劉 勇，王 珣，高柏松，伏 坤，袁 焦，余 博

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

引言

我國(guó)西南艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路沿線地形地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響和威脅鐵路的正常建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。從鐵路地質(zhì)災(zāi)害的地域分布來(lái)看，主要分布在西南、西北、華中和華北山區(qū)，發(fā)生災(zāi)害最多的線路是寶成線，其次是襄渝線和成昆線[1]。

目前，鐵路運(yùn)營(yíng)管理部門對(duì)既有鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害主要以人工巡查、看守為主，在個(gè)別重大工點(diǎn)采用地面?zhèn)鞲性O(shè)備開展監(jiān)測(cè)。如王珣[2]在2016年川黔線“6·28”裁縫巖滑坡災(zāi)害后，基于西原模型的變形預(yù)警判據(jù)，建立了一套滑坡智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)；佘小年[3]對(duì)國(guó)內(nèi)外崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法、基本特點(diǎn)及適用范圍等進(jìn)行了綜述；馮海燕[4]論述了災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)路局中心的架構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)要求；魏少偉[5]從天基、空基、陸基等方面簡(jiǎn)述了各類地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及適用性；杜釗鋒[6]介紹了通過(guò)遠(yuǎn)程非接觸式地基SAR開展地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)預(yù)警的應(yīng)用案例。中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害防治工程行業(yè)協(xié)會(huì)于2018年發(fā)布了《突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)指南(試行)》[7]，其規(guī)定的監(jiān)測(cè)方法以地面監(jiān)測(cè)設(shè)備為主，雖對(duì)應(yīng)急工作流程較為明確，但并未提出相關(guān)災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)。

總體來(lái)說(shuō)，圍繞我國(guó)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)能力建設(shè)，相關(guān)學(xué)者在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)、響應(yīng)能力評(píng)價(jià)、應(yīng)急預(yù)案編制等方面做了大量研究。然而在鐵路領(lǐng)域，針對(duì)上述研究的集成應(yīng)用及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)尚未完成，因此，建立一套空基(GIS、InSAR、北斗等)、天基(無(wú)人機(jī)傾斜攝影、機(jī)載LIDAR等)、地基(SAR、三維激光掃描、地面?zhèn)鞲性O(shè)備等)多傳感協(xié)同監(jiān)測(cè)的鐵路突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)提升我國(guó)鐵路地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)能力非常重要。

1 項(xiàng)目概況

1.1 災(zāi)害概況

2019年7月28日涼山州甘洛縣連降暴雨，降雨持時(shí)30 h，最大小時(shí)降雨量達(dá)77.8 mm，總降雨量164.2 mm。成昆鐵路K310+857～K311+000兩條沖溝內(nèi)爆發(fā)坡面型泥石流病害、K311+140坡面發(fā)生高位淺表溜坍，泥石流堆積體上道淹沒(méi)線路，造成鐵路運(yùn)輸中斷，見圖1。經(jīng)過(guò)鐵路部門晝夜搶修，8月2日恢復(fù)通車。2019年8月14日12時(shí)35分，該區(qū)間K310+840處再次發(fā)生高位巖體崩塌，導(dǎo)致成昆鐵路斷道并造成人員傷亡。

圖1 成昆鐵路K310崩塌病害段

崩塌災(zāi)害段地處涼山州甘洛縣埃岱鎮(zhèn)境內(nèi)，屬中山河谷地貌，地形高陡，海拔高程1 120～1 650 m，高差530 m，自然坡度35°～60°。K310+668～K311+232線路區(qū)段位于巖岱1號(hào)隧道出口至巖岱3號(hào)隧道進(jìn)口之間，段內(nèi)以路基及橋梁形式通過(guò)，共有橋梁2座，合計(jì)156 m，其余段落為路基。崩塌體沿線路方向?qū)挾绕骄?0 m，后緣與線路高差約200 m，方量達(dá)3萬(wàn)余m3。

該病害段分布有馬拉哈斷層、次生支斷層-馬廠斷層、阿比依斷層。地表上覆粉質(zhì)黏土、碎塊石土，下伏基巖為白云巖、灰?guī)r、砂巖。該區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。在“5.12”“4.20”兩次四川大地震中，甘洛縣均為重災(zāi)區(qū)，兩次地震對(duì)甘洛縣整體地質(zhì)環(huán)境影響較大。綜上所述，地震造成病害坡體整體穩(wěn)定性降低，再加之連續(xù)強(qiáng)降雨入滲增加坡體自重且軟弱巖體結(jié)構(gòu)面，誘發(fā)了本次高位崩塌突發(fā)災(zāi)害。

1.2 整治措施

為盡快搶通成昆鐵路，在結(jié)合成昆鐵路K310處地形與地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用噴錨網(wǎng)、錨桿(索)框架梁、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、截排水溝坡面整治(圖2)與隧道改線繞避相結(jié)合的工程整治方案。整治完成后臨時(shí)恢復(fù)鐵路客貨運(yùn)輸，待2020年4月隧道完成后實(shí)現(xiàn)鐵路改線。

圖2 崩塌坡面整治斷面(單位：m)

為確保整治工程的施工安全，保障成昆鐵路安全運(yùn)營(yíng)，避免再次造成人員重大傷亡。采用“空-天-地”多傳感協(xié)同的應(yīng)急監(jiān)測(cè)手段，實(shí)時(shí)掌握坡面變形發(fā)展趨勢(shì)及異物上道情況，為施工期及臨通期的安全提供保障。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為確保多源數(shù)據(jù)的融合展示與高效集中管理，確保監(jiān)測(cè)預(yù)警信息第一時(shí)間發(fā)布，提供可實(shí)現(xiàn)“空-天-地”數(shù)據(jù)融合展示的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與終端。

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由中心系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。中心系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)備(服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)備、監(jiān)測(cè)終端等)與軟件系統(tǒng)(操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件等)，傳輸網(wǎng)絡(luò)包括通信專用傳輸網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2.1.2 “空-天-地”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)[8]實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變頻采集，搭建了多源異構(gòu)海量監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了傾斜攝影模型網(wǎng)絡(luò)化加載、多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)訪問(wèn)、預(yù)警信息的推送發(fā)布等功能。提供了可供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在線瀏覽的桌面應(yīng)用程序(圖4)與移動(dòng)終端(圖5)，并支持監(jiān)測(cè)報(bào)表在線瀏覽及導(dǎo)出。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)PC端應(yīng)用

圖5 移動(dòng)終端程序

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

為保障搶險(xiǎn)施工期間施工安全及臨時(shí)搶通期列車運(yùn)營(yíng)安全，采用“空-天-地”多傳感協(xié)同的應(yīng)急監(jiān)測(cè)手段，開展區(qū)域病害監(jiān)測(cè)、坡面變形監(jiān)測(cè)與異物上道監(jiān)測(cè)工作。首先，采用三維傾斜攝影測(cè)量手段對(duì)整個(gè)災(zāi)害區(qū)段進(jìn)行航拍，以準(zhǔn)確掌握高位隱蔽災(zāi)害點(diǎn)情況，指導(dǎo)后續(xù)傳感設(shè)備布設(shè)；然后，通過(guò)地基SAR對(duì)坡體整體變形情況進(jìn)行掃描，確定潛在變形發(fā)展區(qū)域，進(jìn)而結(jié)合三維地形及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，有針對(duì)性地布設(shè)北斗監(jiān)測(cè)站及裂縫計(jì)等相關(guān)坡面變形監(jiān)測(cè)設(shè)備；最后，在坡面和軌道附近布設(shè)具有異物入侵探測(cè)功能的智能視頻識(shí)別設(shè)備，用以對(duì)上道侵限實(shí)時(shí)報(bào)警。

2.2.1 區(qū)域病害監(jiān)測(cè)

采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影對(duì)崩塌坡體進(jìn)行航拍，通過(guò)對(duì)三維影像的人工對(duì)比分析[9](圖6)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)新增高位隱蔽災(zāi)害點(diǎn)。

圖6 多期無(wú)人機(jī)傾斜攝影模型對(duì)比

2.2.2 坡面變形監(jiān)測(cè)

坡面變形監(jiān)測(cè)分為整體變形監(jiān)測(cè)和局部重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)。

(1)整體變形監(jiān)測(cè)

坡面整治期間采用地基SAR雷達(dá)掃描整個(gè)坡體，確定重點(diǎn)變形區(qū)域，并據(jù)此按斷面劃分布設(shè)反光標(biāo)靶點(diǎn)(圖7)，對(duì)坡表位移開展變形監(jiān)測(cè)。

(2)局部重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)

在坡體存在致災(zāi)物質(zhì)來(lái)源隱患處布設(shè)北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)坡面絕對(duì)變形，共計(jì)布設(shè)4處；在1區(qū)崩塌體后緣及2區(qū)坡面裂縫發(fā)育地段布設(shè)裂縫計(jì)，用以監(jiān)測(cè)重點(diǎn)區(qū)域裂縫、錯(cuò)臺(tái)變形發(fā)展情況，具體布設(shè)點(diǎn)位見圖7。

圖7 監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)示意

2.2.3 異物上道監(jiān)測(cè)

為保障坡面施工和臨時(shí)通車安全，在坡面和鐵路沿線共計(jì)布設(shè)12臺(tái)高清球機(jī)，具體布設(shè)點(diǎn)位見圖7?；谏疃葘W(xué)習(xí)框架，實(shí)現(xiàn)了具有多任務(wù)分類和目標(biāo)定位的視頻識(shí)別，從而對(duì)侵入軌道的物體精準(zhǔn)識(shí)別(圖8)，輔助相關(guān)部門及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情。

圖8 異物上道檢測(cè)

按照“無(wú)人機(jī)傾斜攝影—地基雷達(dá)—視頻—裂縫計(jì)—北斗”順序完成了各項(xiàng)監(jiān)測(cè)實(shí)施，具體見圖9。

圖9 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝完成效果

2.3 監(jiān)測(cè)周期及頻率

監(jiān)測(cè)周期為2019年9月9日至2020年4月底改線工程完成，根據(jù)各監(jiān)測(cè)設(shè)備功能特點(diǎn)并結(jié)合實(shí)際預(yù)警指標(biāo)時(shí)效性需求，制定具體監(jiān)測(cè)頻率，如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)頻率

2.4 預(yù)警指標(biāo)

滑坡、崩塌的預(yù)警指標(biāo)主要包括以下幾類：外界誘發(fā)因素、變形、內(nèi)部應(yīng)力及巖土破裂特性。內(nèi)部應(yīng)力預(yù)警方面，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究通過(guò)在坡體內(nèi)部安裝錨索并監(jiān)測(cè)滑動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)臨滑預(yù)報(bào)[10-11]，也有研究通過(guò)高精度的聲波、微震等傳感器定位脆性巖石破裂過(guò)程中產(chǎn)生的聲波信號(hào)[12-13]，該類預(yù)警指標(biāo)尚處探索階段。因此，基于變形的滑坡、崩塌預(yù)警指標(biāo)仍是目前為止最為常見、最為有效的。

另外，由于降雨是誘發(fā)本次災(zāi)害的主要因素，現(xiàn)對(duì)災(zāi)害發(fā)生前、災(zāi)害發(fā)生時(shí)、災(zāi)害發(fā)生后監(jiān)測(cè)期間的降雨情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。并結(jié)合白永峰[14]統(tǒng)計(jì)的成昆鐵路甘洛段歷史泥石流暴發(fā)時(shí)降雨數(shù)據(jù)，確定了圖10紅色虛線所示臨界降雨強(qiáng)度包絡(luò)界限，若超出該包絡(luò)界限表示災(zāi)害發(fā)生概率較大，其包絡(luò)線可用式(1)表示

圖10 泥石流暴發(fā)臨界降雨強(qiáng)度

x2+y2=40 (x≥y，y>0)

(1)

式中，x為日降雨量；y為小時(shí)降雨量。

從圖10可以明顯看出，災(zāi)害發(fā)生后監(jiān)測(cè)期間降雨量指標(biāo)遠(yuǎn)小于災(zāi)害發(fā)生前與災(zāi)害發(fā)生時(shí)雨量的臨界值，表明監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)由于降雨誘發(fā)二次災(zāi)害的可能性很小。

臨時(shí)搶通期間鐵路運(yùn)營(yíng)發(fā)車頻次較密(15～20 min)，預(yù)警指標(biāo)必須具備實(shí)時(shí)性。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了累積變形、變形速率、速率倒數(shù)、加速度等各種臨滑預(yù)報(bào)模型[15-19]，其實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性、適用性均存在一定不足。本次采用王珣等[2，20]以西原模型為基礎(chǔ)建立的基于等速變形速率的臨滑位移切線角分級(jí)預(yù)警模型與小時(shí)變形速率作為雙控預(yù)警指標(biāo)?？紤]汛期強(qiáng)降雨是引發(fā)崩塌、坡面溜坍、坡面泥石流等災(zāi)害的重要誘因，因此，采用式(1)包絡(luò)界限作為輔助指標(biāo)，表2中相應(yīng)預(yù)警等級(jí)將自動(dòng)升級(jí)。

表2 變形速率分級(jí)預(yù)警指標(biāo)

3 監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 降雨量分析

對(duì)2019年9月18日至2020年4月30日的日降雨量及累積降雨情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖11所示，可以看出，監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)未出現(xiàn)降雨超標(biāo)，最大日降雨量為22.03 mm，累積降雨量為177.3 mm，監(jiān)測(cè)期間降雨主要集中在9、10月份及2、3月份。

圖11 日降雨量及累積降雨情況統(tǒng)計(jì)

3.2 變形監(jiān)測(cè)分析

(1)地基SAR區(qū)域形變監(jiān)測(cè)

根據(jù)工程整治方案，崩塌災(zāi)害發(fā)生后需對(duì)崩塌體進(jìn)行分級(jí)，開挖放坡并采用錨桿(索)加固，開挖卸荷后下方臨空面更為陡峭，崩塌體后緣存在二次崩塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，因此，重點(diǎn)對(duì)崩塌體后緣地表變形開展分析。圖12為崩塌區(qū)域坡體清方期間變形云圖，可以看出，清方區(qū)域與變形云圖中顯示大變形區(qū)域完全吻合，表明該手段用于區(qū)域變形分析可行。

圖12 地基SAR位移云圖

為增強(qiáng)雷達(dá)回波反射強(qiáng)度，在崩塌體上方1-1斷面共計(jì)布設(shè)3處反光標(biāo)靶，自上到下依次為1-1-1～1-1-3，其變形歷時(shí)曲線及小時(shí)變形速率歷時(shí)曲線見圖13。坡體開挖期間后緣變形量出現(xiàn)小幅持續(xù)增長(zhǎng)，10月22日坡體清方完畢后，變形逐漸趨于平穩(wěn)。另外，從圖11可以看出，期間累積降雨也是坡體變形的誘發(fā)因素之一。坡體開挖期間共有2次觸發(fā)速率超標(biāo)報(bào)警，其中，“巡查”報(bào)警、“限速”報(bào)警各1次。分析報(bào)警原因?yàn)榻涤昙捌旅骈_挖綜合影響導(dǎo)致，尤其“限速”報(bào)警是發(fā)生在一輪小規(guī)模強(qiáng)降雨期間。將坡體開挖期間后緣變形視為勻速變形階段，對(duì)坡體開挖完成臨時(shí)通車后的改進(jìn)切線角實(shí)時(shí)計(jì)算，根據(jù)表2預(yù)警準(zhǔn)則未出現(xiàn)超標(biāo)報(bào)警。

圖13 崩塌體后緣變形情況

2020年10月25日，運(yùn)營(yíng)單位結(jié)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開展應(yīng)急演練后開通了貨運(yùn)列車，12月2日崩塌坡體整治完成后，恢復(fù)了客運(yùn)列車通行。2020年3、4月份出現(xiàn)了新一輪較強(qiáng)降雨，坡體位移并未出現(xiàn)增長(zhǎng)，表明坡面加固有效提高了邊坡穩(wěn)定性。2020年4月30日，改線工程全部完成，至此成昆鐵路K310區(qū)段改線繞行通過(guò)該病害區(qū)域。

(2)北斗高精度三維變形監(jiān)測(cè)

北斗監(jiān)測(cè)站于2019年10月27日正式投入使用，經(jīng)過(guò)5d的累積接收數(shù)據(jù)補(bǔ)償解算后，誤差得到有效控制，各北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量及變形速率如圖14所示。截至2020年4月30日，最大變形點(diǎn)位G03#累積變形量為6.7 mm，最大變形速率為0.66 mm/h，4處北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)變形速率超標(biāo)。

圖14 北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

(3)地表裂縫計(jì)

地表裂縫計(jì)自2019年9月17日陸續(xù)投入使用，共計(jì)39臺(tái)。圖15所示為截止2020年4月30日各地表位移計(jì)累積變形量，裂縫最大變形量約3 mm，未出見局部裂縫持續(xù)開展及閾值超標(biāo)情況。

圖15 地表裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)

4 結(jié)論

(1)采用北斗、無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量、地基SAR、智能視頻等“空-天-地”多傳感協(xié)同監(jiān)測(cè)手段，對(duì)成昆鐵路K310崩塌災(zāi)害體開展立體化監(jiān)測(cè)，體現(xiàn)了“點(diǎn)面結(jié)合，立體化防護(hù)”的應(yīng)急監(jiān)測(cè)理念，并搭建了支持多源異構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)預(yù)警可靠性得以保證。

(2)針對(duì)定量預(yù)報(bào)模型存在適宜性差、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度不高等缺點(diǎn)，建立了考慮降雨強(qiáng)度的雙控位移預(yù)警指標(biāo)，可滿足鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)部門對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性的高要求。

(3)至2020年4月30日改線工程完成通車，搶險(xiǎn)監(jiān)測(cè)周期累積近8個(gè)月，系統(tǒng)未出現(xiàn)誤報(bào)或漏報(bào)，有效保障了搶險(xiǎn)施工期作業(yè)人員安全及臨時(shí)開通期運(yùn)營(yíng)安全，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似鐵路突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害搶險(xiǎn)工程參考借鑒。