高速某隧道口边坡智能化监测与预警系统应用

马建华，章国荣，，陈小华，彭祝华，孙晓军

(1.湖州市交通投资集团有限公司,浙江 湖州 313000; 2.浙江吉宁高速公路有限公司,浙江 湖州 313000)

0 引言

近年来,我国道路交通建设快速发展,为了满足人民出门便利,高速公路发展不断升级,尤其是在山区修建高速公路对山区交通创建了极大的便利条件,并带来了巨大的经济效益。但是山区修建高速不可避免地需要开挖隧道,这就导致了开挖山体的稳定性受到了严重影响,产生了各种不稳定性问题[1],例如塌方、岩爆、滑坡等。其中,隧道口岩体的开挖,改变了围岩的应力状态,同时对于隧道口上方坡体,不可避免地产生了临空面,对隧道口上方的边坡稳定性产生了不利影响,一旦垮塌,对交通通行和人民生命财产安全造成不小的损失。因此,对于隧道口边坡的监测和预警工作尤为重要。目前,针对滑坡监测[2-3]、预警[4-5]已有大量的研究工作,主要包括裂缝监测、地表位移监测、深部位移监测、地下水位监测等,并且现代测绘工具也被越来越多的应用到了边坡稳定性监测[6-8],各类预警算法也得到了一定的应用。本文以官新高速某隧道口边坡为例,根据其现状,布置了较为合理的监测方案,并将已开发的监测预警云平台接入,从而展开有效及时的监测预警工作。

1 工程概况

隧道为官新高速公路一座小净距隧道,其左线长305 m,右线长290 m。隧道洞口处在低山南面坡,该山坡坡底为V型峡谷,发育溪沟,沟底高程约为228 m;山坡上部至相对平缓地带,高程约为388 m,自然山坡的高差约160 m,山坡坡度约35°～45°。隧道出洞洞口处地面高程约310 m～315 m,设计高程为301.7 m,隧道紧接一座大桥,大桥0号台与洞口距离1.5 m。隧道走廊带通过地段的地面标高约300.0 m～458.0 m。隧址区岩性以奥陶—志留板岩夹变质砂岩为主,岩层整体单斜,倾向南东,倾角35°～50°,岩体基本由浅至深风化,为全、强、中风化程度,山坡上零星有基岩出露;山坡表面一般覆盖厚度不等的坡积、坡残积粉质黏土(夹碎石)。

隧道洞口段边坡于2022年1月13日上午发生较大规模滑塌。隧道出洞口平台及仰坡以及桥台施工开挖均不大,也没有进行强支护。但开挖不可避免形成一定临空面,卸荷作用也导致坡体应力重新分布,其通过变形来均衡。另外隧道开挖也是对坡体应力改变过程,沉降也将导致坡体松弛。隧道洞口段边坡垮塌前两三天,经历过较强降雨,雨水冲刷坡体,径流渗入坡体增加了坡体的重度,增大坡体下滑力。雨水导致岩石软化,软化坡体滑动面,对边坡稳定不利。另外垮塌前,隧道内曾出现钢拱架承受超出一般围岩应力地压情况出现的嘎吱异响、扭曲变形情况,表明该垮塌不仅仅是隧道仰坡垮塌而很可能是破裂面通过隧道出口段洞身的崩滑。由于该山坡很高,在隧道出口下方高度还有约80余米,隧道下方山坡是否稳定对隧道边仰坡稳定也构成较大影响。

2 监测方案

目前滑塌后缘变形体发展仍十分明显,洞内处治变形情况仍有进行,滑塌区及滑塌堆积区处在高陡位置,堆积松散体处在动态变化中,不具备深入现场细致观察滑塌细部条件,因此目前现场安全风险较大,所有的现场工作都存在一定安全风险,基于此,后续工作分阶段进行,因此监测方案同样分阶段部署。

2.1 应急、勘察设计阶段

应急、勘察设计阶段布设3个监测断面,每个监测断面布设1个北斗地表位移监测点和1个裂缝监测点,共布设1个北斗基准点、3个北斗地表位移监测点和3个自动化裂缝监测点。北斗地表位移监测点布设在坡体后缘,裂缝监测点布设在坡体后缘张拉裂缝处。

2.2 施工处治及运营期监测

本阶段采用智能自动化监测手段,在充分利用勘察期间智能自动化监测设备的基础上,增加部分智能自动化监测设备。同时除对洞口上方滑坡体进行监测外,还对隧道出口下方坡体、隧道及大桥0号墩台进行监测。滑坡体布设5条监测剖面。

利用应急、勘察设计阶段3个北斗监测点,1-1剖面布设2个北斗地表位移监测点(新增1个),2-2剖面布设2个北斗地表位移监测点(新增1个),3-3剖面布设2个北斗地表位移监测点(新增1个),在洞口左上角和右上角坡体各新增一条剖线,即为4-4和5-5剖面线,并在两条剖面上各布设1个北斗地表位移监测点。总计布设1个北斗基准点和8个北斗地表位移监测点。充分利用应急、勘察设计阶段布设的3台裂缝计,沿原滑坡后缘布设,布设1套声光报警器。GNSS基准点安装于滑坡体以外稳定开阔山体,与雨量计组合安装。在洞口下方桥墩共布设变形桩4台。

为保证隧道工程安全,为隧道处治设计提供数据支撑,在向家隧道洞口附近,通过利用全站仪监测拱顶下沉和周边位移变化。监控断面测点布置图如图1所示,其中图中1号点为拱顶下沉监测点,其余为周边位移变化监测点。

3 预警系统

3.1 预警逻辑

大多数具有持续性变化趋势的监测参数均有图2所示的变化过程。首先,在监测开始的一段时间内通常会有一段正常运营阶段。随后开始逐渐变化,进入初始的变形阶段,变化一段时间之后逐渐稳定,进入等速变形阶段(速度为0是本阶段的一种特殊情况),初始变形阶段和等速变形阶段可能会重复多次。最后进行加速变化阶段,最终发生破坏。本预警方案的实质就是识别传感器所处于的变化阶段,重点识别其快速变化过程和加速过程。

假设正常运营阶段监测数据波动的最大值为Acc0,据此给定两个经验参数C1和C2与Acc0相乘得到Acc1和Acc2。当累计变化量处于Acc1以下区间为安全区间,不进行预警。当累计变化量突破Acc1时进入开始关注阶段,并同时触发超Acc1预警,当累计变化量突破Acc2时进入重点关注阶段,并同时触发超Acc2预警。

3.2 预警等级

当累计变化量变形量在Acc1和Acc2区间内,如图3(a)所示,依据变形速度分为正常、蓝色预警、橙色预警三个等级,各等级界限为Rate21和Rate22。当累计变化量突破Acc2时进入重点关注阶段,并同时触发超Acc2预警。在此阶段内预警等级划分如图3(b)所示,划分为正常、蓝色预警、橙色预警、红色预警四个等级。各等级之间界限为Rate31,Rate32,Rate33。其中Rate21,Rate31为正常运营阶段速度波动范围最大值,Rate22,Rate32,Rate33可依据经验和现场情况自定义。各预警等级风险程度及应急响应措施见表1。

表1 报警级别分类表及应急措施

3.3 预警控制标准

根据此边坡现状,确定各预警临界值如表2所示,当地表水平位移发生突变或累计位移达到预警值,应综合分析雨量计数据,现场巡视情况及时发出预警通知。当观测过程中发生下列情况之一时,应及时增加观测次数或调整变形监测方案:监测数据变化较大或者速率加快;监测数据达到或超出预警值;周边建(构)筑物突发较大或不均匀沉降或出现严重开裂、明显倾斜。

表2 预警参数临界值

4 监测与预警系统应用

4.1 监测云平台

已开发的地质灾害与工程安全智能监测云平台(致力云),系统集项目管理、数据采集、海量存储、智能分析、风险诊断、安全预警、应急响应等多功能于一体。将云平台应用于此隧道边坡监测与预警,可以有效并及时掌握边坡的动态位移变化及变化趋势,预防灾害发生。

4.2 监测结果分析

4.2.1 地表位移监测

图4(a)—图4(g)为云平台根据返回的位移监测数据自动生成的位移变化监测时间曲线图。

BD2-1和BD1-1,3-1,4-1,5-1以及BD1-2,2-2分别于2022年6月30日、7月26日、9月1日获得初始值。其中,两个时间段部分监测点位移变形速率大,处于急剧变形状态,分别为2022年7月26日—2022年7月31日的BD1-1,3-1,4-1,5-1监测点以及2022年9月30日—2022年10月31日的BD1-1,1-2,2-1,4-1,5-1监测点,同时两个时段其他监测点位移变形速率虽相对较小,但仍处于缓慢变形状态。其中,根据现场情况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日由于左线施工至洞口,洞内施工爆破震动对于上部坡体产生扰动,同时开挖隧道,造成临空面,使得坡体处于不稳定状态,地表位移发生急剧变化。这两时间段之间,2022年7月31日—8月31日,BD2-1,4-1,5-1位移变形速率较小,BD1-4,3-1位移变形速率小,其中BD4-1,5-1位移从此前的急剧变形状态转化为缓慢变形;2022年8月31日—9月30日,BD1-2,2-1位移变形速率较小,处于缓慢变形状态,BD1-1,2-2,3-1,4-1,5-1位移变形速率小,基本稳定,但BD1-1,1-2,2-1,4-1,5-1位移自下个月因隧道开挖开始转为急剧变形状态。2022年10月31日以来,隧道左、右洞贯通,洞内支护工作已完成,出洞口上部坡体各监测点位移基本稳定,无明显位移。

4.2.2 裂缝监测

图5为云平台根据返回的裂缝监测数据自动生成的裂缝宽度变化量时间曲线图,于2022年6月29日获得初试数据。图5(a)表明裂缝1号变形速率一直较小,处于基本稳定或者缓慢变形状态。图5(b)、图5(c)裂缝2号和3号分别在2022年7月18日—7月31日、2022年7月24日—7月31日存在变形速率突然变大时间段,表明裂缝处于急剧变形状态,根据现场情况,是由于出口段仰坡由于坍塌所导致,此阶段过后一直缓慢变形持续到8月25日,之后变形速率较小,保持基本稳定状态。

4.2.3 拱顶与周边位移监测

ZK55+760断面为距离左洞口10 m左右,此断面监测开始日期为2022年10月2日,图6为该断面监测以来的拱顶累计沉降量曲线,图7(a)、图7(b)分别为该断面上、下台阶测线周边位移累计变形曲线,可以看出拱顶和周边位移变形已基本稳定,无明显变化。

4.3 险情预警

隧道口地表仰坡地表下沉监测数据7月24日、7月25日连续两天BD1-1日下沉速率达到6 mm/d～9 mm/d,BD3-1日下沉速率达到3 mm/d～5 mm/d,同时,总位移量已超过20 mm,最大累计沉降值为40.6 mm,根据3.3节预警控制标准,云平台向各负责人紧急发布橙色预警通知,及时疏散人群。结合现场观测和监测数据分析,推测此次风险是施工打破了原有的围岩应力平衡,扰动了自稳能力极差的上伏粉质黏土,由于近几天连续降雨,地表水下渗,加之受洞内施工爆破震动影响,导致地表下沉速率过大。

5 结语

1)根据官新高速此隧道出洞口边坡初始状况,后缘裂缝还在进一步发展,边坡稳定性较差,工作风险较大,因此分别在应急、勘察设计阶段和施工处治及运营阶段采用了不同的监测方案,其中,施工处治及运营阶段在充分利用应急、勘察设计阶段布置的监测设备的基础上,新增部分监测设备,充分满足对隧道出洞口边坡稳定性的监测要求。

2)根据监测获取的各参数累计量将预警等级分为一级红色预警、二级橙色预警、三级黄色预警、四级蓝色预警,代表了灾害发生的可能性由大到小,其中一级红色预警代表灾害发生的可能性很大,四级蓝色预警代表灾害发生的可能性小。

3)将已开发的地质灾害与工程安全智能监测云平台应用到此边坡,可以实时获取边坡现场情况和监测数据,通过监测数据及时分析各监测点变化情况,有效进行预警,减少损失。

4)根据云平台返回的监测数据分析,目前后缘裂缝、洞口附近拱顶与周边位移已基本稳定,无明显变化,但洞口坡体仍处于缓慢变形状态,需时刻关注测点变化。