自動化監測在危巖安全管控中的應用

歐陽明明，王大濤

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.重慶市巖土工程技術研究中心，重慶 401121)

1 引 言

危巖崩塌、墜落、滑落等危巖活動是我國山地地區所面臨的主要地質災害之一，具有爆發突然、難以預測的特點，災害將給當地造成嚴重經濟損失并引發安全問題。

在危巖周邊有工程項目施工時，施工的擾動易降低危巖的穩定系數，誘發危巖體墜落。在工程項目施工過程中，有必要加強對鄰近危巖體的監測，掌握危巖的活動狀態，有效地控制工程風險，避免安全事故的發生。

2 重慶某項目周邊危巖特征

重慶某項目(下簡稱本項目)所處場地巖性為侏羅系沙溪廟組砂質泥巖、砂巖，巖層傾向140°，傾角8°。本項目場地基巖中發育兩組裂隙，都屬于硬性結構面，裂面較直，無充填物或局部方解石充填，結合差。J1裂隙傾向260°～270°，傾角65°～75°，延伸長度 3 m～5 m，間距 2 m～5 m不等；J2裂隙傾向80°～90°，傾角65°～75°，延伸長度 1 m～3 m，間距 1 m～3 m不等。

本項目HB匝道的隧道進口位于陡崖下方，陡崖由厚度 25 m的砂巖形成，崖底高程 220 m～222 m，崖頂高程 245 m～247 m，地形坡角65°～75°(與裂隙一致)；陡崖以上為坡度30°～50°的陡坡，出露砂質泥巖。砂巖呈厚層狀，卸荷裂隙發育，形成危巖(下簡稱該危巖)，該危巖下方為HB匝道高架橋和嘉陵路，嘉陵路車流量大，人類活動頻繁。危巖初始照片與示意圖如圖1、圖2所示：

圖1 危巖初始照片

圖2 危巖示意圖

該危巖屬于傾倒滑移式崩塌類型，上部砂巖受陡傾裂隙切割，危巖體與母巖分離，危巖體的重量隨裂隙切割深度的加大而不斷增大，則下部較軟砂質泥巖承受的荷載也逐步增大，當上部危巖體重量超過了砂質泥巖的抗拉荷載極限時，將使得砂質泥巖發生剪切破壞，最終反應為危巖體的失穩破壞。

本項目危巖在一般工況下穩定系數Fs=1.28，處于基本穩定狀態；當在地震情況下，穩定系數有所降低，Fs=1.21，仍處于基本穩定狀態，但穩定系數小于穩定性安全系數。危巖下方為HB匝道高架橋和嘉陵路，在工程項目施工階段和道路運行期間，危巖失穩將危及下行嘉陵路的通行和施工安全。勘察期間，地勘單位建議對該危巖進行清除或錨固，施工時應避免爆破開挖，同時采取必要的工程措施以避免影響下行嘉陵路的通行。

3 施工對危巖的影響

本項目施工期間，施工單位對該危巖進行了局部錨固和切除，H-B出洞口外留有兩米厚的巖體未切除，未切除的危巖位于陡坡邊緣卸荷帶中，現狀基本穩定。H-B出洞口仰坡開挖范圍內巖體主要是砂巖，采用人工水鉆切除的方式開挖。開挖時采取豎向分層，平面分塊的開挖方式，每層開挖深度約 0.6 m，每層巖層開挖方式由西向東進行開挖，按照設計要求采取分級放坡+噴錨支護的開挖方式。對于堅硬的巖層采用巖水鉆人工劈裂開挖，人工清運至卸料平臺。圖3方框位置為洞口待切除巖體，圖5為巖體切除后暴露的危巖截面。

圖3 現場實景圖

對H-B出洞口外2 m厚巖體切除后，從危巖側面進行豎直切割，暴露了危巖的橫切面，巖體被3條斜向裂縫切割形成危巖體，H-B出洞口 2 m后的巖體被切割后，危巖的穩定系數降低，危巖體滑落可能性明顯增加，為掌握危巖體的活動情況，需要采用實時監測手段監測危巖活動情況。

根據該危巖的物理力學特征，結合危巖發生傾倒滑移式崩塌破壞經典力學理論進行計算分析，在危巖裂縫寬度變化達到 2.5 mm時，該危巖將發生失穩破壞。為保證本項目施工過程中的安全，確保在危巖崩塌滑落前及時預警，為應急措施的實施和危巖處置贏取時間，經本項目危巖安全管理小組研究確定，設置危巖監測裂縫寬度變化量報警值為 2.0 mm。

4 危巖自動化監測系統設計

危巖災害是較陡斜坡上的巖體在重力作用下突然脫離母體崩塌、滾動、滑落。危巖地質災害的發生具有突發性和不可預見性，同時具有較強的破壞性。本項目危巖下方有重慶市的主要交通干道，車流量大，危巖崩落將造成安全事故和不良社會影響。為確保危巖崩落前能及時發布預警，危巖自動化監測系統設計如圖4所示。

圖4 自動化監測系統示意圖

(1)在切割面揭露的3條裂縫上，各布置1個監測點，監測裂縫寬度的變化情況。在裂縫的外側(危巖體側)固定一個立柱，在相對穩定的母巖體測固定亞毫米級高精度拉伸式傳感器，用拉線連接立柱與拉伸式傳感器，測量裂縫寬度的相對變化量，傳感器及采集器安裝如圖5所示；

圖5 自動化監測系統現場采集端

(2)埋設監測采集器，對3條裂縫傳感器進行實時數據采集；

(3)采用無線網絡通信技術，將現場采集的數據上傳送至自動化監測云平臺；

(4)自動化監測云平臺對現場采集器傳輸回來的數據進行存儲和處理，每 10 s處理一次數據，并與報警值進行比對，未超過報警值，平臺不發送預警信息；若超過報警值，及時向項目負責人發出預警信息；

(5)設置報警值為2 mm，裂縫寬度變化超出 2 mm后立即通過短信提示由建設單位、監理單位、施工單位、設計單位、地勘單位、監測單位組成危巖安全管理小組。通過網絡會議進行緊急討論、分析，確定處理措施和臨時交通封堵；

(6)在危巖下方道路(縱向)兩側各200 m位置布設語音和警示燈報警裝置，由安全管理小組通過無線網關進行遠程控制，發布預警信息。

5 監測數據及預警

以危巖監測云平臺2019年11月1日22：00～2019年11月2日11：00時段的監測數據為例，進行數據分析，監測項目在該時段有較大雨量的降水。監測數據如圖6所示：

圖6 危巖活動初期監測裂縫變化曲線

其中，2019年11月2日02：15，危巖相對變化量超過 2 mm，發布預警短信，11月2日凌晨03：00，裂縫寬度恢復至初始位置，詳見圖6橢圓形框；11月2日10：00～13：00，裂縫寬度急速發展，裂縫相對初始值擴張 4.3 mm，詳見圖6矩形框，監測平臺連續發布預警通知。本項目安全管控小組要求施工單位立即在危巖下方實施危巖被動防護措施，并要求設計、施工單位編制危巖解除方案。11月2日13：00～2日21：30，危巖裂縫張開后未恢復至初始位置，2日21：30～2日23：20，危巖裂縫寬度再次劇烈變化，半小時后，處于初始值擴張 4.3 mm的狀態，詳見圖6圓形框。

6 自動化監測對危巖解除的施工管控

由于本項目危巖自11月2日02：15開始活躍，11月4日確定了項目危巖處置方案：在危巖體外側掛被動防護網，采用預應力鋼纜束縛危巖，由上至下采用水鉆人工逐級解除。在預應力鋼纜收緊危巖的受力過程中，危巖自動化監測系統實時采集數據，監測裂縫的變化情況，指導施工逐步施加預應力，避免危巖體受集中荷載影響而突然斷裂，直接墜落。監測數據表明11月5日20：00～11月6日01：00，危巖在初始受力過程中，裂縫寬度處于劇烈波動狀態，裂縫寬度最大達到 5.9 mm，如圖7所示。施工單位停止施工，改進施工方案，采用多股鋼纜從上至下同時加載的模式束縛危巖，11月7日17：20，完成對危巖的主動束縛，裂縫寬度急劇收縮，相對變化量為裂縫寬度減小 10.3 mm，詳見圖8矩形框。

圖7 危巖體受外拉力和自身重力的作用裂縫寬度變化曲線

圖8 危巖活躍初期至危巖主動防護完成裂縫寬度變化曲線

7 結論及展望

本文危巖監測項目反映了危巖由基本穩定向危巖活動活躍的發展過程，通過自動化監測系統及時地發布了預警信息，避免了安全事故的發生。其中，危巖突然活躍是在大量降水之后，表明地表降水，將加劇危巖地質災害的發生；周邊施工將對危巖的穩定性有較大影響，加劇危巖的活躍程度，降低危巖的穩定性。當工程項目附近有穩定或基本穩定的危巖存在時，應盡早對這類危巖先行處置后再進行工程項目的施工。

此外，危巖在受外力束縛時，若約束力的施加不當，將會引起危巖向不穩定狀態發展。因此在危巖處置時，即便是采用主動防護措施，同樣需要慎重對待，避免危巖處置過程誘發危巖體的突然斷裂而崩塌滑落。

最后，本項目僅從裂縫寬度變化的維度對危巖進行監測預警，鑒于危巖在自身重力和外加束縛力的作用下，危巖和母體組成一個復雜的受力體系，單一的裂縫寬度監測難以反映危巖災害演變過程和災害發生時間點。筆者建議更多的科研機構，從危巖的應力監測、地震波場監測等領域投入更多的研究工作，以掌握危巖地質災害演變的共性特征和災害發生的前兆條件，更好地認識危巖和治理危巖。目前，對危巖監測的控制值難以給出一個清晰的標準，對危巖地質災害的發生難以精準預測和預報，仍需要廣大監測工作者和地質工作者共同努力，掌握危巖活動規律，為精準的危巖地質災害預警提供監測方法和指導。