饒 雄

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

近年來，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平提高以及城市群發(fā)展，國(guó)家大力建設(shè)高速鐵路，以提高城際間交通運(yùn)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(dòng)等諸多因素的影響，我國(guó)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(yùn)營(yíng)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(huì)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(duì)邊坡進(jìn)行精細(xì)監(jiān)測(cè)十分必要，這樣不僅能評(píng)估抗滑樁治理效果，也能及時(shí)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(cè)技術(shù)種類主要有以下幾種：（1）以水準(zhǔn)儀、全站儀等常用測(cè)量?jī)x器為主的單點(diǎn)觀測(cè)技術(shù)［3-4］；（2）以全球定位系統(tǒng)、星載雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)等為代表的空間觀測(cè)技術(shù)［5-6］；（3）以地面激光掃描儀和地基干涉雷達(dá)為主的新型地表監(jiān)測(cè)技術(shù)［7-11］。針對(duì)地面復(fù)雜的監(jiān)測(cè)條件、測(cè)量方式以及觀測(cè)精度的需求，許多測(cè)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(yuǎn)程微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)沿著軌道運(yùn)動(dòng)不斷發(fā)送和接受微波信號(hào)，利用合成孔徑雷達(dá)技術(shù)和干涉測(cè)量技術(shù)獲取其形變信息。地基InSAR可對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行24 h無間斷的連續(xù)觀測(cè)，最大監(jiān)測(cè)距離約為4 km，其形變監(jiān)測(cè)精度可以達(dá)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(cè)［13-16］。

針對(duì)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(duì)抗滑加固后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。在邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和處理后，對(duì)邊坡整體形變過程和趨勢(shì)進(jìn)行分析，并利用全站儀點(diǎn)位觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2 地基InSAR觀測(cè)原理與關(guān)鍵技術(shù)

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

2.1 步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)（SFCW）

步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)［17］就是雷達(dá)向目標(biāo)區(qū)域連續(xù)發(fā)射一組載頻均勻步進(jìn)的窄帶寬脈沖，用其載頻相應(yīng)的本振頻率與回波信號(hào)進(jìn)行混頻，再對(duì)混頻后的中頻信號(hào)做傅立葉反變換，即可得到目標(biāo)在距離向的結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)在距離向上的高分辨率。雷達(dá)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(dá)到0.5 m。

2.2 雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)

對(duì)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(dá)圖像進(jìn)行干涉處理，將得到的雷達(dá)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(biāo)體的位移變化量。

地基InSAR傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)采樣成像，通過相鄰影像信號(hào)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行干涉測(cè)量，計(jì)算目標(biāo)體的變形相位，從而計(jì)算變形量。設(shè)雷達(dá)波長(zhǎng)為λ，目標(biāo)兩次成像的相位差為Δφ，則雷達(dá)視線向（Light of Sight，LOS）變形d可見公式（2）：

通過相位差即可計(jì)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(cè)試驗(yàn)

3.1 測(cè)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(cè)試驗(yàn)，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(hù)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(jìn)度的正常開展，施工方對(duì)邊坡加固了防護(hù)網(wǎng)和抗滑樁。通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著工程活動(dòng)的加劇和自然條件的影響，防護(hù)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(hù)網(wǎng)裂縫

為了保證高鐵軌道的正常施工，評(píng)測(cè)邊坡的穩(wěn)定性，本文利用地基 InSAR系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)。

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(duì)高鐵邊坡進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)8 d的連續(xù)觀測(cè)。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(jìn)行初步分析，以此協(xié)助設(shè)備觀測(cè)參數(shù)的反復(fù)調(diào)制，確保儀器能夠更好地監(jiān)測(cè)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(chǎng)中白色點(diǎn)所示。最后，對(duì)邊坡進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序觀測(cè)，本次實(shí)驗(yàn)共獲取1994景SAR圖像，主要觀測(cè)參數(shù)見表 1。數(shù)據(jù)采集過程中，大型作業(yè)機(jī)器多次在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，對(duì)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(chǎng)

_表1 IBIS-FL的主要觀測(cè)參數(shù)

在數(shù)據(jù)采集后，如圖4所示，需要對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括雷達(dá)圖像配準(zhǔn)［18］、雷達(dá)干涉測(cè)量、相位濾波、大氣效應(yīng)改正［19］等，最終計(jì)算得到邊坡形變結(jié)果。選取合適的估計(jì)信噪比、相干系數(shù)、相位穩(wěn)定性等參數(shù)，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dá)波在傳播過程中會(huì)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(diǎn)布設(shè)角反射器作為參考點(diǎn)，對(duì)形變場(chǎng)中的每個(gè)像素進(jìn)行大氣擾動(dòng)改正，最終得到研究區(qū)形變場(chǎng)（視線向）。

圖4 地基InSAR形變監(jiān)測(cè)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(píng)價(jià)地基InSAR數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)為反射強(qiáng)度和相干性。其中反射強(qiáng)度反映了目標(biāo)體的反射能力，反射強(qiáng)度越大代表反射能力越強(qiáng)；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(hào)反射強(qiáng)度，通過反射強(qiáng)度圖可以發(fā)現(xiàn)：

圖5 反射強(qiáng)度

（1）滑坡主要部分的信號(hào)反射強(qiáng)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(biāo)記的強(qiáng)反射點(diǎn)為角反射器的回波信號(hào)，與角反射器在邊坡上的位置相對(duì)應(yīng)。

（2）整個(gè)反射強(qiáng)度圖分為上、中、下三部分，與實(shí)際邊坡三級(jí)構(gòu)造相對(duì)應(yīng)，由于邊坡每級(jí)存在過道，在反射強(qiáng)度圖上沒有回波信號(hào)，因此產(chǎn)生明顯的空隙。圖5中方框內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度明顯比其他區(qū)域低，是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)采集的過程中，有大型作業(yè)車在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)期作業(yè)，影響了地基InSAR接受回波信號(hào)，導(dǎo)致被作業(yè)車遮擋部分的邊坡回波信號(hào)較弱，此外邊坡大部分范圍的雷達(dá)波反射強(qiáng)度高，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

為了分析滑坡的局部運(yùn)動(dòng)特征，進(jìn)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(yùn)動(dòng)機(jī)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(hào)，大型作業(yè)車施工作業(yè)對(duì)觀測(cè)區(qū)域產(chǎn)生了較大的影響，觀測(cè)區(qū)域反射強(qiáng)度發(fā)生明顯變化。因此將本次實(shí)驗(yàn)分為兩部分研究有助于進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖6 9月8日至12日反射強(qiáng)度解譯結(jié)果

圖7 9月12日至16日反射強(qiáng)度解譯結(jié)果

從圖8研究區(qū)形變場(chǎng)中可看出，在未施工前，整個(gè)區(qū)域在地基InSAR視線方向上的位移趨勢(shì)在減小，說明在視線向存在滑動(dòng)現(xiàn)象。研究區(qū)域內(nèi)整體形變變化趨勢(shì)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(dá)到5～6 mm，說明在視線向上邊坡整體情況相對(duì)穩(wěn)定。從圖9可以看出，在施工后，觀測(cè)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(fù)位移，即靠近地基InSAR的方向移動(dòng)，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(chǎng)（視線向）

對(duì)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(fù)，主要是由于受到了大型作業(yè)機(jī)的干擾。為了單純地考慮邊坡形變情況，下文中的典型點(diǎn)分析只分析了施工前典型點(diǎn)的形變情況。

圖9 研究區(qū)9月12日至16日形變場(chǎng)（視線向）

為了進(jìn)一步研究邊坡的變形情況，本文選取了數(shù)個(gè)典型點(diǎn)來進(jìn)行時(shí)間序列分析，典型點(diǎn)分布如圖10所示。其中，P1～P3是形變較大區(qū)域的點(diǎn)，P4～P6是穩(wěn)定區(qū)域的典型點(diǎn)，P7～P10是角反射器的位置。可以看到穩(wěn)定區(qū)域的P4～P6點(diǎn)最大形變量不超過2 mm，較為穩(wěn)定，與目標(biāo)區(qū)域的形變場(chǎng)結(jié)果吻合。P1～P3中，P2點(diǎn)的形變最為明顯，其形變累計(jì)位移量達(dá)到6 mm左右，而P1、P3形變量次之。通過對(duì)比穩(wěn)定區(qū)域點(diǎn)的時(shí)間序列與溫度變化趨勢(shì)，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(cè)目標(biāo)越靠近儀器（視線向）。其主要原因是，溫度上升，觀測(cè)目標(biāo)膨脹，距離設(shè)備視線向上的距離變短。

圖10 P1～P6各點(diǎn)的位移時(shí)間序列變化

4.2 全站儀測(cè)量與地基InSAR測(cè)量結(jié)果對(duì)比

為了檢驗(yàn)地基InSAR的測(cè)量精度，在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)了10個(gè)全站儀的靶標(biāo)，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(diǎn)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(chǎng)中棱鏡的位置，分析棱鏡所在區(qū)域的時(shí)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(jì)變化量可以直接測(cè)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(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)地基InSAR中標(biāo)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(cè)結(jié)果與全站儀測(cè)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(cè)結(jié)果的比較

（1）地基InSAR計(jì)算形變量存在一定偏差，全站儀測(cè)量距離的精度為1 mm＋1 ppm，兩者測(cè)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(cè)量的是視線向上邊坡的形變情況，而全站儀觀測(cè)是靶標(biāo)點(diǎn)到點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(duì)昌吉贛高速鐵路建設(shè)期間某邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了監(jiān)測(cè)評(píng)估，結(jié)果表明：（1）在雷達(dá)掃描距離、入射角等參數(shù)合理設(shè)置情況下，地基InSAR雷達(dá)回波信號(hào)較強(qiáng)，并獲取了該邊坡毫米級(jí)微小形變場(chǎng)以及形變過程；（2）該抗滑樁加固邊坡在監(jiān)測(cè)期間變形趨勢(shì)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(dá)到5～6 mm，說明該邊坡整體相對(duì)穩(wěn)定；（3）地基In-SAR與全站儀監(jiān)測(cè)結(jié)果較為吻合，但相比全站儀單點(diǎn)位移觀測(cè)相比，地基InSAR技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍大、時(shí)間和空間分辨率高等優(yōu)勢(shì)，可以更好地監(jiān)測(cè)分析邊坡形變的空間特征及變化趨勢(shì)，因此在高速鐵路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和評(píng)估方面具有廣泛的應(yīng)用前景。