基于InSAR 技术的吕梁环城高速公路采空区变形监测

彭新华

（山西吕梁环城高速公路管理有限责任公司，山西 吕梁 033000）

0 引言

随着社会经济不断发展，为更好满足人们的出行需求，现阶段的高速公路附属工程如路面工程、隧道工程、桥梁工程、机电交安工程等逐渐占据重要作用，因此整个高速公路项目的修筑具有分布面广、跨度大、难度高等特性。在复杂地质地形区域进行公路修筑时，需要及时定期对工程进行监测处理，而传统的监测技术难以实现大范围、高精度的监测，同时会耗费大量的成本，不利于现有公路的监测开展。目前雷达干涉监测技术（InSAR）应用广泛，可实现大幅度、大范围、以点及面的监测效果。

1 InSAR 监测技术特点

InSAR 技术主要监测原理为两个同源相干但存在路径差的光源发射出的波束其光波相位不一致，可以增强或减弱波，经过照射后其面板上会显示出明暗相间的条纹，即为干涉条纹。InSAR 技术发射出的主要为相干电磁波，通过接收得到的地面图像同时兼具相位信息和幅度信息，其中相位信息受雷达天线与地面分辨率单元间的斜距所影响，且InSAR 技术是利用将同一区域面内的SAR 影像对应像素相位值经过抵消相减后突出干涉相位图，通过提取和分离来得出地面高程和地面形变相关信息。InSAR 监测系统通常可分为单天线系统和多天线系统，其中单天线系统是在特定区域进行重复观测，得到单视复数影像，具有一定的相干性，而多天线系统可以同时得到特定区域的主图像和辅图像，得到的数据相干性较高，但其对硬件设备的要求较高。

2 InSAR 监测技术工程应用

2.1 研究区域

项目示范区域为吕梁高速公路约38.188km 路段，重点监测沿线的边坡、高速公路高架桥和路基，包括边坡的变形、碎落、崩解、楔形体、掉皮、裂缝等病害以及地质地貌特征等，高架桥的桥面变形、隆起的差异沉降、累积沉降、裂缝的早期识别等，路基的沉降、隆起、裂缝、沉降路段长度、累积沉降量、沉降速率和趋势等。

2.2 累积沉降量

该高速公路选择测定2018 年1 月至2021 年3 月期间内的累积沉降总量，每个测点均与PS、DS 相对应，同时结合其总形变量的方向和大小采用不同颜色进行编码处理，其中沿卫星视线（LOS）相对应的第一图像数据集所测量的形变量共计有1130130 个形变点位。通过监测分析得到在2018 年1 月至2021 年3 月期间内一共的累积沉降量于AOI 中范围为-132.26mm～+117.88mm，高速公路主线中的露天场地和边坡上发现若干处隆起区域和沉降区域，需对其进行详细分析处理。

2.3 形变速率

对SAR 图像集进行处理结算，得出视线方向上（LOS）的位移速率，以mm/year 进行表征，每一点位均对应一个分布式散射体DS 或相干散射体CS，并结合年形变速率采用颜色进行编码，结合卫星图像中全覆盖的地面运动进行线性回归计算得出平均位移值，也可结合位移时间序列来展示出地面运动详细信息，由于每一DS 和CS 来提供。

2.4 形变速率标准差

地表形变速率中的标准偏差用于表征测量误差，测量结果均需要采用形变速率加标准偏差为组合来解释，一般距离参考点的距离越大时标准偏差值则会不断增大，而标准偏差值越高则表示形变的速率变化越大，通常会与地面运动区域的不规则性和快速性有关。通过分析得到该AOI 区域内标准偏差值相对较低，其范围为0～2.04mm/年，在与参考点较远区域中找出几处标准偏位差较高点位，经过分析得到其质量合格，因此整体数据内部质量控制满足标准要求，其精度性和可靠性良好。

2.5 全线累积沉降量结果分析

（1）K17+300 边坡沉降量

根据监测成果，K17+300 边坡2018 年1 月至2021 年3 月存在某些位置形变量较大，最大累积沉降值为-80.29mm，最大形变速率为-23.43mm/年，隐患区域依然存在。K17+300边坡沉降区域中路基变形较小，上行段边坡处有一明显沉降区，该区域最大累积沉降量为-80.29mm，最大形变速率为-23.43mm/年，由于该位置位于较高边坡上，持续的沉降会导致坡体松动，对道路造成危害，同时相比于上一次监测结果，沉降量趋势依然向下，需多加关注。

（2）K24+595～K25+294 路段沉降量

根据监测成果，K24+595～K25+294 路段隧道口发现较大范围形变区，最大累积沉降量值为-63.31mm。K24+595～K25+294 路段的沉降具体情况分为K24+595～K25、K25～K25+294 两段进行分析。

K24+595～K25+294 沉降区域中，该路段隧道口发现两处较明显的形变区，其中K25～K25+294 为大范围形变区，该路段的最大累积沉降量值为-63.31mm，最大形变速率为-21.51mm/年，整体形变趋势明显，较之上一次监测沉降量趋势依然向下。K24+595～K25 沉降区域中最大累积沉降量值为-45.14mm，形变速率为-13.61mm/年，形变趋势明显，近期有所加快，整体呈直线下降趋势，需多加关注。K25～K25+294 沉降区域中最大累积沉降量值为-56.95mm，最大形变速率值为-15.99mm/年，形变趋势明显，整体呈直线下沉趋势，形变范围大，需要持续重点关注。

2.6 重点大桥沉降分析

（1）K5+937 砚石沟大桥

K5+937 砚石沟大桥在2018 年1 月至2021 年3 月的监测结果如下，砚石沟大桥及其两侧存在沉降漏斗区，最大累积沉降量为-31.62mm，形变速率为-11.01mm/年。离形变场的直线距离最短为408m，离最大沉降漏斗区域为671m。桥面形变量较大，最大累积沉降量为-31.62mm。桥头右侧累积沉降量为-27.01mm，监测时段内基本呈线性沉降；桥头左侧累积沉降量为-25.59mm，形变较为平缓。监测结果显示，砚石沟大桥两侧为沉降漏斗区，最大累积沉降量为-31.62mm，最大形变速率为-11.01mm/年。桥面形变量较大，最大累积沉降量为-31.62mm。

（2）K6+777 郭家沟1 号桥

郭家沟1 号桥位于K6+548～K7+006，沉降漏斗区位于桥面及其两侧，该路段最大累积沉降量为-72.55mm，离形变场的直线距离最短为268m，离最大沉降漏斗区域为807m，桥面形变量较大，桥面最大累积沉降量为-53.14mm，桥头右侧最大累积沉降量为-72.55mm，监测时段内整体呈直线下降趋势，桥头左侧累积沉降量为-40.16mm，整体形变较为平稳。沉降漏斗区位于桥右侧，区域内最大沉降量为-72.55mm，最大形变速率为-25.27mm/年，离形变场的直线距离最短为268m，离最大沉降漏斗区域为807m。桥面部分区域形变量较大，最大累积沉降量为-53.14mm。

（3）桥梁周边沉降区域分析

砚石沟大桥至郭家沟1 号桥周边累积沉降值进行空间分析，发现6 处沉降漏斗区，沉降漏斗区主要集中在K6～K7 路段中间，最大累积沉降量值为-102.41mm。沉降漏斗区主要集中在K6～K7 路段中间，最大累积沉降量值为-102.41mm，应加强关注。

3 结语

本文针对吕梁高速公路项目中的采空区采用InSAR 技术进行监测处理，重点对InSAR 技术的使用步骤、监测结果分析进行研究，研究结果证实了InSAR 技术在高速公路中监测实际应用的可行性和实用性。