邊坡監控量測技術與實例分析

張立剛

鐵路建設中,許多地質問題特別是邊坡的地質問題在勘察和設計階段難以暴露,一旦施工,眾多的滑坡、崩塌得以暴露,會嚴重影響施工的安全和進度并造成難以估計的損失。因此對鐵路邊坡正確認識和防治,已成為鐵路建設中的重大工程技術問題。

本文結合南疆山區某預應力錨索框架梁加固鐵路路塹高邊坡的工程監測實例,討論了路塹高邊坡原位監測的目的、原則、設計與方法,提出了具體的現場監測布置的技術方案。通過對現場關鍵監測數據的整理、分析和及時反饋,為保證該路塹高邊坡的優質高效施工提供了可靠的技術支持。

1 現場監控量測目的與意義

1)邊坡穩定性評估與安全預警的需要。通過監測掌握邊坡在空間上和時間上的位移動態,結合地質條件分析其位移機制和穩定性,確定其是否處于預計的穩定狀態。2)信息化設計的需要。根據監測信息及時調整和修改邊坡的支護設計,這一點對各種邊坡工程均具有實際的應用價值。監測信息的及時反饋、分析和風險評估可用來確定預留工作量是否有必要施工,從而使邊坡支護設計達到經濟合理與工程安全的統一,即最優化設計。3)評價與指導施工。通過分析觀測的效應量(如位移)與施工原因量和自然原因量之間的關系,監測成果可用來指導施工,避免由于施工不當造成邊坡失穩;同時監測成果還有助于分析工程事故的原因和責任,評價施工的合理性與施工方法的適應性。全過程的跟蹤監測,可對施工過程中出現的險情及時提供預警,指導施工單位合理采用和調整施工工藝和步驟。4)改進分析研究方法。根據觀測成果反演分析有關坡體的各種特性參數,建立符合實際的邊坡穩定分析計算模型和支護設計模型,并對邊坡的長期穩定性及未來性態作出及時、有效的預測;積累工程實際資料,提高邊坡設計的技術水平。

2 監控量測項目及原則

表1 坡體防治效果位移監測內容與技術方法

2.1 邊坡監控量測的項目

根據監測手段大致可歸納為以下幾種:1)地質觀測法。通過地質巡視,觀測地表裂縫、地表鼓脹、沉降、坍塌、建筑物變形特征、地下水異變以及動物異常等現象。適用于對邊坡的日常巡查與檢查。2)簡易測量法。設置跨裂縫式簡易測樁,標尺和水泥砂漿帶,用卷尺、游標卡尺等直接測量裂縫的變化。適用于處在邊坡大變形階段的位移測量。3)儀器儀表測量法。主要有測縫法、測斜法、重錘法、沉降觀測法、多孔位移計法、應力應變觀測法、聲波法等觀測坡體的變形位移、應力應變等。適用于邊坡處于初期變形階段或變形不明顯階段的觀測。4)遙測法。通過全球定位系統(GPS)以及衛星等監測坡體的變形和位移。適用于對重大危害坡體處在等速變形或滑移階段的監測。

2.1.1 位移監測方法

現場位移監測可以了解和掌握坡體演變過程,可對邊坡穩定性評價和變形破壞趨勢作出預測預報,同樣可用來評價坡體防護后工程的效果。具體位移監測技術可總結為表1。

2.1.2 現場防護結構應力監測法

防護結構的應力監測包括對防護結構所受推力實地測試和對防護結構的變形、位移進行監測兩類。目前測量應力的儀器有土壓力盒、壓應力計和錨索錨桿測力計等。對于抗滑結構所受推力主要采用土壓力盒測定;對于鋼筋混凝土結構及錨索結構受力分布則應采用鋼筋計來測試其內力狀況。

2.2 邊坡監控量測的原則

1)監測目的應明確、重點應突出;2)監測應反映邊坡形狀變化的全過程;3)施工期間和運行期間的監測工作應相互結合、相互銜接;4)儀器布置應少而精;5)監測常以儀器量測為主,人工巡視及宏觀調查為輔;6)盡量避免或減少施工對監測工作的干擾;7)監測設計應留有余地;8)根據不同時期選擇不同精度的監測儀器。

3 工程概況

南疆某鐵路路塹高邊坡全長230 m,為殘坡積層開挖路塹高邊坡,最大開挖高度57.5 m,中心最大挖深17.58 m。該邊坡表層是較厚的殘坡積塊石土,以下是全強風化粉砂巖,下伏基巖是砂巖。巖層破碎,產生崩塌落石堆積在坡麓,形成巨厚巖堆體。塊石土為稍密～中密狀態,含水量隨深度增加。

為保證該路塹高邊坡的安全有效施工,根據上述兩節的內容提出了如下現場監測布置的技術方案,如圖1所示。

根據防護結構的應力監測需要在第2,3,4級邊坡預應力錨索框架梁部位選擇一定數量的錨索預應力監測、預應力錨索框架梁監測(包括框架梁鋼筋計應力監測和框架梁底土壓力監測)。

4 監測結果及分析

由于各監控項目觀測值較多,僅給出最能反映本邊坡施工期穩定性的坡表位移和深部位移監測成果,如圖2,圖3所示。其中圖2中,ΔX為“+”表示向坡體外側方向位移,為“-”表示向坡體內側方向位移;ΔY為“+”表示沉降,為“-”表示向上位移。

從圖2中可以看出,在長約127 d的施工期中塹頂兩個方向上的最大地表位移分別為1.5 mm和2.4 mm,總地表位移約為28 mm,平均每天的地表位移量約為0.2 mm;而第3級平臺位移各個方向上和總地表位移均略小于塹頂位移值,可見地表位移變化速率在控制標準范圍內,安全滿足施工要求。

從圖3中可以看出,在長約96 d的施工期中典型測斜孔深部水平位移的孔口最大位移為5.4 mm,最大深部位移達6.4 mm。每次間隔期后測試結果相對于此前所監測的數據僅有1 mm～2 mm的變化,且據典型測斜孔深部水平位移—深度曲線易知在深度為16.0 m處有位移的較小突變;但總體上深部水平位移變化速率在控制標準范圍內,亦滿足安全施工要求。通過及時監控反饋信息,確保了本工程安全有序的完成。

5 結語

監控量測的主要任務是確保安全、指導施工、修正設計、積累資料。監控量測作為高邊坡安全施工的重要手段之一,可為評價施工方法的可行性、設計參數的合理性以及了解支護結構的受力和變形特性等提供準確及時的數據,對確定邊坡階段施工時間具有重要意義,是保障邊坡建設成功的關鍵因素。本段路塹高邊坡綜合處置施工中,通過監控量測指導施工,及時提供邊坡坡體位移和結構物應力變化信息,實現了該高邊坡信息化動態施工控制,達到了安全快速施工,經濟合理的目的。

[1] 崔政權,李 寧.邊坡工程——理論與實踐最新發展[M].北京:中國水利水電出版社,1999.

[2] 汪康民,彭胤宗.巖土工程[M].武漢:武漢工業大學出版社,2001.

[3] 楊重存,韓國杰,談敦儀.錨噴加固巖土邊坡的理論計算與分析,巖土錨固技術的新進展[M].北京:人民交通出版社,2000.

[4] 徐邦棟.滑坡分析與防治[M].北京:中國鐵道出版社,2001.

[5] 羅 強,龍萬學,譚捍華.高速公路邊坡工程監測的意義與可采用的監測方法[J].地質災害與環境保護,2004(sup):5-9.

[6] 譚捍華,羅 強.高速公路邊坡監測系統分析[J].土工基礎,2005,19(4):84-85.

[7] 馬永潮.滑坡整治及防治工程養護[M].北京:中國鐵道出版社,1996.

[8] 黃玉鵬.高速公路邊坡監測系統應用研究[J].企業技術開發,2005,26(8):26-28.

[9] 李燕東.鉆孔測斜儀及其在邊坡監測中的應用[J].人民長江,1994,25(11):26-32.

[10] 二灘水電開發有限責任公司.巖土工程安全監測手冊[M].北京:中國水利水電出版社,1999.