刘传俊

（华设设计集团股份有限公司,江苏 南京 210006）

高边坡支护是公路路基施工中采取的主要防护措施，不同的边坡环境所选取的支护结构类型较多，传统的高边坡变形、内力监测技术多采取人工测量。信息化监测技术的应用能够有效地减少人工成本，确保边坡指标变化的准确性。高边坡自动化监测主要是掌握边坡岩土体在外界复杂环境下各项力学指标的发展规律，为边坡安全预警提供数据支撑。高边坡监测内容主要为支护结构监测、坡体位移监测、岩土体破碎监测、水压力监测等。高边坡信息化监测预警系统能够实时动态地对边坡岩土体位移、应力变化进行监测，能够确保公路项目长期稳定运行。

南京市某二级公路K2+200隧洞明洞施工处存在三级岩质高边坡，坡宽46 m，坡高35～40 m，整体坡度分布在45°～50°，坡顶高程分布在720～730 m之间。经过现场勘查可知，坡体岩层由上至下为：上层主要由软弱-半坚硬砂岩构成，厚度39 m，呈红褐色，表层风化较为强烈，具备发育较为明显的裂隙、节理；
下层则主要为中风化、弱风化砂岩，厚度分别达到了4 m、25 m。岩土体力学性质如表1所示。现场该边坡1～3级开挖坡度分别为1∶1.25、1∶1、1∶1，2 m边坡平台，开挖深度分别为12 m、10 m、16 m，整体开挖深度为38 m。施工单位开挖过程中，该边坡上部岩土体裂隙出现扩展贯通趋势，且坡脚位置出现局部坍塌，拟采取预应力锚索桩板墙结构进行边坡支护处理[1]。其中，板桩墙的岩体嵌固深度设计为6 m，支护高度设计为12 m，桩身为方形截面（宽1.5 m），采取厚度0.3 m的钢筋混凝土板进行整体厚度1.5 m板桩墙现浇施工，板桩墙间距6 m；
坡面采取截面尺寸为0.3 m×0.4 m的钢筋混凝土格构梁进行防护，格构大小为3 m×3 m；
预应力锚索布置水平间距1.2 m，锚索长度15 m，坡面斜长间距1.5 m，布置倾角15°，拉力设计值180 kN。高边坡开挖剖面示意图如图1所示。项目组为评价支护效果，对该支护形式下开展关键指标（坡体水平位移、支护内力）的动态监测，监测周期设定为施工期间3 d/次，施工结束后1周/次，雨雪期间则需要加密监测[2]。

图1 边坡开挖示意图（单位：m）

表1 岩土体力学参数

2.1 监测预警系统设计

项目设计边坡智能监测预警系统包括以下几个部分：数据处理云平台、数据中心、供电支持模块、数据传输模块、传感器采集模块。其中，传感器采集模块包括钢筋应力计、位移计套件及关联设备；
供电支持模块则包括蓄电池和太阳能板，主要发挥保护及供电作用；
数据传输模块则包括采集箱、网络系统等部分，采集箱进行数据采集之后需要通过蜂窝网络或DTU进行数据中心的传递发送；
数据中心对接收数据进行前期归一、解析；
云平台则可以对实时动态监测的数据进行主观展示，关键指标数据一旦超过设定阀值，则产生预警，并发送给相关负责人。

2.2 水平位移监测

2.2.1 仪器

为确保该支护方案边坡加固效果的有效性，项目选取坡体水平位移作为自动化监测重要指标。现场水平位移监测仪器为位移计套件，型号JMDL-3210A。位移计安装如下：采用单点位移计，埋入式电测位移传感器需要套上锚头、PVC管，并且和拉杆相互衔接，该埋入式电感智能位移计灵敏度0.01 mm，合适温度范围为0～50 ℃；
位移计本体需要固定在支护结构冠梁、格构梁周围。位移计安装中需要事先埋设PVC螺纹套管对测杆进行保护，以此避免测杆和周围环境接触产生的测量误差[3]。

2.2.2 测点布置

埋入式单点位移传感器布置在锚索端头位置，锚头则要进行稳定岩体锚固，位移计本体锚固到支护结构上，传感器和位移计本体需要通过拉杆相互连接，位移计顶部由导线接入数据采集箱。水平位移监测仪器安装时需要选取无雪、雨等天气，其中每级边坡单点位移计布置间距为4 m，测量监测点位需要合理选取，项目选取5个单点位移计，由上至下序号分别为1#～5#，整体简化布置示意图如图2所示。单点位移计锚头在岩体中锚固，位移计本体则固定在支护结构上。位移计本体和锚头之间产生位移变化时，测杆和传感器线圈之间的移动量可以转变为电信号，经过发送接收后则可以转换为可读、可视信号。另外，在边坡附近较为稳定处需要设置GPS基站，实现边坡水平位移的动态监控，获取精度较高的准确数据。

图2 水平位移监测点布置

2.3 支护桩纵筋应力监测

2.3.1 仪器及布置

项目对支护结构内力发展变化开展自动化监测，对桩纵筋应力进行钢筋应力计监测。钢筋应力计安装方法如下：采取焊接、绑扎方式将其固定安装在纵筋相应位置；
支护结构的主体钢筋安装完成之后，施工人员依照设计点位将应力计采取匝丝固定，继而利用电焊机固定设备至主筋上，确保连接牢固；
受力主筋和应力计之间需要构建8圆钢筋，避免应力计在监测阶段出现脱落情况[4]。

2.3.2 测点布置

钢筋应力计并联焊接至支护桩结构上，布置测点如图3所示，钢筋应力计竖向布置间距为4 m。

图3 钢筋应力计布置示意图

3.1 变形监测

该文采取预应力锚索桩板墙进行该岩质高边坡加固，支护结构和岩体之间具备较大的摩擦力，两者之间的黏结能力较高，加固效果良好。项目不同位置单点位移计对于坡体的水平位移监测如图4（a）所示，坡体由上至下分布有1#～5#位移计。监测数据表明，3#位移计监测位移从一开始的28.5 mm快速衰减至14.5 mm，这主要归因于锚索张拉导致水平位移突变，锚索张拉节段会导致边坡快速回缩变形，引发水平位移的快速减小；
锚索张拉一段时间之后，则会产生预应力损失引发的松弛现象，水平位移得以较快增大；
监测天数达到60 d，坡体整体产生卸载，水平位移得以呈缓慢增大的趋势；
80 d之后的5#位移计水平位移监测数据较小，这归因于上方边坡开挖设备移除导致的岩体回弹；
图4（b）为水平位移加速度发展变化统计，60 d监测的整体位移变化加速度较为平稳，控制在-0.02～0.03 mm/d2之间。图4数据统计中，1#～5#位移计的水平位移最大值小于30 mm，最大位移变化加速度控制在0.03 mm/d2，边坡整体稳定性加固效果较好，满足规范允许位移阀值设定要求[5]。

图4 监测点位坡体水平位移变化

3.2 内力监测

支护桩内力采取钢筋应力计进行动态监测，桩身弯矩与埋设距离在不同施工天数下的数据关系如图5所示。结果表明，不同监测点位的钢筋应力计能够较好地反映出支护桩弯矩分布情况；
岩质高边坡开挖前期的支护桩内力变化较为平缓，随着开挖时间的延长，支护桩内力变化越为明显；
监测曲线表明，桩身在地表面以下部分主要承受压弯矩，这主要归因于支护桩边坡挡土侧和嵌固侧均承受一定的土压力，且支护桩承受边坡土压力、锚索拉力的影响程度较大，此外，支护桩承担负摩阻力，地表以下部分主要表现为正弯矩；
随着施工时间的不断延长，支护桩高度范围内的弯矩变化程度明显偏大，这主要是因为边坡稳定性提升，桩身受力分布均匀也更加明显；
桩端的弯矩值保持在-10 kN·m附近，且随时间变化影响程度较小，由此可见，桩端的应力分布几乎不受到外界施工环境的影响；
支护桩顶的弯矩值有较大变化，且整体表现为负弯矩，这归因于岩体边坡开挖导致桩顶受力扰动不均所导致。整体上，桩身稳定性得到满足，支护效果良好[5]。

图5 支护桩桩身弯矩变化曲线

岩体高边坡的数量随着公路建设的发展而不断增多，高填方岩体边坡开挖支护的自动化监测预警设计不仅能够准确地开展现场关键指标的测定，而且对于后续边坡维护也有重要指导作用。该文结合南京市某二级公路岩体边坡开展支护结构内力、坡体位移的现场检测，获取以下结果：岩体边坡在锚索张拉段具备较高稳定性（最小水平位移14.5 mm）；
边坡60 d的整体位移变化加速度控制在-0.02～0.03 mm/d2之间，可靠性较高；
施工开挖初期，支护桩弯矩变化幅度偏小，桩端的弯矩值几乎保持不变（-10 kN·m）；
支护桩地表呈受拉弯矩，地表以下为压弯矩。

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