蘭渝鐵路高精度邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用探討

闕衛(wèi)東 師文斌 陳虎林 孫睿 郭樹印

摘要：蘭渝鐵路通過黃土高原和秦嶺高中山區(qū)，地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜、特殊。考慮到其地震活動強(qiáng)烈以及降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，為保障鐵路運(yùn)營安全，現(xiàn)設(shè)計(jì)出兩個高精度邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)。本文通過對兩個監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行探討，說明其在蘭渝鐵路建設(shè)和監(jiān)測過程中發(fā)揮的作用。

關(guān)鍵詞：高精度;邊坡位移;自動化監(jiān)測;預(yù)報預(yù)警

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0109-03

0 引言

目前，我國高速列車運(yùn)行速度很快。在此情況下，外界任何微小的干擾都有可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員的傷亡。由于大多數(shù)情況下邊坡變形監(jiān)測的實(shí)際環(huán)境惡劣，利用傳統(tǒng)的監(jiān)測方法費(fèi)時費(fèi)力且實(shí)時效果不能滿足要求，因此建立蘭渝鐵路高精度邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行邊坡狀態(tài)實(shí)時自動化監(jiān)測至關(guān)重要。通過對監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，及時對各種邊坡狀況進(jìn)行處理。

1 研究概況

蘭渝鐵路范家坪隧道位于甘肅省隴南市武都區(qū)大元壩白龍江左岸，于212國道邊進(jìn)洞，地形東高西低，起伏較大。其隧道進(jìn)口滑坡綜合整治工程的邊坡高差達(dá)153m，進(jìn)口段工程設(shè)置復(fù)雜。此處地層主要為第四系全新統(tǒng)坡積碎石土及下伏的泥盆系千枚巖及灰?guī)r[1-3]。

楓相院車站特大橋位處山體陡峻，坡體土質(zhì)為塊石夾土和強(qiáng)風(fēng)化松散堆積巖體。其邊坡整治工程位于該特大橋小里程段左側(cè)山體邊坡上，起訖里程：DK430+120.15～DK430+392.65，長272.50m。工點(diǎn)范圍內(nèi)普遍存在危巖落石，在雨水沖刷或人為震動情況下易產(chǎn)生滾動。為保障鐵路運(yùn)營安全，建立楓相院車站特大橋邊坡整治工程長期性山體安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，利用自動化監(jiān)測的方法掌握坡面位移和變形情況，預(yù)判山體形變發(fā)展?fàn)顟B(tài)[5，6]。

我國疆土幅員遼闊，地形地貌和地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，滑坡災(zāi)害頻繁發(fā)生，直接危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此邊坡監(jiān)測意義重大。通過建立高精度邊坡進(jìn)行自動化監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時獲取邊坡狀態(tài)信息，為災(zāi)害預(yù)警和災(zāi)害防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，及時采取相應(yīng)的應(yīng)急和預(yù)防措施，減少由滑坡造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

2 高精度監(jiān)測相關(guān)理論

2.1 監(jiān)測原理

邊坡高精度變形監(jiān)測系統(tǒng)采用北斗兼容GPS接收機(jī)作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，利用采集到的空間星座中各顆衛(wèi)星的信號，獲取衛(wèi)星的運(yùn)行軌道信息，通過計(jì)算衛(wèi)星和監(jiān)測站之間的距離，進(jìn)而確定出監(jiān)測點(diǎn)自身空間位置，變形監(jiān)測不同于其他一些應(yīng)用，其對定位精度的要求特別高，因此如何盡可能提高定位精度也是系統(tǒng)構(gòu)建過程中需要解決的一大難題。

假設(shè)各北斗高精度一體化監(jiān)測站上的接收機(jī)同一時刻接收4顆以上GPS衛(wèi)星或北斗衛(wèi)星發(fā)出的信號，根據(jù)這些衛(wèi)星發(fā)射信號時的瞬時位置和站星之間的距離即可確定監(jiān)測點(diǎn)的空間位置。站星距離可通過兩種方法進(jìn)行求解：偽距測量和載波相位測量。利用偽距測量進(jìn)行站星距離量測時精度不高，多用于衛(wèi)星導(dǎo)航和低精度定位，對于邊坡變形監(jiān)測這一對精度需求在毫米級的應(yīng)用，不能滿足定位需求。利用載波相位測量計(jì)算站星距離，雖數(shù)據(jù)處理工作復(fù)雜、麻煩，但可獲得高精度定位結(jié)果，適用于柳家河隧道邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)[7，8]。

2.2 監(jiān)測原則

邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)方案在滿足安全管理和監(jiān)測的前提下，還應(yīng)滿足的總體測點(diǎn)布置原則如：（1）安全可靠。由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多樣，測試儀器除具備一些基本要求外，還應(yīng)具有防水防潮耐久等特點(diǎn)，且使用壽命應(yīng)滿足監(jiān)測期間的正常使用?；鶞?zhǔn)站和監(jiān)測點(diǎn)要能避免各種擾動，若在施工過程中被破壞，應(yīng)能盡快在原位置或盡量靠近原位置補(bǔ)設(shè)測點(diǎn)，以保證測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)安設(shè)在最有可能發(fā)生變形、最有代表性的地段。（2）自動化。監(jiān)測元件需滿足自動化監(jiān)控的原則，整個監(jiān)測過程應(yīng)自動完成，無需人工干預(yù)。監(jiān)測完成后，監(jiān)測信息應(yīng)及時上傳至運(yùn)營管理部。（3）綜合考慮。按監(jiān)測方案在現(xiàn)場布設(shè)測點(diǎn)，當(dāng)實(shí)際情況不允許時，可在靠近計(jì)劃測點(diǎn)的位置設(shè)置測點(diǎn)，以能達(dá)到監(jiān)測目的為原則;各類監(jiān)測點(diǎn)的布置在時間和空間上有機(jī)結(jié)合，力求同一監(jiān)測部位能同時反映不同的物理變化量，以便找出其內(nèi)在的聯(lián)系和變化規(guī)律。（4）及時分析反饋。實(shí)時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)后，應(yīng)及時進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計(jì)和分析，以及成果報表的編制。由于測試元件多，數(shù)據(jù)采集量大，故及時的分析和反饋可以為運(yùn)營提供有價值的依據(jù)。

3 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)及系統(tǒng)構(gòu)建

蘭渝鐵路范家坪隧道采用自動化監(jiān)測方法對進(jìn)口段山體邊坡暫時進(jìn)行表面位移的變形監(jiān)測，現(xiàn)場工程實(shí)體邊坡已清理至基巖面，監(jiān)測施工范圍在既有線安全距離內(nèi)，施工難度較大。其監(jiān)測點(diǎn)主要布設(shè)于滑坡主軸斷面樁板墻或抗滑樁樁頂、擋土墻墻頂、刷坡邊坡及環(huán)形截水溝外側(cè)穩(wěn)定地段處，呈線網(wǎng)狀分布。此次監(jiān)測共設(shè)3個監(jiān)測斷面、8個監(jiān)測點(diǎn)。蘭渝鐵路楓相院車站特大橋采用自動化監(jiān)測方法對左側(cè)山坡進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)場共設(shè)置13個監(jiān)測點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)設(shè)備由接收機(jī)、測量天線及天線保護(hù)罩、在線避雷器、太陽能供電系統(tǒng)、無線通訊模塊等組成。同時在坡度較緩、地基穩(wěn)定處尋找基巖建立一個基準(zhǔn)站，將監(jiān)控終端設(shè)在鐵路局等處進(jìn)行坡體表面位移監(jiān)測。

高精度監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合北斗、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云服務(wù)等最新的技術(shù)，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為四層，分別是感知層、傳輸層、中心層和應(yīng)用層，如圖1所示。感知層，主要由現(xiàn)場安裝的北斗測量裝置組成，實(shí)時感知結(jié)構(gòu)物（邊坡、仰坡等需要實(shí)時監(jiān)測的結(jié)構(gòu)物）發(fā)生的位移變化;傳輸層，主要由通訊設(shè)備及通訊網(wǎng)組成，將感知層獲取的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)中心層中進(jìn)行存儲、分析和應(yīng)用;中心層，主要由云服務(wù)器和云平臺軟件組成，用于接收并儲存海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，為應(yīng)用層的各類服務(wù)提供充足的數(shù)據(jù)支撐;應(yīng)用層，即系統(tǒng)用戶層。系統(tǒng)用戶可以使用各種終端設(shè)備（手機(jī)、平板、電腦等）在任何地方、任何時間通過Internet訪問監(jiān)測系統(tǒng)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時了解和掌握被監(jiān)測結(jié)構(gòu)物的形態(tài)特征和變化情況。

由于構(gòu)建的兩個自動化監(jiān)測系統(tǒng)的邊坡監(jiān)測點(diǎn)分別分布在擋土墻頂及刷方邊坡等不同的位置，故根據(jù)實(shí)際情況，可采用一機(jī)一天線的實(shí)時監(jiān)測模式或多機(jī)多天線的集中實(shí)時監(jiān)測模式進(jìn)行監(jiān)測。利用該模式進(jìn)行邊坡變形自動監(jiān)測時，可實(shí)時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，在減少人力成本的同時避免由于人工測量造成的誤差。

4 監(jiān)測系統(tǒng)精度分析

面向蘭渝鐵路建立的兩個自動化監(jiān)測系統(tǒng)采用北斗兼容GPS接收機(jī)作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，與全球定位系統(tǒng)（GPS）相比，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)使用的三頻信號是它的一大優(yōu)勢，同時也是基于北斗的邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有高精度的一大原因。BDS的三頻信號可以更好的消除電離層延遲的影響，提高定位的精確度與可靠性，大大的提高模糊度的固定效率。若一個頻率信號出現(xiàn)問題，可以使用傳統(tǒng)的方法利用另外兩個頻率進(jìn)行定位，增加了整個監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾能力。同時，監(jiān)測過程中使用的相對定位（差分）方法同樣支撐了該系統(tǒng)的高精度特點(diǎn)。相對定位是指確定同步跟蹤相同衛(wèi)星信號的若干臺接收機(jī)之間的相對位置的定位方法，各個監(jiān)測點(diǎn)（每臺接收機(jī)）之間的相對位置可以用一條基線向量來表示。隧道洞口邊坡位移監(jiān)測使用了靜態(tài)相對定位的方法，在兩個測站上對同一衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測，得出各自的線性化觀測方程并將兩者相減得如下表達(dá)式。

5 監(jiān)測功能及應(yīng)用分析

5.1 系統(tǒng)功能

自動化監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分布置完成投入運(yùn)營后，其具體功能如：（1）實(shí)現(xiàn)對柳家河隧道洞口邊坡重要運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時自動化采集、傳輸、分析、應(yīng)用?？筛鶕?jù)監(jiān)測需求按照指定時間，使用多種不同的數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。（2）直觀顯示各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的當(dāng)前狀態(tài)和變化過程，且監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量高。（3）當(dāng)時間和洞口邊坡位移之間出現(xiàn)關(guān)聯(lián)關(guān)系時，即視為變形量超出預(yù)警值。根據(jù)監(jiān)測誤差，預(yù)警值可分為三級，系統(tǒng)會及時根據(jù)各級范圍發(fā)出相對應(yīng)的預(yù)警信息，以便及時對緊急情況進(jìn)行處理。

同時，其軟件部分采用了分層B/S體系結(jié)構(gòu)，以Java為開發(fā)平臺，統(tǒng)一流程規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理等各個方面，構(gòu)成了一個開放統(tǒng)一的可跨平臺部署的高精度安全監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)。其具體功能為：（1）錄入監(jiān)測點(diǎn)位置、設(shè)備位置及設(shè)備編號等信息，記錄與工程相關(guān)的信息，并對監(jiān)測點(diǎn)的錄入信息進(jìn)行管理。（2）對硬件系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如遠(yuǎn)程調(diào)整測試參數(shù)，避免因?yàn)閰?shù)改變而必須進(jìn)入現(xiàn)場的問題。省時省力且自動化程度高。（3）對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理且能自動生成報表。預(yù)處理過程主要包括數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)分類等，為后續(xù)的數(shù)據(jù)自動分析、人工分析提供了良好的數(shù)據(jù)源。同時，根據(jù)系統(tǒng)自動或人工分析的結(jié)果，自動生成各種類型的報表。

5.2 應(yīng)用探討

應(yīng)用于蘭渝鐵路的邊坡高精度自動化監(jiān)測系統(tǒng)在其使用期間可長期、連續(xù)、穩(wěn)定工作，實(shí)時獲取大量監(jiān)測數(shù)據(jù)。使用該系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)邊坡位移的變化情況并分析出其未來的發(fā)展趨勢，及時針對各種不同的情況進(jìn)行預(yù)報預(yù)警。同時，該系統(tǒng)滿足全天候、實(shí)時監(jiān)測和高精度的需求，省時省力低成本，可很好的運(yùn)用于蘭渝鐵路的建設(shè)和后期的監(jiān)測之中。高精度變形監(jiān)測系統(tǒng)的水平位移精度能達(dá)到毫米級，無論在邊坡變形的日常監(jiān)測中還是在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的過程中，該技術(shù)都能實(shí)時、準(zhǔn)確的對邊坡位移的細(xì)小變化進(jìn)行有效監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了毫米精度的位移實(shí)時監(jiān)測，滿足變形監(jiān)測的要求。該系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害（邊坡）的預(yù)警預(yù)報監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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