佛山地铁塌陷InSAR时序监测及机理分析*

2021-09-19赵超英韩炳权

工程地质学报 2021年4期

张严朱武② 赵超英② 韩炳权

(①长安大学，地质工程与测绘学院，西安 710054，中国) (②地理信息工程国家重点实验室，西安 710054，中国)

0 引言

地面塌陷是指在人为因素或者自然因素的作用下，地表岩、土体向下陷落，并形成塌陷坑或塌陷洞的地质现象(王明伟等， 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岩溶现象或人类挖掘造成的(Buttrick et al.， 2011)，当然也存在一些诱发因素，如加载、地震、人为振动等(Nisio et al.， 2007； Parise， 2012)。地面塌陷是突发性的地质灾害(Gutiérrez et al.， 2008)，特别是在城市地区，可能造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。因此，城市地面塌陷的监测和早期预警构成了重要的研究课题。

图 1 研究区及Sentinel-1A数据覆盖范围示意图Fig. 1 Schematic diagram of the research area and Sentinel-1A data coverage area

在塌陷形成之前，经常会出现地表下沉、裂缝等异常现象，可以利用这一特征来对潜在地面塌陷进行早期预警(Chang et al.， 2014)。传统基于离散点的地表形变监测方法，不仅需要耗费大量的人力、物力，而且当监测大范围区域时效率较低(陈永奇， 1988； Galloway et al.， 1999)。而近年来发展起来的合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR)技术，由于其具有空间分辨率高、覆盖范围大、全天时、全天候等优点(Bamler et al.， 1998；兰恒星等， 2019)，被广泛用于监测地面塌陷前的信号特征(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)，特别是在城市地区，具有成本低、效益高和较强的可行性(Intrieri et al.， 2015； Theron et al.， 2016)。

针对2018年2月7日发生的佛山市地铁2号线塌陷事故，Alex et al.(2018)利用PSI(Persistent Scatterer InSAR)技术对覆盖广州和佛山地区2011-05～2017-01期间的COSMO-SkyMed数据进行处理，监测了该地区相应时间段的地表变化，并对塌陷的形成原因进行了分析。刘琦等(2019)利用PS-InSAR技术对覆盖佛山市2015-06～2018-09期间的Sentinel-1数据进行处理，获得了研究区相应时间段内的地表形变结果，发现事故段地铁沿线有明显的形变信息，并猜测该路段地面沉降的重要原因是地铁施工。前人在对地面沉降和地面塌陷形成的原因进行分析时，均未结合当地地质资料、事故调查报告等重要资料。

本文将整个禅城区作为研究区，搜集了2017-03～2019-01期间的56景Sentinel-1A数据，首先利用SBAS-InSAR(Small Baseline Subset InSAR)技术获取了塌陷前、后期地表形变的时空演化规律。其次，为了验证形变监测结果的可靠性、进一步分析地面塌陷与地面沉降的关系，对塌陷坑附近区域进行了实地调研，并对塌陷坑附近的形变特征进行了详细分析，最后，结合搜集到的事发地地质资料、事故调查报告等，合理地推测了塌陷形成的机理。

1 研究区概况

1.1 禅城区基本概况

禅城区是广东省佛山市的5个行政辖区之一，也是其政治、经济、文化中心，与广州市、深圳市等城市相邻。

(1)地理位置：禅城区位于东经113°00′41″～113°05′40″，北纬22°35′01″～23°02′24″，地处珠江三角洲的腹地，在广州市的西南部，佛山市的中部。南北向长约15km，东西向宽约19km，面积约为154km2，如图 1中蓝色框所示，红色五角星即为塌陷坑所在位置(见电子版彩色图片)。

(2)地质概况：禅城区的地质属于第四系地层，主要为黏土和其他各种粒径的沙层，厚度约从5m至40m不等，具有自东向西递增的趋势，东平水道以西的地区第四系较厚，是禅城区第四系的主要沉积区(易守勇等， 2017)。图 2为禅城区第四系沉积物等厚线图。

禅城区是地势平坦的冲积平原，大多区域海拔在1.3m和4.6m之间。地貌类型单一，主要为堆积地貌，属于三角洲平原，大部分地表覆盖着厚约15～25m的松散沉积物。禅城区的软土层天然孔隙比大且含水量高，具有高压缩性、低黏聚力和小固结系数的特点，所以在人类活动的影响下，地表很容易发生形变，由此会带来各种安全隐患。禅城区软土厚度等厚线图如图 3所示，可看出软土厚度的空间分布与第四系沉积物(图 2)基本呈正相关。

表 1 Sentinel-1A数据参数Table 1 Parameters of Sentinel-1A

图 2 禅城区第四系沉积物等厚线图(改自易守勇等， 2007)Fig. 2 Isopach map of Quaternary sediment in Chancheng district

图 3 禅城区软土分布等厚线图(改自易守勇等， 2007)Fig. 3 Isopach map of soft soil distribution in Chancheng district

1.2 塌陷事故基本概况

2018年2月7日，位于佛山市禅城区湖涌站至绿岛湖站的地铁2号线右线工地在盾构中突发透水，导致施工隧道和地面发生坍塌(张爱军等， 2018)。图 4为塌陷现场照片，地面坍塌范围东西向约65m，南北向约81m，深度约6～8m，地面塌方面积约4192m2，坍塌体方量接近2.5×104m3。

图 4 塌陷事故现场图(改自张爱军等， 2018)Fig. 4 Map of collapse accident site

事故发生区间呈东西走向，正位于季华西路下面，采用盾构法施工。事故段隧道穿行区域大部分岩土松散，承载力低，自稳定差，总体上工程地质条件很差。事故段隧道底埋深越30.5m，从上至下分别为人工填土、粉质黏土、淤泥质土、粉砂、粗砂、圆砾。图 5所示为截取的东西向穿过塌陷坑的地质剖面图。

2 实验数据和方法

2.1 数据

本次实验搜集了覆盖研究区2017-03-12～2019-01-25期间的56景升轨Sentinel-1A数据，数据覆盖情况如图 1中绿色框所示，数据的具体参数如表 1所示。外部DEM采用的是90m分辨率的TanDEM-X DEM。

2.2 SBAS-InSAR技术

SBAS-InSAR技术是由Berardino等人在2002年提出的(Berardino et al.， 2002)，通过设置一定的时间、空间基线阈值，获取相对高质量的干涉对，基于解缠后的干涉图获取形变速率和形变时间序列结果。其基本原理为：设第j幅干涉图是tA和tB时刻获取的两幅SAR影像生成的，则距离向坐标为r、方位向坐标为x的像元的差分相位可以表示为：

δφj(x，r)=φ(tB，x，r)-φ(tA，x，r)

(1)

图 6 时空基线分布图Fig. 6 Temporal and perpendicular baseline distribution

∀j=1，…M

(2)

式中：λ为雷达波长；d(tB，x，r)和d(tA，x，r)分别为tB和tA时刻视线向的累积形变量，式(2)所示线性方程组的矩阵表达式为：

Aφ=δφ

(3)

式中：A为M×N的矩阵，行向量为干涉组合，列向量为SAR影像。当小基线子集个数L=1时，A为列满秩矩阵，可以通过最小二乘估计累积形变量：

(4)

当小基线子集个数L>1时，方程(4)是秩亏的，秩亏数为N-L+1，可以对A进行奇异值分解，求出累积形变量φ的最小范数意义下最小二乘解。

2.3 数据处理关键步骤

(1)Sentinel-1A数据预处理：首先分别读取56景数据每个子条带的SLC数据和创建参数文件，并根据强度图目视判断提取各影像覆盖研究区的公共burst，然后利用精度在5cm以内的AUX_POEORB精密轨道文件对轨道文件进行更新，以提高卫星位置的精度，从而减小干涉图的基线误差。最后利用外部DEM辅助影像配准，使配准的精度达到像元大小的千分之一，再对配准的数据进行去斜处理。

(2)生成干涉对并差分处理：首先，为了避免严重的失相干现象，我们设定垂直基线阈值为200m，时间基线阈值为100d，通过自由组合生成396个基于不同主影像的干涉对。然后，将组合得到的干涉对进行干涉处理，并利用采集到的TanDEM-X DEM和SAR轨道数据，模拟地形相位和平地相位，并将其从原始干涉相位中予以去除。之后考虑到塌陷坑的面积较小，我们对干涉噪声进行小窗口(大小为16)、小步长(大小为2)的自适应谱滤波处理，在此基础上，我们使用最小费用流(MCF)方法得到了解缠后的相位。并从中挑选出了94个高质量的解缠图，时间基线与垂直基线的关系如图 6所示。

(3)求取年平均形变速率和形变时间序列：由于在数据处理中，小基线子集个数L=1，系数矩阵A为列满秩矩阵，利用最小二乘法进行求解，获得研究区在监测期间的年平均形变速率和形变时间序列。

3 实验结果

从年平均形变速率图(图 7)可以看出：在监测期间，塌陷坑临近区域有明显的形变，而远离塌陷坑的地铁沿线地带大多比较稳定。由于塌陷形成主要受临近区域的影响，由此将塌陷坑临近区单独提取做进一步分析，如图 7中紫色框所示。

图 7 年平均形变速率图Fig. 7 Annual land subsidence rate map

图 8所示为上图中紫色框放大图。由于该区域存在大面积植被覆盖区以及建筑工地，导致影像失相干现象较为严重，使得测量结果缺少大量的测量点。不过可以猜测，大部分沉降区域应为连续的，而且最大沉降量估计比监测到的大很多。在塌陷坑近邻区域选择一个点P做形变时间序列分析，结果如图 9所示。

图 8 塌陷坑附近区域年平均速率图Fig. 8 Annual land subsidence rate map of the area near the collapse pit

由图 9可以看出，P点在监测期间内存在持续地面沉降，形变基本呈线性变化，形变速率大约30mm·a-1，从2018-09之后沉降有变缓趋势，塌陷前1a时间内累积形变量达到了35mm以上，监测的2a期间累计沉降量达到了60mm以上。而且可以看出，在塌陷前一段时间(2017-12-25～2018-01-30)，形变速率突然增加，而临近塌陷前几天和塌陷过后几天，形变趋于稳定，再往后形变速率又突然增加。

图 9 P点形变时间序列图Fig. 9 The time-series of point P

为进一步分析地面沉降与地面塌陷之间的关系，在塌陷前期(2017-03-12～2018-01-30)累计形变图上选取东西向穿过塌陷坑的一条剖线AB(如图 8)做形变分析(图 10)。由图可见，塌陷坑及其近邻区域存在不均匀的地面沉降，在不到一年的监测时间内，沉降量最大达到近40mm，塌陷坑处沉降量最大达到近37mm。

图 10 剖线AB沿线的沉降量Fig. 10 Deformation along line AB

4 地面沉降原因及塌陷机理分析

通过对塌陷坑及其附近区域进行实地考察，发现沉降区存在地面裂缝、建筑物破坏等现象(图 11)，而非形变区未发现明显地表形变现象，从而证明了监测结果的可靠性。塌陷坑北方大面积区域被植被覆盖且存在建筑施工，从而导致了该区域影像失相干现象较为严重。

图 11 野外实地调查照片Fig. 11 Field survey photos

4.1 地面沉降原因分析

通过调研得知，该地的生活用水和工业用水均来自北江和南江的河水，因此并不存在抽取地下水的情况。通过将年平均形变速率图(图 7)和禅城区第四系沉积等厚线图(图 2)对比可见，沉降较严重的区域与第四系沉积厚度较大的区域基本一致，但第四系中最容易发生沉降的是软土层，软土的厚度分布与第四系不完全一致，而且沉降会受多种因素的影响，所以具体沉降情况还要结合软土厚度分布(图 3)情况综合分析。此外，从P点的形变时间序列图可见，在塌陷发生前的一段时间(2017-12-25～2018-01-30)，形变速率突然增加，猜测可能是地铁施工扰动导致的。而临近塌陷前几天和塌陷过后几天，形变趋于稳定，考虑到可能是水管泄露导致软土层饱和的原因。2018-09之后沉降变缓，应该是软土层通过多年固结压缩，逐步趋于稳定。总结来说，地面发生不均匀沉降，主要原因是软土厚度的分布不均匀，其次地铁施工扰动也加速了地面沉降。

图 12 塌陷机理分析示意图(改自易守勇等， 2007)Fig. 12 Schematic diagram of collapse mechanism

4.2 塌陷机理分析

图 12所示为塌陷机理分析示意图，事故发生时，盾构机处于工程地质较差的地带，机身中下部处于中砂和粉砂交界位置，隧洞顶是易压缩的淤泥质土层、隧洞底是软弱的粉砂层。隧道沿线地表下5m左右设有供水管道，管道直径约1m。图中A、B的位置对应图 8中的剖线AB。

事故调查报告指出，佛山隧道塌方的原因为突发透水造成隧道结构破坏(张爱军等， 2018)。通过查阅文献和现场调查，我们认为事故起因于地面沉降导致供水管道损坏。主要原因如下：首先，大量的研究表明，地面沉降会对地下管道产生破坏(张维然等， 2002；赵常洲等， 2006；贾三满等， 2007；毛小平等， 2016)，禅城区供水管道等基础设施普遍存在老化现象，很容易受到地面沉降的影响；其次，早在2018年1月15日，CB113附近发生过一次小型塌陷事故(CB113地理位置如图 8所示)，该小型塌陷现场示意图如图 13所示，由于没有造成严重后果而没得到重视，但塌陷原因被鉴定为供水管道破裂。

图 13 小型塌陷事故现场图Fig. 13 Map of minor collapse accident site

从图 12可以看出，此次塌陷事故所在区域地质环境更为复杂，盾构机顶的淤泥质土属于软土的一种，压缩性高、强度低(秦川等， 2019)，特别是机身中下部砂层的存在，大大增加了出现水管泄漏的情况下发生塌陷事故的风险，也是这里发生大型塌陷事故的重要原因。根据已有资料和InSAR监测结果，我们合理地推测了此次塌陷事故形成的机理：由于供水管道下方的淤泥质土存在不均匀沉降，从而供水管道所受承载力的大小分布也不均匀，承载力越小的地方(沉降越大的地方)，水管越容易发生接口松动或局部开裂。管道损坏后水外渗使地层饱和，弱化了土层的力学性质，同时施工扰动加大饱和土层变形和管线渗漏，水向下渗入到盾尾下方粉细沙层，粉细沙层含水量增加，承载力减小。盾构机上方淤泥质土层应力和下方粉细砂层承载力的变化，导致盾尾发生下沉。盾构机机身振动致使还未完全凝固的管片产生裂缝，盾尾透水涌沙，随着透水涌砂继续扩大，下部砂层被掏空，使盾构机和成型管片结构向下位移、变形。隧道结构破坏后，巨量泥沙突然涌入隧道，并在隧道有限空间内引发了迅猛的冲击气浪，最终导致隧道和地面坍塌。