佛山某隧道進(jìn)口高邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

摘 要:本文基于筆者多年從事工程測(cè)量的工作經(jīng)驗(yàn)，以佛山某隧道進(jìn)口高邊坡變形監(jiān)測(cè)為研究背景，探討了基于全站儀的高邊坡變形監(jiān)測(cè)方法，論文全面分析了具體的作業(yè)方法和數(shù)據(jù)處理方法，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞:智能全站儀 邊坡監(jiān)測(cè) 隧道

中圖分類(lèi)號(hào):TB22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)02(c)-0052-02

邊坡變形觀(guān)測(cè)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(bào)提供依據(jù)。邊坡變形觀(guān)測(cè)的目的是確定滑體的周界，定期測(cè)量滑動(dòng)量、主滑動(dòng)線(xiàn)的方向和速度，以監(jiān)視建筑物的安全。

對(duì)于建（構(gòu)）筑物變形的觀(guān)測(cè)，除采用常規(guī)的正、倒垂、引張線(xiàn)等手段外，其外部變形的監(jiān)測(cè)則要依賴(lài)于以大地測(cè)量學(xué)的原理、方法與使用精密測(cè)量及計(jì)量?jī)x器相結(jié)合的精密工程測(cè)量這種特殊的手段，通過(guò)必要頻次的反復(fù)測(cè)量來(lái)保障。

變形觀(guān)測(cè)的方法有很多種，一般情況下最為有效的方法是前方交會(huì)和極坐標(biāo)法。近年來(lái)由于全站儀和GPS的出現(xiàn)，用全站儀直接測(cè)量變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)的方法和GPS直接進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)的方法應(yīng)用越來(lái)越多。本論文主要研究使用全站儀直接測(cè)量變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)的方法。

1 工程概況

某隧道位于佛山市郊區(qū)，由于進(jìn)洞口附近高邊坡開(kāi)挖，已造成開(kāi)挖部分出現(xiàn)多處裂縫，雖然施工方采取了噴漿及其它加固措施，但為了安全起見(jiàn)，并摸清高邊坡形變量，為施工方開(kāi)挖提供正確的數(shù)據(jù)，需對(duì)有形變的高邊坡區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 測(cè)量?jī)x器探討

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量?jī)x器發(fā)生了翻天覆地的變化。測(cè)量機(jī)器人（Measurement robot）或稱(chēng)測(cè)地機(jī)器人（Georobot） 是一種能代替人進(jìn)行自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識(shí)和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并且獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型電子全站儀，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量的全自動(dòng)化、智能化。尤其在小尺度局部坐標(biāo)測(cè)量當(dāng)中，測(cè)量精度高、靈活機(jī)動(dòng)、快速便捷、無(wú)接觸等方面，有著其它測(cè)量技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2.1 硬件介紹

TCA2003集成了步進(jìn)馬達(dá)、CCD影像傳感器，是一種能自動(dòng)搜索、識(shí)別和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離和三維坐標(biāo)的智能型電子全站儀，屬目前自動(dòng)化程度較高的測(cè)量?jī)x器，標(biāo)稱(chēng)測(cè)角精度0.5\"，測(cè)距精度±（1mm+1PPm），配備相應(yīng)軟件，可自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)、觀(guān)測(cè)和記錄，故有測(cè)量機(jī)器人之稱(chēng)。國(guó)內(nèi)已有多家單位購(gòu)買(mǎi)使用。

2.2 機(jī)載控制軟件

機(jī)載控制軟件是TCA2003的活動(dòng)神經(jīng)中樞，TCA2003的自動(dòng)化在其控制之下得到實(shí)現(xiàn)。利用選配的GeoBASIC 語(yǔ)言，可以根據(jù)自己的需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的機(jī)載應(yīng)用程序。該隧道進(jìn)口高邊坡安全監(jiān)測(cè)中測(cè)量機(jī)器人控制軟件系我隊(duì)自主開(kāi)發(fā)，其作業(yè)模式和限差控制遵循我國(guó)現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范。方向、天頂距和邊長(zhǎng)根據(jù)觀(guān)測(cè)精度等級(jí)可設(shè)置不同測(cè)回?cái)?shù)，觀(guān)測(cè)值超限后能作出判斷并重測(cè)，觀(guān)測(cè)過(guò)程中外界條件不理想時(shí)可人為中斷，排除干擾后繼續(xù)觀(guān)測(cè)。此軟件成熟嚴(yán)謹(jǐn)，可應(yīng)用于控制測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)等用途。

2.3 極坐標(biāo)差分法基本原理

在監(jiān)測(cè)部位以外相對(duì)穩(wěn)定的地方建立工作基點(diǎn)網(wǎng)（包括了設(shè)站點(diǎn)和參考基準(zhǔn)站），每一個(gè)測(cè)量周期均按照極坐標(biāo)的原理分別采集參考基準(zhǔn)站和變形點(diǎn)的斜距、水平角、天頂距，將參考基準(zhǔn)站的測(cè)量值與其真實(shí)值（通過(guò)建立工作基點(diǎn)網(wǎng)得到）相比，有一差異，這一差異可認(rèn)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(zhǔn)站的差異加到變形點(diǎn)的觀(guān)測(cè)值上，通過(guò)計(jì)算得到變形點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)。極坐標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方框圖如圖1。

一般的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)都有測(cè)站點(diǎn)（儀器的架設(shè)點(diǎn)）、參考點(diǎn)（為了得到變形體上點(diǎn)的變形量而選取的參考點(diǎn)）和目標(biāo)點(diǎn)（用來(lái)觀(guān)測(cè)變形體變形而選定的有代表性的點(diǎn)）三部分組成。本系統(tǒng)主要就是在觀(guān)測(cè)站架設(shè)儀器，通過(guò)對(duì)參考點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)值來(lái)得出變形體的變形趨勢(shì)，采用一臺(tái)測(cè)量機(jī)器人和計(jì)算機(jī)以及通訊電纜建立基站，將棱鏡安置在需要觀(guān)測(cè)變形的變形點(diǎn)和為了得到變形點(diǎn)的變形量而選定的比較穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)上，通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的持續(xù)的周期性觀(guān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較、實(shí)時(shí)改正，從而得出變形點(diǎn)的三維變形測(cè)量，進(jìn)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(cè)實(shí)施步驟研究

3.1 工作基點(diǎn)網(wǎng)建立

首先，在較穩(wěn)定的區(qū)域埋設(shè)水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)3個(gè)，一個(gè)埋在施工單位辦公室后面的山坡上，另外兩個(gè)埋在進(jìn)洞口左側(cè)的山洼里，離進(jìn)洞口300m左右，基礎(chǔ)較為穩(wěn)定，用混凝土現(xiàn)澆。

進(jìn)洞口監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)，按照業(yè)主、施工單位負(fù)責(zé)人要求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在上高邊坡布設(shè)16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為A01至A16;在中間高邊坡?lián)鯄Σ荚O(shè)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為A17至A26;在下邊坡?lián)鯄Σ荚O(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為A27至A31，共布設(shè)31個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)牢固穩(wěn)定。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法

首先對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)人工觀(guān)測(cè)，取得坐標(biāo)X、Y、H，建立概略坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。概略坐標(biāo)X、Y、H 越精確，以后各期自動(dòng)觀(guān)測(cè)精確照準(zhǔn)速度越快。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形累積一定程度后，要及時(shí)修正概略坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。

極坐標(biāo)差分法坐標(biāo)精度與基準(zhǔn)站至監(jiān)測(cè)點(diǎn)和參考站的距離有很大關(guān)系。在觀(guān)測(cè)中，盡量選擇離監(jiān)測(cè)部位近的基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)做為基準(zhǔn)站和參考站。將TCA2003置于基準(zhǔn)站觀(guān)測(cè)墩上，精確整平，設(shè)置好觀(guān)測(cè)點(diǎn)集、順序和測(cè)回?cái)?shù);儀器根據(jù)內(nèi)置點(diǎn)位概略坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的坐標(biāo)，自動(dòng)進(jìn)行目標(biāo)判斷、精確照準(zhǔn)，并測(cè)量方位角、天頂距和斜距，并將讀數(shù)存儲(chǔ)于內(nèi)置SRAM卡中。

外界條件對(duì)觀(guān)測(cè)精度也有很大的影響。在日光強(qiáng)烈的情況下，不但觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)離散性大，有時(shí)還會(huì)令儀器無(wú)法捕獲目標(biāo)中心。為獲取高精度的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，我們一般選擇氣象條件好的時(shí)段進(jìn)行觀(guān)測(cè)。同時(shí)，由于施工場(chǎng)地集中、立體作業(yè)，交叉干擾嚴(yán)重，不利的情況下需要及時(shí)中斷觀(guān)測(cè)，排除干擾后續(xù)測(cè)。夏季降雨較為頻繁，工地上大單量爆破也時(shí)有發(fā)生，需要及時(shí)將棱鏡扶正，除去雨水和灰塵，使TCA2003能快速精確的照準(zhǔn)目標(biāo)中心。

3.3 數(shù)據(jù)處理及成果分析

將存儲(chǔ)于SRAM卡中原始采集的監(jiān)測(cè)點(diǎn)斜距、天頂距、水平角轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)（數(shù)據(jù)處理工作站），根據(jù)觀(guān)測(cè)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(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、位移量，并進(jìn)一步進(jìn)行變形分析和預(yù)測(cè)。

3.3.1 差分改正

將工作基點(diǎn)與參考基準(zhǔn)站間的平距經(jīng)投影反算后，改化為以工作基點(diǎn)和參考基準(zhǔn)站上儀器高和棱鏡高為準(zhǔn)的斜距。

（1）

邊長(zhǎng)改正系數(shù)

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)差分改正后的斜距為

式中:S為斜距，D為平距，ΔH為高差，S'為斜距觀(guān)測(cè)值。

3.3.2 球氣差改正

計(jì)算球氣差改正系數(shù)

式中:Δh為工作基點(diǎn)與參考站間觀(guān)測(cè)高差，ΔH為基準(zhǔn)高差，Z為天頂距。

經(jīng)差分改正后工作基點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的高差為:

式中:I為儀高，L為覘高。

工作基點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的平距為

。

3.3.3 方位角改正

由參考基準(zhǔn)站的方位角觀(guān)測(cè)值，可得方位角改正系數(shù)

經(jīng)差分改正后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的方位角為

。

式中:位角觀(guān)測(cè)值，F(xiàn)0為基準(zhǔn)值。

3.3.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量

按極坐標(biāo)計(jì)算公式，可準(zhǔn)確求得每周期各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo):

式中:、、——為工作基點(diǎn)的坐標(biāo)值。

與初始值比較，即得位移量:

4 結(jié)論研究

沉降監(jiān)測(cè):下邊坡由于2009年1月13日施工影響，樁位被泥土覆蓋，其后下邊坡未再進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此分析的是上邊坡及中邊坡的沉降情況。從94期觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)期間沉降在5cm至20cm，其他點(diǎn)位沉降在3cm以?xún)?nèi)。從最近5期的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，中邊坡的A10、A11，上邊坡的A16、A17、A18、A30、A31、A32沉降在2～3mm，其他點(diǎn)位沉降在1mm以?xún)?nèi)，隧道邊坡受天氣及隧道施工影響較小，整體邊坡沉降目前較小。

平面位移監(jiān)測(cè):因業(yè)主要求，1月份對(duì)原位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)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5cm至7cm;裂縫下方的P5，中邊坡的P12、P14、P15位移量在3cm至5cm;其它位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3cm以?xún)?nèi)。從最近5期的平面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量都在3mm以?xún)?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，近期該隧道進(jìn)口邊坡變形較小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

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