中挑選出了94個高質量的解纏圖，時間基線與垂直基線的關系如圖 6所示。

(3)求取年平均形變速率和形變時間序列：由于在數據處理中，小基線子集個數L=1，系數矩陣A為列滿秩矩陣，利用最小二乘法進行求解，獲得研究區在監測期間的年平均形變速率和形變時間序列。

3 實驗結果

從年平均形變速率圖(圖 7)可以看出：在監測期間，塌陷坑臨近區域有明顯的形變，而遠離塌陷坑的地鐵沿線地帶大多比較穩定。由于塌陷形成主要受臨近區域的影響，由此將塌陷坑臨近區單獨提取做進一步分析，如圖 7中紫色框所示。

圖 7 年平均形變速率圖Fig. 7 Annual land subsidence rate map

圖 8所示為上圖中紫色框放大圖。由于該區域存在大面積植被覆蓋區以及建筑工地，導致影像失相干現象較為嚴重，使得測量結果缺少大量的測量點。不過可以猜測，大部分沉降區域應為連續的，而且最大沉降量估計比監測到的大很多。在塌陷坑近鄰區域選擇一個點P做形變時間序列分析，結果如圖 9所示。

圖 8 塌陷坑附近區域年平均速率圖Fig. 8 Annual land subsidence rate map of the area near the collapse pit

由圖 9可以看出，P點在監測期間內存在持續地面沉降，形變基本呈線性變化，形變速率大約30mm·a-1，從2018-09之后沉降有變緩趨勢，塌陷前1a時間內累積形變量達到了35mm以上，監測的2a期間累計沉降量達到了60mm以上。而且可以看出，在塌陷前一段時間(2017-12-25～2018-01-30)，形變速率突然增加，而臨近塌陷前幾天和塌陷過后幾天，形變趨于穩定，再往后形變速率又突然增加。

圖 9 P點形變時間序列圖Fig. 9 The time-series of point P

為進一步分析地面沉降與地面塌陷之間的關系，在塌陷前期(2017-03-12～2018-01-30)累計形變圖上選取東西向穿過塌陷坑的一條剖線AB(如圖 8)做形變分析(圖 10)。由圖可見，塌陷坑及其近鄰區域存在不均勻的地面沉降，在不到一年的監測時間內，沉降量最大達到近40mm，塌陷坑處沉降量最大達到近37mm。

圖 10 剖線AB沿線的沉降量Fig. 10 Deformation along line AB

4 地面沉降原因及塌陷機理分析

通過對塌陷坑及其附近區域進行實地考察，發現沉降區存在地面裂縫、建筑物破壞等現象(圖 11)，而非形變區未發現明顯地表形變現象，從而證明了監測結果的可靠性。塌陷坑北方大面積區域被植被覆蓋且存在建筑施工，從而導致了該區域影像失相干現象較為嚴重。

圖 11 野外實地調查照片Fig. 11 Field survey photos

4.1 地面沉降原因分析

通過調研得知，該地的生活用水和工業用水均來自北江和南江的河水，因此并不存在抽取地下水的情況。通過將年平均形變速率圖(圖 7)和禪城區第四系沉積等厚線圖(圖 2)對比可見，沉降較嚴重的區域與第四系沉積厚度較大的區域基本一致，但第四系中最容易發生沉降的是軟土層，軟土的厚度分布與第四系不完全一致，而且沉降會受多種因素的影響，所以具體沉降情況還要結合軟土厚度分布(圖 3)情況綜合分析。此外，從P點的形變時間序列圖可見，在塌陷發生前的一段時間(2017-12-25～2018-01-30)，形變速率突然增加，猜測可能是地鐵施工擾動導致的。而臨近塌陷前幾天和塌陷過后幾天，形變趨于穩定，考慮到可能是水管泄露導致軟土層飽和的原因。2018-09之后沉降變緩，應該是軟土層通過多年固結壓縮，逐步趨于穩定?？偨Y來說，地面發生不均勻沉降，主要原因是軟土厚度的分布不均勻，其次地鐵施工擾動也加速了地面沉降。

圖 12 塌陷機理分析示意圖(改自易守勇等， 2007)Fig. 12 Schematic diagram of collapse mechanism

4.2 塌陷機理分析

圖 12所示為塌陷機理分析示意圖，事故發生時，盾構機處于工程地質較差的地帶，機身中下部處于中砂和粉砂交界位置，隧洞頂是易壓縮的淤泥質土層、隧洞底是軟弱的粉砂層。隧道沿線地表下5m左右設有供水管道，管道直徑約1m。圖中A、B的位置對應圖 8中的剖線AB。

事故調查報告指出，佛山隧道塌方的原因為突發透水造成隧道結構破壞(張愛軍等， 2018)。通過查閱文獻和現場調查，我們認為事故起因于地面沉降導致供水管道損壞。主要原因如下：首先，大量的研究表明，地面沉降會對地下管道產生破壞(張維然等， 2002； 趙常洲等， 2006； 賈三滿等， 2007； 毛小平等， 2016)，禪城區供水管道等基礎設施普遍存在老化現象，很容易受到地面沉降的影響； 其次，早在2018年1月15日，CB113附近發生過一次小型塌陷事故(CB113地理位置如圖 8所示)，該小型塌陷現場示意圖如圖 13所示，由于沒有造成嚴重后果而沒得到重視，但塌陷原因被鑒定為供水管道破裂。

圖 13 小型塌陷事故現場圖Fig. 13 Map of minor collapse accident site

從圖 12可以看出，此次塌陷事故所在區域地質環境更為復雜，盾構機頂的淤泥質土屬于軟土的一種，壓縮性高、強度低(秦川等， 2019)，特別是機身中下部砂層的存在，大大增加了出現水管泄漏的情況下發生塌陷事故的風險，也是這里發生大型塌陷事故的重要原因。根據已有資料和InSAR監測結果，我們合理地推測了此次塌陷事故形成的機理：由于供水管道下方的淤泥質土存在不均勻沉降，從而供水管道所受承載力的大小分布也不均勻，承載力越小的地方(沉降越大的地方)，水管越容易發生接口松動或局部開裂。管道損壞后水外滲使地層飽和，弱化了土層的力學性質，同時施工擾動加大飽和土層變形和管線滲漏，水向下滲入到盾尾下方粉細沙層，粉細沙層含水量增加，承載力減小。盾構機上方淤泥質土層應力和下方粉細砂層承載力的變化，導致盾尾發生下沉。盾構機機身振動致使還未完全凝固的管片產生裂縫，盾尾透水涌沙，隨著透水涌砂繼續擴大，下部砂層被掏空，使盾構機和成型管片結構向下位移、變形。隧道結構破壞后，巨量泥沙突然涌入隧道，并在隧道有限空間內引發了迅猛的沖擊氣浪，最終導致隧道和地面坍塌。

5 結 論

(1)本文基于2017-03～2019-01期間的56景Sentinel-1A數據，利用SBAS-InSAR技術獲取了研究區的時空形變信息。結果發現塌陷坑及其附近區域在監測期間存在持續的地面沉降，形變速率達到30mm·a-1以上，而遠離塌陷坑的地鐵沿線地帶大多比較穩定。

(2)通過對塌陷區的實地考察，并結合當地地質資料和事故調查報告，認為塌陷坑及其臨近區域地面沉降主要原因是軟土的固結壓縮，其次地鐵施工擾動也在一定程度上加速了地面沉降。

(3)推測了塌陷形成的機理：供水管道下方的軟土存在不均勻沉降，使水管損壞導致管道內水外滲，進而致使還未達到膠裝凝固點的管片產生裂縫，最終引起隧道和地面坍塌。

(4)在地質環境差的環境中施工，應該對地表沉降提高警惕，對有潛在隱患的區域及時治理，并以高精度手段持續監測其發展。

本文所用的地質資料為廣東省佛山地質局提供，特此致謝!