高速某隧道口邊坡智能化監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

馬建華，章國(guó)榮，，陳小華，彭祝華，孫曉軍

(1.湖州市交通投資集團(tuán)有限公司,浙江 湖州 313000; 2.浙江吉寧高速公路有限公司,浙江 湖州 313000)

0 引言

近年來(lái),我國(guó)道路交通建設(shè)快速發(fā)展,為了滿(mǎn)足人民出門(mén)便利,高速公路發(fā)展不斷升級(jí),尤其是在山區(qū)修建高速公路對(duì)山區(qū)交通創(chuàng)建了極大的便利條件,并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是山區(qū)修建高速不可避免地需要開(kāi)挖隧道,這就導(dǎo)致了開(kāi)挖山體的穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重影響,產(chǎn)生了各種不穩(wěn)定性問(wèn)題[1],例如塌方、巖爆、滑坡等。其中,隧道口巖體的開(kāi)挖,改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài),同時(shí)對(duì)于隧道口上方坡體,不可避免地產(chǎn)生了臨空面,對(duì)隧道口上方的邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響,一旦垮塌,對(duì)交通通行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成不小的損失。因此,對(duì)于隧道口邊坡的監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作尤為重要。目前,針對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)[2-3]、預(yù)警[4-5]已有大量的研究工作,主要包括裂縫監(jiān)測(cè)、地表位移監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)等,并且現(xiàn)代測(cè)繪工具也被越來(lái)越多的應(yīng)用到了邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)[6-8],各類(lèi)預(yù)警算法也得到了一定的應(yīng)用。本文以官新高速某隧道口邊坡為例,根據(jù)其現(xiàn)狀,布置了較為合理的監(jiān)測(cè)方案,并將已開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)接入,從而展開(kāi)有效及時(shí)的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作。

1 工程概況

隧道為官新高速公路一座小凈距隧道,其左線(xiàn)長(zhǎng)305 m,右線(xiàn)長(zhǎng)290 m。隧道洞口處在低山南面坡,該山坡坡底為V型峽谷,發(fā)育溪溝,溝底高程約為228 m;山坡上部至相對(duì)平緩地帶,高程約為388 m,自然山坡的高差約160 m,山坡坡度約35°～45°。隧道出洞洞口處地面高程約310 m～315 m,設(shè)計(jì)高程為301.7 m,隧道緊接一座大橋,大橋0號(hào)臺(tái)與洞口距離1.5 m。隧道走廊帶通過(guò)地段的地面標(biāo)高約300.0 m～458.0 m。隧址區(qū)巖性以?shī)W陶—志留板巖夾變質(zhì)砂巖為主,巖層整體單斜,傾向南東,傾角35°～50°,巖體基本由淺至深風(fēng)化,為全、強(qiáng)、中風(fēng)化程度,山坡上零星有基巖出露;山坡表面一般覆蓋厚度不等的坡積、坡殘積粉質(zhì)黏土(夾碎石)。

隧道洞口段邊坡于2022年1月13日上午發(fā)生較大規(guī)?；?。隧道出洞口平臺(tái)及仰坡以及橋臺(tái)施工開(kāi)挖均不大,也沒(méi)有進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)。但開(kāi)挖不可避免形成一定臨空面,卸荷作用也導(dǎo)致坡體應(yīng)力重新分布,其通過(guò)變形來(lái)均衡。另外隧道開(kāi)挖也是對(duì)坡體應(yīng)力改變過(guò)程,沉降也將導(dǎo)致坡體松弛。隧道洞口段邊坡垮塌前兩三天,經(jīng)歷過(guò)較強(qiáng)降雨,雨水沖刷坡體,徑流滲入坡體增加了坡體的重度,增大坡體下滑力。雨水導(dǎo)致巖石軟化,軟化坡體滑動(dòng)面,對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。另外垮塌前,隧道內(nèi)曾出現(xiàn)鋼拱架承受超出一般圍巖應(yīng)力地壓情況出現(xiàn)的嘎吱異響、扭曲變形情況,表明該垮塌不僅僅是隧道仰坡垮塌而很可能是破裂面通過(guò)隧道出口段洞身的崩滑。由于該山坡很高,在隧道出口下方高度還有約80余米,隧道下方山坡是否穩(wěn)定對(duì)隧道邊仰坡穩(wěn)定也構(gòu)成較大影響。

2 監(jiān)測(cè)方案

目前滑塌后緣變形體發(fā)展仍十分明顯,洞內(nèi)處治變形情況仍有進(jìn)行,滑塌區(qū)及滑塌堆積區(qū)處在高陡位置,堆積松散體處在動(dòng)態(tài)變化中,不具備深入現(xiàn)場(chǎng)細(xì)致觀(guān)察滑塌細(xì)部條件,因此目前現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)較大,所有的現(xiàn)場(chǎng)工作都存在一定安全風(fēng)險(xiǎn),基于此,后續(xù)工作分階段進(jìn)行,因此監(jiān)測(cè)方案同樣分階段部署。

2.1 應(yīng)急、勘察設(shè)計(jì)階段

應(yīng)急、勘察設(shè)計(jì)階段布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)1個(gè)北斗地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和1個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn),共布設(shè)1個(gè)北斗基準(zhǔn)點(diǎn)、3個(gè)北斗地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和3個(gè)自動(dòng)化裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)。北斗地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在坡體后緣,裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在坡體后緣張拉裂縫處。

2.2 施工處治及運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)

本階段采用智能自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段,在充分利用勘察期間智能自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上,增加部分智能自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備。同時(shí)除對(duì)洞口上方滑坡體進(jìn)行監(jiān)測(cè)外,還對(duì)隧道出口下方坡體、隧道及大橋0號(hào)墩臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。滑坡體布設(shè)5條監(jiān)測(cè)剖面。

利用應(yīng)急、勘察設(shè)計(jì)階段3個(gè)北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn),1-1剖面布設(shè)2個(gè)北斗地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(新增1個(gè)),2-2剖面布設(shè)2個(gè)北斗地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(新增1個(gè)),3-3剖面布設(shè)2個(gè)北斗地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(新增1個(gè)),在洞口左上角和右上角坡體各新增一條剖線(xiàn),即為4-4和5-5剖面線(xiàn),并在兩條剖面上各布設(shè)1個(gè)北斗地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)?？傆?jì)布設(shè)1個(gè)北斗基準(zhǔn)點(diǎn)和8個(gè)北斗地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。充分利用應(yīng)急、勘察設(shè)計(jì)階段布設(shè)的3臺(tái)裂縫計(jì),沿原滑坡后緣布設(shè),布設(shè)1套聲光報(bào)警器。GNSS基準(zhǔn)點(diǎn)安裝于滑坡體以外穩(wěn)定開(kāi)闊山體,與雨量計(jì)組合安裝。在洞口下方橋墩共布設(shè)變形樁4臺(tái)。

為保證隧道工程安全,為隧道處治設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐,在向家隧道洞口附近,通過(guò)利用全站儀監(jiān)測(cè)拱頂下沉和周邊位移變化。監(jiān)控?cái)嗝鏈y(cè)點(diǎn)布置圖如圖1所示,其中圖中1號(hào)點(diǎn)為拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn),其余為周邊位移變化監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 預(yù)警系統(tǒng)

3.1 預(yù)警邏輯

大多數(shù)具有持續(xù)性變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)參數(shù)均有圖2所示的變化過(guò)程。首先,在監(jiān)測(cè)開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)通常會(huì)有一段正常運(yùn)營(yíng)階段。隨后開(kāi)始逐漸變化,進(jìn)入初始的變形階段,變化一段時(shí)間之后逐漸穩(wěn)定,進(jìn)入等速變形階段(速度為0是本階段的一種特殊情況),初始變形階段和等速變形階段可能會(huì)重復(fù)多次。最后進(jìn)行加速變化階段,最終發(fā)生破壞。本預(yù)警方案的實(shí)質(zhì)就是識(shí)別傳感器所處于的變化階段,重點(diǎn)識(shí)別其快速變化過(guò)程和加速過(guò)程。

假設(shè)正常運(yùn)營(yíng)階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)的最大值為Acc0,據(jù)此給定兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)C1和C2與Acc0相乘得到Acc1和Acc2。當(dāng)累計(jì)變化量處于A(yíng)cc1以下區(qū)間為安全區(qū)間,不進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)累計(jì)變化量突破Acc1時(shí)進(jìn)入開(kāi)始關(guān)注階段,并同時(shí)觸發(fā)超Acc1預(yù)警,當(dāng)累計(jì)變化量突破Acc2時(shí)進(jìn)入重點(diǎn)關(guān)注階段,并同時(shí)觸發(fā)超Acc2預(yù)警。

3.2 預(yù)警等級(jí)

當(dāng)累計(jì)變化量變形量在A(yíng)cc1和Acc2區(qū)間內(nèi),如圖3(a)所示,依據(jù)變形速度分為正常、藍(lán)色預(yù)警、橙色預(yù)警三個(gè)等級(jí),各等級(jí)界限為Rate21和Rate22。當(dāng)累計(jì)變化量突破Acc2時(shí)進(jìn)入重點(diǎn)關(guān)注階段,并同時(shí)觸發(fā)超Acc2預(yù)警。在此階段內(nèi)預(yù)警等級(jí)劃分如圖3(b)所示,劃分為正常、藍(lán)色預(yù)警、橙色預(yù)警、紅色預(yù)警四個(gè)等級(jí)。各等級(jí)之間界限為Rate31,Rate32,Rate33。其中Rate21,Rate31為正常運(yùn)營(yíng)階段速度波動(dòng)范圍最大值,Rate22,Rate32,Rate33可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)情況自定義。各預(yù)警等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)程度及應(yīng)急響應(yīng)措施見(jiàn)表1。

表1 報(bào)警級(jí)別分類(lèi)表及應(yīng)急措施

3.3 預(yù)警控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)此邊坡現(xiàn)狀,確定各預(yù)警臨界值如表2所示,當(dāng)?shù)乇硭轿灰瓢l(fā)生突變或累計(jì)位移達(dá)到預(yù)警值,應(yīng)綜合分析雨量計(jì)數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)巡視情況及時(shí)發(fā)出預(yù)警通知。當(dāng)觀(guān)測(cè)過(guò)程中發(fā)生下列情況之一時(shí),應(yīng)及時(shí)增加觀(guān)測(cè)次數(shù)或調(diào)整變形監(jiān)測(cè)方案:監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化較大或者速率加快;監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到或超出預(yù)警值;周邊建(構(gòu))筑物突發(fā)較大或不均勻沉降或出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂、明顯傾斜。

表2 預(yù)警參數(shù)臨界值

4 監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

已開(kāi)發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害與工程安全智能監(jiān)測(cè)云平臺(tái)(致力云),系統(tǒng)集項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)采集、海量存儲(chǔ)、智能分析、風(fēng)險(xiǎn)診斷、安全預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)等多功能于一體。將云平臺(tái)應(yīng)用于此隧道邊坡監(jiān)測(cè)與預(yù)警,可以有效并及時(shí)掌握邊坡的動(dòng)態(tài)位移變化及變化趨勢(shì),預(yù)防災(zāi)害發(fā)生。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.2.1 地表位移監(jiān)測(cè)

圖4(a)—圖4(g)為云平臺(tái)根據(jù)返回的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成的位移變化監(jiān)測(cè)時(shí)間曲線(xiàn)圖。

BD2-1和BD1-1,3-1,4-1,5-1以及BD1-2,2-2分別于2022年6月30日、7月26日、9月1日獲得初始值。其中,兩個(gè)時(shí)間段部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變形速率大,處于急劇變形狀態(tài),分別為2022年7月26日—2022年7月31日的BD1-1,3-1,4-1,5-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及2022年9月30日—2022年10月31日的BD1-1,1-2,2-1,4-1,5-1監(jiān)測(cè)點(diǎn),同時(shí)兩個(gè)時(shí)段其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變形速率雖相對(duì)較小,但仍處于緩慢變形狀態(tài)。其中,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況2022年7月26日—2022年7月31日出口段有仰坡坍塌,而2022年9月30日—2022年10月31日由于左線(xiàn)施工至洞口,洞內(nèi)施工爆破震動(dòng)對(duì)于上部坡體產(chǎn)生擾動(dòng),同時(shí)開(kāi)挖隧道,造成臨空面,使得坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài),地表位移發(fā)生急劇變化。這兩時(shí)間段之間,2022年7月31日—8月31日,BD2-1,4-1,5-1位移變形速率較小,BD1-4,3-1位移變形速率小,其中BD4-1,5-1位移從此前的急劇變形狀態(tài)轉(zhuǎn)化為緩慢變形;2022年8月31日—9月30日,BD1-2,2-1位移變形速率較小,處于緩慢變形狀態(tài),BD1-1,2-2,3-1,4-1,5-1位移變形速率小,基本穩(wěn)定,但BD1-1,1-2,2-1,4-1,5-1位移自下個(gè)月因隧道開(kāi)挖開(kāi)始轉(zhuǎn)為急劇變形狀態(tài)。2022年10月31日以來(lái),隧道左、右洞貫通,洞內(nèi)支護(hù)工作已完成,出洞口上部坡體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移基本穩(wěn)定,無(wú)明顯位移。

4.2.2 裂縫監(jiān)測(cè)

圖5為云平臺(tái)根據(jù)返回的裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成的裂縫寬度變化量時(shí)間曲線(xiàn)圖,于2022年6月29日獲得初試數(shù)據(jù)。圖5(a)表明裂縫1號(hào)變形速率一直較小,處于基本穩(wěn)定或者緩慢變形狀態(tài)。圖5(b)、圖5(c)裂縫2號(hào)和3號(hào)分別在2022年7月18日—7月31日、2022年7月24日—7月31日存在變形速率突然變大時(shí)間段,表明裂縫處于急劇變形狀態(tài),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,是由于出口段仰坡由于坍塌所導(dǎo)致,此階段過(guò)后一直緩慢變形持續(xù)到8月25日,之后變形速率較小,保持基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2.3 拱頂與周邊位移監(jiān)測(cè)

ZK55+760斷面為距離左洞口10 m左右,此斷面監(jiān)測(cè)開(kāi)始日期為2022年10月2日,圖6為該斷面監(jiān)測(cè)以來(lái)的拱頂累計(jì)沉降量曲線(xiàn),圖7(a)、圖7(b)分別為該斷面上、下臺(tái)階測(cè)線(xiàn)周邊位移累計(jì)變形曲線(xiàn),可以看出拱頂和周邊位移變形已基本穩(wěn)定,無(wú)明顯變化。

4.3 險(xiǎn)情預(yù)警

隧道口地表仰坡地表下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)7月24日、7月25日連續(xù)兩天BD1-1日下沉速率達(dá)到6 mm/d～9 mm/d,BD3-1日下沉速率達(dá)到3 mm/d～5 mm/d,同時(shí),總位移量已超過(guò)20 mm,最大累計(jì)沉降值為40.6 mm,根據(jù)3.3節(jié)預(yù)警控制標(biāo)準(zhǔn),云平臺(tái)向各負(fù)責(zé)人緊急發(fā)布橙色預(yù)警通知,及時(shí)疏散人群。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,推測(cè)此次風(fēng)險(xiǎn)是施工打破了原有的圍巖應(yīng)力平衡,擾動(dòng)了自穩(wěn)能力極差的上伏粉質(zhì)黏土,由于近幾天連續(xù)降雨,地表水下滲,加之受洞內(nèi)施工爆破震動(dòng)影響,導(dǎo)致地表下沉速率過(guò)大。

5 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)官新高速此隧道出洞口邊坡初始狀況,后緣裂縫還在進(jìn)一步發(fā)展,邊坡穩(wěn)定性較差,工作風(fēng)險(xiǎn)較大,因此分別在應(yīng)急、勘察設(shè)計(jì)階段和施工處治及運(yùn)營(yíng)階段采用了不同的監(jiān)測(cè)方案,其中,施工處治及運(yùn)營(yíng)階段在充分利用應(yīng)急、勘察設(shè)計(jì)階段布置的監(jiān)測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上,新增部分監(jiān)測(cè)設(shè)備,充分滿(mǎn)足對(duì)隧道出洞口邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)要求。

2)根據(jù)監(jiān)測(cè)獲取的各參數(shù)累計(jì)量將預(yù)警等級(jí)分為一級(jí)紅色預(yù)警、二級(jí)橙色預(yù)警、三級(jí)黃色預(yù)警、四級(jí)藍(lán)色預(yù)警,代表了災(zāi)害發(fā)生的可能性由大到小,其中一級(jí)紅色預(yù)警代表災(zāi)害發(fā)生的可能性很大,四級(jí)藍(lán)色預(yù)警代表災(zāi)害發(fā)生的可能性小。

3)將已開(kāi)發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害與工程安全智能監(jiān)測(cè)云平臺(tái)應(yīng)用到此邊坡,可以實(shí)時(shí)獲取邊坡現(xiàn)場(chǎng)情況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化情況,有效進(jìn)行預(yù)警,減少損失。

4)根據(jù)云平臺(tái)返回的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,目前后緣裂縫、洞口附近拱頂與周邊位移已基本穩(wěn)定,無(wú)明顯變化,但洞口坡體仍處于緩慢變形狀態(tài),需時(shí)刻關(guān)注測(cè)點(diǎn)變化。