北斗自動化在線監測技術在山區高速公路隧道洞口的應用分析

2018-02-28 03:36:52曾凡云

西部交通科技 2018年11期

胡浩，曾凡云，陳亮

（廣西高速公路投資有限公司，廣西南寧 530028）

0 引言

隨著我國基礎交通建設的高速發展，高速公路建設逐漸向地形地質復雜的山區延伸，隧道進出口仰坡和路基高邊坡增多。如何確保隧道洞口邊坡工程的穩定和安全是項目建設過程中必須要面對和解決的問題［1］。目前，在隧道洞口邊坡工程監測中，主要采用的是具有較高誤差的人工觀測和巡查記錄兩種方法［2］。這些常規方法易受環境和氣候的影響，監測的數據不能實現實時觀測，也不能及時預測到事故的發生，具有較多局限性，不能滿足在隧道洞口邊坡工程中所需要達到的效果。為了達到較高精度和及時預報險情的目的，確保隧道洞口工程的安全性，實施自動化監測是必然趨勢［3］。

1 北斗自動化監測方法

北斗自動化監測方法是利用北斗衛星定位技術、現代通訊技術、計算機技術、系統集成技術，實時在線獲得隧道洞口邊坡在地表上監測點的高精度三維坐標。該方法具有對環境依賴性小、觀測數據同步、采樣率高、能夠24h在線工作等優點。

1．1 系統的組成

北斗位移監測系統由三部分組成，分別是參考站、監測站、數據處理中心。北斗參考站是整個監測區域的地表位移監測的基準框架。它長期連續跟蹤觀察衛星信號，通過數據通訊網絡實時傳輸觀測數據到控制中心。幾個參考站可以聯合組網并實時為各監測站提供高精度載波相位差分數據及起算坐標。北斗監測站是實時掌握監測點變化量的依據，各監測點長期連續跟蹤觀測衛星信號，結合參考站的觀測數據和起算坐標，在控制中心實時處理，得到監測點三維坐標。數據處理中心則是實現數據的自動化采集、解算、管理、分析、預警、WEB發布等。

1．2 監測系統工作原理

確定監測點的位置信息，需要確定位置的三維坐標（xu，yu，zu）。在實際工作中，數據接收時間和GPS標準時存在時間偏差，使得需要有四個獨立方程來確定未知量，即至少需要四顆觀測衛星，其定位示意圖如圖1所示。

圖1 北斗定位示意圖

假設監測站的位置為（xu，yu，zu），監測站的時間偏差為tu，則由于時間偏差引起的距離偏差wu為：

式中：ρm——偽距測量值；

c——衛星橢圓軌道的中心點到地球球心點的距離。

為得到偽測量值，需要聯立方程：

將式（2）線性化，即真實位置（xu，yu，zu），進行泰勒級數展開，忽略高次項，得到：

將式（3）視為實際的迭代公式，迭代終止條件是真實位置（xu，yu，zu）的變化量小于某個閥值，最終得到：

式（4）可作為調整監測點時間偏差的依據。通過確定4顆衛星坐標，經過上述計算后，再根據星歷中的各誤差參數進一步消除各項誤差，即可得到一個完整的利用北斗星歷進行導航確定解算的過程。

2 工程基本情況

2．1 工程概況

廣西樂百高速公路茶園隧道設計為分離式隧道，左洞起止樁號為KB112＋515～KB113＋440，長925m；右洞起止樁號為KA112＋510～KA113＋415，長905m。其中左右線樂業端洞口KB112＋515（KA112＋510）～KB112＋750（KA112＋750）段最大埋深44．50m，整個洞身處在坡洪積卵石夾土層中，土層局部飽水，中密－密實狀態，圍巖結構松散，基本無自穩能力。為保證該段隧道施工安全，對其地表進行變形監測顯得尤為重要，施工單位在傳統人工監測的基礎上，增加北斗高精度實時在線監測系統（如圖2～5所示）。

圖2 茶園隧道進口段全貌現場圖

圖3 茶園隧道平面圖

圖4 茶園隧道左線斷面圖

圖5 茶園隧道右線斷面圖

2．2 監測布置基本情況

在隧道口仰坡及自然坡體表面布置北斗自動化監測系統。北斗監測點主要沿隧道左右線軸線布設，左右洞各布設3個北斗監測點，具體布設見圖6～7。

圖6 監測點布置平面現場示意圖

圖7 監測點布置平面示意圖

3 監測情況及其數據分析

該隧道左右線樂業端洞口KB112＋515（KA112＋510）～KB112＋750（KA112＋750）段屬于淺埋段，且整個洞身處在坡洪積卵石夾土層中，穩定性極差。北斗在線監測系統于2017－11－17上線，目前系統運行正常，在此監測期間，系統于2017年11月26～27日多次監測到變形突變，并發出預警，經現場踏勘發現，監測地段地表局部有明顯的變形跡象（原始地面開裂、局部截水溝開裂等），洞內局部位置套拱拱腳出現開裂，施工單位及時采取了相應的處治措施控制變形持續發展，避免了較大范圍地質災害的發生，保證了隧道施工安全，如圖8、圖9所示。