自动化监测在危岩安全管控中的应用

欧阳明明，王大涛

(1.重庆市勘测院，重庆 401121； 2.重庆市岩土工程技术研究中心，重庆 401121)

1 引 言

危岩崩塌、坠落、滑落等危岩活动是我国山地地区所面临的主要地质灾害之一，具有爆发突然、难以预测的特点，灾害将给当地造成严重经济损失并引发安全问题。

在危岩周边有工程项目施工时，施工的扰动易降低危岩的稳定系数，诱发危岩体坠落。在工程项目施工过程中，有必要加强对邻近危岩体的监测，掌握危岩的活动状态，有效地控制工程风险，避免安全事故的发生。

2 重庆某项目周边危岩特征

重庆某项目(下简称本项目)所处场地岩性为侏罗系沙溪庙组砂质泥岩、砂岩，岩层倾向140°，倾角8°。本项目场地基岩中发育两组裂隙，都属于硬性结构面，裂面较直，无充填物或局部方解石充填，结合差。J1裂隙倾向260°～270°，倾角65°～75°，延伸长度 3 m～5 m，间距 2 m～5 m不等；J2裂隙倾向80°～90°，倾角65°～75°，延伸长度 1 m～3 m，间距 1 m～3 m不等。

本项目HB匝道的隧道进口位于陡崖下方，陡崖由厚度 25 m的砂岩形成，崖底高程 220 m～222 m，崖顶高程 245 m～247 m，地形坡角65°～75°(与裂隙一致)；陡崖以上为坡度30°～50°的陡坡，出露砂质泥岩。砂岩呈厚层状，卸荷裂隙发育，形成危岩(下简称该危岩)，该危岩下方为HB匝道高架桥和嘉陵路，嘉陵路车流量大，人类活动频繁。危岩初始照片与示意图如图1、图2所示：

图1 危岩初始照片

图2 危岩示意图

该危岩属于倾倒滑移式崩塌类型，上部砂岩受陡倾裂隙切割，危岩体与母岩分离，危岩体的重量随裂隙切割深度的加大而不断增大，则下部较软砂质泥岩承受的荷载也逐步增大，当上部危岩体重量超过了砂质泥岩的抗拉荷载极限时，将使得砂质泥岩发生剪切破坏，最终反应为危岩体的失稳破坏。

本项目危岩在一般工况下稳定系数Fs=1.28，处于基本稳定状态；当在地震情况下，稳定系数有所降低，Fs=1.21，仍处于基本稳定状态，但稳定系数小于稳定性安全系数。危岩下方为HB匝道高架桥和嘉陵路，在工程项目施工阶段和道路运行期间，危岩失稳将危及下行嘉陵路的通行和施工安全。勘察期间，地勘单位建议对该危岩进行清除或锚固，施工时应避免爆破开挖，同时采取必要的工程措施以避免影响下行嘉陵路的通行。

3 施工对危岩的影响

本项目施工期间，施工单位对该危岩进行了局部锚固和切除，H-B出洞口外留有两米厚的岩体未切除，未切除的危岩位于陡坡边缘卸荷带中，现状基本稳定。H-B出洞口仰坡开挖范围内岩体主要是砂岩，采用人工水钻切除的方式开挖。开挖时采取竖向分层，平面分块的开挖方式，每层开挖深度约 0.6 m，每层岩层开挖方式由西向东进行开挖，按照设计要求采取分级放坡+喷锚支护的开挖方式。对于坚硬的岩层采用岩水钻人工劈裂开挖，人工清运至卸料平台。图3方框位置为洞口待切除岩体，图5为岩体切除后暴露的危岩截面。

图3 现场实景图

对H-B出洞口外2 m厚岩体切除后，从危岩侧面进行竖直切割，暴露了危岩的横切面，岩体被3条斜向裂缝切割形成危岩体，H-B出洞口 2 m后的岩体被切割后，危岩的稳定系数降低，危岩体滑落可能性明显增加，为掌握危岩体的活动情况，需要采用实时监测手段监测危岩活动情况。

根据该危岩的物理力学特征，结合危岩发生倾倒滑移式崩塌破坏经典力学理论进行计算分析，在危岩裂缝宽度变化达到 2.5 mm时，该危岩将发生失稳破坏。为保证本项目施工过程中的安全，确保在危岩崩塌滑落前及时预警，为应急措施的实施和危岩处置赢取时间，经本项目危岩安全管理小组研究确定，设置危岩监测裂缝宽度变化量报警值为 2.0 mm。

4 危岩自动化监测系统设计

危岩灾害是较陡斜坡上的岩体在重力作用下突然脱离母体崩塌、滚动、滑落。危岩地质灾害的发生具有突发性和不可预见性，同时具有较强的破坏性。本项目危岩下方有重庆市的主要交通干道，车流量大，危岩崩落将造成安全事故和不良社会影响。为确保危岩崩落前能及时发布预警，危岩自动化监测系统设计如图4所示。

图4 自动化监测系统示意图

(1)在切割面揭露的3条裂缝上，各布置1个监测点，监测裂缝宽度的变化情况。在裂缝的外侧(危岩体侧)固定一个立柱，在相对稳定的母岩体测固定亚毫米级高精度拉伸式传感器，用拉线连接立柱与拉伸式传感器，测量裂缝宽度的相对变化量，传感器及采集器安装如图5所示；

图5 自动化监测系统现场采集端

(2)埋设监测采集器，对3条裂缝传感器进行实时数据采集；

(3)采用无线网络通信技术，将现场采集的数据上传送至自动化监测云平台；

(4)自动化监测云平台对现场采集器传输回来的数据进行存储和处理，每 10 s处理一次数据，并与报警值进行比对，未超过报警值，平台不发送预警信息；若超过报警值，及时向项目负责人发出预警信息；

(5)设置报警值为2 mm，裂缝宽度变化超出 2 mm后立即通过短信提示由建设单位、监理单位、施工单位、设计单位、地勘单位、监测单位组成危岩安全管理小组。通过网络会议进行紧急讨论、分析，确定处理措施和临时交通封堵；

(6)在危岩下方道路(纵向)两侧各200 m位置布设语音和警示灯报警装置，由安全管理小组通过无线网关进行远程控制，发布预警信息。

5 监测数据及预警

以危岩监测云平台2019年11月1日22：00～2019年11月2日11：00时段的监测数据为例，进行数据分析，监测项目在该时段有较大雨量的降水。监测数据如图6所示：

图6 危岩活动初期监测裂缝变化曲线

其中，2019年11月2日02：15，危岩相对变化量超过 2 mm，发布预警短信，11月2日凌晨03：00，裂缝宽度恢复至初始位置，详见图6椭圆形框；11月2日10：00～13：00，裂缝宽度急速发展，裂缝相对初始值扩张 4.3 mm，详见图6矩形框，监测平台连续发布预警通知。本项目安全管控小组要求施工单位立即在危岩下方实施危岩被动防护措施，并要求设计、施工单位编制危岩解除方案。11月2日13：00～2日21：30，危岩裂缝张开后未恢复至初始位置，2日21：30～2日23：20，危岩裂缝宽度再次剧烈变化，半小时后，处于初始值扩张 4.3 mm的状态，详见图6圆形框。

6 自动化监测对危岩解除的施工管控

由于本项目危岩自11月2日02：15开始活跃，11月4日确定了项目危岩处置方案：在危岩体外侧挂被动防护网，采用预应力钢缆束缚危岩，由上至下采用水钻人工逐级解除。在预应力钢缆收紧危岩的受力过程中，危岩自动化监测系统实时采集数据，监测裂缝的变化情况，指导施工逐步施加预应力，避免危岩体受集中荷载影响而突然断裂，直接坠落。监测数据表明11月5日20：00～11月6日01：00，危岩在初始受力过程中，裂缝宽度处于剧烈波动状态，裂缝宽度最大达到 5.9 mm，如图7所示。施工单位停止施工，改进施工方案，采用多股钢缆从上至下同时加载的模式束缚危岩，11月7日17：20，完成对危岩的主动束缚，裂缝宽度急剧收缩，相对变化量为裂缝宽度减小 10.3 mm，详见图8矩形框。

图7 危岩体受外拉力和自身重力的作用裂缝宽度变化曲线

图8 危岩活跃初期至危岩主动防护完成裂缝宽度变化曲线

7 结论及展望

本文危岩监测项目反映了危岩由基本稳定向危岩活动活跃的发展过程，通过自动化监测系统及时地发布了预警信息，避免了安全事故的发生。其中，危岩突然活跃是在大量降水之后，表明地表降水，将加剧危岩地质灾害的发生；周边施工将对危岩的稳定性有较大影响，加剧危岩的活跃程度，降低危岩的稳定性。当工程项目附近有稳定或基本稳定的危岩存在时，应尽早对这类危岩先行处置后再进行工程项目的施工。

此外，危岩在受外力束缚时，若约束力的施加不当，将会引起危岩向不稳定状态发展。因此在危岩处置时，即便是采用主动防护措施，同样需要慎重对待，避免危岩处置过程诱发危岩体的突然断裂而崩塌滑落。

最后，本项目仅从裂缝宽度变化的维度对危岩进行监测预警，鉴于危岩在自身重力和外加束缚力的作用下，危岩和母体组成一个复杂的受力体系，单一的裂缝宽度监测难以反映危岩灾害演变过程和灾害发生时间点。笔者建议更多的科研机构，从危岩的应力监测、地震波场监测等领域投入更多的研究工作，以掌握危岩地质灾害演变的共性特征和灾害发生的前兆条件，更好地认识危岩和治理危岩。目前，对危岩监测的控制值难以给出一个清晰的标准，对危岩地质灾害的发生难以精准预测和预报，仍需要广大监测工作者和地质工作者共同努力，掌握危岩活动规律，为精准的危岩地质灾害预警提供监测方法和指导。