基于時序InSAR 技術(shù)的基坑變形監(jiān)測及精度分析

劉成洲，張圣山，于健，張國梁，孫文豪，4，劉釗，4

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；3.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津 300222；4.天津市水下隧道建設(shè)及運維技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津 300461；5.湖州中交投資發(fā)展有限公司，北京 100020）

0 引言

基坑地表沉降是在人類開發(fā)和利用地表資源時，引起的地面不均勻下沉情況[1-2]。傳統(tǒng)的基坑沉降監(jiān)測主要采用水準測量、靜力水準測量、GNSS 測量、全站儀測量方法等。其中，水準測量是對不同時期的觀測對象高程進行監(jiān)測，利用多期數(shù)據(jù)獲得區(qū)域沉降速率及累計沉降量，是應(yīng)用最為廣泛的一種監(jiān)測手段；靜力水準測量是通過測取各液位面相對于基準液位面之間的差距，來獲取各測點累計沉降量的方法，以上2 種方法皆用到了水準等位面原理；全站儀測量是通過全站儀內(nèi)部的幾何關(guān)系通過獲取基點與測點之間的邊角關(guān)系，測算各測點高程的方法，此方法監(jiān)測靈活性較高，對邊角監(jiān)測控制要求較高；GNSS 監(jiān)測則是測算測點大地高并通過高程異常改正獲取高程的方式測算測點沉降。傳統(tǒng)地面沉降監(jiān)測時間分辨率及測量精確度較高，但點位在施工過程中連續(xù)性較差，無法監(jiān)測整體變形，同時無法滿足高連續(xù)性、全天候的監(jiān)測需要[3-4]。

InSAR 技術(shù)可以對地表進行全天候觀測，數(shù)據(jù)精度高，覆蓋面廣，已廣泛應(yīng)用于沉降監(jiān)測[5]。傳統(tǒng)的D-InSAR 技術(shù)易受到時間、空間基線過大而引起的失相關(guān)影響、大氣效應(yīng)及DEM 誤差的諸多因素的影響[6]。PS-InSAR 技術(shù)很好地彌補了時空相關(guān)性，但PS-InSAR 對數(shù)據(jù)要求較高，數(shù)據(jù)量較少或連續(xù)性較差會導致識別虛假PS 點，致使得到錯誤的形變結(jié)果，因此至少選取20 景有規(guī)律、連續(xù)時間分辨率不宜太大的SAR 影像[7-8]。SBAS-InSAR 技術(shù)利用時空相關(guān)性組合更多的干涉像對，SAR 數(shù)據(jù)利用率較高，對數(shù)據(jù)時空分辨率要求最低，能夠更有效估算及去除大氣相位，相比于PS-InSAR 有更強的適應(yīng)性。

本文選取21 景哨兵升軌數(shù)據(jù)，利用SBASInSAR 技術(shù)獲取了大連灣海底隧道南岸基坑群周邊變形情況，與其時空相關(guān)的水準數(shù)據(jù)進行對比驗證，檢驗SBAS-InSAR 技術(shù)在小區(qū)域基坑監(jiān)測中效果。

1 興趣區(qū)域及數(shù)據(jù)獲取源

1.1 興趣區(qū)域概況

大連灣海底隧道工程南岸基坑群在大連港3號、4 號碼頭之間港池登陸，再向東沿港隆西路到人民路，南岸隧道基坑分為岸邊段基坑和人民路地道基坑，均采用明挖工藝施工；南岸3 號、4號碼頭之間的港池內(nèi)新建臨時圍堰形成臨時基坑為港池內(nèi)暗埋段結(jié)構(gòu)施工提供干作業(yè)條件。整個基坑圈分區(qū)包括港池基坑（3 號碼頭、4 號碼頭、丙碼頭及南側(cè)圍堰組成的基坑）、A 段基坑、C 段基坑、F1、F2 段基坑及人民路基坑。基坑群空間分布情況見圖1。

圖1 大連灣海底隧道南岸基坑位置圖Fig.1 Location of the south bank foundation pit of Dalian Bay Subsea Tunnel

1.2 數(shù)據(jù)獲取源

本文所用數(shù)據(jù)是來自歐空局哨兵升軌單視復數(shù)影像，數(shù)據(jù)的波長為5.56 cm，入射角為29.1°～46.0°，數(shù)據(jù)回訪周期為12 d，本次采用的數(shù)據(jù)為2020 年8 月29 日—2022 年5 月27 日21 景影像，輔助數(shù)據(jù)有12.5 m 分辨率DEM，SAR 影像精密軌道文件，GACOS 大氣延遲相位模型數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)時間分布情況見表1。

2 技術(shù)原理及處理流程

2.1 SBAS-InSAR 技術(shù)

小基線集干涉雷達技術(shù)于2002 年由Berardino和Lanari 等[9]提出。其利用多幅主影像按照一定的空間和時間基線形成若干干涉對。通過奇異值分解的方法解決各子集秩虧問題[10]。

小基線集采用組合原則，N景SAR 影像共可生成M幅干涉圖。假設(shè)兩幅圖像的獲取時間為tA和tB，生成j干涉圖，通過去地平及地形相位，得到地形相位信息的第j幅干涉圖。M幅干涉圖在像素坐標（x，r）上的差分干涉相位可通過式（1）獲得：

式中：δφj（x，r）為第j幅干涉圖像素坐標（x，r）下的差分干涉相位；φ（tA，x，r）和φ（tB，x，r）分別為tA、tB時刻像素坐標（x，r）下的干涉相位分別為tA、tB時刻像素坐標（x，r）下的形變相位；φtopo_e為地形相位；φnoise為噪聲相位；φatm為大氣延遲相位。

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

本文利用SBAS-InSAR 干涉流程，處理了2020—2022 年0.58 km2大連灣海底隧道南岸基坑群的變形情況，其處理流程見圖2，處理步驟為：

1） 數(shù)據(jù)導入：數(shù)據(jù)需輸出成Sarscape 通用格式才可進行后續(xù)差分處理，因此需將哨兵SAR 數(shù)據(jù)導入軟件中，此過程可提前對數(shù)據(jù)進行裁剪，可縮短數(shù)據(jù)處理時間。此外還需將GACOS 導入軟件，為后續(xù)大氣去噪做準備。

2） 形成連接圖：通過時空相關(guān)性及多普勒質(zhì)心變化綜合估算超級主影像，選取2020 年8 月28 日的SAR 影像超級主影像，共生成40 對干涉影像；

3） 生成差分干涉圖：首先將所有主影像和輔影像進行配準，按連接關(guān)系對每個干涉對進行干涉、去平、濾波、相干性計算相位解纏處理，選取干涉相位較好、解纏效果俱佳的像對，為之后的軌道精煉、重去平及反演做準備。

4） 軌道精煉與重去平：打開解纏相位，在未發(fā)生變形且相干性較好的區(qū)域設(shè)置像控點（GCP），利用多項式方法進行重去平處理，以消除殘余相位。

5） SBAS 反演和地理編碼：通過設(shè)置相關(guān)閾值對重去平數(shù)據(jù)進行2 次反演計算，第1 次反演主要是估算位移速率及多余相位；第2 次反演主要進行大氣相位的改正，經(jīng)過2 次反演可得到更為干凈的形變速率及形變量。將反演結(jié)果進行地理編碼并計算垂直方向形變。

3 變形結(jié)果分析及精度驗證

3.1 變形結(jié)果分析

在表1 的研究時間段內(nèi)，利用SBAS-InSAR獲取了大連灣海底隧道建設(shè)工程南岸基坑群整體沉降速率情況，如圖3 所示。在空間上，南岸基坑群3 號碼頭附近沉降年變化速率高于其他區(qū)域，4 號碼頭和丙碼頭附近變形也較為明顯，各匝道基坑呈現(xiàn)微小沉降變化，基坑周邊存在抬升現(xiàn)象。

圖3 大連灣海底隧道南岸基坑圈沉降變化速率圖Fig.3 Change rate of settlement of foundation pit circle on the south bank of Dalian Bay Subsea Tunnel

按照DD2014-11《地面沉降干涉雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)程》表B.1 地面嚴重程度分級要求，南岸基坑群港池基坑3 號碼頭最大沉降速率達39.21 mm/a，已達到中等沉降嚴重程度。4 號碼頭附近地面沉降嚴重程度較低，其他區(qū)域均為低等沉降嚴重程度區(qū)。

大連灣海底隧道南岸基坑群在時間分辨率上呈現(xiàn)的變化見圖4。南岸港池整個4 號碼頭在整個研究時間內(nèi)呈現(xiàn)先降后升現(xiàn)象，從2020 年8 月29 日—2021 年9 月29 日為下沉周期，此后直至最后一期觀測（2022 年5 月27 日）呈現(xiàn)持續(xù)抬升趨勢。3 號碼頭整體呈現(xiàn)先下沉后收斂趨勢，2020 年8 月29 日—2021 年11 月28 日為下沉周期，此后截至2022 年5 月27 日累計沉降呈現(xiàn)收斂趨勢。丙碼頭在整個研究時間內(nèi)，呈現(xiàn)先下沉后抬升的趨勢，下沉周期為2020 年8 月29 日至2021 年12 月22 日，此后至2022 年5 月27 日下沉收斂且部分區(qū)域出現(xiàn)抬升情況。其他各段匝道基坑整個研究周期內(nèi)變形量較小。

圖4 大連灣海底隧道南岸基坑群累計變化圖Fig.4 Cumulative change of foundation pit group on the south bank of Dalian Bay Subsea Tunnel

3.2 精度驗證

由于SAR 影像由像元組成面陣測量，因此，同名點選取需為平面且平面大小超過14 m×14 m。可用平面內(nèi)部均勻分布測點的累計變化的均值作為同名點對SBAS-InSAR 累計變化值進行驗證。本文選取測區(qū)內(nèi)5 個建筑物頂面SBAS 點及周邊建筑物點均值對每期SBAS 監(jiān)測結(jié)果進行驗證，驗證區(qū)域分布見圖5。

圖5 精度驗證區(qū)域分布圖Fig.5 Accuracy verification area distribution map

1） 驗證區(qū)域4 及驗證區(qū)域5

驗證區(qū)域4、驗證區(qū)域5 位于港池基坑3 號碼頭附近建筑物，3 號碼頭水準監(jiān)測周期為2020年9 月1 日—2021 年12 月22 日，SBAS 點與建筑物點對應(yīng)均值關(guān)系，見表2。其同名點對比分析見圖6。

表2 驗證區(qū)域4 及驗證區(qū)域5 實際測點與SBAS 點對比分析Table 2 Comparative analysis of actual measurement points and SBAS points in verification areas 4 and 5

圖6 驗證區(qū)域4 及驗證區(qū)域5 各同名點對比分析Fig.6 Comparative analysis of the same name points in verification areas 4 and 5

2） 驗證區(qū)域1—驗證區(qū)域3

驗證區(qū)域1—驗證區(qū)域3 為C 段基坑周邊建筑物，此處監(jiān)測點監(jiān)測周期為2021 年11 月2 日—2022 年5 月27 日，SBAS 點與建筑物均值對比關(guān)系見表3，同名點對應(yīng)的對比分析見圖7。

表3 驗證區(qū)域1—驗證區(qū)域3 實際測點與SBAS 點對比分析Table 3 Comparative analysis of actual measurement points and SBAS points in verification area 1 to 3

圖7 驗證區(qū)域1—驗證區(qū)域3 各同名點對比分析圖Fig.7 Comparative analysis of points with the same name in verification area 1 to 3

綜上所述，驗證區(qū)域1—驗證區(qū)域5 在時間軸線上各同名點對比分析，誤差均值均小于《地面沉降干涉雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)程》表B.2 規(guī)定的10 mm 精度要求，說明此方法用于基坑變形監(jiān)測是可行的。

4 結(jié)語

本文通過對南岸基坑群監(jiān)測得到了以下結(jié)論：

1） 在InSAR 監(jiān)測分析，南岸基坑群在空間上沉降變化主要發(fā)生在港池基坑3 號碼頭，最大沉降量達到75.3 mm，最大沉降速率39.21 mm/a；

2） 通過橫向?qū)Ρ瘸两道塾嬜兓瘓D，可知在時間軸線上，各匝道基坑未發(fā)生明顯變形，丙碼頭及4 號碼頭均出現(xiàn)先沉降后反彈的趨勢。3 號碼頭呈現(xiàn)先下沉后趨于穩(wěn)定趨勢。通過與各基坑施工時間節(jié)點進行對比，發(fā)現(xiàn)港池各碼頭沉降趨勢與基坑施工時間節(jié)點并不吻合，說明碼頭沉降除施工影響外，仍有其他誘發(fā)沉降因素。

3） 通過SBAS-InSAR 數(shù)據(jù)與實測水準進行對比分析，2020 年8 月29 日—2021 年12 月22 日，驗證區(qū)域4—驗證區(qū)域5，平均誤差為-4.56 mm；2021 年11 月2 日—2022 年5 月27 日，驗證區(qū)域1—驗證區(qū)域3，平均誤差為-0.91 mm。各區(qū)域內(nèi)平均誤差均滿足《地面沉降干涉雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)程》相關(guān)精度要求，進一步驗證該技術(shù)用于基坑監(jiān)測是可行的。