公路邊坡狀態(tài)自動化監(jiān)測與經(jīng)濟性分析

滕紅

摘要：為了有效應對擴容公路路塹邊坡開挖失穩(wěn)風險，以更加經(jīng)濟的方式解決邊坡開挖過程中及防護后穩(wěn)定性監(jiān)測和預警問題，文章以柳州至南寧高速公路擴容公路某邊坡為依托，對邊坡失穩(wěn)風險進行評估和分級，并利用北斗、傾斜攝影測量和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建立三維自動化預警系統(tǒng)，對拆除支護過程中和支護后的邊坡進行監(jiān)測及預警，根據(jù)邊坡實際狀態(tài)設(shè)定不同報警閾值和響應狀態(tài)。同時，采用測量機器人對基于北斗等技術(shù)的自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行復核校準，并對比監(jiān)測費用。結(jié)果表明，采用自動化技術(shù)與機器人測試數(shù)據(jù)趨勢一致，采用自動化技術(shù)成本降低約44%。

關(guān)鍵詞：邊坡;失穩(wěn);自動化;監(jiān)測預警系統(tǒng)

中圖分類號：U416.1+4A110385

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，既有高速公路已不能滿足通行的需求，高速公路的擴容改造項目正逐步增多。既有高速公路的擴容要對已有路塹邊坡的支護進行拆除和開挖，這將造成應力的重分布，若開挖處治不當將有失穩(wěn)的風險，嚴重的甚至造成人員財產(chǎn)的損傷。為此，需要對邊坡開挖風險進行分級，并根據(jù)分級結(jié)果采用自動化技術(shù)對邊坡進行實時監(jiān)測，以便于及時采取應對措施。

關(guān)于邊坡開挖風險分級和邊坡自動化監(jiān)測技術(shù)，國內(nèi)外有部分專家和學者進行了研究。林俊勇采用多種方法構(gòu)建邊坡穩(wěn)定風險評估模型[1]。馬吉磊等開展了基于北斗時變的監(jiān)測研究[2]。雖然這些相關(guān)的研究取得了應用成果，但是缺乏通用性的評估方法及更加直觀性、智能型的監(jiān)測系統(tǒng)，也缺少對經(jīng)濟性方面的分析和研究。

1 工程概況

依托工程位于中國柳州（鹿寨）至南寧高速公路改擴建工程K1 261+900～K1 262+300段，處于高速公路兩側(cè)，為路塹邊坡，采用自上而下分級拓寬開挖的方式擴建。該段分南北側(cè)，以南側(cè)為例，邊坡長約140 m，高55 m，為土質(zhì)邊坡，邊坡底部及頂部局部見基巖出露。覆蓋層較厚，據(jù)實地調(diào)查和勘察資料，覆蓋層成分主要為可塑狀態(tài)的含角礫紅黏土，出露基巖以白云質(zhì)灰?guī)r為主。

2 邊坡風險分級

采用指標體系法對邊坡擴容施工風險評估，根據(jù)評估的風險等級，制定專項的邊坡開挖方案[4-5]。以項目規(guī)模、敏感指標、施工狀態(tài)、地形地質(zhì)、基礎(chǔ)資料作為風險評價因子，分析各因子的敏感性。專家從影響穩(wěn)定性的指標中選取敏感的指標進行排序。排序后采用權(quán)重系數(shù)進行劃分。權(quán)重系數(shù)可根據(jù)公式（1）直接計算。

根據(jù)表2，通過指標體系法確定的K1261+900～K1262+300右邊坡安全總體風險等級為：等級Ⅳ（極高風險）。需要對該邊坡制定專項施工方案，并且開展自動化監(jiān)測及預警。

3 自動化系統(tǒng)及方案

3.1 自動化系統(tǒng)[6-8]

（1）系統(tǒng)組成

由數(shù)據(jù)采集、傳輸、解算、平臺組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由接收機、供電設(shè)備、安全防護系統(tǒng)組成。其中，測量型接收機采用高精度測量型GNSS接收模塊，融合了自主開發(fā)的信噪過濾處理程序，確保獲得高質(zhì)量原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用了GPRS無線傳輸技術(shù)，通過獨有的通訊協(xié)議實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時傳出和斷線補傳功能，確保了數(shù)據(jù)完整性。GNSS解算系統(tǒng)。數(shù)據(jù)服務平臺：對現(xiàn)場設(shè)備集成數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)真正的集成化與智能化。

（2）技術(shù)指標見表4

（3）預警機制

針對目前規(guī)范中比較單一的報警方式，對預警機制進行細化，根據(jù)變形特征分成黃、橙、紅三級預警，并制定相應的應急聯(lián)動措施。

（4）設(shè)備選址

北斗形變監(jiān)測站的基準站和觀測站按一定數(shù)量比例進行布設(shè)，即每1臺基準站對應3臺觀測站，觀測站分布于基準站周圍，以基準站為核心，通過實時數(shù)據(jù)對比監(jiān)測區(qū)地表形變，一般一個監(jiān)測基準站能夠覆蓋方圓數(shù)公里以內(nèi)的監(jiān)測點，具體布設(shè)數(shù)量視現(xiàn)場情況及設(shè)備性能而定。

3.2 監(jiān)測方案

布設(shè)了2個攝像頭監(jiān)控，布設(shè)GNSS監(jiān)測站，同時利用測量機器人布設(shè)38個監(jiān)測點（左右側(cè)）進行周期性監(jiān)測復核。

3.2.1 北斗監(jiān)測方案

整個系統(tǒng)布設(shè)基準站1個，監(jiān)測站6個（其中南側(cè)兩個）?；鶞收窘ㄓ谑召M站附近，監(jiān)測站則根據(jù)邊坡中心線布設(shè)，布設(shè)詳情參見圖1。北斗自動化監(jiān)測正常情況下實行24 h不間斷，每天按固定時段采集一組數(shù)據(jù)計算平均值，周期初步按一個水文年（365 d）計算，根據(jù)監(jiān)測穩(wěn)定性情況再考慮下一年是否繼續(xù)監(jiān)測。圖2、圖3為北斗監(jiān)測系統(tǒng)主界面及數(shù)據(jù)采集界面圖。

3.2.2 高精度機器人監(jiān)測方案

采用萊卡TM50高精度監(jiān)測機器人進行自動觀測[9-10]，預計全年共監(jiān)測72次。如果監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的局部坡體或現(xiàn)有裂縫突然增大，則需根據(jù)實際情況縮短監(jiān)測時間間隔。根據(jù)高速公路沿線邊坡地形地貌，本項目的變形監(jiān)測網(wǎng)宜采用三角型網(wǎng)，監(jiān)測基準網(wǎng)由3個基準點及1個工作基點組成。對于K1 261+900～K1 262+300右側(cè)高邊坡，邊坡往西200 m的右轉(zhuǎn)匝道邊屬于邊坡外圍穩(wěn)定范圍，在該位置建立基準點TS0（同時設(shè)墩作為工作基點），收費站附近穩(wěn)定位置設(shè)1個基準點，點名為TS1，沿高速公路往兩側(cè)約200～500 m的穩(wěn)定位置各設(shè)置1個基準點，點名設(shè)為TS2、TS3，具體布置見圖4、圖5。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)及成本分析

通過對比分析同周期內(nèi)右側(cè)邊坡北斗監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢與萊卡機器人監(jiān)測數(shù)據(jù)變形趨勢，來驗證北斗監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。

4.1 北斗監(jiān)測數(shù)據(jù)

周期內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖6、圖7。數(shù)據(jù)局部時間段波動較大，主要是由于GPRS數(shù)據(jù)傳輸通道擁堵造成系統(tǒng)解算精度差導致數(shù)據(jù)波動引起解算精度下降。此波動情況不影響對各監(jiān)測點的變形趨勢的判斷。