基于InSAR 技術(shù)的呂梁環(huán)城高速公路采空區(qū)變形監(jiān)測

彭新華

（山西呂梁環(huán)城高速公路管理有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，為更好滿足人們的出行需求，現(xiàn)階段的高速公路附屬工程如路面工程、隧道工程、橋梁工程、機電交安工程等逐漸占據(jù)重要作用，因此整個高速公路項目的修筑具有分布面廣、跨度大、難度高等特性。在復(fù)雜地質(zhì)地形區(qū)域進行公路修筑時，需要及時定期對工程進行監(jiān)測處理，而傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)難以實現(xiàn)大范圍、高精度的監(jiān)測，同時會耗費大量的成本，不利于現(xiàn)有公路的監(jiān)測開展。目前雷達干涉監(jiān)測技術(shù)（InSAR）應(yīng)用廣泛，可實現(xiàn)大幅度、大范圍、以點及面的監(jiān)測效果。

1 InSAR 監(jiān)測技術(shù)特點

InSAR 技術(shù)主要監(jiān)測原理為兩個同源相干但存在路徑差的光源發(fā)射出的波束其光波相位不一致，可以增強或減弱波，經(jīng)過照射后其面板上會顯示出明暗相間的條紋，即為干涉條紋。InSAR 技術(shù)發(fā)射出的主要為相干電磁波，通過接收得到的地面圖像同時兼具相位信息和幅度信息，其中相位信息受雷達天線與地面分辨率單元間的斜距所影響，且InSAR 技術(shù)是利用將同一區(qū)域面內(nèi)的SAR 影像對應(yīng)像素相位值經(jīng)過抵消相減后突出干涉相位圖，通過提取和分離來得出地面高程和地面形變相關(guān)信息。InSAR 監(jiān)測系統(tǒng)通?？煞譃閱翁炀€系統(tǒng)和多天線系統(tǒng)，其中單天線系統(tǒng)是在特定區(qū)域進行重復(fù)觀測，得到單視復(fù)數(shù)影像，具有一定的相干性，而多天線系統(tǒng)可以同時得到特定區(qū)域的主圖像和輔圖像，得到的數(shù)據(jù)相干性較高，但其對硬件設(shè)備的要求較高。

2 InSAR 監(jiān)測技術(shù)工程應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域

項目示范區(qū)域為呂梁高速公路約38.188km 路段，重點監(jiān)測沿線的邊坡、高速公路高架橋和路基，包括邊坡的變形、碎落、崩解、楔形體、掉皮、裂縫等病害以及地質(zhì)地貌特征等，高架橋的橋面變形、隆起的差異沉降、累積沉降、裂縫的早期識別等，路基的沉降、隆起、裂縫、沉降路段長度、累積沉降量、沉降速率和趨勢等。

2.2 累積沉降量

該高速公路選擇測定2018 年1 月至2021 年3 月期間內(nèi)的累積沉降總量，每個測點均與PS、DS 相對應(yīng)，同時結(jié)合其總形變量的方向和大小采用不同顏色進行編碼處理，其中沿衛(wèi)星視線（LOS）相對應(yīng)的第一圖像數(shù)據(jù)集所測量的形變量共計有1130130 個形變點位。通過監(jiān)測分析得到在2018 年1 月至2021 年3 月期間內(nèi)一共的累積沉降量于AOI 中范圍為-132.26mm～+117.88mm，高速公路主線中的露天場地和邊坡上發(fā)現(xiàn)若干處隆起區(qū)域和沉降區(qū)域，需對其進行詳細分析處理。

2.3 形變速率

對SAR 圖像集進行處理結(jié)算，得出視線方向上（LOS）的位移速率，以mm/year 進行表征，每一點位均對應(yīng)一個分布式散射體DS 或相干散射體CS，并結(jié)合年形變速率采用顏色進行編碼，結(jié)合衛(wèi)星圖像中全覆蓋的地面運動進行線性回歸計算得出平均位移值，也可結(jié)合位移時間序列來展示出地面運動詳細信息，由于每一DS 和CS 來提供。

2.4 形變速率標準差

地表形變速率中的標準偏差用于表征測量誤差，測量結(jié)果均需要采用形變速率加標準偏差為組合來解釋，一般距離參考點的距離越大時標準偏差值則會不斷增大，而標準偏差值越高則表示形變的速率變化越大，通常會與地面運動區(qū)域的不規(guī)則性和快速性有關(guān)。通過分析得到該AOI 區(qū)域內(nèi)標準偏差值相對較低，其范圍為0～2.04mm/年，在與參考點較遠區(qū)域中找出幾處標準偏位差較高點位，經(jīng)過分析得到其質(zhì)量合格，因此整體數(shù)據(jù)內(nèi)部質(zhì)量控制滿足標準要求，其精度性和可靠性良好。

2.5 全線累積沉降量結(jié)果分析

（1）K17+300 邊坡沉降量

根據(jù)監(jiān)測成果，K17+300 邊坡2018 年1 月至2021 年3 月存在某些位置形變量較大，最大累積沉降值為-80.29mm，最大形變速率為-23.43mm/年，隱患區(qū)域依然存在。K17+300邊坡沉降區(qū)域中路基變形較小，上行段邊坡處有一明顯沉降區(qū)，該區(qū)域最大累積沉降量為-80.29mm，最大形變速率為-23.43mm/年，由于該位置位于較高邊坡上，持續(xù)的沉降會導(dǎo)致坡體松動，對道路造成危害，同時相比于上一次監(jiān)測結(jié)果，沉降量趨勢依然向下，需多加關(guān)注。

（2）K24+595～K25+294 路段沉降量

根據(jù)監(jiān)測成果，K24+595～K25+294 路段隧道口發(fā)現(xiàn)較大范圍形變區(qū)，最大累積沉降量值為-63.31mm。K24+595～K25+294 路段的沉降具體情況分為K24+595～K25、K25～K25+294 兩段進行分析。

K24+595～K25+294 沉降區(qū)域中，該路段隧道口發(fā)現(xiàn)兩處較明顯的形變區(qū)，其中K25～K25+294 為大范圍形變區(qū)，該路段的最大累積沉降量值為-63.31mm，最大形變速率為-21.51mm/年，整體形變趨勢明顯，較之上一次監(jiān)測沉降量趨勢依然向下。K24+595～K25 沉降區(qū)域中最大累積沉降量值為-45.14mm，形變速率為-13.61mm/年，形變趨勢明顯，近期有所加快，整體呈直線下降趨勢，需多加關(guān)注。K25～K25+294 沉降區(qū)域中最大累積沉降量值為-56.95mm，最大形變速率值為-15.99mm/年，形變趨勢明顯，整體呈直線下沉趨勢，形變范圍大，需要持續(xù)重點關(guān)注。

2.6 重點大橋沉降分析

（1）K5+937 硯石溝大橋

K5+937 硯石溝大橋在2018 年1 月至2021 年3 月的監(jiān)測結(jié)果如下，硯石溝大橋及其兩側(cè)存在沉降漏斗區(qū)，最大累積沉降量為-31.62mm，形變速率為-11.01mm/年。離形變場的直線距離最短為408m，離最大沉降漏斗區(qū)域為671m。橋面形變量較大，最大累積沉降量為-31.62mm。橋頭右側(cè)累積沉降量為-27.01mm，監(jiān)測時段內(nèi)基本呈線性沉降；橋頭左側(cè)累積沉降量為-25.59mm，形變較為平緩。監(jiān)測結(jié)果顯示，硯石溝大橋兩側(cè)為沉降漏斗區(qū)，最大累積沉降量為-31.62mm，最大形變速率為-11.01mm/年。橋面形變量較大，最大累積沉降量為-31.62mm。

（2）K6+777 郭家溝1 號橋

郭家溝1 號橋位于K6+548～K7+006，沉降漏斗區(qū)位于橋面及其兩側(cè)，該路段最大累積沉降量為-72.55mm，離形變場的直線距離最短為268m，離最大沉降漏斗區(qū)域為807m，橋面形變量較大，橋面最大累積沉降量為-53.14mm，橋頭右側(cè)最大累積沉降量為-72.55mm，監(jiān)測時段內(nèi)整體呈直線下降趨勢，橋頭左側(cè)累積沉降量為-40.16mm，整體形變較為平穩(wěn)。沉降漏斗區(qū)位于橋右側(cè)，區(qū)域內(nèi)最大沉降量為-72.55mm，最大形變速率為-25.27mm/年，離形變場的直線距離最短為268m，離最大沉降漏斗區(qū)域為807m。橋面部分區(qū)域形變量較大，最大累積沉降量為-53.14mm。

（3）橋梁周邊沉降區(qū)域分析

硯石溝大橋至郭家溝1 號橋周邊累積沉降值進行空間分析，發(fā)現(xiàn)6 處沉降漏斗區(qū)，沉降漏斗區(qū)主要集中在K6～K7 路段中間，最大累積沉降量值為-102.41mm。沉降漏斗區(qū)主要集中在K6～K7 路段中間，最大累積沉降量值為-102.41mm，應(yīng)加強關(guān)注。

3 結(jié)語

本文針對呂梁高速公路項目中的采空區(qū)采用InSAR 技術(shù)進行監(jiān)測處理，重點對InSAR 技術(shù)的使用步驟、監(jiān)測結(jié)果分析進行研究，研究結(jié)果證實了InSAR 技術(shù)在高速公路中監(jiān)測實際應(yīng)用的可行性和實用性。