某隧道出口段高邊坡監(jiān)測技術(shù)研究

陳開圣，王琴琴，蔣 浩

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.黔南交通試驗(yàn)檢測有限公司，貴州 都勻 558000；3.中國建筑第四工程局有限公司 工程技術(shù)研究院(技術(shù)中心)，廣東 廣州 510665)

貴陽市地形復(fù)雜，以喀斯特地貌為主，道路的修建避免不了要開山放坡，這就使得貴州省高速公路兩側(cè)涌現(xiàn)出大量的路塹高邊坡。隨著時(shí)間的推移，這些高邊坡在運(yùn)營過程中的失穩(wěn)滑塌會(huì)給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來不可估量的損害，因此有必要對路塹高邊坡進(jìn)行長期監(jiān)測。通過全程的實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握其在運(yùn)營過程中穩(wěn)定性的變化。

國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)研究。李振東等[1]在六盤水月照機(jī)場高填方邊坡對測斜儀的應(yīng)用表明，測斜儀可以表征高填方邊坡不同深度處的變形位移情況，并且通過布設(shè)深部位移監(jiān)測剖面可以反映高填方邊坡潛在的滑面及滑面的貫通性，對判斷機(jī)場高填方邊坡的穩(wěn)定性有重要意義。呂群財(cái)[2]對湖南汝郴高速公路路塹邊坡的表層位移及深層位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，邊坡支護(hù)方案效果明顯，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。王紅明等[3]在國內(nèi)主要邊坡監(jiān)測等級劃分等方面工作的基礎(chǔ)上,結(jié)合作者多年在湖北省公路工程邊坡監(jiān)測工作經(jīng)驗(yàn),提出了適宜在湖北省公路工程邊坡監(jiān)測中使用的邊坡監(jiān)測等級劃分方法。王旭日[4]對某泥巖砂巖高邊坡錨索預(yù)應(yīng)力的監(jiān)測研究表明，錨索預(yù)應(yīng)力的損失逐漸趨于穩(wěn)定，預(yù)應(yīng)力柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果良好。周勇等[5]以蘭永一級公路某深挖路塹邊坡的治理工程為依托,對邊坡支護(hù)過程中及支護(hù)結(jié)束后的錨桿應(yīng)力、錨索內(nèi)力、坡體位移進(jìn)行了原位監(jiān)測,并利用巖土分析軟件PLAXIS,采用節(jié)理巖模塊對該邊坡工程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

目前，對邊坡的監(jiān)測主要集中在邊坡變形、錨索預(yù)應(yīng)力的監(jiān)測，加速度計(jì)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用較少。本文在某隧道出口段高邊坡監(jiān)測中，加入了對該邊坡加速度的監(jiān)測。加速度計(jì)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用，增添了監(jiān)測數(shù)據(jù)的多樣性，使得對該邊坡加固效果的評價(jià)多了一項(xiàng)數(shù)據(jù)的支撐，評價(jià)結(jié)果更具可靠性。

1 工程概況

某隧道出口段K4+430～K4+365高邊坡長65 m，大都為采空區(qū)，軸線最大挖高31.52 m，左邊坡最大開挖高度34 m，右邊坡開挖高度49.72 m。邊坡主要由堆填土、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、砂巖、硅質(zhì)巖和煤層構(gòu)成，全、強(qiáng)風(fēng)化層厚，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。坡體采用井字梁預(yù)應(yīng)力錨索防護(hù), 共分為四級臺階, 錨索孔徑130 mm , HRB335鋼筋, 7-Φ15.2錨索, 錨孔內(nèi)為M35水泥砂漿, C30混凝土封錨, 設(shè)計(jì)錨固力800 kN。當(dāng)進(jìn)行第四級邊坡開挖的時(shí)候，在該邊坡上發(fā)現(xiàn)地表裂縫，裂縫最大寬度103 mm，深可見0.3～1 m(圖1)，預(yù)應(yīng)力錨索框架梁開裂(圖2)。

圖1 邊坡裂縫

圖2 第三平臺錨索框架梁開裂

2 邊坡監(jiān)測設(shè)計(jì)

為及時(shí)準(zhǔn)確的掌握邊坡的穩(wěn)定性情況，對邊坡進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。其中，錨索預(yù)應(yīng)力和表面位移監(jiān)測周期為2019年7月17日—2019年12月31日，加速度監(jiān)測周期為2019年7月26日—2019年12月31日。監(jiān)測設(shè)計(jì)如下：

(1)雨量監(jiān)測：在坡體上選擇一處較為平坦地段安裝1個(gè)雨量計(jì)(圖3)。

圖3 安裝雨量計(jì) 圖4 安裝錨索計(jì) 圖5 安裝加速度計(jì) 圖6 安裝小棱鏡

(2)錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測：在坡體上布置4個(gè)預(yù)應(yīng)力錨索計(jì)，監(jiān)測錨索預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力損失隨時(shí)間變化的情況(圖4)。

(3)加速度監(jiān)測：邊坡滑動(dòng)之前，加速度會(huì)出現(xiàn)突變。在框架梁上安裝4個(gè)加速度計(jì)，監(jiān)測邊坡加速度的變化趨勢，判斷邊坡的臨滑跡象(圖5)。

(4)表面位移監(jiān)測：采用全站儀對坡體表面水平位移和豎直位移進(jìn)行監(jiān)測。在邊坡框架梁上安裝徠卡小棱鏡(圖6)，坡體上布置了12個(gè)監(jiān)測點(diǎn)和2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場踏勘結(jié)果，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)于該高邊坡斜對面的一個(gè)長期廢棄的平臺上(圖7)。位移監(jiān)測采用后方交會(huì)法，基準(zhǔn)點(diǎn)作為后視點(diǎn)。按國家二等三角測量要求，在邊坡對面建立2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)(圖8、圖9)，形成一條基準(zhǔn)線，建立虛擬三維坐標(biāo)系[6]。

圖7 基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)平臺示意圖 圖8 1號基準(zhǔn)點(diǎn) 圖9 2號基準(zhǔn)點(diǎn)

各監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意如圖10所示。

圖10 各監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意圖

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 雨量監(jiān)測

氣象學(xué)上將降雨等級按以下原則劃分：小雨，24 h內(nèi)降雨量小于10 mm的降雨過程；中雨，24 h內(nèi)降雨量10～25 mm的降雨過程；大雨，24 h內(nèi)降雨量>25～50 mm的降雨過程；暴雨，凡24 h內(nèi)降雨量超過50 mm的降雨過程。

本項(xiàng)目雨量監(jiān)測的周期為2019年7月至12月，監(jiān)測內(nèi)容為監(jiān)測期內(nèi)各月降雨總量及監(jiān)測期內(nèi)每日降雨量。圖11為監(jiān)測期內(nèi)貴陽市月降雨量柱狀圖，圖12為監(jiān)測期內(nèi)貴陽市7—8月日降雨量統(tǒng)計(jì)圖。

圖11 貴陽市月降雨量柱狀圖

圖12 貴陽市7—8月日降雨量統(tǒng)計(jì)圖

由圖11可知：2019年7—12月各月降雨量分別為202.73、75.65、72.71、105.62、20.78、6.3 mm；監(jiān)測期內(nèi)總降雨量為483.79 mm；最大降雨量在7月，為202.73 mm，占監(jiān)測期內(nèi)總降雨量的41.9%。由圖12可知：強(qiáng)降雨主要集中在7月至8月中上旬，8月下旬至12月底，降雨量顯著降低，日降雨量主要以中雨、小雨為主，暴雨出現(xiàn)1次；在監(jiān)測期內(nèi)，7月19日的日降雨量達(dá)到最大值57.23 mm，為暴雨級別；大雨出現(xiàn)3次，分別為7月6日35.00 mm/d，7月12日26.61 mm/d，8月7日28.71 mm/d。監(jiān)測前期(7月至8月上旬)出現(xiàn)了大到暴雨，監(jiān)測中、后期(8月中旬至12月)出現(xiàn)了中小型降雨。

3.2 錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測

錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖13、圖14所示。其中，圖13為錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線，圖14為預(yù)應(yīng)力損失值隨時(shí)間變化的曲線。

由圖13和圖14可知，錨索預(yù)應(yīng)力的損失過程基本分為兩個(gè)階段[1]。第一階段為預(yù)應(yīng)力下降階段，時(shí)間從2019年7月17日到2019年8月3日，一般為錨索測力計(jì)安裝后15 d左右。截至2019年8月3日，1、2、3、4號4個(gè)錨索預(yù)應(yīng)力損失率分別為：17.7%、15.9%、15.1%、12.3%。究其原因，主要是由于該階段處于邊坡支護(hù)的初始階段，此時(shí)邊坡內(nèi)部巖土體較為松散，強(qiáng)度較低，巖石中裂隙極其發(fā)育，致使錨索在張拉過程中，巖土體的收縮變形過大；其次，鋼絞線的應(yīng)力松弛也是預(yù)應(yīng)力損失的一個(gè)重要因素[7]。在預(yù)應(yīng)力錨索錨固作用下，隨著邊坡巖土體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整，預(yù)應(yīng)力錨索與周圍巖土體相互適應(yīng)[8]，預(yù)應(yīng)力損失逐漸降低。第二階段為預(yù)應(yīng)力基本穩(wěn)定階段，時(shí)間從2019年8月3日到2019年12月31日。該階段錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線基本為一條直線，其中小幅度波動(dòng)是由于監(jiān)測所用路燈電壓不穩(wěn)定等外界因素影響所致，表明邊坡已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力錨索對邊坡的支護(hù)起到了較好的效果。

圖13 錨索預(yù)應(yīng)力-時(shí)間變化曲線

圖14 錨索預(yù)應(yīng)力損失值-時(shí)間變化曲線

3.3 位移監(jiān)測

位移監(jiān)測結(jié)果如圖15、圖16所示。其中，圖15為各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)位移隨時(shí)間變化的曲線，圖16為各監(jiān)測點(diǎn)位移變化速率隨時(shí)間變化的曲線。

由圖15和圖16可知：距初測時(shí)間30 d內(nèi)，各點(diǎn)累計(jì)位移和位移變化速率較大，其中監(jiān)測點(diǎn)SP6累計(jì)位移值最大，為5.86 mm，位移變化速率達(dá)到0.19 mm/d。結(jié)合雨量監(jiān)測結(jié)果，這一時(shí)期正值貴陽市的雨季，降雨量較大，邊坡表面位移出現(xiàn)較大變化，說明降雨作用是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的一重要因素[9]。距初測時(shí)間30 d后，各點(diǎn)累計(jì)位移和位移變化速率較穩(wěn)定。最終，各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)位移[10]為4～7 mm，位移速率為0～0.05 mm/d，表明該高邊坡已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖15 累計(jì)位移-時(shí)間變化曲線

圖16 位移變化速率-時(shí)間變化曲線

3.4 加速度監(jiān)測

圖17為加速度隨時(shí)間變化的曲線。由圖17可知：監(jiān)測期間，邊坡表面加速度值基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)滑坡趨勢，加固效果較好。局部有小幅波動(dòng)的原因主要是：該邊坡在高速路旁，道路上來往的重型貨車對地面產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)以波的形式向道路周圍擴(kuò)散，致使加速度計(jì)有微小的抖動(dòng)，對加速度的測量產(chǎn)生一定的影響。

圖17 加速度-時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

通過對某隧道出口段高邊坡的現(xiàn)場監(jiān)測研究與分析，掌握了該高邊坡的穩(wěn)定性情況及加固的效果，取得的結(jié)論如下：

(1)監(jiān)測期內(nèi)：總降雨量為483.79 mm；最大降雨量出現(xiàn)在7月，為202.73 mm，占監(jiān)測期內(nèi)總降雨量的41.9%；日降雨量主要以中雨、小雨為主，暴雨出現(xiàn)1次，大雨出現(xiàn)3次。

(2)錨索預(yù)應(yīng)力變化過程分為兩個(gè)階段：第一階段為預(yù)應(yīng)力下降階段，一般為錨索測力計(jì)安裝后15 d左右的時(shí)間；第二階段為預(yù)應(yīng)力基本穩(wěn)定階段。

(3)降雨作用是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的一個(gè)重要因素，建議在降雨季節(jié)提高監(jiān)測頻率。距初測時(shí)間30 d內(nèi)，各點(diǎn)累計(jì)位移和位移變化速率較大；距初測時(shí)間30 d后，各點(diǎn)累計(jì)位移和位移變化速率較穩(wěn)定。最終各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)位移為4～7 mm，位移速率為0～0.05 mm/d。

(4)坡體加速度在邊坡全監(jiān)測期內(nèi)均無明顯變化，表明邊坡巖土體變形未出現(xiàn)突變，邊坡無滑動(dòng)趨勢，處于穩(wěn)定狀態(tài)。