高速鐵路高邊坡路基智能化監測系統的應用

吳家忠

（成蘭鐵路有限責任公司，四川 成都 610000）

0 引言

在高速鐵路工程中，通過路塹高邊坡、路堤高邊坡水平位移、深層位移監測，錨固結構、支擋結構受力監測及其數據分析，適時跟蹤高邊坡變形情況及其結構受力情況，科學開展高邊坡信息化設計、信息化施工，為動態評估邊坡穩定性、動態調整施工方案以及優化邊坡支擋工程措施提供科學依據。

1 路基智能化監測系統技術原理

高邊坡坡面自動化變形監測主要包括：①路塹邊坡坡面變形監測。②塹邊坡坡體深部位移監測。③路塹邊坡支擋及錨固工程應力監測。④膨脹巖脹縮變形特性監測。⑤路堤邊坡水平變形監測。⑥堤邊坡支擋工程應力監測。⑦降雨量監測。⑧坡體裂縫變形監測。

高邊坡坡面自能化變形監測預警系統包括四大部分：基準點系統、變形監測系統、數據采集傳輸系統、數據分析平臺。基準點系統是在穩定點布置GPS 測點或觀測樁，測量采集的數據用來作為整個系統的基準點和校核點；變形監測系統根據路塹邊坡開挖的施工進度在邊坡巖土體表層逐級埋設相關元器件；數據采集傳輸系統包括數據傳輸線、數據采集模塊、信號發射裝置、太陽能蓄電池、數據采集機箱；數據分析平臺通過接受、處理實時監測數據，對路塹邊坡變形情況進行實時監控，并根據相關模型預測邊坡位移的發展情況，當變形較大時發出預警信號，以便及時處理[1]。

2 高速鐵路高邊坡路基施工

2.1 施工前的準備工作

2.1.1 清除表土

根據工程項目的實際情況，對該路段采用挖掘機清除表土，并將清除的表土運抵至指定的地點，不得作為種植土繼續使用。

2.1.2 測量放樣

表土清除完成后，按照復測地面標高和設計圖紙上的橫斷面樁號進行測量放樣，確定中樁、碎落臺、邊樁和路塹頂的開挖位置。

2.1.3 土石方開挖

（1）土石方開挖采用裝卸機配合挖掘機作業，采用通道式縱挖法施工，自身而下粉塵開挖，不亂挖、超挖、禁止掏洞取土。

（2）路塹邊坡開挖采用階梯形開挖方式，邊坡坡率按照高度的不同，分別采用1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.75。

（3）每開挖8～10m 設置一個以及碎石臺，碎石臺寬2m，并按照一定的頻率使用坡彼尺檢查邊坡坡度，及時糾正偏差。

（4）開挖時按照設計要求預留30cm 邊坡，每挖2～4m 時使用挖掘機修刮邊坡一次，確保邊坡一次成型。

2.1.4 土方開挖

（1）如果挖方地段沿線縱向地形平緩，可使用挖掘機配額自卸車開挖。

（2）沿著路線方向設置便道，便道縱坡應保證自卸汽車空車情況下順利爬到坡頂，并于路線的左右副在設置一道便道，便于自卸車上下行駛，從高至低逐層開挖，每一層開挖深度控制在3～4m，寬度控制在8～10m。

2.1.5 石方開挖

（1）對于開挖斷邊坡高度小或者是半填半挖的地段，使用風槍鉆眼、預裂及松動爆破法施工（圖1）。開挖接近邊坡時，采用放小炮和人工清刷，確保邊坡表面平整穩定。

圖1 淺孔爆破預裂孔裝藥結構

（2）對于開挖斷面大，邊坡高度高于6m 的地段，采用自上而下縱向掘進施工法；地表巖石風化破碎地段，采用松動爆破法。

2.1.6 邊溝、截水溝及排水溝開挖

（1）邊溝、截水溝及排水溝開挖應嚴格按照設計圖紙中的要求進行施工。

（2）溝槽應保證排水順暢、邊坡穩定、溝底縱坡符合設計要求，平曲線位置的溝底縱坡與其前后的溝底縱坡相銜接，曲線內側禁止出現積水或者外溢現象。

（3）需要鋪砌的邊溝，按照設計要求，增加開挖深度和寬度。

（4）采用爆破法開挖石質邊溝、截水溝或者排水溝時，采用小孔、輕量炸藥，超挖部分使用碎石塊填密實，突出部分鑿平即可。

（5）開挖接近坡面時，采用小炮結合人工清刷，保證邊坡穩定及表面平順。

2.2 路基填筑施工

（1）嚴格處理高邊坡路基基底，清除不合格的地表土，使用推土機整平基底，原地面坡度大約為1∶5 的邊坡應當按照設計要求開挖臺階。

（2）使用重型壓路機對整平后的基底進行碾壓，直至達到設計要求后再進行路基填筑，路基填筑采用優質的填料，填筑過程中嚴格按照填料的含水量，盡量將填料的含水量控制在2%左右。

（3）注重高路基碾壓，使用推土機在邊坡初步壓實，再使用壓路機全段面靜壓1～2 次，再使用重型壓路機反復碾壓，保障路基碾壓密實，壓實度符合設計要求。

（4）注重沉降觀測，高邊坡路基應嚴格控制填土速度，路基填筑過程中，委派專人記錄路基填筑高度和沉降量，如果觀測到沉降量高于3m、邊緣大于1.5m 時，應立即停止填筑，待沉降穩定后方可停止填筑[2].

3 智能化監測系統的應用

3.1 監測目的

（1）為準確掌握高邊坡變形頻率，了解工程項目在建設過程中受降雨、開挖等的影響，保證工程項目建設質量，保證高速鐵路運行期間的安全與穩定，因此開發了該系統用于高邊坡監測。

（2）高速鐵路一般工期緊，需要快速施工，準確可靠的監測系統，才能實現信息化施工目的[3]。

3.2 監測元器件布設安裝

（1）每個深路塹段落選擇邊坡最高部位設置一個自動化監測斷面。

各監測元器件精度如表1 所示。監測元器件使用壽命不低于6 年。

表1 監測元器件精度

（2）GPS 測點。

每個監測斷面設置2～5 個GPS 監測點，監測點布設于每級邊坡的最不利邊坡部位。

（3）深層水平位移監測系統。

每個監測斷面設置2～5 個深層水平位移監測系統，監測孔應設在變形敏感位置，鉆孔深度結合邊坡滑動弧面確定，潛在穩定地層深度達到不少于5m。路塹邊坡中，潛在滑動變形區域測點間距一般為2.5m，相對穩定地層測點間距一般為5m。

（4）錨固樁應力。

每個路塹高邊坡監測斷面設置1～2 個錨固樁進行受力監測，按照懸臂端與錨固段各2 個位置、分界面1處位置進行設置，每根錨固樁設置5 處監測位置，每個位置在樁背和樁前各設置1 處應力計監測點，以監測錨固樁受力特性。

（5）錨索計。

每個路塹高邊坡監測斷面設置1～3 個錨索計監測點，監測點布設于受開挖和外界環境影響最大的部位。

（6）錨桿應力計。

每個路塹高邊坡監測斷面設置2～7 個錨桿應力計監測點，監測點布設于受開挖和外界環境影響最大的部位。

（7）土壓力盒。

每個監測斷面設置3～4 個土壓力計監測點，設置路塹錨固樁。

（8）多點位移計。

每個斷面設置2 套監測2 種不同風化程度的膨脹巖的監測系統，每套設置6 個監測點，監測點深度分別為0.5m、1m、1.5m、2m、3m、4m。

（9）雨量計。

雨量計應布置在坡體中部的較高位置處，且要求周圍環境空曠，無遮擋，以保證所采集降雨量數據準確，且有代表性。

（10）工控設備箱安裝。

工控設備箱內的數據采集控制設備按照設定的頻次控制連接桿和位移計測量工作，測量數據實時通過無線傳輸模組打包上傳到數據處理平臺，設備箱外置的電源組線連接太陽能供電設備，設備箱外置的天線接口連接無線發射天線。

3.3 監測年限和頻次

（1）監測年限：監測工作從邊坡開挖開始，至線路開通運營后1 年，之后可將監測測試系統移交運營部門，進行長期監測。自動化監測頻次如表2 所示。

表2 自動化監測頻次

（2）正常情況下，按預定頻率監測，當本次變化量或累計變化量超常時，可通過數據平臺對監測頻次參數進行遠程設定，將監測頻率適當加密。當出現下列情況時，應提高監測頻率。

①監測數據變化較大或者速率加快；②發現坡體有異常變化或地表裂縫增大；③超深、超長開挖等違反設計工況施工；④周邊地面突發較大變形或出現嚴重開裂。

（3）監測頻率還應當與施工進度和工程項目所在區域內的降水相適應，對于雨季高邊坡開挖期間出現的變形的概率升高，應加大監測頻次；連續3d 降雨量超過50mm 時，應連續觀測3 次，間隔時間不大于2 個工作日；項目竣工后的頭6 個月每月監測一次，以后的每3 個月監測1 次[4]。

3.4 監測數據采集與管理

數據采集傳輸系統如圖2 所示，通過公共網絡將實時監測數據發送至數據分析平臺，對采集的數據格式進行轉化，檢查和剔除異常數據，保存至數據庫。

圖2 數據采集傳輸系統

4 監測數據的分析和預警預報

預警標準值：①路塹水平位移達到50mm 時；②當路塹累積水平位移達到2cm，且位移速率達到3mm/d 時。

當數據分析系統判定監測數據超過預警值時，系統自動將預警信息發送至各管理人員的手機上。項目管理人員收到預警信息后及時開展分析，找出原因，制定對策，及時處理[5]。

5 結語

通過路基高邊坡智能化監測系統的應用，對地表位移、深部變形、錨固應力、降雨量、裂縫變形等項目進行監測，通過監測數據綜合分析邊坡穩定狀態，變形發展趨勢，及時掌握施工期和運營期路塹高邊坡和路堤高邊坡穩定性和變形情況，為線路安全運營提供了預警保障。