巖質高邊坡自動化監測及安全預警技術研究

劉傳俊

（華設設計集團股份有限公司,江蘇 南京 210006）

0 引言

高邊坡支護是公路路基施工中采取的主要防護措施，不同的邊坡環境所選取的支護結構類型較多，傳統的高邊坡變形、內力監測技術多采取人工測量。信息化監測技術的應用能夠有效地減少人工成本，確保邊坡指標變化的準確性。高邊坡自動化監測主要是掌握邊坡巖土體在外界復雜環境下各項力學指標的發展規律，為邊坡安全預警提供數據支撐。高邊坡監測內容主要為支護結構監測、坡體位移監測、巖土體破碎監測、水壓力監測等。高邊坡信息化監測預警系統能夠實時動態地對邊坡巖土體位移、應力變化進行監測，能夠確保公路項目長期穩定運行。

1 工程概況

南京市某二級公路K2+200隧洞明洞施工處存在三級巖質高邊坡，坡寬46 m，坡高35～40 m，整體坡度分布在45°～50°，坡頂高程分布在720～730 m之間。經過現場勘查可知，坡體巖層由上至下為：上層主要由軟弱-半堅硬砂巖構成，厚度39 m，呈紅褐色，表層風化較為強烈，具備發育較為明顯的裂隙、節理；下層則主要為中風化、弱風化砂巖，厚度分別達到了4 m、25 m。巖土體力學性質如表1所示。現場該邊坡1～3級開挖坡度分別為1∶1.25、1∶1、1∶1，2 m邊坡平臺，開挖深度分別為12 m、10 m、16 m，整體開挖深度為38 m。施工單位開挖過程中，該邊坡上部巖土體裂隙出現擴展貫通趨勢，且坡腳位置出現局部坍塌，擬采取預應力錨索樁板墻結構進行邊坡支護處理[1]。其中，板樁墻的巖體嵌固深度設計為6 m，支護高度設計為12 m，樁身為方形截面（寬1.5 m），采取厚度0.3 m的鋼筋混凝土板進行整體厚度1.5 m板樁墻現澆施工，板樁墻間距6 m；坡面采取截面尺寸為0.3 m×0.4 m的鋼筋混凝土格構梁進行防護，格構大小為3 m×3 m；預應力錨索布置水平間距1.2 m，錨索長度15 m，坡面斜長間距1.5 m，布置傾角15°，拉力設計值180 kN。高邊坡開挖剖面示意圖如圖1所示。項目組為評價支護效果，對該支護形式下開展關鍵指標（坡體水平位移、支護內力）的動態監測，監測周期設定為施工期間3 d/次，施工結束后1周/次，雨雪期間則需要加密監測[2]。

圖1 邊坡開挖示意圖（單位：m）

表1 巖土體力學參數

2 邊坡自動化監測預警設計

2.1 監測預警系統設計

項目設計邊坡智能監測預警系統包括以下幾個部分：數據處理云平臺、數據中心、供電支持模塊、數據傳輸模塊、傳感器采集模塊。其中，傳感器采集模塊包括鋼筋應力計、位移計套件及關聯設備；供電支持模塊則包括蓄電池和太陽能板，主要發揮保護及供電作用；數據傳輸模塊則包括采集箱、網絡系統等部分，采集箱進行數據采集之后需要通過蜂窩網絡或DTU進行數據中心的傳遞發送；數據中心對接收數據進行前期歸一、解析；云平臺則可以對實時動態監測的數據進行主觀展示，關鍵指標數據一旦超過設定閥值，則產生預警，并發送給相關負責人。

2.2 水平位移監測

2.2.1 儀器

為確保該支護方案邊坡加固效果的有效性，項目選取坡體水平位移作為自動化監測重要指標。現場水平位移監測儀器為位移計套件，型號JMDL-3210A。位移計安裝如下：采用單點位移計，埋入式電測位移傳感器需要套上錨頭、PVC管，并且和拉桿相互銜接，該埋入式電感智能位移計靈敏度0.01 mm，合適溫度范圍為0～50 ℃；位移計本體需要固定在支護結構冠梁、格構梁周圍。位移計安裝中需要事先埋設PVC螺紋套管對測桿進行保護，以此避免測桿和周圍環境接觸產生的測量誤差[3]。

2.2.2 測點布置

埋入式單點位移傳感器布置在錨索端頭位置，錨頭則要進行穩定巖體錨固，位移計本體錨固到支護結構上，傳感器和位移計本體需要通過拉桿相互連接，位移計頂部由導線接入數據采集箱。水平位移監測儀器安裝時需要選取無雪、雨等天氣，其中每級邊坡單點位移計布置間距為4 m，測量監測點位需要合理選取，項目選取5個單點位移計，由上至下序號分別為1#～5#，整體簡化布置示意圖如圖2所示。單點位移計錨頭在巖體中錨固，位移計本體則固定在支護結構上。位移計本體和錨頭之間產生位移變化時，測桿和傳感器線圈之間的移動量可以轉變為電信號，經過發送接收后則可以轉換為可讀、可視信號。另外，在邊坡附近較為穩定處需要設置GPS基站，實現邊坡水平位移的動態監控，獲取精度較高的準確數據。

圖2 水平位移監測點布置

2.3 支護樁縱筋應力監測

2.3.1 儀器及布置

項目對支護結構內力發展變化開展自動化監測，對樁縱筋應力進行鋼筋應力計監測。鋼筋應力計安裝方法如下：采取焊接、綁扎方式將其固定安裝在縱筋相應位置；支護結構的主體鋼筋安裝完成之后，施工人員依照設計點位將應力計采取匝絲固定，繼而利用電焊機固定設備至主筋上，確保連接牢固；受力主筋和應力計之間需要構建8圓鋼筋，避免應力計在監測階段出現脫落情況[4]。

2.3.2 測點布置

鋼筋應力計并聯焊接至支護樁結構上，布置測點如圖3所示，鋼筋應力計豎向布置間距為4 m。

圖3 鋼筋應力計布置示意圖

3 數據分析

3.1 變形監測

該文采取預應力錨索樁板墻進行該巖質高邊坡加固，支護結構和巖體之間具備較大的摩擦力，兩者之間的黏結能力較高，加固效果良好。項目不同位置單點位移計對于坡體的水平位移監測如圖4（a）所示，坡體由上至下分布有1#～5#位移計。監測數據表明，3#位移計監測位移從一開始的28.5 mm快速衰減至14.5 mm，這主要歸因于錨索張拉導致水平位移突變，錨索張拉節段會導致邊坡快速回縮變形，引發水平位移的快速減小；錨索張拉一段時間之后，則會產生預應力損失引發的松弛現象，水平位移得以較快增大；監測天數達到60 d，坡體整體產生卸載，水平位移得以呈緩慢增大的趨勢；80 d之后的5#位移計水平位移監測數據較小，這歸因于上方邊坡開挖設備移除導致的巖體回彈；圖4（b）為水平位移加速度發展變化統計，60 d監測的整體位移變化加速度較為平穩，控制在-0.02～0.03 mm/d2之間。圖4數據統計中，1#～5#位移計的水平位移最大值小于30 mm，最大位移變化加速度控制在0.03 mm/d2，邊坡整體穩定性加固效果較好，滿足規范允許位移閥值設定要求[5]。

圖4 監測點位坡體水平位移變化

3.2 內力監測

支護樁內力采取鋼筋應力計進行動態監測，樁身彎矩與埋設距離在不同施工天數下的數據關系如圖5所示。結果表明，不同監測點位的鋼筋應力計能夠較好地反映出支護樁彎矩分布情況；巖質高邊坡開挖前期的支護樁內力變化較為平緩，隨著開挖時間的延長，支護樁內力變化越為明顯；監測曲線表明，樁身在地表面以下部分主要承受壓彎矩，這主要歸因于支護樁邊坡擋土側和嵌固側均承受一定的土壓力，且支護樁承受邊坡土壓力、錨索拉力的影響程度較大，此外，支護樁承擔負摩阻力，地表以下部分主要表現為正彎矩；隨著施工時間的不斷延長，支護樁高度范圍內的彎矩變化程度明顯偏大，這主要是因為邊坡穩定性提升，樁身受力分布均勻也更加明顯；樁端的彎矩值保持在-10 kN·m附近，且隨時間變化影響程度較小，由此可見，樁端的應力分布幾乎不受到外界施工環境的影響；支護樁頂的彎矩值有較大變化，且整體表現為負彎矩，這歸因于巖體邊坡開挖導致樁頂受力擾動不均所導致。整體上，樁身穩定性得到滿足，支護效果良好[5]。

圖5 支護樁樁身彎矩變化曲線

4 總結

巖體高邊坡的數量隨著公路建設的發展而不斷增多，高填方巖體邊坡開挖支護的自動化監測預警設計不僅能夠準確地開展現場關鍵指標的測定，而且對于后續邊坡維護也有重要指導作用。該文結合南京市某二級公路巖體邊坡開展支護結構內力、坡體位移的現場檢測，獲取以下結果：巖體邊坡在錨索張拉段具備較高穩定性（最小水平位移14.5 mm）；邊坡60 d的整體位移變化加速度控制在-0.02～0.03 mm/d2之間，可靠性較高；施工開挖初期，支護樁彎矩變化幅度偏小，樁端的彎矩值幾乎保持不變（-10 kN·m）；支護樁地表呈受拉彎矩，地表以下為壓彎矩。