高寒地區(qū)鐵路路基綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

雷朋濤

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

高速鐵路路基沉降對(duì)線路正常運(yùn)營(yíng)造成的影響尤其不容忽視。 在高寒地區(qū)，受鐵路長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)及凍脹影響，容易引起鐵路沿線發(fā)生地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害，若鐵路路基發(fā)生不均勻沉降，易導(dǎo)致過(guò)渡段發(fā)生跳車等危害，危及列車行車安全。 因此，開(kāi)展鐵路等線性工程重點(diǎn)段路基沉降監(jiān)測(cè)[1]，已成為保證鐵路等線性工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。

沉降監(jiān)測(cè)是路基監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，監(jiān)測(cè)方法從傳統(tǒng)傳感器監(jiān)測(cè)、水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)，發(fā)展到衛(wèi)星定位、合成孔徑雷達(dá)干涉(InSAR) 和差分合成孔徑雷達(dá)干涉(DInSAR)等技術(shù)的綜合應(yīng)用，已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。 楊侶珍利用GPS、CR-InSAR 技術(shù)進(jìn)行高速公路采空區(qū)路基變形監(jiān)測(cè)[2]；楊志飛等基于GNSS、網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了重載鐵路路基沉降系統(tǒng)[3]；武燕基于DS-InSAR 進(jìn)行黃土區(qū)域高速鐵路沿線沉降監(jiān)測(cè)[4]；劉歡等基于DInSAR 技術(shù)進(jìn)行成昆鐵路復(fù)線路基及邊坡垂直變形監(jiān)測(cè)研究[5]。 不難看出，此前的路基沉降監(jiān)測(cè)大多基于單一的監(jiān)測(cè)方法，其效率、準(zhǔn)確率往往不盡如人意。 為實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的大范圍鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)，利用綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)鐵路路基進(jìn)行監(jiān)測(cè)很有必要。

2 理論與方法

2.1 PS-InSAR

PS-InSAR 方法[6]利用覆蓋同一區(qū)域的多景SAR影像，采用振幅離差等閾值提取不受時(shí)空相關(guān)影響的永久散射體點(diǎn)(如人工建筑物、構(gòu)筑物等)，通過(guò)聚焦、裁剪、配準(zhǔn)等預(yù)處理技術(shù)獲取差分干涉相位，基于差分干涉相位進(jìn)行時(shí)空建模，再利用最小二乘或周期圖法進(jìn)行模型解算，并結(jié)合誤差改正模型逐步分離殘余相位，獲取最終高精度的地面點(diǎn)形變相位。 技術(shù)流程如圖1 所示。

PS-InSAR 結(jié)果包含部分粗差點(diǎn)，需結(jié)合ArcGIS進(jìn)行濾波處理。 當(dāng)?shù)匦魏铜h(huán)境復(fù)雜時(shí)，為避免誤差累積，還需要將監(jiān)測(cè)區(qū)域合理裁剪并分塊處理，借助同期水準(zhǔn)等外部數(shù)據(jù)或者塊區(qū)參考點(diǎn)統(tǒng)一基準(zhǔn)后進(jìn)行拼接。 成果拼接完成后，形成監(jiān)測(cè)區(qū)完整沉降結(jié)果，該結(jié)果有兩種獲取方式。 當(dāng)有外業(yè)水準(zhǔn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可采用TSDI_InSARpro 軟件，將相對(duì)沉降量結(jié)果校正為絕對(duì)沉降量，并評(píng)價(jià)InSAR 結(jié)果精度。 沒(méi)有水準(zhǔn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可采用相對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)某參考點(diǎn)的相對(duì)沉降量。 通過(guò)該軟件，還可提取鐵路沿線特定緩沖區(qū)范圍內(nèi)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果、沿線位方向沉降縱斷面以及垂直線位方向沉降縱斷面。

按照專題制圖要求，綜合收集的鐵路線位、行政區(qū)域邊界矢量及注記等信息，使用ArcGIS 和PhotoShop軟件將鐵路線位、相關(guān)地理信息以及區(qū)域監(jiān)測(cè)信息標(biāo)準(zhǔn)化，最終獲得鐵路沿線區(qū)域沉降速率和線上PS 點(diǎn)沉降速率。

圖1 PS-InSAR 數(shù)據(jù)處理流程

2.2 水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)及北斗監(jiān)測(cè)方法

水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)需利用CPIII 點(diǎn)作為基準(zhǔn)網(wǎng)[7]，再在路肩處進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，經(jīng)過(guò)觀測(cè)，對(duì)區(qū)段內(nèi)CPIII 點(diǎn)進(jìn)行分析，選取段落內(nèi)的2 ～3 個(gè)穩(wěn)定的CPIII 點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)密平差計(jì)算[8]，可得到所有水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和其他CPIII 點(diǎn)的高程。

北斗基準(zhǔn)站可布設(shè)于各監(jiān)測(cè)區(qū)間的車站或工區(qū)樓等地，原則上基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)站距離不能超過(guò)10 km，若條件允許，可在一個(gè)區(qū)間布設(shè)兩個(gè)基準(zhǔn)站，以此提高定位精度。 本次監(jiān)測(cè)首先構(gòu)建各個(gè)區(qū)間的基準(zhǔn)站，然后以線下基準(zhǔn)站為原點(diǎn)，構(gòu)建站心坐標(biāo)系，分別計(jì)算路基各個(gè)北斗監(jiān)測(cè)站正北坐標(biāo)、正東坐標(biāo)及CGCS2000 大地高，并進(jìn)行平面轉(zhuǎn)換，得到垂直于線路方向和沿線路方向平面坐標(biāo)及大地高，如圖2 所示。 解算模式為“北斗+GPS”聯(lián)合解算，解算周期為6 h 或12 h，監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為1 d。

3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

3.1 InSAR 監(jiān)測(cè)方法及數(shù)據(jù)處理

本次監(jiān)測(cè)采用2017 年9 月27 日至2019 年7 月19 日時(shí)間段內(nèi)40 景Sentinel-1A/1B 數(shù)據(jù)[9]，如表1 所示。 數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，采用多主影像組合方式進(jìn)行干涉[10]，根據(jù)振幅離差指數(shù)進(jìn)行PS 點(diǎn)選取，外部DEM 使用30 m 分辨率的DSM 數(shù)據(jù)，滿足時(shí)間序列InSAR 分析的要求，且所用數(shù)據(jù)時(shí)空基線分布良好，采用PS～I(xiàn)nSAR 的方法進(jìn)行形變信息提取[11-12]。

圖2 鐵路路基北斗監(jiān)測(cè)獨(dú)立坐標(biāo)系示意

表1 Sentinel～1A/1B 數(shù)據(jù)參數(shù)

本次沉降監(jiān)測(cè)的段落多處于平原或丘陵，均屬嚴(yán)寒地區(qū)。 由于測(cè)區(qū)內(nèi)缺少與監(jiān)測(cè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的地面沉降監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，故只能選擇處理區(qū)域中相對(duì)穩(wěn)定的點(diǎn)作為沉降速率的參考點(diǎn)[13]。

該段落整體地面沉降如圖3 所示。 由圖3 可知，沿線區(qū)域的InSAR 監(jiān)測(cè)點(diǎn)稀疏[14]，鐵路線上InSAR 監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)較多，且線上不均勻沉降現(xiàn)象較多，沉降速率為0～52.5 mm/a。

圖3 鐵路沿線區(qū)域整體地面沉降

采用InSAR 技術(shù)[15]對(duì)鐵路里程范圍進(jìn)行沉降普查，監(jiān)測(cè)周期是2017 年9 月27 日至2019 年7 月19 日，沉降普查的10 處軌道不平順里程范圍和軌檢車基本一致，最終獲取線上沉降段落分布情況，如表2 所示。

表2 K190+000～K242+500 線位沉降區(qū)間分布情況

3.2 水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與北斗監(jiān)測(cè)方法

本次水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)對(duì)13 段重點(diǎn)段路基CPIII 點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了初始觀測(cè)和后續(xù)觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)成果進(jìn)行比較和分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)沉降分析結(jié)果 mm

其中，CPIII 點(diǎn)最大累計(jì)沉降值為13.4 mm，相應(yīng)點(diǎn)號(hào)為195326，里程為K195+621；監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)沉降值為11.7 mm，相應(yīng)點(diǎn)號(hào)為192548L1，里程為K192+548。

對(duì)該鐵路路基重點(diǎn)段北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[16]，發(fā)現(xiàn)10 月1 日～12 月1 日，里程K192+548、K197+070、K197+390、K210+025、K227+448、K230+018 北斗監(jiān)測(cè)站路基沉降較大，其中，K192+548 累積沉降達(dá)到了14.4 mm，需要重點(diǎn)關(guān)注，其他里程具體沉降情況見(jiàn)表4。

表4 不同里程北斗監(jiān)測(cè)路基累積沉降情況

由表4 可知，K195+482、K196+960 北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)已出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，需運(yùn)營(yíng)單位重點(diǎn)關(guān)注。 平面方向，北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)向路基外側(cè)方向發(fā)生位移，其中，K195+990、K197+070 分別向路基外側(cè)偏移了7.9 mm、13.9 mm，運(yùn)營(yíng)單位需重點(diǎn)關(guān)注。

因北斗高程測(cè)量精度低于平面[17]，故選取水準(zhǔn)測(cè)量累積沉降較大里程K192+548、K197+070、K197+390、K210+025、K227+448、K230+018 北斗結(jié)果進(jìn)行外符合精度分析。 由表5 可知，高程方向北斗探測(cè)位移誤差大部分在2 mm 左右，可滿足鐵路路基監(jiān)測(cè)精度要求[18]。 北斗監(jiān)測(cè)沉降結(jié)果與水準(zhǔn)高程基本一致，可用于鐵路路基自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，在極寒天氣下能夠獲取路基凍脹變形，為鐵路運(yùn)營(yíng)維修養(yǎng)護(hù)提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)[19]。

表5 北斗與水準(zhǔn)對(duì)比分析

4 結(jié)束語(yǔ)

采用歷史SAR 影像和基于時(shí)序InSAR 技術(shù)，獲取某鐵路重點(diǎn)段路基的沉降信息，并與軌檢車結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了時(shí)序InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果的正確性，可定性分析路基沉降情況；水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)可以精確獲取路基的沉降信息，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測(cè)；北斗方法連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，可滿足鐵路路基變形監(jiān)測(cè)精度的要求。 綜合三種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空天地全方位對(duì)該鐵路路基的監(jiān)測(cè)，為鐵路維護(hù)提供依據(jù)。