路堑高边坡施工动态监测在施工中的应用

（中冶（贵州）建设投资发展有限公司，贵州 贵阳 550003）

一、前言

贵州省地貌多以山地为主，地形多变、地质构造复杂、部分地区岩质松软且含水量高，高速公路设计中桥、隧占比较高，路基多以高填深挖为主。为了确保施工期和运营期路堑高边坡的安全，必须采取技术措施对路堑高边坡进行施工动态监控。

已有的路堑高边坡主要进行三方面内容的监测：一是地表位移监测，通过全站仪、光电测距仪进行水平位移监测，通过水准仪进行垂直变形监测，通过标桩、直尺或裂缝针进行裂缝监测，达到观测地表位移、变形的目的；二是通过测斜仪进行地下深部位移监测，达到探测相对于稳定地层的地下岩体位移，证实和确定正在发生位移的构造特征，确定潜在滑动面深度，判断滑动方向，定量分析评价边坡的稳定状况，评判边坡加固效果的目的；三是通过人工测量进行地下水位监测，达到观测地下水位变化与降雨关系，评判边坡排水措施的有效性的目的。

中冶（贵州）建设投资发展有限公司联合北京浩坤科技有限公司以工程设计图纸要求及《建设用地地质灾害危险性评估报告》内容为依据，在对贵州三施高速、三荔高速、紫望高速公路全线地质灾害进行详细调查的基础上，结合传感器子系统（传感器、采集仪）、通讯子系统（无线和有线通讯方式）、供电防雷子系统（太阳能供电或市电供电）、数据中心子系统（数据接收、数据处理、数据存储、数据分析）、大数据云平台系统等，综合运用现代化技术监测手段，建立起一套地质灾害监测预警系统，对路堑高边坡进行施工动态监测。

二、工艺原理及特点

（一）工艺原理

根据高边坡地质勘查资料进行科学的测点布设，通过测点传感器系统（拉线式位移传感器、激光测距传感器、测斜仪、数据采集仪、雨量计、土壤水分计）进行数据自动采集，采集影响公路安全的感应器信息汇总到中心软件处理平台进行云计算自动分析，迅速、及时评估边坡安全,实现远程实时监控各个关键节点的安全动态，提醒现场人员迅速做出应对措施，真正实现信息化、自动化监测，达到动态监控的目标。

（二）工艺特点

1.全天候监控。通过传感器子系统、通讯子系统、供电防雷子系统三者结合，对重大危险区域进行动态实时数据采集，能有效避免人工测量误差，实现24小时不间断监控。

2.数据及时准确。利用数据分析处理技术分析各类传感器采集的技术，并进行预报报警及趋势分析，从而指导施工，动态修正边坡支护参数，确保施工及运营安全。

3.提前预警。利用数据通讯系统将数据上传至互联网，通过阈值的设置，做到有任何问题能够第一时间报警，及时排除隐患疏导人流，避免可能出现的重大安全事故。

三、施工工艺流程及操作要点

图1 无线GPRS数据传输服务器系统框图

（一）施工工艺流程

施工准备→测点布置→设备安装→设备调试→数据采集→数据分析→数据反馈→动态设计。

（二）操作要点

1.施工准备

测量准备：实地查看现场情况，确定每个传感器、数据采集箱支架安装位置及太阳能电池板朝向，计算拉线位移计、激光位移传感器、倾角测斜仪及雨量计线缆长度。

材料、机具准备：提前准备好安装用的器具，扶梯、十字镐、安装设备等通过人工搬运抵现场，电钻、螺丝刀、扳手等工具备置齐全，确保材料供给与施工顺畅。

设备基础施工：根据测量确定的安装位置在平台位置利用铁锹、十字镐等工具施工太阳能支架基础并预埋锚栓，浇筑或砌筑50cm×50cm×40cm的水泥墩4个作为拉线位移计、激光测距仪、雨量计、倾角测斜仪的设备基础。

施工人员岗前培训：施工前，对所有项目部管理人员、现场指挥人员、作业人员等实行“三级安全培训教育”，着重进行施工安全知识的讲解与案例分析，切实提高安全意识。所有施工人员未经考核合格不得上岗。项目部选派考核合格、有丰富经验的职工担任驻站联络员，负责调度联系。

2.测点布置

实地查看安装现场情况，根据项目特点，结合边坡的总体布局及边坡施工交叉影响，结构安全为关注重点，进行针对性的测点布置。

拉线式位移传感器、激光位移传感器、倾角测斜仪、数据采集箱按组布置，布置在边坡平台上，一般同一级平台布置每隔50m布置一组，辐射上一级平台。

雨量计布置在边坡稳定开阔处。

倾角测斜仪布置在混凝土支挡结构或边坡平台上。

土壤水分计插入滑坡体中实时监测土体内部含水量。

报警灯为磁铁吸附式可安装在数据采集箱上。

3.设备安装

在确保太阳能支架基础混凝土强度达到要求后安装支架立柱并用螺栓固定牢固，太阳能电池板支架固定于支架立柱上部并调整支架朝向保证日间采光充足后安装太阳能电池板，蓄电池安装好保护罩后预埋于靠近太阳能支架处。

在浇筑好的观测桩上打孔固定拉线位移计于水泥墩上，钢丝绳拉线于拉线位移计端分出三条覆盖坡面并将另一端固定于边坡平台水泥墩观测桩上。

将雨量计、倾角测斜仪、激光测距仪分别利用手电钻打孔安装于水泥墩观测桩，确保安装稳固可靠。

各传感器的数字信号传输线缆汇集成一束后采用保护管保护，并固定于坡面最后接入采集箱。

各传感器及太阳能供电系统接线准备工作完成后介入采集箱内。供电利用太阳能220V电源接入，进行AD/DC转换后对设备进行供电。

项目部驻地安装视频显示器或显示屏，及信号接收装置，将显示屏（显示器）固定于室内或室外有遮挡位置。

4.设备调试

所有线缆均接入采集箱后现场查看各传感器指示灯确保所有传感器处于工作状态。利用万能表查看各设备电压电流确保设备正常运转。安装完毕后先连接调试用的PC电脑，打开专用软件，选择调试功能，输入相关参数查看电脑的数据。同时通过网络查看服务器数据是否有异常。如数据正常则拆下电脑，该系统调试完毕。如数据不正常，查看数据线是否连接正确，数据线连接正确数据仍不正常则拆下设备返厂维修检查。

电脑或者手机有互联网的前提下登录服务商云平台系统，查看实时监测数据，并设置报警参考值。使用人工干预的方式使采集数据超过警戒线并查看报警情况是否正常，数据报警异常的情况发生后及时查找分析报警原因并解决问题。

图2 数据处理

对项目部信号接收装置及显示屏（显示器）进行连接后查看数据接收及显示情况。

5.数据采集

本项目采用各类传感器的监测方式。利用传感器监测的数据，对边坡现场重点监测部位的安全状况做出准确、直观判断。传感器采集的数据通过数据采集箱、DTU等设备通过移动运营商网络传输至云平台，通过登陆了云平台可实时查看各项检测数据。

6.数据处理

服务端与设备通信采用xsocket接收，服务器后台配置多个数据源，数据库以主从形式配置，确保数据安全，提升数据读写效率。系统统计采样highcharts,能快速、简单的做出各种诸如柱状图、饼状图、曲线图等多种形式的统计图或者走势图，跨语言跨平台支持多种浏览器，数据灵活。

7.数据反馈

经系统处理完成的数据，在联网的情况下，在任何时间、地点可通过网页登录云平台系统，进行数据查看。可设置警戒值，超过警戒值自动报警，报警方式为以下三种：声光一体报警；软件数据红色报警；短信群发报警（可设置10人手机号码）。

8.动态设计

观测动态设计原则，通过高边坡监控加强施工地质工作，根据数据反馈情况适当修改完善设计。在施工过程中一旦发现现场情况与图纸不符，及时与监理、业主、设计单位联系，对原设计进行校核、修改和补充。

四、保证措施

根据国家有关规定、条例，结合施工单位实际情况和工程的具体特点，组成专职安全员和班组兼职安全员及工地负责人参加的安全生产管理网络，落实安全生产责任制，明确各级人员的职责。

施工现场按符合防火、防风、防雷、防洪、防触电等安全规定及安全施工要求进行布置，并完善布置各种安全标识。

对现场施工作业人员进行安全教育培训。针对预案措施对现场作业人员进行交底，制定发生灾害后的现场处置预案，进行现场处置预案演练，明确发生警报时现场撤离指挥人员、撤离路线、现场急救措施、伤员急救措施等。安排专人每天对坡顶及坡面级设备进行检查，必须保证传感器的拉线在布设途径上无杂物干扰、打结或松弛现象。

五、应用实例

（一）贵州省天柱至黄平高速公路三穗至施秉段K18+600～K18+900七级挖方边坡

1.工程概况

K18+600～K18+900段为七级挖方边坡，第七、六、五级边坡为锚索框架梁，第四级、第二级边坡为锚杆框架梁，第三级边坡为抗滑桩+锚索框架梁，第一级边坡为抗滑桩+桩板墙结构。

图3 K18+600～K18+900左侧边坡立面设计图

2.施工情况

工程施工过程中，严格按照“逐级开挖、逐级防护”进行施工，将雨量计布置在边坡开阔地带，每施工两级边坡平台，立即安装拉线式位移传感器、激光测距传感器、测斜仪、数据采集仪、土壤水分计，实时动态对边坡进行监控。

3.工程监测及评价结果

采用高边坡实时监测后，2017年12月6日12时左右，施工第四级边坡时，滑坡自动监测仪发出预警，项目部立即响应，现场所有人员全部撤离，经业主、设计、监理现场勘查后，初步判定该边坡存在重大风险隐患，通过及时调整施工参数及方案，成功避免了一起重大安全事故的发生，施工安全处于可控状态。

（二）贵州省天柱至黄平高速公路三穗至施秉段K39+600～K39+820左侧挖方五级边坡

1.工程概况

K39+600～K39+820左侧挖方五级边坡，中心最大挖高：K39+730断面，H=42.5m，最大边坡高度：K39+700，H=42.5m。每级边坡高度10m，平台宽2m，边坡坡率1:0.75～1:1，采用灌木护坡和框架锚索进行坡面防护。其中第一二三级边坡坡率为1:0.75，第四季为1:1，第二三级设框架锚索，其余为灌木护坡。

图4 K39+600-K39+820左侧边坡立面设计图

2.施工情况

工程施工过程中，严格按照“逐级开挖、逐级防护”进行施工，四级五级边坡施工完成后将雨量计布置在边坡平台处，立即安装拉线式位移传感器、激光测距传感器、倾角测斜仪、数据采集箱、土壤水分计，实时动态对边坡进行监控。

3.工程监测及评价结果

采用高边坡实时监测后，锚索框架梁及时施工，确保了边坡稳定。

（三）贵州省紫云至望谟高速公路三分部驻地

1.工程概况

紫望高速公路三分部驻地三面环山，通过地质灾害危险性评估为二级，严重威胁着项目部人员及设施安全。

2.测点布置

结合边坡的总体布局，考虑在边坡的各个位置，以有效性为前提，重点对倾斜、横纵向位移、降雨量、环境及土壤温湿度变化为监测对象。

3.工程监测及评价结果

在系统运行期间，边坡在2017年汛期出现过1次报警情况，在大雨倾盆的夜晚，项目部人员在听到监测系统警报声响起后，项目部人员在门卫值班人员的提醒下，撤离了驻地，派人观测边坡状况，联系后方单位分析数据，经观察及数据对比，雨量超过报警值导致系统报警，在排除隐患后才返回项目部，保障了项目部人员的生命及财产安全。

六、结语

路堑高边坡施工动态监测是当前施工与大数据结合的产物，与传统人工监测方式相比，能最大限度的节约劳动量，且消除了人工监测的误差，提前进行危险预警，将危险消于萌芽状态，确保了施工人员及财产安全。由于在数据自动采集、传输、存储、预警等功能上优势明显，具有显著的社会效益和经济效益。

驻地边坡测点布置图