吳家忠

（成蘭鐵路有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引言

在高速鐵路工程中，通過路塹高邊坡、路堤高邊坡水平位移、深層位移監(jiān)測(cè)，錨固結(jié)構(gòu)、支擋結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)及其數(shù)據(jù)分析，適時(shí)跟蹤高邊坡變形情況及其結(jié)構(gòu)受力情況，科學(xué)開展高邊坡信息化設(shè)計(jì)、信息化施工，為動(dòng)態(tài)評(píng)估邊坡穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)調(diào)整施工方案以及優(yōu)化邊坡支擋工程措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 路基智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)原理

高邊坡坡面自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)主要包括：①路塹邊坡坡面變形監(jiān)測(cè)。②塹邊坡坡體深部位移監(jiān)測(cè)。③路塹邊坡支擋及錨固工程應(yīng)力監(jiān)測(cè)。④膨脹巖脹縮變形特性監(jiān)測(cè)。⑤路堤邊坡水平變形監(jiān)測(cè)。⑥堤邊坡支擋工程應(yīng)力監(jiān)測(cè)。⑦降雨量監(jiān)測(cè)。⑧坡體裂縫變形監(jiān)測(cè)。

高邊坡坡面自能化變形監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)包括四大部分：基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)、變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)是在穩(wěn)定點(diǎn)布置GPS 測(cè)點(diǎn)或觀測(cè)樁，測(cè)量采集的數(shù)據(jù)用來(lái)作為整個(gè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)點(diǎn)和校核點(diǎn)；變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)路塹邊坡開挖的施工進(jìn)度在邊坡巖土體表層逐級(jí)埋設(shè)相關(guān)元器件；數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸線、數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)發(fā)射裝置、太陽(yáng)能蓄電池、數(shù)據(jù)采集機(jī)箱；數(shù)據(jù)分析平臺(tái)通過接受、處理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)路塹邊坡變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)相關(guān)模型預(yù)測(cè)邊坡位移的發(fā)展情況，當(dāng)變形較大時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，以便及時(shí)處理[1]。

2 高速鐵路高邊坡路基施工

2.1 施工前的準(zhǔn)備工作

2.1.1 清除表土

根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，對(duì)該路段采用挖掘機(jī)清除表土，并將清除的表土運(yùn)抵至指定的地點(diǎn)，不得作為種植土繼續(xù)使用。

2.1.2 測(cè)量放樣

表土清除完成后，按照復(fù)測(cè)地面標(biāo)高和設(shè)計(jì)圖紙上的橫斷面樁號(hào)進(jìn)行測(cè)量放樣，確定中樁、碎落臺(tái)、邊樁和路塹頂?shù)拈_挖位置。

2.1.3 土石方開挖

（1）土石方開挖采用裝卸機(jī)配合挖掘機(jī)作業(yè)，采用通道式縱挖法施工，自身而下粉塵開挖，不亂挖、超挖、禁止掏洞取土。

（2）路塹邊坡開挖采用階梯形開挖方式，邊坡坡率按照高度的不同，分別采用1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.75。

（3）每開挖8～10m 設(shè)置一個(gè)以及碎石臺(tái)，碎石臺(tái)寬2m，并按照一定的頻率使用坡彼尺檢查邊坡坡度，及時(shí)糾正偏差。

（4）開挖時(shí)按照設(shè)計(jì)要求預(yù)留30cm 邊坡，每挖2～4m 時(shí)使用挖掘機(jī)修刮邊坡一次，確保邊坡一次成型。

2.1.4 土方開挖

（1）如果挖方地段沿線縱向地形平緩，可使用挖掘機(jī)配額自卸車開挖。

（2）沿著路線方向設(shè)置便道，便道縱坡應(yīng)保證自卸汽車空車情況下順利爬到坡頂，并于路線的左右副在設(shè)置一道便道，便于自卸車上下行駛，從高至低逐層開挖，每一層開挖深度控制在3～4m，寬度控制在8～10m。

2.1.5 石方開挖

（1）對(duì)于開挖斷邊坡高度小或者是半填半挖的地段，使用風(fēng)槍鉆眼、預(yù)裂及松動(dòng)爆破法施工（圖1）。開挖接近邊坡時(shí)，采用放小炮和人工清刷，確保邊坡表面平整穩(wěn)定。

圖1 淺孔爆破預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)

（2）對(duì)于開挖斷面大，邊坡高度高于6m 的地段，采用自上而下縱向掘進(jìn)施工法；地表巖石風(fēng)化破碎地段，采用松動(dòng)爆破法。

2.1.6 邊溝、截水溝及排水溝開挖

（1）邊溝、截水溝及排水溝開挖應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙中的要求進(jìn)行施工。

（2）溝槽應(yīng)保證排水順暢、邊坡穩(wěn)定、溝底縱坡符合設(shè)計(jì)要求，平曲線位置的溝底縱坡與其前后的溝底縱坡相銜接，曲線內(nèi)側(cè)禁止出現(xiàn)積水或者外溢現(xiàn)象。

（3）需要鋪砌的邊溝，按照設(shè)計(jì)要求，增加開挖深度和寬度。

（4）采用爆破法開挖石質(zhì)邊溝、截水溝或者排水溝時(shí)，采用小孔、輕量炸藥，超挖部分使用碎石塊填密實(shí)，突出部分鑿平即可。

（5）開挖接近坡面時(shí)，采用小炮結(jié)合人工清刷，保證邊坡穩(wěn)定及表面平順。

2.2 路基填筑施工

（1）嚴(yán)格處理高邊坡路基基底，清除不合格的地表土，使用推土機(jī)整平基底，原地面坡度大約為1∶5 的邊坡應(yīng)當(dāng)按照設(shè)計(jì)要求開挖臺(tái)階。

（2）使用重型壓路機(jī)對(duì)整平后的基底進(jìn)行碾壓，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再進(jìn)行路基填筑，路基填筑采用優(yōu)質(zhì)的填料，填筑過程中嚴(yán)格按照填料的含水量，盡量將填料的含水量控制在2%左右。

（3）注重高路基碾壓，使用推土機(jī)在邊坡初步壓實(shí)，再使用壓路機(jī)全段面靜壓1～2 次，再使用重型壓路機(jī)反復(fù)碾壓，保障路基碾壓密實(shí)，壓實(shí)度符合設(shè)計(jì)要求。

（4）注重沉降觀測(cè)，高邊坡路基應(yīng)嚴(yán)格控制填土速度，路基填筑過程中，委派專人記錄路基填筑高度和沉降量，如果觀測(cè)到沉降量高于3m、邊緣大于1.5m 時(shí)，應(yīng)立即停止填筑，待沉降穩(wěn)定后方可停止填筑[2].

3 智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)目的

（1）為準(zhǔn)確掌握高邊坡變形頻率，了解工程項(xiàng)目在建設(shè)過程中受降雨、開挖等的影響，保證工程項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量，保證高速鐵路運(yùn)行期間的安全與穩(wěn)定，因此開發(fā)了該系統(tǒng)用于高邊坡監(jiān)測(cè)。

（2）高速鐵路一般工期緊，需要快速施工，準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)信息化施工目的[3]。

3.2 監(jiān)測(cè)元器件布設(shè)安裝

（1）每個(gè)深路塹段落選擇邊坡最高部位設(shè)置一個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面。

各監(jiān)測(cè)元器件精度如表1 所示。監(jiān)測(cè)元器件使用壽命不低于6 年。

表1 監(jiān)測(cè)元器件精度

（2）GPS 測(cè)點(diǎn)。

每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置2～5 個(gè)GPS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于每級(jí)邊坡的最不利邊坡部位。

（3）深層水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置2～5 個(gè)深層水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)孔應(yīng)設(shè)在變形敏感位置，鉆孔深度結(jié)合邊坡滑動(dòng)弧面確定，潛在穩(wěn)定地層深度達(dá)到不少于5m。路塹邊坡中，潛在滑動(dòng)變形區(qū)域測(cè)點(diǎn)間距一般為2.5m，相對(duì)穩(wěn)定地層測(cè)點(diǎn)間距一般為5m。

（4）錨固樁應(yīng)力。

每個(gè)路塹高邊坡監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置1～2 個(gè)錨固樁進(jìn)行受力監(jiān)測(cè)，按照懸臂端與錨固段各2 個(gè)位置、分界面1處位置進(jìn)行設(shè)置，每根錨固樁設(shè)置5 處監(jiān)測(cè)位置，每個(gè)位置在樁背和樁前各設(shè)置1 處應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)錨固樁受力特性。

（5）錨索計(jì)。

每個(gè)路塹高邊坡監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置1～3 個(gè)錨索計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于受開挖和外界環(huán)境影響最大的部位。

（6）錨桿應(yīng)力計(jì)。

每個(gè)路塹高邊坡監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置2～7 個(gè)錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于受開挖和外界環(huán)境影響最大的部位。

（7）土壓力盒。

每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置3～4 個(gè)土壓力計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)置路塹錨固樁。

（8）多點(diǎn)位移計(jì)。

每個(gè)斷面設(shè)置2 套監(jiān)測(cè)2 種不同風(fēng)化程度的膨脹巖的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每套設(shè)置6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)深度分別為0.5m、1m、1.5m、2m、3m、4m。

（9）雨量計(jì)。

雨量計(jì)應(yīng)布置在坡體中部的較高位置處，且要求周圍環(huán)境空曠，無(wú)遮擋，以保證所采集降雨量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且有代表性。

（10）工控設(shè)備箱安裝。

工控設(shè)備箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備按照設(shè)定的頻次控制連接桿和位移計(jì)測(cè)量工作，測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過無(wú)線傳輸模組打包上傳到數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，設(shè)備箱外置的電源組線連接太陽(yáng)能供電設(shè)備，設(shè)備箱外置的天線接口連接無(wú)線發(fā)射天線。

3.3 監(jiān)測(cè)年限和頻次

（1）監(jiān)測(cè)年限：監(jiān)測(cè)工作從邊坡開挖開始，至線路開通運(yùn)營(yíng)后1 年，之后可將監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)移交運(yùn)營(yíng)部門，進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)頻次如表2 所示。

表2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)頻次

（2）正常情況下，按預(yù)定頻率監(jiān)測(cè)，當(dāng)本次變化量或累計(jì)變化量超常時(shí)，可通過數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)頻次參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定，將監(jiān)測(cè)頻率適當(dāng)加密。當(dāng)出現(xiàn)下列情況時(shí)，應(yīng)提高監(jiān)測(cè)頻率。

①監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化較大或者速率加快；②發(fā)現(xiàn)坡體有異常變化或地表裂縫增大；③超深、超長(zhǎng)開挖等違反設(shè)計(jì)工況施工；④周邊地面突發(fā)較大變形或出現(xiàn)嚴(yán)重開裂。

（3）監(jiān)測(cè)頻率還應(yīng)當(dāng)與施工進(jìn)度和工程項(xiàng)目所在區(qū)域內(nèi)的降水相適應(yīng)，對(duì)于雨季高邊坡開挖期間出現(xiàn)的變形的概率升高，應(yīng)加大監(jiān)測(cè)頻次；連續(xù)3d 降雨量超過50mm 時(shí)，應(yīng)連續(xù)觀測(cè)3 次，間隔時(shí)間不大于2 個(gè)工作日；項(xiàng)目竣工后的頭6 個(gè)月每月監(jiān)測(cè)一次，以后的每3 個(gè)月監(jiān)測(cè)1 次[4]。

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與管理

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)如圖2 所示，通過公共網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，檢查和剔除異常數(shù)據(jù)，保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖2 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和預(yù)警預(yù)報(bào)

預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值：①路塹水平位移達(dá)到50mm 時(shí)；②當(dāng)路塹累積水平位移達(dá)到2cm，且位移速率達(dá)到3mm/d 時(shí)。

當(dāng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)判定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將預(yù)警信息發(fā)送至各管理人員的手機(jī)上。項(xiàng)目管理人員收到預(yù)警信息后及時(shí)開展分析，找出原因，制定對(duì)策，及時(shí)處理[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過路基高邊坡智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)地表位移、深部變形、錨固應(yīng)力、降雨量、裂縫變形等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，變形發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)掌握施工期和運(yùn)營(yíng)期路塹高邊坡和路堤高邊坡穩(wěn)定性和變形情況，為線路安全運(yùn)營(yíng)提供了預(yù)警保障。