宿寶忠

(濟(jì)青高速鐵路有限公司,濟(jì)南 250014)

1 概述

區(qū)域地面沉降是一種由自然或人類活動(地下水開采、礦產(chǎn)開采等)引發(fā)地下松散巖層厚度變化的地質(zhì)現(xiàn)象,屬于地質(zhì)災(zāi)害。 而對于高鐵工程而言,地面區(qū)域沉降和工程結(jié)構(gòu)形變之間存在一定的耦合機(jī)理,地面沉降監(jiān)測和分析對于勘察設(shè)計(jì)選線和鐵路安全運(yùn)營很有必要[1]。

相較于傳統(tǒng)沉降監(jiān)測手段,TS-InSAR 具有較高的時(shí)空分辨率,可得到直觀的沉降區(qū)域邊界和可靠的歷史沉降時(shí)間序列[2-4]。 截止目前,TS-InSAR 方法已經(jīng)在高鐵沿線區(qū)域沉降監(jiān)測中得到應(yīng)用,李廣宇等分析Sentinel-1A SAR 數(shù)據(jù)和IPTA 時(shí)序解算方法在大區(qū)域沉降監(jiān)測的流程和可行性,并獲取京津地區(qū)的鐵路沿線區(qū)域沉降[5-6];楊斌等基于TS-InSAR 數(shù)據(jù)處理,對高速鐵路沿線區(qū)域的地表沉降時(shí)序演化態(tài)勢進(jìn)行監(jiān)測和分析[7]。

以鄭濟(jì)高鐵山東段工程需求為導(dǎo)向,選取2017 年1 月至2020 年12 月期間的83 景Sentinel-1A/B,使用TS-InSAR 獲取2017 年至2019 年、2019 年至2020 年的年際沉降監(jiān)測結(jié)果,通過對比分析年際間的時(shí)空監(jiān)測結(jié)果,獲得鄭濟(jì)高鐵山東段沿線的區(qū)域沉降變化情況,提取鐵路沿線需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域,并結(jié)合時(shí)間維沉降序列,分析沉降原因,以期為勘察設(shè)計(jì)選線、鐵路建設(shè)管理和養(yǎng)護(hù)維修提供詳細(xì)的沉降時(shí)空分布和演化信息。

2 TS-InSAR 方法

TS-InSAR 技術(shù)的基本原理是基于SAR 衛(wèi)星不同時(shí)刻拍攝的同一地區(qū)的影像,利用時(shí)間維高相干性SAR 影像像元進(jìn)行差分干涉數(shù)據(jù)處理,再基于周期圖法、解纏或者其他最優(yōu)函數(shù)建模,獲取SAR 影像覆蓋區(qū)域的時(shí)空維形變監(jiān)測結(jié)果[8]。 高相干像元的相位信息一般由人工構(gòu)筑物、人工角反射器、高鐵橋梁、裸露巖石等為主導(dǎo)的強(qiáng)散射體組成[9],在較長的SAR 影像時(shí)間序列中仍能保持較為穩(wěn)定的散射特性,且后向散射系數(shù)主導(dǎo)整個(gè)像素單元,故能使像元表現(xiàn)為高相干性[10]。

假設(shè)有N幅單視復(fù)數(shù)SAR 影像,形成Mi(m=1,2,…,N)個(gè)差分干涉相位圖,通過一定的統(tǒng)計(jì)分析原則,獲取了空間分布的散射體,假設(shè)P0為參考像元,可以將待解算像元P與參考像元P0之間的時(shí)序差分相位模型設(shè)定為

3 TS-InSAR 數(shù)據(jù)處理流程

TS-InSAR 技術(shù)處理流程見圖1。

圖1 TS-InSAR 技術(shù)處理流程

(1)SAR 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于傳感器在每次成像時(shí)的姿態(tài)位置都會存在輕微變化,也就造成每次成像時(shí)的像元位置坐標(biāo)不一致。因此,需利用SAR 影像的幅度或相位信息進(jìn)行配準(zhǔn),作為后續(xù)干涉的預(yù)處理。

(2)差分干涉數(shù)據(jù)處理

根據(jù)配準(zhǔn)后SAR 影像的時(shí)空基線分布情況,選擇時(shí)空基線較為居中的一景SAR 影像作為主影像,其余作為從影像,主從影像需進(jìn)行干涉處理,得到干涉相位集。 借助外部DEM,通過差分干涉去除地形相位,從而獲得時(shí)序分析所需要的差分干涉相位集。

(3)高相干候選像元選擇

TS-InSAR 干涉相位模型基于高相干性SAR 影像像元進(jìn)行建模。 為準(zhǔn)確選取這些高相干像元,可以根據(jù)振幅離差指數(shù)和相干性進(jìn)行選擇。

(4)相干目標(biāo)構(gòu)網(wǎng)解算和解纏

對高相干像元用Delaunay 不規(guī)則三角形進(jìn)行構(gòu)網(wǎng),則相鄰點(diǎn)的差分相位模型見式(1),假設(shè)相鄰兩點(diǎn)的殘余相位在±π 以內(nèi),根據(jù)式(2)、式(3),求解模型最大值時(shí)的線性形變速率Δv和地形殘差Δh估計(jì)值。然后,根據(jù)最小二乘平差方法獲取每個(gè)像元的線性形變速率和地形殘差值[12]。

(5)大氣相位的估計(jì)和分離

殘余相位包含非線性形變相位、大氣相位和噪聲等。 為分離大氣相位,可以利用殘余相位在時(shí)空域表現(xiàn)的不同特征,采用時(shí)空濾波組合的方法,分離大氣相位和非線性形變相位,并濾除噪聲相位[13-14]。

(6)相干像元時(shí)序分析

對去除大氣延遲相位的每個(gè)相干目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)序分析,即用式(1)重新計(jì)算時(shí)序影像上每個(gè)像元的整體相干性,從而選擇最終的高相干像元。

(7)高相干像元形變速率估計(jì)

最后,利用上述方法重新進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)解算和解纏,估計(jì)更精確的形變量和形變速率。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域概況

新建鄭州至濟(jì)南高速鐵路是國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)中重要的連接線,山東段位于濟(jì)南市、德州市和聊城市境內(nèi),線路東接濟(jì)南樞紐濟(jì)南西站和濟(jì)南站,與京滬高鐵、濟(jì)青高鐵、石濟(jì)高鐵、膠濟(jì)高鐵等干線相連,經(jīng)過聊城地區(qū)與規(guī)劃京港臺高鐵相連,西至魯豫省界與河南段相接。 設(shè)計(jì)速度為350 km/h,山東段線路正線長168.583 km,其中橋梁長度158.6 km,占線路總長的93.93%。 全線共設(shè)置濟(jì)南西、長清、茌平、聊城、莘縣5 個(gè)車站,玉符河、大廟屯、安莊3 個(gè)線路所(見圖2)。

圖2 研究區(qū)域示意

參考鄭濟(jì)高鐵山東段沿線地面沉降資料,主要沉降區(qū)位于聊城市茌平縣境內(nèi),因此,本次研究區(qū)域以聊城市茌平縣為中心,監(jiān)測里程范圍為DK20+000～DK174+000,覆蓋濟(jì)南市、齊河縣、茌平縣、聊城市、莘縣等區(qū)域。

4.2 數(shù)據(jù)分析

本次監(jiān)測采用歐空局Sentinel-1A/B SAR 影像作為監(jiān)測數(shù)據(jù)源,C 波段,波長5.6 cm,監(jiān)測時(shí)間為2017 年1 月至2020 年12 月,共83 景,數(shù)據(jù)拍攝日期見表1,本次實(shí)驗(yàn)選擇的外部DEM 數(shù)據(jù)為30 m SRTM。

表1 Sentinel-1A/BSAR 影像拍攝日期

4.3 數(shù)據(jù)處理與分析

為得到年際間沉降速率的變化,將獲取的SAR 影像數(shù)據(jù)分2 次進(jìn)行處理,分別是2017 年1 月至2019 年7 月、2019 年6 月至2020 年12 月,采用TSInSAR 數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行時(shí)序解算,獲得的地面沉降監(jiān)測結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 2017 年1 月至2019 年7 月間鄭濟(jì)高鐵地面沉降監(jiān)測結(jié)果

圖4 2019 年6 月至2020 年12 月間鄭濟(jì)高鐵地面沉降監(jiān)測結(jié)果

由圖3、圖4 可知,2019 年6 月至2020 年12 月相比2017 年1 月至2019 年7 月,區(qū)域內(nèi)沉降速率時(shí)空分布發(fā)生較為明顯變化,尤其是茌平縣、東阿縣、齊河縣附近的區(qū)域沉降;茌平縣區(qū)域沉降空間分布范圍基本未變,東阿縣附近的最大區(qū)域沉降速率由115 mm/a變?yōu)?1 mm/a,空間范圍縮小,齊河縣的小區(qū)域沉降漏斗正在消失。 為定量分析鐵路沿線沉降在時(shí)空分布上的年際變化,從空間和時(shí)間維度上分別分析鐵路沿線沉降分布具體如下。

(1) 沉降空間分布分析

為準(zhǔn)確分析沉降區(qū)域的空間變化,繪制沉降速率等值線(見圖5、圖6),等值線間隔為10 mm/a。

圖5 2017 年1 月至2019 年7 月間鄭濟(jì)高鐵地面沉降等值線

由圖5、圖6 可知,相較于2017 年1 月至2019 年7 月, 2019 年6 月至2020 年12 月期間茌平縣附近區(qū)域的最大沉降速率基本維持在56 mm/a,但不均勻沉降在空間上的邊界范圍發(fā)生一些變化。 東阿縣附近區(qū)域沉降速率發(fā)生極大減緩,由早期最大年沉降速率115 mm/a 減緩到47 mm/a,且在空間上的分布呈現(xiàn)縮小趨勢;而齊河縣附近區(qū)域的沉降速率發(fā)生加劇現(xiàn)象,最大年沉降速率基本未變,維持在70 mm/a 左右,但在空間上的變化較為明顯,沉降漏斗的空間分布更加擴(kuò)散,離鐵路線的距離越來越近,沉降區(qū)域邊界離鐵路線位的最近距離為5.4 km,需要在后期的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)階段重點(diǎn)關(guān)注。

圖6 2019 年6 月至2020 年12 月間鄭濟(jì)高鐵地面沉降等值線

為進(jìn)一步明確不均勻沉降在鐵路線位附近區(qū)域的影響,提取鐵路沿線的沉降速率縱斷面成果,見圖7～圖9。

圖7 2017 年1 月至2019 年7 月間鄭濟(jì)高鐵地面沉降速率縱斷面結(jié)果

圖8 2019 年6 月至2020 年12 月間鄭濟(jì)高鐵地面沉降速率縱斷面結(jié)果

由圖7～圖9 可知,鐵路沿線區(qū)域沉降速率加劇的區(qū)域集中在DK20+500 至DK26+700、DK67+900 至DK70+000、DK81+200 至DK104+600、DK115+100 至DK121+400、DK134+800 至DK151+300、DK163+600 至DK171+200 等里程段落,變化的最大沉降速率為13.52 mm/a,一般在5 mm/a 左右,相對而言,年際間鐵路沿線沉降速率變化較小且穩(wěn)定。

圖9 鄭濟(jì)高鐵地面沉降速率年際縱斷面差值結(jié)果

(2)沉降時(shí)間分布分析

根據(jù)2017 年1 月至2019 年7 月間鄭濟(jì)高鐵地面沉降監(jiān)測結(jié)果,選取鐵路沿線重點(diǎn)沉降區(qū)(見圖10),并在區(qū)域內(nèi)選取典型沉降點(diǎn)A1、B1、C1、D1 進(jìn)行沉降區(qū)時(shí)間維度分析。

圖10 2017 年1 月至2019 年7 月間鄭濟(jì)高鐵地面沉降重點(diǎn)區(qū)域

根據(jù)沉降空間分布,選取沉降區(qū)內(nèi)典型的高相干性像元進(jìn)行時(shí)序分析,分析結(jié)果見圖11。

圖11 2017 年1 月至2019 年 7 月間典型沉降點(diǎn)時(shí)間序列

由圖11 可知,該區(qū)域存在少量非線性地面沉降,沉降速率均存在一定的加劇或者減緩趨勢,其中,位于東阿縣的D1 點(diǎn),在整個(gè)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)沉降速率最大,為115 mm/a,但在2019 年6 月份開始出現(xiàn)輕微程度的抬升,使得沉降減緩。

根據(jù)2019 年6 月至2020 年12 月間鄭濟(jì)高鐵地面沉降監(jiān)測結(jié)果,選取鐵路沿線重點(diǎn)沉降區(qū),見圖12,并在區(qū)域內(nèi)選取了典型沉降點(diǎn)B2、D2、E2、F2 進(jìn)行時(shí)間維度上的沉降分析。

圖12 2019 年6 月至2020 年12 月間鄭濟(jì)高鐵地面沉降重點(diǎn)區(qū)域

由圖13 可知,該區(qū)域存在非線性地面沉降,以2019 年6 月份開始均存在不同程度的減緩,其中,和2017 年1 月至2019 年6 月位于茌平縣的B1 點(diǎn)對應(yīng)的B2 點(diǎn)在2019 年9 開始,沉降速率基本保持穩(wěn)定;和2017 年1 月至2019 年6 月位于東阿縣D1 點(diǎn)對應(yīng)的D2 沉降點(diǎn),在2019 年6 月開始沉降速率減緩,并且一直保持在較低水平;位于茌平縣附近E2 點(diǎn)和位于齊河縣附近F2 點(diǎn)存在季節(jié)性形變,在每年的3 月份至7 月份存在沉降加速,而其他季節(jié)沉降速率較緩,這和干旱季節(jié)農(nóng)作物灌溉、地下水需求增加有一定關(guān)系。含水層和周圍相對隔水層共同失水壓密、層厚降低而導(dǎo)致影響區(qū)域的地面沉降。 在鄭濟(jì)高鐵開通前,應(yīng)聯(lián)合地方政府對區(qū)域沉降影響地區(qū)的鐵路兩側(cè)200 m 范圍內(nèi)的水井進(jìn)行調(diào)查并封閉,以避免區(qū)域沉降對鐵路無砟軌道線型造成影響。

圖13 2019.06 至2020.12 間典型沉降點(diǎn)時(shí)間序列

(3)小結(jié)

綜上分析,鄭濟(jì)高鐵沿線地面沉降監(jiān)測成果直觀展示了鐵路沿線沉降的時(shí)空分布,重點(diǎn)沉降區(qū)主要分布在茌平縣、東阿縣、齊河縣附近區(qū)域。 結(jié)合年際間的空間分布對比分析,東阿縣的不均勻沉降空間分布有所減小,齊河縣的不均勻沉降空間分布有所增大,茌平縣的不均勻沉降空間分布邊界范圍有變化,但整體空間分布范圍基本無變化;在鄭濟(jì)高鐵沿線的附近區(qū)域,DK20+500 至DK26+700、DK67+900 至DK70+000、DK81+200 至DK104+600、DK115+100 至DK121+400、DK134 + 800 至DK151 + 300、DK163 + 600 至DK171+200 等里程段落發(fā)生年際間的變化,變化的最大沉降速率為13.52 mm/a,大多在5 mm/a 左右。 結(jié)合年際間的沉降速率對比分析可知,鄭濟(jì)高鐵沿線沉降存在一定程度的非線性(包含季節(jié)性沉降),2019 年6 月開始,東阿縣分布的D1 和D2 點(diǎn)沉降速率減緩,并逐漸趨向平穩(wěn);茌平縣和齊河縣的季節(jié)性形變較為明顯,在每年3 月份至7 月份有明顯的沉降加速趨勢,其余季節(jié)沉降較為平緩。 相對于勘察設(shè)計(jì)期間的區(qū)域沉降情況,運(yùn)營期間鐵路沿線沉降得到一定程度的治理。

5 結(jié)語

根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,鐵路沿線年際間的時(shí)空分布動態(tài)分析對于鐵路勘察設(shè)計(jì)、建設(shè)管理和運(yùn)營維護(hù)十分必要。 為進(jìn)行區(qū)域沉降時(shí)空分布動態(tài)分析,本次實(shí)驗(yàn)提取年際間的沉降速率等值線、沿線沉降速率縱斷面等空間分布成果和沉降時(shí)間序列等時(shí)間分布成果,通過分析年際間沉降時(shí)空分布,成功獲取鐵路沿線區(qū)域沉降空間和時(shí)間維度變化,獲取鐵路沿線需要關(guān)注的重點(diǎn)里程,并結(jié)合時(shí)間維度沉降變化趨勢,分析沉降的原因,為后續(xù)運(yùn)營期間沿線區(qū)域沉降治理提供可靠數(shù)據(jù)支撐。