公路邊坡狀態自動化監測與經濟性分析

滕紅

摘要：為了有效應對擴容公路路塹邊坡開挖失穩風險，以更加經濟的方式解決邊坡開挖過程中及防護后穩定性監測和預警問題，文章以柳州至南寧高速公路擴容公路某邊坡為依托，對邊坡失穩風險進行評估和分級，并利用北斗、傾斜攝影測量和物聯網等技術建立三維自動化預警系統，對拆除支護過程中和支護后的邊坡進行監測及預警，根據邊坡實際狀態設定不同報警閾值和響應狀態。同時，采用測量機器人對基于北斗等技術的自動化監測數據進行復核校準，并對比監測費用。結果表明，采用自動化技術與機器人測試數據趨勢一致，采用自動化技術成本降低約44%。

關鍵詞：邊坡;失穩;自動化;監測預警系統

中圖分類號：U416.1+4A110385

0 引言

隨著中國經濟的發展，既有高速公路已不能滿足通行的需求，高速公路的擴容改造項目正逐步增多。既有高速公路的擴容要對已有路塹邊坡的支護進行拆除和開挖，這將造成應力的重分布，若開挖處治不當將有失穩的風險，嚴重的甚至造成人員財產的損傷。為此，需要對邊坡開挖風險進行分級，并根據分級結果采用自動化技術對邊坡進行實時監測，以便于及時采取應對措施。

關于邊坡開挖風險分級和邊坡自動化監測技術，國內外有部分專家和學者進行了研究。林俊勇采用多種方法構建邊坡穩定風險評估模型[1]。馬吉磊等開展了基于北斗時變的監測研究[2]。雖然這些相關的研究取得了應用成果，但是缺乏通用性的評估方法及更加直觀性、智能型的監測系統，也缺少對經濟性方面的分析和研究。

1 工程概況

依托工程位于中國柳州（鹿寨）至南寧高速公路改擴建工程K1 261+900～K1 262+300段，處于高速公路兩側，為路塹邊坡，采用自上而下分級拓寬開挖的方式擴建。該段分南北側，以南側為例，邊坡長約140 m，高55 m，為土質邊坡，邊坡底部及頂部局部見基巖出露。覆蓋層較厚，據實地調查和勘察資料，覆蓋層成分主要為可塑狀態的含角礫紅黏土，出露基巖以白云質灰巖為主。

2 邊坡風險分級

采用指標體系法對邊坡擴容施工風險評估，根據評估的風險等級，制定專項的邊坡開挖方案[4-5]。以項目規模、敏感指標、施工狀態、地形地質、基礎資料作為風險評價因子，分析各因子的敏感性。專家從影響穩定性的指標中選取敏感的指標進行排序。排序后采用權重系數進行劃分。權重系數可根據公式（1）直接計算。

根據表2，通過指標體系法確定的K1261+900～K1262+300右邊坡安全總體風險等級為：等級Ⅳ（極高風險）。需要對該邊坡制定專項施工方案，并且開展自動化監測及預警。

3 自動化系統及方案

3.1 自動化系統[6-8]

（1）系統組成

由數據采集、傳輸、解算、平臺組成。數據采集系統：數據采集系統由接收機、供電設備、安全防護系統組成。其中，測量型接收機采用高精度測量型GNSS接收模塊，融合了自主開發的信噪過濾處理程序，確保獲得高質量原始數據。數據傳輸系統：數據傳輸系統采用了GPRS無線傳輸技術，通過獨有的通訊協議實現了數據實時傳出和斷線補傳功能，確保了數據完整性。GNSS解算系統。數據服務平臺：對現場設備集成數據管理系統，實現真正的集成化與智能化。

（2）技術指標見表4

（3）預警機制

針對目前規范中比較單一的報警方式，對預警機制進行細化，根據變形特征分成黃、橙、紅三級預警，并制定相應的應急聯動措施。

（4）設備選址

北斗形變監測站的基準站和觀測站按一定數量比例進行布設，即每1臺基準站對應3臺觀測站，觀測站分布于基準站周圍，以基準站為核心，通過實時數據對比監測區地表形變，一般一個監測基準站能夠覆蓋方圓數公里以內的監測點，具體布設數量視現場情況及設備性能而定。

3.2 監測方案

布設了2個攝像頭監控，布設GNSS監測站，同時利用測量機器人布設38個監測點（左右側）進行周期性監測復核。

3.2.1 北斗監測方案

整個系統布設基準站1個，監測站6個（其中南側兩個）。基準站建于收費站附近，監測站則根據邊坡中心線布設，布設詳情參見圖1。北斗自動化監測正常情況下實行24 h不間斷，每天按固定時段采集一組數據計算平均值，周期初步按一個水文年（365 d）計算，根據監測穩定性情況再考慮下一年是否繼續監測。圖2、圖3為北斗監測系統主界面及數據采集界面圖。

3.2.2 高精度機器人監測方案

采用萊卡TM50高精度監測機器人進行自動觀測[9-10]，預計全年共監測72次。如果監測過程中發現不穩定的局部坡體或現有裂縫突然增大，則需根據實際情況縮短監測時間間隔。根據高速公路沿線邊坡地形地貌，本項目的變形監測網宜采用三角型網，監測基準網由3個基準點及1個工作基點組成。對于K1 261+900～K1 262+300右側高邊坡，邊坡往西200 m的右轉匝道邊屬于邊坡外圍穩定范圍，在該位置建立基準點TS0（同時設墩作為工作基點），收費站附近穩定位置設1個基準點，點名為TS1，沿高速公路往兩側約200～500 m的穩定位置各設置1個基準點，點名設為TS2、TS3，具體布置見圖4、圖5。

4 監測數據及成本分析

通過對比分析同周期內右側邊坡北斗監測數據趨勢與萊卡機器人監測數據變形趨勢，來驗證北斗監測數據的有效性。

4.1 北斗監測數據

周期內監測數據見圖6、圖7。數據局部時間段波動較大，主要是由于GPRS數據傳輸通道擁堵造成系統解算精度差導致數據波動引起解算精度下降。此波動情況不影響對各監測點的變形趨勢的判斷。