公路隧道洞口邊坡無線感知技術(shù)

楊同軍 秦尚友 楊敏

1.西南交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 云南 昆明 650031 2.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司 云南 昆明 650031

1 概述

公路隧道作為一種超長線狀基礎(chǔ)設(shè)施，在施工過程中要面臨大量不同類型的災(zāi)害。尤其是位于山區(qū)的公路隧道，相較于一般高速公路工程而言，工程投資大、建設(shè)周期長、結(jié)構(gòu)類型多（包括：隧道、涵洞、橋梁、邊坡、路基、路面等），并且山區(qū)氣候多變，周邊地形地貌和水文條件較為復(fù)雜。其中隧道洞口滑坡是隧道施工中常見的地質(zhì)災(zāi)害之一[1]。為確保隧道施工的安全，有必要對(duì)穩(wěn)定性較差的洞口邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測。

相比于人工輔助的傳統(tǒng)監(jiān)測方式，無線監(jiān)測具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、監(jiān)測效率高等優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測的智能化、高效化，Straser和Kiremidjian（1998）[2]首次提出應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，研發(fā)了低成本無線感知單元，并將其應(yīng)用于阿拉莫薩峽谷大橋的動(dòng)力性能監(jiān)測試驗(yàn)中。在此之后，研發(fā)適用于土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測的無線感知元件及應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行智慧感知監(jiān)測迅速成為工程界的熱點(diǎn)[3]。然而，無線感知技術(shù)在洞口邊坡處的應(yīng)用還不常見。

本文使用由悟莘科技有限公司與同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的WISENMESHNET無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)云南在建蒙屏高速公路一段擬建隧道的洞口邊坡進(jìn)行監(jiān)測。利用無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的無線激光測距傳感器，通過監(jiān)測隧道導(dǎo)管與山體的相對(duì)位置判斷洞口邊坡的變形及其穩(wěn)定性。

本文可以為無線感知技術(shù)在洞口邊坡處的應(yīng)用提供參考和借鑒。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)

由悟莘科技有限公司與同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的WISENMESHNET無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)具有無線無源、超高精度、穩(wěn)定運(yùn)行、直觀反映監(jiān)測期間結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)等特點(diǎn)，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成示意圖

系統(tǒng)主要含有個(gè)3主要部分：1）負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的傳感支點(diǎn)部分，可以采集包括傾角、距離、溫度等原始數(shù)據(jù)；2）負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸?shù)闹悄芫W(wǎng)關(guān)部分，網(wǎng)關(guān)無法聯(lián)網(wǎng)傳輸時(shí)，可以收集并儲(chǔ)存來自傳感支點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行保存；3）負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)、解析以及實(shí)時(shí)顯示的后臺(tái)，即可視化平臺(tái)。

3 項(xiàng)目簡介

本文監(jiān)測的對(duì)象為一擬建隧道的右線出洞口邊坡。該工程是云南在建蒙屏高速公路的一段隧道，位于云南省東南部紅河州境內(nèi)。擬建隧道設(shè)計(jì)為分離式雙洞隧道，隧道凈高5.0m，凈寬10.25m，最大埋深約57.3m。

由地質(zhì)勘察得出：隧道左線出洞口邊坡巖層面②、裂隙③、裂隙⑤與邊坡大角度相交，對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響小；裂隙④與邊坡傾向相反，對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響小。隧道右線出洞口邊坡裂隙④與邊坡交角24°，傾角為74°，對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響大；裂隙④與裂隙③交線⑥邊坡交角21°，傾角為69°，對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響大。外傾結(jié)構(gòu)面交線控制邊坡穩(wěn)定性，邊坡易沿外傾結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑塌。圖2為隧道右線出洞口概況。因此對(duì)隧道右線出洞口邊坡進(jìn)行監(jiān)測。

圖2 隧道右線出洞口概況

4 監(jiān)測方案

本文對(duì)右線出洞口的導(dǎo)管實(shí)施無線監(jiān)測，通過監(jiān)測導(dǎo)管與山體的相對(duì)位置是否發(fā)生變化，來判斷邊坡的穩(wěn)定性。

現(xiàn)場的安裝分為三個(gè)主要部分，包含無線傾角支點(diǎn)、無線激光支點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)。其中，無線傾角支點(diǎn)用于監(jiān)測隧道橫縱向傾角的變化，因此在本文中不做闡述。無線激光支點(diǎn)用來監(jiān)測導(dǎo)管與山體的相對(duì)位置是否發(fā)生變化，激光支點(diǎn)的位置安裝在導(dǎo)管外側(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)上，示意圖如圖3所示。網(wǎng)關(guān)采用太陽能和電池雙重供能，在安裝中需要注意將太陽能電池板的位置置于正對(duì)太陽的方向，示意圖如圖4所示。

圖3 激光采集支點(diǎn)的位置示意圖

圖4 現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)示意圖

由于山體和導(dǎo)管的距離很近（8m左右），激光采集支點(diǎn)不需要設(shè)置專門的接收靶，安裝中將激光接受處安排在進(jìn)行噴射混凝土施工的邊坡上。激光接受位置的示意圖如圖5所示。

圖5 激光接受位置示意圖

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

導(dǎo)管與坡體的距離如圖6所示，從圖中的距離變化可以看出從七月份到九月份兩個(gè)月的監(jiān)測期間，導(dǎo)管與坡體的距離減少了4mm，說明邊坡有微小的變形。由于距離的變化滿足施工安全的要求，所以沒有采取特別的施工保護(hù)措施，后期應(yīng)根據(jù)氣候變化時(shí)刻注意數(shù)據(jù)的變化并采取相應(yīng)措施。

圖6 導(dǎo)管與坡體距離變化

6 結(jié)論

本文采用無線感知技術(shù)對(duì)云南山區(qū)一在建高速公路的某段隧道的出洞口邊坡進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)邊坡的勘察結(jié)果以及工程施工的安全要求確定了邊坡的監(jiān)測方案，依據(jù)方案進(jìn)行了傳感器布設(shè)及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺(tái)搭建。

（2）采用無線感知技術(shù)，通過對(duì)隧道洞口的導(dǎo)管實(shí)施無線監(jiān)測，依據(jù)導(dǎo)管與山體的相對(duì)位置是否發(fā)生變化，來判斷邊坡的穩(wěn)定性。