某隧道出口段高边坡监测技术研究

2020-12-03陈开圣王琴琴

贵州大学学报(自然科学版) 2020年6期

陈开圣，王琴琴，蒋浩

(1.贵州大学土木工程学院，贵州贵阳 550025；2.黔南交通试验检测有限公司，贵州都匀 558000；3.中国建筑第四工程局有限公司工程技术研究院(技术中心)，广东广州 510665)

贵阳市地形复杂，以喀斯特地貌为主，道路的修建避免不了要开山放坡，这就使得贵州省高速公路两侧涌现出大量的路堑高边坡。随着时间的推移，这些高边坡在运营过程中的失稳滑塌会给人们的生命财产带来不可估量的损害，因此有必要对路堑高边坡进行长期监测。通过全程的实时监测，掌握其在运营过程中稳定性的变化。

国内学者对此进行了相关研究。李振东等[1]在六盘水月照机场高填方边坡对测斜仪的应用表明，测斜仪可以表征高填方边坡不同深度处的变形位移情况，并且通过布设深部位移监测剖面可以反映高填方边坡潜在的滑面及滑面的贯通性，对判断机场高填方边坡的稳定性有重要意义。吕群财[2]对湖南汝郴高速公路路堑边坡的表层位移及深层位移的监测数据分析表明，边坡支护方案效果明显，边坡处于稳定状态。王红明等[3]在国内主要边坡监测等级划分等方面工作的基础上,结合作者多年在湖北省公路工程边坡监测工作经验,提出了适宜在湖北省公路工程边坡监测中使用的边坡监测等级划分方法。王旭日[4]对某泥岩砂岩高边坡锚索预应力的监测研究表明，锚索预应力的损失逐渐趋于稳定，预应力柔性支护结构支护效果良好。周勇等[5]以兰永一级公路某深挖路堑边坡的治理工程为依托,对边坡支护过程中及支护结束后的锚杆应力、锚索内力、坡体位移进行了原位监测,并利用岩土分析软件PLAXIS,采用节理岩模块对该边坡工程进行了数值模拟分析。

目前，对边坡的监测主要集中在边坡变形、锚索预应力的监测，加速度计在边坡监测中的应用较少。本文在某隧道出口段高边坡监测中，加入了对该边坡加速度的监测。加速度计在边坡监测中的应用，增添了监测数据的多样性，使得对该边坡加固效果的评价多了一项数据的支撑，评价结果更具可靠性。

1 工程概况

某隧道出口段K4+430～K4+365高边坡长65 m，大都为采空区，轴线最大挖高31.52 m，左边坡最大开挖高度34 m，右边坡开挖高度49.72 m。边坡主要由堆填土、泥质粉砂岩、泥岩、砂岩、硅质岩和煤层构成，全、强风化层厚，节理裂隙发育，岩体破碎。坡体采用井字梁预应力锚索防护, 共分为四级台阶, 锚索孔径130 mm , HRB335钢筋, 7-Φ15.2锚索, 锚孔内为M35水泥砂浆, C30混凝土封锚, 设计锚固力800 kN。当进行第四级边坡开挖的时候，在该边坡上发现地表裂缝，裂缝最大宽度103 mm，深可见0.3～1 m(图1)，预应力锚索框架梁开裂(图2)。

图1 边坡裂缝

图2 第三平台锚索框架梁开裂

2 边坡监测设计

为及时准确的掌握边坡的稳定性情况，对边坡进行现场监测。其中，锚索预应力和表面位移监测周期为2019年7月17日—2019年12月31日，加速度监测周期为2019年7月26日—2019年12月31日。监测设计如下：

(1)雨量监测：在坡体上选择一处较为平坦地段安装1个雨量计(图3)。

图3 安装雨量计图4 安装锚索计图5 安装加速度计图6 安装小棱镜

(2)锚索预应力监测：在坡体上布置4个预应力锚索计，监测锚索预应力及预应力损失随时间变化的情况(图4)。

(3)加速度监测：边坡滑动之前，加速度会出现突变。在框架梁上安装4个加速度计，监测边坡加速度的变化趋势，判断边坡的临滑迹象(图5)。

(4)表面位移监测：采用全站仪对坡体表面水平位移和竖直位移进行监测。在边坡框架梁上安装徕卡小棱镜(图6)，坡体上布置了12个监测点和2个基准点。根据现场踏勘结果，基准点布设于该高边坡斜对面的一个长期废弃的平台上(图7)。位移监测采用后方交会法，基准点作为后视点。按国家二等三角测量要求，在边坡对面建立2个基准点(图8、图9)，形成一条基准线，建立虚拟三维坐标系[6]。

图7 基准点布设平台示意图图8 1号基准点图9 2号基准点

各监测点布设示意如图10所示。

图10 各监测点布设示意图

3 监测结果分析

3.1 雨量监测

气象学上将降雨等级按以下原则划分：小雨，24 h内降雨量小于10 mm的降雨过程；中雨，24 h内降雨量10～25 mm的降雨过程；大雨，24 h内降雨量>25～50 mm的降雨过程；暴雨，凡24 h内降雨量超过50 mm的降雨过程。

本项目雨量监测的周期为2019年7月至12月，监测内容为监测期内各月降雨总量及监测期内每日降雨量。图11为监测期内贵阳市月降雨量柱状图，图12为监测期内贵阳市7—8月日降雨量统计图。

图11 贵阳市月降雨量柱状图

图12 贵阳市7—8月日降雨量统计图

由图11可知：2019年7—12月各月降雨量分别为202.73、75.65、72.71、105.62、20.78、6.3 mm；监测期内总降雨量为483.79 mm；最大降雨量在7月，为202.73 mm，占监测期内总降雨量的41.9%。由图12可知：强降雨主要集中在7月至8月中上旬，8月下旬至12月底，降雨量显著降低，日降雨量主要以中雨、小雨为主，暴雨出现1次；在监测期内，7月19日的日降雨量达到最大值57.23 mm，为暴雨级别；大雨出现3次，分别为7月6日35.00 mm/d，7月12日26.61 mm/d，8月7日28.71 mm/d。监测前期(7月至8月上旬)出现了大到暴雨，监测中、后期(8月中旬至12月)出现了中小型降雨。

3.2 锚索预应力监测

锚索预应力监测结果如图13、图14所示。其中，图13为锚索预应力随时间变化的曲线，图14为预应力损失值随时间变化的曲线。

由图13和图14可知，锚索预应力的损失过程基本分为两个阶段[1]。第一阶段为预应力下降阶段，时间从2019年7月17日到2019年8月3日，一般为锚索测力计安装后15 d左右。截至2019年8月3日，1、2、3、4号4个锚索预应力损失率分别为：17.7%、15.9%、15.1%、12.3%。究其原因，主要是由于该阶段处于边坡支护的初始阶段，此时边坡内部岩土体较为松散，强度较低，岩石中裂隙极其发育，致使锚索在张拉过程中，岩土体的收缩变形过大；其次，钢绞线的应力松弛也是预应力损失的一个重要因素[7]。在预应力锚索锚固作用下，随着边坡岩土体内部应力调整，预应力锚索与周围岩土体相互适应[8]，预应力损失逐渐降低。第二阶段为预应力基本稳定阶段，时间从2019年8月3日到2019年12月31日。该阶段锚索预应力随时间变化的曲线基本为一条直线，其中小幅度波动是由于监测所用路灯电压不稳定等外界因素影响所致，表明边坡已经处于稳定状态，预应力锚索对边坡的支护起到了较好的效果。

图13 锚索预应力-时间变化曲线

图14 锚索预应力损失值-时间变化曲线

3.3 位移监测

位移监测结果如图15、图16所示。其中，图15为各监测点累计位移随时间变化的曲线，图16为各监测点位移变化速率随时间变化的曲线。

由图15和图16可知：距初测时间30 d内，各点累计位移和位移变化速率较大，其中监测点SP6累计位移值最大，为5.86 mm，位移变化速率达到0.19 mm/d。结合雨量监测结果，这一时期正值贵阳市的雨季，降雨量较大，边坡表面位移出现较大变化，说明降雨作用是诱发边坡失稳的一重要因素[9]。距初测时间30 d后，各点累计位移和位移变化速率较稳定。最终，各监测点累计位移[10]为4～7 mm，位移速率为0～0.05 mm/d，表明该高边坡已经处于稳定状态。

图15 累计位移-时间变化曲线

图16 位移变化速率-时间变化曲线

3.4 加速度监测

图17为加速度随时间变化的曲线。由图17可知：监测期间，边坡表面加速度值基本处于稳定状态，表明边坡处于稳定状态，未出现滑坡趋势，加固效果较好。局部有小幅波动的原因主要是：该边坡在高速路旁，道路上来往的重型货车对地面产生扰动，扰动以波的形式向道路周围扩散，致使加速度计有微小的抖动，对加速度的测量产生一定的影响。