高速公路高邊坡變形監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)處理研究

李俊鵬

摘 要：本文以某高速公路路塹高邊坡開挖期間變形監(jiān)測為依托，制定監(jiān)測方案，設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定邊坡監(jiān)測警戒值和頻率，采用全站儀對邊坡變形進(jìn)行定期實(shí)時(shí)監(jiān)測。結(jié)果表明近期該邊坡變形較小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：智能全站儀 邊坡監(jiān)測 沉降 水平位移

中圖分類號：U213 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（c）-0020-02

邊坡變形觀測的意義在于提供邊坡的穩(wěn)定狀況、位移和變形的規(guī)律等，為滑坡預(yù)報(bào)提供依據(jù)。邊坡變形觀測的目的是確定滑體的周界，定期測量滑動(dòng)量、主滑動(dòng)線的方向和速度，以監(jiān)視建筑物的安全。對于建（構(gòu)）筑物變形的觀測，除采用常規(guī)的正、倒垂、引張線等手段外，其外部變形的監(jiān)測則要依賴于以大地測量學(xué)的原理、方法與使用精密測量及計(jì)量儀器相結(jié)合的精密工程測量這種特殊的手段，通過必要頻次的反復(fù)測量來保障。變形觀測的方法有很多種，一般情況下最為有效的方法是前方交會(huì)和極坐標(biāo)法。近年來由于全站儀和GPS的出現(xiàn)，用全站儀直接測量變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)的方法和GPS直接進(jìn)行滑坡監(jiān)測的方法應(yīng)用越來越多。本論文主要研究使用全站儀直接測量變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)的方法。

1 工程概況

德簡高速公路K173+440-K173+560路塹高邊坡坡長120m，最大坡高為37.4m，邊坡開挖分為四級。所處地區(qū)為四川盆地盆中龍泉山脈至盆地中部淺丘～深丘區(qū)，海拔高程450～900m，相對高差一般100～300m左右，總體地勢北高南低，受地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)與內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力長期作用，在成都平原以東形成川中龍泉低山地貌，龍泉山以東為川中淺丘～深秋地貌，按形態(tài)及成因可劃分為侵蝕堆積地貌，構(gòu)造剝蝕地貌、侵蝕構(gòu)造地貌三大地貌類型。邊坡區(qū)分布的地層包括棕紅色泥巖、砂巖，細(xì)礫巖，灰黃色長石砂巖、青灰色石英砂巖等。地下水主要為松散堆積沙礫卵石層孔隙水、紅層砂泥巖風(fēng)化帶孔隙裂隙水兩大類型。所處地區(qū)降雨量較大，雨季較長。高速公路路塹高邊坡開挖期間和后期路基施工期間其穩(wěn)定性易受降雨的影響，必須對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測地表位移和位移沉降的變化速率，判定其穩(wěn)定性，并采取相應(yīng)措施對潛在危險(xiǎn)進(jìn)行處置，防止發(fā)生工程事故。

2 測量儀器探討

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測量儀器發(fā)生了翻天覆地的變化。測量機(jī)器人（Measurementrobot）或稱測地機(jī)器人（Georobot）是一種能代替人進(jìn)行自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并且獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型電子全站儀，可以實(shí)現(xiàn)測量的全自動(dòng)化、智能化。尤其在小尺度局部坐標(biāo)測量當(dāng)中，測量精度高、靈活機(jī)動(dòng)、快速便捷、無接觸等方面，有著其他測量技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

2.1 硬件介紹

TCA2003集成了步進(jìn)馬達(dá)、CCD影像傳感器，是一種能自動(dòng)搜索、識別和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離和三維坐標(biāo)的智能型電子全站儀，屬目前自動(dòng)化程度較高的測量儀器，標(biāo)稱測角精度0.5"，測距精度±（1mm+1PPm），配備相應(yīng)軟件，可自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)、觀測和記錄，故有測量機(jī)器人之稱。國內(nèi)已有多家單位購買使用。

2.2 機(jī)載控制軟件

機(jī)載控制軟件是TCA2003的活動(dòng)神經(jīng)中樞，TCA2003的自動(dòng)化在其控制之下得到實(shí)現(xiàn)。利用選配的GeoBASIC語言，可以根據(jù)自己的需要開發(fā)相應(yīng)的機(jī)載應(yīng)用程序。該高邊坡安全監(jiān)測中測量機(jī)器人控制軟件系我隊(duì)自主開發(fā)，其作業(yè)模式和限差控制遵循我國現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范。方向、天頂距和邊長根據(jù)觀測精度等級可設(shè)置不同測回?cái)?shù)，觀測值超限后能做出判斷并重測，觀測過程中外界條件不理想時(shí)可人為中斷，排除干擾后繼續(xù)觀測。此軟件成熟嚴(yán)謹(jǐn)，可應(yīng)用于控制測量、變形監(jiān)測等用途。

2.3 極坐標(biāo)差分法基本原理

在監(jiān)測部位以外相對穩(wěn)定的地方建立工作基點(diǎn)網(wǎng)（包括了設(shè)站點(diǎn)和參考基準(zhǔn)站），每一個(gè)測量周期均按照極坐標(biāo)的原理分別采集參考基準(zhǔn)站和變形點(diǎn)的斜距、水平角、天頂距，將參考基準(zhǔn)站的測量值與其真實(shí)值（通過建立工作基點(diǎn)網(wǎng)得到）相比，有一差異，這一差異可認(rèn)為是受到各種因素影響的結(jié)果，包括大氣、溫度及儀器等的影響。把參考基準(zhǔn)站的差異加到變形點(diǎn)的觀測值上，通過計(jì)算得到變形點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)。極坐標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

一般的變形監(jiān)測點(diǎn)都有測站點(diǎn)（儀器的架設(shè)點(diǎn)）、參考點(diǎn)（為了得到變形體上點(diǎn)的變形量而選取的參考點(diǎn)）和目標(biāo)點(diǎn)（用來觀測變形體變形而選定的有代表性的點(diǎn)）三部分組成。本系統(tǒng)主要就是在觀測站架設(shè)儀器，通過對參考點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的觀測值來得出變形體的變形趨勢，采用一臺測量機(jī)器人和計(jì)算機(jī)以及通訊電纜建立基站，將棱鏡安置在需要觀測變形的變形點(diǎn)和為了得到變形點(diǎn)的變形量而選定的比較穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)上，通過對基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的持續(xù)的周期性觀測結(jié)果進(jìn)行比較、實(shí)時(shí)改正，從而得出變形點(diǎn)的三維變形測量，進(jìn)行安全和穩(wěn)定性等分析，得到所需要的數(shù)據(jù)成果。

3 變形監(jiān)測實(shí)施步驟研究

3.1 工作基點(diǎn)網(wǎng)建立

首先，在較穩(wěn)定的區(qū)域埋設(shè)水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)3個(gè)，一個(gè)埋在K173+500山頂上，一個(gè)埋在K173+340左側(cè)的山洼里；另一個(gè)埋在K173+700左側(cè)的山坡上，基礎(chǔ)較為穩(wěn)定，用混凝土現(xiàn)澆。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)，按照業(yè)主、設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范要求，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在上高邊坡布設(shè)16個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，編號為A01～A16；在中間高邊坡布設(shè)9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，編號為A17～A26；在下邊坡布設(shè)6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，編號為A27～A31，共布設(shè)31個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)牢固穩(wěn)定。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法

首先對各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)人工觀測，取得坐標(biāo)X、Y、H，建立概略坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫。概略坐標(biāo)X、Y、H越精確，以后各期自動(dòng)觀測精確照準(zhǔn)速度越快。在監(jiān)測點(diǎn)變形累積一定程度后，要及時(shí)修正概略坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫。

極坐標(biāo)差分法坐標(biāo)精度與基準(zhǔn)站至監(jiān)測點(diǎn)和參考站的距離有很大關(guān)系。在觀測中，盡量選擇離監(jiān)測部位近的基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)作為基準(zhǔn)站和參考站。將TCA2003置于基準(zhǔn)站觀測墩上，精確整平，設(shè)置好觀測點(diǎn)集、順序和測回?cái)?shù)；儀器根據(jù)內(nèi)置點(diǎn)位概略坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫的坐標(biāo)，自動(dòng)進(jìn)行目標(biāo)判斷、精確照準(zhǔn)，并測量方位角、天頂距和斜距，并將讀數(shù)存儲于內(nèi)置SRAM卡中。endprint

外界條件對觀測精度也有很大的影響。在日光強(qiáng)烈的情況下，不但觀測數(shù)據(jù)離散性大，有時(shí)還會(huì)令儀器無法捕獲目標(biāo)中心。為獲取高精度的觀測數(shù)據(jù)，我們一般選擇氣象條件好的時(shí)段進(jìn)行觀測。同時(shí)，由于施工場地集中、立體作業(yè)，交叉干擾嚴(yán)重，不利的情況下需要及時(shí)中斷觀測，排除干擾后續(xù)測。夏季降雨較為頻繁，工地上大單量爆破也時(shí)有發(fā)生，需要及時(shí)將棱鏡扶正，除去雨水和灰塵，使TCA2003能快速精確的照準(zhǔn)目標(biāo)中心。

3.3 數(shù)據(jù)處理及成果分析

將存儲于SRAM卡中原始采集的監(jiān)測點(diǎn)斜距、天頂距、水平角轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)（數(shù)據(jù)處理工作站），根據(jù)觀測值按以下模型，調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件，即可得到監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)、位移量，并進(jìn)一步進(jìn)行變形分析和預(yù)測。

3.3.1 球氣差改正

式中，Δh為工作基點(diǎn)與參考站間觀測高差，ΔH為基準(zhǔn)

高差，Z為天頂距。

經(jīng)差分改正后工作基點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)間的高差為：

式中，I為儀高，L為覘高。

工作基點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)間的平距為。

3.3.2 監(jiān)測點(diǎn)位移量

按極坐標(biāo)計(jì)算公式，可準(zhǔn)確求得每周期各監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)：

4 結(jié)論研究

沉降監(jiān)測。下邊坡由于2017年1月13日施工影響，樁位被泥土覆蓋，其后下邊坡未再進(jìn)行監(jiān)測，因此分析的是上邊坡及中邊坡的沉降情況。從94期觀測資料分析，中邊坡右側(cè)的A6、A7、A8、A9、A10，上邊坡中間的A27、A28、A29、A13、A14、A15、A16及上邊坡右側(cè)的A23、A24觀測期間沉降在5～20cm，其他點(diǎn)位沉降在3cm以內(nèi)。從最近5期的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，中邊坡的A10、A11，上邊坡的A16、A17、A18、A30、A31、A32沉降在2～3mm，其它點(diǎn)位沉降在1mm以內(nèi)，邊坡受天氣及施工影響較小，整體邊坡沉降目前較小。

平面位移監(jiān)測。因業(yè)主要求，1月份對原位移監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行了改樁，因此分析的是改樁后1月15日后至3月25日的位移情況。原裂縫下方的P4，上邊坡的P8、P9、P10，下邊坡的P13位移量在5～7cm；裂縫下方的P5，中邊坡的P12、P14、P15位移量在3～5cm；其他位移監(jiān)測點(diǎn)在3cm以內(nèi)。從最近5期的平面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，監(jiān)測點(diǎn)位移量都在3mm以內(nèi)，整體邊坡近期平面位移較小。根據(jù)沉降及平面位移數(shù)據(jù)分析，近期該邊坡變形較小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

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