變形監測技術在高陡邊坡穩定性監測中的應用

文/王克東

山西汾西正暉煤業有限責任公司昌元煤礦屬急傾斜煤層，煤層傾角在 60°～72°之間， 由于歷史開采的原因，致使昌元煤礦存在大面積的露頭和隱伏火區及塌陷區。經多次論證后，采用“分層剝挖、逐層注水滅火、徹底挖除火體和封堵回填”的綜合滅火方法進行滅火，但在滅火的過程中，形成了150～220m的臨時高陡邊坡。臨時高陡邊坡的穩定性成為該治理項目安全生產的關鍵因素之一。為此，昌元煤礦在對高陡邊坡進行錨索加固的前提下，同時對邊坡進行24小時不間斷監測，直至內排回填結束，為綜合治理工程提供了可靠的安全生產保障，在實踐應用過程中取得了較好的效果。

一、邊坡變形監測的目的

1．對邊坡穩定性進行實時動態監測，為施工提供邊坡三維位移數據。

2．評價邊坡在施工中的穩定性，并作出預測預報，若位移數據異常，及時發出預警。

3．對邊坡可能出現變形破壞的區域、規模、滑動方向、發生時間及危害程度，及時做出分析和預報。

4．統計邊坡位移數據，分析研究邊坡變形破壞的規律。

5．通過邊坡穩定性監測，為工程提供可靠的安全保障。

二、邊坡監測具體措施

1．主要監測設備

采用瑞士TM30/TM50系列智能全站儀，主要設備是測量機器人Measurementrobot，它是一種能代替人進行自動目標識別、自動照準、自動測角與測距、自動目標跟蹤、自動記錄于一體的測量平臺，在全站儀基礎上集成了磁驅伺服驅動馬達裝置、CCD影像傳感器構成的視頻成像系統、多目標快速鎖定和跟蹤技術并配置智能化系統、應用測量軟件和多種通訊開發接口，具有自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標、自動進行正倒鏡觀測并獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息功能，使其能在無人的環境和特殊條件下執行精確的測量任務，并及時地傳送測量數據，又稱為智能化自動全站儀。

該儀器精度±0.5"，測距精度±(0.6mm+1ppm*Dkm），圓棱鏡測程最長可達3.5㎞。TM30/TM50系列自動全站儀能夠實現免棱鏡自動測量、電子整平、自動正倒鏡觀測、自動記錄觀測數據、影像采集等功能，而其獨有的 ATR（Automatic TargetRecognition)模式，使全站儀能自動快速識別目標并進行鎖定，及時準確地掌握全部高邊坡穩定性動態情況。

2.監測原理及應用軟件

利用測量機器人進行邊坡監測時，應在高邊坡影響范圍之外穩定堅硬的巖石上布設參考點，在邊坡上布設目標點，在特定的地點設置基站，測量機器人在此進行監測操作，測量機器人通過對參考點的測量，通過后方交會法實時校正基站測量機器人的坐標，然后對目標點進行測量 （測量周期約180個/小時），結合溫度氣壓傳感器修正所測數據，對監測點進行實時在線監測，并將測量數據通過有線和無線通信方式傳輸到中央處理站，利用徠卡GeoMoSMonitor軟件對監測數據進行預處理，將測量數據轉換為測量機器人的GSI數據格式，存入數據庫中。數據庫中的字段包括：序號、點名、X坐標、Y坐標、高程H、觀測日期等信息，然后建立點表、觀測循環表等，由徠卡Geo-MoSAnalyzer軟件將所采集的數據生成監測點位移曲線圖，以實現對礦區高邊坡的實時監控。

3．基準網設置

為了使監測點位移數據具有可靠性、高精度，在高邊坡影響范圍之外穩定的地方設置4個以上的基準點構成基準網。

4．監測點選擇與設置

首先應確定主要監測的范圍，在該范圍內按監測方案的要求確定主要滑動方向，按主滑動方向及滑動面范圍確定測點，然后選取典型斷面，再按測線布置相應觀測點。對于不同巖層的邊坡，一般在布置測點時均有所不同。對可能形成滑動帶的重點監測部位和可疑點，應加密測點。

根據開挖斷面的長度和高度，隨工程進度不間斷布置監測點，各個測點與測站點和基準點形成監測網，監測點在每一層邊坡平臺上按照間隔30～50m設置。由于地質、降水及荷載的原因，部分高邊坡會重復卸載，在每一次卸載結束后形成的平臺上重新布置監測點。基于以上原因，一工區在施工期間共累計設置295個監測點。

5．監測精度及計算方法

在實際監測中，單向最大距離不大于1km，儀器測角精度±0.5"，測距精度±(0.6mm+1ppm*Dkm），經公式計算監測點中誤差為小于等于±2.5mm。在監測期間每兩個月對基準點進行一次校正，然后采用后方交會法對測站點進行校正，確保監測點采集數據的準確性。

6．監測程序、頻率與周期

邊坡的監測程序按圖1所示進行。

圖1邊坡開挖過程中機器人穩定性監測的實施流程圖

項目區一工區施工形成平臺后設置監測點，于2014年5月12日開始進行監測點測量，每天24小時在線監測，每隔30分鐘監測一次監測點，至2016年5月29日開挖區域回填結束。

7．監測預警實例

2015年5月初，一工區高邊坡開挖至高程1675m，形成了高約150m，長約400m的高邊坡斷面。其中高邊坡斷面1730m平臺監測點JCD172位移量較大 （見圖2），位移量已達到預警值，隨即向項目部及施工方下達報警通知書。施工方接到報警后立即對該危險部位進行處置，于2015年5月17日處置結束后，立即在該部位重新布置監測點 （JCD1207），并及時開始監測，監測點位移曲線處于平穩趨勢，表明該部位已恢復穩定狀態。

圖2 5月4日～5月10日JCD172監測點累積位移曲線圖

三、結論

山西汾西正暉煤業公司昌元煤礦變形監測方案，可準確、及時、直觀地對高邊坡穩定性進行監測、預警，為工程各個階段施工順利進行提供了可靠的安全技術保障，在實踐應用過程中效果良好。