高等级公路沉降监测及影响性评价*

刘 波，范雪婷，陆藩藩，晏王波

(1.江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013;2.江苏省测绘研究所，江苏 南京 210013)

1 引言

高等级公路因设计时速较高，对地面沉降的容许程度相对严格，特别是对不均匀沉降要求较高［1］。徐州矿产丰富，长期的地下开采导致矿区出现大面积的沉陷漏斗，当高等级公路不可避免通过采空塌陷区时，不仅会改变公路的原始设计坡度，甚至会导致道路裂缝、路基破坏等，对公路的正常运营造成影响。因此对高等级公路沿线进行地面沉降监测并对沉降危险性进行评价有重要意义。合成孔径雷达差分干涉测量(Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar，D－InSAR)技术具有分辨率高、监测周期短的特点，能够全天候、全天时地获取高精度地面微小形变信息［2］。特别是在DInSAR 基础上发展起来的小基线集(Small Baseline Subset，SBAS)方法能够获取时序、高精度、面状的地面形变［3］，对定期获取公路沿线区域高精度沉降优势较大［4］。文中以G310 国道徐州部分段为例，采用SBAS 技术监测公路的变形信息，针对沉降对公路的影响性进行了分析评估。

2 研究线路及数据

江苏省G310 国道(连云港－天水公路，简称连天线)，道路等级为一、二等，属高等级公路。该公路始于江苏省连云港市，止于甘肃省天水市，途经江苏省内的连云港市和徐州市。G310 国道(徐州段)起点为邳州市，终点为铜山区，长度130 km，设计时速是60 km/h～80km/h。为研究G310 国道的地面沉降情况，对G310 国道徐州贾汪区至铜山区路段进行地面沉降监测，总里程约为79 km。此处规定下文提到的G310 国道皆指研究区的G310 国道(徐州部分段)。

本文采用日本ALOS 卫星提供的L 波段PALSAR 数据作为雷达干涉处理的数据源。使用2007年2月至2010年12月的16 景中心经度为117.4°、中心纬度为34.2°(Path:448，Frame:670)的SAR影像，其中精细波束双极化模式(Fine Beam Dual polarization，FBD)数据9 景;精细波束单极化模式(Fine Beam Single polarization，FBS)数据7 景。影像主要覆盖区为徐州主城区。

3 数据处理及结果分析

3.1 数据处理

利用SARscape5.0 软件基于SBAS 方法进行G310 国道沿线区域地面沉降信息反演(图1)，处理的主要步骤详述如下。

(1)生成基线连接图。设置时间基线阈值为600 d、空间基线阈值为1450 m 组合16 景SAR 影像，共生成68 幅基线对。

(2)差分干涉处理。该过程主要包括影像配准、干涉图生成、去除平地相位、滤波和相位解缠几个步骤。根据时空最优的原则选取2009年6月26日的影像为参考影像，将其他各影像配准到该影像生成干涉图，利用SRTM DEM 数据模拟地形相位，从干涉相位中减去地形相位，生成差分干涉图。

(3)差分相位建模及形变参数反演。建立差分相位函数模型，基于奇异值分解法(Singular Value Decomposition，SVD)求解得到线性形变信息和DEM 误差［3］，［5］。

(4)分离非线性形变获取完整形变值。对残差相位进行时间域高通滤波和空间域低通滤波，滤波窗口分别为365 d 和1200 m，分离出大气相位和非线性形变相位，然后将线性形变和非线性形变进行累加获取完整形变值。

(6)地理编码。将形变结果从斜距投影转换为地理坐标投影(制图参考系)。

图1 SBAS 方法处理流程图

3.2 结果综合分析

通过以上处理获取影像覆盖区域的沉降信息。为分析G310 国道沿线区域的沉降状况，提取了该公路沿线两侧各3 km 范围内的地面沉降速率场，如图2 所示。从图中可以看出，在2007年2月—2010年12月监测周期内，研究线路主要存在两处沉降中心，分别位于铜山区的大彭镇段和贾汪区潘安湖街道—大吴街道段，研究范围内的最大下沉速率达179 mm/a。

图2 G310 国道平均沉降速率

基于反演得到的沉降速率场，对G310 国道沿线做沉降剖面分析，绘制了G310 国道沿线沉降速率剖面线，如图3 所示。从剖面图上看到，铜山沉降区是由两个小的沉降漏斗连接而成;贾汪沉降区沉降状况更加复杂，具有3 个沉降漏斗中心，可见G310 国道沉降在空间分布上具有不均匀的特性。

图3 G310 国道沉降速率剖面图

通过定量统计分析G310 国道沿线的沉降(表1)状况得出:铜山段沉降区的最大沉降速率为53.7 mm/a，贾汪段沉降区的最大沉降速率达到61.9 mm/a;研究线路受地面沉降影响的总里程10.7 km，约占总研究线路长度的13.6%，可见该线路受地表下沉影响比较严重。资料调查发现，G310 国道贾汪段沉降区位于潘安采空区内，道路北部的采煤塌陷区已于2012年进行生态修复开发建设成潘安湖湿地公园。

表1 G310 国道2007年—2011年形变信息统计表

为分析沉降漏斗的时间演变趋势，在两个漏斗中心范围内各选取一个样本点。样本点P1、P2 的分布如图2 所示，分别位于线路上的DK2 +450 和DK47 +155 处，对应剖面图上漏斗的大致位置标示在图3 中，图4 为两个特征点的沉降时间序列图。从铜山区漏斗P1 点处沉降序列图可以看出，该漏斗在2008年5月之前快速下沉，在2008年5月之后沉降明显变缓，至2009年7月累积沉降量超过100 mm，且沉降趋于停止;分析贾汪沉降区特征点P2 处沉降序列可知，在研究时段内该漏斗一直在持续下沉，累积沉降量超过200 mm。二者对比表明，G310 国道沿线沉降在时间分布上也具有不均匀性。

4 沉降影响性评价

图4 特征点的时序沉降图

轻微的沉降对高等级公路危害较小，但严重持续的沉降常引起路基下沉、长期浸水，甚至会造成路面翻浆。特别是不均匀沉降引起的倾斜变形会使道路多呈现波浪式起伏状态。如果公路坡度和坡长增大，车辆上行的下滑力变大，易引起路面横向裂缝，破坏道路结构，降低稳定性;下行时频繁刹车会导致路面破坏加剧［6］。合理的沉降影响性评价不仅能及时了解各区段道路影响状况，而且能对不同破坏程度的道路防治措施及维修费用提供依据，保证道路的持续正常运营。

表2 G310 国道不同沉降等级里程统计表

为了综合评价分析G310 国道受地表沉降灾害的影响，依据《采空区公路设计与施工技术细则》(以下简称《细则》)［7］中地面沉降稳定性评价标准和高等级公路的沉降容限，利用监测得到的沉降速率场，对道路沿线各区段进行沉降影响分级，共分为轻微、一般、较严重、严重和非常严重5 个等级，并对不同沉降等级的影响路段进行统计(表2)。根据沉降差异计算得到监测期间内路面的最大沉降倾斜为2.18 mm/m，小于《细则》中高等级公路路面倾斜容许值4.0 mm/m 分析，研究区无沉降影响“非常严重”路段。但是考虑到影响“较严重”以上路段长度达到3.77 km，且贾汪沉降路段周边塌陷较为严重，属“危险”路段。为了保障G310 国道的正常使用，有必要对沉降、变形较大区域开展持续精细监测，及时采取合理有效的措施来消除安全隐患。

5 结论

(1)采用SBAS 技术快速反演得到了合理的G310 国道沿线区域沉降信息，说明SBAS 技术在大型线性工程沿线高效沉降监测方面具有较好的应用前景。

(2)以沉降速率为主要变化指标，根据道路稳定性影响程度对G310 国道研究区段进行影响评估分级，为各区段治理措施及维修费用提供依据。由于使用的SAR 影像的现势性和时空分辨率较差，建议搜集2011年后的高分辨率TerraSAR 影像加强对“危险”路段进行更精细的沉降监测。

［1］葛大庆.区域性地面沉降InSAR 监测关键技术研究［D］.北京:中国地质大学()，2013.

［2］赵远方，汤高飞，鲁大尉.基于PS－InSAR 的京津城际铁路地面沉降监测研究［J］.测绘与空间地理信息，2013，36(12):229－232.

［3］师红云，刘广，杨松林.基于时序InSAR 技术的京津高铁区域沉降稳定性评估［J］.北京交通大学学报，2014，38(6):78－81.

［4］Berardino P，Fornaro G，Lanari R，et al.A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms［J］.Geoscience and Remote Sensing，IEEE Transactions on，2002，40(11):2375－2383.

［5］杨国创，胡争.刘全海.普宁市地面沉降的SBAS 技术监测应用研究［J］.现代测绘，2014，37(2):9－12.

［6］元亚菲，邓喀中，刘辉，陈炳乾.高等级公路采动破坏特征及治理措施［J］.煤矿安全，2014，45 (6):218－221.

［7］中华人民共和国交通运输部.GB/T 7714—2011JTG/TD 31 采空区公路设计与施工技术细则［S］.北京:人民交通出版社，2011.