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摘要：边坡施工以防为主是项目工作中的重点，但如何实现高效、实时、准确的监测预防也是工作的难点。目前已有的监测预防手段十分有限，但随着科技的不断发展进步，特别是我国北斗卫星导航技术的蓬勃发展，越来越多的先进监测手段得以研发与应用。本文将从边坡监测手段、发展方向、项目实施等多个方面对其在边坡施工项目中的应用进行分析。
关键词：北斗高精度定位；在线监测；边坡施工
1研究背景
变形作用是指结构（或其一部分）形状的改变。任何结构都是由可变形固体材料组成，在外力作用下将会产生变形和位移。变形作用体现在人类活动的方方面面，例如地质灾害、工程建设、生产生活中，因其造成的影响和危害也十分巨大。
人类活动加剧了灾难性变形灾害的发生频次和危害程度。人类活动既是自然灾害的诱发因素，其本身也会收到变形作用的影响。
现阶段，我国的高速公路得到了蓬勃的发展，与此同时也带来了一系列的环境问题。除高速公路所穿越地质地貌条件复杂，桥隧比高，建设难度大以外。特别是当受到暴雨、洪水等极端恶劣环境袭击时，高速公路会受到沿线地质灾害、桥隧和高边坡位移变形甚至垮塌的影响。
在各项高速公路工程的建设过程中，普遍存在着大量人工挖、填的施工情况，从而造成了大量边坡的形成。伴随着我国高速公路的不断建设和发展，边坡施工中存在的问题越来越突出。由于地质条件的客观原因，再加上开挖的边坡坡面非常高并且坡度很陡，同时还要受到长期的自然侵蚀和雨水的冲刷，导致严重的水土流失现象，并且使得滑坡以及落石现象也越来越严重。因此，做好边坡防护和边坡监测工作已经成为边坡项目中需要严格控制的重要环节，它将对高速公路的正常运营起着直接的影响。
1.1边坡监测的意义与目的
工程活动在选址建设前需要对现场情况进行情况调查和长期观察，在建设中需要对易诱发的变形灾害进行实时监管，需要在竣工后对工程的效果和运行情况进行有效监控。任一环节的失控，都会严重影响到人类活动、工程建设的正常运行。
边坡监测工作将贯穿项目工作的全阶段
1.1.1施工前监测阶段
（1）对原始地质地貌进行在线监测，获取详细的基础资料；
（2）为勘查设计、施工治理提供设计依据和安全保障。
1.1.2施工中监测阶段
（1）对施工项目的变形、进行预测预报，为紧急避让服务；
（2）保障该阶段施工作业工作的安全，保障人员、设施设备的生命财产安全；
（3）为设计变更、施工治理提供设计依据和安全保障。
1.1.3施工完成后的监测阶段
（1）对施工和防护工程的有效性进行监测；
（2）根据项目情况调整监测手段和设备对工程运营情况进行监控和健康数据监管。
（3）系统在正常使用运行过程中，可以实时提供监测数据，做到对自然灾害的实时测量与报告，及时发出预警，做到防微杜渐、并提供给地方政府决策参考。并对可能发生的大中型自然灾害为当地人民群众及时提供监测信息，让当地人民群众及时疏散、撤离，保障人民生命财产安全。
1.2监测的任务
（1）针对监测体表面建立多个监测点进行实时监测，结合内部观测传感器，建立较完整的监测系统，使之成为系统化、立体化、高度集成化的变形监测平台；
（2）及时快速的对监测体采集的多元数据做出分析，掌握监测体在各种状态下的变化规律，并及时反馈监测数据，进行监测预警；
（3）建立长期监测平台，对监测体进行分析研究，对监测点进行系统管理，为同类工程积累经验，丰富理论。
1.3监测对象和内容
变形监测是一个复杂学科，其涉及的监测要素种类繁多。通过这些监测要素的表象特征再结合多元数据进行分析处理才能达到成功监测的目的。监测要素和对象如下：
（1）地表变形监测：地表绝对位移监测、裂缝张开度、地表倾斜；
（2）环境因素监测：孔隙水压力、地下水位、土体含水率、降雨量、地表水位、温度；
（3）深部变形监测：内部倾斜、内部相对位移；
（4）支护结构监测：钢筋应力应变、混凝土应力应变、接触压力、锚索（杆）应力应变。
1.4常用的监测手段
1.4.1地表变形监测
地表变形监测是对变形区域的浅层或表体的形变情况进行监测。得益于目前科学技术水平的发展，传统的大地测量法逐步向多方法多手段方向发展。
图2
特殊测量手段包括应变测量、准直测量和倾斜测量，它具有测量过程简单、可监测变形体内部的变形、容易实现自动化监测等优点，但通常只能提供局部和相对的变形信息。
摄影测量技术包括地面摄影测量技术和航空摄影测量技术。近10余年来，近景摄影测量在隧道、桥梁、大坝、滑坡、结构工程及高层建筑变形监测等方面得到了应用，其监测精度可达mm级。与其他变形监测技术相比较，近景摄影测量的优点是：可在瞬间精确记录下被摄物体的信息及点位信息；可用于规则、不规则或不可接触物体的变形监测；相片上的信息丰富、客观又可长久保存，有利于进行变形的对比分析；监测工作简便、快速、安全。但摄影距离不能过远，且大多数的测量部门不具备摄影测量所需的仪器设备，摄影测量技术在变形监测中应用尚不普及。
GPS测量法是使用单频、双频GPS接收机，可实现与常规测量法相同的监测内容，能同时测出滑坡的三维位移量及其速率，且不受通视条件和气象条件影响，精度不断提高。但是缺点是价格昂贵。随着我国北斗卫星导航系统（BDS）的逐步组网，GNSS（多星联合定位系统）测量法替代了单一的GPS测量。本文所提到的应用就是以GNSS技术为主综合在线监测技术的研究。
图3
合成孔径雷达干涉（InSAR），是一种应用于测绘和遥感的雷达技术。它是利用合成孔径雷达对同一地区观测的两幅复数值影像（既有幅值又有相位的影像）数据进行相干处理，以获取地表高程信息的技术。作为一种主动式微波传感器，合成孔径雷达具有不受光照和气候条件等限制实现全天时、全天候对地观测的特点，甚至可以透过地表或植被获取其掩盖的信息。这些特点使其在农、林、水或地质、自然灾害等民用领域具有广泛的应用前景，在军事领域更具有独特的优势。但是在建设领域尚未有更合适的应用，且价格昂贵。
1.4.2环境因素监测
图4
1.4.3深部变形监测
图5
1.4.4结构应力应变监测
图6
2项目背景
六库至兰坪公路是怒江州“一高速、两骨干、六通道”骨架公路网中“两骨干”的组成部分，是“东连大理、丽江，西进缅甸”的东西向干线，在云南干线公路网中具有十分重要的地位。位于云南省西北部怒江州和大理州境内，连接了两州三县（泸水、云龙、兰坪）七个乡镇（六库、老窝、表村、兔峨、营盘、啦井、金顶）。本项目路线起点位于怒江州兰坪县啦井镇脚裂山，终点位于金顶镇新生桥，与既有公路相接。本项目为新建双向两车道二级公路工程。本合同段六兰公路古盐都隧道段起讫里程为K25+300-K34+160，线路全长8.86㎞。
道路主线上共有桥梁1042.52米/11座，桥梁占路线长度的11.77%。其中大桥662.24m/4座，分别为：K25+535大桥（起点桩号K25+395.98，终点桩号K25+676.02，长度280.04米），K26+140大桥（起点桩号K26+086.96，终点桩号K26+193.04，长度106.08米），K26+700大桥（起点桩号K26+636.96，终点桩号K26+763.04，长度126.08米），K33+203大桥（起点桩号K33+126.96，终点桩号K33+277.04，长度150.08米）；中桥380.28m/7座，涵洞13道。全线共设计超长分离式隧道4047m（左线）、4005（右线）/1座，隧道占线路长度比为45.44%。
土石方路基全长3.79㎞，设计路基挖土方29.06万m3，石方32.57万m3，路基填方8.84万m3，挡墙、护肩共计2.63万m3，本项目主K25+300~K27+200段及K31+950~K34+160段为10米路基宽，K27+200~K31+950段及YK27+200~K31+982.181段为分离式路基，路基宽度为8米。
YK27+390~YK27+540段高边坡原设计为5级边坡，1～5级坡比1：0.5，边坡高度10m一级，边坡最高为YK27+418.056（55.476m）。1～5级均采用锚杆框格梁进行防护，其中1、3级锚杆长度9m，其余各级锚杆长度12m。该段路堑边坡上表层覆盖粉质粘土，褐红色，硬塑状态，稍湿切面不光滑，干强度中等，含约15%的泥岩角砾、碎石、土质不均匀，夹碎石土薄层。下表层覆盖泥质粉砂岩，砂泥质结构，中厚层构造，泥质胶结。风化界线以上为强风化，节理裂隙发育，岩体破碎，岩芯多呈碎石状，风化界线以下为中风化，岩体相对完整，岩芯呈短柱状、柱状。岩层产状270°∠57°。边坡按高度10m分级，平台宽2m，堑顶与边坡平台设截水沟；边坡按1：0.5进行开挖。
该边坡于2017年6月对该段边坡进行施工开挖，于2017年11月完成了四级边坡的防护，2017年11月20日开挖第一级边坡后，边坡于2017年12月22日发生坍塌，该塌方起点据施工完成五级边坡外上边缘约20米边线处，已防护完工的四级边坡全部破坏，原设计边坡开口线以上坡体产生了宽度和长短不一的裂缝，有进一步坍塌的趋势，进而影响到省道S311的运营安全。原设计边坡现场及坍塌后现状图见图7、图8。
图10边坡中部错落台
2.1边坡处治设计情况
根据方案设计专家评审意见及建议，结合本段边坡的破坏模式和稳定性分析，本段边坡分为三步进行处治。
第一步：对省道S311下侧坡体进行单点锚固加固，确保运营安全；
第二步：对产生裂缝的自然坡体进行锚固地梁预加固；
第三步：已破坏的原设计边坡进行塌方土体清理，采用锚杆（索）框格梁防护。?
边坡处置设计总体布置图见图11。
图11边坡处置总体设计平面布置图
2.2本次应用的监测手段
2.2.1变形监测
（1）地表位移和沉降监测。在建筑物、边坡基坑的特征观测点布设北斗/GNSS监测站，监测站24小时对特征观测点的位移情况进行监测。包含绝对位移和相对位移监测，对边坡的位移量、位移方向、位移速率情况进行监测。与传统大地测量不同，我们利用北斗智慧云监测终端的北斗或GNSS测量功能，可监测边坡的三维位移量及其速率，且不受通视条件和气象条件影响，精度可达到毫米级，同时设备具有运行状态自检、故障报警功能。测量数据和自检数据实时传输，实现实时自动化监测。
与传统大地测量不同，利用北斗智慧云监测终端的北斗或GNSS测量功能，可监测建筑物、边坡基坑的三维位移量及其速率，且不受通视条件和气象条件影响，精度可达到毫米级，实现实时自动化监测。
表1
（2）裂缝变形监测。将裂缝计布设至建筑物、边坡基坑的裂缝、伸缩缝等处。利用裂缝计以传感器的电性特征或频率变化来表征建筑物、边坡基坑的裂缝、软弱带的变形情况，精度高，自动化，数据采集快。裂缝计直接与北斗智慧云监测终端通联，数据实时采集传输。
（3）倾斜监测。利用北斗智慧云监测终端内置的水平倾斜测量功能，监测房屋、边坡倾斜变化及其方向、加速度等，精度高，易操作。
（4）应力应变监测（本项目未使用的监测手段）。通过内置应力应变传感器，采集建筑物、边坡基坑的内部应力应变情况，以达到采集传输相应数据，实现分析的目的。
2.2.2影响因素监测
（1）气象监测。降水是监测体变形的主要环境因素，利用雨量站，实时采集降水量、气温、风速风向数据等并传输回云端，分析其与滑坡形成、变形的关系。
（2）视频监控（本项目未使用的监测手段）。视频监控终端对监测体及周边地区24小时360°无死角观测，具有夜视功能，数据通过3G/4G、WiFi或光纤网线传输，可探明现场实时灾害情况、设备运行情况等。监测效果明显直观。
（3）专业人工巡视。专业人员定期（一周一次）或发生数据异常（数据超限）、特殊天气时（降雨降雪融雪等），对现场进行巡视，并现场利用北斗智慧云监测平台APP定位、拍照、编辑信息，实时传输回云端进行汇总统计。
图12监测系统拓扑图
2.3本次应用的监测布置
项目共分为三个阶段实施，完成全部项目实施的监测点位总布设图如图13。
图13
2.3.1第一阶段
第一阶段主要对单点锚固区进行监测设备布置，主要目的为省道S311的安全运行及下方区域继续施工的安全状况提供监测依据。可在该区域施工工作开展前监测以判断施工对省道S311的影响，在该区域施工完成后，可调整或增设监测点位，对工程有效性进行监测。
监测手段主要包括GNSS位移监测（使用北斗智慧云监测终端）、裂缝监测（使用裂缝计）、气象监测（使用自动雨量站）、视频监测（使用360°视频监控终端）。监测点位布设图如图14。
2.3.2第二阶段
第二阶段主要对锚固地梁区进行监测设备布置，主要目的为省道S311、单点锚固区的安全运行及下方区域继续施工的安全状况提供监测依据。在该区域完成施工，下一个施工区域开始施工前完成监测设备布设。
监测手段主要包括GNSS位移监测（使用北斗智慧云监测终端），气象监测、视频监测共用第一阶段的监测设备。监测点位布设图如图15。
2.3.3第三阶段
第三阶段主要对锚杆（索）框格梁防护区进行监测设备布置，主要目的为省道S311、该项目全部完成施工的区域的安全运行提供监测依据。在该区域完成施工完成监测设备布设，设备主要布设在其中的两级平台台阶上。至此该项目的运行监测体系构建完成，可在后期的运维中实现自动化实时监测。
监测手段主要包括GNSS位移监测（使用北斗智慧云监测终端），气象监测、视频监测共用第一阶段的监测设备。监测点位布设图如图16。
上列技术规范与标准执行其修订的最新版本。
2.5本次应用的监测手段的技术先进性
2.5.1硬件优势
（1）毫米级定位精度。以北斗为主的GNSS高精度定位技术，实时动态精度±2mm，可实现毫米级的变形监测，具有多项国家专利技术。
（2）自主知识产权。北斗卫星导航系统为我国自主卫星导航定位系统，监测设备软硬件均自主开发生产，具有自主知识产权，不受外部环境影响。
（3）高集成化。单个设备集成常用监测模块：北斗/GNSS高精度定位天线和数据处理模块、位移/裂缝传感器数据采集模块、水平倾斜测量模块、加速度测量模块、设备温度测量模块、环境温度测量模块、外接雨量计/气象站数据处理模块、非正常撤除电磁报警模块、预警扬声器报警模块等，可满足不同项目需求。预留各类外置传感器控制和数据采集接口：RS485通讯接口、RS232通讯接口、USB通讯接口、5V电源受控输出接口等。设备内置大容量双锂电池供电系统，无供电情况下最大工作时长30天，接入太阳能供电后工作时长不受限制。
（4）实时数据传输。全天24小时不间断，监测数据最快1s/次通过GPRS\3G\4G或者RDSS（北斗短报文）传输至云服务器进行解算分析和处理，监测设备及监测频率等可通过后台远程自动调控，实现无人化24小时监测服务。
（5）硬件低成本。得益于自主知识产权、高集成化、研发生产一体化等使得成本可控，大大降低了建设成本，可进行广泛的部署。
（6）安装低成本。太阳能供电，功耗低；GPRS无线数据传输，方便快捷。野外安装便捷，施工工期短，造价低。
（7）运维低成本。野外工作状态自检自报，设备远程控制，防盗报警，定位追踪。设备运行情况远程轻松掌控，运维“对症下药”更快捷。
2.5.2平台优势
图17实时自动化监测体系拓扑图
（1）一个平台六套系统：①监测体管理系统。监测体与卫星影像地图联合组成GIS系统，具有空间、属性数据导入导出，应急物资、避险通道和场所等多元数据分析查询管理功能，辅助应急指挥和救援工作的科学开展。②监测系统。根据监测体特性，选择不同的监测预案，可远程控制各监测终端和传感器的工作状态，实现多传感器，多元数据采集、集成、传输、计算、存储等系列工作。③大数据分析预警系统。根据监测体自身特征和多元监测数据，结合地质、结构、测量、气象、计算机信息等多学科知识，采用大数据理论和方法进行综合分析预警。④应急指挥系统。与地图联动，实时拍摄现场影像，根据预警级别分类统计受灾范围内灾情，生成灾情报表；结合应急物资、避险通道和场所等数据，辅助制定应急预案和救灾方案。⑤通讯系统。嵌套于整个平台，可实时传输文字、语音、图片、文件信息。可建立工作组群，方便本项目或本部门通讯和资料传输。在无常规通讯网络时，可启用北斗卫星短报文作应急通讯。⑥科研系统。预留数据和开发接口，将原始监测数据、灾情数据、预警模型、二次开发接口对各研究院所、大专院校开放，提供灾害监测预警公用研究平台，共同探讨灾害监测预警科学，为人类社会做出应有贡献。
（2）大数据分析管理：监测体自身特征数据：地质构造、建筑结构、几何数据等
监测数据：位移形变、应力应变、气象环境、外界影响等数据；多学科综合分析：地质学、结构学、力学、测量学、气象学、计算机信息等多学科知识。
（3）云平台服务：北斗智慧云监测采用平台化搭建，可提供安全、高效、统一的数据存储、传输、解算、大数据分析、预警发布等功能，有利于数据的统一管理，成果共享。
（4）技术自主化：高精度定位采用我国北斗卫星导航系统，不受国际环境影响；产品核心硬件和软件均由国内公司独立开发，完全拥有自主知识产权。
2.6项目应用展望
随着我国科学技术水平的不断进步，本项目可以向云计算、大数据、人工智能方向进一步发展提高，有望在不远的将来成为地质灾害监测的主要手段。