公路隧道洞口边坡无线感知技术

杨同军 秦尚友 杨敏

1.西南交通建设集团股份有限公司 云南 昆明 650031 2.云南省建设投资控股集团有限公司 云南 昆明 650031

1 概述

公路隧道作为一种超长线状基础设施，在施工过程中要面临大量不同类型的灾害。尤其是位于山区的公路隧道，相较于一般高速公路工程而言，工程投资大、建设周期长、结构类型多（包括：隧道、涵洞、桥梁、边坡、路基、路面等），并且山区气候多变，周边地形地貌和水文条件较为复杂。其中隧道洞口滑坡是隧道施工中常见的地质灾害之一[1]。为确保隧道施工的安全，有必要对稳定性较差的洞口边坡变形进行监测。

相比于人工辅助的传统监测方式，无线监测具有实时性强、监测效率高等优点。为实现土木工程结构监测的智能化、高效化，Straser和Kiremidjian（1998）[2]首次提出应用无线传感器网络进行结构健康监测，研发了低成本无线感知单元，并将其应用于阿拉莫萨峡谷大桥的动力性能监测试验中。在此之后，研发适用于土木工程结构监测的无线感知元件及应用无线传感器网络对土木工程结构进行智慧感知监测迅速成为工程界的热点[3]。然而，无线感知技术在洞口边坡处的应用还不常见。

本文使用由悟莘科技有限公司与同济大学联合开发的WISENMESHNET无线传感网络监测系统对云南在建蒙屏高速公路一段拟建隧道的洞口边坡进行监测。利用无线监测网络中的无线激光测距传感器，通过监测隧道导管与山体的相对位置判断洞口边坡的变形及其稳定性。

本文可以为无线感知技术在洞口边坡处的应用提供参考和借鉴。

2 无线传感网络监测系统

由悟莘科技有限公司与同济大学联合开发的WISENMESHNET无线传感网络监测系统具有无线无源、超高精度、稳定运行、直观反映监测期间结构的安全状态等特点，其系统组成如图1所示。

图1 无线传感器网络系统组成示意图

系统主要含有个3主要部分：1）负责采集数据的传感支点部分，可以采集包括倾角、距离、温度等原始数据；2）负责收集数据并进行传输的智能网关部分，网关无法联网传输时，可以收集并储存来自传感支点的数据并进行保存；3）负责数据云存储、解析以及实时显示的后台，即可视化平台。

3 项目简介

本文监测的对象为一拟建隧道的右线出洞口边坡。该工程是云南在建蒙屏高速公路的一段隧道，位于云南省东南部红河州境内。拟建隧道设计为分离式双洞隧道，隧道净高5.0m，净宽10.25m，最大埋深约57.3m。

由地质勘察得出：隧道左线出洞口边坡岩层面②、裂隙③、裂隙⑤与边坡大角度相交，对边坡整体稳定性影响小；裂隙④与边坡倾向相反，对边坡整体稳定性影响小。隧道右线出洞口边坡裂隙④与边坡交角24°，倾角为74°，对边坡整体稳定性影响大；裂隙④与裂隙③交线⑥边坡交角21°，倾角为69°，对边坡整体稳定性影响大。外倾结构面交线控制边坡稳定性，边坡易沿外倾结构面产生滑塌。图2为隧道右线出洞口概况。因此对隧道右线出洞口边坡进行监测。

图2 隧道右线出洞口概况

4 监测方案

本文对右线出洞口的导管实施无线监测，通过监测导管与山体的相对位置是否发生变化，来判断边坡的稳定性。

现场的安装分为三个主要部分，包含无线倾角支点、无线激光支点以及网关。其中，无线倾角支点用于监测隧道横纵向倾角的变化，因此在本文中不做阐述。无线激光支点用来监测导管与山体的相对位置是否发生变化，激光支点的位置安装在导管外侧的混凝土结构上，示意图如图3所示。网关采用太阳能和电池双重供能，在安装中需要注意将太阳能电池板的位置置于正对太阳的方向，示意图如图4所示。

图3 激光采集支点的位置示意图

图4 现场网关示意图

由于山体和导管的距离很近（8m左右），激光采集支点不需要设置专门的接收靶，安装中将激光接受处安排在进行喷射混凝土施工的边坡上。激光接受位置的示意图如图5所示。

图5 激光接受位置示意图

5 监测数据分析

导管与坡体的距离如图6所示，从图中的距离变化可以看出从七月份到九月份两个月的监测期间，导管与坡体的距离减少了4mm，说明边坡有微小的变形。由于距离的变化满足施工安全的要求，所以没有采取特别的施工保护措施，后期应根据气候变化时刻注意数据的变化并采取相应措施。

图6 导管与坡体距离变化

6 结论

本文采用无线感知技术对云南山区一在建高速公路的某段隧道的出洞口边坡进行了实时监测，主要结论如下：

（1）根据边坡的勘察结果以及工程施工的安全要求确定了边坡的监测方案，依据方案进行了传感器布设及网络监测平台搭建。

（2）采用无线感知技术，通过对隧道洞口的导管实施无线监测，依据导管与山体的相对位置是否发生变化，来判断边坡的稳定性。