2019创新项目推广 | 基于地基 InSAR等智能集成监测技术在地铁安全风险监测中的应用

近年来，随着我国铁路线网与城市轨道交通建设的迅速发展，地铁线路穿越既有铁路及城铁的情况越发频繁。北苑路北延工程南起立水桥，下穿国铁及城铁（地铁13号线），北至中滩村大街，全长1.9公里。道路规划为城市主干路，道路红线宽50 m，设计车速为50公里/小时。依据道路规划及前期方案研究，北苑路北延工程确定采用下穿国铁箱涵结构以顶进方式下穿国铁，下穿城铁箱涵结构以停运开挖顶进方式下穿城铁。该工程在道路桩号K1+110与城铁右线相交，对应城铁右线里程K26+135.387，斜交角度85.14°，位于城铁立水桥站往东约730m、清河东侧约140m位置。道路箱涵为10m-13m-13m-10m四孔框架，为便于随路雨水方沟的实施，在箱涵东侧再增加一8.0m净宽的边孔，合为五孔框架。箱涵净高5.5m，沿城铁线路方向总长59.7m，沿道路方向总长22.8m，如图1所示。北苑路北延工程涉及雨、污管线铺设和轨道交通运输安全，整体工程复杂、施工难度大且穿越铁路施工时间长。

本项目系指在北苑路下穿地铁13号线工程完工后一定周期内，由具有相应资质的监测单位承担，依据相应的规程和条款对施工影响区域内的既有线实施独立、公正、合法的一项监测工作，它是甲方依据中华人民共和国安全生产法，为确保施工影响区的既有线安全运营而采取的一项加强监测措施。主要通过监测工作的实施，掌握在北苑路下穿地铁13号线工程施工过程中影响范围内的既有线路基、轨道结构的变化，为建设方及运营方提供及时可靠的数据和信息；评定施工对既有线路基结构和轨道的影响，为及时判断既有线结构安全和运营安全状况提供依据；对可能发生的事故提供及时、准确的预报，使有关各方有时间做出反应，避免恶性事故的发生，确保既有线安全运营。

北京城建勘测设计研究院有限责任公司受北京市公联公司委托，对北苑路下穿地铁13号线工程进行第三方监测工作。项目组在该工程箱涵顶进完成位置工程地质和水文地质条件的深入研究分析基础之上，针对地铁13号线北苑站~立水桥站区间地铁右线里程K26+74~K26+200，共126米双线范围内的地铁路基、轨道结构及轨道的监测需求，通过比对不同监测方案，提出了采用测量机器人系统与地基InSAR自动化监测相结合的现场实地测量方法，实现了国内首次将地基InSAR监测技术应用到地铁变形监测中，验证了地基InSAR监测技术在地铁变形监测中的可行性与可靠性，为城市轨道交通变形监测以及铁路变形监测开辟了一种新的监测手段。

随着科学技术的进步与发展，变形监测技术种类日益增多，归纳起来主要有三类 (岳建平，2007)：首先是以水准仪、经纬仪和全站仪为主的传统人工观测技术；其次是以GPS、星载雷达干涉测量(Colesanti，2006)和机载激光雷达扫描(刘圣伟，2012)为代表的空间对地观测技术；当前，以地基激光雷达扫描(胡安枨，2013)和地基InSAR为主的地面监测技术也正逐步得到发展和应用。

由于在实际生产工作中经常受到监测条件的限制或是监测精度达不到要求，使得传统、单一的监测技术方法在工程实践中会受到很大的约束(高斌斌，2016)。如传统人工观测技术工作量较大且为点状监测结果，不便于对监测物进行宏观把控与分析；GPS接收机在山区、地下、建筑物密集地区，因卫星信号被遮挡和多路径效应的影响，其监测精度和可靠性不高甚至无法实施监测；星载雷达干涉测量技术由于卫星重访周期较长、空间分辨率较低、雷达入射角单一等问题在实际应用中存在许多困难；机载激光雷达扫描技术用于变形监测相对困难且精度较差(卫建东，2007)；地基激光雷达虽可获取精度较高的地形信息，但其在变形监测方面精度相对较低(谢谟文等，2014)。

早期的InSAR技术研究大多是基于星载和机载合成孔径雷达，而对地基 InSAR技术的研究是近十年才发展起来的(Tarchi，2003)。地基InSAR系统重访周期短、空间分辨率高，且有很高的测量精度，并可根据目标区域选择最佳观测视角及根据目标动态特性选择合适的时间基线，具有很好的灵活性和可操作性。

与传统的变形监测方法相比，地基InSAR技术的优势有：

与星载或机载InSAR技术相比，地基InSAR技术在局部形变监测中的优势主要体现在以下几个方面(Monserrat，2014)：

自上世纪末以来，国内外有许多研究机构开展了地基InSAR技术及应用方面的研究。其中，由意大利IDS公司和佛罗伦萨大学经六年合作研究的IBIS（Image By Interferometric Survey）是目前应用最为广泛的地基InSAR系统(Rödelsperger，2010)；除此之外，欧盟综合研究中心研制了名为LiSA的地基InSAR系统 (Tarchi，2000)，并利用该系统进行了冰川变形监测研究(Noferini，2009)；西班牙加泰罗尼亚理工大学研发了RiskSAR系统并利用该系统实现了监测城市地表形变和地形图的测量工作(Pipia，2007)；澳大利亚的昆士兰大学对地基雷达系统在露天煤矿变形监测中的应用可行性进行了研究，并为矿区建立了预警系统(Farina，2011; Yang，2012)；韩国江原国立大学针对地基ARCSAR系统做了一些基本原理和算法的研究(Nolesini，2013)；瑞士GAMMA公司所研制的GPRI系统被广泛用于地面形变监测领域(Werner，2008)，且其成果数据能直接用当前雷达影像处理领域的成熟软件GAMMA进行处理。相比国外研究而言，地基InSAR技术在国内研究还处于起步阶段。目前，中科院电子研究所在地基雷达成像原理和误差来源方面做了一定的分析研究并开发了ASTRO地基雷达系统(曲世勃，2011)；国防科技大学研制出了超宽带轨道SAR车载系统(张祥，2011)，并利用该系统在移动目标检测方面还做了相应的研究。地基InSAR已在多个领域得到了应用，如露天采矿边坡(Farina，2013)、滑坡、火山、建筑物、堤坝、冰川等领域的变形测量。

2.2.1项目技术思路与内容

本项目组结合野外钻探资料和室内土工试验资料，对该工程箱涵顶进完成位置的工程地质和水文地质条件深入分析研究。在此基础上，发现拟建场地表层分布有人工堆积层，厚度为1.30～2.30m，该层土堆积时间短，土质结构松散，物理力学性质差，承载力变化较大，不能直接作为拟建工程的天然地基持力层。需要进一步绘制填土坑的三维立体图，精确确定填土坑的范围、形状，深度以及填土坑的物质成分和工程特性。在结合评估报告并对现场情况确认后，本项目组通过对不同的监测方法进行比选，最终确定采用自动化及人工相结合的监测方法对监测对象进行测量，即采用测量机器人对北京地铁13号线北苑路施工段轨道进行实时变形监测，与此同时，利用地基InSAR对施工段轨道水平位移进行连续观测，获取其整体形变场及监测点变形时间序列，然后对两种手段获取的监测结果进行综合分析和解释，最终评估地铁13号线北苑路施工段的健康状态。

具体内容如下：

1、确定监测测项

本项目在对该工程箱涵顶进完成位置的工程地质和水文地质条件深入分析研究的基础上结合评估报告，对现场监测测项进行确认。根据现场情况最终确认的监测测项有路基竖向变形、路基横向变形、轨道竖向变形、轨道横向变形和轨道几何形位。

2、比选监测方法

本项目在基于地铁13号线线路恢复后情况掌握的前提下，对多种自动化监测的方法进行分析比选。其中，各自动化监测方法及技术要点如下：

①      利用静力水准仪监测

技术要点：基准点及测点均埋设静力水准传感器。在埋设前，要求对每一条测线支架进行超平，支架应安装在同一水平面上，高度互差不得超过3mm，如不能埋设在同一水平面应加设转点；管路连接密封性要好，管路无压折，管内无气泡；管路、通讯线、电缆连接不能影响地铁设施安全。（压差式静力水准系统包含压差式静力水准仪、储液罐、底板、管接头、干燥管、通气管、通液管、接长管接头、生胶带等。）

②      利用测量机器人监测

技术要点：布置1套徕卡测量机器人系统并在监测范围设置1个工作基站。工作基站仪器周边布置5个基准点，基准点基站网点采用独立坐标系统。监测点采用莱卡小棱镜固定在路基和轨道上。为了充分发挥TCA智能全站仪的优越性，减少作业人员的工作量，测距时不进行温度和气压的测定，直接得到变形点的三维坐标。采用极坐标法进行施测，然后对施测结果进行差分处理。即：按极坐标的方法测量测站点（基准点）至其它基准点和变形点的斜距、水平角和垂直角，将测站点至具有代表性气象条件的基准点测量值与其基准值（基准网的测量值）相比，求得差值。由于变形观测采用同样的仪器和作业方法，并且基准点均埋设在稳定地段，认为基准点是稳定的，故将这一差值认为是受外界条件影响的结果。每站观测可以在短时间内完成，并且是基准点和变形点同时观测，可以认为外界条件对基准点和变形点的影响是相关的，可把基准点的差异加到变形点的观测值上进行差分处理，计算变形点的三维位移量。

③      利用摄影测量监测

技术要点：监测区域内上方进行摄影测量轨道的架设，轨道上方移动端固定2~4台单反相机对区域内的标靶进行多次拍摄，取下后将相片导入相应软件处理。

④      利用地基InSAR监测

技术要点：FastGBSAR地基InSAR系统的硬件组成包括雷达传感器、线性扫描滑轨、能量供应和系统控制单元三个部分。地基InSAR系统以地面、建筑物或陆地交通工具为平台，可根据监测需要选择最佳观测视角，根据监测目标特性选择观测时间基线，具有很好的灵活性和可操作性。同时地基InSAR系统运输和安装方便简单，操作自动化程度高，数据处理软件功能强大。值得注意的是工作中无需在目标区域安装传感器，工作人员不必靠近或进入目标形变区域，这样既保证了人员的安全，也避免了对形变体的外界影响。在作业过程中，首先通过笔记本电脑设置作业所需的测量参数，并查看设备状态是否正常；在能量供应和数据传输单元的控制下，电机驱动雷达传感器在线性扫描滑轨上对目标区域进行重复观测，约10秒获取一景SAR图像，与此同时笔记本电脑将自动记录和存储雷达传感器获取的图像，通过笔记本电脑即可查看测量结果从而初步评估数据质量。

结合现场工作环境的实际情况以及各监测方法的技术要点，对各监测方法可行性进行分析。采用静力水准系统按照监测方案将其组件连接并固定在恢复后的13号线线路轨道上较为复杂。由于线路纵坡大，安装时间处于秋季昼夜温差大等不利因素过多，故不采用静力水准仪进行监测；采用测量机器人系统按照监测方案执行利用莱卡小棱镜固定在监测点的位置上来对点位进行监测，其操作简单。同时在测区附近架设监测基座，工作基站仪器周边布置5个基准点，其安装简单、精度较高且受环境因素影响较小，故暂定采用测量机器人系统进行监测；摄影测量技术监测方法由于现场无搭设相机滑轨条件，且数据监测周期时间较长故不采用该技术进行监测；地基InSAR系统监测方法中地基InSAR系统现场无需组装只需给予监测视线并在监测点附近安装固定标靶，能够在影响范围外进行不间断的扫描即可对监测测项进行量测，故暂定采用地基InSAR自动化监测系统。

3、比对监测数据成果及效果评价

为了确保本项目监测方案达到预期处理效果，在实施过程中采用测量机器人和地基InSAR监测技术同时进行。通过对比地基InSAR监测结果和测量机器人的监测结果，可知二者变形趋势一致且数量级相等，从而也验证了地基InSAR在地铁变形监测中的可靠性。

2.2.2项目技术路线

图2-1 项目技术路线

2.2.3项目技术方案与实施

（1）工程概况：

（2）工程地质条件

根据现场钻探，按地层沉积年代、成因类型，将新建管线沿线地面以下35m深度范围内的地层，划分为人工堆积层及第四纪沉积层两大类，根据土工试验、原位测试结果，按地层岩性及土的物理力学性质将地层进一步划分如下：

粉土填土①层，黄褐色，稍密，湿，含少量砖块、植物根系、圆砾等；房渣土①1层，杂色，稍密，湿，含大量卵石、中砂、砖块等；本大层主要分布于地表，土层层底标高30.17m～31.20m，厚度为1.30m～2.30m。

圆砾②层,杂色，中密，湿，一般粒径2mm-20mm，最大粒径30mm，中砂充填圆砾含量约50%；中细砂②1层，褐黄色，稍密～中密，湿，含少量圆砾；本层层底标高：27.97m～28.42m，厚度：2.20m～3.00m；粉土③层，褐黄～灰色，中密，湿，局部夹中砂或细砂薄层；中细砂③1层，褐黄色，中密，湿，含云母，氧化铁；本层层底标高18.70m～20.19m，厚度7.90m～9.50m。

卵石④层，杂色，中密，湿～饱和，一般粒径20-40mm，最大粒径60mm，中粗砂或粘性土充填，卵石含量约60％；中细砂④1层，褐黄色，中密，饱和，含少量圆砾；本层层底标高11.97m～13.42m，厚度5.90m～8.10m。

粉质粘土⑤层，褐黄～褐灰色，硬塑，局部夹粉砂或粉土薄层；粉土⑤1层，褐黄～褐灰色，中密，饱和，含云母，氧化铁；中砂⑤2层，褐黄色，中密，饱和，局部含少量圆砾；本层层底标高：2.80m～4.47m，厚度7.50m～10.00m。

粉质粘土⑥层，褐黄～灰褐色，硬塑，含云母，氧化铁，局部夹粉土薄层；粉土⑥1层，灰褐色，密实，饱和，含大量姜石、砂颗粒；中砂⑥2层，褐黄色，中密，饱和，含云母，氧化铁及粉细颗粒；本层层底标高：0.17m～0.92m，厚度2.10m～4.30m。

中细砂⑦层，褐黄～褐灰色，密实，饱和，含云母，氧化铁；本层层底标高：-1.11m～0.22m，厚度：0.60m～1.40m。

粉质粘土⑧层，褐黄色，软塑，含有螺壳、姜石；粉土⑧1层，褐灰色，密实，饱和，含云母，氧化铁。各土层详细分布如工程地质剖面图所示。

（3）监测目的

通过监测工作的实施，掌握在北苑路下穿地铁13号线工程施工过程中影响范围内的既有线路基、轨道结构的变化，为建设方及运营方提供及时可靠的数据和信息；评定施工对既有线路基结构和轨道的影响，为及时判断既有线结构安全和运营安全状况提供依据；对可能发生的事故提供及时、准确的预报，使有关各方有时间做出反应，避免恶性事故的发生，确保既有线安全运营。

（4）现场监测作业方法

首先，地基InSAR系统应该在通透的视线条件下工作，在测站与监测区域之间不能有障碍物存在。如果存在障碍物，监测对象的反射强度就会受到影响甚至没有回波，这样就会降低相干性，给数据处理造成一定的难度。此外，在监测过程中，地基InSAR系统应该保持水平，不能受到外界扰动。所以在选择测站时需考虑仪器安放点是否稳定，最好安放在稳定的基岩上，或者根据观测区域实际情况及测量精度要求，考虑是否建筑观测平台。

考虑到地基InSAR系统测站的特殊要求，为了选择合适的测站，项目组在地铁施工影响范围之外进行了现场踏勘。由于地基InSAR系统获取的变形监测结果为目标点沿着雷达视线向的变形，若要进行地铁轨道及路基的沉降观测，需将仪器安置在高处，并将雷达调整为俯视状态。经过现场踏勘，难以找到一个视场完全符合沉降观测条件的监测位置。若将地基InSAR安置于楼房顶部，一方面无法保障工作人员与仪器的安全，另一方面不利于仪器的持续供电。除此之外，在选取测站时还应该兼顾仪器搬运以及人员值守的便捷性等问题。

（5）监测数据处理

地基InSAR系统要经过一系列的干涉处理过程才能获得目标区域的变形结果。虽然原理上与星载或机载SAR干涉测量技术相同，但由于采用零空间基线工作模式，且已知精确的轨道参数，所以数据处理中不用考虑星载或机载InSAR数据处理中的去地平效应和基线估计等重要步骤。地基InSAR数据处理流程如图2-6所示，该流程主要包括原始图像定标和聚焦、图像配准、生成干涉图、滤波、相位解缠、大气校正以及地理编码。

地基InSAR数据处理通过系统自带数据处理软件SePsi进行处理，利用该软件可以进行实时处理和后处理。考虑到工程的迫切性，本次监测采用现场实时处理数据的方式，及时地将地铁轨道及路基的变形情况反馈给了各级领导。

首先，采用SePsi软件对数据进行预处理，包括数据定标和影像聚焦等。基本处理过程如下：选取一部分连续的原始测量数据（15~20景）；然后在软件中对其进行分析，从而确定适合所有数据的定标和聚焦参数；再利用上述参数对获取的雷达数据进行实时处理，得到雷达干涉测量所需要的单视复数（Single Look Complex，SLC）数据并进行干涉处理。

（6）数据质量分析

评价地基InSAR监测效果的主要参数有2个，即振幅平均值和估计信噪比。振幅平均值是基础，代表目标区域的信号反射强度，振幅平均值越大表明目标物的信号反射能力越高，数据质量越好。估计信噪比是指观测目标的信号振幅的平均值与其标准差之比，表征电磁波的反射强度稳定性，估计信噪比越高表明目标物的回波信号越稳定。如下为信号反射强度和估计信噪比图及相关分析。

图2-7为目标区域的信号反射强度，图中黑色椭圆区域代表部分轨道及路基的反射强度，可以看出其反射强度较高，FastGBSAR在当时恶劣的观测环境下能够采集到高质量数据，显示了其监测能力的优越性。

图2-8为目标区域回波信号的估计信噪比，从图中可以看出目标区域的估计信噪比都比较大，反映了良好的数据质量。

（7）监测结果分析

FastGBSAR获取的最终变形监测结果主要有两种形式：监测点变形监测时间序列与目标区域整体变形。这两种结果均为目标点沿着雷达视线向的变形，本项目中对应轨道结构的水平位移。由于雷达仰角为15°，因此雷达直接监测结果为地铁轨道结构及路基结构横向变形的分量，利用二者角度关系经过反推，可以得出雷达监测范围内地铁轨道结构及路基结构横向变形。

1）目标区域整体变形

图2-9为目标区域整体变形实时监测图。采用FastGBSAR系统可以实时获取目标区域沿雷达视线向的整体变形图，对监测目标变形设置一定的阈值，系统将对超预警值的情况自动发出警报。

图2-10为目标区域最终变形图，图中黑色椭圆区域为轨道所在区域，从图中可以看出轨道结构及路基结构沿雷达视线向的变形均在0.50mm以内，经过反推可知轨道结构及路基结构的横向变形均在0.52mm以内，根据评估单位得出的轨道水平控制值可知目标区域轨道结构及路基结构在水平方向处于稳定状态。

2）监测点变形曲线分析

为了具体分析轨道结构及路基结构的变形情况，在目标区域选取一些具有代表性的监测点P1、P2和P3，这三个监测点反射强度较高，位于轨道结构及路基结构区域，如下图所示。

图2-11为监测点位置图，结合信号反射强度及角反射器、轨道结构与路基结构的相对位置可以判断P1、P2位于轨道结构上，P3位于路基结构上。采用FastGBSAR系统可以实时获取轨道结构及路基结构监测点沿雷达视线向的变形曲线图，并及时分析其变形趋势。从图2-12可以看出所有监测点的变形基本稳定于0.5mm以内，但P3相对P1、P2的变化幅度较大，表明路基结构比轨道结构的变化幅度大。图中个别时间点，P1、P2、P3表现出较大的跳动，其原因为列车经过时段或者大气干扰导致的噪声。总的来说，P1、P2、P3变化趋势趋于稳定，最终变形值趋于0.50mm，经过反推可知轨道结构及路基结构的横向变形均在0.52mm以内，根据评估单位得出的轨道水平控制值可知目标区域轨道结构及路基结构在水平方向处于稳定状态。

（8）结果对比

与人工监测相比较，地基InSAR的明显优势即采样频率高、分辨率高。人工监测频率相对较低且测点有限，而地基InSAR每隔10秒即可获取目标区域的一景图像，且分辨率高，在雷达距离向（视线向）每隔0.5m对应一个监测点，因此地基InSAR的监测结果更能直观地反应目标区域的变形情况。本次监测结果显示，影响区域内的地铁13号线轨道结构及路基结构的横向变形均在0.52mm以内，根据评估单位得出的轨道水平控制值可知目标区域轨道结构及路基结构在水平方向处于稳定状态。从轨道与路基结构横向人工变形监测数据可知在2016年10月7日至11月6日期间，受北苑路箱涵顶推施工影响，线路恢复后的地铁13号线北苑站~立水桥站区间轨道结构和路基结构横向变形人工监测累计值均在0.5mm之内（控制值2.0mm），所有轨道结构和路基结构横向变形数据累计值均在可控范围之内。通过对比可知，地基InSAR监测结果与人工监测结果吻合，验证了地基InSAR技术在地铁变形监测中的可行性和可靠性。且从监测点变形曲线角度分析可验证地基InSAR技术在地铁变形监测中同样能够获取高精度的监测数据。

2.3.1技术标准及工程相关资料

（1）《地铁工程监控量测技术规程》DB11/490-2007；

（2）《城市轨道交通工程监测技术规范》GB50911-2013；

（3）《北京市工程测量技术规程》DB11/T339-2006；

（4）《建筑施工测量技术规程》DB11/T446-2007；

（5）《工程测量规范》GB50026-2007；

（6）《建筑变形测量规范》JGJ8-2007；

（7）《国家一、二等水准测量规范》GB/T12897-2006；

（8）《穿越城市轨道交通设施检测评估及监测技术规范5》DB11/T915-2012；

（9）其他相关的国家、地方规范、法规；

（10）本院质量环境职业健康及安全管理体系、计量认证质量管理体系。

（11）《北苑路箱涵基坑邻近地铁13号线既有地铁路基及轨道结构安全性影响评估》（北京交通大学，2014年09月）；

（12）《北苑路下穿地铁13号线及国铁东北环线箱涵工程方案设计》（北京城建设计研究总院有限责任公司，2014年09月）。

2.3.2工程指标设计

本项目采用自动化与人工相结合的监测方法监测结构变形，极大的节省了人力物力，且能实时获取监测数据，实现同步处理与显示，更直观快捷地判断数据质量以及分析数据变化情况。在监测数据超标的情况下，不用人为干预，直接可将预警情况信息发送各方，节约了时间成本，能及时启动应急预案，避免财产安全的损失。 

项目具体指标设计如下：

（1）箱涵顶进线路恢复后监测量控指标

（2）仪器监测对象、项目、仪器及精度设计

（3）仪器监测频率及周期设计

（4）成果报告主要指标设计

监测成果报告：分为预警快报、日报、周（月）报、总结报告。

监测成果报告要求：以直观的形式（如表格、图形等）表达出已获取的与施工过程有关的监测信息和巡视信息，使监测巡视结果一目了然，可读性强。

预警快报：主要内容为预警情况说明

本项目在前期综合调研的基础上，通过对比分析监测所需的现场场地、天气和光线条件等因素对测量结果的影响，发现地基InSAR技术相比测量机器人，在同样恶劣的天气环境下更适合地铁变形监测。采用地基InSAR技术变形监测可在夜晚、雨天、大风等恶劣环境下为及时判断既有线结构安全和运营安全状况提供可靠依据，以下为本项目的技术特点和创新点：

（1）采用地基InSAR技术实现了远程非接触变形监测，且监测距离远、范围广，能够在保证人员安全和对地铁施工无影响的情况下获取被监测区域的变形情况。

地基InSAR技术利用调频连续波保证传感器始终发射中心频率为17.2 GHz（Ku波段）的雷达波。Ku波段具有较高频率，不易受微波辐射干扰，因此具有较远的有效传输距离（可达4km），其范围可达7平方公里。地基InSAR技术的这一特点奠定了其能远程变形监测的基础，采用地基InSAR技术可以实现远程非接触变形监测，且其监测距离远、范围广。而当在复杂的地铁施工区域对地铁进行变形监测时，该优势显得更为突出，即不仅能够在保证人员安全和对地铁施工无影响的情况下获取被监测区域的变形情况，还对施工不会造成任何影响。

（2）采用地基InSAR技术能够快速获取被监测区域各向高分辨率变形信息。

地基InSAR系统能够快速的获取被监测区域的整体变形信息，其采样频率介于几秒至几分钟，即在较短的时间内便可获取一次数据。本项目采用FastGBSAR地基InSAR系统，其采样频率为10秒。此外，地基InSAR系统雷达传感器的带宽一般为300MHz，如此大的带宽使得雷达将目标区域分割的更为细致，从而实现距离向的高分辨率（0.5 m）。由于采用了合成孔径雷达技术，雷达系统可以将尺寸较小的真实雷达天线孔径用数据处理方法合成为较大的等效雷达天线孔径，提高了测量的角度向分辨率。因而，在地铁变形监测中，采用地基InSAR技术能够快速获取地铁施工区域的各向变形数据，能及时准确做出整体变形情况的判断，为施工和维护提供数据依据和技术保障。

（3）采用地基InSAR技术能够获取被监测区域的高精度变形信息。

通过地基InSAR技术对北京地铁13号线北苑路施工段轨道及路基进行监测，可以得出结论：在北苑路施工期间，影响区域内的地铁13号线轨道水平位移变化量均在0.5mm以内，根据评估单位得出的轨道水平控制值可知其轨道水平处于稳定状态。值得注意的是，本次监测期间持续降雨24小时以上，在如此恶劣的观测条件下，InSAR仍然获取了时空连续的目标区域高精度形变场，为进一步定量研究地铁轨道变形提供了重要的基础数据。同时，通过对比地基InSAR监测结果和测量机器人的监测结果，可知二者变形趋势一致且数量级相等，进一步也验证了地基InSAR在地铁变形监测中的可靠性。

（4）基于地基InSAR技术的新轨道交通监测手段和体系。

地基InSAR技术成功应用于北京地铁13号线北苑路施工段轨道及路基变形监测这一案例证明地基InSAR监测技术的高效性及其在地铁变形监测中巨大潜力，为城市轨道交通变形监测以及铁路变形监测开辟了一种新的监测手段，采用该技术可实现全自动化变形监测服务，大大节省人力资源及物资成本。

与此同时，本项目中采用地基InSAR技术作为地铁轨道变形监测方法成功地解决了轨道交通地面线因外界环境影响而中断的自动化监测，从监测工艺、现场施测等方面形成了一套比较完整的体系。若有类似工程，可以直接借鉴。

本项目采用地基InSAR技术，实时地绘制出地铁轨道及路基的变形曲线，及时的分析了变形趋势，为地铁安全运营提供技术保障。

通过地基InSAR技术监测北京地铁13号线北苑路施工段轨道几何形位及轨道与路基结构，对监测成果进行分析，可知：

本项目是国内首次将地基InSAR监测技术应用到地铁变形监测中，本次监测期间持续降雨24小时以上，在此恶劣的观测条件下，为了获取较高质量的监测数据，对FastGBSAR系统的雷达主机进行了改进，增加了雷达俯仰角调节功能，增强了雷达的数据采集能力，保证了InSAR仍然获取了时空连续的目标区域高精度形变场，为进一步定量研究地铁轨道变形提供了重要的基础数据，同时验证了地基InSAR在地铁变形监测中的可行性与可靠性，以及在轨道交通变形监测中的巨大研究价值和应用前景。为城市轨道交通变形监测以及铁路变形监测开辟了一种新的监测手段，采用该技术可实现全自动化变形监测服务，大大节省人力资源及物资成本。

研究与实践证明地基InSAR监测技术的高效性，非接触性大大提高了地铁的运营安全，具有良好的社会效益和经济效益，为推广地基InSAR监测方法提供了宝贵经验。

以下为技术查新报告：

北苑路北延工程南起立水桥，北至中滩村大街，全长1.9公里，北苑路北延工程涉及雨污管线铺设和轨道交通运输安全，工程非常复杂，施工难度大。在此项工程中，北京城建勘测设计研究院有限责任公司承担了第三方监测的任务。面对施工段地质条件差，环境因素影响较大，北京城建勘测设计研究院有限责任公司测试专业院提出采用测量机器人系统与地基InSAR系统自动化监测相结合的方式进行现场实地测量。经过工程的实施，证实方案合理可行，日报及成果报告准确、及时，并最终较好的反映了施工过程中的实时变形情况，为保证工程实施期间地铁运营的安全提供了可靠的数据和技术支持。

同时，该项目通车后，进一步改善了北部地区的出行环境，进一步减轻了早高峰时段立汤路、立水桥的车流压力，有效缓解北苑、天通苑地区的交通拥堵，提高了运输效率，方便市民出行。

通过地基InSAR监测北京地铁13号线北苑路施工段轨道几何形位及轨道和路基结构，得出结论：线路恢复后的地铁13号线北苑站~立水桥站区间轨道结构和路基结构横向变形人工监测累计值均在0.52mm之内（控制值2.0mm），根据评估单位得出的轨道水平控制值可知目标区域轨道结构及路基结构在水平方向处于稳定状态。本次项目监测期间持续降雨24小时以上，在如此恶劣的观测条件下，雷达仍然获取了时空连续的目标区域高精度形变场，为进一步定量研究地铁轨道变形提供了重要的基础数据，不仅满足了工程实际的需要，还验证了地基InSAR在地铁变形监测中的可行性与可靠性，以及在轨道交通变形监测中的巨大研究价值和应用前景。

当前轨道交通建设发展迅速，轨道线路相互穿越的现象越发频繁。本次监测项目是国内首次将地基InSAR监测技术应用到地铁变形监测中，为城市轨道交通变形监测以及铁路变形监测开辟了一种新的监测手段，采用该技术可实现全自动化变形监测服务，将大大节省人力资源及物资成本。该技术的成功应用，一方面通过第三方监测工作的总结、完善和提升使得其积累下的实践经验能够形成控制标准建议，面向全行业推广；另一方面它也必将会对今后类似工程有着巨大的借鉴意义。

地基InSAR是近十年发展起来的一种微变形远程监测技术，它具有高精度、高分辨率、高采样率和多视角观测等突出技术优势，可对目标区域进行长时间连续观测。地基InSAR技术作为一种全新的监测手段，可实时获取监测地表变化情况，并可进行灾害预警。目前，该技术在国外较为成熟，但仅应用于人工边坡、滑坡、冰川、地表沉降及火山等变形监测。

近年来，国内也开展了关于地基InSAR的相关研究，但主要应用领域仍局限于滑坡、大坝等，相关研究尚处于起步阶段，很多问题尚未解决，亟待更为深入的研究。而当前我国轨道交通发展迅速，与本工程具有相似施工环境的情况有很多。为此，本项目首次将地基InSAR技术应用于地铁变形监测，从数据获取的精度、分辨率以及检测结果等方面详细评估了地基InSAR在地铁变形监测中的可行性和适用性，为后续利用该技术继续在轨道交通方面提供变形监测的深入研究与应用打下了坚实的基础。

当前，北京市同时开工建设的影响既有地铁结构的工程众多。我院基于第三方监测工作率先系统化的在本项目中成功应用InSAR技术对地铁进行变形监测，总结出了使用InSAR技术对城市轨道交通进行非接触自动化监测的要点和经验。这势必对北京市甚至全国其他城市在建设临近地铁线路工程的第三方监测工作有着重大的借鉴意义。

同时，本项目实施过程中应用地基InSAR技术开创性的成功实现了其在轨道交通方面的应用。这个新应用和新技术路线的创立对促进行业技术进步，推动行业不断向前发展有着重要意义。

4.2.1首都地铁工程建设的经济效益

通过提交详实、可靠的第三方监测成果数据，对各种不同的监测方案进行对比，从工程造价可以看出InSAR地铁变形监测方案比其它监测手段节约成本20～30万元。同时，我院第三方监测工作全面细致且准确及时，保证了穿越既有线工程在建设过程后未出现重大安全技术事故，成功规避了风险，避免了人员伤亡、经济损失和工期损失。

4.2.2企业的经济效益

基于本项目第三方监测工作的成功应用，为我院今后继续在全国承接在建地铁项目第三方监测工作打下良好的基础，该项工作已成为我院近几年一个显著经济增长点，为我院带来极大的经济效益。

（内容来自中国土木工程学会轨道交通分会，如有转载请标明出处）