摘要：绵阳绕城高速绵三路分离立交桥由于深挖路堑，导致桥梁构件发生不同程度的开裂和错台。专家论证分析，是由于路基边坡开挖后存在向临空面滑移的情况才导致了病害的发生，并且病害有持续发展的可能，建议对边坡进行变形监测。相对于传统监测技术，自动化监测具有效率高、精度高、成本低等优点。针对这个问题，本文对比分析了传统监测和GPS监测技术，最终选择并设计了GPS一机多天线自动化监测方案。经过一段时间的监测，并与测斜仪的数据结果对比分析，结果表明：GPS技术适用于边坡变形监测；该边坡在初中期变化趋势明显，在南岸边坡布设抗滑桩之后各个监测点位移基本趋于稳定。
关键词：GPS；自动化监测；高边坡；滑坡治理
Due to deep excavation of deep excavation, the bridge components of Mianyang high speed three way separation overpass are cracked and staggered to varying degrees. The expert demonstration and analysis, because the subgrade slope after excavation existence to the goaf surface slip situation has caused the disease the occurrence, and the disease has the possibility of the sustainable development, the suggestion carries on the deformation monitoring to the slope. Compared with traditional monitoring technology, automatic monitoring has the advantages of high efficiency, high precision and low cost. Aiming at this problem, this paper compares and analyzes the traditional monitoring technology and the GPS monitoring technology, and finally selects and designs the GPS multi-antenna automatic monitoring scheme. After a period of monitoring, and with the measurement of inclination The results of comparison and analysis of the data show that the GPS technique is suitable for slope deformation monitoring, and the slope of the bridge has obvious variation trend in the middle and early period, but the displacement of each monitoring point tends to be stable because of the installation of anti-slide piles on the south bank slope.
一、引言
随着我国经济的飞速发展和技术的不断提升，近年来山区的公路修建项目愈来愈多。但是在一些公路尤其是高速公路的修建过程中，为了达到线性和纵坡的要求条件，大多需要经过人工开挖形成高边坡，这就使得该地区的原土体和岩体失去了天然平衡状态。而且由于该地区的自然条件和山区的地质条件复杂多变，随之带来的是潜伏的公路高边坡失稳的危害，这给公路的建设和安全使用带来严重的威胁。为了及时预报高边坡的发展趋势和变形状况，对高边坡的监测就显得尤为重要。边坡变形监测分为传统人为监测和自动化监测。传统监测存在监测效率低，难以实时监测地表位移的变化，光学仪器受环境气候和地形条件的影响等缺点。本文针对传统监测的种种不足，介绍了公路高边坡的自动化监测技术，并应用于绵阳绕城高速公路桥作为研究。
二、工程概况及项目来源
绵阳绕城高速绵三路分离立交桥，桥梁中心桩号K311+302.1。根据现场地质调查和钻探结果显示，该区域山坡上有一层残坡积碎石土（Q4el+dl），山腰有砂质泥岩出露，下伏基岩为白垩系剑阁组砂岩和泥岩。该桥左幅桥梁提前通车，但由于本段为深挖路堑，并且在开挖过程中右幅下部桥梁结构同时也在施工。在施工过程中发现左幅桥梁两岸桥台挡块、台帽与基础间均出现了开裂状况，部分T梁端头与背墙已产生了挤压，大部分支座已发生沿顺桥向的不同程度的剪切变形，三台岸路基边坡坡顶路面板横缝宽度发生变化等一系列问题（图1）。
图1 大桥整体和桥梁部分病害照
专家在现场做了勘察分析，结果认定是由于路基边坡开挖后存在向临空面滑移的问题。为了及时监测边坡的变形情况，排除大桥的安全隐患，本文通过应用GPS自动化监测技术对边坡进行监测工作。
三、传统监测和GPS一机多天线自动化监测对比
3.1传统人工监测技术
边坡传统监测主要采用全站仪、水准仪等仪器进行人工监测。虽然该技术目前在高边坡监测中已经运用得非常成熟，在实际工作中也得到了可靠的监测结果，但从表1可以看出传统监测技术还存在着很多不足。一方面传统监测技术需要人工定期去现场采集数据，工作量大、时效性差，而且在恶劣天气的时候工作无法正常进行。最重要的是边坡失稳常发生在暴雨、地震等极端情况下，严重威胁了工作人员的生命安全。另一方面，现有的传感元件普遍存在尺寸过大、抗干扰能力不足、稳定性差等缺点，使得监测数据结果误差往往过大，无法正确预测边坡的变形情况。
3.2 GPS一机多天线自动化监测技术
相对于传统检测技术，GPS作为现代化大地测量的高技术手段，能够连续监测及实现测量过程中的自动化，作业简单方便，具有高精度、高效率、自动化程度高和劳动强度低等优点（表1）。在变形监测方面，将GPS技术，计算机技术和数据通讯、处理、分析技术进行集成，可以实现数据采集、传输、管理和分析报警的自动化监测管理，达到远程实时监控，所以GPS技术目前已在各种灾害监测中发挥着重要作用。虽然GPS用于变形监测有很多突出优点，但由于每个监测点都要安装GPS接收机，工程监测成本就显得尤其昂贵。针对这个问题，本次监测采用GPS一机多天线自动化监测技术，即在不改变已有GPS接收机结构的基础上，通过一个附加的GPS信号分时器连接开关将多个天线阵列与同一台接收机连接，可以实现一台接收机与多个天线相接。这样不仅实现了一根天线代替一台GPS接收机，而且大大降低了监测成本，又能实现对灾害边坡自动连续地监测，同时也不会降低监测精度，为灾害边坡的安全监测提供了良好的条件。
表1 传统监测和GPS一机多天线自动化监测对比
四、GPS一机多天线自动化监测系统方案设计
一机多天线自动化监测系统由硬件和软件系统组成。根据监测系统各个部分的功能不同，可以分为传感器子系统，数据传输子系统，数据处理及控制子系统，辅助子系统。（如图2）
图2 GPS自动化监测构架图
图3 绵阳绕城高速桥边坡监测仪器分布图
4.1传感器子系统
传感器子系统由GPS天线，天线电缆，天线切换器，GPS主机组成，主要负责的是对边坡各个监测点的数据采集工作。通过静差分析技术得知华测X60系统水平方向精度达到3mm，垂直方向精度可达5mm，所以本次检测最终选择华测X60系列接收机及天线。
由于对该桥监测区域范围较大，故在大桥两岸分别设置三级平台（包含坡脚）和4条侧线（图3）。侧线垂直于开挖路堑，间距15～25m。并根据场地条件设立5个基准站，编号为JZ1~JZ5，基准站分别设在绵阳岸和三台岸山坡稳定的位置上，为整个变形区域提供可靠的起算坐标和稳定的参考框架。根据监测要求设立27个监测站，编号BPa-b，a为测线序号，b为测线上测点序号。监测站设立在该桥两侧位移明显的坡脚和边坡上，并对侧线2和侧线3滑动明显部位和重点监测部位加密监测点。为了对GPS监测结果进行验证对比分析，故在测线2和侧线3两端布设深孔侧斜仪器，编号CX01~04。
4.2数据传输子系统
GPS监测系统的关键是GPS信号传输，即将各个监测点上GPS天线获得的数据传递给监测站接收机。数据传输子系统由GPS模块或无线网桥，通讯端子，强制解调器以及Internet网络组成，主要负责监测各种数据、信号、控制指令传输，它起到了对传输子系统和辅助及报警子系统的连接作用。
4.3数据处理与控制子系统
数据处理与控制子系统由控制中心服务器、计算机组成，它是整个系统的核心部分，主要负责的是数据处理、分析、存储与灾情报警，并且进一步给其他设备发出指令。
4.4辅助子系统
辅助子系统包括外场机柜、太阳能板供电、避雷针、综合布线等，主要是为了保障GPS接收机和其他设备的安全，更主要的是保障监测工作的正常持续运行。
五、监测结果分析
对绵阳绕城高速绵三路分离立交桥的路基边坡自动化监测从四月份持续到十一月份，监测间隔为3天。监测过程中由于技术原因和人为原因部分数据存在问题，后期经过剔除坏数据和整理得到4条侧线各个监测点和3个侧斜孔顺桥向（绕城高速6标方向为正向）、横桥向（绵阳方向为正向）的曲线图。为了方便结果分析，本文将有代表性的侧线2（图4、5）和CX01（图6）的曲线图着重分析，其他的由文字和图表进行描述。
图4 边坡测线2各观测点顺桥向累计位移图
图5 边坡测线2各观测点横桥向累计位移图
5.1侧线监测点监测数据分析
经过对该桥边坡位移的变化监测，截止到11月17日，4条侧线上的监测点都存在各种不同程度的位移变化。其中侧线顺桥向位移变形特征：侧线2和侧线3顺桥向位移变化量最大，变化量在12mm-15mm之间。其中监测点BP2-3和BP3-4顺桥向位移变化量分别达到了-13.05mm和-14.2mm，平均位移速率分别为1.75mm•月-1和1.77mm•月-1。其他两条侧线变化量在8mm-11mm之间，平均位移速率均小于1.37mm•月-1。这表明该边坡中部滑动明显，应该加强对该部位的治理。由图4可以看出，在监测初期位移变化量呈上升趋势，导致侧线上各个监测点位移量存在峰值，但由于在10月中旬对该桥进行布设抗滑桩的治理工程，后期各监测点的位移量基本趋于稳定。
侧线顺桥向位移变形特征：由于顺桥向不是该边坡的临空面，故4条侧线横桥向变化量均小于3mm。其中测点BP2-2和BP3-7位移变化量最大，分别为-2.76mm和-2.89mm，平均位移速率分别为0.35mm•月-1和0.36mm•月-1。根据图5可以看出，侧线2各个监测点顺桥向位移变化平缓，基本没有峰值，这说明边坡顺桥向处于缓慢滑移状态。
5.3深孔位移监测数据分析
侧斜孔CX01和CX02分别位于该桥绵阳岸和三台岸，均与侧线2接近平行，测斜仪与GPS监测时间一致。由CX01监测曲线（图6）可以得出顺桥向累计位移量达到-12.38mm，横桥向累计位移量达到-2.58mm。由CX02顺桥向累计位移量达到-13.67mm，横桥向累计位移量达到-2.34mm。根据对比侧线2测点和侧斜孔CX01、CX02监测结果（表2），位移相差量均小于0.05mm，故判定该孔位移与监测点位移变化基本一致。并且从侧斜仪监测数据可以看出，监测初期位移变化趋势明显，到后期逐渐趋于稳定。
表2 侧线2和CX01、CX02监测结果对比
图6 CX01 顺桥向和横桥向累计位移量
CX03和CX04分别位于侧线3的绵阳岸和三台岸，根据对比分析GPS和测斜仪的监测结果和监测曲线，得出位移变化基本相似，其位移相差量也都小于0.04mm，故可判定其监测结果基本一致。
六、结论与建议
6.1通过应用GPS一机多天线技术对该公路桥高边坡的监测，发现该技术具有自动化程度高、监测精度高、效率高、成本低等优点。并且经过对比分析了GPS与测斜仪的监测数据，发现其位移变化和监测结果基本一致，故一定程度上印证了该技术在公路高边坡变形监测的适用性和可靠性。
6.2从监测结果得出各个监测点在监测初中期位移变化量大，变化趋势快。10月份完成了在南岸边坡布设抗滑桩之后，从监测数据明显发现坡面位移趋于稳定，无明显波动。因此基本可以判断该边坡和桥梁目前趋于稳定。
6.3由于岩土工程存在很多不确定性，并且跨线桥梁纵坡坡度较大。故建议保留4个深孔位移监测孔，定期对各孔位，公路边坡和桥梁构件进行巡查复测，以判断边坡的是否稳定，确保绵阳绕城公路桥正常安全运行。
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论文作者:何敏1,徐启业2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第16期
论文发表时间:2018/7/18
标签：位移论文; 侧线论文; 子系统论文; 天线论文; 绵阳论文; 滑坡论文; 技术论文; 《基层建设》2018年第16期论文;