地基InSAR技術(shù)在昌吉贛高速鐵路路基邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究

饒 雄

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化水平提高以及城市群發(fā)展，國家大力建設(shè)高速鐵路，以提高城際間交通運輸速度和能力。受山區(qū)特殊地形地貌、水文地質(zhì)以及人類活動等諸多因素的影響，我國中西部地區(qū)高鐵建設(shè)過程中極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)、山體滑坡，直接關(guān)系到高鐵施工和運營安全［1］。當(dāng)前，抗滑樁是邊坡抗滑加固處理的一種有效治理措施，但是在抗滑樁施工過程中會出現(xiàn)新的問題，甚至?xí)觿』拢?］。因此在高鐵邊坡抗滑樁工程施工中對邊坡進行精細監(jiān)測十分必要，這樣不僅能評估抗滑樁治理效果，也能及時處理因變形過大所形成新的安全隱患。

目前，邊坡形變監(jiān)測技術(shù)種類主要有以下幾種：（1）以水準儀、全站儀等常用測量儀器為主的單點觀測技術(shù)［3-4］；（2）以全球定位系統(tǒng)、星載雷達、機載雷達等為代表的空間觀測技術(shù)［5-6］；（3）以地面激光掃描儀和地基干涉雷達為主的新型地表監(jiān)測技術(shù)［7-11］。針對地面復(fù)雜的監(jiān)測條件、測量方式以及觀測精度的需求，許多測量手段無法滿足當(dāng)前的工程需求。地基InSAR技術(shù)是一種遠程微變形監(jiān)測技術(shù)，通過步進頻率連續(xù)波技術(shù)沿著軌道運動不斷發(fā)送和接受微波信號，利用合成孔徑雷達技術(shù)和干涉測量技術(shù)獲取其形變信息。地基InSAR可對目標區(qū)域進行24 h無間斷的連續(xù)觀測，最大監(jiān)測距離約為4 km，其形變監(jiān)測精度可以達到0.1 mm［12］，目前地基InSAR廣泛應(yīng)用于邊坡、山體滑坡、地面沉降、冰川、大壩等變形監(jiān)測［13-16］。

針對昌吉贛高速鐵路某邊坡在抗滑樁治理前后均出現(xiàn)變形的問題，本文采用地基InSAR技術(shù)對抗滑加固后的邊坡穩(wěn)定性進行高精度監(jiān)測試驗。在邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和處理后，對邊坡整體形變過程和趨勢進行分析，并利用全站儀點位觀測進行對比驗證。

2 地基InSAR觀測原理與關(guān)鍵技術(shù)

地基InSAR系統(tǒng)主要通過步進頻率連續(xù)波技術(shù)達到測量目標距離目的，通過合成孔徑雷達技術(shù)和干涉測量技術(shù)獲取目標區(qū)域表面的微小形變信息。下面詳細介紹IBIS-L型地基InSAR的主要技術(shù)原理。

2.1 步進頻率連續(xù)波技術(shù)（SFCW）

步進頻率連續(xù)波技術(shù)［17］就是雷達向目標區(qū)域連續(xù)發(fā)射一組載頻均勻步進的窄帶寬脈沖，用其載頻相應(yīng)的本振頻率與回波信號進行混頻，再對混頻后的中頻信號做傅立葉反變換，即可得到目標在距離向的結(jié)果，從而實現(xiàn)了雷達在距離向上的高分辨率。雷達距離向分辨率見公式（1）：

式中，c為光速，B為脈沖帶寬。

意大利生產(chǎn)的IBIS-L型地基InSAR，其距離向分辨率可以達到0.5 m。

2.2 雷達干涉測量技術(shù)

對同一地區(qū)不同入射角條件下獲取的兩幅具有相干性的雷達圖像進行干涉處理，將得到的雷達干涉圖中的相位變化值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的距離變化值，即目標體的位移變化量。

地基InSAR傳感器對監(jiān)測目標進行連續(xù)采樣成像，通過相鄰影像信號對同一目標進行干涉測量，計算目標體的變形相位，從而計算變形量。設(shè)雷達波長為λ，目標兩次成像的相位差為Δφ，則雷達視線向（Light of Sight，LOS）變形d可見公式（2）：

通過相位差即可計算得到視線向上的形變d。

3 昌吉贛高鐵某邊坡變形監(jiān)測試驗

3.1 測區(qū)概況

本文選擇昌吉贛高鐵某邊坡開展地基In-SAR監(jiān)測試驗，該邊坡（見圖1）位于江西省吉安市境內(nèi)，其周邊區(qū)域?qū)儆谇鹆甑貛?，植被茂盛，地表覆蓋黃褐色粉質(zhì)黏土和青灰色泥巖。地表水以降雨為主，地下水以基巖裂隙水為主。在未作人工防護前，由于受到施工影響，邊坡已經(jīng)出現(xiàn)了滑坡現(xiàn)象，為防止滑坡，保證高鐵施工進度的正常開展，施工方對邊坡加固了防護網(wǎng)和抗滑樁。通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著工程活動的加劇和自然條件的影響，防護網(wǎng)已出現(xiàn)裂縫，抗滑樁也產(chǎn)生了不同程度的位移。

圖1 高鐵邊坡

圖2 防護網(wǎng)裂縫

為了保證高鐵軌道的正常施工，評測邊坡的穩(wěn)定性，本文利用地基 InSAR系統(tǒng)對其進行形變監(jiān)測。

3.2 數(shù)據(jù)采集及處理

2017年9月8日至2017年9月15日采用地基InSAR系統(tǒng)對高鐵邊坡進行了長達8 d的連續(xù)觀測。首先，將地基InSAR設(shè)備IBIS-FL安置在合適的位置，并利用設(shè)備自帶軟件IBISDV進行初步分析，以此協(xié)助設(shè)備觀測參數(shù)的反復(fù)調(diào)制，確保儀器能夠更好地監(jiān)測邊坡形變信息。然后，根據(jù)設(shè)備位置和方位，合理擺放角反射器，如圖3地基In-SAR數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場中白色點所示。最后，對邊坡進行長時序觀測，本次實驗共獲取1994景SAR圖像，主要觀測參數(shù)見表 1。數(shù)據(jù)采集過程中，大型作業(yè)機器多次在觀測區(qū)域內(nèi)長時間作業(yè)，對數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生了一定影響。

圖3 IBIS-FL地基InSAR數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場

_表1 IBIS-FL的主要觀測參數(shù)

在數(shù)據(jù)采集后，如圖4所示，需要對雷達數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，主要包括雷達圖像配準［18］、雷達干涉測量、相位濾波、大氣效應(yīng)改正［19］等，最終計算得到邊坡形變結(jié)果。選取合適的估計信噪比、相干系數(shù)、相位穩(wěn)定性等參數(shù)，對雷達數(shù)據(jù)進行閾值選取，得到滿足干涉處理要求的數(shù)據(jù)。此外，地基InSAR的雷達波在傳播過程中會受到大氣的影響導(dǎo)致一定程度上的偏移。因此需要在研究區(qū)域選取合適的穩(wěn)定點布設(shè)角反射器作為參考點，對形變場中的每個像素進行大氣擾動改正，最終得到研究區(qū)形變場（視線向）。

圖4 地基InSAR形變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程

4 結(jié)果與討論

4.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

評價地基InSAR數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)為反射強度和相干性。其中反射強度反映了目標體的反射能力，反射強度越大代表反射能力越強；相干性代表數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性，相干性越高代表數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。圖5為邊坡區(qū)域的信號反射強度，通過反射強度圖可以發(fā)現(xiàn)：

圖5 反射強度

（1）滑坡主要部分的信號反射強度較高，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，這將為提取滑坡形變奠定了基礎(chǔ)。圖中用三角形標記的強反射點為角反射器的回波信號，與角反射器在邊坡上的位置相對應(yīng)。

（2）整個反射強度圖分為上、中、下三部分，與實際邊坡三級構(gòu)造相對應(yīng)，由于邊坡每級存在過道，在反射強度圖上沒有回波信號，因此產(chǎn)生明顯的空隙。圖5中方框內(nèi)的信號強度明顯比其他區(qū)域低，是因為在數(shù)據(jù)采集的過程中，有大型作業(yè)車在觀測區(qū)域內(nèi)長期作業(yè)，影響了地基InSAR接受回波信號，導(dǎo)致被作業(yè)車遮擋部分的邊坡回波信號較弱，此外邊坡大部分范圍的雷達波反射強度高，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

為了分析滑坡的局部運動特征，進行了目視解譯，圖6和圖7分別是施工前后的解譯結(jié)果。通過邊坡走道和角反射器的位置，能夠清楚地判斷邊坡各部分地物，有助于后期分析滑坡各部分的運動機制；圖中矩形代表大型作業(yè)車的反射區(qū)域，遮擋了部分邊坡反射信號，大型作業(yè)車施工作業(yè)對觀測區(qū)域產(chǎn)生了較大的影響，觀測區(qū)域反射強度發(fā)生明顯變化。因此將本次實驗分為兩部分研究有助于進一步分析數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖6 9月8日至12日反射強度解譯結(jié)果

圖7 9月12日至16日反射強度解譯結(jié)果

從圖8研究區(qū)形變場中可看出，在未施工前，整個區(qū)域在地基InSAR視線方向上的位移趨勢在減小，說明在視線向存在滑動現(xiàn)象。研究區(qū)域內(nèi)整體形變變化趨勢較為平緩，大部分形變累積量在3 mm以內(nèi)，少部分形變累積量達到5～6 mm，說明在視線向上邊坡整體情況相對穩(wěn)定。從圖9可以看出，在施工后，觀測區(qū)域內(nèi)形變情況發(fā)生劇烈變化，大部分區(qū)域呈現(xiàn)負位移，即靠近地基InSAR的方向移動，位移變化量主要集中在-5 mm左右。

圖8 研究區(qū)9月8日至12日形變場（視線向）

對比施工前后的形變結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域形變速率從正到負，主要是由于受到了大型作業(yè)機的干擾。為了單純地考慮邊坡形變情況，下文中的典型點分析只分析了施工前典型點的形變情況。

圖9 研究區(qū)9月12日至16日形變場（視線向）

為了進一步研究邊坡的變形情況，本文選取了數(shù)個典型點來進行時間序列分析，典型點分布如圖10所示。其中，P1～P3是形變較大區(qū)域的點，P4～P6是穩(wěn)定區(qū)域的典型點，P7～P10是角反射器的位置。可以看到穩(wěn)定區(qū)域的P4～P6點最大形變量不超過2 mm，較為穩(wěn)定，與目標區(qū)域的形變場結(jié)果吻合。P1～P3中，P2點的形變最為明顯，其形變累計位移量達到6 mm左右，而P1、P3形變量次之。通過對比穩(wěn)定區(qū)域點的時間序列與溫度變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)其形變量與溫度呈正相關(guān)，并且溫度越高，觀測目標越靠近儀器（視線向）。其主要原因是，溫度上升，觀測目標膨脹，距離設(shè)備視線向上的距離變短。

圖10 P1～P6各點的位移時間序列變化

4.2 全站儀測量與地基InSAR測量結(jié)果對比

為了檢驗地基InSAR的測量精度，在觀測區(qū)域內(nèi)布設(shè)了10個全站儀的靶標，持續(xù)采集數(shù)據(jù)，圖11所示為棱鏡分布位置［20］。全站儀于每天傍晚6點采集數(shù)據(jù)，采樣間隔為24 h，共采集5期數(shù)據(jù)。

通過選擇形變場中棱鏡的位置，分析棱鏡所在區(qū)域的時間序列可以得到地基InSAR中棱鏡所在區(qū)域4 d累積量的形變情況，全站儀的4 d累計變化量可以直接測量得到。

通過表2中地基In-SAR的位移情況與全站儀結(jié)果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)地基InSAR中標靶的形變量集中在2 mm左右，而全站儀的結(jié)果主要集中在1 mm左右。此次地基InSAR的觀測結(jié)果與全站儀測量結(jié)果總體上較為吻合，但全站儀結(jié)果略微偏小，主要原因包括：

圖11 棱鏡分布位置

_表2 地基InSAR與全站儀監(jiān)測結(jié)果的比較

（1）地基InSAR計算形變量存在一定偏差，全站儀測量距離的精度為1 mm＋1 ppm，兩者測距都存在一定程度上的誤差；

（2）原理上的不同，IBIS-L地基InSAR測量的是視線向上邊坡的形變情況，而全站儀觀測是靶標點到點的位移情況；

（3）地基InSAR中的位移情況是棱鏡所在區(qū)域監(jiān)測點的整體位移情況，而不是全站儀棱鏡所在位置的位移情況。

5 總結(jié)與展望

本文利用地基InSAR技術(shù)對昌吉贛高速鐵路建設(shè)期間某邊坡穩(wěn)定性進行了監(jiān)測評估，結(jié)果表明：（1）在雷達掃描距離、入射角等參數(shù)合理設(shè)置情況下，地基InSAR雷達回波信號較強，并獲取了該邊坡毫米級微小形變場以及形變過程；（2）該抗滑樁加固邊坡在監(jiān)測期間變形趨勢較為平緩，大部分形變累積量在3 mm以內(nèi)，部分區(qū)域形變累積量達到5～6 mm，說明該邊坡整體相對穩(wěn)定；（3）地基In-SAR與全站儀監(jiān)測結(jié)果較為吻合，但相比全站儀單點位移觀測相比，地基InSAR技術(shù)具有監(jiān)測范圍大、時間和空間分辨率高等優(yōu)勢，可以更好地監(jiān)測分析邊坡形變的空間特征及變化趨勢，因此在高速鐵路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和評估方面具有廣泛的應(yīng)用前景。