公路隧道洞口邊坡無線感知技術

楊同軍 秦尚友 楊敏

1.西南交通建設集團股份有限公司 云南 昆明 650031 2.云南省建設投資控股集團有限公司 云南 昆明 650031

1 概述

公路隧道作為一種超長線狀基礎設施，在施工過程中要面臨大量不同類型的災害。尤其是位于山區的公路隧道，相較于一般高速公路工程而言，工程投資大、建設周期長、結構類型多（包括：隧道、涵洞、橋梁、邊坡、路基、路面等），并且山區氣候多變，周邊地形地貌和水文條件較為復雜。其中隧道洞口滑坡是隧道施工中常見的地質災害之一[1]。為確保隧道施工的安全，有必要對穩定性較差的洞口邊坡變形進行監測。

相比于人工輔助的傳統監測方式，無線監測具有實時性強、監測效率高等優點。為實現土木工程結構監測的智能化、高效化，Straser和Kiremidjian（1998）[2]首次提出應用無線傳感器網絡進行結構健康監測，研發了低成本無線感知單元，并將其應用于阿拉莫薩峽谷大橋的動力性能監測試驗中。在此之后，研發適用于土木工程結構監測的無線感知元件及應用無線傳感器網絡對土木工程結構進行智慧感知監測迅速成為工程界的熱點[3]。然而，無線感知技術在洞口邊坡處的應用還不常見。

本文使用由悟莘科技有限公司與同濟大學聯合開發的WISENMESHNET無線傳感網絡監測系統對云南在建蒙屏高速公路一段擬建隧道的洞口邊坡進行監測。利用無線監測網絡中的無線激光測距傳感器，通過監測隧道導管與山體的相對位置判斷洞口邊坡的變形及其穩定性。

本文可以為無線感知技術在洞口邊坡處的應用提供參考和借鑒。

2 無線傳感網絡監測系統

由悟莘科技有限公司與同濟大學聯合開發的WISENMESHNET無線傳感網絡監測系統具有無線無源、超高精度、穩定運行、直觀反映監測期間結構的安全狀態等特點，其系統組成如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡系統組成示意圖

系統主要含有個3主要部分：1）負責采集數據的傳感支點部分，可以采集包括傾角、距離、溫度等原始數據；2）負責收集數據并進行傳輸的智能網關部分，網關無法聯網傳輸時，可以收集并儲存來自傳感支點的數據并進行保存；3）負責數據云存儲、解析以及實時顯示的后臺，即可視化平臺。

3 項目簡介

本文監測的對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。擬建隧道設計為分離式雙洞隧道，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，對邊坡整體穩定性影響小；裂隙④與邊坡傾向相反，對邊坡整體穩定性影響小。隧道右線出洞口邊坡裂隙④與邊坡交角24°，傾角為74°，對邊坡整體穩定性影響大；裂隙④與裂隙③交線⑥邊坡交角21°，傾角為69°，對邊坡整體穩定性影響大。外傾結構面交線控制邊坡穩定性，邊坡易沿外傾結構面產生滑塌。圖2為隧道右線出洞口概況。因此對隧道右線出洞口邊坡進行監測。

圖2 隧道右線出洞口概況

4 監測方案

本文對右線出洞口的導管實施無線監測，通過監測導管與山體的相對位置是否發生變化，來判斷邊坡的穩定性。

現場的安裝分為三個主要部分，包含無線傾角支點、無線激光支點以及網關。其中，無線傾角支點用于監測隧道橫縱向傾角的變化，因此在本文中不做闡述。無線激光支點用來監測導管與山體的相對位置是否發生變化，激光支點的位置安裝在導管外側的混凝土結構上，示意圖如圖3所示。網關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太陽的方向，示意圖如圖4所示。

圖3 激光采集支點的位置示意圖

圖4 現場網關示意圖

由于山體和導管的距離很近（8m左右），激光采集支點不需要設置專門的接收靶，安裝中將激光接受處安排在進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 監測數據分析

導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月的監測期間，導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措施，后期應根據氣候變化時刻注意數據的變化并采取相應措施。

圖6 導管與坡體距離變化

6 結論

本文采用無線感知技術對云南山區一在建高速公路的某段隧道的出洞口邊坡進行了實時監測，主要結論如下：

（1）根據邊坡的勘察結果以及工程施工的安全要求確定了邊坡的監測方案，依據方案進行了傳感器布設及網絡監測平臺搭建。

（2）采用無線感知技術，通過對隧道洞口的導管實施無線監測，依據導管與山體的相對位置是否發生變化，來判斷邊坡的穩定性。