自動化監測預警系統在路基邊坡中的應用

蘭素戀，潘 前，張黎明

(1.廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023；2.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

廣西地質環境條件復雜，是全國7個地質災害多發省區之—?！笆奈濉逼陂g，廣西新建高速公路將會超過5 000 km，高速公路建設會維持一個高速發展的狀態，新建高速公路不斷向山區延伸，地質條件更加復雜，邊坡規模不斷增大，邊坡坡度更加陡峻。如何有效地保證邊坡的穩定，掌握邊坡的發展狀態，把邊坡崩塌、滑坡產生的后果降到最小，最大可能地保護人民和過往車輛的安全，是巖土工程界的專家學者越來越重視的問題[1]。自然邊坡的巖土體結構在施工前，其內部結構經過長期的沉積處于穩定狀態，而高速公路施工中的放坡開挖必然導致邊坡巖土體內部應力失衡，在雨水、風吹日曬和施工擾動作用下，容易誘發崩塌、滑坡等地質災害，因此對開挖后的人工邊坡及滑坡等地質災害開展及時、有效的監測與預警是十分必要的[2]，對開挖形成的人工邊坡采取高效科學的監測，及時反映坡面和坡體內部的真實應力及應變狀態顯得尤為關鍵[3]。

常規邊坡變形監測主要通過一些比較成熟的非自動化監測儀器設備對邊坡進行監測[4]，過去的幾十年，我國的邊坡監測技術發生了巨大的變化，由純人工作業向自動化、智能化的方向發展。盡管國內外的學者、專家對邊坡進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構穿行于地表及地殼淺表層[8]，其邊坡具有沿路線呈點狀分布、地質條件變化快、數量多的特點[9]，邊坡的安全、穩定性與地表巖土體的工程特性、地質環境的改變和人為活動等因素密切相關。傳統的日常巡查、測量等監測手段完全依賴人的能動性和專業能力，無法滿足高速公路對于監測的精度和時效要求。如何針對廣西特殊的地質條件和高速公路建設的特點，研發一套適合廣西高速公路高邊坡監測的預警系統，對“十四五”廣西高速公路及相關工程建設而言意義重大。

鑒于邊坡工程狀態監測對其建設過程及運營風險控制具有重要意義，現有監測量以地表位移、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，采用位移自動監測機器人、GNSS及自動化深層位移監測獲得開挖過程中邊坡位移變化規律，建立全方位自動化智能邊坡監測預警系統，并應用于巴平高速公路某特殊性巖土深挖邊坡的監測與預警。

1 依托工程概況

巴平高速公路是《廣西高速公路網規劃(2018—2030年)》規劃省際通道“縱10”的重要組成部分，屬自治區重點建設項目。項目總投資約140億元，主線里程長75.088 km，采用雙向六車道高速公路標準，設計速度為120 km/h，路基寬度為34 m。線路穿越桂西南山嶺重丘區，地形崎嶇、地質條件復雜，具有密集高邊坡的特點，實施技術難度大。

如下頁圖1所示，巴平高速公路K41+870～K42+290段右側邊坡地處剝蝕丘陵地貌，研究區海拔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(T3)泥巖，薄-中厚層狀構造，巖體破碎。巖層產狀為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，對邊坡穩定不利，且坡頂地形較陡，域體巖層破碎，結構面眾多，完整性差。在強降雨、陡坡率或施工不當的情況下易出現沿順向結構面(節理、裂隙)產生的局部楔形體破壞和掉塊。

圖1 K41+870～K42+290段右側邊坡平面圖

2 自動化監測預警系統概況

自動化監測預警系統主要由以下三部分組成(見圖2)：

(1)數據采集系統：由位移傳感器、數據采集設備、數據傳輸模塊及防雷供電系統組成。

(2)數據傳輸系統：將各個采集節點得到的數據通過北斗及GNSS通信模式匯聚到數據處理中心。

(3)數據平臺系統：部署在云端的接收程序完成數據存取，并通過Geomos等數據處理軟件完成數據整理。

圖2 自動化監測預警方案框架圖

2.1 主要的設備類型

監測中主要用到的設備為CX-03活動式測斜儀、Leica高精度監測儀器、軟件Geomos、數顯液塑限聯合測定儀、GNSS遠程自動化監測系統、水準儀和雨量計等。

2.2 監測內容

2.2.1 地表位移監測

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，具備明顯應力重分布特征[11]，因此繪制邊坡整體位移監測圖像，對評估邊坡時空狀態和應變狀態較為重要，有利于指導邊坡工程后續防護結構施工時機。位移監測分為一般點及關鍵點，具體布設位置如圖3所示。一般點(編號為JC0-1～JC3-3)在邊坡平臺上設置固定防水高強反射棱鏡，并使用Leica高精度監測機器人(見圖3)進行觀測，數據結果由Geomos軟件進行數據處理分析，在關鍵的變形監測點HS1、HS2、HS3采用GNSS遠程自動化監測進行24 h不間斷監測。

2.2.2 深層位移監測

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，主要監測邊坡水平方向的深層變形。K41+870～K42+290段右側邊坡測斜孔垂直布置在邊坡最大開挖面中后緣，CX1-1鉆孔孔底進入路基底標高(深度為33 m)，CX1-2鉆孔孔底進入潛在滑動面以下3 m(深度為30 m)。邊坡監測方案如圖3所示。

2.3 監測精度要求

根據《工程測量通用規范》(GB55018-2021)中土質邊坡監測的精度要求，邊坡監測水平位移監測點中誤差為±12 mm；垂直位移監測的高程中誤差為±10 mm；對剛性結構的部位，相應精度提高一倍。

圖3 K41+870～K42+290段右側邊坡監測方案示例圖

2.4 監測頻率

施工開挖階段地表監測點每日觀測1次，完成施工后坡面相對穩定后逐漸減小監測頻率。深層測斜監測的頻率為10～15 d 觀測1次，遇強降雨及突發性暴雨或出現監測異常值時應增加觀測次數。高精度監測機器人的頻率為每周觀測1次，遇強降雨及突發性暴雨應增加觀測次數，若變形明顯加大，應持續監測。GNSS遠程自動化監測為24 h不間斷觀測。對施工過程中有失穩危險的邊坡，應持續觀測至工程運營后1年。

2.5 監測標準

監控標準為最大位移速率<5 mm/d、累積位移<6 cm，坡面、坡頂無開裂。實際監測過程中如果出現位移速率大于指標或出現裂縫，應及時對各項監測內容作綜合分析，討論邊坡的穩定性，以便及早發現安全隱患情況，采取相應的補救措施。

3 監測結果分析

3.1 地表位移預警標準

邊坡監測點預警標準如表1所示，邊坡監測點橙色警戒標準為：最大位移速率7.2 mm/d≤V<1.44H/500 mm/d(H為坡高)，路面、坡面、周邊基礎設施出現新的裂縫。

表1 邊坡監測點預警標準表

3.2 地表位移監測結果

截至2021-07-31，日平面變形速率最高達2.7 mm/d(2021-03-19)，日垂直變形速率最高達-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)，各監測點地表監測平面累積變化量、地表監測高程累積變化量分別如下頁圖4、圖5所示。

3.3 深層位移監測結果

CX1-2孔6月份的監測數據波動較大，且在埋深12 m 位置出現位移突變，但突變量較小，僅為4 mm，CX1-1、CX1-2孔累計位移分別如下頁圖6、圖7所示。

3.4 監測結果分析

由圖4和圖5可知，K 41+870～K 42+290段右側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，結合現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，且相對穩定。

由圖6和圖7可知，深層位移監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月份的監測數據波動較大且出現位移突變，分析原因應是測斜管周圍填埋的砂土由于雨水滲入出現松動，導致數據出現小幅度波動。

水平、深層位移波動范圍在允許值范圍內，說明邊坡現階段處于穩定狀態，基本沒有滑動趨勢。建議對該邊坡及時進行防護，做到開挖一級、防護一級、監測一級，局部水毀的邊坡可噴射混凝土，在雨季時應增加監測頻率。

3.5 雨量監測結果

“十滑九水”，水會加劇邊坡崩塌、滑坡等災害的發生，因此需要對邊坡周圍降雨量進行在線監測，以此來判斷邊坡變形災變的可能性[12]。

根據2021年7月份降雨量監測結果，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安全可靠。

圖4 地表監測平面累積位移變化量曲線圖(mm)

圖5 地表監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 結語

本文提出了一套全新的自動化監測預警方案，并在廣西巴平高速公路邊坡進行了實踐應用，主要研究結論如下：

(1)搭建的自動化監測預警系統成功對地表位移、深層位移和降雨量進行了記錄，數據可靠度高，可用于邊坡穩定性分析。

(2)地表和深層位移的監測數據均在安全預警值范圍以內，該高速公路邊坡處于穩定狀態。

(3)降雨極易引發邊坡地質災害，該監測系統對降雨進行了實時監測，系統穩定性高。

(4)該系統僅監測了路基邊坡施工期的各個變形與降雨指標，后期將繼續監測運營期間的各個技術指標，為高速公路安全運營提供技術支持。