GNSS技术在大型工程变形监测中的应用实践研究

祁昕

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重庆安伯格轨道技术有限公司

摘要：随着大型桥梁、高边坡、高层建筑、水利大坝等工程规模不断增大，结构变形问题直接关系工程运行安全。传统人工变形监测受天气、通视条件、作业时间制约明显，难以实现全天候、自动化连续观测。GNSS卫星定位技术凭借观测不受通视约束、采样频率高、自动化程度高、可全天候连续作业的技术优势，逐步成为大型工程变形监测的重要技术手段。本文阐述GNSS变形监测基本原理，结合工程实践梳理其在不同大型工程中的应用场景，分析实际应用中存在的技术短板，提出优化改进措施，为大型工程安全监测、灾害预警提供技术参考。

关键词：GNSS技术；大型工程；变形监测；自动化监测；位移预警

一、引言

大型基础设施施工及运营阶段，受地质、荷载、环境影响会产生变形，变形超阈值易引发安全事故。传统全站仪、水准测量需人员现场作业，受天气、时间限制，只能间断观测，无法捕捉突发变形。GNSS全球导航卫星系统可结合基准站差分处理实时获取监测点三维坐标，实现毫米级位移解算，构建自动化在线监测系统，全天候不间断采集变形数据，目前已广泛应用于大坝、特大桥梁、高陡边坡、超高层建筑等项目，对掌握变形规律、预警险情发挥重要作用。但复杂环境下多路径效应、卫星信号遮挡等问题仍会影响监测数据质量，需结合工程工况优化技术。

二、GNSS变形监测技术基本工作原理

GNSS变形监测主要采用差分GNSS监测模式，系统由基准站、监测站、数据传输单元、数据处理与预警平台组成。基准站布设在地质稳定、无位移的稳固区域，持续接收卫星观测数据；监测站安装在工程结构体的关键变形点位，同步采集卫星信号。基准站与监测站观测数据通过无线通信传输至后台服务器，利用差分解算算法消除卫星轨道误差、电离层、对流层带来的公共误差，解算出监测站点三维实时坐标。将不同时刻坐标数据对比分析，即可得到监测点水平位移与垂直沉降量。系统可设置变形阈值，当位移速率或者累计变形量超过警戒值时，平台自动触发报警，实现自动化监测预警。需要说明，GNSS在垂直方向观测精度弱于水平方向，实际工程中常结合水准测量开展联合校核，提升监测结果可靠性。

三、GNSS在大型工程变形监测中的实践应用

3.1 桥梁工程变形监测

大跨径桥梁在车辆荷载、温度变化、风力作用下会产生梁体位移、墩台沉降等变形。在桥梁主塔、主梁关键断面布设GNSS监测测点，可以连续获取桥梁结构三维位移，掌握风致振动、车辆荷载引发的动态变形，掌握墩台长期沉降趋势。相比于传统监测手段，GNSS能够捕捉桥梁瞬时动态形变，为评估桥梁健康状态、开展养护决策提供连续数据支撑。

3.2 水利大坝工程监测

水库大坝受水压力、温度、地质蠕变影响，坝体容易出现滑移、沉降变形。在坝顶、坝体关键位置布设GNSS监测站，基准站设置在库区外围稳定山体，实现对坝体水平位移与沉降的长期连续监测。尤其在汛期水位剧烈变化阶段，系统不间断采集数据，及时识别异常变形，有效辅助大坝安全运行管理，弥补人工汛期无法高频次现场观测的不足。

3.3 高边坡与基坑工程监测

山区公路边坡、矿山边坡、深大基坑是滑坡风险高发区域。部分边坡位置险峻，人工监测作业风险高。利用GNSS自动化监测，可对边坡重点隐患点位开展24小时不间断观测，捕捉降雨诱发的突发性滑移变形，一旦位移速率超出警戒指标及时预警，为滑坡灾害防范争取处置时间。

3.4 超高层建筑监测

超高层建筑受强风、温度应力影响，顶部会产生摆动变形。在建筑楼顶布设GNSS测点，能够实时获取建筑顶部动态水平偏移，分析风振变形规律，评价结构服役状态，为建筑施工期及运营阶段安全管控提供依据。

四、工程应用现存主要问题

第一，多路径效应干扰突出。周边高大建筑物、山体、金属构件会反射卫星信号，造成观测值出现偏差，降低解算精度。第二，卫星信号遮挡，在峡谷、高楼密集区域，部分时段可用卫星数量不足，容易出现数据断连、解算失败。第三，垂直方向监测精度有限，高程方向误差大于平面，单纯依靠GNSS难以满足高精度沉降监测全部需求。第四，野外设备运维难度大，边坡、大坝野外测点环境恶劣，供电、通信受天气影响，设备老化、雷击等会造成系统稳定性下降。

五、提升GNSS变形监测应用效果的优化对策

5.1 科学布设监测点位，降低环境干扰影响

为有效解决多路径效应与卫星信号遮挡问题，施工及监测单位需规范GNSS站点选址与布设工作。监测基准站应选在视野开阔、地质稳定、无遮挡的区域，保证卫星接收数量充足、信号稳定。监测站点尽量避开高层建筑、山体背阴面、大型金属构件及高压设备等强干扰源，减少信号反射与遮挡造成的数据偏差。针对峡谷、密集建筑群等复杂监测环境，可适当增加监测点位密度，优化天线安装高度与角度，从硬件布设层面提升原始观测数据的精准度与稳定性。

5.2 优化数据处理算法，提升解算精度

针对GNSS监测数据存在噪声、粗差及瞬时扰动问题，需依托专业数据处理软件优化解算模式。通过引入卡尔曼滤波、平滑降噪等算法，有效剔除环境抖动、瞬时风扰、信号波动带来的无效数据，保证变形数据真实反映结构实际位移状态。同时严格统一差分解算参数，定期对比历史数据变化规律，区分偶然波动与结构性变形，有效降低系统误差，减少监测数据失真、误预警等问题。

5.3 推行多技术融合监测，弥补单一技术短板

GNSS技术存在高程精度不足的短板，单一监测模式难以满足高精度工程管控需求。工程实践中应建立“GNSS自动化监测+精密水准+测斜仪+应力传感器”的融合监测体系。利用GNSS优势实现全天候平面位移动态监测，通过精密水准校核竖向沉降数据，结合测斜设备监测局部倾角变化，实现多点位、全方位、立体化监测，有效弥补单一GNSS监测的局限性，全面提升变形分析的科学性与准确性。

5.4 强化设备运维与预警管理，保障系统长效运行

野外监测设备长期暴露在复杂环境中，易受雷电、风雨、低温等因素影响，需建立常态化设备巡检与维护机制。定期检查供电系统、通信模块、天线设备运行状态，做好防雷、防水、防尘防护。同时结合工程结构特性科学设置分级预警阈值，完善数据审核机制，避免误报、漏报问题，确保监测系统能够长期、稳定、精准地发挥安全预警作用。

六、结语

GNSS技术突破传统监测手段的时空限制，可实现大型工程全天候、自动化、高频率变形监测，在桥梁、大坝、高边坡、超高层建筑等工程领域具备显著应用优势。但复杂现场环境带来的多路径效应、信号遮挡、高程精度不足等问题仍客观存在。实际工程中应当科学布设监测站点，优化数据处理算法，推行多手段融合监测，强化野外设备运维管理，充分发挥GNSS自动化监测预警能力，及时捕捉工程异常变形，有效防范工程安全风险，为大型基础设施施工及运营安全保驾护航。

参考文献

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