兰渝铁路高精度边坡自动化监测系统应用探讨

阙卫东 师文斌 陈虎林 孙睿 郭树印

摘要：兰渝铁路通过黄土高原和秦岭高中山区，地质环境极为复杂、特殊。考虑到其地震活动强烈以及降雨对边坡稳定性的影响，为保障铁路运营安全，现设计出两个高精度边坡自动化监测系统。本文通过对两个监测系统进行探讨，说明其在兰渝铁路建设和监测过程中发挥的作用。

关键词：高精度;边坡位移;自动化监测;预报预警

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）10-0109-03

0 引言

目前，我国高速列车运行速度很快。在此情况下，外界任何微小的干扰都有可能造成重大的经济损失和人员的伤亡。由于大多数情况下边坡变形监测的实际环境恶劣，利用传统的监测方法费时费力且实时效果不能满足要求，因此建立兰渝铁路高精度边坡自动化监测系统进行边坡状态实时自动化监测至关重要。通过对监测基础数据的分析，及时对各种边坡状况进行处理。

1 研究概况

兰渝铁路范家坪隧道位于甘肃省陇南市武都区大元坝白龙江左岸，于212国道边进洞，地形东高西低，起伏较大。其隧道进口滑坡综合整治工程的边坡高差达153m，进口段工程设置复杂。此处地层主要为第四系全新统坡积碎石土及下伏的泥盆系千枚岩及灰岩[1-3]。

枫相院车站特大桥位处山体陡峻，坡体土质为块石夹土和强风化松散堆积岩体。其边坡整治工程位于该特大桥小里程段左侧山体边坡上，起讫里程：DK430+120.15～DK430+392.65，长272.50m。工点范围内普遍存在危岩落石，在雨水冲刷或人为震动情况下易产生滚动。为保障铁路运营安全，建立枫相院车站特大桥边坡整治工程长期性山体安全监测预警系统，利用自动化监测的方法掌握坡面位移和变形情况，预判山体形变发展状态[5，6]。

我国疆土幅员辽阔，地形地貌和地质条件复杂多样，滑坡灾害频繁发生，直接危害人民的生命财产安全，因此边坡监测意义重大。通过建立高精度边坡进行自动化监测系统，可以实时获取边坡状态信息，为灾害预警和灾害防治提供基础数据，及时采取相应的应急和预防措施，减少由滑坡造成的人员伤亡和经济损失。

2 高精度监测相关理论

2.1 监测原理

边坡高精度变形监测系统采用北斗兼容GPS接收机作为数据采集设备，利用采集到的空间星座中各颗卫星的信号，获取卫星的运行轨道信息，通过计算卫星和监测站之间的距离，进而确定出监测点自身空间位置，变形监测不同于其他一些应用，其对定位精度的要求特别高，因此如何尽可能提高定位精度也是系统构建过程中需要解决的一大难题。

假设各北斗高精度一体化监测站上的接收机同一时刻接收4颗以上GPS卫星或北斗卫星发出的信号，根据这些卫星发射信号时的瞬时位置和站星之间的距离即可确定监测点的空间位置。站星距离可通过两种方法进行求解：伪距测量和载波相位测量。利用伪距测量进行站星距离量测时精度不高，多用于卫星导航和低精度定位，对于边坡变形监测这一对精度需求在毫米级的应用，不能满足定位需求。利用载波相位测量计算站星距离，虽数据处理工作复杂、麻烦，但可获得高精度定位结果，适用于柳家河隧道边坡自动化监测系统[7，8]。

2.2 监测原则

边坡变形监测系统方案在满足安全管理和监测的前提下，还应满足的总体测点布置原则如：（1）安全可靠。由于地质环境复杂多样，测试仪器除具备一些基本要求外，还应具有防水防潮耐久等特点，且使用寿命应满足监测期间的正常使用。基准站和监测点要能避免各种扰动，若在施工过程中被破坏，应能尽快在原位置或尽量靠近原位置补设测点，以保证测点观测数据的连续性。监测点应安设在最有可能发生变形、最有代表性的地段。（2）自動化。监测元件需满足自动化监控的原则，整个监测过程应自动完成，无需人工干预。监测完成后，监测信息应及时上传至运营管理部。（3）综合考虑。按监测方案在现场布设测点，当实际情况不允许时，可在靠近计划测点的位置设置测点，以能达到监测目的为原则;各类监测点的布置在时间和空间上有机结合，力求同一监测部位能同时反映不同的物理变化量，以便找出其内在的联系和变化规律。（4）及时分析反馈。实时获取监测数据后，应及时进行数据整理、统计和分析，以及成果报表的编制。由于测试元件多，数据采集量大，故及时的分析和反馈可以为运营提供有价值的依据。

3 监测点布设及系统构建

兰渝铁路范家坪隧道采用自动化监测方法对进口段山体边坡暂时进行表面位移的变形监测，现场工程实体边坡已清理至基岩面，监测施工范围在既有线安全距离内，施工难度较大。其监测点主要布设于滑坡主轴断面桩板墙或抗滑桩桩顶、挡土墙墙顶、刷坡边坡及环形截水沟外侧稳定地段处，呈线网状分布。此次监测共设3个监测断面、8个监测点。兰渝铁路枫相院车站特大桥采用自动化监测方法对左侧山坡进行监测。现场共设置13个监测点，各监测点设备由接收机、测量天线及天线保护罩、在线避雷器、太阳能供电系统、无线通讯模块等组成。同时在坡度较缓、地基稳定处寻找基岩建立一个基准站，将监控终端设在铁路局等处进行坡体表面位移监测。

高精度监测系统采用分布式系统结构，结合北斗、物联网、大数据、云服务等最新的技术，将系统结构分为四层，分别是感知层、传输层、中心层和应用层，如图1所示。感知层，主要由现场安装的北斗测量装置组成，实时感知结构物（边坡、仰坡等需要实时监测的结构物）发生的位移变化;传输层，主要由通讯设备及通讯网组成，将感知层获取的数据传输至监测系统中心层中进行存储、分析和应用;中心层，主要由云服务器和云平台软件组成，用于接收并储存海量监测数据，为应用层的各类服务提供充足的数据支撑;应用层，即系统用户层。系统用户可以使用各种终端设备（手机、平板、电脑等）在任何地方、任何时间通过Internet访问监测系统查看监测数据，实时了解和掌握被监测结构物的形态特征和变化情况。

由于构建的两个自动化监测系统的边坡监测点分别分布在挡土墙顶及刷方边坡等不同的位置，故根据实际情况，可采用一机一天线的实时监测模式或多机多天线的集中实时监测模式进行监测。利用该模式进行边坡变形自动监测时，可实时获取监测数据，在减少人力成本的同时避免由于人工测量造成的误差。

4 监测系统精度分析

面向兰渝铁路建立的两个自动化监测系统采用北斗兼容GPS接收机作为数据采集设备，与全球定位系统（GPS）相比，北斗卫星系统使用的三频信号是它的一大优势，同时也是基于北斗的边坡自动化监测系统具有高精度的一大原因。BDS的三频信号可以更好的消除电离层延迟的影响，提高定位的精确度与可靠性，大大的提高模糊度的固定效率。若一个频率信号出现问题，可以使用传统的方法利用另外两个频率进行定位，增加了整个监测系统的抗干扰能力。同时，监测过程中使用的相对定位（差分）方法同样支撑了该系统的高精度特点。相对定位是指确定同步跟踪相同卫星信号的若干台接收机之间的相对位置的定位方法，各个监测点（每台接收机）之间的相对位置可以用一条基线向量来表示。隧道洞口边坡位移监测使用了静态相对定位的方法，在两个测站上对同一卫星进行同步观测，得出各自的线性化观测方程并將两者相减得如下表达式。

5 监测功能及应用分析

5.1 系统功能

自动化监测系统硬件部分布置完成投入运营后，其具体功能如：（1）实现对柳家河隧道洞口边坡重要运行数据的实时自动化采集、传输、分析、应用。可根据监测需求按照指定时间，使用多种不同的数据采集方式进行数据采集。（2）直观显示各项监测数据的当前状态和变化过程，且监测数据质量高。（3）当时间和洞口边坡位移之间出现关联关系时，即视为变形量超出预警值。根据监测误差，预警值可分为三级，系统会及时根据各级范围发出相对应的预警信息，以便及时对紧急情况进行处理。

同时，其软件部分采用了分层B/S体系结构，以Java为开发平台，统一流程规范、技术标准、数据管理等各个方面，构成了一个开放统一的可跨平台部署的高精度安全监测服务系统。其具体功能为：（1）录入监测点位置、设备位置及设备编号等信息，记录与工程相关的信息，并对监测点的录入信息进行管理。（2）对硬件系统进行远程控制，如远程调整测试参数，避免因为参数改变而必须进入现场的问题。省时省力且自动化程度高。（3）对数据进行预处理且能自动生成报表。预处理过程主要包括数据过滤、数据压缩、数据分类等，为后续的数据自动分析、人工分析提供了良好的数据源。同时，根据系统自动或人工分析的结果，自动生成各种类型的报表。

5.2 应用探讨

应用于兰渝铁路的边坡高精度自动化监测系统在其使用期间可长期、连续、稳定工作，实时获取大量监测数据。使用该系统可及时发现边坡位移的变化情况并分析出其未来的发展趋势，及时针对各种不同的情况进行预报预警。同时，该系统满足全天候、实时监测和高精度的需求，省时省力低成本，可很好的运用于兰渝铁路的建设和后期的监测之中。高精度变形监测系统的水平位移精度能达到毫米级，无论在边坡变形的日常监测中还是在地质灾害发生的过程中，该技术都能实时、准确的对边坡位移的细小变化进行有效监测，实现了毫米精度的位移实时监测，满足变形监测的要求。该系统在地质灾害（边坡）的预警预报监测中具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 赵建军.范家坪隧道进口滑坡及整治方案分析[J].甘肃科技，2016（1）：100-102.

[2] 聂春龙，傅鹤林.边坡自动化监测研究[J].南华大学学报（自然科学版），2007（4）：16-19.

[3] 刘鹏忠.关于铁路边坡安全监测方法的研究[J].科技资讯，2011（29）：93-95.

[4] 和永军，缪应锋，刘华.基于北斗/GPS高精度位移监测技术在桥梁监测中的应用[J].云南大学学报（自然科学版），2016（S1）：35-39.

[5] 王劲松，陈正阳，梁光华.GPS一机多天线公路高边坡实时监测系统研究[J].岩土力学，2009（5）：1532-1536.

[6] 杨开伟，李娟娟.基于北斗的高精度滑坡监测系统设计[J].无线电工程，2016（7）：38-41.

[7] 陈志雄，张永兴.隧道仰坡的智能化设计[J].西部探矿工程，2006（11）：156-158.

[8] 贺小强，王子英.坡积土隧道洞口边、仰坡稳定性分析与治理[J].建材与装饰，2018（6）：267-268.