高寒地区铁路路基综合监测技术研究

雷朋涛

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 概述

高速铁路路基沉降对线路正常运营造成的影响尤其不容忽视。 在高寒地区，受铁路长期运营及冻胀影响，容易引起铁路沿线发生地面沉降等地质灾害，若铁路路基发生不均匀沉降，易导致过渡段发生跳车等危害，危及列车行车安全。 因此，开展铁路等线性工程重点段路基沉降监测[1]，已成为保证铁路等线性工程建设和运营的一项基础工作。

沉降监测是路基监测的重点，监测方法从传统传感器监测、水准测量监测，发展到卫星定位、合成孔径雷达干涉(InSAR) 和差分合成孔径雷达干涉(DInSAR)等技术的综合应用，已有许多学者进行了相关研究。 杨侣珍利用GPS、CR-InSAR 技术进行高速公路采空区路基变形监测[2]；杨志飞等基于GNSS、网络通信、计算机技术设计了重载铁路路基沉降系统[3]；武燕基于DS-InSAR 进行黄土区域高速铁路沿线沉降监测[4]；刘欢等基于DInSAR 技术进行成昆铁路复线路基及边坡垂直变形监测研究[5]。 不难看出，此前的路基沉降监测大多基于单一的监测方法，其效率、准确率往往不尽如人意。 为实现快速、准确的大范围铁路路基沉降监测，利用综合监测技术对铁路路基进行监测很有必要。

2 理论与方法

2.1 PS-InSAR

PS-InSAR 方法[6]利用覆盖同一区域的多景SAR影像，采用振幅离差等阈值提取不受时空相关影响的永久散射体点(如人工建筑物、构筑物等)，通过聚焦、裁剪、配准等预处理技术获取差分干涉相位，基于差分干涉相位进行时空建模，再利用最小二乘或周期图法进行模型解算，并结合误差改正模型逐步分离残余相位，获取最终高精度的地面点形变相位。 技术流程如图1 所示。

PS-InSAR 结果包含部分粗差点，需结合ArcGIS进行滤波处理。 当地形和环境复杂时，为避免误差累积，还需要将监测区域合理裁剪并分块处理，借助同期水准等外部数据或者块区参考点统一基准后进行拼接。 成果拼接完成后，形成监测区完整沉降结果，该结果有两种获取方式。 当有外业水准实测数据时，可采用TSDI_InSARpro 软件，将相对沉降量结果校正为绝对沉降量，并评价InSAR 结果精度。 没有水准实测数据时，可采用相对测区内某参考点的相对沉降量。 通过该软件，还可提取铁路沿线特定缓冲区范围内沉降监测结果、沿线位方向沉降纵断面以及垂直线位方向沉降纵断面。

按照专题制图要求，综合收集的铁路线位、行政区域边界矢量及注记等信息，使用ArcGIS 和PhotoShop软件将铁路线位、相关地理信息以及区域监测信息标准化，最终获得铁路沿线区域沉降速率和线上PS 点沉降速率。

图1 PS-InSAR 数据处理流程

2.2 水准监测及北斗监测方法

水准监测需利用CPIII 点作为基准网[7]，再在路肩处进行监测点的布设，经过观测，对区段内CPIII 点进行分析，选取段落内的2 ～3 个稳定的CPIII 点作为监测基准点，对其进行严密平差计算[8]，可得到所有水准监测点和其他CPIII 点的高程。

北斗基准站可布设于各监测区间的车站或工区楼等地，原则上基准站与监测站距离不能超过10 km，若条件允许，可在一个区间布设两个基准站，以此提高定位精度。 本次监测首先构建各个区间的基准站，然后以线下基准站为原点，构建站心坐标系，分别计算路基各个北斗监测站正北坐标、正东坐标及CGCS2000 大地高，并进行平面转换，得到垂直于线路方向和沿线路方向平面坐标及大地高，如图2 所示。 解算模式为“北斗+GPS”联合解算，解算周期为6 h 或12 h，监测时间间隔为1 d。

3 应用实验

3.1 InSAR 监测方法及数据处理

本次监测采用2017 年9 月27 日至2019 年7 月19 日时间段内40 景Sentinel-1A/1B 数据[9]，如表1 所示。 数据处理过程中，采用多主影像组合方式进行干涉[10]，根据振幅离差指数进行PS 点选取，外部DEM 使用30 m 分辨率的DSM 数据，满足时间序列InSAR 分析的要求，且所用数据时空基线分布良好，采用PS～InSAR 的方法进行形变信息提取[11-12]。

图2 铁路路基北斗监测独立坐标系示意

表1 Sentinel～1A/1B 数据参数

本次沉降监测的段落多处于平原或丘陵，均属严寒地区。 由于测区内缺少与监测时间段对应的地面沉降监测控制点，故只能选择处理区域中相对稳定的点作为沉降速率的参考点[13]。

该段落整体地面沉降如图3 所示。 由图3 可知，沿线区域的InSAR 监测点稀疏[14]，铁路线上InSAR 监测点相对较多，且线上不均匀沉降现象较多，沉降速率为0～52.5 mm/a。

图3 铁路沿线区域整体地面沉降

采用InSAR 技术[15]对铁路里程范围进行沉降普查，监测周期是2017 年9 月27 日至2019 年7 月19 日，沉降普查的10 处轨道不平顺里程范围和轨检车基本一致，最终获取线上沉降段落分布情况，如表2 所示。

表2 K190+000～K242+500 线位沉降区间分布情况

3.2 水准监测与北斗监测方法

本次水准监测对13 段重点段路基CPIII 点和监测点进行了初始观测和后续观测，并对观测成果进行比较和分析，结果见表3。

表3 水准监测沉降分析结果 mm

其中，CPIII 点最大累计沉降值为13.4 mm，相应点号为195326，里程为K195+621；监测点最大累计沉降值为11.7 mm，相应点号为192548L1，里程为K192+548。

对该铁路路基重点段北斗监测数据进行分析[16]，发现10 月1 日～12 月1 日，里程K192+548、K197+070、K197+390、K210+025、K227+448、K230+018 北斗监测站路基沉降较大，其中，K192+548 累积沉降达到了14.4 mm，需要重点关注，其他里程具体沉降情况见表4。

表4 不同里程北斗监测路基累积沉降情况

由表4 可知，K195+482、K196+960 北斗监测点已出现冻胀现象，需运营单位重点关注。 平面方向，北斗监测点向路基外侧方向发生位移，其中，K195+990、K197+070 分别向路基外侧偏移了7.9 mm、13.9 mm，运营单位需重点关注。

因北斗高程测量精度低于平面[17]，故选取水准测量累积沉降较大里程K192+548、K197+070、K197+390、K210+025、K227+448、K230+018 北斗结果进行外符合精度分析。 由表5 可知，高程方向北斗探测位移误差大部分在2 mm 左右，可满足铁路路基监测精度要求[18]。 北斗监测沉降结果与水准高程基本一致，可用于铁路路基自动化监测，在极寒天气下能够获取路基冻胀变形，为铁路运营维修养护提供重要的数据依据[19]。

表5 北斗与水准对比分析

4 结束语

采用历史SAR 影像和基于时序InSAR 技术，获取某铁路重点段路基的沉降信息，并与轨检车结果进行比较，验证了时序InSAR 监测结果的正确性，可定性分析路基沉降情况；水准监测可以精确获取路基的沉降信息，但无法实现全天候监测；北斗方法连续监测结果与水准监测结果基本一致，可满足铁路路基变形监测精度的要求。 综合三种技术，实现了空天地全方位对该铁路路基的监测，为铁路维护提供依据。