北京某構筑物變形監測技術研究

摘 要：該文基于筆者多年從事變形監測的工作經驗，以某隧道邊坡變形監測為研究對象，探討了基于TCA2003的邊坡變形監測方法，論文全面分析了具體的作業方法和數據處理方法，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：智能全站儀 邊坡監測 隧道

中圖分類號：P2文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0006-02

邊坡變形觀測的意義在于提供邊坡的穩定狀況、位移和變形的規律等，為滑坡預報提供依據。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，以監視建筑物的安全。

對于建（構）筑物變形的觀測，除采用常規的正、倒垂、引張線等手段外，其外部變形的監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合的精密工程測量這種特殊的手段，通過必要頻次的反復測量來保障。

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，用全站儀直接測量變形點的三維坐標的方法和GPS直接進行滑坡監測的方法應用越來越多。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

某隧道位于北京市郊區，由于進洞口附近高邊坡開挖，已造成開挖部分出現多處裂縫，雖然施工方采取了噴漿及其它加固措施，但為了安全起見，并摸清邊坡形變量，為施工方開挖提供正確的數據，需對有形變的邊坡區域進行實時監測。

2 TCA2003全站儀和極坐標差分法簡介

隨著科學技術的發展，測量儀器發生了翻天覆地的變化。測量機器人（Measurement robot）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，有著其它測量技術不可比擬的優勢。

2.1 TCA2003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的活動神經中樞，TCA2003的自動化在其控制之下得到實現。利用選配的GeoBASIC語言，可以根據自己的需要開發相應的機載應用程序。該隧道進口邊坡安全監測中測量機器人控制軟件系我隊自主開發，其作業模式和限差控制遵循我國現行有關規范。方向、天頂距和邊長根據觀測精度等級可設置不同測回數，觀測值超限后能作出判斷并重測，觀測過程中外界條件不理想時可人為中斷，排除干擾后繼續觀測。此軟件成熟嚴謹，可應用于控制測量、變形監測等用途。

2.3 極坐標差分法基本原理

在監測部位以外相對穩定的地方建立工作基點網（包括了設站點和參考基準站），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。極坐標監測系統方框圖如圖1。

一般的變形監測點都有測站點（儀器的架設點）、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。本系統主要就是在觀測站架設儀器，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定的基準點上，通過對基準點和變形點的持續的周期性觀測結果進行比較、實時改正，從而得出變形點的三維變形測量，進行安全和穩定性等分析，得到所需要的數據成果。

3 在隧道邊坡監測中的應用

3.1 建立工作基點網

首先，在較穩定的區域埋設水準基準點3個，一個埋在施工單位辦公室后面的山坡上，另外兩個埋在進洞口左側的山洼里，離進洞口300 m左右，基礎較為穩定，用混凝土現澆。

進洞口監測點布設，按照業主、施工單位負責人要求，根據現場實際情況，在上邊坡布設16個監測點，編號為A01至A16；在中間邊坡擋墻布設9個監測點，編號為A17至A26；在下邊坡擋墻布設6個監測點，編號為A27至A31，共布設31個監測點，監測點埋設牢固穩定。

3.2 外業數據采集

首先對各監測點進行逐點人工觀測，取得坐標X、Y、H，建立概略坐標數據庫。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。在監測點變形累積一定程度后，要及時修正概略坐標數據庫。

極坐標差分法坐標精度與基準站至監測點和參考站的距離有很大關系。在觀測中，盡量選擇離監測部位近的基準網點做為基準站和參考站。將TCA2003置于基準站觀測墩上，精確整平，設置好觀測點集、順序和測回數；儀器根據內置點位概略坐標數據庫的坐標，自動進行目標判斷、精確照準，并測量方位角、天頂距和斜距，并將讀數存儲于內置SRAM卡中。

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，不但觀測數據離散性大，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據，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，交叉干擾嚴重，不利的情況下需要及時中斷觀測，排除干擾后續測。夏季降雨較為頻繁，工地上大單量爆破也時有發生，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 數據處理及成果分析

將存儲于SRAM卡中原始采集的監測點斜距、天頂距、水平角轉存至計算機（數據處理工作站），根據觀測值按以下模型，調用相應數據處理軟件，即可得到監測點的三維坐標、位移量，并進一步進行變形分析和預測。

3.3.1 差分改正

4 監測結論

沉降監測：下邊坡由于2009年1月13日施工影響，樁位被泥土覆蓋，其后下邊坡未再進行監測，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及上邊坡右側的A23、A24觀測期間沉降在5 cm至20 cm，其它點位沉降在3 cm以內。從最近5期的沉降監測數據來看，中邊坡的A10、A11，上邊坡的A16、A17、A18、A30、A31、A32沉降在2 mm至3 mm，其它點位沉降在1mm以內，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。

平面位移監測：因業主要求，1月份對原位移監測點進行了改樁，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 cm至7 cm；裂縫下方的P5，中邊坡的P12、P14、P15位移量在3 cm至5 cm；其它位移監測點在3 cm以內。從最近5期的平面位移監測數據來看，監測點位移量都在3 mm以內，整體邊坡近期平面位移較小。

根據沉降及平面位移數據分析，近期該隧道進口邊坡變形較小，趨于穩定狀態。

參考文獻

[1]黃聲亨，尹暉，蔣征.變形監測數據處理[M].武漢大學出版社，2001.

[2]李青岳.工程測量[M].北京：測繪出版社，1995.

[3]張良琚，徐忠陽，包歡.自動極坐標差分測量系統及其在大壩外部變形監測中的應用[J].測繪通報，2001（9）.