邊坡變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

摘要:本文基于筆者多年從事變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析，以某隧道進(jìn)口高邊坡變形監(jiān)測為研究背景，探討了基于TCA2003的高邊坡變形監(jiān)測方法，論文全面分析了具體的作業(yè)方法和數(shù)據(jù)處理方法，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞:智能全站儀邊坡監(jiān)測隧道

中圖分類號(hào):TB21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)03(a)-0079-01

邊坡變形觀測的意義在于提供邊坡的穩(wěn)定狀況、位移和變形的規(guī)律等，為滑坡預(yù)報(bào)提供依據(jù)。邊坡變形觀測的目的是確定滑體的周界，定期測量滑動(dòng)量、主滑動(dòng)線的方向和速度，以監(jiān)視建筑物的安全。

對(duì)于建(構(gòu))筑物變形的觀測，除采用常規(guī)的正、倒垂、引張線等手段外，其外部變形的監(jiān)測則要依賴于以大地測量學(xué)的原理、方法與使用精密測量及計(jì)量儀器相結(jié)合的精密工程測量這種特殊的手段，通過必要頻次的反復(fù)測量來保障。

變形觀測的方法有很多種，一般情況下最為有效的方法是前方交會(huì)和極坐標(biāo)法。近年來由于全站儀和GPS的出現(xiàn)，用全站儀直接測量變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)的方法和GPS直接進(jìn)行滑坡監(jiān)測的方法應(yīng)用越來越多。本論文主要研究使用全站儀直接測量變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)的方法。

1 工程概況

某隧道位于山城地區(qū)，由于進(jìn)洞口附近高邊坡開挖，已造成開挖部分出現(xiàn)多處裂縫，雖然施工方采取了噴漿及其它加固措施，但為了安全起見，并摸清高邊坡形變量，為施工方開挖提供正確的數(shù)據(jù)，需對(duì)有形變的高邊坡區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2 TCA2003 全站儀和極坐標(biāo)差分法簡介

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測量儀器發(fā)生了翻天覆地的變化。測量機(jī)器人(Measurement robot)或稱測地機(jī)器人(Georobot) 是一種能代替人進(jìn)行自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識(shí)和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并且獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型電子全站儀，可以實(shí)現(xiàn)測量的全自動(dòng)化、智能化。尤其在小尺度局部坐標(biāo)測量當(dāng)中，測量精度高、靈活機(jī)動(dòng)、快速便捷、無接觸等方面，有著其它測量技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

2.1 TCA2003 硬件介紹

TCA2003集成了步進(jìn)馬達(dá)、CCD 影像傳感器，是一種能自動(dòng)搜索、識(shí)別和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離和三維坐標(biāo)的智能型電子全站儀，屬目前自動(dòng)化程度較高的測量儀器，標(biāo)稱測角精度0.5\"，測距精度±(1mm+1PPm)，配備相應(yīng)軟件，可自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)、觀測和記錄，故有測量機(jī)器人之稱。國內(nèi)已有多家單位購買使用。

2.2 機(jī)載控制軟件

機(jī)載控制軟件是TCA2003的活動(dòng)神經(jīng)中樞，TCA2003的自動(dòng)化在其控制之下得到實(shí)現(xiàn)。利用選配的GeoBASIC語言，可以根據(jù)自己的需要開發(fā)相應(yīng)的機(jī)載應(yīng)用程序。該隧道進(jìn)口高邊坡安全監(jiān)測中測量機(jī)器人控制軟件系我隊(duì)自主開發(fā)，其作業(yè)模式和限差控制遵循我國現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范。方向、天頂距和邊長根據(jù)觀測精度等級(jí)可設(shè)置不同測回?cái)?shù)，觀測值超限后能作出判斷并重測，觀測過程中外界條件不理想時(shí)可人為中斷，排除干擾后繼續(xù)觀測。此軟件成熟嚴(yán)謹(jǐn)，可應(yīng)用于控制測量、變形監(jiān)測等用途。

3 在隧道高邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 建立工作基點(diǎn)網(wǎng)

首先，在較穩(wěn)定的區(qū)域埋設(shè)水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)3個(gè)，一個(gè)埋在施工單位辦公室后面的山坡上，另外兩個(gè)埋在進(jìn)洞口左側(cè)的山洼里，離進(jìn)洞口300m左右，基礎(chǔ)較為穩(wěn)定，用混凝土現(xiàn)澆。進(jìn)洞口監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)，按照業(yè)主、施工單位負(fù)責(zé)人要求，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在上高邊坡布設(shè)16個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，編號(hào)為A01至A16;在中間高邊坡?lián)鯄Σ荚O(shè)9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，編號(hào)為A17至A26;在下邊坡?lián)鯄Σ荚O(shè)6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，編號(hào)為A27至A31，共布設(shè)31個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)牢固穩(wěn)定。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)人工觀測，取得坐標(biāo)X、Y、H，建立概略坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫。概略坐標(biāo)X、Y、H 越精確，以后各期自動(dòng)觀測精確照準(zhǔn)速度越快。在監(jiān)測點(diǎn)變形累積一定程度后，要及時(shí)修正概略坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫。

極坐標(biāo)差分法坐標(biāo)精度與基準(zhǔn)站至監(jiān)測點(diǎn)和參考站的距離有很大關(guān)系。在觀測中，盡量選擇離監(jiān)測部位近的基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)做為基準(zhǔn)站和參考站。將TCA2003置于基準(zhǔn)站觀測墩上，精確整平，設(shè)置好觀測點(diǎn)集、順序和測回?cái)?shù);儀器根據(jù)內(nèi)置點(diǎn)位概略坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫的坐標(biāo)，自動(dòng)進(jìn)行目標(biāo)判斷、精確照準(zhǔn)，并測量方位角、天頂距和斜距，并將讀數(shù)存儲(chǔ)于內(nèi)置SRAM卡中。

3.3 數(shù)據(jù)處理及成果分析

將存儲(chǔ)于SRAM卡中原始采集的監(jiān)測點(diǎn)斜距、天頂距、水平角轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)處理工作站)，根據(jù)觀測值按以下模型，調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件，即可得到監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)、位移量，并進(jìn)一步進(jìn)行變形分析和預(yù)測。

3.3.1 差分改正

將工作基點(diǎn)與參考基準(zhǔn)站間的平距經(jīng)投影反算后，改化為以工作基點(diǎn)和參考基準(zhǔn)站上儀器高和棱鏡高為準(zhǔn)的斜距。

(1)

邊長改正系數(shù)

各監(jiān)測點(diǎn)經(jīng)差分改正后的斜距為

式中:S為斜距，D為平距，ΔH為高差，S'為斜距觀測值。

3.3.2 球氣差改正

計(jì)算球氣差改正系數(shù)

式中:Δh 為工作基點(diǎn)與參考站間觀測高差，ΔH為基準(zhǔn)高差，Z為天頂距。

經(jīng)差分改正后工作基點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)間的高差為:

式中:I為儀高，L為覘高。

工作基點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)間的平距為

。

3.3.3 監(jiān)測點(diǎn)位移量

按極坐標(biāo)計(jì)算公式，可準(zhǔn)確求得每周期各監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo):

(2)

式中:、、——為工作基點(diǎn)的坐標(biāo)值。

與初始值比較，即得位移量:

4 監(jiān)測結(jié)論

沉降監(jiān)測:下邊坡由于施工影響，樁位被泥土覆蓋，其后下邊坡未再進(jìn)行監(jiān)測，因此分析的是上邊坡及中邊坡的沉降情況。從94期觀測資料分析，中邊坡右側(cè)的A6、A7、A8、A9、A10，上邊坡中間的A27、A28、A29、A13、A14、A15、A16及上邊坡右側(cè)的A23、A24觀測期間沉降在5cm至20cm，其它點(diǎn)位沉降在3cm以內(nèi)。從最近5期的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，中邊坡的A10、A11，上邊坡的A16、A17、A18、A30、A31、A32沉降在2mm至3mm，其它點(diǎn)位沉降在1mm以內(nèi)，隧道邊坡受天氣及隧道施工影響較小，整體邊坡沉降目前較小。

平面位移監(jiān)測:因業(yè)主要求，1月份對(duì)原位移監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行了改樁，因此分析的是改樁后位移情況。原裂縫下方的P4，上邊坡的P8、P9、P10，下邊坡的P13位移量在5cm至7cm;裂縫下方的P5， 中邊坡的P12、P14、P15位移量在3cm至5cm;其它位移監(jiān)測點(diǎn)在3cm以內(nèi)。從最近5期的平面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，監(jiān)測點(diǎn)位移量都在3mm以內(nèi)，整體邊坡近期平面位移較小。

參考文獻(xiàn)

[1]黃聲亨，尹暉，蔣征.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M].武漢大學(xué)出版社，2001.1.

[2] 李青岳.工程測量[M].測繪出版社，1995.