免棱鏡全站儀在公路工程高邊坡位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

吉訓(xùn)剛

摘要 傳統(tǒng)的全站儀需要有反射片或棱鏡作為協(xié)助目標(biāo)才能完成測(cè)距，在施工中具有一定的局限性。而免棱鏡全站儀有效融合了傳統(tǒng)全站儀與免棱鏡測(cè)距技術(shù)，目前被廣泛使用于工程建設(shè)中，特別適用于不方便放置棱鏡或反射片的地方進(jìn)行測(cè)距，如懸崖、石壁及高陡峭邊坡的監(jiān)測(cè)等。文章通過(guò)工程實(shí)例，分析免棱鏡全站儀在公路工程高邊坡位移監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的方法及成果。

關(guān)鍵詞 免棱鏡全站儀;高邊坡;位移監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào) U416.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）07-0069-03

0 引言

海南省橫線萬(wàn)洋高速公路A1標(biāo)設(shè)計(jì)交樁控制點(diǎn)J26-J27段屬于深挖路塹，而由深挖路塹形成的落差達(dá)到20 m的高陡邊坡很容易導(dǎo)致滑坡、崩塌、傾倒等高邊坡常見(jiàn)病害的突發(fā)。為了保證作業(yè)人員的安全及施工的順利進(jìn)行，需要對(duì)設(shè)計(jì)交樁控制點(diǎn)J26-J27段高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而高邊坡的穩(wěn)定性評(píng)定指標(biāo)是指邊坡結(jié)構(gòu)某點(diǎn)或某區(qū)域位移有沒(méi)有發(fā)生位移突變，所以要對(duì)高邊坡進(jìn)行表面位移的整體監(jiān)測(cè)，以確認(rèn)高邊坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。因?yàn)榇硕胃哌吰戮哂衅露榷?、土體不穩(wěn)定的情況，所以宜采用免棱鏡全站儀進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)一個(gè)月的實(shí)地監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析，最后得到此段高邊坡的位移狀態(tài)，為高邊坡的防護(hù)施工提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)

設(shè)計(jì)交樁控制點(diǎn)J26-J27段高邊坡布設(shè)的位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)組成包括控制點(diǎn)、施測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)三個(gè)組成部分，分別在公路高邊坡的坡腳 、中部及坡頂位置等地方按編號(hào)測(cè)點(diǎn)1～ 測(cè)點(diǎn)12布設(shè)了12個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，有充分的監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠更準(zhǔn)確地測(cè)定高邊坡的變形情況。具體布置方案見(jiàn)圖 1～2。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)完成后，以設(shè)計(jì)交樁控制點(diǎn)J26、J27為基準(zhǔn)點(diǎn)，并在高邊坡沿線路基外土質(zhì)穩(wěn)定處依次設(shè)置4個(gè)控制點(diǎn)，建立起監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)。采取以交樁控制點(diǎn)J26～J27為基準(zhǔn)點(diǎn)且設(shè)置控制點(diǎn)密度比較高的原因在于，若在施工中導(dǎo)致部分控制點(diǎn)的損毀，也可采用其他控制點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)位施測(cè)，既不會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生大的影響，也能保證監(jiān)測(cè)成果的精度，同時(shí)也能用于公路項(xiàng)目的其他測(cè)量工作，保證現(xiàn)場(chǎng)施工的順利進(jìn)行。并且要不定時(shí)對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)核驗(yàn)，檢查控制點(diǎn)位是否發(fā)生移動(dòng)及沉降，以確保高邊坡位移監(jiān)測(cè)的成果準(zhǔn)確。

2 儀器的檢定及精度核驗(yàn)

2.1 儀器的檢定維修

全站儀由于經(jīng)常在野外使用及在運(yùn)輸途中的振動(dòng)和缺乏保養(yǎng)措施，導(dǎo)致儀器的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、電子元器件的自然老化等，會(huì)導(dǎo)致儀器性能發(fā)生變化，造成技術(shù)指標(biāo)的降低。為了全面掌握儀器的性能，合理使用儀器觀測(cè)到合格的測(cè)量成果。儀器在使用過(guò)程中必須定期進(jìn)行檢定。

由于免棱鏡全站儀是精密電子儀器，所以在使用的過(guò)程中如出現(xiàn)問(wèn)題或故障不要隨意拆卸和調(diào)整，應(yīng)到具有儀器鑒定資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定和維修。國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定，全站儀的檢定周期不能超過(guò)1年。

全站儀的檢定項(xiàng)目可分為三部分，即光電測(cè)距系統(tǒng)的檢定、電子測(cè)角系統(tǒng)的檢定、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的檢定。在檢定機(jī)構(gòu)給的檢定結(jié)果符合要求后才能用于監(jiān)測(cè)工作。

2.2 儀器的精度核驗(yàn)

在進(jìn)行施測(cè)前，免棱鏡全站儀的測(cè)量精度能不能達(dá)到高邊坡位移監(jiān)測(cè)的規(guī)范要求至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)外用于測(cè)量的免棱鏡全站儀型號(hào)種類眾多，但是各種品牌型號(hào)的免棱鏡全站儀的測(cè)量原理及其基本功能一樣。

該次施測(cè)所采用的儀器是拓普康MS05全站儀，屬于超精密三維自動(dòng)化測(cè)量的新型測(cè)量機(jī)器人。拓普康MS05全站儀的EDM在免棱鏡的情況下為3R級(jí)激光測(cè)量，它的測(cè)角精度達(dá)到0.5″，測(cè)距使用的是共軸相位比較測(cè)量系統(tǒng)，其精度可達(dá)到亞毫米級(jí)。在使用反射片為協(xié)作目標(biāo)時(shí)，測(cè)量精度達(dá)到±（0.5+1 ppm*D）mm;在使用AP/CP棱鏡為協(xié)作目標(biāo)情況下的測(cè)量精度可達(dá)到（0.8+1 ppm*D）mm;在使用免棱鏡的情況下的測(cè)量精度最高可達(dá)到（1+1 ppm*D）mm。

在經(jīng)過(guò)多種多次數(shù)的測(cè)試后，拓普康MS05全站儀的各項(xiàng)指標(biāo)都符合規(guī)范要求。

（1）全站儀的測(cè)角、測(cè)距標(biāo)稱精度符合表1[1]的規(guī)定。

（2）高邊坡地表水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度符合表2[1]的要求。

（3）高邊坡地表垂直位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度符合表3[1]的要求。

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)

3.1 觀測(cè)前的準(zhǔn)備工作

（1）在進(jìn)行高邊坡位移監(jiān)測(cè)前必須達(dá)到全面地了解并掌握高邊坡防護(hù)工程的整體狀況和整個(gè)工程項(xiàng)目施工要求的目的。測(cè)量相關(guān)人員在施測(cè)前應(yīng)該研討各種監(jiān)測(cè)方法實(shí)施的可行性，確保整體監(jiān)測(cè)工作高質(zhì)量完成。

（2）在進(jìn)行施測(cè)前必須編制高邊坡位移監(jiān)測(cè)專項(xiàng)進(jìn)度計(jì)劃，以指導(dǎo)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目按計(jì)劃實(shí)施。并且在實(shí)施過(guò)程中經(jīng)常檢查實(shí)際監(jiān)測(cè)進(jìn)度是否按計(jì)劃要求進(jìn)行，對(duì)出現(xiàn)的偏差分析原因，采取補(bǔ)救措施或調(diào)整，直到監(jiān)測(cè)工作最終完成。

（3）在測(cè)量前還必須對(duì)各種測(cè)量設(shè)備及工具進(jìn)行查缺補(bǔ)漏，保證各種測(cè)量輔助工具的齊全。并核對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖及控制點(diǎn)、工作點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等相關(guān)數(shù)據(jù)資料的準(zhǔn)確性。

3.2 監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

水平及垂直位移的監(jiān)測(cè)原理主要是通過(guò)觀測(cè)角度、邊長(zhǎng)等求得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程，將若干次所測(cè)得的平面坐標(biāo)及高程進(jìn)行相比對(duì)，得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平及垂直位移量。目前常用的監(jiān)測(cè)方法有基準(zhǔn)線法、交會(huì)測(cè)量法、三角網(wǎng)測(cè)量法、緊密導(dǎo)線網(wǎng)法等。除了這些方法外，還有專用測(cè)量法、攝影測(cè)量法和RTK測(cè)量法等。

高邊坡監(jiān)測(cè)的控制網(wǎng)采用的是海南平面坐標(biāo)系和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，所以在觀測(cè)后無(wú)須通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算就可以在儀器上得出平面坐標(biāo)及高程的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。觀測(cè)點(diǎn)的平面布置要符合D級(jí)GPS網(wǎng)的要求，按照三等水準(zhǔn)的相關(guān)要求及規(guī)范去觀測(cè)高程。另外，在首次對(duì)高邊坡位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，需要先獨(dú)立對(duì)控制點(diǎn)、工作測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行試測(cè)，確認(rèn)所測(cè)得的坐標(biāo)及高程分別要符合海南平面坐標(biāo)系和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，從而構(gòu)建兼具穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

在對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)之前，要檢驗(yàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)及工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，檢驗(yàn)的結(jié)果符合要求后可以進(jìn)行觀測(cè)。如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了變化，必須在控制點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及工作點(diǎn)的三維位置進(jìn)行重新測(cè)定。在進(jìn)行觀測(cè)的過(guò)程中，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行兩個(gè)回合，并且要保證每個(gè)測(cè)回進(jìn)行三次的讀數(shù)，如果三次觀測(cè)所產(chǎn)生的誤差小于2 mm，則選擇其算術(shù)平均值。

最后，采用監(jiān)測(cè)全時(shí)段三維坐標(biāo)來(lái)反映所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化狀態(tài)，根據(jù)所使用的測(cè)量方法、觀測(cè)儀器及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的特點(diǎn)，如果某一側(cè)的多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)差均大于預(yù)警值（見(jiàn)表4）[2]，而且能夠看出一定的變化規(guī)律，則預(yù)示著邊坡存在不穩(wěn)定的趨勢(shì)，應(yīng)針對(duì)這種情況采取針對(duì)性的措施。

3.3 注意事項(xiàng)

（1）觀測(cè)盡量選擇在白天，且光線比較好的時(shí)段，在光線好的情況下更能清晰地照準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確。

（2）該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的相關(guān)負(fù)責(zé)人，必須確保隨時(shí)互相溝通及交換意見(jiàn)，以防在出現(xiàn)異常情況的時(shí)候而不能相互協(xié)作處理突發(fā)事件。

（3）負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)的施工各方要保護(hù)好監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提前對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及控制點(diǎn)做好加固措施，并設(shè)置醒目的防損壞標(biāo)志，防止出現(xiàn)無(wú)意的人為破壞。

（4）在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)必須保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)的一致性，以防出現(xiàn)記錄混亂而導(dǎo)致錯(cuò)誤。

（5）觀測(cè)時(shí)的儀器操作要符合規(guī)范要求，避免不規(guī)范的操作對(duì)儀器造成損壞，同時(shí)要注意現(xiàn)場(chǎng)施工情況，保證監(jiān)測(cè)過(guò)程中相關(guān)測(cè)量人員的安全。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理

根據(jù)上述觀測(cè)實(shí)施方案描述的對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理方式，將此次高邊坡位移監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，表5為第一次（即監(jiān)測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)值）和最后一次的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

根據(jù)表5第一次和最后一次對(duì)高邊坡位移的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)差值都在規(guī)定的預(yù)警值之內(nèi)，且不存在明顯規(guī)律性的移動(dòng)情況，項(xiàng)目各分部分項(xiàng)工程可正常施工。不過(guò)，只有一個(gè)月的監(jiān)測(cè)周期只是能在這段周期內(nèi)給施工提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還無(wú)法最終的去判斷高邊坡最終的位移情況，仍然需要多次和多種情況下的監(jiān)測(cè)，如在海南常見(jiàn)的大暴雨、臺(tái)風(fēng)等極端天氣出現(xiàn)過(guò)后的監(jiān)測(cè)情況，才能對(duì)高邊坡的位移情況獲得更加合理的判斷。

5 結(jié)語(yǔ)

免棱鏡全站儀在公路工程高邊坡位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用作為一種新型技術(shù)，該文通過(guò)工程實(shí)例對(duì)其進(jìn)行分析及論證，驗(yàn)證了其可靠性。相較于有棱鏡全站儀，其優(yōu)點(diǎn)在于不需要在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安置棱鏡即可完成測(cè)量。不僅解決了陡坡地形放置棱鏡難度大、觀測(cè)不穩(wěn)定、對(duì)工作人員要求較多等不利情況導(dǎo)致高邊坡位移監(jiān)測(cè)效率較低的問(wèn)題，還可以獲得觀測(cè)精度較高的三維坐標(biāo)。在滿足監(jiān)測(cè)精度要求的前提下，既節(jié)約了人力成本，而且還大幅度提高了工作效率，具有可推廣性與可使用性。

參考文獻(xiàn)

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