基于GB-InSAR技術黃土地區鐵路工程邊坡綜合監測技術

楊 春 川藏鐵路有限公司

我國是世界上黃土分布最廣的國家之一，分布面積約占國土陸地面積6.8%，主要分布于我國西北、華北地區等干早、半干早地區，其中，濕陷性黃土占總分布區的3/4。黃土滑坡是特定環境下的一種自然和人為災害， 地形地貌、地質構造、地層巖性、巖土體結構特性、新構造活動及地下水等條件是影響其發生、發展的主要地質因素， 而大氣降水及爆破、人工開挖的人類工程活動等非地質因素對斜坡的變形破壞也起著重要的誘發作用。

隨著我國經濟社會的發展，黃土地區鐵路工程建設越來越多，鐵路工程誘發的黃土工程滑坡也越來越多，如何對鐵路路塹邊坡進行監測，依據監測數據評價邊坡的穩定性，對滑坡進行預警預報成為研究的重點和難點。傳統的深部位移測斜方法不僅需要在邊坡上鉆孔，而且布點比較分散，而GB-InSAR 技術只能監測表面位移。本文以林家坪滑坡為例，嘗試將GB-InSAR 地表監測和深部位移監測技術結合起來對滑坡體進行綜合監測，獲得滑坡整體發展變化趨勢，掌握滑坡穩定狀態特征和變形發展規律，從而避免或減輕邊坡在鐵路施工及運營期間可能產生的危害和損失。

1 研究背景

1.1 工程概況

林家坪滑坡位于呂梁至臨縣（孟門）鐵路（呂梁至三交段）路塹右側邊坡，2013 年 10 月至 2013 年 12 月 14 日總計完成挖方約45 萬方，12 月14 日邊坡右側山頂出現兩條環形裂縫，12月18日發生工程滑坡。

滑坡發展初期表現為2 條后緣裂縫貫通，主裂縫長度300 m，寬度0.6 cm～28 cm，臺階高度1 cm～40 cm；次主裂縫長度260 m，寬度0.5 cm～7 cm，臺階高度0 cm～7 cm，前緣少見剪切裂縫。滑坡活動后，受黃土中垂直節理的影響，后緣主裂縫處發展為最大高差約15m 的陡壁，兩條主裂縫間形成滑坡楔形陷落洼地，滑體內裂縫縱橫交錯，土體被切割為0.1 m～3 m 塊狀，滑體中下部顯現縱張裂縫，路塹開挖面土體擠（鼓）出，最大移動距離15 m。

1.2 地形地貌

滑坡區為山前黃土緩坡地帶，溝谷發育，南東側為湫水河，地形單傾，西高東低，表覆黃土，局部基巖出露。區內巖層產狀330°∠10°，巖層平緩。

1.3 地層巖性及地質構造

主要地層為新黃土，淺黃色，硬塑，具濕陷性；老黃土褐紅色，硬塑，夾姜石；粗圓礫土：褐紅色，灰白色，潮濕，中密～密實；砂巖，灰黃色、灰白色，砂質結構，中厚層狀，層狀構造，強風化～弱風化，巖層產狀330°∠10°；泥巖，紫紅色、紅褐色，泥質結構，中薄層狀，層狀構造，強～弱風化，具弱膨脹性。

滑坡區域地質構造簡單，為穩定的緩傾單斜構造。

1.4 氣象及水文條件

滑坡區屬溫帶大陸性氣侯區；歷年最大降水量662 mm。歷年最大蒸發量2618.9 mm，最大風速20.7 m/s，風向WNW，最大積雪厚度15 cm。

大氣降水多以線流、片流由坡體自高而下排泄，未見地表水體或溪溝水流，沙垣村南東側為湫水河，勘測期間水面寬10 m～20 m，水深0.1 m～0.6 m。勘測期間地下水情況：地下水埋深3.7 m～27 m。

地震動峰值加速度0.05 g，土壤最大凍結深度1.04 m。

1.5 邊坡設計概況

線路以挖方形式通過，路塹邊坡坡率及平臺：第一級邊坡坡率1：1.0，第二邊坡坡率1：1.5，第三級邊坡坡率1：2.0，邊坡每級8 m 高，級間交錯設3 m 寬平臺，三級邊坡以上預留8.0 m寬大平臺。

2 監測方案

綜合考慮現場環境、工程階段、坡體加固措施等因素，本工程主要對地表變形、深部位移、地下水位等項目進行監測，本文只對地表變形和深部位移進行分析。地表變形監測：采用地基雷達干涉測量技術（GB-InSAR）監測。邊坡深部位移監測：采用定點式測斜儀對坡體深部水平位移進行監測。

本段路塹邊坡共布設5 個監測斷面11 個深部位移監測孔共計69 支固定式測斜儀；地面變形監測：地基雷達干涉（GB-InSAR）監測面積90 000 m2，監測10 次；坡面傾斜儀11個，1支水位計和1套雨量計(見圖1）。

5 個監測斷面分別為改MDⅡK53+400、+450、+500、+550和+600斷面。

圖1 深部位移監測設計圖

監測頻次：地基雷達干涉監測為5 次；其他測試（深部位移監測、坡面傾斜、水位、雨量等）均為自動采集，前三個月每天采集1次，以后根據坡體穩定狀態每2～3天采集一次。

3 滑坡監測實施

3.1 地基雷達干涉測量技術（GB-INSAR）

3.1.1 觀測墩施工

（1）觀測墩一般為鋼筋混凝土結構，可分為基巖觀測墩、土層觀測墩兩類。

（2）對于基巖觀測墩，內部鋼筋與基巖緊密澆注，澆注深度不少于0.5 m；

（3）觀測墩位于地面時，與地面接合四周應做不低于5 cm左右的隔振槽，內填粗沙，避免振動帶來的影響。

3.1.2 建立GB_InSAR觀測站

GB_InSAR 站的結構基本上是基于網絡終端的，主要設備間的連接與通訊是觀測站設計中的核心部分，其可靠性和穩定性往往決定了整個系統的性能與可靠性。具體步驟如下：

（1）安置IBIS-M設備的線性掃面單元；

（2）根據實地情況安置數據采集單元，設置合適的觀測角度；

（3）連接數據采集單元、能量供給單元和數據記錄和處理單元之間的電纜和數據線，注意接頭處防潮和防鹽處理；

（4）連接攝像頭、氣象設備、無線設備和數據記錄和處理單元之間的數據線，在無線設備和數據記錄和處理單元前，加裝避雷器；

（5）通過不間斷電源UPS 給IBIS-M 設備、計算機和通訊裝置供電，保證市電斷開時，設備能夠正常工作；

（6）安裝GB_InSAR 軟件，通過計算機設置IBIS-M 數據采集單元的主要觀測參數：采樣時間、預警閾值等；

（7）GB_InSAR 數據實時記錄到存儲設備上，同時在計算機備份最新的7天數據；

（8）通訊網絡根據系統指令，自動傳輸存儲設備上的原始數據至數據中心；

（9）GB_InSAR 觀測墩與臨近的GPS 基準站需要進行水準聯測。確保GB_InSAR觀測墩的穩定性。

3.2 深部位移監測

（1）鉆孔

依據設計方案定位監測點位置，按要求鉆孔并取芯，鉆孔孔徑108 mm。

（2）安裝測斜管及儀器

測斜管長度分為2 m／根，4 m／根兩種，鉆孔完成后一根一根接到設計長度，連接位置采用套接，用鉚釘錨固。測斜管管底高程與樁底高程一致，管頂安裝管帽，防止雨水進入，測斜管材料、孔徑及性能等滿足變形測量需求。

（3）挖溝走線

使用電纜將各個監測點串聯起來，電纜用鋼絲軟管進行保護，對于已經完成漿砌片石護坡的地段，用鋼板扣槽，水泥釘錨固；對于尚未防護的平臺坡面，挖溝將電纜埋于地下，用水泥填平壓實。

（4）自動采集系統

安裝智能數據采集模塊、太陽能電池組及支架、制作支架，澆注混凝土底座，固定接收設備等工作。

4 監測數據分析

4.1 地表變形監測分析

使用微波干涉儀對山西呂梁林家坪段鐵路邊坡進行監測，采用Ku波段(16.02 GHz)雷達傳感器，生成、傳輸和接受雷達波；鋁合金滑軌長2.6 m，在步進馬達的控制下，雷達傳感器在其上面滑動。雷達基本參數如表下：

（1）中心頻率：16.02 GHz；

（2）雷達軌道長度：2.5 m；

（3）距離向分辨率：0.48 m；

（4）帶寬：320 MHz；

（5）雷達掃描距離：50 m-250 m；

（6）方位向分辨率：4m@1 km。

利用上述合成孔徑雷達，分別于1月、4月、5月、7月、8月進行了5次掃描，得到5組共2000多景數據，每組數據相鄰兩景之間掃描間隔約為2 min。

數據分析和結論：

首先對五期數據進行篩選，每期選擇五項質量較好且間隔時間相同的數據；接著各期數據之間相互組成干涉對，得到干涉圖和強度圖；對干涉圖像進行濾波解析，利用模型對大氣延遲進行改正，得到最終累計形變數據，如圖2所示。

圖2 時間序列累計形變量

可以看出，可監測區域主要集中在邊坡支護體上，綜合5期數據可知，邊坡支護結構地表變形累積2.3 mm 以內，邊坡體比較穩定。

4.2 深部位移監測分析

圖3 典型深度-累計位移圖

林家坪滑坡共布設5 個監測斷面，每個監測斷面2～3 個監測點，孔內埋設固定測斜儀監測邊坡的X、Y 方向的位移情況，平面位置如圖3所示。

監測工作自2014 年10 月進場開始，2014 年12 月完成埋設，埋設完成后即開始監測，深部位移監測頻率為一天一次，截至2017 年10 月，監測斷面孔典型深度-累計位移如圖3 所示。

表1 各監測點累積最大位移統計表（截至2017年6月）

由表1 可以看出，最大累積位移為14 mm，變形超過10 mm的測點占總監測點數量的18%，其余監測點最大累積位移基本在10 mm 以內；由各個監測點深度－累積位移曲線圖來看，邊坡存在一定的蠕動變形，蠕動變形速率基本在3 mm/年以內，路塹邊坡滑向位移量在正常范圍內，抗滑樁治理滑坡效果良好，邊坡整體處于穩定狀態。

5 結論及建議

（1）地基孔徑雷達（GB-InSAR）技術與常規測量方式比，該技術具有高的空間分辨率和測量精度，實現與地形無關的差分干涉技術，能夠獲得多時相形變圖和形變速圖，反映邊坡的整體位移趨勢，但由于其受坡體植被、工程施工等外界干擾因素較多，實際應用中排除噪聲數據難度較大。

（2）通過深部位移監測結果可以看出，林家坪滑坡最大累積位移超過10 mm 的占總監測點數量的18%，其余監測點最大累積位移基本在10 mm 以內；由各個監測點深度－累積位移曲線圖來看，邊坡存在一定的蠕動變形，蠕動變形速率基本在3 mm/年以內，路塹邊坡滑向位移量在正常范圍內，邊坡整體處于穩定狀態。

（3）將地基孔徑雷達技術與深部位移監測相結合對滑坡體進行地表和地下的綜合監測，相互驗證，取長補短，可以達到實時獲得滑坡整體發展變化趨勢，掌握滑坡穩定狀態特征和變形發展規律的目的。