李曉勇

(安徽省交控建設(shè)管理有限公司)

1.工程概要

本課題依托G4211 寧蕪高速皖蘇界至蕪湖樞紐段改擴(kuò)建工程開展，寧蕪改擴(kuò)建工程是國(guó)家高速公路網(wǎng)的重要組成部分，是落實(shí)長(zhǎng)三角一體化發(fā)展規(guī)劃綱要和長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃綱要的重點(diǎn)項(xiàng)目，工程全線采用雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)改擴(kuò)建，主要采用兩側(cè)加寬為主、部分路段單側(cè)加寬的擴(kuò)建方式。

與此同時(shí)，該項(xiàng)目也是《安徽省交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)試點(diǎn)實(shí)施方案》試點(diǎn)任務(wù)“科技引領(lǐng)，推動(dòng)智慧交通技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)型升級(jí)試點(diǎn)”中“智慧交通建設(shè)”專欄的重點(diǎn)工程之一，通過(guò)寧蕪智慧高速公路的試點(diǎn)建設(shè)，推動(dòng)新技術(shù)與交通運(yùn)輸融合發(fā)展，推進(jìn)交通運(yùn)輸行業(yè)科技化、智能化、精準(zhǔn)化、協(xié)同化管理。

本項(xiàng)目依托G4211 寧蕪改擴(kuò)建項(xiàng)目，積極落實(shí)交通運(yùn)輸部相關(guān)制度要求和發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合安徽省高速公路管養(yǎng)現(xiàn)狀和智慧高速需求，開展基于天地一體化的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施多源狀態(tài)感知技術(shù)研究，研究建立智慧高速關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施全天候狀態(tài)感知體系，以實(shí)現(xiàn)智慧高速沿線重點(diǎn)邊坡、特大橋、尾礦庫(kù)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)環(huán)境、荷載和結(jié)構(gòu)受力指標(biāo)全天候智能感知預(yù)警與診斷評(píng)估，保障高速公路關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施全壽命期安全運(yùn)行，提高智慧管養(yǎng)決策能力。

池祁邊坡所處地貌為低山區(qū)，路線以路塹形式穿越坡腳。地面高程約120.0～240.0m，原始地面坡角30°左右，坡面植被較發(fā)育，上覆地層碎石土和全風(fēng)化粉砂巖，坡腳中風(fēng)化基巖零星出露，地形總體較緩（如圖1）。

圖1 高邊坡側(cè)面圖

根據(jù)主線改擴(kuò)建方案，黃梅山隧道改路塹?？紤]保通需要，既有道路右側(cè)設(shè)臨時(shí)保通線。保通線長(zhǎng)2.188 公里，整體式路基寬度23 米，設(shè)計(jì)速度60 公里/小時(shí)。

保通線位于馬鞍山市當(dāng)涂縣銀塘鎮(zhèn)境內(nèi)，海拔37.63～80.90m，相對(duì)高差約43.37m。地貌單元為沿江丘陵平原，微地貌單元為丘陵低山，由于黃梅山鐵礦的開采，礦區(qū)內(nèi)人工堆積的廢礦渣、碎石土以及開挖形成的礦坑雜亂分布，較大的改變了原有地形，總體為兩端低中間高，山體邊坡現(xiàn)狀基本穩(wěn)定。本次監(jiān)測(cè)段落為保通線穿越沉淀池尾礦庫(kù)段，樁號(hào)為JK44+150-JK44+250（如圖2）。

圖2 黃梅山保通線位置圖

2.地表協(xié)作感知方案

公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間上有著不同的特性：InSAR 衛(wèi)星數(shù)據(jù)在空間上呈面狀分布、范圍大、采集周期較長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)內(nèi)容單一；北斗衛(wèi)星及傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在空間上呈點(diǎn)狀分布、采集頻率快、監(jiān)測(cè)內(nèi)容多樣。為提高公路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)水平，提出基于天地一體的協(xié)調(diào)化智慧感知體系，針對(duì)高路監(jiān)測(cè)區(qū)域，利用協(xié)同處理技術(shù)，在整體層面基于遙感影像獲取公路沿線帶獲取潛在災(zāi)害隱患的范圍及變形差異，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害隱患普查；在局部層面基于北斗和無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)對(duì)公路地質(zhì)災(zāi)害多要素定點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域的動(dòng)態(tài)核查，形成全面立體、長(zhǎng)期持續(xù)的公路地質(zhì)災(zāi)害多維網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為公路地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。

寧蕪高速關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同化智慧感知方案由外場(chǎng)監(jiān)控傳感器子系統(tǒng)、采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)子系統(tǒng)、用戶界面及預(yù)警評(píng)估子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3、4。

圖3 關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施多源智慧化協(xié)同感知監(jiān)測(cè)方案示意圖

圖4 關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施多源智慧化協(xié)同感知監(jiān)測(cè)方案系統(tǒng)架構(gòu)

協(xié)同化智慧感知方案充分結(jié)合InSAR 監(jiān)測(cè)覆蓋范圍大、形變監(jiān)測(cè)精度高和地表采集頻率快、監(jiān)測(cè)內(nèi)容多樣的特點(diǎn)，制定了一套經(jīng)濟(jì)可行的高速公路協(xié)同智慧化感知方案，方案技術(shù)路線如圖5。

圖5 協(xié)同智慧感知方案布設(shè)原則圖

協(xié)同化智慧感知方案主要依據(jù)工點(diǎn)的重要性等級(jí)劃分結(jié)果結(jié)合工點(diǎn)自身的特征確定地表協(xié)作感知方案的布設(shè)，所依賴的原則主要有以下幾點(diǎn)：

（1）依據(jù)重要性評(píng)估結(jié)果確定傳感器布設(shè)的內(nèi)容和數(shù)量；即對(duì)于重要性等級(jí)評(píng)估為高的工點(diǎn)，規(guī)范中定性為“應(yīng)測(cè)”的監(jiān)測(cè)內(nèi)容均應(yīng)開展測(cè)量，同時(shí)監(jiān)測(cè)斷面的間距取規(guī)范推薦的中值；對(duì)于重要性等級(jí)評(píng)估為中的工點(diǎn)，規(guī)范中定性為“應(yīng)測(cè)”的監(jiān)測(cè)內(nèi)容根據(jù)工點(diǎn)實(shí)際狀況評(píng)估予以刪減，同時(shí)監(jiān)測(cè)斷面間距取規(guī)范推薦的最大值；對(duì)于重要性等級(jí)評(píng)估為低的工點(diǎn)，無(wú)需開展地表協(xié)作感知。

（2）依據(jù)工點(diǎn)實(shí)際狀況確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容；監(jiān)測(cè)內(nèi)容的確定除了依據(jù)工點(diǎn)的重要性等級(jí)外，還需根據(jù)工點(diǎn)的實(shí)際狀況確定。對(duì)于工點(diǎn)穩(wěn)定判別中起決定性作用的支護(hù)結(jié)果需作為必測(cè)內(nèi)容，對(duì)于工點(diǎn)穩(wěn)定判別起輔助性作用的結(jié)果依據(jù)重要性等級(jí)結(jié)果作為選測(cè)內(nèi)容。

（3）工點(diǎn)內(nèi)部非均勻布設(shè)；結(jié)合InSAR 解譯結(jié)果和地質(zhì)勘察結(jié)果，綜合布設(shè)地表協(xié)作感知網(wǎng)，對(duì)于歷史沉降變形大和鉆孔揭露存在復(fù)雜地質(zhì)的工點(diǎn)局部加強(qiáng)布設(shè)，對(duì)于歷史沉降變形小和鉆孔揭露地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的區(qū)域減少布設(shè)。

依據(jù)規(guī)范確定的原地表感知方案如圖6，圖中共設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（K57+070，K57+098，K57+120），每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上均設(shè)有3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖6 原地表感知方案

通過(guò)分析邊坡支護(hù)完成后的InSAR 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)邊坡變形規(guī)律如圖7、8。

圖7 高邊坡InSAR 變形圖

圖8 高邊坡斷層位置圖

結(jié)合InSAR 解譯變形結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)勘查資料可以發(fā)現(xiàn)，坡體可能沿著斷層和巖層節(jié)理方向由上至下，由大樁號(hào)一側(cè)向小樁號(hào)一側(cè)變形，通過(guò)分析將邊坡的監(jiān)測(cè)方案調(diào)整至如圖9 所示。

圖9 現(xiàn)有地表感知方案

3.多源數(shù)據(jù)融合預(yù)警模型研究基本原理

本多源數(shù)據(jù)融合預(yù)警模型基本原理為主要通過(guò)決策級(jí)融合進(jìn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理分析，決策級(jí)融合的融合對(duì)象是各個(gè)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的個(gè)體決策，融合過(guò)程如圖10 所示。

圖10 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)決策級(jí)融合原理圖

如圖10 所示，通過(guò)各個(gè)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的數(shù)據(jù)，在融合之前先完成各自的決策和識(shí)別工作，隨后將這些決策進(jìn)行融合，最終獲得具有整體一致性的決策結(jié)果。在決策層，數(shù)據(jù)傳輸量小，魯棒性好，對(duì)單項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容依賴小，且具有較好的容錯(cuò)性。多源異構(gòu)融合預(yù)警模型的建立最關(guān)鍵的兩步是單因素決策和多因素融合，其中單因素決策主要依賴現(xiàn)有監(jiān)測(cè)規(guī)范推薦值進(jìn)行判定，為實(shí)現(xiàn)公路工點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的高效、及時(shí)性，單因素決策會(huì)在規(guī)范推薦值的基礎(chǔ)上根據(jù)工點(diǎn)自身的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。多因素融合中的每個(gè)因子分別對(duì)應(yīng)工點(diǎn)不同類型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括：雨量、位移（包括：位移計(jì)和北斗位移監(jiān)測(cè)）、土壓力、錨桿應(yīng)力等，并應(yīng)根據(jù)每個(gè)工點(diǎn)的巖體、土體、結(jié)構(gòu)等屬性參數(shù)，構(gòu)建每個(gè)因子（監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）與警告系數(shù)之間的關(guān)系式，得到該邊坡所對(duì)應(yīng)的警告系數(shù)（Fs）預(yù)警閾值區(qū)間。

4.天地一體化多源狀態(tài)感知技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

天地一體化多源狀態(tài)感知技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景主要包括對(duì)癥勘設(shè)、邊坡施工監(jiān)測(cè)、預(yù)壓期沉降檢查、靶向管養(yǎng)等。

4.1 對(duì)癥勘設(shè)

“對(duì)癥勘設(shè)”是指通過(guò)InSAR 解譯老路沉降數(shù)據(jù)，篩選出沉降偏大的路段對(duì)路線設(shè)計(jì)和勘察布孔進(jìn)行指導(dǎo)，其工作路線如圖11 所示。

圖11 對(duì)癥勘設(shè)工作路線圖

整個(gè)“對(duì)癥勘設(shè)”過(guò)程中，路線調(diào)整需遵循如下原則：

（1）根據(jù)InSAR 解譯結(jié)果微調(diào)路線，再根據(jù)鉆孔資料判斷是否有必要大范圍調(diào)整。

（2）路線微調(diào)過(guò)程須確保工程造價(jià)不增加或少量增加。

（3）大范圍調(diào)整路線明確鉆孔揭露地質(zhì)無(wú)法進(jìn)行處理或處理成本偏高。

整個(gè)“對(duì)癥勘設(shè)”過(guò)程中，鉆孔布設(shè)需要遵循如下原則：

（1）沉降異常部位加強(qiáng)布孔。

實(shí)驗(yàn)在F環(huán)島先均勻布置10個(gè)檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為A組,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信模塊中撥碼選擇為00,設(shè)置為固定周期傳輸。A組每個(gè)檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)旁邊同時(shí)再布置一個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)并標(biāo)記為B組,B組10個(gè)節(jié)點(diǎn)通信模塊中撥碼選擇為01,設(shè)置為變周期數(shù)據(jù)傳輸,變周期數(shù)據(jù)采樣溫度閾值設(shè)置為εc=0.5 ℃,CO2濃度閾值設(shè)置為εt=15×10-6。變周期數(shù)據(jù)傳輸模式只有當(dāng)前后兩次采集到的數(shù)據(jù)差大于相應(yīng)閾值范圍時(shí),才進(jìn)行當(dāng)前采集數(shù)據(jù)的傳輸。A、B二組檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)硬件相同,但是在數(shù)據(jù)傳輸方式上不同。每個(gè)檢測(cè)器的基本采樣周期設(shè)置為2 min,每10個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)為一組搭配一個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行組網(wǎng),運(yùn)行監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）沉降正常位置在滿足規(guī)范要求的前提下適當(dāng)減少布孔。

（3）沉降異常部位附近有其它鉆孔，可在不影響特殊構(gòu)造物勘察的前提下，調(diào)整該孔坐標(biāo)。

（4）勘察布孔隨路線優(yōu)化同步調(diào)整。

4.2 邊坡施工監(jiān)測(cè)

邊坡施工監(jiān)測(cè)主要通過(guò)解譯坡體后緣（無(wú)人為擾動(dòng)區(qū)域）變形來(lái)分析邊坡開挖過(guò)程中是否存在坡體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，圖12 為葛羊山邊坡開挖過(guò)程中坡體后緣沉降云圖及時(shí)序曲線。

圖12 “葛羊山邊坡”重點(diǎn)區(qū)形變區(qū)域范圍

從圖中可以看出，邊坡整體較為穩(wěn)定，在大樁號(hào)一側(cè)，距離坡體后緣約240，變形異常區(qū)域與坡面平面位置如圖13所示。

圖13 變形異常區(qū)與坡面平面位置圖

4.3 預(yù)壓期沉降檢查

預(yù)壓期沉降檢查主要通過(guò)D-InSAR 技術(shù)求解預(yù)壓期前和預(yù)壓期后路基沉降，篩選出其中沉降偏大的位置供建設(shè)方和監(jiān)理方進(jìn)行重點(diǎn)抽查。

4.4 靶向管養(yǎng)

靶向管養(yǎng)是在道路開通運(yùn)行之后，綜合分析InSAR 沉降和地表感知系統(tǒng)，對(duì)公路沿線異常工點(diǎn)進(jìn)行篩選，并將相應(yīng)的坐標(biāo)提供到養(yǎng)護(hù)中心，指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)人員重點(diǎn)巡查。

本文主要針對(duì)保通線開展“靶向管養(yǎng)”應(yīng)用研究，保通線沿線InSAR 解譯結(jié)果如圖14 所示。

圖14 保通線沿線InSAR 數(shù)據(jù)解譯結(jié)果

從圖14 中可以看出保通線沿線存在1 處異常沉降點(diǎn)，該點(diǎn)變形主要發(fā)生在2021.02-2022.05，經(jīng)養(yǎng)護(hù)部門現(xiàn)場(chǎng)巡查發(fā)現(xiàn)，引起該處變形主要原因?yàn)槿⊥?，現(xiàn)場(chǎng)取土照片如圖15 所示。

圖15 保通線異常沉降部位衛(wèi)星圖

保通線運(yùn)營(yíng)至今共向養(yǎng)護(hù)部門發(fā)送2 處重點(diǎn)巡查部位，詳細(xì)信息如表1 所示。

表1 “靶向管養(yǎng)”重點(diǎn)巡視部位

4.5 監(jiān)測(cè)預(yù)警成果

監(jiān)測(cè)預(yù)警主要涵蓋兩部分內(nèi)容，分別為紅線范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)和紅線范圍外監(jiān)測(cè)，本文主要敘述在紅線范圍內(nèi)的天地監(jiān)測(cè)預(yù)警試點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

5.結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)例對(duì)多源狀態(tài)感知技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控預(yù)警進(jìn)行了研究。驗(yàn)證了InSAR 技術(shù)在公路工程地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別中的應(yīng)用研究。通過(guò)基于InSAR-地表傳感的公路工程關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同智慧化感知方案研究及基于天地一體化多源狀態(tài)感知技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控預(yù)警模型研究及預(yù)警平臺(tái)開發(fā)，幫助管養(yǎng)單位實(shí)現(xiàn)了對(duì)癥勘設(shè)和靶向管養(yǎng)，制定精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)、合理的養(yǎng)護(hù)措施，為開展科學(xué)決策和智慧康養(yǎng)提供依據(jù)。