全球定位系統在隧道及高邊坡監測系統中的應用

黃 敏，黃鳳嬋，黃民水，盧海林

武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074

0 引 言

山區公路地質條件復雜，隧道和邊坡在眾多復雜因素的影響下，易發生崩塌、滑坡、地面沉降等地質災害，因此穩定性監測尤其重要.傳統的穩定性監測技術在山區公路方面的應用或多或少存在著通視條件差、無法連續監測、工作效率低等缺陷.全球定位系統(Global Positioning System，以下簡稱：GPS)技術因具有精度高、全天候、定位速度快、自動化高、測站之間無需通視以及良好的抗干擾和保密性的優勢，在對地面沉降、滑坡、地裂縫等地質災害的監測中得到了廣泛的應用[1].

使用GPS技術進行穩定性監測，能夠在保證精度要求的前提下減輕工作量,提高效率[2].根據隧道及高邊坡監測的精度和技術要求，2012年對湖北宜巴高速公路第三標段的大山坡隧道和其左線五級高邊坡進行了監測布置以及監測數據采集分析.

1 GPS監測方案

1.1 隧道監測方案

基于安全可靠原則，GPS監測分為二級布網：一是在監測體周邊選擇地質條件相對穩定，適合長期運行的點布設4個基準站形成基準網；二是根據監測體的具體情況，布設相應監測點，劃分為縱橫交錯的監測線形成監測網[3].

根據隧道圍巖等級、不良地質、突水、洞口淺埋等特殊要求和業主及監理認為有必要監控的地段，每50 m設置一個監測斷面，在隧道拱頂設置測點，安裝單點位移計，監測拱頂沉降.監測設備選用VWD-250型位移計.

選取的監測斷面位于隧道出口右側，監測點的布設如圖1所示.

圖1 隧道監測點的布設Fig.1 Tunnel monitoring points sites

1.2 邊坡監測方案

首先圈定主要的監測范圍，估測主要滑動方向，按滑動方向及范圍確定測線，并選取典型斷面，布置測線；再按測線布置相應監測點.本工程根據實際需求，在邊坡體上布設3個監測點，點間間距約50 m，另外兩個監測點分別布設在邊坡斜坡上.基準站布設在周邊基巖或監控中心.

此外，應選取距離合適、網形較好、地勢較高、視野開闊、地質條件良好的地方，布設兩個監測基準點，提供監測基準.監測點布設如圖2所示.

圖2 邊坡監測點的布設Fig.2 Sites of slope monitoring points

1.3 GPS監測數據采集與分析

監測數據采用MCU-32式自動測量單元采集，監測數據通過GPRS網絡技術傳入遠程監控中心，通過GPS監測網獲得相關數據后需要進行處理分析.首先對監測數據進行隨機處理，觀測周期結束后進行基線向量平差計算，其中有基線向量解算和GPS網平差計算兩個階段[4-5].

首先對兩臺及以上的接收機同步觀測值進行獨立基線向量的平差計算.基線解算完成后通過載波相位殘差圖來進行質量檢驗.此外進行同步環閉合差、異步環閉合差和重復基線較差檢驗，檢驗質量合格后方可進行后續處理[6].

監測網平差計算則通過以下三個階段實現[6].

(1)提取基線向量，構建GPS基線向量網.其中基線向量必須是相互獨立、質量良好、邊長較短的基線，此外還要能夠構成邊數較少的異步環，選定的基線能夠構成閉合圖形.

(2)三維無約束平差.在進行GPS網平差計算時需要提供一個位置基準點，GPS網不因該基準點產生變形，從而使得構成GPS網的基線均滿足質量要求，并能夠相互匹配.

(3)約束平差，即以國家大地坐標系或地方坐標系某些點的固定坐標、固定邊長及固定方位為GPS網的基準，以其作為約束條件進行平差.指定基準、坐標系統和起算數據，檢驗約束條件的質量，最后進行計算求出監測點三維坐標.

2 監測結果

通過以上程序步驟，對宜巴高速公路第三標段的大山坡隧道和其左線五級高邊坡進行監測布設，獲取數據，解算處理，最終得到監測網三維平差后監測點的最終成果.

2.1 隧道監測結果

圖3為2012年7月至9月隧道位移變形觀測的部分成果，為位移計WYGJ0002所測得的5號斷面隧道拱頂位移值隨時間的變化.

由圖3可知，位移計WYGJ0002所測得的隧道拱頂沉降量基本在-10～10 mm之間.

圖3 WYGJ0002測得位移隨時間的變化Fig.3 Changes of WYGJ0002 measured displacement with time

2.2 邊坡監測結果

圖4為2012年7月至8月變形觀測的部分成果，為5號監測點YDZ5點的高程位移隨時間的變化.

YDZ5點的實測高程變化為3 249 496.135 57～3 249 506.195 57 m，高程位移變化量在-10～5 mm之間，其中最大高程位移變化量為10.06 mm，監測精度達到了毫米級.

圖4 YDZ5點高程位移隨時間的變化Fig.4 Changes of Point YDZ5 height displacement with time

2.3 監測結果評價

運用數值分析方法可有效模擬計算隧道及高邊坡的極限位移，并對現有監測數據之后的未知位移做出預測[7-8].以大山坡隧道及高邊坡的典型斷面監測點的監測數據為原始數據，建立數學模型，進行數值分析，并將預測數據序列與實測值加以對比.在此基礎上結合專家經驗以及穩定性評判理論，以及已有監測數據，進行綜合預警，提出隧道及邊坡預警系統[9].以大山坡隧道的部分預測結果為例，監測結果見表1.

表1 隧道穩定性預警結果Table 1 Results of tunnel stability warning

由表1可知，實際監測所得的拱頂下沉值與數值分析所得的預測拱頂下沉值符合較好.經過穩定性評判理論及預警系統分析，綜合評判結果為穩定，符合實際情況.GPS監測數據滿足大山坡隧道及高邊坡的穩定性監測預警的要求.

3 結 語

筆者設計的基于GPS監測技術隧道及高邊坡監測系統的穩定性的實際監測狀態與分析及預警結果基本一致.GPS監測技術不僅具有諸多優點[10]，而且能滿足山區公路隧道及高邊坡穩定性監測的要求，可為類似工程項目的監測預警提供借鑒.

致 謝

感謝湖北省宜巴高速公路建設指揮部為本研究提供支持和幫助！

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