自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人在公路構(gòu)造物表面變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

閆強(qiáng) 田立佳 蔣成龍

摘要：為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有失穩(wěn)跡象的公路邊坡和橋梁的穩(wěn)定狀態(tài)，文章以廣西某高速公路邊坡及橋梁為依托，采用具有自動(dòng)測(cè)量功能的TCA型高精度測(cè)量機(jī)器人，結(jié)合邊坡裂縫發(fā)育特征及橋梁變形狀態(tài)制定了監(jiān)測(cè)方案，對(duì)該邊坡和橋梁的表面位移進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)。第一周期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：橋梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向位移及縱向位移累計(jì)變化范圍在-0.002～0.002m之間;邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向位移和縱向位移累計(jì)變化范圍分別在-0.005～0.005m之間和-0.003～0.003m之間。該技術(shù)具有全自動(dòng)、高精度、智能預(yù)警等多項(xiàng)功能，能快速地測(cè)設(shè)數(shù)據(jù)，其在工程中的應(yīng)用為構(gòu)筑物的穩(wěn)定狀態(tài)分析、處治及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速公路;測(cè)量機(jī)器人;滑坡;橋梁變形;預(yù)警

中圖分類號(hào)：U491.116 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.047

文章編號(hào)：1673-4874（2019）09-0168-05

0引言

高速公路在建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于原地貌的人為改變，造成巖土應(yīng)力的重分布，在自然條件和行車等的影響下，常會(huì)出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)、滑動(dòng)、垮塌及橋梁移位等病害，若不及時(shí)監(jiān)測(cè)和處置，將可能造成較為嚴(yán)重的后果。因此，采用一定的手段和方式，對(duì)邊坡及橋梁穩(wěn)定性狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及預(yù)警尤為重要。同時(shí)，采用的監(jiān)測(cè)手段要滿足精度要求，自動(dòng)化水平要高，才能有效降低監(jiān)測(cè)成本和提高監(jiān)測(cè)的安全性。而基于自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人等高精度變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ADMS，Automatic Deformation Monitorin0Systems）具有全過(guò)程自動(dòng)化控制、實(shí)時(shí)計(jì)算、自動(dòng)限差檢核和報(bào)警功能，能夠較好地滿足高速公路構(gòu)筑物變形監(jiān)測(cè)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(cè)角精度0.5S，120m距離內(nèi)三維坐標(biāo)測(cè)量可達(dá)0.6mm）為代表的TCA型測(cè)量機(jī)器人為監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)手段，通過(guò)對(duì)該高速公路發(fā)生滑移的邊坡和受此影響而發(fā)生形變的中橋進(jìn)行24h監(jiān)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)警，為邊坡和橋梁病害的處治方案以及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)提供依據(jù)。

1高精度自動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的原理

本項(xiàng)目使用徠卡高精度TS30（測(cè)角精度0.5S，120m距離內(nèi)三維坐標(biāo)測(cè)量可達(dá)0.6mm）為代表的TCA型測(cè)量機(jī)器人，該技術(shù)目前已經(jīng)在建構(gòu)物高精度變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ADMS，Automatic Deformation Monitoring Systems）中成功使用。系統(tǒng)的特點(diǎn)是全過(guò)程自動(dòng)化控制、實(shí)時(shí)計(jì)算、自動(dòng)限差檢核和報(bào)警，精度高（在400m距離內(nèi)平面坐標(biāo)精度可達(dá)1-2mm，高程精度可達(dá)2-3mm），不干擾現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)，安全高效.系統(tǒng)采用中心控制軟件GeoMoS，可以通過(guò)各種有線（光纖、485電纜）和無(wú)線數(shù)據(jù)通訊手段（GPRS或者CDMA），遠(yuǎn)程自動(dòng)控制可通視位置上設(shè)置的TCA測(cè)量機(jī)器人，定時(shí)自動(dòng)測(cè)量布置在橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)上的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，從而完成對(duì)橋梁外部變形特征點(diǎn)的實(shí)時(shí)連續(xù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

GeoMoS軟件系統(tǒng)可實(shí)時(shí)計(jì)算各監(jiān)測(cè)目標(biāo)的三維變形量，并可設(shè)置各變形量的報(bào)警限差，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果超過(guò)限差，立即通過(guò)屏幕顯示、電郵發(fā)送等方式進(jìn)行報(bào)警。工作流程如圖2所示。

2依托工程概況及監(jiān)測(cè)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(xiàn)了多處裂縫，而邊坡下部的某中橋受滑坡體的推擠出現(xiàn)了系列病害。此外滑坡體下方有村莊，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。具體病害如下：

（1）上行線2#橋墩右側(cè)上邊坡有兩處滑動(dòng)面，其中距2#橋墩約210m處有1條斜向裂縫，縫長(zhǎng)約82m，最大錯(cuò)臺(tái)量約0.30m;距2#橋墩約160m處有1條倒“V”型裂縫，縫長(zhǎng)約35m，最大錯(cuò)臺(tái)量約0.65m。

（2）上行線隆林端橋臺(tái)伸縮縫裝置卡死，下行線百色端橋臺(tái)伸縮縫混凝土錨固區(qū)開(kāi)裂。

（3）上行線百色端橋臺(tái)右側(cè)背墻有1條寬約3mm的橫向裂縫，下行線百色端橋臺(tái)左側(cè)背墻有1條不規(guī)則斜向裂縫，寬約3mm。上下行百色端橋臺(tái)間有錯(cuò)臺(tái)，最大錯(cuò)臺(tái)量約2.3cm。下行線百色端橋臺(tái)漿砌片石排水溝與橋臺(tái)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(kāi)裂最嚴(yán)重，豎向裂縫寬約15mm。

（5）上行線2#橋墩距地面約2m置發(fā)現(xiàn)3條水平裂縫，裂縫間間距約0.15m，最大縫長(zhǎng)約2.395m，最大縫寬約0.17m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，誘發(fā)橋梁病害可能的主要原因是上行線2#橋墩右側(cè)上邊坡滑塌所致。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，選在平中屯一村民房屋樓頂制高點(diǎn)設(shè)置TCA測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)站.在該中橋橋梁、各個(gè)橋墩分別布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中每個(gè)橋墩布置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，橋梁布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在邊坡表面上布置13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)在周圍穩(wěn)定建筑物上設(shè)置了4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng)的定向、自動(dòng)檢核和調(diào)整的基準(zhǔn)點(diǎn)，確保系統(tǒng)的高精度和可靠性。測(cè)站點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)具體布置的位置如圖3所示。

2.3監(jiān)測(cè)頻率及預(yù)警設(shè)置

（1）監(jiān)測(cè)期：滑坡處治前應(yīng)急監(jiān)測(cè)，主要對(duì)橋體結(jié)構(gòu)位移和滑坡體進(jìn)行24h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)力學(xué)及經(jīng)驗(yàn)分析，監(jiān)測(cè)周期時(shí)間暫定5個(gè)月。

（2）監(jiān)測(cè)頻率：自動(dòng)化監(jiān)測(cè)頻率可以做到24h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可根據(jù)實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，暫時(shí)擬定為1h進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。橋梁結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)和邊坡表面位移可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。

（3）預(yù)警設(shè)置：由于橋梁已經(jīng)發(fā)生變形，橋梁原始狀態(tài)已無(wú)法獲取，因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警值設(shè)置是根據(jù)橋梁現(xiàn)有的狀態(tài)及經(jīng)驗(yàn)，預(yù)警設(shè)置三個(gè)級(jí)別。即橋梁主體結(jié)構(gòu)位移值達(dá)到5mm或沉降值達(dá)到10mm時(shí)進(jìn)行黃色報(bào)警;位移值達(dá)到10mm或沉降值達(dá)到15mm時(shí)進(jìn)行橙色報(bào)警;位移值達(dá)到15mm或沉降值達(dá)到20mm時(shí)進(jìn)行紅色報(bào)警。邊坡表面高程位移或沉降達(dá)到20mm時(shí)進(jìn)行黃色報(bào)警;高程位移或沉降達(dá)到40mm時(shí)進(jìn)行橙色報(bào)警;高程位移或沉降達(dá)到60mm時(shí)進(jìn)行紅色報(bào)警。見(jiàn)表1和表2。

3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

分析的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)起止時(shí)間為2019-06-01到2019-06-14，共14d時(shí)間，橋梁監(jiān)測(cè)選取11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，邊坡表層選取13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制其變化曲線圖并進(jìn)行分析。

3.1橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

橋梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橫向位移、縱向位移、高程位移變化趨勢(shì)如圖4-6所示。

在橋梁監(jiān)測(cè)過(guò)程中，根據(jù)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向位移累計(jì)變化范圍在-0.002-0.002m之間;（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向位移累計(jì)變化范圍在-0.002～0.002m之間;（3）監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程位移累計(jì)變化范圍在-0.003～0.003m之間;（4）橋梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，部分?jǐn)?shù)據(jù)偏移較大，經(jīng)分析可知，該數(shù)據(jù)為誤差數(shù)據(jù)，可以忽略。

為了進(jìn)一步分析橋梁整體位移的變化情況，取gxjt-101、gxjt-102監(jiān)測(cè)點(diǎn)一周內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖4-6中繪制區(qū)域），其兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橫向、縱向、高程坐標(biāo)變化趨勢(shì)圖，如圖7所示。

從圖7中可以看出，盡管橋梁處于有規(guī)律性的彈性變化，但分析其線性趨勢(shì)線時(shí)，可以明顯看出，橋梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)gxjt-101、gxjt102橫向位移、縱向位移均仍處于緩慢變化中，需要加強(qiáng)觀測(cè)頻率。

3.2邊坡表層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

邊坡表層的橫向位移、縱向位移、高程位移變化趨勢(shì)圖如圖8-10所示。

在邊坡表層位移監(jiān)測(cè)過(guò)程中，根據(jù)邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向位移累計(jì)變化范圍在-0.005～0.005m之間;（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向位移累計(jì)變化范圍在-0.003～0.003m之間;（3）監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程位移累計(jì)變化范圍在-0.005～0.005m之間。

為了進(jìn)一步分析邊坡表層位移的變化情況，取gxjt-2001，gxjt-2002監(jiān)測(cè)點(diǎn)一周內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖8-10中繪制區(qū)域），其兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)變化趨勢(shì)如下頁(yè)圖11所示。

從圖11中可以看出，邊坡表層位移同樣處于有規(guī)律性的變化，分析其線性趨勢(shì)線時(shí)可以看出，邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(qiáng)巡查工作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以廣西某高速公路邊坡及橋梁為依托，采用具有自動(dòng)測(cè)量功能的TCA型高精度測(cè)量機(jī)器人對(duì)該項(xiàng)目的表面變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：

（1）測(cè)量機(jī)器人在保證高精度的前提下，具有全過(guò)程自動(dòng)化控制、實(shí)時(shí)計(jì)算、自動(dòng)限差檢核和預(yù)警功能，且成本低，不干擾現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)，安全高效。

（2）要在充分分析邊坡滑動(dòng)面及橋梁受力狀態(tài)的前提下布設(shè)監(jiān)測(cè)邊坡和橋梁表面變形的棱鏡點(diǎn)位，棱鏡成本較低，點(diǎn)位布置范圍盡可能大一些。

（3）建議利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)將自動(dòng)化的測(cè)量設(shè)備與全壽命周期內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定狀態(tài)分析平臺(tái)建立關(guān)聯(lián)。