北斗自動化在線監(jiān)測技術(shù)在山區(qū)高速公路隧道洞口的應(yīng)用分析

胡 浩，曾凡云，陳 亮

（廣西高速公路投資有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)交通建設(shè)的高速發(fā)展，高速公路建設(shè)逐漸向地形地質(zhì)復(fù)雜的山區(qū)延伸，隧道進出口仰坡和路基高邊坡增多。如何確保隧道洞口邊坡工程的穩(wěn)定和安全是項目建設(shè)過程中必須要面對和解決的問題［1］。目前，在隧道洞口邊坡工程監(jiān)測中，主要采用的是具有較高誤差的人工觀測和巡查記錄兩種方法［2］。這些常規(guī)方法易受環(huán)境和氣候的影響，監(jiān)測的數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)實時觀測，也不能及時預(yù)測到事故的發(fā)生，具有較多局限性，不能滿足在隧道洞口邊坡工程中所需要達到的效果。為了達到較高精度和及時預(yù)報險情的目的，確保隧道洞口工程的安全性，實施自動化監(jiān)測是必然趨勢［3］。

1 北斗自動化監(jiān)測方法

北斗自動化監(jiān)測方法是利用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、計算機技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)，實時在線獲得隧道洞口邊坡在地表上監(jiān)測點的高精度三維坐標(biāo)。該方法具有對環(huán)境依賴性小、觀測數(shù)據(jù)同步、采樣率高、能夠24h在線工作等優(yōu)點。

1．1 系統(tǒng)的組成

北斗位移監(jiān)測系統(tǒng)由三部分組成，分別是參考站、監(jiān)測站、數(shù)據(jù)處理中心。北斗參考站是整個監(jiān)測區(qū)域的地表位移監(jiān)測的基準(zhǔn)框架。它長期連續(xù)跟蹤觀察衛(wèi)星信號，通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實時傳輸觀測數(shù)據(jù)到控制中心。幾個參考站可以聯(lián)合組網(wǎng)并實時為各監(jiān)測站提供高精度載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)及起算坐標(biāo)。北斗監(jiān)測站是實時掌握監(jiān)測點變化量的依據(jù)，各監(jiān)測點長期連續(xù)跟蹤觀測衛(wèi)星信號，結(jié)合參考站的觀測數(shù)據(jù)和起算坐標(biāo)，在控制中心實時處理，得到監(jiān)測點三維坐標(biāo)。數(shù)據(jù)處理中心則是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化采集、解算、管理、分析、預(yù)警、WEB發(fā)布等。

1．2 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

確定監(jiān)測點的位置信息，需要確定位置的三維坐標(biāo)（xu，yu，zu）。在實際工作中，數(shù)據(jù)接收時間和GPS標(biāo)準(zhǔn)時存在時間偏差，使得需要有四個獨立方程來確定未知量，即至少需要四顆觀測衛(wèi)星，其定位示意圖如圖1所示。

圖1 北斗定位示意圖

假設(shè)監(jiān)測站的位置為（xu，yu，zu），監(jiān)測站的時間偏差為tu，則由于時間偏差引起的距離偏差wu為：

式中：ρm——偽距測量值；

c——衛(wèi)星橢圓軌道的中心點到地球球心點的距離。

為得到偽測量值，需要聯(lián)立方程：

將式（2）線性化，即真實位置（xu，yu，zu），進行泰勒級數(shù)展開，忽略高次項，得到：

將式（3）視為實際的迭代公式，迭代終止條件是真實位置（xu，yu，zu）的變化量小于某個閥值，最終得到：

式（4）可作為調(diào)整監(jiān)測點時間偏差的依據(jù)。通過確定4顆衛(wèi)星坐標(biāo)，經(jīng)過上述計算后，再根據(jù)星歷中的各誤差參數(shù)進一步消除各項誤差，即可得到一個完整的利用北斗星歷進行導(dǎo)航確定解算的過程。

2 工程基本情況

2．1 工程概況

廣西樂百高速公路茶園隧道設(shè)計為分離式隧道，左洞起止樁號為KB112＋515～KB113＋440，長925m；右洞起止樁號為KA112＋510～KA113＋415，長905m。其中左右線樂業(yè)端洞口KB112＋515（KA112＋510）～KB112＋750（KA112＋750）段最大埋深44．50m，整個洞身處在坡洪積卵石夾土層中，土層局部飽水，中密－密實狀態(tài)，圍巖結(jié)構(gòu)松散，基本無自穩(wěn)能力。為保證該段隧道施工安全，對其地表進行變形監(jiān)測顯得尤為重要，施工單位在傳統(tǒng)人工監(jiān)測的基礎(chǔ)上，增加北斗高精度實時在線監(jiān)測系統(tǒng)（如圖2～5所示）。

圖2 茶園隧道進口段全貌現(xiàn)場圖

圖3 茶園隧道平面圖

圖4 茶園隧道左線斷面圖

圖5 茶園隧道右線斷面圖

2．2 監(jiān)測布置基本情況

在隧道口仰坡及自然坡體表面布置北斗自動化監(jiān)測系統(tǒng)。北斗監(jiān)測點主要沿隧道左右線軸線布設(shè)，左右洞各布設(shè)3個北斗監(jiān)測點，具體布設(shè)見圖6～7。

圖6 監(jiān)測點布置平面現(xiàn)場示意圖

圖7 監(jiān)測點布置平面示意圖

3 監(jiān)測情況及其數(shù)據(jù)分析

該隧道左右線樂業(yè)端洞口KB112＋515（KA112＋510）～KB112＋750（KA112＋750）段屬于淺埋段，且整個洞身處在坡洪積卵石夾土層中，穩(wěn)定性極差。北斗在線監(jiān)測系統(tǒng)于2017－11－17上線，目前系統(tǒng)運行正常，在此監(jiān)測期間，系統(tǒng)于2017年11月26～27日多次監(jiān)測到變形突變，并發(fā)出預(yù)警，經(jīng)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測地段地表局部有明顯的變形跡象（原始地面開裂、局部截水溝開裂等），洞內(nèi)局部位置套拱拱腳出現(xiàn)開裂，施工單位及時采取了相應(yīng)的處治措施控制變形持續(xù)發(fā)展，避免了較大范圍地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，保證了隧道施工安全，如圖8、圖9所示。

圖8 套拱拱腳裂縫現(xiàn)場圖

圖9 裂縫及處治現(xiàn)場圖

監(jiān)測期間位移數(shù)據(jù)如圖10～15所示。從圖10～15監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：二次襯砌施工完成后，位移曲線變化趨緩明顯并趨于穩(wěn)定。

圖10 ZDB1的累計位移－時間曲線圖

圖11 ZDB2的累計位移－時間曲線圖

圖12 ZDB3的累計位移－時間曲線圖

圖13 YDB1的累計位移－時間曲線圖

圖14 YDB2的累計位移－時間曲線圖

圖15 YDB3的累計位移－時間曲線圖

4 結(jié)語

（1）利用北斗高精度定位技術(shù)的自動化在線監(jiān)測系統(tǒng)，得到的監(jiān)測資料是及時有效的，數(shù)據(jù)精度能夠滿足工程施工過程中監(jiān)測和測量的規(guī)范要求，能為隧道洞口設(shè)計和施工提供參考價值，提前預(yù)知險情，避免在施工過程中出現(xiàn)安全事故，具有良好的應(yīng)用前景。

（2）自動化在線采集系統(tǒng)雖然存在數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，易受野外環(huán)境干擾和破壞，使數(shù)據(jù)出現(xiàn)間歇性中斷，但相比傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，其獲取的變形信息量更大，預(yù)警及時，同時大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)可為“動態(tài)設(shè)計、信息化施工”提供有力的數(shù)據(jù)支撐。