自動測量機器人在公路構造物表面變形監測中的應用

閆強 田立佳 蔣成龍

摘要：為了實時監測有失穩跡象的公路邊坡和橋梁的穩定狀態，文章以廣西某高速公路邊坡及橋梁為依托，采用具有自動測量功能的TCA型高精度測量機器人，結合邊坡裂縫發育特征及橋梁變形狀態制定了監測方案，對該邊坡和橋梁的表面位移進行全天候監測。第一周期監測結果表明：橋梁監測點橫向位移及縱向位移累計變化范圍在-0.002～0.002m之間;邊坡監測點橫向位移和縱向位移累計變化范圍分別在-0.005～0.005m之間和-0.003～0.003m之間。該技術具有全自動、高精度、智能預警等多項功能，能快速地測設數據，其在工程中的應用為構筑物的穩定狀態分析、處治及應急聯動提供了數據依據。

關鍵詞：高速公路;測量機器人;滑坡;橋梁變形;預警

中圖分類號：U491.116 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.047

文章編號：1673-4874（2019）09-0168-05

0引言

高速公路在建設及運營過程中，由于原地貌的人為改變，造成巖土應力的重分布，在自然條件和行車等的影響下，常會出現邊坡失穩、滑動、垮塌及橋梁移位等病害，若不及時監測和處置，將可能造成較為嚴重的后果。因此，采用一定的手段和方式，對邊坡及橋梁穩定性狀態的監測及預警尤為重要。同時，采用的監測手段要滿足精度要求，自動化水平要高，才能有效降低監測成本和提高監測的安全性。而基于自動測量機器人等高精度變形自動監測系統（ADMS，Automatic Deformation Monitorin0Systems）具有全過程自動化控制、實時計算、自動限差檢核和報警功能，能夠較好地滿足高速公路構筑物變形監測情況。為此，本文以廣西某高速公路為依托，采用徠卡高精度TS30（測角精度0.5S，120m距離內三維坐標測量可達0.6mm）為代表的TCA型測量機器人為監測基礎手段，通過對該高速公路發生滑移的邊坡和受此影響而發生形變的中橋進行24h監測，并對數據進行分析和預警，為邊坡和橋梁病害的處治方案以及應急聯動提供依據。

1高精度自動監測機器人的原理

本項目使用徠卡高精度TS30（測角精度0.5S，120m距離內三維坐標測量可達0.6mm）為代表的TCA型測量機器人，該技術目前已經在建構物高精度變形自動監測系統（ADMS，Automatic Deformation Monitoring Systems）中成功使用。系統的特點是全過程自動化控制、實時計算、自動限差檢核和報警，精度高（在400m距離內平面坐標精度可達1-2mm，高程精度可達2-3mm），不干擾現場運營，安全高效.系統采用中心控制軟件GeoMoS，可以通過各種有線（光纖、485電纜）和無線數據通訊手段（GPRS或者CDMA），遠程自動控制可通視位置上設置的TCA測量機器人，定時自動測量布置在橋梁結構關鍵點上的監測目標，從而完成對橋梁外部變形特征點的實時連續自動化監測。系統結構如圖1所示。

GeoMoS軟件系統可實時計算各監測目標的三維變形量，并可設置各變形量的報警限差，一旦系統發現計算結果超過限差，立即通過屏幕顯示、電郵發送等方式進行報警。工作流程如圖2所示。

2依托工程概況及監測方案

2.1工程概況

廣西某高速公路大型路塹邊坡滑移，出現了多處裂縫，而邊坡下部的某中橋受滑坡體的推擠出現了系列病害。此外滑坡體下方有村莊，存在較大的安全風險。具體病害如下：

（1）上行線2#橋墩右側上邊坡有兩處滑動面，其中距2#橋墩約210m處有1條斜向裂縫，縫長約82m，最大錯臺量約0.30m;距2#橋墩約160m處有1條倒“V”型裂縫，縫長約35m，最大錯臺量約0.65m。

（2）上行線隆林端橋臺伸縮縫裝置卡死，下行線百色端橋臺伸縮縫混凝土錨固區開裂。

（3）上行線百色端橋臺右側背墻有1條寬約3mm的橫向裂縫，下行線百色端橋臺左側背墻有1條不規則斜向裂縫，寬約3mm。上下行百色端橋臺間有錯臺，最大錯臺量約2.3cm。下行線百色端橋臺漿砌片石排水溝與橋臺前墻形成1條由小到大的間隙，最寬處約3cm，且排水溝有3條疑似下沉引起的裂縫。

（4）上行線1#、2#橋墩，下行線1#橋墩蓋梁防撞擋塊均受到不同程度擠壓破損，其中上行線2#橋墩蓋梁右防撞擋塊受擠壓破損開裂最嚴重，豎向裂縫寬約15mm。

（5）上行線2#橋墩距地面約2m置發現3條水平裂縫，裂縫間間距約0.15m，最大縫長約2.395m，最大縫寬約0.17m。經現場踏勘，誘發橋梁病害可能的主要原因是上行線2#橋墩右側上邊坡滑塌所致。

2.2 監測方案

根據現場踏勘，選在平中屯一村民房屋樓頂制高點設置TCA測量機器人監測站.在該中橋橋梁、各個橋墩分別布置監測點，其中每個橋墩布置2個監測點，橋梁布置5個監測點，在邊坡表面上布置13個監測點。同時在周圍穩定建筑物上設置了4個基準點作為整個系統的定向、自動檢核和調整的基準點，確保系統的高精度和可靠性。測站點及基準點具體布置的位置如圖3所示。

2.3監測頻率及預警設置

（1）監測期：滑坡處治前應急監測，主要對橋體結構位移和滑坡體進行24h實時監測，根據力學及經驗分析，監測周期時間暫定5個月。

（2）監測頻率：自動化監測頻率可以做到24h實時監測，可根據實際狀態進行調整，暫時擬定為1h進行一次數據采集。橋梁結構位移監測和邊坡表面位移可實時采集數據。

（3）預警設置：由于橋梁已經發生變形，橋梁原始狀態已無法獲取，因此，監測系統的預警值設置是根據橋梁現有的狀態及經驗，預警設置三個級別。即橋梁主體結構位移值達到5mm或沉降值達到10mm時進行黃色報警;位移值達到10mm或沉降值達到15mm時進行橙色報警;位移值達到15mm或沉降值達到20mm時進行紅色報警。邊坡表面高程位移或沉降達到20mm時進行黃色報警;高程位移或沉降達到40mm時進行橙色報警;高程位移或沉降達到60mm時進行紅色報警。見表1和表2。

3監測數據分析

分析的監測數據起止時間為2019-06-01到2019-06-14，共14d時間，橋梁監測選取11個監測點，邊坡表層選取13個監測點，繪制其變化曲線圖并進行分析。

3.1橋梁監測數據分析

橋梁監測點的橫向位移、縱向位移、高程位移變化趨勢如圖4-6所示。

在橋梁監測過程中，根據橋梁監測數據結果表明：（1）監測點橫向位移累計變化范圍在-0.002-0.002m之間;（2）監測點縱向位移累計變化范圍在-0.002～0.002m之間;（3）監測點高程位移累計變化范圍在-0.003～0.003m之間;（4）橋梁監測點高程位移監測數據顯示，部分數據偏移較大，經分析可知，該數據為誤差數據，可以忽略。

為了進一步分析橋梁整體位移的變化情況，取gxjt-101、gxjt-102監測點一周內的數據進行分析（圖4-6中繪制區域），其兩個監測點的橫向、縱向、高程坐標變化趨勢圖，如圖7所示。

從圖7中可以看出，盡管橋梁處于有規律性的彈性變化，但分析其線性趨勢線時，可以明顯看出，橋梁監測點gxjt-101、gxjt102橫向位移、縱向位移均仍處于緩慢變化中，需要加強觀測頻率。

3.2邊坡表層監測數據

邊坡表層的橫向位移、縱向位移、高程位移變化趨勢圖如圖8-10所示。

在邊坡表層位移監測過程中，根據邊坡監測數據結果表明：（1）監測點橫向位移累計變化范圍在-0.005～0.005m之間;（2）監測點縱向位移累計變化范圍在-0.003～0.003m之間;（3）監測點高程位移累計變化范圍在-0.005～0.005m之間。

為了進一步分析邊坡表層位移的變化情況，取gxjt-2001，gxjt-2002監測點一周內的數據進行分析（圖8-10中繪制區域），其兩個監測點的三維坐標變化趨勢如下頁圖11所示。

從圖11中可以看出，邊坡表層位移同樣處于有規律性的變化，分析其線性趨勢線時可以看出，邊坡監測點gxjt-2001、gxjt2002縱向位移、高程位移均仍處于變化中，其中縱向位移變化率較大，需要加強巡查工作。

4 結語

本文以廣西某高速公路邊坡及橋梁為依托，采用具有自動測量功能的TCA型高精度測量機器人對該項目的表面變形進行了實時監測：

（1）測量機器人在保證高精度的前提下，具有全過程自動化控制、實時計算、自動限差檢核和預警功能，且成本低，不干擾現場運營，安全高效。

（2）要在充分分析邊坡滑動面及橋梁受力狀態的前提下布設監測邊坡和橋梁表面變形的棱鏡點位，棱鏡成本較低，點位布置范圍盡可能大一些。

（3）建議利用物聯網、云計算等技術將自動化的測量設備與全壽命周期內基礎設施的穩定狀態分析平臺建立關聯。