自動測量機器人在公路構(gòu)造物表面變形監(jiān)測中的應用

閆強 田立佳 蔣成龍

摘要：為了實時監(jiān)測有失穩(wěn)跡象的公路邊坡和橋梁的穩(wěn)定狀態(tài)，文章以廣西某高速公路邊坡及橋梁為依托，采用具有自動測量功能的TCA型高精度測量機器人，結(jié)合邊坡裂縫發(fā)育特征及橋梁變形狀態(tài)制定了監(jiān)測方案，對該邊坡和橋梁的表面位移進行全天候監(jiān)測。第一周期監(jiān)測結(jié)果表明：橋梁監(jiān)測點橫向位移及縱向位移累計變化范圍在-0.002～0.002m之間;邊坡監(jiān)測點橫向位移和縱向位移累計變化范圍分別在-0.005～0.005m之間和-0.003～0.003m之間。該技術(shù)具有全自動、高精度、智能預警等多項功能，能快速地測設數(shù)據(jù)，其在工程中的應用為構(gòu)筑物的穩(wěn)定狀態(tài)分析、處治及應急聯(lián)動提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速公路;測量機器人;滑坡;橋梁變形;預警

中圖分類號：U491.116 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.047

文章編號：1673-4874（2019）09-0168-05

0引言

高速公路在建設及運營過程中，由于原地貌的人為改變，造成巖土應力的重分布，在自然條件和行車等的影響下，常會出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)、滑動、垮塌及橋梁移位等病害，若不及時監(jiān)測和處置，將可能造成較為嚴重的后果。因此，采用一定的手段和方式，對邊坡及橋梁穩(wěn)定性狀態(tài)的監(jiān)測及預警尤為重要。同時，采用的監(jiān)測手段要滿足精度要求，自動化水平要高，才能有效降低監(jiān)測成本和提高監(jiān)測的安全性。而基于自動測量機器人等高精度變形自動監(jiān)測系統(tǒng)（ADMS，Automatic Deformation Monitorin0Systems）具有全過程自動化控制、實時計算、自動限差檢核和報警功能，能夠較好地滿足高速公路構(gòu)筑物變形監(jiān)測情況。為此，本文以廣西某高速公路為依托，采用徠卡高精度TS30（測角精度0.5S，120m距離內(nèi)三維坐標測量可達0.6mm）為代表的TCA型測量機器人為監(jiān)測基礎手段，通過對該高速公路發(fā)生滑移的邊坡和受此影響而發(fā)生形變的中橋進行24h監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進行分析和預警，為邊坡和橋梁病害的處治方案以及應急聯(lián)動提供依據(jù)。

1高精度自動監(jiān)測機器人的原理

本項目使用徠卡高精度TS30（測角精度0.5S，120m距離內(nèi)三維坐標測量可達0.6mm）為代表的TCA型測量機器人，該技術(shù)目前已經(jīng)在建構(gòu)物高精度變形自動監(jiān)測系統(tǒng)（ADMS，Automatic Deformation Monitoring Systems）中成功使用。系統(tǒng)的特點是全過程自動化控制、實時計算、自動限差檢核和報警，精度高（在400m距離內(nèi)平面坐標精度可達1-2mm，高程精度可達2-3mm），不干擾現(xiàn)場運營，安全高效.系統(tǒng)采用中心控制軟件GeoMoS，可以通過各種有線（光纖、485電纜）和無線數(shù)據(jù)通訊手段（GPRS或者CDMA），遠程自動控制可通視位置上設置的TCA測量機器人，定時自動測量布置在橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點上的監(jiān)測目標，從而完成對橋梁外部變形特征點的實時連續(xù)自動化監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

GeoMoS軟件系統(tǒng)可實時計算各監(jiān)測目標的三維變形量，并可設置各變形量的報警限差，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果超過限差，立即通過屏幕顯示、電郵發(fā)送等方式進行報警。工作流程如圖2所示。

2依托工程概況及監(jiān)測方案

2.1工程概況

廣西某高速公路大型路塹邊坡滑移，出現(xiàn)了多處裂縫，而邊坡下部的某中橋受滑坡體的推擠出現(xiàn)了系列病害。此外滑坡體下方有村莊，存在較大的安全風險。具體病害如下：

（1）上行線2#橋墩右側(cè)上邊坡有兩處滑動面，其中距2#橋墩約210m處有1條斜向裂縫，縫長約82m，最大錯臺量約0.30m;距2#橋墩約160m處有1條倒“V”型裂縫，縫長約35m，最大錯臺量約0.65m。

（2）上行線隆林端橋臺伸縮縫裝置卡死，下行線百色端橋臺伸縮縫混凝土錨固區(qū)開裂。

（3）上行線百色端橋臺右側(cè)背墻有1條寬約3mm的橫向裂縫，下行線百色端橋臺左側(cè)背墻有1條不規(guī)則斜向裂縫，寬約3mm。上下行百色端橋臺間有錯臺，最大錯臺量約2.3cm。下行線百色端橋臺漿砌片石排水溝與橋臺前墻形成1條由小到大的間隙，最寬處約3cm，且排水溝有3條疑似下沉引起的裂縫。

（4）上行線1#、2#橋墩，下行線1#橋墩蓋梁防撞擋塊均受到不同程度擠壓破損，其中上行線2#橋墩蓋梁右防撞擋塊受擠壓破損開裂最嚴重，豎向裂縫寬約15mm。

（5）上行線2#橋墩距地面約2m置發(fā)現(xiàn)3條水平裂縫，裂縫間間距約0.15m，最大縫長約2.395m，最大縫寬約0.17m。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，誘發(fā)橋梁病害可能的主要原因是上行線2#橋墩右側(cè)上邊坡滑塌所致。

2.2 監(jiān)測方案

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，選在平中屯一村民房屋樓頂制高點設置TCA測量機器人監(jiān)測站.在該中橋橋梁、各個橋墩分別布置監(jiān)測點，其中每個橋墩布置2個監(jiān)測點，橋梁布置5個監(jiān)測點，在邊坡表面上布置13個監(jiān)測點。同時在周圍穩(wěn)定建筑物上設置了4個基準點作為整個系統(tǒng)的定向、自動檢核和調(diào)整的基準點，確保系統(tǒng)的高精度和可靠性。測站點及基準點具體布置的位置如圖3所示。

2.3監(jiān)測頻率及預警設置

（1）監(jiān)測期：滑坡處治前應急監(jiān)測，主要對橋體結(jié)構(gòu)位移和滑坡體進行24h實時監(jiān)測，根據(jù)力學及經(jīng)驗分析，監(jiān)測周期時間暫定5個月。

（2）監(jiān)測頻率：自動化監(jiān)測頻率可以做到24h實時監(jiān)測，可根據(jù)實際狀態(tài)進行調(diào)整，暫時擬定為1h進行一次數(shù)據(jù)采集。橋梁結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測和邊坡表面位移可實時采集數(shù)據(jù)。

（3）預警設置：由于橋梁已經(jīng)發(fā)生變形，橋梁原始狀態(tài)已無法獲取，因此，監(jiān)測系統(tǒng)的預警值設置是根據(jù)橋梁現(xiàn)有的狀態(tài)及經(jīng)驗，預警設置三個級別。即橋梁主體結(jié)構(gòu)位移值達到5mm或沉降值達到10mm時進行黃色報警;位移值達到10mm或沉降值達到15mm時進行橙色報警;位移值達到15mm或沉降值達到20mm時進行紅色報警。邊坡表面高程位移或沉降達到20mm時進行黃色報警;高程位移或沉降達到40mm時進行橙色報警;高程位移或沉降達到60mm時進行紅色報警。見表1和表2。

3監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

分析的監(jiān)測數(shù)據(jù)起止時間為2019-06-01到2019-06-14，共14d時間，橋梁監(jiān)測選取11個監(jiān)測點，邊坡表層選取13個監(jiān)測點，繪制其變化曲線圖并進行分析。

3.1橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

橋梁監(jiān)測點的橫向位移、縱向位移、高程位移變化趨勢如圖4-6所示。

在橋梁監(jiān)測過程中，根據(jù)橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明：（1）監(jiān)測點橫向位移累計變化范圍在-0.002-0.002m之間;（2）監(jiān)測點縱向位移累計變化范圍在-0.002～0.002m之間;（3）監(jiān)測點高程位移累計變化范圍在-0.003～0.003m之間;（4）橋梁監(jiān)測點高程位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，部分數(shù)據(jù)偏移較大，經(jīng)分析可知，該數(shù)據(jù)為誤差數(shù)據(jù)，可以忽略。

為了進一步分析橋梁整體位移的變化情況，取gxjt-101、gxjt-102監(jiān)測點一周內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分析（圖4-6中繪制區(qū)域），其兩個監(jiān)測點的橫向、縱向、高程坐標變化趨勢圖，如圖7所示。

從圖7中可以看出，盡管橋梁處于有規(guī)律性的彈性變化，但分析其線性趨勢線時，可以明顯看出，橋梁監(jiān)測點gxjt-101、gxjt102橫向位移、縱向位移均仍處于緩慢變化中，需要加強觀測頻率。

3.2邊坡表層監(jiān)測數(shù)據(jù)

邊坡表層的橫向位移、縱向位移、高程位移變化趨勢圖如圖8-10所示。

在邊坡表層位移監(jiān)測過程中，根據(jù)邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明：（1）監(jiān)測點橫向位移累計變化范圍在-0.005～0.005m之間;（2）監(jiān)測點縱向位移累計變化范圍在-0.003～0.003m之間;（3）監(jiān)測點高程位移累計變化范圍在-0.005～0.005m之間。

為了進一步分析邊坡表層位移的變化情況，取gxjt-2001，gxjt-2002監(jiān)測點一周內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分析（圖8-10中繪制區(qū)域），其兩個監(jiān)測點的三維坐標變化趨勢如下頁圖11所示。

從圖11中可以看出，邊坡表層位移同樣處于有規(guī)律性的變化，分析其線性趨勢線時可以看出，邊坡監(jiān)測點gxjt-2001、gxjt2002縱向位移、高程位移均仍處于變化中，其中縱向位移變化率較大，需要加強巡查工作。

4 結(jié)語

本文以廣西某高速公路邊坡及橋梁為依托，采用具有自動測量功能的TCA型高精度測量機器人對該項目的表面變形進行了實時監(jiān)測：

（1）測量機器人在保證高精度的前提下，具有全過程自動化控制、實時計算、自動限差檢核和預警功能，且成本低，不干擾現(xiàn)場運營，安全高效。

（2）要在充分分析邊坡滑動面及橋梁受力狀態(tài)的前提下布設監(jiān)測邊坡和橋梁表面變形的棱鏡點位，棱鏡成本較低，點位布置范圍盡可能大一些。

（3）建議利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)將自動化的測量設備與全壽命周期內(nèi)基礎設施的穩(wěn)定狀態(tài)分析平臺建立關(guān)聯(lián)。