自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)在廣東某高速公路邊坡工程中的應(yīng)用研究

陳 洋

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017)

近幾十年來，我國公路、鐵路、軌道交通以及房地產(chǎn)等工程建設(shè)發(fā)展迅猛，工程建設(shè)引發(fā)的邊坡工程地質(zhì)災(zāi)害和事故時(shí)有發(fā)生，往往會(huì)造成較嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。深入分析這些地質(zhì)災(zāi)害和工程事故，除管理不到位、設(shè)計(jì)施工存在不足外，根本問題是傳統(tǒng)的靜態(tài)、斷續(xù)、離線、易干擾的人工監(jiān)測手段單一、監(jiān)測時(shí)間間隔過大、預(yù)報(bào)預(yù)警通道不暢，不能滿足地質(zhì)災(zāi)害和工程事故預(yù)警預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)性、及時(shí)性、智能化的要求。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日臻成熟和普及的今天，全面推行動(dòng)態(tài)、連續(xù)、在線、少干擾、難失效的自動(dòng)化監(jiān)測方法勢在必行[2]。

1 自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)簡介

邊坡工程自動(dòng)化監(jiān)測的基本原理就是利用安裝或者埋設(shè)在監(jiān)測對(duì)象表面或內(nèi)部的傳感器。測量其目標(biāo)物理量以及目標(biāo)物理量在時(shí)空上的變化，傳感器測量到的物理量按設(shè)定的采集方式和頻率通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行處理和儲(chǔ)存，再通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇梢暯K端，可視終端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果做出預(yù)警預(yù)報(bào)[3]。

1.1 邊坡自動(dòng)化監(jiān)測硬件設(shè)備

本項(xiàng)目所使用的硬件設(shè)備，見表1。

表1 本項(xiàng)目使用的硬件設(shè)備一覽

1.2 邊坡自動(dòng)化監(jiān)測云網(wǎng)平臺(tái)

本項(xiàng)目應(yīng)用的自動(dòng)化監(jiān)測云網(wǎng)平臺(tái)主要由3部分組成，分別是設(shè)備云、應(yīng)用云和數(shù)據(jù)云,如圖1所示。

圖1 邊坡工程自動(dòng)化監(jiān)測云網(wǎng)平臺(tái)示意

設(shè)備云采用云計(jì)算框架，可接入百萬級(jí)的各種不同監(jiān)測設(shè)備；平臺(tái)內(nèi)置多種類型廠商設(shè)備采集通信協(xié)議，無縫接入各類傳感器、采集儀和通信設(shè)備；支持DTU、路由器、無線網(wǎng)關(guān)等多種接入方式；可快速查看監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)；同時(shí)平臺(tái)內(nèi)置各類傳感器采集算法，可輕松實(shí)現(xiàn)從傳感器信號(hào)到監(jiān)測物理量的轉(zhuǎn)換；此外還提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口協(xié)議，可靈活對(duì)接第三方上層應(yīng)用平臺(tái)。

應(yīng)用云則兼容豐富的監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測項(xiàng)目，滿足多個(gè)行業(yè)的監(jiān)測要求；實(shí)施7×24h的云端在線無人值守監(jiān)測，并自動(dòng)故障短信報(bào)警，使安全情況盡在掌握之中；支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的回放和統(tǒng)計(jì)特征值的查詢，支持一鍵生成過程曲線和數(shù)據(jù)表格。此外應(yīng)用云平臺(tái)支持注冊(cè)用戶與終端用戶的分級(jí)管理，平臺(tái)注冊(cè)用戶可為不同的終端用戶創(chuàng)建并發(fā)布獨(dú)立的項(xiàng)目應(yīng)用，獨(dú)立的項(xiàng)目應(yīng)用下可包含管理員、普通用戶等不同等級(jí)用戶，獨(dú)立的項(xiàng)目應(yīng)用可以定制不同的項(xiàng)目logo及名稱等個(gè)性化設(shè)置。

數(shù)據(jù)云遵從各行業(yè)的監(jiān)測規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，擁有行業(yè)內(nèi)的專業(yè)算法，并根據(jù)行業(yè)需求生成專業(yè)化的監(jiān)測報(bào)表和多樣化的可視圖表。同時(shí)數(shù)據(jù)云具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析挖掘引擎，具備強(qiáng)大的分布式計(jì)算功能和豐富的數(shù)據(jù)分析算法，并支持用戶自主上傳數(shù)據(jù)。

2 邊坡工程自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

某邊坡工程(K0+200～K0+520)位于廣東省某高速公路，為保障邊坡安全，采用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)對(duì)該邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測。

2.1 邊坡工程地理環(huán)境

區(qū)內(nèi)雨量充沛，地表徑流對(duì)坡面坡腳的沖刷較大。大氣降水為地下水主要補(bǔ)給來源。地下水主要類型為孔隙水及基巖裂隙水。

2.2 邊坡工程地質(zhì)條件

邊坡主要由第四系坡殘積粉質(zhì)黏土和寒武系混合巖及其風(fēng)化層組成。各巖土層分述，見表1和圖2所示。

表2 邊坡各巖土層分述

圖2 邊坡地質(zhì)橫斷面

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測過程分析

此邊坡于2019年3月開始布點(diǎn)監(jiān)測，2020年4月監(jiān)測結(jié)束，在自動(dòng)化監(jiān)測過程中經(jīng)歷了變形破壞及變更加固過程，因此將此次監(jiān)測過程分兩個(gè)階段進(jìn)行介紹。

2.3.1 第一階段：邊坡變形破壞過程監(jiān)測及預(yù)警

2.3.1.1 邊坡變形破壞前防護(hù)設(shè)計(jì)方案。邊坡長320m，最大坡高為37m。防護(hù)設(shè)計(jì)方案，見表3。

表3 邊坡變形破壞前防護(hù)設(shè)計(jì)方案

2.3.1.2 邊坡監(jiān)測方案設(shè)計(jì)。邊坡監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)情況，見表4和圖3所示。

表4 邊坡自動(dòng)化監(jiān)測內(nèi)容

(a)K0+400～K0+520段 (b)K0+400～K0+520段圖3 自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)立面

2.3.1.3 自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備安裝。鋼絲位移計(jì)安裝：鋼絲位移計(jì)應(yīng)水平懸空安裝或豎直安裝，拉力為量程的60%～80%。

固定式測斜儀安裝：本項(xiàng)目探頭之間間隔設(shè)置為2m，全向位移計(jì)探頭下入孔內(nèi)時(shí)注意滑輪，高輪面向臨空面。

無線自動(dòng)采集模塊安裝：鋼絲位移計(jì)接線時(shí)應(yīng)把屏蔽線連接上，全向位移計(jì)(固定式測斜儀)屏蔽線無須連接。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)安裝：在2級(jí)平臺(tái)安裝2個(gè)攝像頭，以保證盡可能地監(jiān)控到邊坡全貌。

2.3.1.4 自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)及預(yù)警。邊坡于2018年11月開挖施工，2019年5月開挖三級(jí)后發(fā)現(xiàn)坡體內(nèi)部含水量豐富，坡面滲水較嚴(yán)重(如圖5所示)，加之廣東地區(qū)已經(jīng)進(jìn)入雨季，降水增多，邊坡后緣為高山，匯水面積大，坡面持續(xù)滲水對(duì)邊坡穩(wěn)定性極為不利。

(a)鋼絲位移計(jì) (b)固定式測斜儀 (c)無線自動(dòng)采集模塊 (d)視頻監(jiān)控圖4 硬件設(shè)備安裝圖片

圖5 坡面滲水照片

面對(duì)開挖過程中出現(xiàn)的不利局面，立即采取了兩項(xiàng)措施：①加強(qiáng)現(xiàn)場人工巡查和視頻監(jiān)控巡查；②加密監(jiān)測，監(jiān)測頻率由初始的8小時(shí)1次，加密為4小時(shí)1次(降雨過程中則2小時(shí)監(jiān)測1次)。

2019年5月監(jiān)測數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，變形速率小，累計(jì)位移小于2mm。如圖6所示。

圖6 CX4測斜孔2019年3月～5月監(jiān)測過程曲線

2019年6月降雨增多，變形量緩慢增加，21日～23日連日降雨，在此過程中，利用自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)和在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)該邊坡進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，6月23日，自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息：CX4在從11m深度處開始出現(xiàn)剪切變形，變形速率超過警戒值。如見圖7所示，6月23日11m深度處累計(jì)位移達(dá)到16.24mm，變形速率達(dá)到2.66mm/d。邊坡暫停開挖。

圖7 CX4測斜孔2019年6月監(jiān)測過程曲線

2019年7月持續(xù)進(jìn)行加密監(jiān)測，CX4測斜孔變形繼續(xù)發(fā)展，7月23日，11m深度出累計(jì)位移達(dá)到25.84mm，邊坡存在變形失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)監(jiān)測情況，建議對(duì)該邊坡加強(qiáng)加固，并盡快施工。

圖8 CX4測斜孔2019年7月監(jiān)測過程曲線

(a)K0+400斷面 (b)K0+380斷面圖9 邊坡變形破壞后變更設(shè)計(jì)斷面

2.3.2 第二階段：邊坡變更加固過程監(jiān)測

基于上述監(jiān)測結(jié)果，對(duì)該邊坡原先的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行變更。在施工過程中，繼續(xù)加強(qiáng)邊坡變形監(jiān)測。

2.3.2.1 邊坡變更加固方案設(shè)計(jì)。

表5 邊坡變形破壞后變更防護(hù)設(shè)計(jì)方案

2.3.2.2 邊坡變更加固過程監(jiān)測。2019年8月中旬開始錨桿加固施工，于11月中旬完成加固，施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，隨著錨桿格梁逐步完工，變形逐步收斂，邊坡趨于穩(wěn)定。如圖10所示。

圖10 CX4測斜孔2019年8月～11月邊坡變更加固監(jiān)測過程曲線

加固完成后，對(duì)邊坡進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測，直至2020年4月停止監(jiān)測，在此期間內(nèi)，如圖11所示，邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，沒有發(fā)現(xiàn)異常，如圖12所示，視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控未發(fā)現(xiàn)異常，初步認(rèn)為經(jīng)過邊坡加固后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 CX4測斜孔2019年12月～2020年4月邊坡監(jiān)測過程曲線

圖12 視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

3 結(jié)束語

①廣東省某高速K0+200～K0+520邊坡利用先進(jìn)的自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了從開挖到完工的全過程自動(dòng)化監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，可靠性高，并在暴雨條件下成功預(yù)警一次，充分發(fā)揮了自動(dòng)化全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控的優(yōu)勢，有效地保障了邊坡開挖和加固施工安全，監(jiān)測過程中還利用無人機(jī)和網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)對(duì)邊坡工程現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)巡查。②邊坡工程施工對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)的干擾影響較大，設(shè)備容易受到破壞，現(xiàn)場各參建單位應(yīng)該注意加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測設(shè)備的保護(hù)，尤其是建設(shè)單位和監(jiān)理單位應(yīng)積極做好監(jiān)管。③自動(dòng)化監(jiān)測取得成功的關(guān)鍵在于傳感器等硬件設(shè)備須具有良好的穩(wěn)定性，能很好地抵抗環(huán)境干擾能力(如電磁干擾、雷擊等)，目前市場上的硬件設(shè)備質(zhì)量參差不齊，需繼續(xù)加強(qiáng)試驗(yàn)、研發(fā)，提升硬件質(zhì)量，為全面推廣應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。④從監(jiān)測布點(diǎn)角度看，自動(dòng)化監(jiān)測與人工監(jiān)測沒有本質(zhì)區(qū)別，都是以定點(diǎn)布控監(jiān)測為主，受布控位置的影響，無法全方位對(duì)邊坡中的所有位置進(jìn)行監(jiān)測，導(dǎo)致整體邊坡變形監(jiān)測過程中存在一定盲點(diǎn)，無法對(duì)不能監(jiān)控區(qū)域的變形信號(hào)進(jìn)行捕捉，一旦盲點(diǎn)出現(xiàn)變形增大，在其他區(qū)域監(jiān)測到變形信號(hào)時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生較大影響，加之目前自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備單價(jià)較高，不可能通過加密測點(diǎn)來彌補(bǔ)這里缺點(diǎn)，因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)合理的監(jiān)測方案是自動(dòng)化監(jiān)測的一個(gè)大學(xué)問，今后需在實(shí)踐中不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)邊坡巖土體特性和破壞機(jī)理的研究，各學(xué)科交叉綜合分析判斷，才能使自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢充分發(fā)揮[4]。⑤隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)一定會(huì)逐步走向成熟，更好地為工程建設(shè)服務(wù)。