滕红

摘要：为了有效应对扩容公路路堑边坡开挖失稳风险，以更加经济的方式解决边坡开挖过程中及防护后稳定性监测和预警问题，文章以柳州至南宁高速公路扩容公路某边坡为依托，对边坡失稳风险进行评估和分级，并利用北斗、倾斜摄影测量和物联网等技术建立三维自动化预警系统，对拆除支护过程中和支护后的边坡进行监测及预警，根据边坡实际状态设定不同报警阈值和响应状态。同时，采用测量机器人对基于北斗等技术的自动化监测数据进行复核校准，并对比监测费用。结果表明，采用自动化技术与机器人测试数据趋势一致，采用自动化技术成本降低约44%。

关键词：边坡;失稳;自动化;监测预警系统

中图分类号：U416.1+4A110385

0 引言

隨着中国经济的发展，既有高速公路已不能满足通行的需求，高速公路的扩容改造项目正逐步增多。既有高速公路的扩容要对已有路堑边坡的支护进行拆除和开挖，这将造成应力的重分布，若开挖处治不当将有失稳的风险，严重的甚至造成人员财产的损伤。为此，需要对边坡开挖风险进行分级，并根据分级结果采用自动化技术对边坡进行实时监测，以便于及时采取应对措施。

关于边坡开挖风险分级和边坡自动化监测技术，国内外有部分专家和学者进行了研究。林俊勇采用多种方法构建边坡稳定风险评估模型[1]。马吉磊等开展了基于北斗时变的监测研究[2]。虽然这些相关的研究取得了应用成果，但是缺乏通用性的评估方法及更加直观性、智能型的监测系统，也缺少对经济性方面的分析和研究。

1 工程概况

依托工程位于中国柳州（鹿寨）至南宁高速公路改扩建工程K1 261+900～K1 262+300段，处于高速公路两侧，为路堑边坡，采用自上而下分级拓宽开挖的方式扩建。该段分南北侧，以南侧为例，边坡长约140 m，高55 m，为土质边坡，边坡底部及顶部局部见基岩出露。覆盖层较厚，据实地调查和勘察资料，覆盖层成分主要为可塑状态的含角砾红黏土，出露基岩以白云质灰岩为主。

2 边坡风险分级

采用指标体系法对边坡扩容施工风险评估，根据评估的风险等级，制定专项的边坡开挖方案[4-5]。以项目规模、敏感指标、施工状态、地形地质、基础资料作为风险评价因子，分析各因子的敏感性。专家从影响稳定性的指标中选取敏感的指标进行排序。排序后采用权重系数进行划分。权重系数可根据公式（1）直接计算。

根据表2，通过指标体系法确定的K1261+900～K1262+300右边坡安全总体风险等级为：等级Ⅳ（极高风险）。需要对该边坡制定专项施工方案，并且开展自动化监测及预警。

3 自动化系统及方案

3.1 自动化系统[6-8]

（1）系统组成

由数据采集、传输、解算、平台组成。数据采集系统：数据采集系统由接收机、供电设备、安全防护系统组成。其中，测量型接收机采用高精度测量型GNSS接收模块，融合了自主开发的信噪过滤处理程序，确保获得高质量原始数据。数据传输系统：数据传输系统采用了GPRS无线传输技术，通过独有的通讯协议实现了数据实时传出和断线补传功能，确保了数据完整性。GNSS解算系统。数据服务平台：对现场设备集成数据管理系统，实现真正的集成化与智能化。

（2）技术指标见表4

（3）预警机制

针对目前规范中比较单一的报警方式，对预警机制进行细化，根据变形特征分成黄、橙、红三级预警，并制定相应的应急联动措施。

（4）设备选址

北斗形变监测站的基准站和观测站按一定数量比例进行布设，即每1台基准站对应3台观测站，观测站分布于基准站周围，以基准站为核心，通过实时数据对比监测区地表形变，一般一个监测基准站能够覆盖方圆数公里以内的监测点，具体布设数量视现场情况及设备性能而定。

3.2 监测方案

布设了2个摄像头监控，布设GNSS监测站，同时利用测量机器人布设38个监测点（左右侧）进行周期性监测复核。

3.2.1 北斗监测方案

整个系统布设基准站1个，监测站6个（其中南侧两个）。基准站建于收费站附近，监测站则根据边坡中心线布设，布设详情参见图1。北斗自动化监测正常情况下实行24 h不间断，每天按固定时段采集一组数据计算平均值，周期初步按一个水文年（365 d）计算，根据监测稳定性情况再考虑下一年是否继续监测。图2、图3为北斗监测系统主界面及数据采集界面图。

3.2.2 高精度机器人监测方案

采用莱卡TM50高精度监测机器人进行自动观测[9-10]，预计全年共监测72次。如果监测过程中发现不稳定的局部坡体或现有裂缝突然增大，则需根据实际情况缩短监测时间间隔。根据高速公路沿线边坡地形地貌，本项目的变形监测网宜采用三角型网，监测基准网由3个基准点及1个工作基点组成。对于K1 261+900～K1 262+300右侧高边坡，边坡往西200 m的右转匝道边属于边坡外围稳定范围，在该位置建立基准点TS0（同时设墩作为工作基点），收费站附近稳定位置设1个基准点，点名为TS1，沿高速公路往两侧约200～500 m的稳定位置各设置1个基准点，点名设为TS2、TS3，具体布置见图4、图5。

4 监测数据及成本分析

通过对比分析同周期内右侧边坡北斗监测数据趋势与莱卡机器人监测数据变形趋势，来验证北斗监测数据的有效性。

4.1 北斗监测数据

周期内监测数据见图6、图7。数据局部时间段波动较大，主要是由于GPRS数据传输通道拥堵造成系统解算精度差导致数据波动引起解算精度下降。此波动情况不影响对各监测点的变形趋势的判断。