全球定位系統(tǒng)在隧道及高邊坡監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃 敏，黃鳳嬋，黃民水，盧海林

武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

0 引 言

山區(qū)公路地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道和邊坡在眾多復(fù)雜因素的影響下，易發(fā)生崩塌、滑坡、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害，因此穩(wěn)定性監(jiān)測尤其重要.傳統(tǒng)的穩(wěn)定性監(jiān)測技術(shù)在山區(qū)公路方面的應(yīng)用或多或少存在著通視條件差、無法連續(xù)監(jiān)測、工作效率低等缺陷.全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，以下簡稱：GPS)技術(shù)因具有精度高、全天候、定位速度快、自動(dòng)化高、測站之間無需通視以及良好的抗干擾和保密性的優(yōu)勢，在對地面沉降、滑坡、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用[1].

使用GPS技術(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測，能夠在保證精度要求的前提下減輕工作量,提高效率[2].根據(jù)隧道及高邊坡監(jiān)測的精度和技術(shù)要求，2012年對湖北宜巴高速公路第三標(biāo)段的大山坡隧道和其左線五級(jí)高邊坡進(jìn)行了監(jiān)測布置以及監(jiān)測數(shù)據(jù)采集分析.

1 GPS監(jiān)測方案

1.1 隧道監(jiān)測方案

基于安全可靠原則，GPS監(jiān)測分為二級(jí)布網(wǎng)：一是在監(jiān)測體周邊選擇地質(zhì)條件相對穩(wěn)定，適合長期運(yùn)行的點(diǎn)布設(shè)4個(gè)基準(zhǔn)站形成基準(zhǔn)網(wǎng)；二是根據(jù)監(jiān)測體的具體情況，布設(shè)相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)，劃分為縱橫交錯(cuò)的監(jiān)測線形成監(jiān)測網(wǎng)[3].

根據(jù)隧道圍巖等級(jí)、不良地質(zhì)、突水、洞口淺埋等特殊要求和業(yè)主及監(jiān)理認(rèn)為有必要監(jiān)控的地段，每50 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面，在隧道拱頂設(shè)置測點(diǎn)，安裝單點(diǎn)位移計(jì)，監(jiān)測拱頂沉降.監(jiān)測設(shè)備選用VWD-250型位移計(jì).

選取的監(jiān)測斷面位于隧道出口右側(cè)，監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)如圖1所示.

圖1 隧道監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)Fig.1 Tunnel monitoring points sites

1.2 邊坡監(jiān)測方案

首先圈定主要的監(jiān)測范圍，估測主要滑動(dòng)方向，按滑動(dòng)方向及范圍確定測線，并選取典型斷面，布置測線；再按測線布置相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn).本工程根據(jù)實(shí)際需求，在邊坡體上布設(shè)3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，點(diǎn)間間距約50 m，另外兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分別布設(shè)在邊坡斜坡上.基準(zhǔn)站布設(shè)在周邊基巖或監(jiān)控中心.

此外，應(yīng)選取距離合適、網(wǎng)形較好、地勢較高、視野開闊、地質(zhì)條件良好的地方，布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，提供監(jiān)測基準(zhǔn).監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖2所示.

圖2 邊坡監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)Fig.2 Sites of slope monitoring points

1.3 GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)采用MCU-32式自動(dòng)測量單元采集，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳入遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，通過GPS監(jiān)測網(wǎng)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)后需要進(jìn)行處理分析.首先對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)處理，觀測周期結(jié)束后進(jìn)行基線向量平差計(jì)算，其中有基線向量解算和GPS網(wǎng)平差計(jì)算兩個(gè)階段[4-5].

首先對兩臺(tái)及以上的接收機(jī)同步觀測值進(jìn)行獨(dú)立基線向量的平差計(jì)算.基線解算完成后通過載波相位殘差圖來進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn).此外進(jìn)行同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線較差檢驗(yàn)，檢驗(yàn)質(zhì)量合格后方可進(jìn)行后續(xù)處理[6].

監(jiān)測網(wǎng)平差計(jì)算則通過以下三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)[6].

(1)提取基線向量，構(gòu)建GPS基線向量網(wǎng).其中基線向量必須是相互獨(dú)立、質(zhì)量良好、邊長較短的基線，此外還要能夠構(gòu)成邊數(shù)較少的異步環(huán)，選定的基線能夠構(gòu)成閉合圖形.

(2)三維無約束平差.在進(jìn)行GPS網(wǎng)平差計(jì)算時(shí)需要提供一個(gè)位置基準(zhǔn)點(diǎn)，GPS網(wǎng)不因該基準(zhǔn)點(diǎn)產(chǎn)生變形，從而使得構(gòu)成GPS網(wǎng)的基線均滿足質(zhì)量要求，并能夠相互匹配.

(3)約束平差，即以國家大地坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系某些點(diǎn)的固定坐標(biāo)、固定邊長及固定方位為GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)，以其作為約束條件進(jìn)行平差.指定基準(zhǔn)、坐標(biāo)系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)約束條件的質(zhì)量，最后進(jìn)行計(jì)算求出監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo).

2 監(jiān)測結(jié)果

通過以上程序步驟，對宜巴高速公路第三標(biāo)段的大山坡隧道和其左線五級(jí)高邊坡進(jìn)行監(jiān)測布設(shè)，獲取數(shù)據(jù)，解算處理，最終得到監(jiān)測網(wǎng)三維平差后監(jiān)測點(diǎn)的最終成果.

2.1 隧道監(jiān)測結(jié)果

圖3為2012年7月至9月隧道位移變形觀測的部分成果，為位移計(jì)WYGJ0002所測得的5號(hào)斷面隧道拱頂位移值隨時(shí)間的變化.

由圖3可知，位移計(jì)WYGJ0002所測得的隧道拱頂沉降量基本在-10～10 mm之間.

圖3 WYGJ0002測得位移隨時(shí)間的變化Fig.3 Changes of WYGJ0002 measured displacement with time

2.2 邊坡監(jiān)測結(jié)果

圖4為2012年7月至8月變形觀測的部分成果，為5號(hào)監(jiān)測點(diǎn)YDZ5點(diǎn)的高程位移隨時(shí)間的變化.

YDZ5點(diǎn)的實(shí)測高程變化為3 249 496.135 57～3 249 506.195 57 m，高程位移變化量在-10～5 mm之間，其中最大高程位移變化量為10.06 mm，監(jiān)測精度達(dá)到了毫米級(jí).

圖4 YDZ5點(diǎn)高程位移隨時(shí)間的變化Fig.4 Changes of Point YDZ5 height displacement with time

2.3 監(jiān)測結(jié)果評(píng)價(jià)

運(yùn)用數(shù)值分析方法可有效模擬計(jì)算隧道及高邊坡的極限位移，并對現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)之后的未知位移做出預(yù)測[7-8].以大山坡隧道及高邊坡的典型斷面監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)值分析，并將預(yù)測數(shù)據(jù)序列與實(shí)測值加以對比.在此基礎(chǔ)上結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)以及穩(wěn)定性評(píng)判理論，以及已有監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合預(yù)警，提出隧道及邊坡預(yù)警系統(tǒng)[9].以大山坡隧道的部分預(yù)測結(jié)果為例，監(jiān)測結(jié)果見表1.

表1 隧道穩(wěn)定性預(yù)警結(jié)果Table 1 Results of tunnel stability warning

由表1可知，實(shí)際監(jiān)測所得的拱頂下沉值與數(shù)值分析所得的預(yù)測拱頂下沉值符合較好.經(jīng)過穩(wěn)定性評(píng)判理論及預(yù)警系統(tǒng)分析，綜合評(píng)判結(jié)果為穩(wěn)定，符合實(shí)際情況.GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)滿足大山坡隧道及高邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警的要求.

3 結(jié) 語

筆者設(shè)計(jì)的基于GPS監(jiān)測技術(shù)隧道及高邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性的實(shí)際監(jiān)測狀態(tài)與分析及預(yù)警結(jié)果基本一致.GPS監(jiān)測技術(shù)不僅具有諸多優(yōu)點(diǎn)[10]，而且能滿足山區(qū)公路隧道及高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的要求，可為類似工程項(xiàng)目的監(jiān)測預(yù)警提供借鑒.

致 謝

感謝湖北省宜巴高速公路建設(shè)指揮部為本研究提供支持和幫助！

[1] 肖鸞,胡友健,王曉華.GPS技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用綜述[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2005,2(2):160-165.

XIAO Luan,HU You-jian,WANG Xiao-hua.Overview of the application of GPS technology in deformation monitoring[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics.2005,2(2):160-165.(in Chinese)

[2] 聶喜君,荊磊,吳海軍.用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)進(jìn)行露天礦邊坡監(jiān)測——霍林河露天礦邊坡變形監(jiān)測試驗(yàn)[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì),2005(3):69-70.

NIE Xi-jun,JING Lei,WU Hai-jun.Use technique of GPS satellite fixed position to supervise open-pit side——an experiment for deformation of Huolinhe open-pit side[J].Inner Mongolia Coal Economy,2005(3):69-70.(in Chinese)

[3] 匡桂榮.GPS在滑坡體變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2007,19(4):110-111.

KUANG Gui-rong.GPS in landslide deformation monitoring[J].West-China Exploration Engineering,2007,19(4):110-111.(in Chinese)

[4] 賴?yán)^文.GPS測量技術(shù)及其在工程測量中的應(yīng)用[J].地礦測繪,2006,22(3):11-13.

LAI Ji-wen.GPS survey technology and its application to engineering survey[J].Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources,2006,22(3):11-13.(in Chinese)

[5] GAO Yu-ping,WANG Zheng-ming.Application of network adjustment to the GPS common-view time links for TAI computations[J].Chinese Astronomy and Astrophysics,2003,27(2):217-225.

[6] 苗勝軍,蔡美峰,任奮華,等.GPS 變形監(jiān)測平差計(jì)算及不確定度分析[J].巖土力學(xué).2008,29(2):562-566.

MIAO Sheng-jun,CAI Mei-feng,REN Fen-hua,et al.Adjustment and uncertainty analysis of GPS deformation monitoring[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(2):562-566.(in Chinese)

[7] 黨星海,周林麗,魏玉明,等.灰色預(yù)測在某邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù),2002,33(2):88-90.

DANG Xing-hai,ZHOU Lin-li,WEI Yu-ming,et al.Gray predicted in a slope deformation monitoring[J].Low Temperature Architecture Technology,2002,33(2):88-90.(in Chinese)

[8] 曹力橋,周丁恒,林川,等.數(shù)據(jù)突變下隧道洞口邊坡變形灰色預(yù)測研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009,5(增刊2):1493-1496.

CAO Li-qiao,ZHOU Ding-heng,LIN Chuan,et al.Study on grey forecasting of slope deformation with mutation data in extra-large cross-section and cow flat-ration tunnel[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2009，5(Supp.2):1493-1496.(in Chinese)

[9] 邱丹丹,盧新海,李沛.基于GPS和GIS的大冶鐵礦高陡邊坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(1)：16-18.

QIU Dan-dan,LU Xin-hai,LI Pei.Monitoring and early-warning system of the high and steep slope in Daye mine based on GPS and GIS [J].Journal of Wuhan Institute of Technology,2010,32(1):16-18.(in Chinese)

[10] 吳朝陽,許志華.GPS測量原理及應(yīng)用簡介[J].科教文匯,2009(16):262-263.