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高填方机场边坡变形监测新方法

许文学;羊远新;李锋;钱清玉;薛宗建;申瑾;赵伟冬

【摘要】分析高填方机场边坡变形监测传统方法的不足,提出应用单台全站仪的自

由设站变形监测方法,应用基于光束法平差的多测站观测值统一解算的数据处理方

法,并在实际工程中与GPS方法进行比对,论证该方法的正确性和优越性,为今后解

决类似工程问题提供借鉴.

【期刊名称】《测绘工程》

【年(卷),期】2014(023)011

【总页数】5页(P46-50)

【关键词】高填方机场;高边坡;变形监测;全站仪;自由设站;数据处理;光束法平差

【作者】许文学;羊远新;李锋;钱清玉;薛宗建;申瑾;赵伟冬

【作者单位】空军工程设计研究局,北京100068;空军工程设计研究局,北京

100068;空军工程设计研究局,北京100068;中建工业设备安装有限公司,江苏南京

210046;郑州煤炭工业(集团)有限责任公司,河南郑州450050;郑州煤炭工业(集团)

有限责任公司,河南郑州450050;郑州煤炭工业(集团)有限责任公司,河南郑州

450050

【正文语种】中文

【中图分类】P204

由于航空事业发展，空中资源越来越紧张，势必导致机场选址一定程度上由空中资

源决定；由于国家土地紧控政策，势必导致机场建设于山区或海边。山区高填方地

基修建机场，由于地形波状起伏、丘川间错、沟谷纵横，必然要削山填壑，就地进

行土石方平衡，这样必然会造成地基沉降和不均匀沉降，以及高边坡的稳定问题。

由于地基复杂性和沉降理论计算和稳定验算分析的不确定性，变形监测对机场建设

尤为重要。变形监测作为机场信息化、科学化施工的重要手段，一方面可以验证机

场地基处理设计方案的合理性，另一方面可以为下一步施工及机场建成后的运营管

理提供科学的依据。

变形监测方法按观测目的分为水平位移监测、垂直位移监测和三维监测[1]。

水平位移监测有如下几种方法：引张线法，视准线法，激光准直法，正、倒垂线法，

前方交会法和精密导线法等。垂直位移监测主要有几何水准法和流体静力水准法

(连通管法)。以上各种监测方法是将变形点的水平位移和垂直位移分别施测。随着

测量仪器和测量技术的发展，这个问题已经基本上得到了解决。目前已研制出能实

时连续观测变形点水平位移和垂直位移的测量系统，由于这些系统测量的是变形点

的三维位移值，故称为“三维位移监测系统”，按其原理和观测方法可分为GPS

法、距离交会法、极坐标差分法和前方交会法。

上述方法存在观测条件所受限制较大、监测系统投入费用较高、偶然误差来源多、

测量数据处理过程复杂等缺点，其监测成果通常不具有实时性。

同时，相关文献中提及的全站仪自由设站方法仅测量两个控制点，未组成控制网，

主要存在以下问题[2-5]：

1)控制网的布设方法缺乏图形强度因子的评估；

2)其初始观测平差结果中缺乏控制网的稳健性估计，未进行控制网抗粗差能力估计；

3)监测数据平差过程中未进行定权。

2.1原理

基于以上分析，本文针对高填方机场条带状的高边坡工程，提出了基于单台高精度

全站仪的自由设站变形监测方法。图1所示为单台全站仪自由设站变形监测方法

原理图，其中三角代表控制点，圆圈代表监测点，方框代表临时转点，仪器图标代

表测站位置。

由大到小方框所包围的范围分别为第一、第二、第三设站所测量的矩形区域，边长

为200～300m，如果监测范围再大，测量分隔的区域继续增多。每一设站测量

其范围内的所有控制点、监测点和转点。测站的位置可自由选择，但尽量在测量区

域的中间，这样可使测量误差呈规律性的均匀分布。

全站仪测量精度与测角和测距误差有关，近距离时测角和测距的误差对点位精度影

响较小，但随着距离增大，测距误差影响明显增大，自由设站变形监测方法将较大

的监测区域化分为若干个范围较小、适合全站仪进行监测的区域，从而有效保证了

测量精度[6-7]。这种方法充分适应了高填方机场边坡呈狭长、条带状、直线延伸、

图形强度差的情况。

2.2测量过程

控制网坐标系与测站坐标系:控制测量所得到的坐标系称为控制网坐标系；每站测

量仪器三轴所形成的坐标系称为测站坐标系。具体测量过程如下：

1)控制测量：变形监测开始前，应建立整个监测区域的控制网。控制网建立方式为

GPS自由网或经典边角网，采用空间直角坐标，对于变形监测来讲通常边长较短，

不进行投影，以避免投影变形所产生的影响。

2)变形监测：自由设站测量，通常有两种方式：一是单站测量，仪器不动，测量所

有目标，其标准测量半径为300