劉成洲，張圣山，于健，張國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；4.天津市水下隧道建設(shè)及運(yùn)維技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(cè)主要采用水準(zhǔn)測(cè)量、靜力水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS 測(cè)量、全站儀測(cè)量方法等。其中，水準(zhǔn)測(cè)量是對(duì)不同時(shí)期的觀測(cè)對(duì)象高程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用多期數(shù)據(jù)獲得區(qū)域沉降速率及累計(jì)沉降量，是應(yīng)用最為廣泛的一種監(jiān)測(cè)手段；靜力水準(zhǔn)測(cè)量是通過(guò)測(cè)取各液位面相對(duì)于基準(zhǔn)液位面之間的差距，來(lái)獲取各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量的方法，以上2 種方法皆用到了水準(zhǔn)等位面原理；全站儀測(cè)量是通過(guò)全站儀內(nèi)部的幾何關(guān)系通過(guò)獲取基點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)之間的邊角關(guān)系，測(cè)算各測(cè)點(diǎn)高程的方法，此方法監(jiān)測(cè)靈活性較高，對(duì)邊角監(jiān)測(cè)控制要求較高；GNSS 監(jiān)測(cè)則是測(cè)算測(cè)點(diǎn)大地高并通過(guò)高程異常改正獲取高程的方式測(cè)算測(cè)點(diǎn)沉降。傳統(tǒng)地面沉降監(jiān)測(cè)時(shí)間分辨率及測(cè)量精確度較高，但點(diǎn)位在施工過(guò)程中連續(xù)性較差，無(wú)法監(jiān)測(cè)整體變形，同時(shí)無(wú)法滿足高連續(xù)性、全天候的監(jiān)測(cè)需要[3-4]。

InSAR 技術(shù)可以對(duì)地表進(jìn)行全天候觀測(cè)，數(shù)據(jù)精度高，覆蓋面廣，已廣泛應(yīng)用于沉降監(jiān)測(cè)[5]。傳統(tǒng)的D-InSAR 技術(shù)易受到時(shí)間、空間基線過(guò)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(bǔ)了時(shí)空相關(guān)性，但PS-InSAR 對(duì)數(shù)據(jù)要求較高，數(shù)據(jù)量較少或連續(xù)性較差會(huì)導(dǎo)致識(shí)別虛假PS 點(diǎn)，致使得到錯(cuò)誤的形變結(jié)果，因此至少選取20 景有規(guī)律、連續(xù)時(shí)間分辨率不宜太大的SAR 影像[7-8]。SBAS-InSAR 技術(shù)利用時(shí)空相關(guān)性組合更多的干涉像對(duì)，SAR 數(shù)據(jù)利用率較高，對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)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(qiáng)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(shí)空相關(guān)的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，檢驗(yàn)SBAS-InSAR 技術(shù)在小區(qū)域基坑監(jiān)測(cè)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(hào)、4 號(hào)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(hào)、4號(hào)碼頭之間的港池內(nèi)新建臨時(shí)圍堰形成臨時(shí)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(gè)基坑圈分區(qū)包括港池基坑（3 號(hào)碼頭、4 號(hào)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?；尤嚎臻g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(lái)自歐空局哨兵升軌單視復(fù)數(shù)影像，數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)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(cè)數(shù)據(jù)時(shí)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(dá)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(shí)間基線形成若干干涉對(duì)。通過(guò)奇異值分解的方法解決各子集秩虧問(wèn)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(shí)間為tA和tB，生成j干涉圖，通過(guò)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(biāo)（x，r）上的差分干涉相位可通過(guò)式（1）獲得：

式中：δφj（x，r）為第j幅干涉圖像素坐標(biāo)（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(shí)刻像素坐標(biāo)（x，r）下的干涉相位分別為tA、tB時(shí)刻像素坐標(biāo)（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(dǎo)入：數(shù)據(jù)需輸出成Sarscape 通用格式才可進(jìn)行后續(xù)差分處理，因此需將哨兵SAR 數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，此過(guò)程可提前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，可縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間。此外還需將GACOS 導(dǎo)入軟件，為后續(xù)大氣去噪做準(zhǔn)備。

2） 形成連接圖：通過(guò)時(shí)空相關(guān)性及多普勒質(zhì)心變化綜合估算超級(jí)主影像，選取2020 年8 月28 日的SAR 影像超級(jí)主影像，共生成40 對(duì)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(jìn)行配準(zhǔn)，按連接關(guān)系對(duì)每個(gè)干涉對(duì)進(jìn)行干涉、去平、濾波、相干性計(jì)算相位解纏處理，選取干涉相位較好、解纏效果俱佳的像對(duì)，為之后的軌道精煉、重去平及反演做準(zhǔn)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(diǎn)（GCP），利用多項(xiàng)式方法進(jìn)行重去平處理，以消除殘余相位。

5） SBAS 反演和地理編碼：通過(guò)設(shè)置相關(guān)閾值對(duì)重去平數(shù)據(jù)進(jìn)行2 次反演計(jì)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(jìn)行大氣相位的改正，經(jīng)過(guò)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(jìn)行地理編碼并計(jì)算垂直方向形變。

3 變形結(jié)果分析及精度驗(yàn)證

3.1 變形結(jié)果分析

在表1 的研究時(shí)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(hào)碼頭附近沉降年變化速率高于其他區(qū)域，4 號(hào)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(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)程》表B.1 地面嚴(yán)重程度分級(jí)要求，南岸基坑群港池基坑3 號(hào)碼頭最大沉降速率達(dá)39.21 mm/a，已達(dá)到中等沉降嚴(yán)重程度。4 號(hào)碼頭附近地面沉降嚴(yán)重程度較低，其他區(qū)域均為低等沉降嚴(yán)重程度區(qū)。

大連灣海底隧道南岸基坑群在時(shí)間分辨率上呈現(xiàn)的變化見圖4。南岸港池整個(gè)4 號(hào)碼頭在整個(gè)研究時(shí)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(cè)（2022 年5 月27 日）呈現(xiàn)持續(xù)抬升趨勢(shì)。3 號(hào)碼頭整體呈現(xiàn)先下沉后收斂趨勢(shì)，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(jì)沉降呈現(xiàn)收斂趨勢(shì)。丙碼頭在整個(gè)研究時(shí)間內(nèi)，呈現(xiàn)先下沉后抬升的趨勢(shì)，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(gè)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(jì)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(yàn)證

由于SAR 影像由像元組成面陣測(cè)量，因此，同名點(diǎn)選取需為平面且平面大小超過(guò)14 m×14 m。可用平面內(nèi)部均勻分布測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變化的均值作為同名點(diǎn)對(duì)SBAS-InSAR 累計(jì)變化值進(jìn)行驗(yàn)證。本文選取測(cè)區(qū)內(nèi)5 個(gè)建筑物頂面SBAS 點(diǎn)及周邊建筑物點(diǎn)均值對(duì)每期SBAS 監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證區(qū)域分布見圖5。

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

1） 驗(yàn)證區(qū)域4 及驗(yàn)證區(qū)域5

驗(yàn)證區(qū)域4、驗(yàn)證區(qū)域5 位于港池基坑3 號(hào)碼頭附近建筑物，3 號(hào)碼頭水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)周期為2020年9 月1 日—2021 年12 月22 日，SBAS 點(diǎn)與建筑物點(diǎn)對(duì)應(yīng)均值關(guān)系，見表2。其同名點(diǎn)對(duì)比分析見圖6。

表2 驗(yàn)證區(qū)域4 及驗(yàn)證區(qū)域5 實(shí)際測(cè)點(diǎn)與SBAS 點(diǎn)對(duì)比分析Table 2 Comparative analysis of actual measurement points and SBAS points in verification areas 4 and 5

圖6 驗(yàn)證區(qū)域4 及驗(yàn)證區(qū)域5 各同名點(diǎn)對(duì)比分析Fig.6 Comparative analysis of the same name points in verification areas 4 and 5

2） 驗(yàn)證區(qū)域1—驗(yàn)證區(qū)域3

驗(yàn)證區(qū)域1—驗(yàn)證區(qū)域3 為C 段基坑周邊建筑物，此處監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)周期為2021 年11 月2 日—2022 年5 月27 日，SBAS 點(diǎn)與建筑物均值對(duì)比關(guān)系見表3，同名點(diǎn)對(duì)應(yīng)的對(duì)比分析見圖7。

表3 驗(yàn)證區(qū)域1—驗(yàn)證區(qū)域3 實(shí)際測(cè)點(diǎn)與SBAS 點(diǎn)對(duì)比分析Table 3 Comparative analysis of actual measurement points and SBAS points in verification area 1 to 3

圖7 驗(yàn)證區(qū)域1—驗(yàn)證區(qū)域3 各同名點(diǎn)對(duì)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(yàn)證區(qū)域1—驗(yàn)證區(qū)域5 在時(shí)間軸線上各同名點(diǎn)對(duì)比分析，誤差均值均小于《地面沉降干涉雷達(dá)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(shuō)明此方法用于基坑變形監(jiān)測(cè)是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)南岸基坑群監(jiān)測(cè)得到了以下結(jié)論：

1） 在InSAR 監(jiān)測(cè)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(hào)碼頭，最大沉降量達(dá)到75.3 mm，最大沉降速率39.21 mm/a；

2） 通過(guò)橫向?qū)Ρ瘸两道塾?jì)變化圖，可知在時(shí)間軸線上，各匝道基坑未發(fā)生明顯變形，丙碼頭及4 號(hào)碼頭均出現(xiàn)先沉降后反彈的趨勢(shì)。3 號(hào)碼頭呈現(xiàn)先下沉后趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。通過(guò)與各基坑施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)港池各碼頭沉降趨勢(shì)與基坑施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)并不吻合，說(shuō)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(guò)SBAS-InSAR 數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)水準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，2020 年8 月29 日—2021 年12 月22 日，驗(yàn)證區(qū)域4—驗(yàn)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(yàn)證區(qū)域1—驗(yàn)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(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)程》相關(guān)精度要求，進(jìn)一步驗(yàn)證該技術(shù)用于基坑監(jiān)測(cè)是可行的。