基于GB-InSAR技术黄土地区铁路工程边坡综合监测技术

杨 春 川藏铁路有限公司

我国是世界上黄土分布最广的国家之一，分布面积约占国土陆地面积6.8%，主要分布于我国西北、华北地区等干早、半干早地区，其中，湿陷性黄土占总分布区的3/4。黄土滑坡是特定环境下的一种自然和人为灾害， 地形地貌、地质构造、地层岩性、岩土体结构特性、新构造活动及地下水等条件是影响其发生、发展的主要地质因素， 而大气降水及爆破、人工开挖的人类工程活动等非地质因素对斜坡的变形破坏也起着重要的诱发作用。

随着我国经济社会的发展，黄土地区铁路工程建设越来越多，铁路工程诱发的黄土工程滑坡也越来越多，如何对铁路路堑边坡进行监测，依据监测数据评价边坡的稳定性，对滑坡进行预警预报成为研究的重点和难点。传统的深部位移测斜方法不仅需要在边坡上钻孔，而且布点比较分散，而GB-InSAR 技术只能监测表面位移。本文以林家坪滑坡为例，尝试将GB-InSAR 地表监测和深部位移监测技术结合起来对滑坡体进行综合监测，获得滑坡整体发展变化趋势，掌握滑坡稳定状态特征和变形发展规律，从而避免或减轻边坡在铁路施工及运营期间可能产生的危害和损失。

1 研究背景

1.1 工程概况

林家坪滑坡位于吕梁至临县（孟门）铁路（吕梁至三交段）路堑右侧边坡，2013 年 10 月至 2013 年 12 月 14 日总计完成挖方约45 万方，12 月14 日边坡右侧山顶出现两条环形裂缝，12月18日发生工程滑坡。

滑坡发展初期表现为2 条后缘裂缝贯通，主裂缝长度300 m，宽度0.6 cm～28 cm，台阶高度1 cm～40 cm；次主裂缝长度260 m，宽度0.5 cm～7 cm，台阶高度0 cm～7 cm，前缘少见剪切裂缝。滑坡活动后，受黄土中垂直节理的影响，后缘主裂缝处发展为最大高差约15m 的陡壁，两条主裂缝间形成滑坡楔形陷落洼地，滑体内裂缝纵横交错，土体被切割为0.1 m～3 m 块状，滑体中下部显现纵张裂缝，路堑开挖面土体挤（鼓）出，最大移动距离15 m。

1.2 地形地貌

滑坡区为山前黄土缓坡地带，沟谷发育，南东侧为湫水河，地形单倾，西高东低，表覆黄土，局部基岩出露。区内岩层产状330°∠10°，岩层平缓。

1.3 地层岩性及地质构造

主要地层为新黄土，浅黄色，硬塑，具湿陷性；老黄土褐红色，硬塑，夹姜石；粗圆砾土：褐红色，灰白色，潮湿，中密～密实；砂岩，灰黄色、灰白色，砂质结构，中厚层状，层状构造，强风化～弱风化，岩层产状330°∠10°；泥岩，紫红色、红褐色，泥质结构，中薄层状，层状构造，强～弱风化，具弱膨胀性。

滑坡区域地质构造简单，为稳定的缓倾单斜构造。

1.4 气象及水文条件

滑坡区属温带大陆性气侯区；历年最大降水量662 mm。历年最大蒸发量2618.9 mm，最大风速20.7 m/s，风向WNW，最大积雪厚度15 cm。

大气降水多以线流、片流由坡体自高而下排泄，未见地表水体或溪沟水流，沙垣村南东侧为湫水河，勘测期间水面宽10 m～20 m，水深0.1 m～0.6 m。勘测期间地下水情况：地下水埋深3.7 m～27 m。

地震动峰值加速度0.05 g，土壤最大冻结深度1.04 m。

1.5 边坡设计概况

线路以挖方形式通过，路堑边坡坡率及平台：第一级边坡坡率1：1.0，第二边坡坡率1：1.5，第三级边坡坡率1：2.0，边坡每级8 m 高，级间交错设3 m 宽平台，三级边坡以上预留8.0 m宽大平台。

2 监测方案

综合考虑现场环境、工程阶段、坡体加固措施等因素，本工程主要对地表变形、深部位移、地下水位等项目进行监测，本文只对地表变形和深部位移进行分析。地表变形监测：采用地基雷达干涉测量技术（GB-InSAR）监测。边坡深部位移监测：采用定点式测斜仪对坡体深部水平位移进行监测。

本段路堑边坡共布设5 个监测断面11 个深部位移监测孔共计69 支固定式测斜仪；地面变形监测：地基雷达干涉（GB-InSAR）监测面积90 000 m2，监测10 次；坡面倾斜仪11个，1支水位计和1套雨量计(见图1）。

5 个监测断面分别为改MDⅡK53+400、+450、+500、+550和+600断面。

图1 深部位移监测设计图

监测频次：地基雷达干涉监测为5 次；其他测试（深部位移监测、坡面倾斜、水位、雨量等）均为自动采集，前三个月每天采集1次，以后根据坡体稳定状态每2～3天采集一次。

3 滑坡监测实施

3.1 地基雷达干涉测量技术（GB-INSAR）

3.1.1 观测墩施工

（1）观测墩一般为钢筋混凝土结构，可分为基岩观测墩、土层观测墩两类。

（2）对于基岩观测墩，内部钢筋与基岩紧密浇注，浇注深度不少于0.5 m；

（3）观测墩位于地面时，与地面接合四周应做不低于5 cm左右的隔振槽，内填粗沙，避免振动带来的影响。

3.1.2 建立GB_InSAR观测站

GB_InSAR 站的结构基本上是基于网络终端的，主要设备间的连接与通讯是观测站设计中的核心部分，其可靠性和稳定性往往决定了整个系统的性能与可靠性。具体步骤如下：

（1）安置IBIS-M设备的线性扫面单元；

（2）根据实地情况安置数据采集单元，设置合适的观测角度；

（3）连接数据采集单元、能量供给单元和数据记录和处理单元之间的电缆和数据线，注意接头处防潮和防盐处理；

（4）连接摄像头、气象设备、无线设备和数据记录和处理单元之间的数据线，在无线设备和数据记录和处理单元前，加装避雷器；

（5）通过不间断电源UPS 给IBIS-M 设备、计算机和通讯装置供电，保证市电断开时，设备能够正常工作；

（6）安装GB_InSAR 软件，通过计算机设置IBIS-M 数据采集单元的主要观测参数：采样时间、预警阈值等；

（7）GB_InSAR 数据实时记录到存储设备上，同时在计算机备份最新的7天数据；

（8）通讯网络根据系统指令，自动传输存储设备上的原始数据至数据中心；

（9）GB_InSAR 观测墩与临近的GPS 基准站需要进行水准联测。确保GB_InSAR观测墩的稳定性。

3.2 深部位移监测

（1）钻孔

依据设计方案定位监测点位置，按要求钻孔并取芯，钻孔孔径108 mm。

（2）安装测斜管及仪器

测斜管长度分为2 m／根，4 m／根两种，钻孔完成后一根一根接到设计长度，连接位置采用套接，用铆钉锚固。测斜管管底高程与桩底高程一致，管顶安装管帽，防止雨水进入，测斜管材料、孔径及性能等满足变形测量需求。

（3）挖沟走线

使用电缆将各个监测点串联起来，电缆用钢丝软管进行保护，对于已经完成浆砌片石护坡的地段，用钢板扣槽，水泥钉锚固；对于尚未防护的平台坡面，挖沟将电缆埋于地下，用水泥填平压实。

（4）自动采集系统

安装智能数据采集模块、太阳能电池组及支架、制作支架，浇注混凝土底座，固定接收设备等工作。

4 监测数据分析

4.1 地表变形监测分析

使用微波干涉仪对山西吕梁林家坪段铁路边坡进行监测，采用Ku波段(16.02 GHz)雷达传感器，生成、传输和接受雷达波；铝合金滑轨长2.6 m，在步进马达的控制下，雷达传感器在其上面滑动。雷达基本参数如表下：

（1）中心频率：16.02 GHz；

（2）雷达轨道长度：2.5 m；

（3）距离向分辨率：0.48 m；

（4）带宽：320 MHz；

（5）雷达扫描距离：50 m-250 m；

（6）方位向分辨率：4m@1 km。

利用上述合成孔径雷达，分别于1月、4月、5月、7月、8月进行了5次扫描，得到5组共2000多景数据，每组数据相邻两景之间扫描间隔约为2 min。

数据分析和结论：

首先对五期数据进行筛选，每期选择五项质量较好且间隔时间相同的数据；接着各期数据之间相互组成干涉对，得到干涉图和强度图；对干涉图像进行滤波解析，利用模型对大气延迟进行改正，得到最终累计形变数据，如图2所示。

图2 时间序列累计形变量

可以看出，可监测区域主要集中在边坡支护体上，综合5期数据可知，边坡支护结构地表变形累积2.3 mm 以内，边坡体比较稳定。

4.2 深部位移监测分析

图3 典型深度-累计位移图

林家坪滑坡共布设5 个监测断面，每个监测断面2～3 个监测点，孔内埋设固定测斜仪监测边坡的X、Y 方向的位移情况，平面位置如图3所示。

监测工作自2014 年10 月进场开始，2014 年12 月完成埋设，埋设完成后即开始监测，深部位移监测频率为一天一次，截至2017 年10 月，监测断面孔典型深度-累计位移如图3 所示。

表1 各监测点累积最大位移统计表（截至2017年6月）

由表1 可以看出，最大累积位移为14 mm，变形超过10 mm的测点占总监测点数量的18%，其余监测点最大累积位移基本在10 mm 以内；由各个监测点深度－累积位移曲线图来看，边坡存在一定的蠕动变形，蠕动变形速率基本在3 mm/年以内，路堑边坡滑向位移量在正常范围内，抗滑桩治理滑坡效果良好，边坡整体处于稳定状态。

5 结论及建议

（1）地基孔径雷达（GB-InSAR）技术与常规测量方式比，该技术具有高的空间分辨率和测量精度，实现与地形无关的差分干涉技术，能够获得多时相形变图和形变速图，反映边坡的整体位移趋势，但由于其受坡体植被、工程施工等外界干扰因素较多，实际应用中排除噪声数据难度较大。

（2）通过深部位移监测结果可以看出，林家坪滑坡最大累积位移超过10 mm 的占总监测点数量的18%，其余监测点最大累积位移基本在10 mm 以内；由各个监测点深度－累积位移曲线图来看，边坡存在一定的蠕动变形，蠕动变形速率基本在3 mm/年以内，路堑边坡滑向位移量在正常范围内，边坡整体处于稳定状态。

（3）将地基孔径雷达技术与深部位移监测相结合对滑坡体进行地表和地下的综合监测，相互验证，取长补短，可以达到实时获得滑坡整体发展变化趋势，掌握滑坡稳定状态特征和变形发展规律的目的。