基于GB-RAR的高速鐵路橋梁變形監(jiān)測(cè)研究

摘要：提出一種地基真孔徑雷達(dá)變形信息估計(jì)方法，將該方法應(yīng)用于上海某地鐵線路盾構(gòu)隧道下穿E大橋的安全監(jiān)測(cè)與分析?；诘鼗婵讖嚼走_(dá)（Ground-BasedRealApertureRadar，GB-RAR）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析推導(dǎo)，得到橋梁的沉降變形時(shí)間序列，并通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行了驗(yàn)證，精度優(yōu)于0.27mm。通過(guò)功率譜分析和最大似然估計(jì)，去除彩色噪聲比不考慮彩色噪聲影響的變形監(jiān)測(cè)信息更準(zhǔn)確，與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果更加吻合。研究結(jié)果表明，該方法在本次工作中具有可靠性和有效性，橋梁在監(jiān)測(cè)期內(nèi)穩(wěn)定安全。

關(guān)鍵詞：高速鐵路沉降變形監(jiān)測(cè)地基真孔徑雷達(dá)

ResearchonDeformationMonitoringofHigh-SpeedRailwayBridgeonGB-RAR

ZHAOYuzhang

ShanghaiTonglanSurveyCo.，Ltd.，Shanghai，201315China

Abstract：Ground-BasedRealApertureRadar（GB-RAR）deformationinformationestimationmethodisproposedinthisarticle，anditisappliedtothesafetymonitoringandanalysisofashieldtunnelundertheEbridgeofasubwaylineinShanghai.ThesettlementdeformationtimeseriesofthebridgeisanalyzedandderivedbasedonGB-RAR，anditisverifiedbylevelingmeasurementatanaccuracybetterthan0.27mm.ByusingPowerSpectrumAnalysisandMaximumLikelihoodEstimation，removingcolornoiseismoreaccuratethannotconsideringtheinfluenceofcolornoiseondeformationmonitoringinformation，andismoreconsistentwithlevelingmeasurementresults.Theresearchresultsshowsthatthereliabilityandeffectivenessofthemethodinthiswork，andthebridgeisstableandsafeduringthemonitoringperiod.

KeyWords：High-speedrailway;Settlement;Deformationmonitoring;Ground-BasedRealApertureRadar

高速鐵路橋梁的變形監(jiān)測(cè)與分析對(duì)早期安全評(píng)估和采取有效的防護(hù)措施具有重要意義[1]。橋梁的動(dòng)力特性評(píng)價(jià)有助于解釋橋梁變形的原因，為橋梁的施工和運(yùn)營(yíng)提供指導(dǎo)。各種傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法已廣泛應(yīng)用于橋梁安全評(píng)估和預(yù)警，包括水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS、傳感器測(cè)量和加速度測(cè)量。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法準(zhǔn)確可靠，但通常通過(guò)獲取和分析橋梁上某些特征點(diǎn)的變化來(lái)評(píng)估橋梁的安全性，因此很難實(shí)現(xiàn)橋梁的整體變形監(jiān)測(cè)和分析[2]。

干涉合成孔徑雷達(dá)（InterferometrySyntheticApertureRadar，InSAR）是一種非接觸測(cè)量方法，可以有效地監(jiān)測(cè)和分析橋梁變形。InSAR技術(shù)具有非接觸、空間分辨率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以克服傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方法的局限性。然而，由于InSAR技術(shù)衛(wèi)星平臺(tái)的局限性（如時(shí)間分辨率低和幾何失真），難以實(shí)現(xiàn)高精度的橋梁動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)。

為了克服InSAR的缺點(diǎn)，本文提出了一種基于地面的雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)可以在距離傳感器數(shù)千米的范圍內(nèi)對(duì)被監(jiān)測(cè)物體的微小變形（約0.01mm）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)地基雷達(dá)成像原理和成像系統(tǒng)的不同，地基雷達(dá)分為地基真孔徑雷達(dá)（Ground-BasedRealApertureRadar，GB-RAR）和地基合成孔徑雷達(dá)（Ground-BasedSyntheticApertureRadar，GB-SAR）兩種類(lèi)型。GB-RAR技術(shù)具有測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)采樣頻率高、多點(diǎn)同時(shí)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)測(cè)要求，可選擇最有利的監(jiān)測(cè)方位對(duì)待監(jiān)測(cè)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，GB-RAR技術(shù)自提出以來(lái)，在橋梁變形監(jiān)測(cè)與分析中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

以前的大多數(shù)研究都認(rèn)為變形時(shí)間序列中只存在白噪聲。在從地基干涉雷達(dá)的高頻數(shù)據(jù)中提取變形信息時(shí)，雷達(dá)信號(hào)中存在白色（與時(shí)間無(wú)關(guān)）和彩色（與時(shí)間相關(guān)）噪聲。當(dāng)?shù)鼗缮胬走_(dá)采用高頻模式監(jiān)測(cè)變形時(shí)，雷達(dá)信號(hào)會(huì)同時(shí)受到白色和彩色噪聲的影響[4]。本文提出了一種考慮有色噪聲影響的GB-RAR變形信息估計(jì)方法。采用GB-RAR技術(shù)對(duì)上海某盾構(gòu)隧道下穿E大橋的沉降變形變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，提取了監(jiān)測(cè)期間主墩變形的時(shí)間序列。此外，通過(guò)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了GB-RAR數(shù)據(jù)得出的沉降時(shí)間序列結(jié)果。采用功率譜密度（PowerSpectralDensity，PSD）分析和最大似然估計(jì)（MaximumLikelihoodEstimation，MLE）方法，對(duì)基于雷達(dá)數(shù)據(jù)推導(dǎo)的沉降時(shí)間序列中的噪聲特性進(jìn)行了分析，準(zhǔn)確提取E大橋的變形信息，為大橋的安全評(píng)估提供了可靠的依據(jù)。

1項(xiàng)目實(shí)例概述

1.1E大橋概況

E大橋是上海市某高速鐵路上的一座橋梁，位于E開(kāi)發(fā)區(qū)。E大橋橫跨某地鐵線路。該橋共有10個(gè)橋墩，為簡(jiǎn)支梁橋，長(zhǎng)度293.4m，跨度32.6m。該橋樁頂距地面約2.5m。7號(hào)墩和8號(hào)墩的每個(gè)樁頂由8根直徑為1m的鉆孔樁組成，樁長(zhǎng)分別為18.5m和19.0m。隧道底部直徑分別比橋梁樁低1.0m和0.5m。7號(hào)墩和8號(hào)墩的橋樁與地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的水平距離分別為10.2m和13.5m。2023年11月17日—18日，地鐵線盾構(gòu)隧道通過(guò)E大橋。在地鐵隧道穿越過(guò)程中，高鐵列車(chē)通過(guò)施工路段的速度限制在120km/h，以確保盾構(gòu)機(jī)能夠安全穩(wěn)定地穿越E大橋。

1.2監(jiān)測(cè)方案與施測(cè)

采用GB-RAR和精密水準(zhǔn)測(cè)量?jī)煞N監(jiān)測(cè)方法對(duì)地鐵線跨越E大橋時(shí)的沉降變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，GB-RAR變形監(jiān)測(cè)采用IBIS-S系統(tǒng)，干涉雷達(dá)安裝在穩(wěn)定位置（如圖1所示）。在監(jiān)測(cè)期間，干涉雷達(dá)采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式，最大監(jiān)測(cè)距離設(shè)置為200m，采樣頻率設(shè)置為20Hz。圖2為IBIS-S干涉雷達(dá)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景和雷達(dá)視線方向上的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。

采用二階水準(zhǔn)儀對(duì)橋梁沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在每個(gè)橋墩上布置4個(gè)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于水準(zhǔn)測(cè)量的精密殷鋼水準(zhǔn)桿條形碼直接粘貼在橋墩上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以盡可能減少測(cè)量誤差，保護(hù)橋墩不受損壞[5]。水準(zhǔn)測(cè)量的監(jiān)測(cè)時(shí)間與雷達(dá)監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)時(shí)間相同，但水準(zhǔn)測(cè)量的時(shí)間間隔為2h。

2E大橋沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1基于GB-RAR獲得的結(jié)算時(shí)間序列

圖3顯示了IBIS-S干涉儀雷達(dá)視線方向的功率分布。在圖3中，多個(gè)峰值在雷達(dá)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，這些峰值對(duì)應(yīng)于電磁反射率良好的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如橋墩）的位置。為了評(píng)估盾構(gòu)穿越E大橋時(shí)的安全狀況，對(duì)7號(hào)和8號(hào)盾構(gòu)的沉降時(shí)間序列和沉降率進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析。7號(hào)和8號(hào)橋墩的信噪比分別為71.5dB和54.2dB，表明監(jiān)測(cè)橋墩的相位穩(wěn)定性較高。

使用幾何投影方法來(lái)獲得橋墩的沉降變形，因?yàn)镚B-RAR技術(shù)只能獲得雷達(dá)視線方向的變形[6]。鑒于E大橋是一座重要的高速鐵路橋梁，在監(jiān)測(cè)期間，每10min就有一列列車(chē)高速通過(guò)。因此，橋墩受到高速列車(chē)運(yùn)行的垂直荷載和盾構(gòu)機(jī)振動(dòng)的影響。大氣變化和其他隨機(jī)噪聲也會(huì)對(duì)雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生影響。由于上述原因，基于GB-RAR技術(shù)獲得的沉降觀測(cè)值序列受到各種噪聲的嚴(yán)重影響。

采用小波分析方法對(duì)7號(hào)墩和8號(hào)墩沉降時(shí)間序列進(jìn)行降噪處理。小波去噪后，7號(hào)墩和8號(hào)墩的沉降時(shí)間序列呈非線性下降趨勢(shì)?；贕B-RAR技術(shù)獲得的7號(hào)和8號(hào)橋墩沉降時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.19mm和0.18mm，GB-RAR技術(shù)的沉降監(jiān)測(cè)精度通常較高。

2.2GB-RAR沉降成果與水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析

本節(jié)將水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果與GB-RAR結(jié)果進(jìn)行了比較和分析，以證明使用GB-RAR技術(shù)獲得的沉降時(shí)間序列結(jié)果的可靠性?？紤]GB-RAR獲得的是高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)，水準(zhǔn)測(cè)量的采樣間隔為2h，在進(jìn)行對(duì)比分析之前，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：（1）選擇兩種方法時(shí)間重疊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；（2）從GB-RAR獲得的沉降時(shí)間序列中提取與水準(zhǔn)測(cè)量采樣時(shí)間相同的沉降。

GB-RAR技術(shù)和水準(zhǔn)測(cè)量獲得的沉降時(shí)間序列具有良好的一致性。對(duì)兩種方法之間的差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。在7號(hào)橋墩中，GB-RAR與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果之間的平均誤差為-0.05mm，均方根誤差為0.20mm，最大差值為0.40mm，最小差值為0.01mm。8號(hào)橋墩的平均誤差、均方根誤差、最大差值和最小差值分別為?0.12mm、0.27mm、0.55mm和0.01mm。綜上所述，采用GB-RAR技術(shù)得到的沉降結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果一致。此外，通過(guò)使用GB-RAR和地鐵盾構(gòu)隧道下的水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)，可以滿足E大橋的安全監(jiān)測(cè)要求。

2.3沉降率估算與結(jié)果分析

在考慮彩色噪聲的影響后，估計(jì)結(jié)果更加準(zhǔn)確。根據(jù)盾構(gòu)隧道過(guò)橋監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度，計(jì)算橋墩累計(jì)沉降量?？紤]有色噪聲的影響，GB-SAR變形信息估計(jì)方法估計(jì)的7號(hào)和8號(hào)橋墩的累積沉降分別為-0.40mm和-0.16mm。通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量法獲得的7號(hào)和8號(hào)橋墩的累積沉降分別為?0.39mm和?0.32mm。7號(hào)墩比8號(hào)墩更靠近地鐵隧道，這可能是7號(hào)墩積累的沉降量比8號(hào)橋墩多的主要原因之一。綜上所述，地鐵11號(hào)線盾構(gòu)隧道通過(guò)E大橋時(shí)，7號(hào)和8號(hào)橋墩的沉降率較小，兩個(gè)橋墩的累計(jì)沉降均在1mm以?xún)?nèi)，滿足中國(guó)鐵路總公司的安全評(píng)估要求。盾構(gòu)隧道通過(guò)E大橋期間，E大橋橋墩的累計(jì)沉降控制在1mm以?xún)?nèi)。

3結(jié)論

本工作采用GB-RAR技術(shù)對(duì)上海某地鐵線路盾構(gòu)隧道下穿E大橋進(jìn)行了安全監(jiān)測(cè)研究。提出了一種考慮彩色噪聲影響的GB-RAR變形信息估計(jì)方法。利用所提出的估算方法，得到了監(jiān)測(cè)期內(nèi)E大橋沉降監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確結(jié)果。主要結(jié)果如下。

（1）通過(guò)小波分析算法去噪后，在7號(hào)和8號(hào)橋墩的沉降變形時(shí)間序列中檢測(cè)到白色和彩色噪聲，根據(jù)7號(hào)和8號(hào)橋墩的下沉?xí)r間序列，估計(jì)每個(gè)序列的彩色噪聲譜指數(shù)約為?1。

（2）E大橋7號(hào)和8號(hào)橋墩沉降時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.19mm和0.18mm，表明地基干涉雷達(dá)的監(jiān)測(cè)精度較高。水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果用于驗(yàn)證GB-RAR技術(shù)獲得的沉降結(jié)果。7號(hào)墩和8號(hào)墩的均方根誤差分別為0.20mm和0.27mm。結(jié)果表明，GB-RAR技術(shù)可以有效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)橋梁安全監(jiān)測(cè)。

（3）在各種噪聲的影響下，基于GB-RAR技術(shù)得到的橋墩沉降變化呈現(xiàn)非線性沉降?；诳紤]有色噪聲影響的GB-RAR變形信息估計(jì)方法，7號(hào)和8號(hào)橋墩的估計(jì)沉降率分別為（-0.0112±0.0026）mm、（-0.0046±0.0053）mm/h。相應(yīng)的累積沉降為?0.40mm和?0.16mm。通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量法獲得的7號(hào)和8號(hào)橋墩的累積沉降分別為?0.39mm和?0.32mm。兩種方法的結(jié)果一致，滿足安全評(píng)價(jià)要求。盾構(gòu)機(jī)在ELH橋下穿越時(shí)，橋墩的累積沉降必須小于1mm。

本文提出的方法不僅可用于橋梁的變形監(jiān)測(cè)和分析，也可用于其他監(jiān)測(cè)對(duì)象（如超高層建筑、大壩、滑坡）的變形監(jiān)測(cè)與分析。在接下來(lái)的研究工作中，將分析GB-RAR變形時(shí)間序列噪聲與變形信息之間的關(guān)系，研究削弱有色噪聲的相關(guān)濾波方法，進(jìn)一步提高變形結(jié)果的可靠性。

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