徐明偉　張建民

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

Analysis Evaluation on High Speed Railways Land Subsidence Monitoring Methods

XU Ming-wei　ZHANG Jian-min

高速鐵路區(qū)域地面沉降監(jiān)測方法的評價分析

徐明偉張建民

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300251)

Analysis Evaluation on High Speed Railways Land Subsidence Monitoring Methods

XU Ming-weiZHANG Jian-min

摘要區(qū)域性地面沉降對高速鐵路的正常運(yùn)行存在潛在的威脅，特別是在線下結(jié)構(gòu)逐漸建設(shè)完成到開通運(yùn)營階段，差異性地面沉降將對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不可逆的影響。目前已經(jīng)開通運(yùn)營的京津城際、京滬高鐵、津秦客運(yùn)專線、京廣高鐵等在建設(shè)或運(yùn)營期間均開展了不同內(nèi)容的區(qū)域地面沉降監(jiān)測工作。結(jié)合監(jiān)測內(nèi)容的實際效能，對主要監(jiān)測方法的適用范圍、經(jīng)濟(jì)性及監(jiān)測精度等方面進(jìn)行分析評價。

關(guān)鍵詞高速鐵路地面沉降監(jiān)測分析評價

不均勻的地面沉降對于線路工程的影響主要表現(xiàn)為降低線路設(shè)計高程，改變線路坡度等方面，嚴(yán)重時可能造成線路建筑物結(jié)構(gòu)的破壞，從而影響工程的正常使用。某高速鐵路的建設(shè)和運(yùn)營階段，對存在區(qū)域地面沉降的地段均開展了不同程度、不同內(nèi)容的區(qū)域地面沉降監(jiān)測工作和線橋結(jié)構(gòu)物的變形監(jiān)測工作，其中區(qū)域地面沉降監(jiān)測工作主要內(nèi)容包括地面沉降水準(zhǔn)網(wǎng)監(jiān)測(以線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)為主要內(nèi)容)、地面沉降GPS監(jiān)測網(wǎng)、地面沉降InSAR監(jiān)測。

1地面沉降水準(zhǔn)網(wǎng)監(jiān)測

1.1　監(jiān)測方法說明

在沉降監(jiān)測區(qū)域，按照監(jiān)測需求布設(shè)一定密度的沉降監(jiān)測點(diǎn)(可以是基巖分層標(biāo)、基巖標(biāo)石、深埋標(biāo)石、普通標(biāo)石等)，采用水準(zhǔn)作業(yè)的方法(一般為一、二等水準(zhǔn)測量精度)，通過定期性的重復(fù)觀測，分析變形點(diǎn)高程變化情況，為研究和控制地面沉降提供準(zhǔn)確、可靠的系統(tǒng)資料。在建設(shè)期間完成的線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，新增或利用一定密度的既有監(jiān)測標(biāo)石，構(gòu)成高速鐵路沿線帶狀水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)，如京滬高鐵在既有線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)(每100 km一個基巖點(diǎn)、每8 km一個深埋水準(zhǔn)點(diǎn)、每2 km一個普通水準(zhǔn)點(diǎn))的基礎(chǔ)上，在沉降重點(diǎn)區(qū)段每0.6～1.0 km間距，在距線路中心線800～1 000 m范圍內(nèi)，交錯布設(shè)加密點(diǎn)。地面沉降水準(zhǔn)網(wǎng)一般以3～6個月為觀測周期進(jìn)行周期性觀測，以沿線基巖點(diǎn)為起算基準(zhǔn)對水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行整網(wǎng)平差，獲得不同等級監(jiān)測點(diǎn)的沉降值，對監(jiān)測點(diǎn)沉降值進(jìn)行分析計算，描述地面沉降情況，同時提出線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)高程修正方案，指導(dǎo)施工建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)。

1.2　優(yōu)勢分析

地面沉降水準(zhǔn)網(wǎng)通常采用國家二等水準(zhǔn)作業(yè)要求進(jìn)行施測，水準(zhǔn)點(diǎn)高程精度較高，在小范圍監(jiān)測區(qū)域內(nèi)監(jiān)測精度通常能達(dá)到亞毫米級；監(jiān)測標(biāo)志埋設(shè)深度、埋設(shè)位置的不同，便于分析監(jiān)測標(biāo)所在地層、所在位置的沉降變形趨勢，尤其是分層沉降標(biāo)，是研究地下不同深度土層和含水砂層沉降量變化的依據(jù)，為研究沉降發(fā)生的機(jī)理提供數(shù)據(jù)支持；線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)的周期性復(fù)測，是維護(hù)鐵路沿線高程基準(zhǔn)有較高高程精度的必要條件，也是確定鐵路沿線水準(zhǔn)點(diǎn)以點(diǎn)成線而形成的淺層地表沉降(埋深較淺的普通水準(zhǔn)點(diǎn)反映)和深層地面沉降(埋深一般在40～70 m深埋水準(zhǔn)點(diǎn)反映)的直接觀測資料，為分析測算高速鐵路建設(shè)或運(yùn)營過程階段因地面沉降引起的線路縱向附加坡度影響值提供依據(jù)。

1.3　劣勢分析

地面沉降水準(zhǔn)網(wǎng)通常采用國家二等水準(zhǔn)作業(yè)方法進(jìn)行施測，受限條件較多，包括外界觀測條件(主要是天氣狀況、外界影響、人力資源等)，觀測周期長、觀測時效性較難保證；受水準(zhǔn)網(wǎng)平差方法的影響，水準(zhǔn)點(diǎn)高程精度不一致，離起算點(diǎn)越遠(yuǎn)高程精度越低，同時地面沉降水準(zhǔn)網(wǎng)由離散的監(jiān)測點(diǎn)組成，監(jiān)測點(diǎn)的穩(wěn)定性受其埋設(shè)環(huán)境制約，這些因素對沉降分析產(chǎn)生一定影響。高速鐵路地面沉降水準(zhǔn)網(wǎng)成帶狀分布，受監(jiān)測點(diǎn)密度因素影響，能夠在一定程度上反映沿線縱向的沉降情況，但是對鐵路沿線帶狀范圍面狀沉降較難真實反映。費(fèi)用較大，主要包括造標(biāo)費(fèi)用(尤其是高等級的基巖或深埋標(biāo)石造標(biāo)費(fèi)用少則幾萬，多則幾百萬)和監(jiān)測網(wǎng)維護(hù)費(fèi)用(包括補(bǔ)設(shè)標(biāo)石費(fèi)用、周期性外業(yè)觀測費(fèi)用等)，監(jiān)測成本高。

2地面沉降GPS監(jiān)測網(wǎng)

2.1　監(jiān)測方法

根據(jù)監(jiān)測目的的不同，按照工程需要進(jìn)行合理布網(wǎng)，并對監(jiān)測網(wǎng)采用GPS 靜態(tài)觀測。根據(jù)觀測精度的不同，可以使用廣播星歷或精密星歷進(jìn)行解算，通過對GPS大地高的變化來分析確定GPS監(jiān)測點(diǎn)的沉降情況。在津秦客運(yùn)專線、京石客運(yùn)專線，對CPⅠ、CPⅡ(高速鐵路工程測量規(guī)范中所規(guī)定的采用二等、三等GPS測量精度施測)控制網(wǎng)的周期性復(fù)測數(shù)據(jù)(以廣播星歷進(jìn)行解算)，通過高程擬合得到GPS點(diǎn)正常高，通過正常高的變化分析判定監(jiān)測點(diǎn)的穩(wěn)定性，但這種方式精度較低。在京滬高鐵(北京至濟(jì)南段)沿線基巖點(diǎn)或深埋點(diǎn)附近，按照每50 km點(diǎn)間距設(shè)置一個GPS強(qiáng)制觀測墩，進(jìn)行周期性的24 h連續(xù)同步觀測，GPS基線向量采用精密星歷，采用baseline模式，固定其附近的IGS跟蹤站，基線解算及平差采用Bernese三維嚴(yán)密平差軟件進(jìn)行處理，使解算結(jié)果真正達(dá)到毫米級精度，得到各控制點(diǎn)間精確的大地高差。

2.2　優(yōu)勢分析

GPS觀測具有全天候、自動化觀測的優(yōu)點(diǎn)，GPS點(diǎn)點(diǎn)位布設(shè)滿足GPS觀測的前提下，作業(yè)效率高，可以在較短時間內(nèi)完成大跨度的平面及高程聯(lián)測，在滿足一定觀測條件和計算條件的基礎(chǔ)上，能夠得到較高精度的空間三維坐標(biāo)，對局部重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)能實現(xiàn)高度自動化監(jiān)測；通過大地高的變化，間接分析重點(diǎn)沉降區(qū)段內(nèi)沉降基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，對高速鐵路這種帶狀區(qū)域尤為適用，節(jié)省與二等水準(zhǔn)聯(lián)測作業(yè)內(nèi)容，同時避免長距離水準(zhǔn)聯(lián)測造成的精度損失。

2.3　劣勢分析

在面狀監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測效果上，受監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位布設(shè)網(wǎng)形和點(diǎn)位密度影響顯著，在絕對高程測定上，還不能達(dá)到很高的精度，還不能完全代替二等及以上等級水準(zhǔn)測量。

3地面沉降InSAR 監(jiān)測

3.1　監(jiān)測方法說明

合成孔徑雷達(dá)干涉監(jiān)測技術(shù)(InSAR)是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對地觀測技術(shù)。在京滬高速鐵路(北京至濟(jì)南段)區(qū)域地面沉降監(jiān)測中，利用2007年4月至2010年9月的InSAR 數(shù)據(jù)，采用時序InSAR技術(shù)，有效消除InSAR 處理中的大氣、軌道、DEM誤差以及相干性低等對結(jié)果的影響。

3.2　優(yōu)勢分析

InSAR技術(shù)在時效性上存在明顯優(yōu)勢，可以在短時間內(nèi)得到較大范圍內(nèi)包含詳細(xì)空間信息的地面沉降圖，特別是在高速鐵路的可研階段，在暫未開展監(jiān)測的情況下，根據(jù)前期影像獲得該地區(qū)的歷史沉降情況，從而為鐵路選線設(shè)計提供依據(jù)，避免因為既有地質(zhì)資料匱乏遺漏地面沉降、采空區(qū)等不良地質(zhì)環(huán)境的影響；InSAR技術(shù)在精確性上，伴隨著處理方式不斷的發(fā)展及高分辨率SAR影像數(shù)據(jù)的獲取，結(jié)合一些輔助措施(開展少量水準(zhǔn)作業(yè)、設(shè)置PS點(diǎn)等)可以達(dá)到毫米級測量精度，而且是面狀全方位監(jiān)測；InSAR技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性上也存在明顯優(yōu)勢，監(jiān)測費(fèi)用不及水準(zhǔn)監(jiān)測、GPS監(jiān)測費(fèi)用的一半。

3.3　劣勢分析

InSAR技術(shù)在面狀監(jiān)測上優(yōu)勢明顯，但是點(diǎn)狀物體的監(jiān)測還存在不足，還無法完全替代水準(zhǔn)或GPS監(jiān)測所能達(dá)到的效能；InSAR技術(shù)目前僅能反映地面表象的沉降，對沉降機(jī)理的研究還存在不足；在地面沉降顯著、監(jiān)測周期較長時，InSAR技術(shù)能夠取得良好的監(jiān)測效果，但在沉降量較小或觀測周期要求較短時，InSAR技術(shù)還不能達(dá)到監(jiān)測要求；在不合理數(shù)據(jù)的影響量剔除上還存在困難。

4結(jié)束語

高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營期間，適時開展區(qū)域地面沉降監(jiān)測工作是非常必要的，在區(qū)域沉降的監(jiān)測方法上需要根據(jù)工程實際情況，結(jié)合各種監(jiān)測手段的優(yōu)劣，做好監(jiān)測方案的設(shè)計，做到既滿足監(jiān)測需要又能經(jīng)濟(jì)合理，同時根據(jù)區(qū)域沉降監(jiān)測結(jié)果和工程進(jìn)度，做好結(jié)構(gòu)物變形監(jiān)測工作，以保證高速鐵路建設(shè)及運(yùn)營的順利開展。

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中圖分類號：TU196

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)01-0027-02

作者簡介：第一徐明偉(1982—)，男，2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)測繪工程專業(yè)，工程師，E-mail：xumingwei_jcs@163.com。

收稿日期：2014-11-27