周波

(中鐵西南科學(xué)研究院，四川成都610031)

坡表位移變化是高陡巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)前最直接的征兆之一，跟蹤坡表位移是分析邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的有效方法之一。然而高陡邊坡往往不具備常規(guī)接觸測量所需要的空間要求，從而尋求一種具備高效、準確、無損傷特征的非接觸位移測量方法極為重要。

非接觸測量技術(shù)是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法?；谌緶y量的激光三角法是非接觸位移測量的典型方法［1］。

位移測量的原始數(shù)據(jù)主要是坐標形式(絕對坐標或相對坐標)來體現(xiàn)，利用CAD強大的矢量分析功能獲取目標點的位移矢量特征，為邊坡穩(wěn)定性分析提供科學(xué)依據(jù)。

1 非接觸位移測量技術(shù)原理

測量坐標系由高斯平面直角坐標系和高程系統(tǒng)兩部分組成［2］，高斯平面直角坐標系與數(shù)學(xué)坐標系的差異主要表現(xiàn)在象限排列順序不一樣。

如圖1所示，已知兩不動點A、B和可動點C構(gòu)成一個空間三角形ΔABC，其中點A1、B1、C1為點A、B、C在測量坐標系中OXY平面L上的投影，點A2、B2為點A、B在直線CC'上的投影(點A、B、C與OXY平面的相對位置關(guān)系有多種可能，圖1僅列舉其中一種作為示意作用)。某一時刻時，在任意測量坐標系中該三角形ΔABC中點C與點A、B的相對位置是固定的，因此，在全站測量過程中測量坐標系可隨意選擇(全站測量時，每次只需將全站儀整平即可，不需強制定向);然而點C可動，則在下一時刻，三角形ΔABC中可動點C與固定點A、B的相對位置將發(fā)生微小變化，該時刻與點C相對應(yīng)的為點C'，矢量即為所求。

假設(shè)在t0時刻，在測量坐標系OXYZ中點A、B、C對應(yīng)的坐標為(xA、yA、hA)、(xB、yB、hB)、(xC、yC、hC);在t1時刻，在測量坐標系O'X'Y'Z'中點A、B、C對應(yīng)的坐標為記任意時刻，Lij(i≠j，且i=A、B、C，j=A、B、C)為點i、j之間的距離，ΔHij為點i、j之間的高差(ΔHij＞0時，點i比點j高，反之則低);則有:

需要說明的是:因點A、B是固定點，則LAB是個定值，只需求解一次，不同時刻下LAB值可相互校核，確保測量精度。

根據(jù)t時刻對應(yīng)的Lij和ΔHij便可確定空間三角形ΔABC中可動點C與固定點A、B的相對位置。

圖1 測量坐標系中測量三角形示意圖

2 CAD位移矢量分析技術(shù)

計算機輔助設(shè)計(CAD－Computer Aided Design)具有強大的三維作圖功能，在已知各點坐標情況下，通過直線命令操作，將空間三角形ΔABC圖形化，使得位移測量結(jié)果及時轉(zhuǎn)化為矢量圖，更加直觀。

將測量坐標系中的空間三角形ΔABC在CAD工作空間中實現(xiàn)圖形化的過程中約定如下:

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(1)固定點A、B不動(LAB為定值)，僅點C可動;

(2)點C比點A、B高且在矢量左上側(cè);

(3)在CAD工作空間中點A坐標(0，0，0)，點B坐標，亦即矢量在過點A的水平面上的投影為CAD工作空間坐標系中的X軸正方向。任意ti時刻，在測量坐標系中點Ai、Bi、Ci對應(yīng)的坐標為，與之相應(yīng)的均為已知，且和可作為校核項，由圖1可知點C在CAD工作空間中的坐標為:

值得一提的:CAD工作空間采用數(shù)學(xué)坐標系，與測量坐標系在象限順序上有差別。

用line命令即可實現(xiàn)不同時刻點C的位置(t1時刻對應(yīng)C'，t0時刻對應(yīng)C)，確定相應(yīng)的空間三角形ΔABC和ΔABC'，矢量'即為所求;用dist命令即可求得矢量在CAD工作空間中位移分量［3］。

3 工程實例

3.1 工程概況

在建的貴州省六盤水至盤縣高速公路松河隧道(六盤水端)從一近直立的、高約50 m的中風(fēng)化的灰?guī)r巖質(zhì)邊坡坡腳進入山體，該巖質(zhì)邊坡豎向裂隙發(fā)育，豎向裂隙中常伴有矮小灌木發(fā)育。

2010年7月7日，該隧道右線洞口正上方近直立邊坡中部出現(xiàn)僅水平狀的裂縫，可見該坡體出現(xiàn)變形，存在潛在的再次崩塌的可能，極大威脅隧道施工人員的生命安全。為及時掌握該巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，7月10日起，開始開展位移測量工作。

3.2 位移測量技術(shù)要點

該類灰?guī)r巖質(zhì)高陡邊坡沿豎向結(jié)構(gòu)面滑塌主要發(fā)生剛性位移，通過及時跟蹤坡表指定點位移即可掌握其滑移狀態(tài)是可行的。根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行該邊坡坡表位移測點布置［4］。

在離該邊坡一定距離范圍內(nèi)按照一定規(guī)則確定兩個固定點A0、B0作為測量基準點，直線A0B0與該邊坡走向近平行狀態(tài)，該邊坡上布置的1#～6#點可分別與點A0、B0形成相應(yīng)的空間三角形，通過實測數(shù)據(jù)便可分析1#～6#點的位移情況。

3.3 位移測量成果

將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)輸入CAD分析系統(tǒng)時，按照相關(guān)約定所采用的數(shù)學(xué)坐標系定義如下:矢量在過A0的水平面上的投影分量為X軸正方向，將X軸正方向繞A0在過A0的水平面上逆時針旋轉(zhuǎn)90°即得Y軸，同時垂直于X和Y軸且過A0點為Z軸(正方向豎直向上)。1#～6#點最終位移矢量及矢量分量大小如圖2～圖7。

通過位移矢量圖和各分量大小，很直觀判斷出各測點的位移特征。綜合分析上述位移測量成果表明，松河隧道(六盤水端)右線洞口正上方近直立的巖質(zhì)邊坡是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

通過對松河隧道(六盤水端)右線洞口正上方近直立的巖質(zhì)邊坡位移測量工作實踐，綜合分析歸納主要有以下結(jié)論:

圖2 邊坡1#測點位移矢量圖

圖3 邊坡2#測點位移矢量圖

圖4 邊坡3#測點位移矢量圖

圖5 邊坡4#測點位移矢量圖

圖6 邊坡5#測點位移矢量圖

圖7 邊坡6#測點位移矢量圖

(1)高陡巖質(zhì)邊坡沿近豎向結(jié)構(gòu)面滑塌過程中主要以剛體位移為主，具有突發(fā)性特點;

(2)基于全站測量的激光三角形法是一種通過相對計算來獲取目標點的絕對位移，該方法實施過程中將因全站儀本身的系統(tǒng)誤差而導(dǎo)致的測試誤差降到最低程度，極大提高了測試精度;具有高效、準確、無損傷特征，適合用于高陡巖質(zhì)邊坡的坡表特征點的位移測量;

(3)利用CAD強大的作圖功能，能夠迅速準確的分析矢量特征;

(4)該邊坡位移較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

［1］周劍，趙宏，田豐，等．測量剛體位移的非接觸式光電系統(tǒng)［J］．光電工程，1997(6)

［2］張坤宜．交通土木工程測量［M］．北京:人民交通出版社，2008

［3］舒飛．中文版AutoCAD2004二次開發(fā)標準教程［M］．上海科技普及出版社，2004

［4］何發(fā)亮．貴州公路建設(shè)項目六盤水至盤縣高速公路松河隧道(六盤水端)洞口段陡崖邊坡位移監(jiān)測階段報告(第一期)［R］．成都:中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，2010