在公路建设与运营过程中，边坡监测一直是公路安全运行监测的重要内容。我国新疆地区存在较多结构复杂的山脉，对于该类山脉开展智能化边坡监测能够对公路可能发生的灾害进行推演与预判，从而实现保障运营的目的。

本文以新疆阿尔金山作为研究对象，针对其地质条件复杂、气候条件恶劣等特点，以某新建高速公路项目为契机，提出并探讨基于建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）和北斗全球卫星导航系统（GNSS）的边坡变形监测系统技术路径。

阿尔金山是塔里木盆地和柴达木盆地的界山，由六条平行的山脉组成，该山脉西高东低，北坡高差较大，出露地层岩性多样，由于地质条件复杂，崩塌、碎落等不良地质现象普遍存在。在这一区域建设高速公路面临施工难度大、运营复杂、气候条件多变等诸多挑战，因此，充分考虑深挖路堑边坡的工后变形情况是十分重要的。传统的边坡监测手段在这种情况下无能为力，难以满足施工期和运营期的需求。

2023年，中国公路学会提出《公路边坡智能监测技术指南》团体标准，旨在通过基于BIM、GIS和北斗GNSS的边坡变形监测技术实现对公路边坡的智能化监测，并最终达到在行业内进行推广应用的目的。

基于BIM、GIS和北斗GNSS的边坡变形监测系统（以下简称监测系统）主要通过整合三维环境模型，结合公开数据源和高精度地形测绘，建立地质地貌模型，并采用BIM建模工具将设计成果转化为L3.0精度的公路土建工程模型，利用已建设的“BIM+GIS”数据融合平台，将工程模型与环境模型相融合，形成全面的三维信息，实现边坡监测技术的数字化。基于此，以BIM、GIS和北斗GNSS技术为基础的监测系统得以建立。该系统通过4G/5G移动网络实现数据传输和持续运行。本文论证了将北斗GNSS边坡监测技术与BIM、GIS技术结合的必要性，特别强调了在极端气候和复杂地质条件下建立该系统的可行性。整个监测系统的建立为阿尔金山新建高速公路的施工和运营提供了有效的监测手段，为类似地质和气候条件下的工程项目提供了一种创新的可行性解决方案，具有广阔的应用前景。

 

气象和地形地貌条件分析

阿尔金山东部地势南高北低，属于高原大陆性干旱气候。夏季炎热，气温多在25℃至30℃之间，最高可达35℃；而冬季寒冷，气温多在零下22℃至零下18℃之间，最低可至零下35℃。每年3至8月为风季，北部山前地带常有5～7级大风，最大风力可达8～10级，伴有沙尘暴；高山区风力一般在4～6级之间，多为西北风，风力大，风向不稳定。阿尔金山年降雨量稀少，年降雨日约20天左右，主要集中在6至8月，偶有洪水发生。据记载，1980年7月，公路走廊带附近发生十年一遇的暴雨山洪，导致红柳沟洪峰高达3米，造成电线杆倒塌、道路冲毁，引发车辆被冲走等事故。阿尔金山山区降雪期较长，从10月中旬到次年3月下旬，高山区降雪量约为30～40厘米，中高山区降雪量约为15～20厘米。在高山及背阴处常年积雪，其余地段的积雪要在4月底才能完全融化。

总体而言，阿尔金山公路从北向南延伸。该路线区北邻塔里木盆地，南依东昆仑山，地形十分复杂，海拔在1500～3700米之间，且海拔存在较大的相对高差，地形陡峭。整体地势南高北低，北部靠山前一带切割剧烈，南部次之。根据地貌特征，公路沿线区域可划分为山间冲洪积倾斜平原、山前洪积倾斜平原、山间沟谷、中高山地区、高山地区五个地貌类型。

阿尔金山地区地质条件分析

公路走廊带沿线的地层隶属于塔里木—南疆地层大区中的阿尔金山地层小区。该区域的出露地层单元包括新太古—古元古界阿尔金岩群、中新元古界蓟县系、青白口系、奥陶系下奥陶统额兰塔格组、中—上泥盆统恰什坎萨依组、上石炭—下二叠统因格布拉克组及古近—新近系、第四系。另外，在新建高速公路所处区域，场地震动峰值加速度为0.15 g，对应地震基本烈度为Ⅶ度。

这一地区的中高山地区和高山地区存在三个主要特征：首先，中高山地区的各期次侵入岩极为发育，从而形成丰富多样的侵入岩体，而高山地区几乎没有侵入岩分布；其次，中高山地区的断层发育明显，次一级扭性断层尤为显著，而高山地区的东西向主干断裂和次一级扭性断层相对较少；最后，由于断裂的作用，中高山地区呈现菱形块状地貌，而高山地区则形成近东西向的山脊岗地貌。这些地质特征对于公路建设和维护提出了新的挑战。

新建公路沿线存在岩溶、滑坡、崩塌、危岩、碎落等不良地质现象。

岩溶

路线范围内碳酸盐岩分布区的岩溶发育较为欠缺。根据现场调查，地表岩溶痕迹不太明显，沿线未见岩溶地面塌陷现象。据地质调查，路线北段主要由白云岩和灰岩地层组成。

滑坡

山间冲洪积倾斜平原地带主要分布在巴什考供凹地。这些地区主要由红色老第三系岩石、砂岩以及第四系砾石构成，在巴什考供以南形成三级阶地。老第三系岩石呈夷平面状，后来经过切割剥蚀形成了圆形山包的丹霞地形。沿冲沟形成上下直立的陡壁峡谷。路线北段岩性以松散的粉土（黄土状）及松散或稍密为主。多条近南北向的冲沟平行发育，由于流水侵蚀切割严重，沟坡一般欠稳定。局部存在有松散层的切层滑坡，自然边坡在雨季降水的作用下可能继续垮塌，滑坡面的倾向主要为西向。

崩塌、危岩、碎落

路线区位于阿尔金山断裂带区域，该断裂带包括北西向、北东向和近东西向的断裂，形成了一个略凸的弧形。受断裂构造的影响，沿线的基岩山体岩体破碎程度较高。高陡破碎山体边坡部位时常发生崩塌、危岩和碎落现象。这些地质特征需要在工程规划和实施中得到充分考虑，以确保公路建设的稳定性和安全性。

目前，考虑到交通运输及经济发展，我国拟在阿尔金山新建高速公路。该新建高速公路全线采用双向四车道高速公路标准，设计速度为100千米/时，路基宽度为26米，桥涵设计荷载采用公路 —Ⅰ级标准。

路线位于阿尔金山东部，地理位置偏远，地形复杂，相对高差较大，交通不便。公路沿线共设有26处深路堑边坡，总长达6740米，其中最小挖深为31米，最大挖深达57米。此外，沿线还存在崩塌、碎落和浅层滑坡等不良地质现象。

在路线南部4千米路段范围内，地层主要为出露的灰岩、白云岩等碳酸盐岩，风化剥蚀严重，岩体较为破碎，坡体发育危岩，冲沟西坡有崩塌发育，堆积体厚度约为1米，崩塌块体主要由碎石或灰岩块体组成，块径在0.8~1.5米之间。路线中部路段则出露花岗岩，受高角度裂隙的影响，同样风化剥蚀严重，岩体较为破碎，坡体发育危岩。而在北部路段，地层出露凝灰岩和岩屑砂岩等，受构造影响呈片理化或糜棱化，岩体破碎程度较大，堆积体厚度在5~8米之间。复杂的地质条件为高速公路的规划和建设提出了新的挑战。

 

公路边坡通常是人为作用下形成的，而在交通基础设施中，公路边坡往往是最为脆弱的部分。特别是在极端环境下建设的高速公路边坡，其所在岩土体的地质环境条件往往较为复杂。因此，在公路边坡变形监测中，对高边坡变形进行的精确监测是确保交通基础设施安全高效运行的有效措施之一。

传统的边坡监测方法主要是使用全站仪等仪器进行定期监测，但由于受地形的影响较大，边坡监测还需要长期人工测量，测量数据处理时间较长，且容易出现人工测量误差。相比之下，利用北斗GNSS技术对边坡进行监测具有一系列优势，如：选点灵活、受地形等条件限制较少、自动化程度高以及能够实时动态监测等。这种先进的监测方法为提高边坡变形监测的效率提供了新的路径，有助于及时发现并应对潜在的边坡变形风险，确保公路边坡的稳定性和安全性。

北斗卫星导航系统（BDS）是我国自主研发、具有完全知识产权的全球卫星导航系统，可以为用户提供高精度的定位、导航和授时服务。2012年12月27日，该系统正式向亚太地区提供无源定位、导航和授时服务。 

随着第三代北斗导航系统建设的推进，北斗定位的精度不断提高。目前，北斗高精度定位技术已经在工程领域得到广泛应用，其中在变形监测方面的可行性已经得到验证。北斗定位技术已成功应用于桥梁健康监测和大坝变形监测等领域。调查表明，北斗定位技术在缓慢、微小变形监测方面的应用已经非常成熟，因此，完全可以用于边坡工程的变形监测。相较于传统的变形监测技术，北斗高精度变形监测技术在边坡变形监测中具有诸多优势。

自动化程度高  相对于传统的测量工具，北斗监测可实现自动监测和记录，无需人工操作，一次布置即可多年随时随地获取测量数据。

监测效率高  北斗监测可在数分钟内获得一组精确定位数据，实时监测边坡的变形情况。

可全天候稳定工作  北斗定位设备受温湿度、天气和昼夜变化的影响较小，不需要频繁维护，基本可以实现一次安装多年使用。

对地形要求低  北斗定位设备受地形和植被影响较小，且具有小体积、低功耗的特点，可采用太阳能电池供电，无需大面积空旷区域，设备安装和拆卸方便。

符合国家发展战略  我国北斗导航系统的自主研发和推广符合国家发展战略，将北斗卫星技术应用于边坡变形监测工程，有助于提高我国导航产业的自主可控能力，符合国家北斗卫星导航的发展战略。

 

如上文所述，阿尔金山气候条件恶劣，地质条件复杂，新建高速公路在该区域的施工和运营阶段都需要对深挖路堑边坡体的变形情况进行持续性监测。同时，阿尔金山存在广阔的无人区，地形变化剧烈，极端天气时有发生。传统的边坡变形监测方式改进是必要可行的。

北斗GNSS边坡监测系统主要集中在一个工点上进行部署，且其监测软件或平台的数据分析和展示通常是基于二维页面进行的，无法进行三维查看和大数据分析。然而，在阿尔金山无人区建设和运营的某新建高速公路监测工作跨越施工和运营阶段，使用了26个深挖路堑的监测能够快速查看和定位多个深挖路堑边坡的持续变形情况，并进行分析，以便在必要时采取正确的应对措施，保证施工或运营的安全。

在这种情况下，考虑到该新建高速已经建设有“BIM+GIS”数据集成平台，可以通过创建深挖路堑边坡的BIM模型，并将其与北斗GNSS监测数据相关联，实现对多个深挖路堑的持续监测、三维查看和数据分析，以提高监测效率，确保施工或运营的安全可控。

 

三维环境模型建立

阿尔金山地形与地物情况的三维数据可通过网络公开数据源获取。获取的地形数据包括数字高程模型（DEM），其精度不低于L18.0。同时，利用新建公路的高精度地形测绘资料，建立走廊带范围的更高精度DEM模型。这两个不同来源的DEM模型叠加使用，获取的地物数据为卫星遥感正射影像（DOM），其精度不低于L18.0；DOM提供地面植被、岩石、水系等信息。将DEM与DOM在三维GIS平台中融合，即可得到反映公路沿线真实情况的三维环境模型。此外，三维环境模型还应包括政区、保护区、水系、既有公路铁路等信息，这些信息可通过叠加相关的矢量数据获取。

三维工程模型的建立

通过相关公路BIM建模工具，设计成果可转化为三维数字化工程模型。工程模型的精度与用途直接相关。在与监测数据关联使用时，深挖路堑工程模型的精度应在L3.0的基础上包含必要的边坡分级防护信息。路线数字化数据文件可根据新建高速公路的施工图设计成果创建，L3.0精度的公路土建工程模型可使用主流商用建模软件完成。

“BIM+GIS”数据融合

商用“BIM+GIS”云平台系统可以帮助实现三维工程模型、三维环境模型和其他信息数据的融合和展示。然而，项目还有进一步的数据集成融合需求，需要选择具备北斗GNSS设备特定网络数据接口的云平台系统或者可以提供新增接口开发和维护服务的平台系统。

在建立L3.0精度土建模型的过程中，沿线26个深挖路堑边坡工点的工程模型得以完成。单个工点边坡与周围三维环境模型通过云平台系统相融合，可反映工点完工后的真实地形、地貌和路基支挡工程措施。

为提高定位监测精度，单个深挖路堑工点可以采用“一个基准站+若干个检测站”的部署方案。利用已经建设完成的移动4G/5G网络覆盖公路沿线，将监测数据上传到运营单位的监测平台，实现持续运行。根据工点边坡的最大开挖高度、单级边坡长度、坡面支挡防护措施、边坡岩土体性质等因素，每个工点可布设2~5套监测站。通常在一个工点上应至少在开挖最高点及其对应的坡脚处各布设一套监测站，形成监测断面。

“BIM+GIS”与北斗GNSS数据融合应用

随着上述工作的完成，现场北斗GNSS监测站硬件设备通过4G/5G移动互联网与云平台系统服务器成功联通，确保了监测数据的高效传输。这不仅为监测数据的安全传送奠定了基础，同时也为监测数据的快速整理提供了支持。监测数据以结构化的数据库文件形式保存，确保数据的可靠性和系统管理的便捷性。

在数据融合的过程中，云平台系统通过前端应用实现对监测数据的特定查看操作和数据分析呈现。管理人员可以通过特定设备ID或互联网IP地址实时查看监测数据，并进行实时的数据分析和处理。这种实时性的数据查看和分析能力是云平台系统的重要优势之一，使监测工程人员能够快速且准确地了解深挖路堑边坡的变形状况，从而在必要时采取及时的应对措施，确保施工或运营的安全性，进一步提升了整个监测体系的有效性和实用性。

 

本文旨在提出一套综合利用BIM、GIS和北斗GNSS技术的深挖路堑边坡变形监测体系，以解决阿尔金山区域新建高速公路施工及运营中的安全性和有效性问题。

阿尔金山区域的气象和地质条件给公路建设带来了挑战。为了应对这些挑战，本文提出了利用北斗卫星定位系统进行边坡变形监测的方案，以实现对深挖路堑工程的持续监测。

结合BIM、GIS和北斗GNSS技术，本文建立了三维工程模型和环境模型，以更好地了解深挖路堑边坡的潜在危险和变形可能性，并实现对地质灾害的及时监测和应对。通过数据融合应用，本文在云平台系统中实现了对监测数据的实时查看和分析呈现，为监测工程人员提供了便捷而实用的工具。

 

田小龙

 作者单位：中国交通建设股份有限公司总承包经营分公司

 

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