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，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行定期實時監(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 文獻標識碼：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，定期測量滑動量、主滑動線的方向和速度，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的原理、方法與使用精密測量及計量儀器相結(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和極坐標法。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的三維坐標的方法和GPS直接進行滑坡監(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的三維坐標的方法。

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，必須對其進行實時監(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)措施對潛在危險進行處置，防止發(fā)生工程事故。

2 測量儀器探討

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，測量儀器發(fā)生了翻天覆地的變化。測量機器人（Measurementrobot）或稱測地機器人（Georobot）是一種能代替人進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標并且獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息的智能型電子全站儀，可以實現(xiàn)測量的全自動化、智能化。尤其在小尺度局部坐標測量當中，測量精度高、靈活機動、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集成了步進馬達、CCD影像傳感器，是一種能自動搜索、識別和精確照準目標并獲取角度、距離和三維坐標的智能型電子全站儀，屬目前自動化程度較高的測量儀器，標稱測角精度0.5"，測距精度±（1mm+1PPm），配備相應(yīng)軟件，可自動照準目標、觀測和記錄，故有測量機器人之稱。國內(nèi)已有多家單位購買使用。

2.2 機載控制軟件

機載控制軟件是TCA2003的活動神經(jīng)中樞，TCA2003的自動化在其控制之下得到實現(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)的機載應(yīng)用程序。該高邊坡安全監(jiān)測中測量機器人控制軟件系我隊自主開發(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)置不同測回數(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可人為中斷，排除干擾后繼續(xù)觀測。此軟件成熟嚴謹，可應(yīng)用于控制測量、變形監(jiān)測等用途。

2.3 極坐標差分法基本原理

在監(jiān)測部位以外相對穩(wěn)定的地方建立工作基點網(wǎng)（包括了設(shè)站點和參考基準站），每一個測量周期均按照極坐標的原理分別采集參考基準站和變形點的斜距、水平角、天頂距，將參考基準站的測量值與其真實值（通過建立工作基點網(wǎng)得到）相比，有一差異，這一差異可認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。把參考基準站的差異加到變形點的觀測值上，通過計算得到變形點的實際坐標。極坐標監(jiān)測系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

一般的變形監(jiān)測點都有測站點（儀器的架設(shè)點）、參考點（為了得到變形體上點的變形量而選取的參考點）和目標點（用來觀測變形體變形而選定的有代表性的點）三部分組成。本系統(tǒng)主要就是在觀測站架設(shè)儀器，通過對參考點和目標點的觀測值來得出變形體的變形趨勢，采用一臺測量機器人和計算機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和為了得到變形點的變形量而選定的比較穩(wěn)定的基準點上，通過對基準點和變形點的持續(xù)的周期性觀測結(jié)果進行比較、實時改正，從而得出變形點的三維變形測量，進行安全和穩(wěn)定性等分析，得到所需要的數(shù)據(jù)成果。

3 變形監(jiān)測實施步驟研究

3.1 工作基點網(wǎng)建立

首先，在較穩(wěn)定的區(qū)域埋設(shè)水準基準點3個，一個埋在K173+500山頂上，一個埋在K173+340左側(cè)的山洼里；另一個埋在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)測點布設(shè)，按照業(yè)主、設(shè)計圖紙及規(guī)范要求，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在上高邊坡布設(shè)16個監(jiān)測點，編號為A01～A16；在中間高邊坡布設(shè)9個監(jiān)測點，編號為A17～A26；在下邊坡布設(shè)6個監(jiān)測點，編號為A27～A31，共布設(shè)31個監(jiān)測點，監(jiān)測點埋設(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)測點進行逐點人工觀測，取得坐標X、Y、H，建立概略坐標數(shù)據(jù)庫。概略坐標X、Y、H越精確，以后各期自動觀測精確照準速度越快。在監(jiān)測點變形累積一定程度后，要及時修正概略坐標數(shù)據(jù)庫。

極坐標差分法坐標精度與基準站至監(jiān)測點和參考站的距離有很大關(guān)系。在觀測中，盡量選擇離監(jiān)測部位近的基準網(wǎng)點作為基準站和參考站。將TCA2003置于基準站觀測墩上，精確整平，設(shè)置好觀測點集、順序和測回數(shù)；儀器根據(jù)內(nèi)置點位概略坐標數(shù)據(jù)庫的坐標，自動進行目標判斷、精確照準，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。在日光強烈的情況下，不但觀測數(shù)據(jù)離散性大，有時還會令儀器無法捕獲目標中心。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段進行觀測。同時，由于施工場地集中、立體作業(yè)，交叉干擾嚴重，不利的情況下需要及時中斷觀測，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有發(fā)生，需要及時將棱鏡扶正，除去雨水和灰塵，使TCA2003能快速精確的照準目標中心。

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)測點斜距、天頂距、水平角轉(zhuǎn)存至計算機（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)測點的三維坐標、位移量，并進一步進行變形分析和預(yù)測。

3.3.1 球氣差改正

式中，Δh為工作基點與參考站間觀測高差，ΔH為基準

高差，Z為天頂距。

經(jīng)差分改正后工作基點與監(jiān)測點間的高差為：

式中，I為儀高，L為覘高。

工作基點與監(jiān)測點間的平距為。

3.3.2 監(jiān)測點位移量

按極坐標計算公式，可準確求得每周期各監(jiān)測點的三維坐標：

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)測點進行了改樁，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)。

參考文獻

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