地基InSAR技術在昌吉贛高速鐵路路基邊坡監測中的應用研究

饒 雄

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

近年來，隨著我國城鎮化水平提高以及城市群發展，國家大力建設高速鐵路，以提高城際間交通運輸速度和能力。受山區特殊地形地貌、水文地質以及人類活動等諸多因素的影響，我國中西部地區高鐵建設過程中極易發生邊坡失穩、山體滑坡，直接關系到高鐵施工和運營安全［1］。當前，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新的問題，甚至會加劇滑坡［2］。因此在高鐵邊坡抗滑樁工程施工中對邊坡進行精細監測十分必要，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，邊坡形變監測技術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［3-4］；（2）以全球定位系統、星載雷達、機載雷達等為代表的空間觀測技術［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測技術［7-11］。針對地面復雜的監測條件、測量方式以及觀測精度的需求，許多測量手段無法滿足當前的工程需求。地基InSAR技術是一種遠程微變形監測技術，通過步進頻率連續波技術沿著軌道運動不斷發送和接受微波信號，利用合成孔徑雷達技術和干涉測量技術獲取其形變信息。地基InSAR可對目標區域進行24 h無間斷的連續觀測，最大監測距離約為4 km，其形變監測精度可以達到0.1 mm［12］，目前地基InSAR廣泛應用于邊坡、山體滑坡、地面沉降、冰川、大壩等變形監測［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變形的問題，本文采用地基InSAR技術對抗滑加固后的邊坡穩定性進行高精度監測試驗。在邊坡監測數據采集和處理后，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觀測原理與關鍵技術

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

2.1 步進頻率連續波技術（SFCW）

步進頻率連續波技術［17］就是雷達向目標區域連續發射一組載頻均勻步進的窄帶寬脈沖，用其載頻相應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果，從而實現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

對同一地區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換為相應的距離變化值，即目標體的位移變化量。

地基InSAR傳感器對監測目標進行連續采樣成像，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測試驗

3.1 測區概況

本文選擇昌吉贛高鐵某邊坡開展地基In-SAR監測試驗，該邊坡（見圖1）位于江西省吉安市境內，其周邊區域屬于丘陵地帶，植被茂盛，地表覆蓋黃褐色粉質黏土和青灰色泥巖。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，邊坡已經出現了滑坡現象，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和抗滑樁。通過圖2可以發現，隨著工程活動的加劇和自然條件的影響，防護網已出現裂縫，抗滑樁也產生了不同程度的位移。

圖1 高鐵邊坡

圖2 防護網裂縫

為了保證高鐵軌道的正常施工，評測邊坡的穩定性，本文利用地基 InSAR系統對其進行形變監測。

3.2 數據采集及處理

2017年9月8日至2017年9月15日采用地基InSAR系統對高鐵邊坡進行了長達8 d的連續觀測。首先，將地基InSAR設備IBIS-FL安置在合適的位置，并利用設備自帶軟件IBISDV進行初步分析，以此協助設備觀測參數的反復調制，確保儀器能夠更好地監測邊坡形變信息。然后，根據設備位置和方位，合理擺放角反射器，如圖3地基In-SAR數據采集現場中白色點所示。最后，對邊坡進行長時序觀測，本次實驗共獲取1994景SAR圖像，主要觀測參數見表 1。數據采集過程中，大型作業機器多次在觀測區域內長時間作業，對數據質量產生了一定影響。

圖3 IBIS-FL地基InSAR數據采集現場

_表1 IBIS-FL的主要觀測參數

在數據采集后，如圖4所示，需要對雷達數據進行預處理，主要包括雷達圖像配準［18］、雷達干涉測量、相位濾波、大氣效應改正［19］等，最終計算得到邊坡形變結果。選取合適的估計信噪比、相干系數、相位穩定性等參數，對雷達數據進行閾值選取，得到滿足干涉處理要求的數據。此外，地基InSAR的雷達波在傳播過程中會受到大氣的影響導致一定程度上的偏移。因此需要在研究區域選取合適的穩定點布設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，最終得到研究區形變場（視線向）。

圖4 地基InSAR形變監測數據處理流程

4 結果與討論

4.1 數據質量分析

評價地基InSAR數據質量的關鍵參數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；相干性代表數據之間關聯性，相干性越高代表數據質量越好。圖5為邊坡區域的信號反射強度，通過反射強度圖可以發現：

圖5 反射強度

（1）滑坡主要部分的信號反射強度較高，數據質量較好，這將為提取滑坡形變奠定了基礎。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。

（2）整個反射強度圖分為上、中、下三部分，與實際邊坡三級構造相對應，由于邊坡每級存在過道，在反射強度圖上沒有回波信號，因此產生明顯的空隙。圖5中方框內的信號強度明顯比其他區域低，是因為在數據采集的過程中，有大型作業車在觀測區域內長期作業，影響了地基InSAR接受回波信號，導致被作業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，數據質量良好。

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車的反射區域，遮擋了部分邊坡反射信號，大型作業車施工作業對觀測區域產生了較大的影響，觀測區域反射強度發生明顯變化。因此將本次實驗分為兩部分研究有助于進一步分析數據結果。

圖6 9月8日至12日反射強度解譯結果

圖7 9月12日至16日反射強度解譯結果

從圖8研究區形變場中可看出，在未施工前，整個區域在地基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象。研究區域內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，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定。從圖9可以看出，在施工后，觀測區域內形變情況發生劇烈變化，大部分區域呈現負位移，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9月8日至12日形變場（視線向）

對比施工前后的形變結果可以發現，研究區域形變速率從正到負，主要是由于受到了大型作業機的干擾。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是形變較大區域的點，P4～P6是穩定區域的典型點，P7～P10是角反射器的位置?？梢钥吹椒€定區域的P4～P6點最大形變量不超過2 mm，較為穩定，與目標區域的形變場結果吻合。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。通過對比穩定區域點的時間序列與溫度變化趨勢，可以發現其形變量與溫度呈正相關，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測量結果對比

為了檢驗地基InSAR的測量精度，在觀測區域內布設了10個全站儀的靶標，持續采集數據，圖11所示為棱鏡分布位置［20］。全站儀于每天傍晚6點采集數據，采樣間隔為24 h，共采集5期數據。

通過選擇形變場中棱鏡的位置，分析棱鏡所在區域的時間序列可以得到地基InSAR中棱鏡所在區域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果進行對比，可以發現地基InSAR中標靶的形變量集中在2 mm左右，而全站儀的結果主要集中在1 mm左右。此次地基InSAR的觀測結果與全站儀測量結果總體上較為吻合，但全站儀結果略微偏小，主要原因包括：

圖11 棱鏡分布位置

_表2 地基InSAR與全站儀監測結果的比較

（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域監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 總結與展望

本文利用地基InSAR技術對昌吉贛高速鐵路建設期間某邊坡穩定性進行了監測評估，結果表明：（1）在雷達掃描距離、入射角等參數合理設置情況下，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測期間變形趨勢較為平緩，大部分形變累積量在3 mm以內，部分區域形變累積量達到5～6 mm，說明該邊坡整體相對穩定；（3）地基In-SAR與全站儀監測結果較為吻合，但相比全站儀單點位移觀測相比，地基InSAR技術具有監測范圍大、時間和空間分辨率高等優勢，可以更好地監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定性監測和評估方面具有廣泛的應用前景。