蘭素戀，潘 前，張黎明

(1.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

廣西地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，是全國7個地質(zhì)災(zāi)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(shè)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(fù)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?fàn)顟B(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(hù)人民和過往車輛的安全，是巖土工程界的專家學(xué)者越來越重視的問題[1]。自然邊坡的巖土體結(jié)構(gòu)在施工前，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dǎo)致邊坡巖土體內(nèi)部應(yīng)力失衡，在雨水、風(fēng)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(zāi)害，因此對開挖后的人工邊坡及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害開展及時、有效的監(jiān)測與預(yù)警是十分必要的[2]，對開挖形成的人工邊坡采取高效科學(xué)的監(jiān)測，及時反映坡面和坡體內(nèi)部的真實(shí)應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)顯得尤為關(guān)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(shè)備對邊坡進(jìn)行監(jiān)測[4]，過去的幾十年，我國的邊坡監(jiān)測技術(shù)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(xué)者、專家對邊坡進(jìn)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(jié)構(gòu)穿行于地表及地殼淺表層[8]，其邊坡具有沿路線呈點(diǎn)狀分布、地質(zhì)條件變化快、數(shù)量多的特點(diǎn)[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(guān)。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(shè)的特點(diǎn)，研發(fā)一套適合廣西高速公路高邊坡監(jiān)測的預(yù)警系統(tǒng)，對“十四五”廣西高速公路及相關(guān)工程建設(shè)而言意義重大。

鑒于邊坡工程狀態(tài)監(jiān)測對其建設(shè)過程及運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)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(jī)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(yù)警系統(tǒng)，并應(yīng)用于巴平高速公路某特殊性巖土深挖邊坡的監(jiān)測與預(yù)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(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(fù)雜，具有密集高邊坡的特點(diǎn)，實(shí)施技術(shù)難度大。

如下頁圖1所示，巴平高速公路K41+870～K42+290段右側(cè)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(gòu)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(jié)構(gòu)面眾多，完整性差。在強(qiáng)降雨、陡坡率或施工不當(dāng)?shù)那闆r下易出現(xiàn)沿順向結(jié)構(gòu)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(cè)邊坡平面圖

2 自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)概況

自動化監(jiān)測預(yù)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(shè)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(diǎn)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(yù)警方案框架圖

2.1 主要的設(shè)備類型

監(jiān)測中主要用到的設(shè)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(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)、水準(zhǔn)儀和雨量計(jì)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(yīng)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(yīng)變狀態(tài)較為重要，有利于指導(dǎo)邊坡工程后續(xù)防護(hù)結(jié)構(gòu)施工時機(jī)。位移監(jiān)測分為一般點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)，具體布設(shè)位置如圖3所示。一般點(diǎn)(編號為JC0-1～JC3-3)在邊坡平臺上設(shè)置固定防水高強(qiáng)反射棱鏡，并使用Leica高精度監(jiān)測機(jī)器人(見圖3)進(jìn)行觀測，數(shù)據(jù)結(jié)果由Geomos軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，在關(guān)鍵的變形監(jiān)測點(diǎn)HS1、HS2、HS3采用GNSS遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測進(jìn)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(cè)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(jìn)入路基底標(biāo)高(深度為33 m)，CX1-2鉆孔孔底進(jìn)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(diǎn)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(jié)構(gòu)的部位，相應(yīng)精度提高一倍。

圖3 K41+870～K42+290段右側(cè)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(diǎn)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(qiáng)降雨及突發(fā)性暴雨或出現(xiàn)監(jiān)測異常值時應(yīng)增加觀測次數(shù)。高精度監(jiān)測機(jī)器人的頻率為每周觀測1次，遇強(qiáng)降雨及突發(fā)性暴雨應(yīng)增加觀測次數(shù)，若變形明顯加大，應(yīng)持續(xù)監(jiān)測。GNSS遠(yuǎn)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(xiǎn)的邊坡，應(yīng)持續(xù)觀測至工程運(yùn)營后1年。

2.5 監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)

監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)為最大位移速率<5 mm/d、累積位移<6 cm，坡面、坡頂無開裂。實(shí)際監(jiān)測過程中如果出現(xiàn)位移速率大于指標(biāo)或出現(xiàn)裂縫，應(yīng)及時對各項(xiàng)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(yīng)的補(bǔ)救措施。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 地表位移預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

邊坡監(jiān)測點(diǎn)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，邊坡監(jiān)測點(diǎn)橙色警戒標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)新的裂縫。

表1 邊坡監(jiān)測點(diǎn)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)表

3.2 地表位移監(jiān)測結(jié)果

截至2021-07-31，日平面變形速率最高達(dá)2.7 mm/d(2021-03-19)，日垂直變形速率最高達(dá)-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(diǎn)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(jié)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(jì)位移分別如下頁圖6、圖7所示。

3.4 監(jiān)測結(jié)果分析

由圖4和圖5可知，K 41+870～K 42+290段右側(cè)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(jié)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(yīng)是測斜管周圍填埋的砂土由于雨水滲入出現(xiàn)松動，導(dǎo)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(jìn)行防護(hù)，做到開挖一級、防護(hù)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(yīng)增加監(jiān)測頻率。

3.5 雨量監(jiān)測結(jié)果

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

根據(jù)2021年7月份降雨量監(jiān)測結(jié)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(jié)語

本文提出了一套全新的自動化監(jiān)測預(yù)警方案，并在廣西巴平高速公路邊坡進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，主要研究結(jié)論如下：

(1)搭建的自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)成功對地表位移、深層位移和降雨量進(jìn)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(yù)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(zāi)害，該監(jiān)測系統(tǒng)對降雨進(jìn)行了實(shí)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(biāo)，后期將繼續(xù)監(jiān)測運(yùn)營期間的各個技術(shù)指標(biāo)，為高速公路安全運(yùn)營提供技術(shù)支持。