北斗自动化在线监测技术在山区高速公路隧道洞口的应用分析

胡 浩，曾凡云，陈 亮

（广西高速公路投资有限公司，广西 南宁 530028）

0 引言

随着我国基础交通建设的高速发展，高速公路建设逐渐向地形地质复杂的山区延伸，隧道进出口仰坡和路基高边坡增多。如何确保隧道洞口边坡工程的稳定和安全是项目建设过程中必须要面对和解决的问题［1］。目前，在隧道洞口边坡工程监测中，主要采用的是具有较高误差的人工观测和巡查记录两种方法［2］。这些常规方法易受环境和气候的影响，监测的数据不能实现实时观测，也不能及时预测到事故的发生，具有较多局限性，不能满足在隧道洞口边坡工程中所需要达到的效果。为了达到较高精度和及时预报险情的目的，确保隧道洞口工程的安全性，实施自动化监测是必然趋势［3］。

1 北斗自动化监测方法

北斗自动化监测方法是利用北斗卫星定位技术、现代通讯技术、计算机技术、系统集成技术，实时在线获得隧道洞口边坡在地表上监测点的高精度三维坐标。该方法具有对环境依赖性小、观测数据同步、采样率高、能够24h在线工作等优点。

1．1 系统的组成

北斗位移监测系统由三部分组成，分别是参考站、监测站、数据处理中心。北斗参考站是整个监测区域的地表位移监测的基准框架。它长期连续跟踪观察卫星信号，通过数据通讯网络实时传输观测数据到控制中心。几个参考站可以联合组网并实时为各监测站提供高精度载波相位差分数据及起算坐标。北斗监测站是实时掌握监测点变化量的依据，各监测点长期连续跟踪观测卫星信号，结合参考站的观测数据和起算坐标，在控制中心实时处理，得到监测点三维坐标。数据处理中心则是实现数据的自动化采集、解算、管理、分析、预警、WEB发布等。

1．2 监测系统工作原理

确定监测点的位置信息，需要确定位置的三维坐标（xu，yu，zu）。在实际工作中，数据接收时间和GPS标准时存在时间偏差，使得需要有四个独立方程来确定未知量，即至少需要四颗观测卫星，其定位示意图如图1所示。

图1 北斗定位示意图

假设监测站的位置为（xu，yu，zu），监测站的时间偏差为tu，则由于时间偏差引起的距离偏差wu为：

式中：ρm——伪距测量值；

c——卫星椭圆轨道的中心点到地球球心点的距离。

为得到伪测量值，需要联立方程：

将式（2）线性化，即真实位置（xu，yu，zu），进行泰勒级数展开，忽略高次项，得到：

将式（3）视为实际的迭代公式，迭代终止条件是真实位置（xu，yu，zu）的变化量小于某个阀值，最终得到：

式（4）可作为调整监测点时间偏差的依据。通过确定4颗卫星坐标，经过上述计算后，再根据星历中的各误差参数进一步消除各项误差，即可得到一个完整的利用北斗星历进行导航确定解算的过程。

2 工程基本情况

2．1 工程概况

广西乐百高速公路茶园隧道设计为分离式隧道，左洞起止桩号为KB112＋515～KB113＋440，长925m；右洞起止桩号为KA112＋510～KA113＋415，长905m。其中左右线乐业端洞口KB112＋515（KA112＋510）～KB112＋750（KA112＋750）段最大埋深44．50m，整个洞身处在坡洪积卵石夹土层中，土层局部饱水，中密－密实状态，围岩结构松散，基本无自稳能力。为保证该段隧道施工安全，对其地表进行变形监测显得尤为重要，施工单位在传统人工监测的基础上，增加北斗高精度实时在线监测系统（如图2～5所示）。

图2 茶园隧道进口段全貌现场图

图3 茶园隧道平面图

图4 茶园隧道左线断面图

图5 茶园隧道右线断面图

2．2 监测布置基本情况

在隧道口仰坡及自然坡体表面布置北斗自动化监测系统。北斗监测点主要沿隧道左右线轴线布设，左右洞各布设3个北斗监测点，具体布设见图6～7。

图6 监测点布置平面现场示意图

图7 监测点布置平面示意图

3 监测情况及其数据分析

该隧道左右线乐业端洞口KB112＋515（KA112＋510）～KB112＋750（KA112＋750）段属于浅埋段，且整个洞身处在坡洪积卵石夹土层中，稳定性极差。北斗在线监测系统于2017－11－17上线，目前系统运行正常，在此监测期间，系统于2017年11月26～27日多次监测到变形突变，并发出预警，经现场踏勘发现，监测地段地表局部有明显的变形迹象（原始地面开裂、局部截水沟开裂等），洞内局部位置套拱拱脚出现开裂，施工单位及时采取了相应的处治措施控制变形持续发展，避免了较大范围地质灾害的发生，保证了隧道施工安全，如图8、图9所示。

图8 套拱拱脚裂缝现场图

图9 裂缝及处治现场图

监测期间位移数据如图10～15所示。从图10～15监测数据可知：二次衬砌施工完成后，位移曲线变化趋缓明显并趋于稳定。

图10 ZDB1的累计位移－时间曲线图

图11 ZDB2的累计位移－时间曲线图

图12 ZDB3的累计位移－时间曲线图

图13 YDB1的累计位移－时间曲线图

图14 YDB2的累计位移－时间曲线图

图15 YDB3的累计位移－时间曲线图

4 结语

（1）利用北斗高精度定位技术的自动化在线监测系统，得到的监测资料是及时有效的，数据精度能够满足工程施工过程中监测和测量的规范要求，能为隧道洞口设计和施工提供参考价值，提前预知险情，避免在施工过程中出现安全事故，具有良好的应用前景。

（2）自动化在线采集系统虽然存在数据的不稳定性，易受野外环境干扰和破坏，使数据出现间歇性中断，但相比传统的监测手段，其获取的变形信息量更大，预警及时，同时大量的监测数据可为“动态设计、信息化施工”提供有力的数据支撑。