劉傳俊

（華設設計集團股份有限公司,江蘇 南京 210006）

0 引言

高邊坡支護是公路路基施工中采取的主要防護措施，不同的邊坡環(huán)境所選取的支護結(jié)構(gòu)類型較多，傳統(tǒng)的高邊坡變形、內(nèi)力監(jiān)測技術(shù)多采取人工測量。信息化監(jiān)測技術(shù)的應用能夠有效地減少人工成本，確保邊坡指標變化的準確性。高邊坡自動化監(jiān)測主要是掌握邊坡巖土體在外界復雜環(huán)境下各項力學指標的發(fā)展規(guī)律，為邊坡安全預警提供數(shù)據(jù)支撐。高邊坡監(jiān)測內(nèi)容主要為支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測、坡體位移監(jiān)測、巖土體破碎監(jiān)測、水壓力監(jiān)測等。高邊坡信息化監(jiān)測預警系統(tǒng)能夠?qū)崟r動態(tài)地對邊坡巖土體位移、應力變化進行監(jiān)測，能夠確保公路項目長期穩(wěn)定運行。

1 工程概況

南京市某二級公路K2+200隧洞明洞施工處存在三級巖質(zhì)高邊坡，坡寬46 m，坡高35～40 m，整體坡度分布在45°～50°，坡頂高程分布在720～730 m之間。經(jīng)過現(xiàn)場勘查可知，坡體巖層由上至下為：上層主要由軟弱-半堅硬砂巖構(gòu)成，厚度39 m，呈紅褐色，表層風化較為強烈，具備發(fā)育較為明顯的裂隙、節(jié)理；下層則主要為中風化、弱風化砂巖，厚度分別達到了4 m、25 m。巖土體力學性質(zhì)如表1所示。現(xiàn)場該邊坡1～3級開挖坡度分別為1∶1.25、1∶1、1∶1，2 m邊坡平臺，開挖深度分別為12 m、10 m、16 m，整體開挖深度為38 m。施工單位開挖過程中，該邊坡上部巖土體裂隙出現(xiàn)擴展貫通趨勢，且坡腳位置出現(xiàn)局部坍塌，擬采取預應力錨索樁板墻結(jié)構(gòu)進行邊坡支護處理[1]。其中，板樁墻的巖體嵌固深度設計為6 m，支護高度設計為12 m，樁身為方形截面（寬1.5 m），采取厚度0.3 m的鋼筋混凝土板進行整體厚度1.5 m板樁墻現(xiàn)澆施工，板樁墻間距6 m；坡面采取截面尺寸為0.3 m×0.4 m的鋼筋混凝土格構(gòu)梁進行防護，格構(gòu)大小為3 m×3 m；預應力錨索布置水平間距1.2 m，錨索長度15 m，坡面斜長間距1.5 m，布置傾角15°，拉力設計值180 kN。高邊坡開挖剖面示意圖如圖1所示。項目組為評價支護效果，對該支護形式下開展關(guān)鍵指標（坡體水平位移、支護內(nèi)力）的動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測周期設定為施工期間3 d/次，施工結(jié)束后1周/次，雨雪期間則需要加密監(jiān)測[2]。

圖1 邊坡開挖示意圖（單位：m）

表1 巖土體力學參數(shù)

2 邊坡自動化監(jiān)測預警設計

2.1 監(jiān)測預警系統(tǒng)設計

項目設計邊坡智能監(jiān)測預警系統(tǒng)包括以下幾個部分：數(shù)據(jù)處理云平臺、數(shù)據(jù)中心、供電支持模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、傳感器采集模塊。其中，傳感器采集模塊包括鋼筋應力計、位移計套件及關(guān)聯(lián)設備；供電支持模塊則包括蓄電池和太陽能板，主要發(fā)揮保護及供電作用；數(shù)據(jù)傳輸模塊則包括采集箱、網(wǎng)絡系統(tǒng)等部分，采集箱進行數(shù)據(jù)采集之后需要通過蜂窩網(wǎng)絡或DTU進行數(shù)據(jù)中心的傳遞發(fā)送；數(shù)據(jù)中心對接收數(shù)據(jù)進行前期歸一、解析；云平臺則可以對實時動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行主觀展示，關(guān)鍵指標數(shù)據(jù)一旦超過設定閥值，則產(chǎn)生預警，并發(fā)送給相關(guān)負責人。

2.2 水平位移監(jiān)測

2.2.1 儀器

為確保該支護方案邊坡加固效果的有效性，項目選取坡體水平位移作為自動化監(jiān)測重要指標?，F(xiàn)場水平位移監(jiān)測儀器為位移計套件，型號JMDL-3210A。位移計安裝如下：采用單點位移計，埋入式電測位移傳感器需要套上錨頭、PVC管，并且和拉桿相互銜接，該埋入式電感智能位移計靈敏度0.01 mm，合適溫度范圍為0～50 ℃；位移計本體需要固定在支護結(jié)構(gòu)冠梁、格構(gòu)梁周圍。位移計安裝中需要事先埋設PVC螺紋套管對測桿進行保護，以此避免測桿和周圍環(huán)境接觸產(chǎn)生的測量誤差[3]。

2.2.2 測點布置

埋入式單點位移傳感器布置在錨索端頭位置，錨頭則要進行穩(wěn)定巖體錨固，位移計本體錨固到支護結(jié)構(gòu)上，傳感器和位移計本體需要通過拉桿相互連接，位移計頂部由導線接入數(shù)據(jù)采集箱。水平位移監(jiān)測儀器安裝時需要選取無雪、雨等天氣，其中每級邊坡單點位移計布置間距為4 m，測量監(jiān)測點位需要合理選取，項目選取5個單點位移計，由上至下序號分別為1#～5#，整體簡化布置示意圖如圖2所示。單點位移計錨頭在巖體中錨固，位移計本體則固定在支護結(jié)構(gòu)上。位移計本體和錨頭之間產(chǎn)生位移變化時，測桿和傳感器線圈之間的移動量可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過發(fā)送接收后則可以轉(zhuǎn)換為可讀、可視信號。另外，在邊坡附近較為穩(wěn)定處需要設置GPS基站，實現(xiàn)邊坡水平位移的動態(tài)監(jiān)控，獲取精度較高的準確數(shù)據(jù)。

圖2 水平位移監(jiān)測點布置

2.3 支護樁縱筋應力監(jiān)測

2.3.1 儀器及布置

項目對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)展變化開展自動化監(jiān)測，對樁縱筋應力進行鋼筋應力計監(jiān)測。鋼筋應力計安裝方法如下：采取焊接、綁扎方式將其固定安裝在縱筋相應位置；支護結(jié)構(gòu)的主體鋼筋安裝完成之后，施工人員依照設計點位將應力計采取匝絲固定，繼而利用電焊機固定設備至主筋上，確保連接牢固；受力主筋和應力計之間需要構(gòu)建8圓鋼筋，避免應力計在監(jiān)測階段出現(xiàn)脫落情況[4]。

2.3.2 測點布置

鋼筋應力計并聯(lián)焊接至支護樁結(jié)構(gòu)上，布置測點如圖3所示，鋼筋應力計豎向布置間距為4 m。

圖3 鋼筋應力計布置示意圖

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 變形監(jiān)測

該文采取預應力錨索樁板墻進行該巖質(zhì)高邊坡加固，支護結(jié)構(gòu)和巖體之間具備較大的摩擦力，兩者之間的黏結(jié)能力較高，加固效果良好。項目不同位置單點位移計對于坡體的水平位移監(jiān)測如圖4（a）所示，坡體由上至下分布有1#～5#位移計。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，3#位移計監(jiān)測位移從一開始的28.5 mm快速衰減至14.5 mm，這主要歸因于錨索張拉導致水平位移突變，錨索張拉節(jié)段會導致邊坡快速回縮變形，引發(fā)水平位移的快速減??；錨索張拉一段時間之后，則會產(chǎn)生預應力損失引發(fā)的松弛現(xiàn)象，水平位移得以較快增大；監(jiān)測天數(shù)達到60 d，坡體整體產(chǎn)生卸載，水平位移得以呈緩慢增大的趨勢；80 d之后的5#位移計水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)較小，這歸因于上方邊坡開挖設備移除導致的巖體回彈；圖4（b）為水平位移加速度發(fā)展變化統(tǒng)計，60 d監(jiān)測的整體位移變化加速度較為平穩(wěn)，控制在-0.02～0.03 mm/d2之間。圖4數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，1#～5#位移計的水平位移最大值小于30 mm，最大位移變化加速度控制在0.03 mm/d2，邊坡整體穩(wěn)定性加固效果較好，滿足規(guī)范允許位移閥值設定要求[5]。

圖4 監(jiān)測點位坡體水平位移變化

3.2 內(nèi)力監(jiān)測

支護樁內(nèi)力采取鋼筋應力計進行動態(tài)監(jiān)測，樁身彎矩與埋設距離在不同施工天數(shù)下的數(shù)據(jù)關(guān)系如圖5所示。結(jié)果表明，不同監(jiān)測點位的鋼筋應力計能夠較好地反映出支護樁彎矩分布情況；巖質(zhì)高邊坡開挖前期的支護樁內(nèi)力變化較為平緩，隨著開挖時間的延長，支護樁內(nèi)力變化越為明顯；監(jiān)測曲線表明，樁身在地表面以下部分主要承受壓彎矩，這主要歸因于支護樁邊坡?lián)跬羵?cè)和嵌固側(cè)均承受一定的土壓力，且支護樁承受邊坡土壓力、錨索拉力的影響程度較大，此外，支護樁承擔負摩阻力，地表以下部分主要表現(xiàn)為正彎矩；隨著施工時間的不斷延長，支護樁高度范圍內(nèi)的彎矩變化程度明顯偏大，這主要是因為邊坡穩(wěn)定性提升，樁身受力分布均勻也更加明顯；樁端的彎矩值保持在-10 kN·m附近，且隨時間變化影響程度較小，由此可見，樁端的應力分布幾乎不受到外界施工環(huán)境的影響；支護樁頂?shù)膹澗刂涤休^大變化，且整體表現(xiàn)為負彎矩，這歸因于巖體邊坡開挖導致樁頂受力擾動不均所導致。整體上，樁身穩(wěn)定性得到滿足，支護效果良好[5]。

圖5 支護樁樁身彎矩變化曲線

4 總結(jié)

巖體高邊坡的數(shù)量隨著公路建設的發(fā)展而不斷增多，高填方巖體邊坡開挖支護的自動化監(jiān)測預警設計不僅能夠準確地開展現(xiàn)場關(guān)鍵指標的測定，而且對于后續(xù)邊坡維護也有重要指導作用。該文結(jié)合南京市某二級公路巖體邊坡開展支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、坡體位移的現(xiàn)場檢測，獲取以下結(jié)果：巖體邊坡在錨索張拉段具備較高穩(wěn)定性（最小水平位移14.5 mm）；邊坡60 d的整體位移變化加速度控制在-0.02～0.03 mm/d2之間，可靠性較高；施工開挖初期，支護樁彎矩變化幅度偏小，樁端的彎矩值幾乎保持不變（-10 kN·m）；支護樁地表呈受拉彎矩，地表以下為壓彎矩。