蘭渝鐵路高精度邊坡自動化監測系統應用探討

闕衛東 師文斌 陳虎林 孫睿 郭樹印

摘要：蘭渝鐵路通過黃土高原和秦嶺高中山區，地質環境極為復雜、特殊。考慮到其地震活動強烈以及降雨對邊坡穩定性的影響，為保障鐵路運營安全，現設計出兩個高精度邊坡自動化監測系統。本文通過對兩個監測系統進行探討，說明其在蘭渝鐵路建設和監測過程中發揮的作用。

關鍵詞：高精度;邊坡位移;自動化監測;預報預警

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0109-03

0 引言

目前，我國高速列車運行速度很快。在此情況下，外界任何微小的干擾都有可能造成重大的經濟損失和人員的傷亡。由于大多數情況下邊坡變形監測的實際環境惡劣，利用傳統的監測方法費時費力且實時效果不能滿足要求，因此建立蘭渝鐵路高精度邊坡自動化監測系統進行邊坡狀態實時自動化監測至關重要。通過對監測基礎數據的分析，及時對各種邊坡狀況進行處理。

1 研究概況

蘭渝鐵路范家坪隧道位于甘肅省隴南市武都區大元壩白龍江左岸，于212國道邊進洞，地形東高西低，起伏較大。其隧道進口滑坡綜合整治工程的邊坡高差達153m，進口段工程設置復雜。此處地層主要為第四系全新統坡積碎石土及下伏的泥盆系千枚巖及灰巖[1-3]。

楓相院車站特大橋位處山體陡峻，坡體土質為塊石夾土和強風化松散堆積巖體。其邊坡整治工程位于該特大橋小里程段左側山體邊坡上，起訖里程：DK430+120.15～DK430+392.65，長272.50m。工點范圍內普遍存在危巖落石，在雨水沖刷或人為震動情況下易產生滾動。為保障鐵路運營安全，建立楓相院車站特大橋邊坡整治工程長期性山體安全監測預警系統，利用自動化監測的方法掌握坡面位移和變形情況，預判山體形變發展狀態[5，6]。

我國疆土幅員遼闊，地形地貌和地質條件復雜多樣，滑坡災害頻繁發生，直接危害人民的生命財產安全，因此邊坡監測意義重大。通過建立高精度邊坡進行自動化監測系統，可以實時獲取邊坡狀態信息，為災害預警和災害防治提供基礎數據，及時采取相應的應急和預防措施，減少由滑坡造成的人員傷亡和經濟損失。

2 高精度監測相關理論

2.1 監測原理

邊坡高精度變形監測系統采用北斗兼容GPS接收機作為數據采集設備，利用采集到的空間星座中各顆衛星的信號，獲取衛星的運行軌道信息，通過計算衛星和監測站之間的距離，進而確定出監測點自身空間位置，變形監測不同于其他一些應用，其對定位精度的要求特別高，因此如何盡可能提高定位精度也是系統構建過程中需要解決的一大難題。

假設各北斗高精度一體化監測站上的接收機同一時刻接收4顆以上GPS衛星或北斗衛星發出的信號，根據這些衛星發射信號時的瞬時位置和站星之間的距離即可確定監測點的空間位置。站星距離可通過兩種方法進行求解：偽距測量和載波相位測量。利用偽距測量進行站星距離量測時精度不高，多用于衛星導航和低精度定位，對于邊坡變形監測這一對精度需求在毫米級的應用，不能滿足定位需求。利用載波相位測量計算站星距離，雖數據處理工作復雜、麻煩，但可獲得高精度定位結果，適用于柳家河隧道邊坡自動化監測系統[7，8]。

2.2 監測原則

邊坡變形監測系統方案在滿足安全管理和監測的前提下，還應滿足的總體測點布置原則如：（1）安全可靠。由于地質環境復雜多樣，測試儀器除具備一些基本要求外，還應具有防水防潮耐久等特點，且使用壽命應滿足監測期間的正常使用。基準站和監測點要能避免各種擾動，若在施工過程中被破壞，應能盡快在原位置或盡量靠近原位置補設測點，以保證測點觀測數據的連續性。監測點應安設在最有可能發生變形、最有代表性的地段。（2）自動化。監測元件需滿足自動化監控的原則，整個監測過程應自動完成，無需人工干預。監測完成后，監測信息應及時上傳至運營管理部。（3）綜合考慮。按監測方案在現場布設測點，當實際情況不允許時，可在靠近計劃測點的位置設置測點，以能達到監測目的為原則;各類監測點的布置在時間和空間上有機結合，力求同一監測部位能同時反映不同的物理變化量，以便找出其內在的聯系和變化規律。（4）及時分析反饋。實時獲取監測數據后，應及時進行數據整理、統計和分析，以及成果報表的編制。由于測試元件多，數據采集量大，故及時的分析和反饋可以為運營提供有價值的依據。

3 監測點布設及系統構建

蘭渝鐵路范家坪隧道采用自動化監測方法對進口段山體邊坡暫時進行表面位移的變形監測，現場工程實體邊坡已清理至基巖面，監測施工范圍在既有線安全距離內，施工難度較大。其監測點主要布設于滑坡主軸斷面樁板墻或抗滑樁樁頂、擋土墻墻頂、刷坡邊坡及環形截水溝外側穩定地段處，呈線網狀分布。此次監測共設3個監測斷面、8個監測點。蘭渝鐵路楓相院車站特大橋采用自動化監測方法對左側山坡進行監測。現場共設置13個監測點，各監測點設備由接收機、測量天線及天線保護罩、在線避雷器、太陽能供電系統、無線通訊模塊等組成。同時在坡度較緩、地基穩定處尋找基巖建立一個基準站，將監控終端設在鐵路局等處進行坡體表面位移監測。

高精度監測系統采用分布式系統結構，結合北斗、物聯網、大數據、云服務等最新的技術，將系統結構分為四層，分別是感知層、傳輸層、中心層和應用層，如圖1所示。感知層，主要由現場安裝的北斗測量裝置組成，實時感知結構物（邊坡、仰坡等需要實時監測的結構物）發生的位移變化;傳輸層，主要由通訊設備及通訊網組成，將感知層獲取的數據傳輸至監測系統中心層中進行存儲、分析和應用;中心層，主要由云服務器和云平臺軟件組成，用于接收并儲存海量監測數據，為應用層的各類服務提供充足的數據支撐;應用層，即系統用戶層。系統用戶可以使用各種終端設備（手機、平板、電腦等）在任何地方、任何時間通過Internet訪問監測系統查看監測數據，實時了解和掌握被監測結構物的形態特征和變化情況。

由于構建的兩個自動化監測系統的邊坡監測點分別分布在擋土墻頂及刷方邊坡等不同的位置，故根據實際情況，可采用一機一天線的實時監測模式或多機多天線的集中實時監測模式進行監測。利用該模式進行邊坡變形自動監測時，可實時獲取監測數據，在減少人力成本的同時避免由于人工測量造成的誤差。

4 監測系統精度分析

面向蘭渝鐵路建立的兩個自動化監測系統采用北斗兼容GPS接收機作為數據采集設備，與全球定位系統（GPS）相比，北斗衛星系統使用的三頻信號是它的一大優勢，同時也是基于北斗的邊坡自動化監測系統具有高精度的一大原因。BDS的三頻信號可以更好的消除電離層延遲的影響，提高定位的精確度與可靠性，大大的提高模糊度的固定效率。若一個頻率信號出現問題，可以使用傳統的方法利用另外兩個頻率進行定位，增加了整個監測系統的抗干擾能力。同時，監測過程中使用的相對定位（差分）方法同樣支撐了該系統的高精度特點。相對定位是指確定同步跟蹤相同衛星信號的若干臺接收機之間的相對位置的定位方法，各個監測點（每臺接收機）之間的相對位置可以用一條基線向量來表示。隧道洞口邊坡位移監測使用了靜態相對定位的方法，在兩個測站上對同一衛星進行同步觀測，得出各自的線性化觀測方程并將兩者相減得如下表達式。

5 監測功能及應用分析

5.1 系統功能

自動化監測系統硬件部分布置完成投入運營后，其具體功能如：（1）實現對柳家河隧道洞口邊坡重要運行數據的實時自動化采集、傳輸、分析、應用。可根據監測需求按照指定時間，使用多種不同的數據采集方式進行數據采集。（2）直觀顯示各項監測數據的當前狀態和變化過程，且監測數據質量高。（3）當時間和洞口邊坡位移之間出現關聯關系時，即視為變形量超出預警值。根據監測誤差，預警值可分為三級，系統會及時根據各級范圍發出相對應的預警信息，以便及時對緊急情況進行處理。

同時，其軟件部分采用了分層B/S體系結構，以Java為開發平臺，統一流程規范、技術標準、數據管理等各個方面，構成了一個開放統一的可跨平臺部署的高精度安全監測服務系統。其具體功能為：（1）錄入監測點位置、設備位置及設備編號等信息，記錄與工程相關的信息，并對監測點的錄入信息進行管理。（2）對硬件系統進行遠程控制，如遠程調整測試參數，避免因為參數改變而必須進入現場的問題。省時省力且自動化程度高。（3）對數據進行預處理且能自動生成報表。預處理過程主要包括數據過濾、數據壓縮、數據分類等，為后續的數據自動分析、人工分析提供了良好的數據源。同時，根據系統自動或人工分析的結果，自動生成各種類型的報表。

5.2 應用探討

應用于蘭渝鐵路的邊坡高精度自動化監測系統在其使用期間可長期、連續、穩定工作，實時獲取大量監測數據。使用該系統可及時發現邊坡位移的變化情況并分析出其未來的發展趨勢，及時針對各種不同的情況進行預報預警。同時，該系統滿足全天候、實時監測和高精度的需求，省時省力低成本，可很好的運用于蘭渝鐵路的建設和后期的監測之中。高精度變形監測系統的水平位移精度能達到毫米級，無論在邊坡變形的日常監測中還是在地質災害發生的過程中，該技術都能實時、準確的對邊坡位移的細小變化進行有效監測，實現了毫米精度的位移實時監測，滿足變形監測的要求。該系統在地質災害（邊坡）的預警預報監測中具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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