基于徠卡TS30的三峽庫區(qū)某隧道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測研究

彭燕

摘 要：徠卡TS30超高精度全站儀集成了步進馬達、CCD影像傳感器，是一種能自動搜索、識別和精確照準目標并獲取角度、距離和三維坐標的智能型電子全站儀。該文基于筆者多年從事地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的工作經(jīng)驗，以某隧道邊坡變形監(jiān)測為研究對象，探討了基于徠卡TS30的邊坡變形監(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：P204 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0045-02

1 工程概況

某隧道位于三峽庫區(qū)，由于進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他加固措施，但為了安全起見，并摸清邊坡形變量，為施工方開挖提供正確的數(shù)據(jù)，需對有形變的邊坡區(qū)域進行實時監(jiān)測。

2 徠卡TS30和極坐標差分法簡介

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，測量儀器發(fā)生了翻天覆地的變化。測量機器人（Measurement robot）或稱測地機器人（Georobot）是一種能代替人進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標并且獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息的智能型電子全站儀，可以實現(xiàn)測量的全自動化、智能化。尤其在小尺度局部坐標測量當中，測量精度高、靈活機動、快速便捷、無接觸等方面，有著其他測量技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

2.1 徠卡TS30硬件介紹

徠卡TS30集成了步進馬達、CCD影像傳感器，是一種能自動搜索、識別和精確照準目標并獲取角度、距離和三維坐標的智能型電子全站儀，屬目前自動化程度較高的測量儀器，標稱測角精度0.5"，測距精度±（1mm+1PPm），配備相應(yīng)軟件，可自動照準目標、觀測和記錄，故有測量機器人之稱。國內(nèi)已有多家單位購買使用。

2.2 機載控制軟件

機載控制軟件是徠卡TS30的活動神經(jīng)中樞，徠卡TS30的自動化在其控制之下得到實現(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)的機載應(yīng)用程序。該隧道進口邊坡安全監(jiān)測中測量機器人控制軟件系該隊自主開發(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)觀測精度等級可設(shè)置不同測回數(shù)，觀測值超限后能做出判斷并重測，觀測過程中外界條件不理想時可人為中斷，排除干擾后繼續(xù)觀測。此軟件成熟嚴謹，可應(yīng)用于控制測量、變形監(jiān)測等用途。

2.3 極坐標差分法基本原理

在監(jiān)測部位以外相對穩(wěn)定的地方建立工作基點網(wǎng)（包括了設(shè)站點和參考基準站），每一個測量周期均按照極坐標的原理分別采集參考基準站和變形點的斜距、水平角、天頂距，將參考基準站的測量值與其真實值（通過建立工作基點網(wǎng)得到）相比，有一差異，這一差異可認為是受到各種因素影響的結(jié)果，包括大氣、溫度及儀器等的影響。把參考基準站的差異加到變形點的觀測值上，通過計算得到變形點的實際坐標。極坐標監(jiān)測系統(tǒng)方框圖如圖1。

一般的變形監(jiān)測點都有測站點（儀器的架設(shè)點）、參考點（為了得到變形體上點的變形量而選取的參考點）和目標點（用來觀測變形體變形而選定的有代表性的點）3部分組成。該系統(tǒng)主要就是在觀測站架設(shè)儀器，通過對參考點和目標點的觀測值來得出變形體的變形趨勢，采用一臺測量機器人和計算機以及通訊電纜建立基站，將棱鏡安置在需要觀測變形的變形點和為了得到變形點的變形量而選定的比較穩(wěn)定的基準點上，通過對基準點和變形點的持續(xù)的周期性觀測結(jié)果進行比較、實時改正，從而得出變形點的三維變形測量，進行安全和穩(wěn)定性等分析，得到所需要的數(shù)據(jù)成果。

3 在隧道邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 建立工作基點網(wǎng)

首先，在較穩(wěn)定的區(qū)域埋設(shè)水準基準點3個，一個埋在施工單位辦公室后面的山坡上，另外兩個埋在進洞口左側(cè)的山洼里，離進洞口300 m左右，基礎(chǔ)較為穩(wěn)定，用混凝土現(xiàn)澆。進洞口監(jiān)測點布設(shè)，按照業(yè)主、施工單位負責人要求，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在上邊坡布設(shè)16個監(jiān)測點，編號為A01～A16；在中間邊坡?lián)鯄Σ荚O(shè)9個監(jiān)測點，編號為A17～A26；在下邊坡?lián)鯄Σ荚O(shè)6個監(jiān)測點，編號為A27～A31，共布設(shè)31個監(jiān)測點，監(jiān)測點埋設(shè)牢固穩(wěn)定。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先對各監(jiān)測點進行逐點人工觀測，取得坐標X、Y、H，建立概略坐標數(shù)據(jù)庫。概略坐標X、Y、H越精確，以后各期自動觀測精確照準速度越快。在監(jiān)測點變形累積一定程度后，要及時修正概略坐標數(shù)據(jù)庫。極坐標差分法坐標精度與基準站至監(jiān)測點和參考站的距離有很大關(guān)系。在觀測中，盡量選擇離監(jiān)測部位近的基準網(wǎng)點作為基準站和參考站。將徠卡TS30置于基準站觀測墩上，精確整平，設(shè)置好觀測點集、順序和測回數(shù)；儀器根據(jù)內(nèi)置點位概略坐標數(shù)據(jù)庫的坐標，自動進行目標判斷、精確照準，并測量方位角、天頂距和斜距，并將讀數(shù)存儲于內(nèi)置SRAM卡中。外界條件對觀測精度也有很大的影響。在日光強烈的情況下，不但觀測數(shù)據(jù)離散性大，有時還會令儀器無法捕獲目標中心。為獲取高精度的觀測數(shù)據(jù)，我們一般選擇氣象條件好的時段進行觀測。同時，由于施工場地集中、立體作業(yè)，交叉干擾嚴重，不利的情況下需要及時中斷觀測，排除干擾后續(xù)測。夏季降雨較為頻繁，工地上大單量爆破也時有發(fā)生，需要及時將棱鏡扶正，除去雨水和灰塵，使徠卡TS30能快速精確地照準目標中心。

3.3 數(shù)據(jù)處理及成果分析

將存儲于SRAM卡中原始采集的監(jiān)測點斜距、天頂距、水平角轉(zhuǎn)存至計算機（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)測點的三維坐標、位移量，并進一步進行變形分析和預(yù)測。

3.3.1 差分改正

4 監(jiān)測結(jié)論

沉降監(jiān)測：下邊坡由于2015年1月13日施工影響，樁位被泥土覆蓋，其后下邊坡未再進行監(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5～20 cm，其他點位沉降在3 cm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2～3 mm，其他點位沉降在1 mm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月份對原位移監(jiān)測點進行了改樁，因此分析的是改樁后1月15日后至3月25日的位移情況。原裂縫下方的P4，上邊坡的P8、P9、P10，下邊坡的P13位移量在5～7 cm；裂縫下方的P5， 中邊坡的P12、P14、P15位移量在3～5 cm；其它位移監(jiān)測點在3 cm以內(nèi)。從最近5期的平面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，監(jiān)測點位移量都在3 mm以內(nèi)，整體邊坡近期平面位移較小。

根據(jù)沉降及平面位移數(shù)據(jù)分析，近期該隧道進口邊坡變形較小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

參考文獻

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