蘭素戀，潘 前，張黎明

(1.廣西交通職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530023；2.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

廣西地質(zhì)環(huán)境條件復雜，是全國7個地質(zhì)災害多發(fā)省區(qū)之—?！笆奈濉逼陂g，廣西新建高速公路將會超過5 000 km，高速公路建設會維持一個高速發(fā)展的狀態(tài)，新建高速公路不斷向山區(qū)延伸，地質(zhì)條件更加復雜，邊坡規(guī)模不斷增大，邊坡坡度更加陡峻。如何有效地保證邊坡的穩(wěn)定，掌握邊坡的發(fā)展狀態(tài)，把邊坡崩塌、滑坡產(chǎn)生的后果降到最小，最大可能地保護人民和過往車輛的安全，是巖土工程界的專家學者越來越重視的問題[1]。自然邊坡的巖土體結構在施工前，其內(nèi)部結構經(jīng)過長期的沉積處于穩(wěn)定狀態(tài)，而高速公路施工中的放坡開挖必然導致邊坡巖土體內(nèi)部應力失衡，在雨水、風吹日曬和施工擾動作用下，容易誘發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災害，因此對開挖后的人工邊坡及滑坡等地質(zhì)災害開展及時、有效的監(jiān)測與預警是十分必要的[2]，對開挖形成的人工邊坡采取高效科學的監(jiān)測，及時反映坡面和坡體內(nèi)部的真實應力及應變狀態(tài)顯得尤為關鍵[3]。

常規(guī)邊坡變形監(jiān)測主要通過一些比較成熟的非自動化監(jiān)測儀器設備對邊坡進行監(jiān)測[4]，過去的幾十年，我國的邊坡監(jiān)測技術發(fā)生了巨大的變化，由純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)向自動化、智能化的方向發(fā)展。盡管國內(nèi)外的學者、專家對邊坡進行了大量的理論研究和探索[5-7]，但仍有許多邊坡問題需要完善。公路和鐵路呈線性帶狀結構穿行于地表及地殼淺表層[8]，其邊坡具有沿路線呈點狀分布、地質(zhì)條件變化快、數(shù)量多的特點[9]，邊坡的安全、穩(wěn)定性與地表巖土體的工程特性、地質(zhì)環(huán)境的改變和人為活動等因素密切相關。傳統(tǒng)的日常巡查、測量等監(jiān)測手段完全依賴人的能動性和專業(yè)能力，無法滿足高速公路對于監(jiān)測的精度和時效要求。如何針對廣西特殊的地質(zhì)條件和高速公路建設的特點，研發(fā)一套適合廣西高速公路高邊坡監(jiān)測的預警系統(tǒng)，對“十四五”廣西高速公路及相關工程建設而言意義重大。

鑒于邊坡工程狀態(tài)監(jiān)測對其建設過程及運營風險控制具有重要意義，現(xiàn)有監(jiān)測量以地表位移、深部位移及降雨量三者為主[10]，本文以在建的巴馬至平果高速公路(以下簡稱巴平高速公路)為依托，采用位移自動監(jiān)測機器人、GNSS及自動化深層位移監(jiān)測獲得開挖過程中邊坡位移變化規(guī)律，建立全方位自動化智能邊坡監(jiān)測預警系統(tǒng)，并應用于巴平高速公路某特殊性巖土深挖邊坡的監(jiān)測與預警。

1 依托工程概況

巴平高速公路是《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2018—2030年)》規(guī)劃省際通道“縱10”的重要組成部分，屬自治區(qū)重點建設項目。項目總投資約140億元，主線里程長75.088 km，采用雙向六車道高速公路標準，設計速度為120 km/h，路基寬度為34 m。線路穿越桂西南山嶺重丘區(qū)，地形崎嶇、地質(zhì)條件復雜，具有密集高邊坡的特點，實施技術難度大。

如下頁圖1所示，巴平高速公路K41+870～K42+290段右側邊坡地處剝蝕丘陵地貌，研究區(qū)海拔235～391 m，相對高差20～130 m，自然斜坡坡度約為35°～50°。邊坡最大高度為57 m，上覆厚約6.4 m第四系坡殘積黏土，下伏三疊系上統(tǒng)(T3)泥巖，薄-中厚層狀構造，巖體破碎。巖層產(chǎn)狀為80°NW∠25°。邊坡分五級放坡，邊坡坡率為1∶1.0～1∶1.25，以巖質(zhì)坡為主，坡向約15°，巖層傾向與邊坡坡向交角約25°，屬順向緩傾角域，對邊坡穩(wěn)定不利，且坡頂?shù)匦屋^陡，域體巖層破碎，結構面眾多，完整性差。在強降雨、陡坡率或施工不當?shù)那闆r下易出現(xiàn)沿順向結構面(節(jié)理、裂隙)產(chǎn)生的局部楔形體破壞和掉塊。

圖1 K41+870～K42+290段右側邊坡平面圖

2 自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)概況

自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)主要由以下三部分組成(見圖2)：

(1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：由位移傳感器、數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)傳輸模塊及防雷供電系統(tǒng)組成。

(2)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：將各個采集節(jié)點得到的數(shù)據(jù)通過北斗及GNSS通信模式匯聚到數(shù)據(jù)處理中心。

(3)數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)：部署在云端的接收程序完成數(shù)據(jù)存取，并通過Geomos等數(shù)據(jù)處理軟件完成數(shù)據(jù)整理。

圖2 自動化監(jiān)測預警方案框架圖

2.1 主要的設備類型

監(jiān)測中主要用到的設備為CX-03活動式測斜儀、Leica高精度監(jiān)測儀器、軟件Geomos、數(shù)顯液塑限聯(lián)合測定儀、GNSS遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)、水準儀和雨量計等。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

2.2.1 地表位移監(jiān)測

既有研究指出，邊坡坡腳、坡頂位移增量隨逆作法逐級卸荷而增大，具備明顯應力重分布特征[11]，因此繪制邊坡整體位移監(jiān)測圖像，對評估邊坡時空狀態(tài)和應變狀態(tài)較為重要，有利于指導邊坡工程后續(xù)防護結構施工時機。位移監(jiān)測分為一般點及關鍵點，具體布設位置如圖3所示。一般點(編號為JC0-1～JC3-3)在邊坡平臺上設置固定防水高強反射棱鏡，并使用Leica高精度監(jiān)測機器人(見圖3)進行觀測，數(shù)據(jù)結果由Geomos軟件進行數(shù)據(jù)處理分析，在關鍵的變形監(jiān)測點HS1、HS2、HS3采用GNSS遠程自動化監(jiān)測進行24 h不間斷監(jiān)測。

2.2.2 深層位移監(jiān)測

測斜儀器選用CX-03活動式測斜儀，采用測傾角變化的鉆孔測斜法，主要監(jiān)測邊坡水平方向的深層變形。K41+870～K42+290段右側邊坡測斜孔垂直布置在邊坡最大開挖面中后緣，CX1-1鉆孔孔底進入路基底標高(深度為33 m)，CX1-2鉆孔孔底進入潛在滑動面以下3 m(深度為30 m)。邊坡監(jiān)測方案如圖3所示。

2.3 監(jiān)測精度要求

根據(jù)《工程測量通用規(guī)范》(GB55018-2021)中土質(zhì)邊坡監(jiān)測的精度要求，邊坡監(jiān)測水平位移監(jiān)測點中誤差為±12 mm；垂直位移監(jiān)測的高程中誤差為±10 mm；對剛性結構的部位，相應精度提高一倍。

圖3 K41+870～K42+290段右側邊坡監(jiān)測方案示例圖

2.4 監(jiān)測頻率

施工開挖階段地表監(jiān)測點每日觀測1次，完成施工后坡面相對穩(wěn)定后逐漸減小監(jiān)測頻率。深層測斜監(jiān)測的頻率為10～15 d 觀測1次，遇強降雨及突發(fā)性暴雨或出現(xiàn)監(jiān)測異常值時應增加觀測次數(shù)。高精度監(jiān)測機器人的頻率為每周觀測1次，遇強降雨及突發(fā)性暴雨應增加觀測次數(shù)，若變形明顯加大，應持續(xù)監(jiān)測。GNSS遠程自動化監(jiān)測為24 h不間斷觀測。對施工過程中有失穩(wěn)危險的邊坡，應持續(xù)觀測至工程運營后1年。

2.5 監(jiān)測標準

監(jiān)控標準為最大位移速率<5 mm/d、累積位移<6 cm，坡面、坡頂無開裂。實際監(jiān)測過程中如果出現(xiàn)位移速率大于指標或出現(xiàn)裂縫，應及時對各項監(jiān)測內(nèi)容作綜合分析，討論邊坡的穩(wěn)定性，以便及早發(fā)現(xiàn)安全隱患情況，采取相應的補救措施。

3 監(jiān)測結果分析

3.1 地表位移預警標準

邊坡監(jiān)測點預警標準如表1所示，邊坡監(jiān)測點橙色警戒標準為：最大位移速率7.2 mm/d≤V<1.44H/500 mm/d(H為坡高)，路面、坡面、周邊基礎設施出現(xiàn)新的裂縫。

表1 邊坡監(jiān)測點預警標準表

3.2 地表位移監(jiān)測結果

截至2021-07-31，日平面變形速率最高達2.7 mm/d(2021-03-19)，日垂直變形速率最高達-1.0 mm/d(2021-04-08)，平面最大累積變形量為18.0 mm(JC0-1)，垂直最大累積變形量為-10.0 mm(JC0-1，JC2-1)，各監(jiān)測點地表監(jiān)測平面累積變化量、地表監(jiān)測高程累積變化量分別如下頁圖4、圖5所示。

3.3 深層位移監(jiān)測結果

CX1-2孔6月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)波動較大，且在埋深12 m 位置出現(xiàn)位移突變，但突變量較小，僅為4 mm，CX1-1、CX1-2孔累計位移分別如下頁圖6、圖7所示。

3.4 監(jiān)測結果分析

由圖4和圖5可知，K 41+870～K 42+290段右側邊坡平面累積變化量均<20.0 mm，其中7月上旬坡體位移相對穩(wěn)定，位移速率最大為2.24 mm/d；7月下旬坡體位移變化較明顯，結合現(xiàn)場施工情況及天氣狀況可知，該階段變化的原因主要是降雨，地表高程累積變化量均<10.0 mm，且相對穩(wěn)定。

由圖6和圖7可知，深層位移監(jiān)測曲線的變化幅度均較小(≤10 mm)，最大變形速率<0.6 mm/d，CX1-2孔6月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)波動較大且出現(xiàn)位移突變，分析原因應是測斜管周圍填埋的砂土由于雨水滲入出現(xiàn)松動，導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)小幅度波動。

水平、深層位移波動范圍在允許值范圍內(nèi)，說明邊坡現(xiàn)階段處于穩(wěn)定狀態(tài)，基本沒有滑動趨勢。建議對該邊坡及時進行防護，做到開挖一級、防護一級、監(jiān)測一級，局部水毀的邊坡可噴射混凝土，在雨季時應增加監(jiān)測頻率。

3.5 雨量監(jiān)測結果

“十滑九水”，水會加劇邊坡崩塌、滑坡等災害的發(fā)生，因此需要對邊坡周圍降雨量進行在線監(jiān)測，以此來判斷邊坡變形災變的可能性[12]。

根據(jù)2021年7月份降雨量監(jiān)測結果，降雨量<0.25 mm/h，降雨未造成巖體抗滑力的下降，由此判定邊坡施工階段的工作狀態(tài)安全可靠。

圖4 地表監(jiān)測平面累積位移變化量曲線圖(mm)

圖5 地表監(jiān)測高程累積位移變化量曲線圖(mm)

圖6 CX1-1孔累積位移曲線圖(mm)

圖7 CX1-2孔累積位移曲線圖(mm)

4 結語

本文提出了一套全新的自動化監(jiān)測預警方案，并在廣西巴平高速公路邊坡進行了實踐應用，主要研究結論如下：

(1)搭建的自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)成功對地表位移、深層位移和降雨量進行了記錄，數(shù)據(jù)可靠度高，可用于邊坡穩(wěn)定性分析。

(2)地表和深層位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)均在安全預警值范圍以內(nèi)，該高速公路邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)降雨極易引發(fā)邊坡地質(zhì)災害，該監(jiān)測系統(tǒng)對降雨進行了實時監(jiān)測，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

(4)該系統(tǒng)僅監(jiān)測了路基邊坡施工期的各個變形與降雨指標，后期將繼續(xù)監(jiān)測運營期間的各個技術指標，為高速公路安全運營提供技術支持。