全球定位系统在隧道及高边坡监测系统中的应用

黄 敏，黄凤婵，黄民水，卢海林

武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北 武汉 430074

0 引 言

山区公路地质条件复杂，隧道和边坡在众多复杂因素的影响下，易发生崩塌、滑坡、地面沉降等地质灾害，因此稳定性监测尤其重要.传统的稳定性监测技术在山区公路方面的应用或多或少存在着通视条件差、无法连续监测、工作效率低等缺陷.全球定位系统(Global Positioning System，以下简称：GPS)技术因具有精度高、全天候、定位速度快、自动化高、测站之间无需通视以及良好的抗干扰和保密性的优势，在对地面沉降、滑坡、地裂缝等地质灾害的监测中得到了广泛的应用[1].

使用GPS技术进行稳定性监测，能够在保证精度要求的前提下减轻工作量,提高效率[2].根据隧道及高边坡监测的精度和技术要求，2012年对湖北宜巴高速公路第三标段的大山坡隧道和其左线五级高边坡进行了监测布置以及监测数据采集分析.

1 GPS监测方案

1.1 隧道监测方案

基于安全可靠原则，GPS监测分为二级布网：一是在监测体周边选择地质条件相对稳定，适合长期运行的点布设4个基准站形成基准网；二是根据监测体的具体情况，布设相应监测点，划分为纵横交错的监测线形成监测网[3].

根据隧道围岩等级、不良地质、突水、洞口浅埋等特殊要求和业主及监理认为有必要监控的地段，每50 m设置一个监测断面，在隧道拱顶设置测点，安装单点位移计，监测拱顶沉降.监测设备选用VWD-250型位移计.

选取的监测断面位于隧道出口右侧，监测点的布设如图1所示.

图1 隧道监测点的布设Fig.1 Tunnel monitoring points sites

1.2 边坡监测方案

首先圈定主要的监测范围，估测主要滑动方向，按滑动方向及范围确定测线，并选取典型断面，布置测线；再按测线布置相应监测点.本工程根据实际需求，在边坡体上布设3个监测点，点间间距约50 m，另外两个监测点分别布设在边坡斜坡上.基准站布设在周边基岩或监控中心.

此外，应选取距离合适、网形较好、地势较高、视野开阔、地质条件良好的地方，布设两个监测基准点，提供监测基准.监测点布设如图2所示.

图2 边坡监测点的布设Fig.2 Sites of slope monitoring points

1.3 GPS监测数据采集与分析

监测数据采用MCU-32式自动测量单元采集，监测数据通过GPRS网络技术传入远程监控中心，通过GPS监测网获得相关数据后需要进行处理分析.首先对监测数据进行随机处理，观测周期结束后进行基线向量平差计算，其中有基线向量解算和GPS网平差计算两个阶段[4-5].

首先对两台及以上的接收机同步观测值进行独立基线向量的平差计算.基线解算完成后通过载波相位残差图来进行质量检验.此外进行同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线较差检验，检验质量合格后方可进行后续处理[6].

监测网平差计算则通过以下三个阶段实现[6].

(1)提取基线向量，构建GPS基线向量网.其中基线向量必须是相互独立、质量良好、边长较短的基线，此外还要能够构成边数较少的异步环，选定的基线能够构成闭合图形.

(2)三维无约束平差.在进行GPS网平差计算时需要提供一个位置基准点，GPS网不因该基准点产生变形，从而使得构成GPS网的基线均满足质量要求，并能够相互匹配.

(3)约束平差，即以国家大地坐标系或地方坐标系某些点的固定坐标、固定边长及固定方位为GPS网的基准，以其作为约束条件进行平差.指定基准、坐标系统和起算数据，检验约束条件的质量，最后进行计算求出监测点三维坐标.

2 监测结果

通过以上程序步骤，对宜巴高速公路第三标段的大山坡隧道和其左线五级高边坡进行监测布设，获取数据，解算处理，最终得到监测网三维平差后监测点的最终成果.

2.1 隧道监测结果

图3为2012年7月至9月隧道位移变形观测的部分成果，为位移计WYGJ0002所测得的5号断面隧道拱顶位移值随时间的变化.

由图3可知，位移计WYGJ0002所测得的隧道拱顶沉降量基本在-10～10 mm之间.

图3 WYGJ0002测得位移随时间的变化Fig.3 Changes of WYGJ0002 measured displacement with time

2.2 边坡监测结果

图4为2012年7月至8月变形观测的部分成果，为5号监测点YDZ5点的高程位移随时间的变化.

YDZ5点的实测高程变化为3 249 496.135 57～3 249 506.195 57 m，高程位移变化量在-10～5 mm之间，其中最大高程位移变化量为10.06 mm，监测精度达到了毫米级.

图4 YDZ5点高程位移随时间的变化Fig.4 Changes of Point YDZ5 height displacement with time

2.3 监测结果评价

运用数值分析方法可有效模拟计算隧道及高边坡的极限位移，并对现有监测数据之后的未知位移做出预测[7-8].以大山坡隧道及高边坡的典型断面监测点的监测数据为原始数据，建立数学模型，进行数值分析，并将预测数据序列与实测值加以对比.在此基础上结合专家经验以及稳定性评判理论，以及已有监测数据，进行综合预警，提出隧道及边坡预警系统[9].以大山坡隧道的部分预测结果为例，监测结果见表1.

表1 隧道稳定性预警结果Table 1 Results of tunnel stability warning

由表1可知，实际监测所得的拱顶下沉值与数值分析所得的预测拱顶下沉值符合较好.经过稳定性评判理论及预警系统分析，综合评判结果为稳定，符合实际情况.GPS监测数据满足大山坡隧道及高边坡的稳定性监测预警的要求.

3 结 语

笔者设计的基于GPS监测技术隧道及高边坡监测系统的稳定性的实际监测状态与分析及预警结果基本一致.GPS监测技术不仅具有诸多优点[10]，而且能满足山区公路隧道及高边坡稳定性监测的要求，可为类似工程项目的监测预警提供借鉴.

致 谢

感谢湖北省宜巴高速公路建设指挥部为本研究提供支持和帮助！

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