山區(qū)高速公路邊坡防護(hù)工程面積測量技術(shù)研究

程海潛 李王康 張 健

(1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2.崇陽縣交通運(yùn)輸局，湖北 崇陽 437500； 3.丹江口市交通局，湖北 丹江口 442700)

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山區(qū)高速公路邊坡防護(hù)工程面積測量技術(shù)研究

程海潛1，2李王康2張 健3

(1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2.崇陽縣交通運(yùn)輸局，湖北 崇陽 437500； 3.丹江口市交通局，湖北 丹江口 442700)

以湖北麻城至武穴高速公路為依托，分別采用皮尺、全站儀、GPS-RTK三種方法測量了試驗(yàn)邊坡面積，并從準(zhǔn)確性、可操作性、可驗(yàn)證性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面，對比分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最終推薦在全線邊坡防護(hù)工程面積測量中采用皮尺法。

邊坡防護(hù)工程，面積測量，皮尺，全站儀，GPS-RTK

0 引言

路基土石方施工是公路工程的一項(xiàng)重要內(nèi)容，無論是填方路基形成的路堤邊坡還是挖方路基形成的路塹邊坡，都需要對邊坡進(jìn)行加固或綠化防護(hù)，以達(dá)到行車安全或生態(tài)環(huán)境保護(hù)的目的。在地形起伏不大的平原微丘地帶，公路的填挖工程量小，且路基坡面規(guī)則，這種地形條件下的邊坡防護(hù)面積測量工作易于開展。但在地形起伏較大的山嶺重丘區(qū)，竣工邊坡的實(shí)際情況與施工圖設(shè)計(jì)差異較大。差異主要表現(xiàn)在起訖樁號(hào)、坡面面積、防護(hù)形式等方面，一般需進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。對于山區(qū)高速公路，路基防護(hù)工程線長面廣，需專業(yè)單位完成現(xiàn)場測量工程，為設(shè)計(jì)單位變更提供數(shù)據(jù)；同時(shí)，業(yè)主需要客觀準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)作為與施工單位進(jìn)行工程結(jié)算的依據(jù)。因此，邊坡防護(hù)工程面積測量工作日益受到高速公路參建各方的重視。測量方法如果選擇不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，造成爭議。本文以湖北麻城至武穴高速公路邊坡防護(hù)工程測量項(xiàng)目為依托，分別使用皮尺、全站儀和GPS-RTK等三種相對成熟的方法對同一邊坡施測，并對測量過程和成果進(jìn)行對比分析，找到各方認(rèn)可的推薦測量方案。

1 三種測量方法在邊坡面積測量中的應(yīng)用

本次測量選取了蘄春段的一處四級路塹邊坡作為研究對象，設(shè)計(jì)樁號(hào)K104+769～K105+019，現(xiàn)場照片見圖1。該段邊坡除有客土噴播植物防護(hù)外，還設(shè)有錨桿框架梁工程防護(hù)，具有廣泛代表性。其對面斜向有一處三級路塹邊坡，坡頂能架設(shè)測量儀器，便于本次試驗(yàn)研究。

1.1 皮尺丈量

皮尺是最常見也最便于攜帶的一種長度測量工具，邊坡測量工作中需多人配合。具體的做法和步驟是：首先參考設(shè)計(jì)圖紙、根據(jù)現(xiàn)場情況確定特征點(diǎn)。坡面線形變化點(diǎn)、不同防護(hù)類型坡面的分界點(diǎn)均可設(shè)為特征點(diǎn)，在第一級邊坡坡底測量定好起訖樁號(hào)。然后，測量人員分工協(xié)作由下往上逐級測量坡面的斜面高度。一人持尺頭站在第一級坡的坡底，另一人持尺站在上一級坡底平臺(tái)，兩人同向行走，在特征點(diǎn)處測量報(bào)讀該處坡高值。第三個(gè)人負(fù)責(zé)觀察糾正前兩人的站位，并在原始記錄表上繪出草圖，記錄測點(diǎn)位置和坡高等測量數(shù)據(jù)。各級坡面照此方法進(jìn)行測量。若采用多級坡同時(shí)丈量的方法，則需要更多測量人員。當(dāng)?shù)匦纹鸱^大或者兩點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，需用花桿進(jìn)行直線定線，確保跑點(diǎn)人員的測線垂直。

外業(yè)完成后，整理測量數(shù)據(jù)，繪制邊坡立面示意圖見圖2，根據(jù)圖2中記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算該邊坡防護(hù)工程的面積。由圖2可見，該邊坡通過平臺(tái)分界由下往上劃分為一級邊坡、二級邊坡、三級邊坡、四級邊坡。其中一級邊坡、二級邊坡因中段有錨桿框架梁，故分三塊進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。各級坡面可以按梯形、矩形和三角形分塊；第四級邊坡的邊坡點(diǎn)比較多，需將其進(jìn)一步細(xì)分。將各個(gè)部分面積求和得到各級邊坡的面積，最終的計(jì)算成果匯總在表1中。經(jīng)與施工單位之前皮尺丈量的測算結(jié)果比對，總面積相差率為1.4%，有很高的可信度。

表1 皮尺測量方法邊坡面積數(shù)據(jù)

坡級起訖樁號(hào)坡面面積m2施工單位數(shù)據(jù)m2差異率%一級邊坡K104+769～K104+810305.05342.881.2一級邊坡K104+810～K104+9631484.101486.770.2一級邊坡K104+963～K105+019500.50511.012.1二級邊坡K104+793～K104+81725.5024.28-4.8二級邊坡K104+810～K104+9631258.951304.273.6二級邊坡K104+963～K104+996136.95134.07-2.1三級邊坡K104+817～K104+9631087.701072.47-1.4四級邊坡K104+833～K104+904255.45249.064-2.5合計(jì)5054.25124.82-1.4

1.2 全站儀測量

本次試驗(yàn)利用全站儀進(jìn)行邊坡面積測量時(shí)，采用了免棱鏡法采集坡面特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，具體步驟是：首先確定一級邊坡的特征點(diǎn)，按順時(shí)針方向排列編號(hào)，放置支架，貼上反光片。在對面的三級路塹邊坡頂面架立全站儀，假定該測站坐標(biāo)已知，先測出某一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)作為后視定向點(diǎn)；進(jìn)入全站儀的測量菜單，將全站儀的望遠(yuǎn)鏡依次瞄準(zhǔn)各個(gè)邊坡點(diǎn)處的反光片，從而測得各個(gè)邊坡點(diǎn)相對于測站的坐標(biāo)。其他坡級的測量依次進(jìn)行。為減小工作量，一級、二級坡面沒有分塊測量。最后將測得的各點(diǎn)坐標(biāo)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，用數(shù)據(jù)后處理軟件完成面積計(jì)算。

1.3 GPS-RTK測量

GPS-RTK具體的觀測步驟和觀測方法是：首先將基準(zhǔn)站架設(shè)于公路空曠無遮擋處，開機(jī)并將儀器設(shè)置為基準(zhǔn)站工作模式。然后將另一臺(tái)接收機(jī)用手薄設(shè)置為移動(dòng)站工作模式，并新建一個(gè)工程項(xiàng)目以便于保存測量數(shù)目，最后測量人員手持移動(dòng)站的對中桿立于已經(jīng)標(biāo)定好的邊坡點(diǎn)處，點(diǎn)擊測量或記錄命令，獲取各個(gè)邊坡點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這些點(diǎn)的坐標(biāo)以.dat格式存儲(chǔ)在手薄中，測量完成后可以利用藍(lán)牙或者是數(shù)據(jù)線從手薄中傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。最后在計(jì)算機(jī)上打開CASS軟件，將野外獲取的邊坡點(diǎn)的坐標(biāo)展到CASS軟件中，利用CASS的面積計(jì)算菜單完成邊坡面積的計(jì)算工作。因CASS軟件計(jì)算出的面積是水平面積，采用設(shè)計(jì)坡率換算出坡面面積。

由于所選邊坡地形起伏不大、邊界及坡度規(guī)整，所以皮尺所測得的結(jié)果精度較高。以皮尺測量數(shù)據(jù)為參照，三種測量方法所測邊坡數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 各測量方法邊坡面積及差異率數(shù)據(jù)匯總表

2 三種測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析

我們設(shè)定準(zhǔn)確性、可操作性、可驗(yàn)證性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等指標(biāo)對三種測量方法進(jìn)行分析。

2.1 準(zhǔn)確性

由于坡面邊界是人為確定的，所以準(zhǔn)確性并不等同于測量工具儀器本身的精度。排除人為疏漏原因，皮尺測量的長度誤差一般約幾厘米，準(zhǔn)確性很高。從表2數(shù)據(jù)看出，相對于皮尺法，全站儀法所得面積有大有小、數(shù)據(jù)離散，但總體差異不大，準(zhǔn)確性尚可。誤差可能是由于部分反光片被附近植被遮擋或干擾所產(chǎn)生。GPS-RTK法所得面積普遍偏大，總體差異在5%左右。該法需根據(jù)設(shè)計(jì)坡率折算得邊坡面積，而試驗(yàn)段實(shí)際坡度比設(shè)計(jì)更陡，因而產(chǎn)生了系統(tǒng)誤差。要消除系統(tǒng)誤差，需額外測量各測區(qū)邊坡實(shí)際坡率。

2.2 可操作性

邊坡測量任務(wù)一般分為外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)計(jì)算及繪圖兩階段。皮尺法外業(yè)可操作性較高，非測量專業(yè)人員也可在較短時(shí)間培訓(xùn)后進(jìn)行熟練掌握，但易受環(huán)境因素影響，在坡度大、局部垮塌、植被茂密的工程現(xiàn)場存在拉尺困難。全站儀運(yùn)用免棱鏡法更加便利，但要求儀器架設(shè)在對面坡面，且要高于待測坡面，否則上級坡腳受平臺(tái)遮擋無法測到。內(nèi)業(yè)方面，皮尺法的面積計(jì)算簡單直接，但需人工處理。全站儀和GPS-RTK自動(dòng)化程度高，但對操作人員的技能水平要求更高。

2.3 可驗(yàn)證性

采用皮尺方式采集的是長度數(shù)據(jù)，可以在某坡面測量完成時(shí)直觀的看到標(biāo)有所測數(shù)據(jù)草圖，內(nèi)業(yè)手工計(jì)算，全過程可追溯。如果出現(xiàn)面積數(shù)據(jù)爭議，可以通過檢查區(qū)分計(jì)算錯(cuò)誤和測量錯(cuò)誤，只有出現(xiàn)長度值爭議時(shí)，才需要返回現(xiàn)場進(jìn)行有針對性的驗(yàn)證測量。全站儀與GPS-RTK法測到極坐標(biāo)、直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過儀器軟件轉(zhuǎn)換計(jì)算面積，不能很直觀的與邊坡實(shí)體相對應(yīng)，一旦面積出現(xiàn)差錯(cuò)，不易找出問題原因。即使是個(gè)別數(shù)據(jù)錯(cuò)誤導(dǎo)致面積出現(xiàn)爭議，也必須返回現(xiàn)場對整個(gè)坡面重新進(jìn)行測量，測量驗(yàn)證代價(jià)極高。

2.4 經(jīng)濟(jì)性

外業(yè)測量工作成本占很大比重。因人工費(fèi)逐年上漲，要降低測量費(fèi)用，應(yīng)盡可能減少外業(yè)用工量。皮尺雖價(jià)格低廉，但邊坡測量方式過于繁瑣，速度較慢，多級坡面測量過程中一般需4人～6人配合，且極易受到如防護(hù)植被障礙、天氣等因素影響測量的進(jìn)度，人力成本很高。全站儀和GPS-RTK儀器雖價(jià)格高，但操作速度快，任何坡面1人～3人就能完成外業(yè)測量工作。從整條高速公路邊坡測量任務(wù)來看，皮尺法外業(yè)用工量約5倍于全站儀和GPS-RTK法。

就內(nèi)業(yè)工作而言，皮尺方式全過程手工計(jì)算為主，最費(fèi)工時(shí)。全站儀法自行計(jì)算結(jié)果，其內(nèi)業(yè)處理最為簡單。而GPS-RTK法的內(nèi)業(yè)計(jì)算過程相當(dāng)于半自動(dòng)，其效率相對全站儀稍低一些。

2.5 安全性

測量人員的安全威脅主要源自交通和高處墜落。前者對各種測量方法同等存在，但后者發(fā)生的概率與在坡面作業(yè)的人數(shù)和時(shí)間相關(guān)。皮尺法在每級邊坡測量中需要上下兩人拉長皮尺在邊坡上行走、測量，地勢陡峻、植被阻擋以及天雨地滑等因素均易導(dǎo)致滑倒。而全站儀法只需將貼上反光片的支架放置在待測點(diǎn)處，人員在坡面工作時(shí)間最短。而使用GPS-RTK法時(shí)，測量人員需手持移動(dòng)站的對中桿立于已經(jīng)標(biāo)定好的特征點(diǎn)處，點(diǎn)擊測量或記錄命令，較皮尺測量相對安全。對比分析情況匯總見表3。

表3 三種測量方法的適用情況匯總表

用不同的指標(biāo)衡量，三種測量方法各有優(yōu)劣，在全線測量中更適宜采用何種方法一時(shí)難以決定?？筛鶕?jù)委托方的側(cè)重選擇測量方法。

本例中全站儀與GPS-RTK的綜合評價(jià)相對較低，并不說明技術(shù)本身落后，而是因?yàn)楝F(xiàn)階段的應(yīng)用水平較低，在建設(shè)各方非常重視的準(zhǔn)確性及可驗(yàn)證性方面沒有優(yōu)勢。相信隨著研究的深入，全站儀與GPS-RTK技術(shù)將形成完整系統(tǒng)的邊坡面積測量方法，逐漸獲得認(rèn)可。

3 結(jié)語

本文就邊坡面積測量技術(shù)展開研究，以實(shí)際坡面應(yīng)用三種測量方法測得數(shù)據(jù)，通過準(zhǔn)確性、可操作性、可驗(yàn)證性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等指標(biāo)衡量優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明，以現(xiàn)有的應(yīng)用水平，皮尺法為最優(yōu)方案，推薦在全線邊坡防護(hù)工程面積測量中采用。

測量技術(shù)日新月異，除全站儀與GPS-RTK技術(shù)外，三維激光掃描實(shí)景復(fù)制、無人機(jī)航測等技術(shù)也越來越多地應(yīng)用于公路工程實(shí)踐中。但是無論何種測量方法都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，要根據(jù)工程實(shí)際合理設(shè)計(jì)測量方案，解決應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，才能充分發(fā)揮先進(jìn)技術(shù)的精度和效率優(yōu)勢。

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Study on the area measurement of the expressway slope protection works in mountainous area

Cheng Haiqian1,2Li Wangkang2Zhang Jian3

(1.HubeiCommunicationTechnicalCollege，Wuhan430079，China； 2.ChongyangTransportDepartment,Chongyang437500,China； 3.DanjiangkouTransportDepartment，Danjiangkou442700，China)

Taking the Hubei Macheng to Wuxue highway as the basis, this paper respectively used tape, total station, GPS-RTK three methods to measure the test slope area, and from the accuracy, maneuverability, testability, economy, safety and other aspects, compared and analyzed the advantages and disadvantages of various methods, finally recommended using tape method in total line slope protection area measurement.

slope protection engineering, area measurement, tape, total station, GPS-RTK

1009-6825(2016)28-0196-03

2016-07-27

程海潛(1974- )，男，副教授，高級工程師

TU198

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