应用智能全站仪的隧道进口边坡监测研究

2022-11-05

近年来, 我国大型工程建 (构) 筑物的规模不断扩大, 数量不断增加, 建 (构) 筑物 (如大、中型水坝, 边坡等) 的施工建造及安全运行都迫切需要进行实时监测。特别是滑坡地质灾害的发生常常会给矿山工程建设和生产带来很大影响, 甚至造成生命则产的损失。如果能比较准确地预测滑坡的发生, 就可以最大限度地减小灾害损失。一般大滑坡的发生都有明显前兆现象, 边坡变形就是最突出、最直接、最容易捕捉到的滑坡特征。所以边坡变形监测是进行滑坡预报的可靠办法之一。

边坡变形观测的意义在于提供边坡的稳定状况、位移和变形的规律等, 为滑坡预报提供依据。边坡变形观测的目的是确定滑体的周界, 定期测量滑动量、主滑动线的方向和速度, 以监视建筑物的安全。

变形观测的方法有很多种, 一般情况下最为有效的方法是前方交会和极坐标法。近年来由于全站仪和CPS的出现, 用全站仪直接测量变形点的三维坐标的方法和GPS直接进行滑坡监测的方法应用越来越多。

1 工程概况

某隧道由于进洞口附近高边坡开挖, 已造成开挖部分出现多处裂缝, 虽然施工方采取了喷浆及其它加固措施, 但为了安全起见, 并摸清边坡形变量, 为施工方开挖提供正确的数据, 需对有形变的边坡区域进行实时监测。

2 TCA2003全站仪和极坐标差分法简介

随着科学技术的发展, 测量仪器发生了翻天覆地的变化。测量机器人 (Measurement robot) 或称测地机器人 (Georobot) 是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标并且获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪, 可以实现测量的全自动化、智能化。

2.1 TCA2003硬件介绍

TCA2003集成了步进马达、CCD影像传感器, 是一种能自动搜索、识别和精确照准目标并获取角度、距离和三维坐标的智能型电子全站仪, 属目前自动化程度较高的测量仪器, 标称测角精度0.5", 测距精度± (1mm+1PPm) , 配备相应软件, 可自动照准目标、观测和记录, 故有测量机器人之称。国内已有多家单位购买使用。

2.2 机载控制软件

机载控制软件是TCA2003的活动神经中枢, TCA2003的自动化在其控制之下得到实现。利用选配的GeoBASIC语言, 可以根据自己的需要开发相应的机载应用程序。隧道进口边坡安全监测中测量机器人控制软件系我单位自主开发, 其作业模式和限差控制遵循我国现行有关规范。方向、天顶距和边长根据观测精度等级可设置不同测回数, 观测值超限后能作出判断并重测, 观测过程中外界条件不理想时可人为中断, 排除干扰后继续观测。此软件成熟严谨, 可应用于控制测量、变形监测等用途。

3 在隧道边坡监测中的应用

3.1 建立工作基点网

首先, 在较稳定的区域埋设水准基准点3个, 一个埋在施工单位办公室后面的山坡上, 另外两个埋在进洞口左侧的山洼里, 离进洞口300米左右, 基础较为稳定, 用混凝土现浇。

进洞口监测点布设, 按照业主、施工单位负责人要求, 根据现场实际情况, 在上边坡布设16个监测点, 编号为A01至A16;在中间边坡挡墙布设9个监测点, 编号为A17至A26;在下边坡挡墙布设6个监测点, 编号为A27至A31, 共布设31个监测点, 监测点埋设牢固稳定。

3.2 外业数据采集

首先对各监测点进行逐点人工观测, 取得坐标X、Y、H, 建立概略坐标数据库。概略坐标X、Y、H越精确, 以后各期自动观测精确照准速度越快。在监测点变形累积一定程度后, 要及时修正概略坐标数据库。

极坐标差分法坐标精度与基准站至监测点和参考站的距离有很大关系。在观测中, 尽量选择离监测部位近的基准网点做为基准站和参考站。将TCA2003置于基准站观测墩上, 精确整平, 设置好观测点集、顺序和测回数;仪器根据内置点位概略坐标数据库的坐标, 自动进行目标判断、精确照准, 并测量方位角、天顶距和斜距, 并将读数存储于内置SRAM卡中。

3.3 数据处理及成果分析

将存储于SRAM卡中原始采集的监测点斜距、天顶距、水平角转存至计算机 (数据处理工作站) , 根据观测值按以下模型, 调用相应数据处理软件, 即可得到监测点的三维坐标、位移量, 并进一步进行变形分析和预测。

3.3.1 差分改正

将工作基点与参考基准站间的平距经投影反算后, 改化为以工作基点和参考基准站上仪器高和棱镜高为准的斜距。

各监测点经差分改正后的斜距为:

式中:S为斜距, D为平距, ΔH为高差, S’为斜距观测值。

3.3.2 球气差改正

式中:Δh为工作基点与参考站间观测高差, ΔH为基准高差, Z为天顶距。

经差分改正后工作基点与监测点间的高差为:∆hi=Si⋅cosZ+C⋅Si2sin2Z+I-L。

式中:I为仪高, L为觇高。

工作基点与监测点间的平距为:

3.3.3 方位角改正

由参考基准站的方位角观测值, 可得方位角改正系数∆f=F 0'-F0。

经差分改正后各监测点的方位角为:

式中:F 0'位角观测值, F0为基准值。

4 监测结论

沉降监测:下边坡由于2009年1月13日施工影响, 桩位被泥土覆盖, 其后下边坡未再进行监测, 因此分析的是上边坡及中边坡的沉降情况。从94期观测资料分析, 中边坡右侧的A6、A7、A8、A9、A10, 上边坡中间的A27、A28、A29、A13、A14、A15、A16及上边坡右侧的A23、A24观测期间沉降在5cm至20cm, 其它点位沉降在3cm以内。从最近5期的沉降监测数据来看, 中边坡的A10、A11, 上边坡的A16、A17、A18、A30、A31、A32沉降在2mm至3mm, 其它点位沉降在1mm以内, 隧道边坡受天气及隧道施工影响较小, 整体边坡沉降目前较小。

平面位移监测:因业主要求, 1月份对原位移监测点进行了改桩, 因此分析的是改桩后1月15日后至3月25日的位移情况。原裂缝下方的P4, 上边坡的P8、P9、P10, 下边坡的P13位移量在5cm至7cm;裂缝下方的P5, 中边坡的P12、P14、P15位移量在3cm至5cm;其它位移监测点在3cm以内。从最近5期的平面位移监测数据来看, 监测点位移量都在3mm以内, 整体边坡近期平面位移较小。

根据沉降及平面位移数据分析, 近期该隧道进口边坡变形较小, 趋于稳定状态。

摘要：本文基于笔者多年变形监测的相关工作经验, 以某隧道边坡的变形监测为研究对象, 探讨了基于智能全站仪的边坡监测方法, 论文首先简要介绍了应用于监测的硬件和软件设备, 而后分析了具体的作业方法和数据处理方法, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：智能全站仪,边坡监测,隧道